作者：陈爱玲 来源：青岛远洋船员学院学报 时间：2013年4月26日
提 要: 2007年以来， 高涨的燃油成本、持续增长的燃油需求以及IMO等国际组织对船舶排放问题的关注， 使得船舶节能减排工作重要而突出。本文对当前航运业内采用的节能减排措施和有关研究进行了跟踪、整理和分析， 以期对有关机构及人员能起到参考作用。
关键词: 船舶节能 减排 性能分析 推进效率 动态
全球性能源紧张、运营成本的高涨， 使得节能减排成为近年来世界各大航运公司的一个主要任务。今年以来， 中远以降低船队平均运营航速作为节能减排的具体举措， 有效地减少了船舶油耗及废气排放。国外的航运公司、研究机构也纷纷加大节能减排研究力度， 如德国SkySails公司的“风帆”、韩国现代重工的“方向舵翼”。除此之外， 业界还对与节油降耗有关的诸多因素进行了研究， 如驾驶行为、运行性能分析以及优化船体设计等。作者通过近两年的跟踪、整理和分析， 综合起来， 航运业内当前开展的主要节能减排措施和最新研究可以归纳为以下几个方面:
1 提高驾驶技术、改变驾驶习惯， 从人为因素入手节能减排
新科技、新装备不是节油的唯一途径， 驾驶技术与习惯同样可以实现节能减排。荷兰交通运输部联合其他部门在瓦赫宁根举办了内河航运节油比赛， 想通过比赛让各船公司和船长认识到他们在节油事务中的重要性。整个比赛历时8周，有42艘内河船舶参加， 共耗油650万升， 平均节油14. 2%， 折合资金50万欧元， 同时减少二氧化碳排放量3360吨。Danser集团以节油25. 4%的成绩获得比赛团体冠军。同时， 荷兰政府正在制定新的节能减排措施， 计划在2010年实现比2007年节能减排5%的目标。
中国交通部也开展了节能减排示范活动， 在推广的示范项目中， 拖轮/学良节油法0在2006年至2007年， 仅在“亚洲二号”一条拖轮上就实现节油近
160吨， 折合人民币87万余元。“学良节油法”主要通过低速航行、单车靠离、多点停靠、单车航行、最大力矩、借力航行、均匀“变速”、“冷车”慢行、“空档”滑行等方法手段实现拖轮操作节油。
此类比赛或示范项目的确能够让船公司、船员在节能观念上得到加强， 从操作技术与驾驶习惯方面提高节能减排本领。由于远洋航线周期长、航线情况差别大、整体油耗大， 驾驶技术与驾驶习惯实现的节油效果很难直接表现出来， 但这并不能掩盖驾驶技术与驾驶习惯在远洋船舶节能减排方面的重要性， 我们还是应该增强节能减排观念， 提高操作技术、养成良好的驾驶习惯， 在现有船舶装备情况下达到最佳节能水平。
2 提高运行性能分析能力， 在实际运营中节油降耗
船舶在实际运营和维护过程中也有降耗空间。航速是最直观的参数， 平稳的航速或自动巡航设定被认为可以减少5%- 10%油耗。由于船舶在不同的速度、洋流和气候条件下连续运行， 这些因素都对油耗有较大影响， 船员仅仅掌握船舶额定工况时的单位时间耗油信息是不够的， 必须为他们提供船舶的速度-功耗特性等更多信息，并根据吃水、吃水差、水深、水流、风和潮汐等进行修正， 以便船员合理操作， 使船舶处于最佳航行状态。
MARIN联合10家船东经营者、4家船级社、9家航海和检测系统供应商以及1家船厂一起进行了航速试验分析项目和运营性能分析项目。他们首先研究出一个明晰且精确的航速试验分析推荐方法。该推荐方法针对不同船型更新了风阻数据， 校正了波浪阻力， 其最大优势在于其结果不因计算方式不同而不同， 具有通用性。运营性能分析项目则通过四艘试验船研究船舶实际运营性能， 其中洋流、环境、水深、负载(吃水、吃水差)等均被考虑在内。该方法的一致性效果已经得到证明。性能分析本身并不能直接节省燃料或减少排放。然而， 明确船舶性能将有助于船员优化船舶速度和吃水， 进一步提高船舶性能、实现节能减排。参与项目的公司将共享试验成果， 在他们的船上应用运营性能分析系统。
