沈蘇雯

節(jié)能設(shè)備的研發(fā)一直是航運(yùn)業(yè)的熱點(diǎn)之一，特別是面對(duì)歷史罕見(jiàn)的市場(chǎng)低迷和油價(jià)高企局面，船舶節(jié)能設(shè)備不僅可以降低船舶能耗，節(jié)省燃料費(fèi)用，還可減少環(huán)境污染，獲得經(jīng)濟(jì)和環(huán)保雙贏?？傮w來(lái)看，目前常見(jiàn)的節(jié)能設(shè)備根據(jù)節(jié)能效果和方式不同大致可以歸納為三大類，減少船舶阻力型、提高推進(jìn)效率型和改善廢熱回收型。

減少阻力型

船舶消耗的燃料大部分都花費(fèi)在與航行阻力的抗?fàn)幹?，這些阻力包括空氣阻力、興波阻力和海水摩擦阻力，如果能減少這些阻力，則可有效改善能效。減少空氣阻力方面常用的手段是設(shè)計(jì)具有減阻效果的上層建筑和獨(dú)特船型，而減少興波阻力和摩擦阻力多依靠節(jié)能設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1、破浪板（STEP）

在減少興波阻力的方面，這一類節(jié)能設(shè)備比較常規(guī)的都是在船體上加裝一些小配件，達(dá)到減小興波阻力減少能耗的效果，近年來(lái)也誕生了一些值得注目的新產(chǎn)品。

日本內(nèi)海造船于2011年1月14日發(fā)表了一項(xiàng)用于汽車運(yùn)輸船的新型節(jié)能裝置“破浪板“（Spray Tearing Plate）。該裝置為板狀，安裝于船首吃水線上，可抑制興波阻力帶來(lái)的船速下降，達(dá)到改善燃料效率的目的。

興波阻力大小并不僅取決于船舶水線以下的形狀，水線上的形狀也有很大的關(guān)系。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，要使興波阻力較小，船首水線以上的形狀也要較小。為了減少興波阻力而改良水線以上形狀達(dá)到減少能耗的目的，研究人員在水線以上船首部分加裝了長(zhǎng)5米左右的附加物，這是一種比較簡(jiǎn)便的改良方法。破浪板的設(shè)計(jì)原理是將沿著船首水線以上流動(dòng)的波浪向船寬方向分流，改變波浪行進(jìn)能量，同時(shí)在波面上升時(shí)破壞波，減少波浪對(duì)船體作用的阻力。如此一來(lái)，可減少在船首部產(chǎn)生的由于波浪反射引起的阻力。

圖1 破浪板示意圖

通過(guò)水池試驗(yàn)證明，與普通船舶相比，采用“破浪板”在規(guī)則波中船舶可降低18%的阻力，燃料效率在BF6級(jí)風(fēng)力條件下（風(fēng)速12.6m/s，波高3m）可提高約2%。

圖2 安裝破浪板的船舶示意圖

2、空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)

所謂空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)，是從船底吹出空氣，在海水和船底之間形成細(xì)密氣泡，以減少摩擦阻力的一種技術(shù)。這種技術(shù)不光能夠節(jié)省能耗，還能有效減少二氧化碳排放量。

對(duì)于肥大型船舶來(lái)說(shuō)，海水與船底的摩擦阻力占據(jù)了船舶總體阻力中比較大的部分，減少了這部分阻力則對(duì)減排和節(jié)能收益都很大，而且肥大型船舶的船底多平面，易于安裝空氣潤(rùn)滑設(shè)備。特別對(duì)于淺吃水的船舶來(lái)說(shuō)，出氣口受到的水壓阻力較小，比起吃水深的船舶更容易將空氣送出去，增設(shè)空氣系統(tǒng)帶來(lái)的能耗增加較小，空氣層也比較易于駐留在船底。因此空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)最適合的船型是肥大型淺吃水船舶。

空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)目前有鼓風(fēng)機(jī)送氣模式和利用主機(jī)助燃風(fēng)送氣模式2個(gè)類型。

鼓風(fēng)機(jī)送氣模式的空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)主要由2臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，2臺(tái)消音器（吸氣、排氣處各一臺(tái)），1組冷風(fēng)機(jī)，15根空氣配管組成。

