[船舶节能] 浅谈船舶动力装置节能减排技术

  引言

海上运输的主要工具——船舶，随着物流业的进一步发展，其数量在不断增加。船舶作为能耗大户，对其进行节能减排技术改造，具有重要的现实意义。根据国际通行的预测，石油将在40 年内枯竭，天然气将在60 年内用光，煤炭也只能用220 年。人类必须节约使用这些有限的常规能源。中国能源形势不容乐观，我国人口占世界的1/ 5，而能源资源相对匾乏，人均能源资源占有量不到世界平均水平的一半。我国是世界上第三大能源生产国和第二大能源消费国，从1993年开始成为能源净进口国，能源稀缺，特别是油气资源短缺已成为制约我国经济发展的首要因素[1]。气候变暖是当今人类面临的最严峻的挑战之一，控制和减缓能源利用中二氧化碳等温室气体的排放对于解决温室效应问题具有重要意义。国际航运业所排放温室气体的主要成分是二氧化碳，其总量大约相当于全世界二氧化碳排放量的3%，且该数字还将随着世界贸易活动和国际航运量的增长而不断增长[2]。除排放二氧化碳外，船舶柴油机还会排放一氧化碳、氮氢化合物、硫化物、微粒等有害物质，都会对海洋环境造成破坏。

1  船舶节能的内涵

  

     船舶节能总的含义是以最小的能量消耗取得最大的运输效益，或者说就是以最小的燃料费用取得最大的运输量。

    燃料费用营运指标=运输量(吨·千米或海里)/（燃油消耗量(千克)·燃料的价格(元/千克)）

上式的燃料费用营运指标是表示单位燃料费用所完成的运输量，从式中可以看出，船舶节能的努力方向是增大运输量，降低燃料消耗量和采用廉价的燃料[3]。

2  国内外节能减排技术的发展

    从20世纪70年代发生两次能源危机以来，油价飞涨，航运企业的经营成本剧增。特别是近几年来，油价上涨迅速，造成船舶营运成本的构成因素发生显著的变化，燃料费所占的比重急剧增大，现已超过50%。船舶节能、降低燃料消耗量和燃油费用、提高装置经济性已成为一个重要课题，使得船舶节能工作倍受重视。故从柴油机制造厂到造船厂和船公司，一直都在降低船舶燃料费用支出上下功夫，以提高其经济效益。

船舶节能一靠技术进步，二靠加强基础管理。技术进步即是利用船舶节能技术来促进船舶开展节能工作，比如，在新造船舶设计时对船、机、桨进行节能方面的优化设计、合理配置推进柴油机和动力装置、设法减小船舶阻力和提高推进效率；推进柴油机方面采用长行程、少缸数、小型化的柴油机，对增压系统进行优化改进、提高扫气压力，优化燃烧室和采用新的燃烧系统，改进燃油喷射系统、提高最高燃烧压力等，以期直接降低柴油机的油耗；推进柴油机动力装置方面包括主机轴带发电机、采用串联螺旋桨、余热回收等节能技术来提高船舶的整体热效率。加强基础管理包括：船舶合理调度；走经济航道和利用气象导航；采取减速航行与节能航速；使用劣质燃料油；加强机务管理、对设备进行合理的维护保养、保持柴油机及其动力设备良好的工作状态等。

3  节能减排新技术在现代化船舶上的应用成果

　　韩国大型造船企业STX海洋造船9月21日表示，该公司开发的船舶节能成套技术已经准备好接受订单。该技术能大幅减少船舶运行中的二氧化碳排放量，最多可节省50%的燃料费用。

　　STX将这项技术称为绿色之梦研发项目。STX项目组利用该公司在螺旋桨宽弦叶尖领域的技术积累，设计了全新概念的叶片，大幅提高了燃效。ECO-Ship将不再使用传统的船用C级重油作燃料，而改用更高等级、提升了环保性能的燃料。采用高等级燃料能够提升燃料效率41%，减排45%。同时氮化物和硫化物的排放也大幅降低。