3 优化船舶设计， 提高低速船舶的节能水平
当前， 很多航运公司都试图通过降低船速来减少燃油消耗。从单纯的单船油耗看， 这种方法节油效果十分明显， 但我们必须注意到， 我们现有的船舶可能并不适于低速航行。在以前追求航行速度的年代， 船型设计与优化都是以较高船速为前提的。如今， 船速要降低了， 船舶设计与优化也应随之改变。
首先， 船速降低， 激波与兴波阻力随之改变，船舶的方形系数、球鼻艏就需要重新优化; 其次，船舶巡航速度改变， 对静水状态下的螺旋桨设计要求不再苛刻， 而波浪阻力变得更加重要， 避免推进系统过载、稳速成为主要因素。再次， 设计时必须考虑到速度改变带来的静水动力和海上功率裕度的改变。还有， 低速船的推进性能可能会影响到船舶的操纵性能， 增加横摇的发生机率。这就需要对船舶舵机和航向稳定性进行研究和改进。最后， 随着船速的降低， 船舶动力装置的额定工况也将改变， 需要有相应的设计改进。
4 利用AIS掌握船舶排放情况
船舶排放的量化问题是控制船舶排放的重要因素， 也是节能减排管理中的难点。从2005年起， 所有300总吨以上的船舶都被强制要求装备了AIS系统。岸站可以通过AIS系统获取船舶编号、呼号、位置、航向、航速等信息， 并可进一步得到船舶的船型、大小、引擎、建造时间、最大航速、燃油以及相关信息。利用“AIS系统掌握船舶排放情况”成为一项新的科研课题。
通过AIS信息， 结合实时空气状况， 可以确定每艘船舶的排放系数。进一步耦合AIS数据与船舶船速、航行状态(作业或锚泊)、吃水等工作参数、静态特性以及船舶排放系数， 则可确定船舶的排放位置及数量。当每艘船舶的排放都被量化后， 就可以计算出特定区域的排放情况， 进而得出局部空气质量。排放量化还可以用于涉及排放许可问题的空间规划。
5 利用流体动力学软件优化船舶设计， 降低油耗
减少兴波阻力与摩擦阻力是提高船体性能的主要途径， 而减少兴波阻力的方法大多集中在球鼻艏和船体前后形状设计上。良好的球鼻艏设计能够将球鼻艏与船首之间的激波降到最小。以前， 球鼻艏主要根据试验船速和设计吃水进行优化， 考虑到油价， 一些以前未被考虑在内的因素变得重要了。船舶的操作性能被考虑进来， 球鼻艏也需要根据较低的设计航速、较大的速度空间和吃水区间进行改进， 使阻力在试验状态下达到最小。
研究机构通过模型试验对鸭尾、尾楔、尾压浪板(扰流板)的作用进行研究， 认为这一途径可以减少5%-10%的阻力。此外， 通过先进的防污油漆和良好的船体(平滑焊接等)减少摩擦阻力，也可以降低油耗。而利用空气润滑将有望用于船舶较大的湿表面和较大的平坦部位。
6 提高推进效率、增加燃油利用率
螺旋桨能够将70%左右的机械动力转化为推进力， 虽然已经处于合理范围， 但仍有大量能量损失。螺旋桨的实际效率受限于船舶航行条件和船体性能。例如， 螺旋桨直径不仅受船舶航行吃水限制， 还要顾及船体与螺旋桨间隙(与螺旋桨直径的比例通常固定在20%-25%)， 以此保证船尾的振动处于可接受范围内。这同时还制约了螺旋桨的径向负载分布， 影响推进效率。另外为防止出现气蚀， 要求保证一定的叶片面积， 这将增加螺旋桨摩擦损失。如果将螺旋桨船体整体优化， 提高其气蚀余量利用率， 对传统的螺旋桨驱动的船舶，整体推进效率可以提高5%至10%。
