傅明初

摘要：本文通過船舶水動力節(jié)能裝置改造方案的實例，分析和評價船舶動力狀況，并詳細描述了船舶改裝后產(chǎn)生的更高效的推力，說明船舶水動力節(jié)能裝置改裝是一種投資少、見效快、低碳環(huán)保的改造技術(shù)。

關(guān)鍵詞：水動力節(jié)能裝置改裝 節(jié)能減排 低碳環(huán)保

0前言

2008年，全球性的金融危機重創(chuàng)全球經(jīng)濟的同時也重創(chuàng)航運市場，持續(xù)低迷的運價，相對而言依然高企的油價，使得船東或租船人都希望最大限度地降低船舶運營成本。很多工程技術(shù)人員想盡辦法節(jié)能減排壓縮成本?，F(xiàn)將中國船舶重工集團（China Shipbuilding Industry Corporation）（簡稱CSIC）下屬的中船重工船舶設(shè)計研究中心（China Ship Design & Research Center Co.， Ltd.）（簡稱CSDC）已經(jīng)在船舶節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域上進行了大膽探索，獲得了多項科研成果，應(yīng)用于新造船舶和在役營運船舶的水動力節(jié)能、低速柴油機氣缸油節(jié)能、廢氣余能利用等方面的節(jié)能設(shè)備和系統(tǒng)都取得了理想的節(jié)能效果，并逐步被船東所接受。本文主要介紹CSDC在船舶水動力節(jié)能裝置及其節(jié)能效果。

1 大型貨船的動力

在上一次航運市場低迷的周期中，全世界范圍內(nèi)燃油價格飛漲，很多日本船廠建造的貨船都加裝了水動力節(jié)能裝置。例如我們看到的，在上世紀最后的二十年間，很多從日本船東那里買來的二手船，都帶有節(jié)能導管、舵球、舵鰭，前置導葉等節(jié)能裝置，如圖1-1、圖1-2。

2007年前后的幾年間，由于航企普遍大規(guī)模訂購貨船，多數(shù)新造船忽視油耗性能，有的船東片面追求航速，有的船廠一味縮短造船工期，片面追求交船速度，很多船型缺乏科學嚴謹?shù)膬?yōu)化，也沒有考慮加裝水動力節(jié)能裝置。

自從2008年世界性的金融危機的到來，航運市場不可避免地陷入有史以來罕見的低迷狀態(tài)。目前新設(shè)計的船型無一例外都是低碳、環(huán)保綠色船型。例如CSDC最新設(shè)計的64 000DWT散貨船，日油耗只有24.8噸，比幾年前大量交船的57 000DWT 散貨船每減少燃油消耗10噸左右，也比同時代同噸位的某船型日油耗低近1噸。再如CSDC設(shè)計的180 000DWT散貨船，日油耗只有44.1噸，而日本佐世保船廠2010年交船的同噸位的散貨船日油耗為67.9噸。這巨大的油耗差異，一方面源于船體線型和主機的優(yōu)化，另一方面主要原因是水動力節(jié)能裝置的引入。CSDC的最新船型設(shè)計無一例外地配備了水動力節(jié)能裝置或組合裝置，其節(jié)能效果均達到3%～8%，甚至更高。

例如，某33 000DWT散貨船，降速0.5節(jié)航行并且加裝CSDC水動力節(jié)能裝置，相對未加裝同航速下，每天進一步省油1.1噸，相當于5.3%左右的節(jié)油效果。如果按照年航行260天計算油價630美元/噸計算，每年節(jié)油至少18萬美元，而此類裝置的投資回收期只有不到1年。這對船東們單船控制成本，也是值得考慮的數(shù)據(jù)。尤其是擁有大量大型貨船且自己經(jīng)營海運的公司，每船每年節(jié)油數(shù)萬美元甚至數(shù)十萬美元也是很大一筆收入。因此，為自己的船隊加裝水動力節(jié)能裝置，對船東們來說是一個明智的選擇。