　　韩联社首尔9月18日电，同时将引擎和电动机作为动力源的混合动力船舶在国内首次面世。现代重工在蔚山总部举行了海洋JC厅3000吨级警备救助艇“太平洋9号”的下水仪式。该舰成为国内第一艘混合动力船。如果以12节以下速度进行低速航行，就没必要启动主引擎，完全可以靠电动机向前行驶。现代重工介绍称，通过采用混合动力方式的动力体系，可以大幅减少船舶的震动和噪音，而且通过节省25%左右的燃料，可以取得将二氧化碳年排放量约减少10吨的效果。

　　瓦锡兰公司推出“Energopac”舵/桨联合系统。这种新型联合系统能够优化舵系与螺旋桨之间的协作，从而提高推进效率。使船舶节省高达9％的燃油。与传统动力系统相比。能使船舶的二氧化碳排放量减少20％、氮氧化物排放量减少90％。

日本开发涡轮增压器发电系统。此次开发的系统把用于推进的柴油发电机的涡轮增压器与新开发的高速发电机相连，将发动机余热回收为电能，供船内使用，回收的电能相当于一台用于电力供给的柴油机发电装置所发电量。此外，使用该系统，船舶的CO2排放量最高可减少4.6%，还可减少燃料的消耗[4]。

4  船舶动力装置典型节能减排措施分析

    燃油在气缸内燃烧后的热量大部分被排气和冷却水带走，只有小部分热量得以充分利用。因此，对于我国庞大的远洋运输船队来说，节能领域是大有作为的。对这些可用热量的有效利用，现在最为普遍的就是废气锅炉以及主机暖缸利用冷却水热量，燃气透平也是利用主机排气废热。

    1）增设热管锅炉对主机排气进行二次回收。众所周知，柴油机具有较高的排气温度，二冲程增压、横流扫气排气温度为270～310℃，增压、直流扫气为360～380℃。由于远洋系统大部分为二冲程柴油机，仅以此为例予以说明。在理论上，船舶柴油机排气余热的温度在吸收利用时其温度可降低到环境温度。大家都知道，主机排气通过废气锅炉后，排气温度由原来的360～380℃下降到260～280℃，这个温度离露点(假如为180℃，有时还要低)还有100℃左右温度可利用。现在假设在远洋船舶的每个废气锅炉之后增设一热管锅炉，对柴油机的排气余热进行二次回收，使排气温度降到180℃左右。用这些回收的热量加热燃油以及供船员日常生活用气是非常富裕的，并可避免冬季单靠废气锅炉供热有时不能满足船舶正常需要的供热量。热管锅炉由气水管及烟道箱组成。它是利用热管作为传热元件来回收船舶主机排气余热的。由于热管的传热效率高，热敏度高，又结构简单、运行可靠，使其具有重量轻、体积小、蒸发量大等特点。这是其它型式的废气锅炉无法比拟的。

    2）采用主机冷却水热损失来加热日用油柜的燃油。主机冷却水温度一般都在60～75 ℃，属于低品热能。一般的远洋船舶都是利用各种型式的冷却器对主机冷却，进行热量交换，把其热量带走，白白的浪费掉这部分热能。这样既增加了船用设备，又增加了海水泵的功率消耗。假如采用主机冷却淡水加热日用油柜( 设计一个比较完备的循环系统) ，使燃油吸收冷却水的热量而进行预热，这不仅可减少加热主机日用燃油的蒸汽耗量，而且通过这个所谓的燃油—淡水热交换器后，使淡水温度先行下降，再通过淡水冷却器对其进一步冷却，可提高其冷却效果。相对而言其结构复杂了，可在达到同样冷却效果的前提下对淡水冷却器的要求相对低些[5]。