7 动力定位船舶节油研究
动力定位船舶的燃油效率也成为业界关注的问题。动力定位船舶在遇到强风或波群时， 势必会发生较大位移， 在船舶归位时就会造成燃油消耗。提前预防是避免发生位移的主要方法， 在预测到有强风或大浪时， 要提前做好准备， 将位移降到最小。风向及风速测量已经应用于动力定位控制， 而波浪信息因其测量难度较大还未被完全应用， 但模型试验证明可以达到较好的定位性能。
8 节能技术在船舶设计上的综合应用
欧盟的一个科研项目正在设计一种模块化组装的船舶。模块化组装船舶可以根据运营需要改变船舶用途， 调整最佳航速和载荷， 以此提高船舶运营效率、降低近海航行成本。根据变化的用途、船速等因素设计优化船舶性能是其中的关键技术。
日本邮船则提出“CoolEarth”项目， 计划通过提高发动机效能、改进船体线型、使用燃料电池、应用“水下空气洞”技术、安装太阳能电池板、
改善螺旋桨管理、利用风力等一系列措施， 大幅减少二氧化碳排放。该项目的第一阶段已经正式启动， 是在一艘汽车运输船的甲板上安装太阳能电
池板， 328块电池板将占超过该船甲板面积的25%。这些电池板的发电功率可达40千瓦。该船计划于今年12月交付使用。前期实验的目的在于测试太阳能电池板能否经受住海上恶劣条件的考验。如何利用并不稳定的太阳能以及如何使太阳能有效地供给到辅助动力系统是另外两大技术难题。
安装太阳能电池板只是第一步， 日邮希望到2010年能够开发出一艘效率比目前的实验船高50%， 同时废气排放量只有实验船一半的船舶。随后， 利用太阳能、风能技术等， 至2050年开发出一艘完全不以碳燃料为动力的船舶， 从而彻底消除二氧化碳排放。
节能减排是我国的一项基本国策。科学技术的发展和不断进步， 必将推动新的节能减排措施的出现和发展。在国际海事组织、各国政府、航运企业和科研机构等各方的共同努力下， 航行必将更安全， 海洋必将更清洁。
关键词: 船舶节能 减排 性能分析 推进效率 动态
全球性能源紧张、运营成本的高涨， 使得节能减排成为近年来世界各大航运公司的一个主要任务。今年以来， 中远以降低船队平均运营航速作为节能减排的具体举措， 有效地减少了船舶油耗及废气排放。国外的航运公司、研究机构也纷纷加大节能减排研究力度， 如德国SkySails公司的“风帆”、韩国现代重工的“方向舵翼”。除此之外， 业界还对与节油降耗有关的诸多因素进行了研究， 如驾驶行为、运行性能分析以及优化船体设计等。作者通过近两年的跟踪、整理和分析， 综合起来， 航运业内当前开展的主要节能减排措施和最新研究可以归纳为以下几个方面:
1 提高驾驶技术、改变驾驶习惯， 从人为因素入手节能减排
新科技、新装备不是节油的唯一途径， 驾驶技术与习惯同样可以实现节能减排。荷兰交通运输部联合其他部门在瓦赫宁根举办了内河航运节油比赛， 想通过比赛让各船公司和船长认识到他们在节油事务中的重要性。整个比赛历时8周，有42艘内河船舶参加， 共耗油650万升， 平均节油14. 2%， 折合资金50万欧元， 同时减少二氧化碳排放量3360吨。Danser集团以节油25. 4%的成绩获得比赛团体冠军。同时， 荷兰政府正在制定新的节能减排措施， 计划在2010年实现比2007年节能减排5%的目标。
中国交通部也开展了节能减排示范活动， 在推广的示范项目中， 拖轮/学良节油法0在2006年至2007年， 仅在“亚洲二号”一条拖轮上就实现节油近
