中船重工經(jīng)濟研究中心 胡琳琳

2010年的船舶科技發(fā)展主要圍繞綠色環(huán)保、新巴拿馬運河和北極冰區(qū)開展。世界造船強國紛紛采取行動，大力研發(fā)相關技術，描繪出了一幅以綠色船舶技術為主，新巴拿馬型船、冰區(qū)船、新概念船及先進設計制造技術融合發(fā)展的炫麗畫面。

綠色環(huán)保技術全面發(fā)展

當前，綠色環(huán)保技術席卷全球，船舶綠色化也在各方的推動下不斷前行。一方面在國際海事組織（IMO）主導下，各種限制船舶廢物排放的強制性國際公約密集出臺，陸續(xù)生效，迫使船企不斷研發(fā)相關技術。例如，限制氮氧化物排放的第二層標準已于2011年1月1日生效，比第一層標準減排75%，未來將進一步減排至80%。

為了限制硫氧化物的排放，IMO還對燃油中的硫含量規(guī)定了嚴格的標準。針對船舶溫室氣體的排放，IMO正緊鑼密鼓地開展工作，加緊制定相關公約，預計最快將于2013年出臺。壓載水管理公約亦將于2016年全面生效。另一方面，航運業(yè)運力過剩，競爭激烈，船東出于成本的考慮，也紛紛將目光投向了那些燃油消耗較低的綠色環(huán)保型船舶，進一步推動了綠色船舶科技的發(fā)展。

——高效柴油機動力技術

歐洲投資8000萬歐元從7個方向開展了歐洲高效超低排放船用柴油機研發(fā)計劃，其主要目標是到2020年，通過將船用柴油機的燃油消耗降低10%，效率提高60%來大幅減少CO2的排放。同時，將NOx排放量減少70%，可吸入微粒的排放量減少50%。

康明斯公司開發(fā)出了型號為QSK60，V形、16缸環(huán)保發(fā)動機，該發(fā)動機所使用的模塊化共軌燃油系統(tǒng)（MCRS），能夠按容積精確地控制噴油量。MCRS使發(fā)動機在任何負荷或速度下都能保持持續(xù)的高壓噴射，高噴油壓力可以保證燃油霧化良好，從而提高燃油的燃燒效率，大幅降低廢氣排放量。

三井造船計劃測試大型新一代四氣缸發(fā)動機，并配備反硝化設備，目標是研發(fā)廢氣循環(huán)技術和采用催化劑的氮氧化物減排系統(tǒng)。如果反硝化設備能達到預期效果，氮氧化物污染減排有望達80%。此項投資預計為15億日元，約1840萬美元左右。

瓦錫蘭集團和MAN柴油機公司成功開發(fā)出了新型的渦輪增壓技術，通過使用兩級渦輪增壓器來增大壓力，增加汽缸中的空氣量，從而提高燃燒效率。

美國環(huán)保排放方案（EcoEmissions Solutions）公司發(fā)明了一種嵌入式鉑基催化系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝缸內(nèi)，能夠使燃料完全燃燒，從而提高柴油機的功率，降低燃油消耗，減少廢氣排放，并延長柴油機的壽命。

——天然氣動力技術

德國曼恩公司預計以天然氣為燃料的發(fā)動機將會在綠色船型上大顯身手，為此，其啟動了ME-GI雙燃料天然氣發(fā)動機（以天然氣為主要燃料，柴油起引燃作用）的研發(fā)，2010年其對研究性發(fā)動機進行了測試，2011年1月將在哥本哈根試驗新型4T50ME-GI主機。

——可再生能源動力技術

環(huán)球造船公司（USC）將開發(fā)下一代風帆系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)需要儲放帆，同時配備“Sea-Navi”運行輔助系統(tǒng)來判斷風帆使用的最佳條件，并設計獲得風能最大的航線，從而達到節(jié)約能源和二氧化碳減排的效果。

——節(jié)能降耗技術

西門子最新開發(fā)的余熱回收系統(tǒng)能夠使用船舶發(fā)動機的廢熱產(chǎn)生蒸汽，通過蒸汽驅動渦輪機帶動渦輪發(fā)電機，產(chǎn)生6MW的電力。這將減少12%的燃料消耗和二氧化碳排放量，能源成本下降10%，使船舶的經(jīng)營更加經(jīng)濟。同時，氮氧化物和硫氧化物的排放量也相應減少。