圖3 鼓風(fēng)機(jī)送氣模式的空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)

日本郵船及旗下日之出郵船與三菱重工共同開(kāi)發(fā)一款船底空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)“MALS”便是代表。該系統(tǒng)已裝載至渡船上應(yīng)用，實(shí)證可節(jié)省5%以上的能耗。該系統(tǒng)是使用鼓風(fēng)機(jī)將加壓的空氣送入船底，配合航行速度和航行狀態(tài)，在船底形成均勻的一層細(xì)微的空氣層，達(dá)到減少船底摩擦阻力的目的。值得注意的是MALS系統(tǒng)對(duì)于方形系數(shù)較小的高速窄瘦型船舶在節(jié)省燃料和減輕環(huán)境負(fù)荷方面也有較好的效果。

這艘裝載空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的渡船總長(zhǎng)145米，寬24米，吃水6.2米，8072總噸。MALS系統(tǒng)使用鼓風(fēng)機(jī)從船底吹出空氣形成細(xì)小的空氣泡，在船底形成地毯式覆蓋層，可在航行時(shí)有效減少船體阻力。該系統(tǒng)最初在2010年時(shí)安裝在重貨運(yùn)輸船“YAMATAI”號(hào)和“YAMATO”號(hào)上，展現(xiàn)了優(yōu)秀的節(jié)能效果。后來(lái)為了擴(kuò)大這項(xiàng)技術(shù)的適用范圍，選取了高速、窄瘦型船舶為研究對(duì)象，此類船舶的船底平面部分很少，搭載該系統(tǒng)從技術(shù)上來(lái)說(shuō)比較困難。

經(jīng)過(guò)海上航速試驗(yàn)，實(shí)證在波高2.5 ～3米的惡劣條件下可減少5%的燃費(fèi)，即使是高速窄瘦型船舶也可有效減少摩擦阻力。并且由于船底空氣層還起到了氣墊效果，有效減少了振動(dòng)和噪音，乘船體驗(yàn)也得到了改善。

另一種形式的空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)是日本郵船與大島造船廠共同開(kāi)發(fā)的，對(duì)擁有排氣旁通管的主機(jī)設(shè)備，將主機(jī)的助燃風(fēng)從主發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓機(jī)中抽出，引至船底形成空氣層。近年來(lái)隨著增壓機(jī)的高效率化，主機(jī)所使用的助燃風(fēng)有富余的部分，正是利用這部分為空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)作貢獻(xiàn)。

圖4 “雙洋”號(hào)煤炭運(yùn)輸船效果圖

這套系統(tǒng)已搭載到“雙洋”號(hào)煤炭運(yùn)輸船，該船總長(zhǎng)235米，寬43米，滿載吃水12.981米，50872總噸。該船與吃水較淺的“YAMATAI”號(hào)不同，是吃水較深的船舶。

“雙洋”號(hào)的這套空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)根據(jù)主機(jī)負(fù)荷不同，有2套控制方案。

a.壓載狀態(tài)：用單臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)或者使用助燃風(fēng)+鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

b.滿載狀態(tài)：使用助燃風(fēng)或者助燃風(fēng)+增壓助推運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖5 “雙洋”號(hào)空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)壓載狀態(tài)工作圖

圖6 “雙洋”號(hào)空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)滿載狀態(tài)工作圖

a模式中，在壓載吃水時(shí)空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)減少的摩擦阻力收益大于空氣系統(tǒng)消耗的能量，因此采用助燃風(fēng)+鼓風(fēng)機(jī)并用模式。b模式中空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)消耗的能量有所增加，只用排氣增壓無(wú)法送出空氣的情況下，使用鼓風(fēng)機(jī)輔助增壓送出空氣。

此外，節(jié)能效果受空氣層厚度影響，研究人員曾做過(guò)模型船試驗(yàn)，當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是空氣層為7mm時(shí)節(jié)能效果為12%，5mm時(shí)為10%，3mm時(shí)為8%，基本是正弦分布。

提高推進(jìn)效率型

超級(jí)導(dǎo)流管（SSD）和半圓形導(dǎo)流管等補(bǔ)償導(dǎo)管一直是VLCC、散貨船之類大型船舶船尾常用的節(jié)能裝置，他們能回收船尾伴流并轉(zhuǎn)化為動(dòng)力以節(jié)省燃費(fèi)。而如果在螺旋槳后方加設(shè)名為“SURF-BULB”的裝置，可以更進(jìn)一步減少燃費(fèi)。