160吨， 折合人民币87万余元。“学良节油法”主要通过低速航行、单车靠离、多点停靠、单车航行、最大力矩、借力航行、均匀“变速”、“冷车”慢行、“空档”滑行等方法手段实现拖轮操作节油。
此类比赛或示范项目的确能够让船公司、船员在节能观念上得到加强， 从操作技术与驾驶习惯方面提高节能减排本领。由于远洋航线周期长、航线情况差别大、整体油耗大， 驾驶技术与驾驶习惯实现的节油效果很难直接表现出来， 但这并不能掩盖驾驶技术与驾驶习惯在远洋船舶节能减排方面的重要性， 我们还是应该增强节能减排观念， 提高操作技术、养成良好的驾驶习惯， 在现有船舶装备情况下达到最佳节能水平。
2 提高运行性能分析能力， 在实际运营中节油降耗
船舶在实际运营和维护过程中也有降耗空间。航速是最直观的参数， 平稳的航速或自动巡航设定被认为可以减少5%- 10%油耗。由于船舶在不同的速度、洋流和气候条件下连续运行， 这些因素都对油耗有较大影响， 船员仅仅掌握船舶额定工况时的单位时间耗油信息是不够的， 必须为他们提供船舶的速度-功耗特性等更多信息，并根据吃水、吃水差、水深、水流、风和潮汐等进行修正， 以便船员合理操作， 使船舶处于最佳航行状态。
MARIN联合10家船东经营者、4家船级社、9家航海和检测系统供应商以及1家船厂一起进行了航速试验分析项目和运营性能分析项目。他们首先研究出一个明晰且精确的航速试验分析推荐方法。该推荐方法针对不同船型更新了风阻数据， 校正了波浪阻力， 其最大优势在于其结果不因计算方式不同而不同， 具有通用性。运营性能分析项目则通过四艘试验船研究船舶实际运营性能， 其中洋流、环境、水深、负载(吃水、吃水差)等均被考虑在内。该方法的一致性效果已经得到证明。性能分析本身并不能直接节省燃料或减少排放。然而， 明确船舶性能将有助于船员优化船舶速度和吃水， 进一步提高船舶性能、实现节能减排。参与项目的公司将共享试验成果， 在他们的船上应用运营性能分析系统。
3 优化船舶设计， 提高低速船舶的节能水平
当前， 很多航运公司都试图通过降低船速来减少燃油消耗。从单纯的单船油耗看， 这种方法节油效果十分明显， 但我们必须注意到， 我们现有的船舶可能并不适于低速航行。在以前追求航行速度的年代， 船型设计与优化都是以较高船速为前提的。如今， 船速要降低了， 船舶设计与优化也应随之改变。
首先， 船速降低， 激波与兴波阻力随之改变，船舶的方形系数、球鼻艏就需要重新优化; 其次，船舶巡航速度改变， 对静水状态下的螺旋桨设计要求不再苛刻， 而波浪阻力变得更加重要， 避免推进系统过载、稳速成为主要因素。再次， 设计时必须考虑到速度改变带来的静水动力和海上功率裕度的改变。还有， 低速船的推进性能可能会影响到船舶的操纵性能， 增加横摇的发生机率。这就需要对船舶舵机和航向稳定性进行研究和改进。最后， 随着船速的降低， 船舶动力装置的额定工况也将改变， 需要有相应的设计改进。
4 利用AIS掌握船舶排放情况
船舶排放的量化问题是控制船舶排放的重要因素， 也是节能减排管理中的难点。从2005年起， 所有300总吨以上的船舶都被强制要求装备了AIS系统。岸站可以通过AIS系统获取船舶编号、呼号、位置、航向、航速等信息， 并可进一步得到船舶的船型、大小、引擎、建造时间、最大航速、燃油以及相关信息。利用“AIS系统掌握船舶排放情况”成为一项新的科研课题。
通过AIS信息， 结合实时空气状况， 可以确定每艘船舶的排放系数。进一步耦合AIS数据与船舶船速、航行状态(作业或锚泊)、吃水等工作参数、静态特性以及船舶排放系数， 则可确定船舶的排放位置及数量。当每艘船舶的排放都被量化后， 就可以计算出特定区域的排放情况， 进而得出局部空气质量。排放量化还可以用于涉及排放许可问题的空间规划。