瓦錫蘭的Energopac優(yōu)化能源效率解決方案是一種可以節(jié)省燃料成本的集成推進器和方向舵。經(jīng)海上測試比較，2艘安裝了集成推進器和方向舵的船舶比安裝常規(guī)推進器節(jié)省燃油費用4%。其主要原理是通過減少螺旋槳轂后面的流動分離來減少拖拽，從而在保留續(xù)航能力的情況下，降低了船舶摩擦阻力。

——NOx、SOx減排技術

德國曼恩公司正在開發(fā)標準的SCR選擇性催化還原系統(tǒng)，預計可以清除80%以上的NOx。該系統(tǒng)采用五氧化二釩做為催化劑，尿素作為還原劑，當40%的尿素溶液噴入高溫廢氣時，尿素可以分解為氨水和二氧化碳，進而和NOx發(fā)生反應，生成無污染的氮氣和水。

瓦錫蘭也開發(fā)了一種適用于四沖程柴油機的SCR選擇性催化還原裝置，命名為NOR（Nitrogen Oxides Reducer），其生產(chǎn)高度標準化，可以根據(jù)不同的主機型號來選擇大小。

對于SOx，雖然可以采用低硫燃油來實現(xiàn)減排，但是低硫燃油的價格高昂，經(jīng)濟性較差。為此，曼恩公司開發(fā)了廢氣洗滌器，測試結果顯示，SO2的減排超過了98%，顆粒物（PM）的減排達78%?；诹己玫臏y試結果，曼恩決定在大型二沖程柴油機上進行全面試驗，并進一步進行實船試驗。

川崎汽船株式會社（K Line），川崎造船集團（KSC）和川崎重工（KHI）將聯(lián)合開發(fā)水乳劑燃料供應系統(tǒng)，并將在實船上進行長期實驗。這是首次在實船主機上安裝該系統(tǒng)并進行研究試驗。試驗于2011年正式開始，該系統(tǒng)將被安裝在由KSC建造的5.8萬噸散貨船上，配套的主機由KHI生產(chǎn)。試驗的目的是為了利用水乳劑燃料技術和其他NOx減排技術來達到滿足IMO關于NOx排放的TierIII標準。

——自動化環(huán)保技術

西門子開發(fā)了為船舶和船隊提供技術和經(jīng)濟運行的管理EcoMain系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以使?jié)撛诘倪\行過程可視化，為運營者提供海上航行和減少燃料消耗方面的建議，從而幫助航運公司優(yōu)化能源和資源使用，增加航運業(yè)務的整體效益。

日本郵船為多艘船舶安裝了船舶信息管理系統(tǒng)（SIMS），這是一種地面系統(tǒng)，用以監(jiān)控船舶航速，燃油消耗及船舶運行中的其它情況。通過監(jiān)控運行狀態(tài)和共享船岸信息，可以優(yōu)化船舶運行條件，降低燃油消耗，減輕環(huán)境壓力。

——壓載水處理技術

2010年7月28日，Yuyo汽船和日立公司宣布將在7.8萬立方米的LPG船上安裝由日立生產(chǎn)的壓載水凈化系統(tǒng)，這是船上第一次安裝清潔壓載水系統(tǒng)。而由挪威OceanSaver公司開發(fā)的壓載水處理系統(tǒng)（BWMS）將安裝于韓國現(xiàn)代重工建造的3艘VLCC，這是壓載水系統(tǒng)首次安裝在VLCC級別的船舶上。標志著壓載水處理系統(tǒng)已經(jīng)全面進入實船應用階段。

綜合運用多種技術打造綠色船舶

——散貨船領域

日本今治造船集團開發(fā)了2.8萬噸節(jié)能型散貨船，該船加裝了節(jié)能3%～6%的混合鰭，采用了節(jié)能4%的船底漆，并將進一步采用節(jié)能4%～8%的空氣潤滑系統(tǒng)和節(jié)能2%的太陽能和風能發(fā)電機。同時，今治造船還開發(fā)了6.1萬載重噸散貨船，通過優(yōu)化船舶，該船船長增加到了199.9米，并裝備了混合鰭，使其載重量增大的同時保持了與傳統(tǒng)靈便型散貨船相當?shù)娜加土俊?/p>