SURF-BULB可以回收推進(jìn)過(guò)程中在螺旋槳后方產(chǎn)生的回流能量，并將其轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力，可以減少3 ～5%的燃費(fèi)消耗。在VLCC、散貨船等肥大型船舶中，與安裝在螺旋槳前端的節(jié)能導(dǎo)管一起使用，節(jié)能效果更好。

圖7 SSD+SURF-BULB

還有一種常見(jiàn)設(shè)備就是對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳。這種螺旋槳是在同一軸上前后安裝了一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，前一個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的回流損失可以被后一個(gè)螺旋槳所吸收，轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力，提高推進(jìn)性能。現(xiàn)在該裝置多用于VLCC、散貨船和電力推進(jìn)船中，除了降低燃料費(fèi)用外，還有降低CO2、NOx，SOx等廢氣排放，減輕環(huán)境負(fù)荷的效果。另外，螺旋槳后的中心部位水流紊亂并伴有漩渦，為了減少這部分的能量損失，如在舵的前端螺旋槳槳帽相對(duì)位置處設(shè)置舵球，則可改善螺旋槳后的尾流，減少槳后旋轉(zhuǎn)尾流損失。

圖8 對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳+半圓形導(dǎo)流管+舵球

此外還有一種新型設(shè)備值得注目。消渦鰭（PBCF）是商船三井開(kāi)發(fā)的一種船舶推進(jìn)器水動(dòng)力節(jié)能裝置，它在螺旋槳轂帽上增設(shè)與螺旋槳葉數(shù)相同的小葉片，以消除螺旋槳轂渦能量為目的。它可以減少螺旋槳的尾部氣泡，降低空泡效應(yīng)，從而改善水動(dòng)力性能，提高推進(jìn)效率，而且投入較小，回報(bào)較快。

通過(guò)近2000艘的實(shí)船安裝和近100艘的實(shí)船檢測(cè)，PBCF可增強(qiáng)3%的軸扭矩，1%的軸推力，5%的節(jié)能效果（等于增加了2%航速），同時(shí)還有效降低了船尾震動(dòng)和水下噪音，改善了舵的損耗。

圖10 未安裝PBCF和安裝PBCF的螺旋槳

圖11 安裝了PBCF的船舶節(jié)能效果

回收廢熱型

商船三井開(kāi)發(fā)了一款高效率的廢熱回收系統(tǒng)。該系統(tǒng)除了已確認(rèn)將搭載在該集團(tuán)“ISHIN”系列環(huán)保船的第三艘上之外，還搭載到了2014年6月完工的大型散貨船“AZUL BRISA”上。該系統(tǒng)已完成海試，確認(rèn)能夠減少5%的燃費(fèi)消耗。

該系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，將主機(jī)排放的廢氣，由增壓器和渦輪機(jī)組合而成的渦輪發(fā)電機(jī)組回收再發(fā)電。這些電力不僅將提供船內(nèi)使用，還可用于船舶推進(jìn)，從而減少燃料費(fèi)用。

圖12 高效廢熱回收系統(tǒng)工作圖

目前，上述的三類節(jié)能設(shè)備廣泛用于各類船舶中，它們各自優(yōu)良的節(jié)能效果已為航運(yùn)界有效減少了可觀的燃料消耗。當(dāng)然節(jié)能手段不僅限于此，其他諸如船底超光滑涂料、一些燃料添加劑，甚至還有節(jié)能航運(yùn)管理系統(tǒng)等技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，都在從各個(gè)角度為節(jié)能這個(gè)命題貢獻(xiàn)力量。隨著船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）在2013年1月1日正式生效，提高船舶能效指標(biāo)、研發(fā)低碳型船舶成為當(dāng)前船舶界的當(dāng)務(wù)之急。只有綜合利用多種節(jié)能技術(shù)，不斷研究改進(jìn)新的節(jié)能技術(shù)，才能大幅度節(jié)省船舶燃料費(fèi)用，有效地降低船舶對(duì)環(huán)境造成的污染。