5 利用流体动力学软件优化船舶设计， 降低油耗
减少兴波阻力与摩擦阻力是提高船体性能的主要途径， 而减少兴波阻力的方法大多集中在球鼻艏和船体前后形状设计上。良好的球鼻艏设计能够将球鼻艏与船首之间的激波降到最小。以前， 球鼻艏主要根据试验船速和设计吃水进行优化， 考虑到油价， 一些以前未被考虑在内的因素变得重要了。船舶的操作性能被考虑进来， 球鼻艏也需要根据较低的设计航速、较大的速度空间和吃水区间进行改进， 使阻力在试验状态下达到最小。
研究机构通过模型试验对鸭尾、尾楔、尾压浪板(扰流板)的作用进行研究， 认为这一途径可以减少5%-10%的阻力。此外， 通过先进的防污油漆和良好的船体(平滑焊接等)减少摩擦阻力，也可以降低油耗。而利用空气润滑将有望用于船舶较大的湿表面和较大的平坦部位。
6 提高推进效率、增加燃油利用率
螺旋桨能够将70%左右的机械动力转化为推进力， 虽然已经处于合理范围， 但仍有大量能量损失。螺旋桨的实际效率受限于船舶航行条件和船体性能。例如， 螺旋桨直径不仅受船舶航行吃水限制， 还要顾及船体与螺旋桨间隙(与螺旋桨直径的比例通常固定在20%-25%)， 以此保证船尾的振动处于可接受范围内。这同时还制约了螺旋桨的径向负载分布， 影响推进效率。另外为防止出现气蚀， 要求保证一定的叶片面积， 这将增加螺旋桨摩擦损失。如果将螺旋桨船体整体优化， 提高其气蚀余量利用率， 对传统的螺旋桨驱动的船舶，整体推进效率可以提高5%至10%。
7 动力定位船舶节油研究
动力定位船舶的燃油效率也成为业界关注的问题。动力定位船舶在遇到强风或波群时， 势必会发生较大位移， 在船舶归位时就会造成燃油消耗。提前预防是避免发生位移的主要方法， 在预测到有强风或大浪时， 要提前做好准备， 将位移降到最小。风向及风速测量已经应用于动力定位控制， 而波浪信息因其测量难度较大还未被完全应用， 但模型试验证明可以达到较好的定位性能。
8 节能技术在船舶设计上的综合应用
欧盟的一个科研项目正在设计一种模块化组装的船舶。模块化组装船舶可以根据运营需要改变船舶用途， 调整最佳航速和载荷， 以此提高船舶运营效率、降低近海航行成本。根据变化的用途、船速等因素设计优化船舶性能是其中的关键技术。
日本邮船则提出“CoolEarth”项目， 计划通过提高发动机效能、改进船体线型、使用燃料电池、应用“水下空气洞”技术、安装太阳能电池板、
改善螺旋桨管理、利用风力等一系列措施， 大幅减少二氧化碳排放。该项目的第一阶段已经正式启动， 是在一艘汽车运输船的甲板上安装太阳能电
池板， 328块电池板将占超过该船甲板面积的25%。这些电池板的发电功率可达40千瓦。该船计划于今年12月交付使用。前期实验的目的在于测试太阳能电池板能否经受住海上恶劣条件的考验。如何利用并不稳定的太阳能以及如何使太阳能有效地供给到辅助动力系统是另外两大技术难题。
安装太阳能电池板只是第一步， 日邮希望到2010年能够开发出一艘效率比目前的实验船高50%， 同时废气排放量只有实验船一半的船舶。随后， 利用太阳能、风能技术等， 至2050年开发出一艘完全不以碳燃料为动力的船舶， 从而彻底消除二氧化碳排放。
节能减排是我国的一项基本国策。科学技术的发展和不断进步， 必将推动新的节能减排措施的出现和发展。在国际海事组织、各国政府、航运企业和科研机构等各方的共同努力下， 航行必将更安全， 海洋必将更清洁。