川崎造船開發(fā)了5.8萬噸級新型靈便型散貨船，該船采用雙殼燃油箱以及其他節(jié)能技術，包括高效主機，高效推進器以及低摩擦球鼻艏等，從而大大提高了推進性能，降低了燃油消耗。

三井造船公司開發(fā)出了最大能夠減少三成二氧化碳排放量的大型散貨船“neo Supramax66BC”。該船采取電子控制引擎，余熱回收系統(tǒng)，低摩擦涂料以及能夠根據(jù)天氣和海浪變化而選擇最佳航線的導航系統(tǒng)，從而提高了能源效率。該船最大裝載量為6.6萬噸，而燃油消耗量卻保持在5.6噸級散貨船的水平上。

佐野安船廠對現(xiàn)有的8.3萬噸超巴拿馬型散貨船進行了改進，新船舶的燃料效率和能效設計指數(shù)提高了10%，并能夠滿足IMO Tier-II NOx標準?；谕瑯拥睦砟詈驮O計，佐野安正在開發(fā)12萬噸靈便好望角型散貨船，計劃于2011年第一季度完成。

商船三井株式會社披露了新型“ISHIN-III”礦砂專用船的設計理念，該船配備了各種新技術，和常規(guī)船舶相比，這種新型船的CO2排放量降低30%。

——油船領域

石川島播磨開發(fā)了節(jié)能型VLCC——“未來310T”，該船針對肥大型船舶興波阻力大的特點，專門設計了“鯨背球艏”，大大降低了興波阻力。并采用雙主機單軸動力系統(tǒng)以及改進型對轉螺旋槳，來提高推進效率。在實際海況中，“未來310T”的溫室氣體排放和燃油消耗可降低30%。

挪威船級社發(fā)布了未來油輪新概念船VLCC“Triality”，該船采用了V型船體和新的貨艙布置方案，不僅減少了潮濕表面，降低了方形系數(shù)，提高了船體能效，而且還可最大程度地減少甚至勿需壓載水。“Triality”配備的兩臺高壓雙燃料低速主機，采用液化天然氣作為燃料，并能夠有效利用每次航程中數(shù)以百噸的貨油蒸汽，最終可實現(xiàn)能源消耗降低25%、二氧化碳減排34%、氮氧化物減排可超過80%、氧化硫和顆粒物質(zhì)減排95%的目標。

——集裝箱船領域

石川島播磨集團造船業(yè)務子公司（IHIMU）開發(fā)了13000TEU低環(huán)境負荷型集裝箱船。新船舶通過采用雙導流尾鰭設計和低能耗柴油機，提高了船舶的推進性能，進而使其相比于常規(guī)集裝箱船實現(xiàn)了溫室氣體的減排，降低燃油消耗達30%。如果再安裝最佳操縱系統(tǒng)，降低值可望達到45%。

韓國STX造船最新開發(fā)的13000TEU集裝箱船獲得了德國勞氏船級社能效設計指數(shù)證書。相比于常規(guī)集裝箱船，這艘由STX建造的集裝箱船實現(xiàn)了CO2減排接近20%。STX造船希望對其2013年前后接獲的船舶都采用新船能效設計指數(shù)進行評估。

——滾裝船領域

商船三井在“Neptune Ace”號6400車位滾裝船上采用了低摩擦涂料“LF-Sea”，該涂料由商船三井、日本涂料公司以及日本船舶涂料公司共同研發(fā)。LF-Sea的主要成分是純天然的水凝膠材料，其最重要特性是能夠填充船體的微小刻痕，進而減小摩擦阻力。新涂料提高了近4%的燃油效率，實現(xiàn)CO2減排達8%～12%。