　　船舶动力装置包括主、辅机和传动轴系与设备等。因此，要提高整个动力装置的效率需从各个方面采取有效的措施。

    1）优选主机。由于柴油机技术的发展，无论是低速、中速或高速柴油机其耗油率均有较大幅度的降低，但各种机型间的差别也是明显存在的。因此，在建造船舶时应根据船舶具体情况，选择性能稳定，经济性好的主机。由于主机的能耗在整个动力装置中所占的比例最大，因而主机的优选对提高动力装置的效率影响最大。目前柴油机主机趋向低转速、长冲程，其目的主要是降低耗油率，同时该类主机与低速大直径螺旋桨匹配效果较好。节能型大功率主机主要是降低耗油率，烧重质燃油或代用燃料，提高船舶营运经济性。

    2）主发电机燃烧劣质油。主发电机燃烧与主机相同的重质燃油，实现了燃用单一品种油，使机舱布置和管路布置大大简化，减少维修工作量。同时也节约燃油开支。

    3）优化船、机、桨的配合特性。由于船舶实际航行情况比较复杂，而外界条件(装载、海况、污底等) 又经常变化; 同时，船、机、桨本身的技术状态也会改变，从而使三者的配合特性发生变化，使它们的技术经济指标偏离设计工况，影响能量转换的完善程度，为此，使用管理人员应在船舶运行中清楚地了解各种特性并经常调整运行点，使其处于最佳状态下运行，达到节能的目的。

    4）提高传动效率。从主机到螺旋桨的传动效率取决于传动方式和传动轴及设备的效率，因此，应采取下列措施：

    （1）尽可能采用直接传动;

    （2）如采用间接传动，应提高传动设备(如减速装置、联轴节等)的效率;

    （3）保证传动轴系的对中良好;

    （4）采用高效的轴封装置，减少轴封对漏油及传动效率的影响。

    5）采用主机轴带发电机。由于柴油机在部分负荷工作时，其经济性较差，耗油率增加。当某些船舶较长时间处于部分负荷工作时，可采用主机轴带发电机，这样，不仅可使主机工作在效率高的运行区域，提高效率，而且有可能减少柴油发电机组的数目[6]。

    1）降低微粒的新技术。目前最普遍的方法是在排气管上加装一个微粒捕获器，用来捕获废气中的微粒，并在一定的工况或条件下加以清洁，使微粒捕获器得到再生。就目前而言，再生的方法有很多，但受捕获器材料、工艺等的限制，捕获器再生的可靠性不能很好地保证。还需要广泛地研究。还有其它的技术也在广泛深入地研究，如:静电捕获技术、旋风分离PM技术、燃油添加剂技术。但这些技术离实用仍有不小的距离。

    2）降低NOx的新技术。就目前的技术水平而言，在降低柴油机的NOx方面，只有采用在排气中加入还原剂与NOx 进行还原反应的方法。还原NOx的方法有:选择非催化还原、非选择催化还原和选择催化还原。目前国外进入实用化的技术包括选择催化还原技术和NOx吸附催化技术。目前采用的还原剂是：氨和尿素。

    推进效率是影响船舶航速的主要因素。欲提高船舶航速可在降低船舶阻力、提高推进效率、合理增大船主机功率等诸多方面采取有效措施，提高推进效率的措施有以下几个方面:

    1）设计低转速大直径螺旋桨

    增大螺旋桨直径且降低转速，可提高螺旋桨敞水效率，使推力减额因数增加以及增大伴流分数，提高船身效率。因此，设计低转速大直径螺旋桨，与其优配最佳船尾形状是船舶节能的重要措施之一。对于高速船舶，设计安装低转速大直径螺旋桨，可获取最佳的船舶推进效率。

    2）采用内旋桨

    国内研究双尾船配内旋桨表明，采用内旋桨的船身效率比外旋桨的提高约20%左右。对于MAU 型和B型螺旋桨而言，采用内旋桨的船身效率比采用外旋桨的提高2.4%左右，旋转效率提高3%～5%。其机理主要是产生一种反桨效应，因为内旋螺旋桨与来流流入桨盘的切向速度方向相反，则螺旋桨的转速相对于水流的旋转速度增加，导致螺旋桨推力增大，从而提高船舶推进效率。若巧妙设计最佳的船尾形状，更好地改善伴流场，提高伴流分数值，降低推力减