我們相信，未來船型優(yōu)化以及各種節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，節(jié)能減排、綠色環(huán)保將是造船業(yè)及航運業(yè)的核心主題之一。

為應(yīng)對航運市場的低迷，船東以及船舶營運人都采取了各種節(jié)能方式，降速營運是非常常用的。CSDC的水動力節(jié)能裝置在經(jīng)濟航速下，仍舊能產(chǎn)生非常理想的節(jié)能效果。即在船東降速航行的基礎(chǔ)上，CSDC的水動力節(jié)能裝置仍舊能為船東進一步省油。

2 投資少見效快低碳環(huán)保的改造技術(shù)

水動力節(jié)能裝置相對性價比很高，是最現(xiàn)實可行的，安裝簡便，不影響主機、主體線型和結(jié)構(gòu)，節(jié)能效果顯著。國內(nèi)已有百余艘船舶都已經(jīng)安裝。對于未進行線型優(yōu)化的船，水動力組合裝置的節(jié)能效果一般都能達到5%，有的高達10%。

船舶節(jié)能技術(shù)措施主要由以下幾方面來實現(xiàn)：

（1）降低船舶阻力：通過低阻力線型設(shè)計、浮態(tài)調(diào)整以減低風浪中阻力失速、低風阻上層建筑、低阻力舵及控制技術(shù)、船體表面減阻。

（2）提高推進率：主機配置優(yōu)化、尾部線型優(yōu)化、尾部整流置、高效漿設(shè)計、新型舵應(yīng)用。

（3）系統(tǒng)配置優(yōu)化：船機漿最佳配置、機電配置優(yōu)化及職能管理、動能優(yōu)化管理及傳輸降損、余能運用技術(shù)。

（4）節(jié)能設(shè)備研究：高效主機輔機研究、主輔機職能化、柴電混合動力、其他動力設(shè)備節(jié)能、變頻技術(shù)應(yīng)用。

（5）新型能源利用：風 核能、太陽能、燃料電池應(yīng)用、新能源綜合應(yīng)用。

（6）水動力節(jié)能裝置是通過采用1-4項的技術(shù)措施，來達到節(jié)能減排的目的。

3 可行的水動力節(jié)能裝置改造方案

現(xiàn)根據(jù)某船東提供的57 000DWT船舶有關(guān)信息，量體裁衣，專門制定了船舶水動力節(jié)能方案。

3.1 船舶技術(shù)參數(shù)：

3.2船舶目前油耗估算

（1）未加裝節(jié)能裝置的設(shè)計油耗

根據(jù)船廠和主機廠提供的信息，主機在原設(shè)計工況下，持續(xù)功率（CSR）=8 532Kw時，燃燒低熱值（LCV）=42 700kJ/kg的油耗為35.4mt/day，燃燒低熱值（LCV）=40 600kJ/kg（即租約里普遍規(guī)定的IFO 380cSt）燃油的油耗為37.24mt/day。

（2）未加裝節(jié)能裝置的經(jīng)濟航速下的油耗估算

（3）上述估算基于：平靜水域、開闊深海，清潔船底，主機燃燒IFO， 燃燒低熱值（LCV） 40 600kJ/kg （10，200kcal/kg），帶有15% 海況裕度。不考慮可能產(chǎn)生的熱油鍋爐和鼓風機的能耗。

3.3節(jié)能方案的選定

（1）加裝CSIC消渦鰭（HVAF），設(shè)計吃水，維持設(shè)計航速，模型試驗預(yù)報節(jié)約主機功率3%左右。

（2）加裝CSIC前置預(yù)旋導輪（PSV），設(shè)計吃水，維持設(shè)計航速，模型試驗預(yù)報節(jié)約主機功率5%左右。

（3）加裝組合節(jié)能裝置，CSIC消渦鰭（HVAF）+CSIC前置預(yù)旋導輪（PSV），設(shè)計吃水維持設(shè)計航速，模型試驗預(yù)報節(jié)約主機功率7%左右。

3.4對上述方案的初步估算結(jié)果

（1）設(shè)計吃水下，保持設(shè)計航速，節(jié)能和節(jié)油效果對比，見表3-4.