滾裝船是各種船舶中在水面上受到風阻最大的船舶。為了降低風阻，日本旭洋造船株式會社在2000車位滾裝船中采用了“半球流線型船首”，風洞試驗證明，與傳統(tǒng)的船舶相比這種新型的汽車運輸船能夠在縱向上最多降低風壓達到50%。以北大西洋的一般海況和年航行率75%為計算條件，計算結果表明這種新型滾裝船預計每年可節(jié)省燃油800噸，實現(xiàn)2500噸的二氧化碳減排。

日本郵船旗下Monohakobi技術研發(fā)中心（MTI）開發(fā)了節(jié)能達45%的滾裝船。該船通過優(yōu)化船體型線，采用新型主機、太陽能設備、空氣潤滑系統(tǒng)，以及改善船舶操縱性能，提高碼頭裝卸效率來達到節(jié)能減排的目的。

新巴拿馬型船研發(fā)熱火朝天

蘇伊士、阿芙拉、巴拿馬、好望角，從這些船舶的名稱上就可以看出航線和港口對船舶發(fā)展的重大影響力。新的航線往往能夠創(chuàng)造新型船舶。當前，投資52.5億美元的巴拿馬運河擴建工程正在如火如荼的進行，工程預計于2014年巴拿馬運河通航100周年之際竣工。根據(jù)巴拿馬運河的擴建計劃，運河兩端將各修建一個三級提升船閘，船閘的長度擴大至427米，寬度擴大至55米，深度增加至18.3米，與目前巴拿馬運河的船閘相比分別增加了122.2米（40%）、21.5米（64%）和5.5米（43%）。這意味著除去四周的護舷，新巴拿馬運河可以通過長366米、寬49米的船舶，分別比現(xiàn)在可通行的船舶增加了71.9米（24%），16.7米（52%），如圖1所示。巴拿馬運河擴建完工后，原巴拿馬型船舶由于經(jīng)濟性較差將會失去最初的意義，新巴拿馬型船舶將會登上新的歷史舞臺，成為全球航運界的新寵。當前，日本多個造船企業(yè)已將瞄準這一商機，大力開發(fā)新巴拿馬型船舶。

石川島播磨船廠推出了9.3萬噸的超巴拿馬型散貨船，其是8.7萬噸型散貨船的加強型，考慮了巴拿馬運河的拓寬和新的準則，船長和吃水和87型相同，但船寬增加到38米，由此有效地增加了船舶載重量。

今治造船開發(fā)了新一代9.5萬載重噸超巴拿馬型散貨船，作為下一代船舶，該船以其更大的載貨能力為主要特點，船長延長至234.9米，考慮到世界各大港口的進入限制以及船舶本身的推進能力，船寬減少至38米。該船的甲板機械、艙口蓋和壓載系統(tǒng)全部采用電力驅動，由此降低了漏油風險。船舶的可維護性也有大幅提高，即使在滿載情況下，維修人員甚至能夠直通壓載閥。此外，該船通過采用混合鰭降低了燃油消耗。

日本中小型造船工業(yè)會日本造船合作組織（CAJS）開展了新型高能效超巴拿馬散貨船的研發(fā)工作。CAJS稱13家成員船廠參與了此項目的研發(fā)。他們共享相關的技術數(shù)據(jù)，并將利用這些數(shù)據(jù)和技術開發(fā)自己的超巴拿馬型船，開發(fā)出各自的高能效超巴拿馬型散貨船。

三菱重工推出了型長366米，寬48.8米，吃水15.2米的“MALS 14000CS” 新巴拿馬型集裝箱船，該船是迄今能夠航行于擴建后巴拿馬運河的最大的集裝箱船。“MALS 14000CS”還采取了多種綠色環(huán)保措施，其居住區(qū)在船體中部而不是像常規(guī)集裝箱船布置于船尾機艙上部，集裝箱能夠裝載于居住區(qū)的下部，并通過在船尾橫向布置斜面，提供了更大的貨物空間，這種新的船體型線和總布置實現(xiàn)了CO2減排24%。該船還通過安裝MLAS空氣潤滑系統(tǒng)降低了CO2排放10%，配備改進推進系統(tǒng)降低了CO2排放5%。最終該集裝箱船可按常規(guī)設計的集裝箱船降低二氧化碳排放35%。