额分数值，使螺旋桨处于稳定高伴流区工作，则船舶推进效率的提高会更加显著。

    3）采用高效螺旋桨——PBCF装置

    国外研究的一种PBCF装置，在螺旋桨轴套盖上设有鳍，鳍的数量与螺旋桨叶数相同，形状不一，与船尾形状有关。PBCF装置的主要作用是降低螺旋桨旋转产生的涡流，以降低旋涡阻力。此装置具有结构简单，重量轻，费用低等优点。适用于各类船舶，尤以安装在螺旋桨螺距较大的船上效果更佳。

    4）采用船舶助推轮装置

    船舶助推轮装置是一种回收螺旋桨旋转尾流的装置，它可将一部分尾流能量转换为船舶前进的附加推力。该装置采用滚柱轴承支撑安装在螺旋桨轴的末端，在螺旋桨尾流的作用下，可自由地在桨轴上转动，以产生附加推力，从而提高船舶推进效率。该装置结构简单，易于安装、改装、拆卸和维修保养。

    柴油机的效率与最高燃烧爆发压力有关，爆压上升则燃油消耗率下降。当代柴油机的爆压已达13~15MPa，甚至18MPa。由于结构、材料等多种因素的制约，柴油机的爆压不可能无限提高。而且，如此高的爆压通常只有在额定负荷时才能达到，而在部分负荷时，因供油量减少，最高燃烧压力也随之降低，经济性相应下降。VIT机构（即可变喷油定时机构）的实质是：保证变负荷时，油泵自动调整供油提前角，使柴油机在部分负荷时有较高的爆压，在高负荷运行时最高燃烧压力不超过额定值，有效地改善了柴油机运转时的经济性[7]。

    电子喷油系统装置采用微机控制，可即时将柴油机工况的各类参数，如主机转速、曲轴转角、燃油燃烧压力、扫气泵压力以及排气温度等数值输入微机进行综合分析处理，从而得出最佳的喷油压力和提前角以及喷油量，实现燃油在气缸内的燃烧过程的最佳控制，达到节能效果。

    机舱布置应首先满足总体布局，机电及其辅机布置合理，既便于操纵，又易于维修;同时，机舱周围环境应满足柴油机进气的需求，可及时进气扰动，以使主机进气充足，燃烧良好，排气顺畅。换气良好，燃料燃烧充分，从而达到节能减排的目的。

    废气再循环在技术成本增加较少的情况下，可以有效抑制NOx的生成，受到了广泛重视。废气再循环(EGR)是通过回引部分废气与新鲜空气共同参与燃烧反应，利用废气中含有大量化学惰性气体(CO2、N2、H2O等)具有较高的比热这一特性来降低NOx的生成。因为NOx 的生成条件是高温富氧，而废气的引入一方面使混合气热容量增大，造成使相同量的混合气升高同样温度所需热量增加，从而降低最高燃烧温度；另一方面废气对新鲜充量的稀释也相应降低了氧的浓度，从而有效地抑制NOx的生成。EGR与其它技术相结合是改善发动机整体性能的总的发展趋势。采用氧化催化剂与EGR反馈控制能同时改善PM和NOx；采用高压共轨喷油系统，结合高EGR率可使NOx和烟度同时大幅下降；改进燃烧系统和冷却EGR可进一步降低NOx排放[8]。