（2）結(jié)構(gòu)吃水下，保持航速13.0節(jié)，節(jié)能和節(jié)油效果對比，見表3-5.

（3）上述估算的前提條件

① 平靜水域、開闊深海，清潔船底；

② 主機燃燒IFO，燃燒低熱值 40600kJ/kg （10，200kcal/kg）；

③ 帶有15% 海況裕度；

④ 各種節(jié)能裝置在設(shè)計吃水和原設(shè)計航速下優(yōu)化。

4實船安裝的簡要報告

4.1 某57 000DWT散貨船安裝CSIC消渦鰭后的照片

4.2北方某船廠建造的57 000DWT散貨船安裝CSIC消渦鰭后的試航結(jié)果表明

按照國際上最權(quán)威的ITTC標準進行分析，對比不帶節(jié)能裝置的船模試驗結(jié)果，在主機CSR下實船試航航速比不帶節(jié)能裝置的原型船船模試驗航速高出0.34節(jié)。如果保持與船模試驗同航速，那么實船帶消渦鰭試航結(jié)果看，相對船模試驗，節(jié)約主機功率的效果超過6.7%。

按照國際拖曳水池會議（ITTC）標準進行修正后，在設(shè)計吃水下，主機持續(xù)功率下，相比不安裝消渦鰭的同型姊妹船的試航結(jié)果，安裝消渦鰭的實船節(jié)約主機功率超過5%.

可見安裝CSIC節(jié)能裝置全面超過預(yù)期的節(jié)能效果。

4.3某57 000DWT散貨船安裝CSIC消渦鰭+前置預(yù)旋導輪后的照片

4.4南方某船廠制造的57000DWT散貨安裝上述節(jié)能裝置的船舶的試航結(jié)果表明

按照國際上最權(quán)威的國際拖曳水池會議（ITTC）標準進行分析，對比不帶節(jié)能裝置的姊妹船試航結(jié)果，在主機持續(xù)功率下實船試航航速比不帶節(jié)能裝置的原型姊妹船試航航速高出0.43節(jié)。如果保持同航速，那么核算實船帶CSIC消渦鰭和前置預(yù)旋導輪，節(jié)約主機功率的效果超過8.0%。

可見安裝CSIC節(jié)能裝置全面超過預(yù)期的節(jié)能效果。

以上技術(shù)實踐報告說明，兩艘以前同船型的57 000DWT散貨船安裝水動力節(jié)能裝置（消渦鰭+伴流補償導管），對比未安裝節(jié)能裝置的姊妹船，主機節(jié)能6.13%，按照油價660美元每噸，每年按照航行260天計算，每年節(jié)油30多萬美元。兩艘船的水動力節(jié)能投資回收期平均不到8個月。很多老型號的57 000DWT的主機油耗超過28.5t，而目前經(jīng)過水動力節(jié)能裝置改造的57 000DWT的主機油耗不到26噸。這的確是很大的差距，足以說明水動力節(jié)能裝置的貢獻。

5 船舶動力裝置改裝，是船東們節(jié)油降耗的最佳選擇

現(xiàn)在已經(jīng)將CSIC的船舶水動力節(jié)能裝置作為新造船的標準配置，CSDC最新研究優(yōu)化的76 000DWT散貨船主機日均油耗只有26.8噸、95 000DWT散貨船主機日油耗只有31.7噸、而180 000DWT散貨船主機日油耗只有46.1噸（均包括15%海況裕度在內(nèi)）?，F(xiàn)有船如果不及時在主機油耗上進行升級改造，將受到這些新造船的巨大沖擊。

為安裝水動力節(jié)能裝置，大載重噸散貨船的經(jīng)營人都采取過航行中使用經(jīng)濟航速，以及盡其可能的節(jié)約措施，但實施中的操作以及對船舶主機帶來的潛在危害，也是令人頭痛的。所以，水動力節(jié)能裝置給他們帶來了福音。科學使用先進的管理技術(shù)是會給船東帶來豐厚經(jīng)濟效益的。