圖1 巴拿馬運河擴建前后對比

冰區(qū)船成為科研重要方向

北極航道包括西北航道和東北航道。西北航道東起美國和加拿大東海岸，向西穿過加拿大北極群島，經(jīng)波弗特海、白令海峽抵達美加太平洋港口；東北航道西起西歐和北歐港口，穿過西伯利亞沿岸海域，繞過白令海峽到達中國或日本港口。

隨著全球氣候變暖，北極地區(qū)的冰層已經(jīng)大面積融化，北極航道很可能在2013～2030年左右暢通。如果北極航道正式開通，國際貿(mào)易的航程將大大縮短，并帶來巨大的經(jīng)濟利益。當前一些航運公司已經(jīng)先后完成了北極航道的試探性商業(yè)航行，2008年一艘加拿大商船穿越西北航道到達努奴瓦特西部地區(qū)，完成了西北航道的首次商業(yè)航行。2009年德國布魯格船務有限公司旗下的兩艘載重量為12700噸商船，運載著3500噸重型機械配件從韓國蔚山港出發(fā)成功穿越東北航道到達了鹿特丹港，完成了東北航道的首次試探性商業(yè)航行。2010年俄羅斯洲際油輪運營商Sovcomflot所屬的11.6萬載重噸成品油輪在兩艘核動力破冰船的護航下，于8月14日在摩爾曼斯克起航，再次穿越東北航道于9月初到達了中國寧波港。

事實上，隨著氣候變暖，北冰洋海冰加速融化，北極地區(qū)蘊藏的豐富資源和極具戰(zhàn)略價值的航道，都從潛在利益變成了現(xiàn)實利益。屆時，國際航運重心必將轉向北極，大量的貨物將會通過該航線運輸，這將會對船舶的需求產(chǎn)生重大改變，現(xiàn)有的船舶無法在低溫多冰、氣候惡劣的北極地區(qū)航行，新型冰區(qū)船舶將在世界船舶訂單中占據(jù)舉足輕重的地位。

目前，三星重工已將冰區(qū)船舶作為其新技術研發(fā)的重要方向，大力開發(fā)北極鉆井船、北極穿梭油船、破冰LNG船、破冰集裝箱船等新概念船。

韓國STX集團正開發(fā)大型冰級集裝箱船和極地破冰穿梭LNG船。這種破冰穿梭LNG船專為俄羅斯Yamal的LNG項目設計研發(fā)，可破冰層1.5米，采用DAS系統(tǒng)（Double Acting System），能夠實現(xiàn)船首船尾雙向航行。STX還與俄羅斯聯(lián)邦造船公司共同投資成立了一家新船廠Arctech Helsinki船廠，該船廠將聯(lián)合芬蘭和俄羅斯海事界共同致力于研發(fā)北極航運技術和造船技術，并將開始建造專業(yè)破冰船及自破冰運輸船。

韓國現(xiàn)代重工啟動了冰級LNG船和LNG-FPSO的核心技術研發(fā)，為極地LNG運輸船和極地LNG浮式儲油卸油裝置（FPSOs）的建造做準備。目前正在進行冰級LNG船的LNG儲罐焊接技術研究，運行于極地地區(qū)的LNG船相比于常規(guī)船舶，要求更厚的鋁制罐體。通過開發(fā)高效焊接技術，現(xiàn)代重工期望得到來自俄羅斯天然氣開采商的LNG船訂單。據(jù)估計該項目將在2015年前獲得1600萬美元的投資。

瑞典阿法拉伐公司開發(fā)了適用于北極鉆探船的PureBallast2500壓載水處理設備。挪威船級社開發(fā)了冰載荷監(jiān)測系統(tǒng)，能為船舶操縱人員提供有關冰載荷對船體影響的實時信息，并能將冰層的衛(wèi)星信息整合成電子航行地圖，此外挪威船級社還聯(lián)合八個國家的十五家組織啟動了北極地區(qū)海洋工程裝置最佳實踐標準的制定工作。