    通过研究和实践，技术节能有效降低船舶燃油消耗，已被大家所认同，并已广泛应用在船舶节能工作中。但是船舶节能减排是一项系统工程，在注重技术节能的同时还应加强船舶管理，把节能减排的基础性工作做好。机电设备是船舶油料最直接的消耗者，抓好机电设备的维护保养，确保机电设备的工况，充分挖掘节能降耗潜力，首先要使柴油机保持良好的工作状态。可以从以下几个方面着手：1）调整最佳喷油提前角。每一种柴油机都有一个最佳喷油提前角，在维护保养时，要注意检查和调整各缸的供油提前角，使其处于最佳供油位置。2）保持进排气系统的通畅，定期调整气阀间隙。3）定期检查调整供油定时和喷油压力，确保其在规定范围内。4）保持燃烧室组件之间的适宜间隙。5）保持润滑系统的顺畅。润滑系统不顺畅会使机械磨损加剧，增加油耗。6）保证足够的新鲜空气供给量。现代柴油机大都采用废气涡轮增压，若空气通道堵塞，如脏污、结炭、变形等，都会因流阻增大，使增压压力下降，影响扫气效果，导致燃烧不良油耗增加，严重时还会引起喘振。7）保持操作系统和传动系统处于良好技术状态，将大大提高机械效率，从而降低油耗。

5  船舶动力装置节能减排技术的展望

    燃油添加剂渗入到柴油中，对柴油起催化、气化作用，使柴油在气缸中充分燃烧，减少黑烟，达到节省油量。新的添加剂技术主要有钠米技术和核磁共振技术。1）钠米技术:在反应瓶中加入一定量的金属钠米微粒和表面活性剂，加入适量溶剂，在一定条件下反应1～2h，并经处理后即可得到表面修饰金属钠米微粒添加剂。该添加剂以0.01%质量分数加入柴油中，能显著提高燃料燃烧效率5~5.8%，实验确定平均节油率为2.1～2.7%，效果良好；2）核磁共振技术:该技术利用核磁共振处理异辛酸稀土活性复合物，提高该活性物质的催化活性，作为添加剂，实验表明可提高柴油燃烧效率，节油可达2~5%，并能降低有害排放。

    随着科技的发展，燃油添加剂技术将不断进步，不断适应节能减排大环境的需求。

    发达国家的经济主要依赖于油基燃料，而油基燃料的获得是有限的，容易出现短缺，许多科学家已经考虑到原油的储存量、燃油的生产和原油的消耗等。未来的船舶动力装置能仅考虑石油为基本燃料，还要考虑使用其他新能源来取代石油。

    利用风力资源，采用风帆助航将成为船舶节能的另一条途径。随着电子计算机和自动化技术的发展，用计算机自动控制风帆的操纵及风帆与动力装置的优化配合已经成为现实，为风帆船的发展提供了有力的支持。80年代，日本建造的“新爱德丸”风帆油船是世界上第一艘实现非人工操帆的风帆船，该船投入营运以来，取得了节省燃料费50% 的目标。我国近年来所研制的风帆船，也已取得了初步的成果。风帆助航船既节约能源，又减少污染，必将开启科技帆船的新时代[9]。

智能化，即使综合使用电子技术和网络技术，通过对柴油机和船舶的各种参数进行监测，并自动适时进行控制和管理，从而使柴油机随时处于最佳的工作状态。2007年3 月2日，中船重工宜昌船舶柴油机厂传来捷报，世界首制WARTSILA6RT- flex50B智能型二冲程船用低速大功率柴油机顺利通过台架试验，这表明我国也已开始在智能化方面迈出了重要的一步。可以预计，智能技术的不断完善在主机节能方面必将大有可为[10]。

    结论

    节能减排是国民经济可持续发展的重要组成部分。我国能源总量稀缺、消耗大、利用效率低，节能工作面临巨大的压力。目前，推动海事船舶节能工作，迫切需要加强政策力度，加大投入，加快节能技术的推广和应用，充分调动各方积极性，争取使海事船舶节能减排工作迈上一个新的台阶。

    综上所述，在全球都进行节能减排研究大背景下，我们国家在船舶节能减排方面也已投入更大的力量。我们的优势在于后发优势，除了在新技术方面要进行不断创新以外，同时还要通过开发先进的适合全球标准的信息网络管理技术，对整个船舶进行综合系统、智能管理，从系统整体上把握创新的方向，从而使我们的船舶业具有更强的竞争能力。