新概念船層出不窮

勞氏船級社日前在倫敦公布，已聯(lián)同希臘船舶管理公司和歐美機電工程與潔凈能源研究公司，研究在油輪安裝核動力儲備組件，落實開發(fā)核動力油輪。研究小組將重點研究核動力油輪壽命、船殼設計和防止泄漏設備，盡快研究出能被社會接受的新一代油輪。研究人員將測試能釋放超過68兆瓦能源的小型模塊反應堆（SMR），期望將SMR用作商船的“核能電池”。

馬士基油輪公司，現(xiàn)代重工和挪威船級社已經(jīng)達成協(xié)議，聯(lián)手對CO2運輸船進行設計和風險評估，以便開發(fā)容積為2～3.8萬立方米，能夠以最低-55攝氏度和6.5bar的條件運輸液態(tài)CO2。目前，馬士基油輪公司和現(xiàn)代重工已經(jīng)制定了建造從排放源向儲存?zhèn)}庫運輸CO2船舶的初步藍圖。DNV還將提供項目的可行性分析和風險鑒定，確保船舶滿足具體的碳捕獲和儲存要求。

船舶設計制造技術取得新的突破

韓國現(xiàn)代重工推出了一種“數(shù)字化焊接系統(tǒng)”，率先在全球用于造船焊接領域。該系統(tǒng)的推出，結束了現(xiàn)代重工自1972年以來采用了近40年的模擬焊接方式。采用這種數(shù)字化焊接系統(tǒng)后，即使是初級焊工也能像專家一樣進行焊接工作。作為全球最大的造船企業(yè)，現(xiàn)代重工計劃2011年起開始使用這種數(shù)字化焊接系統(tǒng)，預計每年可節(jié)約100萬人工小時的工作，提高20%的焊接量。到2015年，現(xiàn)代重工造船焊接作業(yè)將完全實現(xiàn)數(shù)字化。

大宇造船研發(fā)出一種新的超大型油船（VLCC）儲油艙建造技術。該技術取消了用于抵擋石油晃蕩壓力的儲油艙壁水平附加栓，代之以垂直間隔壁結構。這種新結構抗沖撞力強度增大，可保護艙壁，降低石油的沖撞力，又能延長油艙的使用壽命。此外，由于取消了自重達30噸的水平附加栓，從而減少了船廠的高空吊裝和焊接作業(yè)，節(jié)省了建造時間和費用，提高了VLCC的建造效率。

韓國大宇造船與海洋工程公司完成了“獨立B型鋁制（ACT-IB）”。LNG罐體的開發(fā)，今后將不必支付大量的專利權使用費。該型儲罐是目前最大的獨立型LNG儲罐，可容納21萬立方米LNG，是常規(guī)系統(tǒng)8萬立方米的3倍。該系統(tǒng)通過了國際海事組織的結構安全檢查，同時獲得了挪威船級社關于罐體絕熱系統(tǒng)的核定。今后該罐體將用至LNG船和浮式或LNG-FPSO的建造，以及大宇新一代綠色船舶中。

回顧2010年，船舶科技圍繞綠色環(huán)保，在船舶配套、船型、船舶設計制造等方面均取得了重要進展，呈現(xiàn)出了融合發(fā)展的態(tài)勢。無論是現(xiàn)有的主流船型，還是新巴拿馬型船、冰區(qū)船、新概念船，綠色環(huán)保均是其最重要的指標之一。未來幾年內(nèi)，壓載水管理公約D-2標準、貨油艙PSPC、散貨船和油船GBS、TierⅢ等一批國際公約將陸續(xù)生效和實施，船東也將更加注重節(jié)能降耗，可以肯定綠色環(huán)保仍將是未來船舶科技發(fā)展的主線。各造船強國將不遺余力地加緊相關技術的研發(fā)，推動各項技術的發(fā)展。

同時，隨著2014年巴拿馬運河擴建工程的完工，各國將抓緊開發(fā)適用于新運河的20萬噸級油船、散貨船和1.4萬TEU集裝箱船等一批新巴拿馬型綠色船舶和相關配套設備。而冰區(qū)船舶技術也將在韓國及北極地區(qū)國家的推動下，取得一系列的進步。此外，面對激烈的競爭，船廠將加快研發(fā)那些能夠打破技術壟斷消減專利費用，減少人工成本，提高勞動效率，降低能源資源消耗的設計制造技術，并進行全面的推廣應用。