沈蘇雯/中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院

當(dāng)前，多種節(jié)能環(huán)保技術(shù)已應(yīng)用于散貨船，有效減少了燃料消耗及廢氣排放。

ABS與 Arista Shipping, Deltamarin,GTT和瓦錫蘭于去年推出聯(lián)合研發(fā)的LNG動力卡姆薩型散貨船

當(dāng)前，隨著航運(yùn)業(yè)利潤大幅下降，降低運(yùn)營成本、提高競爭力已成為船舶行業(yè)共同的課題。與此同時，溫室氣體排放所導(dǎo)致的各種環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，而全球90%的國際貿(mào)易貨物依靠船舶運(yùn)輸，船舶作為溫室氣體排放大戶也受到了國際社會的廣泛關(guān)注。散貨船作為三大主力船型之一，眾多船東對其降低油耗以降低船舶營運(yùn)成本的要求更加迫切。同時, 國際海事組織（IMO）提出的船舶能效設(shè)計指數(shù)(EEDI)已經(jīng)強(qiáng)制實行，還將對未來船舶能效水平提出更高的要求。對船舶設(shè)計機(jī)構(gòu)、船廠和船東來說，散貨船實現(xiàn)節(jié)能減排已是“迫在眉睫”。

船舶主要節(jié)能環(huán)保方式

根據(jù)效果和方式不同，目前常見的船舶節(jié)能環(huán)保手段大致有以下幾種常見的類型。

采用清潔可替代能源

隨著氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）以及顆粒物（PM）等的排放法規(guī)日益嚴(yán)苛，在不遠(yuǎn)的將來，海事業(yè)或許會推出全面限制二氧化碳（CO2）排放的法規(guī)。在這種背景下，以液化天然氣（LNG）、生物燃料為首的清潔能源備受重視，而風(fēng)力、核能等能源的利用也正在被考慮。今后船舶燃料從傳統(tǒng)石油逐漸轉(zhuǎn)向清潔能源的速度或?qū)⒏臁?/p>

消渦鰭（PBCF）裝置

提到清潔能源就不得不提LNG。使用LNG作為燃料的主機(jī)不會排放SOx和PM。并且采用稀薄燃燒方式的四沖程氣體發(fā)動機(jī)比傳統(tǒng)柴油機(jī)能夠減少90%的NOx排放量。

不僅如此，LNG燃料比起傳統(tǒng)的石油燃料能減少25%的二氧化碳排放量。但是，根據(jù)氣體發(fā)動機(jī)的型號不同，LNG中的甲烷無法在主機(jī)內(nèi)完全燃燒，因而造成殘留氣體排入大氣是一個無法忽視的問題。如果不完全燃燒的殘留甲烷排放量較多的話，最終會“稀釋”了減少CO2排放、弱化溫室效應(yīng)的效果。

氣體發(fā)動機(jī)經(jīng)常作為陸上發(fā)電設(shè)備使用且已取得良好的效果,船用氣體發(fā)動機(jī)的開發(fā)也在發(fā)展中。在LNG用于船舶燃料方面，研究重點(diǎn)在于如何有效地配置燃料艙。要儲存天然氣，必須先進(jìn)行極低溫冷卻使其液化為LNG，與常規(guī)的柴油燃料相比，LNG燃料艙的容積要大2—3倍。并且燃料艙造價較高，因此LNG燃料船的新船造價要比常規(guī)船高10—20%。而LNG的燃料加注站目前尚未普及，未來只有建造更多的加注站才能在航運(yùn)業(yè)推廣LNG。

提高推進(jìn)效率

消渦鰭（PBCF），是商船三井開發(fā)的一種船舶推進(jìn)器水動力節(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。這種裝置可以減少螺旋槳的尾部氣泡，減弱空泡效應(yīng)，從而改善水動力性能，提高推進(jìn)效率，而且投入較小、回報較快。

近2000艘船的實船安裝和近100艘船的實船檢測情況表明，消渦鰭可增強(qiáng)3%的軸扭矩、1%的軸推力，實現(xiàn)5%的節(jié)能效果（等于增加了2%航速），同時還有效減少了船艉振動和水下噪音, 減小了舵的損耗。

消渦鰭因其具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、安裝方便、節(jié)能效果好等優(yōu)點(diǎn)而受到廣大船東和船廠的青睞,是當(dāng)前船舶市場中應(yīng)用最為廣泛的水動力節(jié)能產(chǎn)品。

空氣潤滑系統(tǒng)

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)備來實現(xiàn)。

減阻型設(shè)備中較為知名的莫過于空氣潤滑系統(tǒng)?？諝鉂櫥到y(tǒng)是一個能夠在船底與海水之間使用空氣進(jìn)行潤滑以減少船體摩擦阻力的技術(shù)。該系統(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。

目前全球利用空氣潤滑法的系統(tǒng)有兩種模式。一種是由船底開設(shè)的許多氣孔噴出空氣，形成空氣層來減少船底與海水的摩擦阻力。這種技術(shù)的關(guān)鍵在于控制空氣的噴量以達(dá)到在船底形成穩(wěn)定的空氣泡層的效果。第二種是船底留有大塊凹陷區(qū)域，從中送入壓縮空氣，形成空氣膜來減少船底阻力。這個模式的關(guān)鍵在于如何維持空氣膜的穩(wěn)定存在,因為在不穩(wěn)定的情況下無法發(fā)揮應(yīng)有的降阻效果。兩種方式都可以減少10—20%的船底摩擦阻力，最終達(dá)到減少10%油耗的結(jié)果。

復(fù)合材料

使用復(fù)合材料建造船體可減少船體重量，削減燃油消耗，同時還可減少有害氣體及溫室氣體的排放。比如纖維增強(qiáng)塑料、鋁、鈦等輕型材料已作為小型船舶的建材所使用，而纖維和金屬復(fù)合的材料作為未來船舶的輕型材料受人矚目。

纖維和金屬復(fù)合材料是由金屬薄板和聚合物層積體相互交疊形成的材料，它同時具有耐沖擊性、耐磨損性等金屬材料的特質(zhì)，以及高強(qiáng)度、耐疲勞性、耐腐蝕性等復(fù)合材料的性質(zhì)。金屬薄板可采用鋁合金板或者鋼板，聚合物的主要材料則可用碳纖維或者玻璃纖維來強(qiáng)化。這些材料目前廣泛用于航空航天產(chǎn)業(yè)，可以考慮將其中的一部分用于特殊船舶的建造。

混合推進(jìn)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)是二沖程主機(jī)與推進(jìn)軸直接連接，通過常規(guī)螺旋槳推進(jìn)，整套系統(tǒng)的效率設(shè)計都是為了達(dá)到期望航速而服務(wù)，而在設(shè)計范圍之外的場合無法發(fā)揮全部性能。

混合推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計理念是將傳統(tǒng)軸螺旋槳推進(jìn)與吊艙推進(jìn)器組合，可改善上述推進(jìn)系統(tǒng)的缺點(diǎn)。例如，將吊艙推進(jìn)螺旋槳安置于調(diào)距螺旋槳后方并反轉(zhuǎn)，或者在船體中心線以上安裝主軸螺旋槳，其兩側(cè)安裝操舵式吊艙推進(jìn)螺旋槳。如果采用這樣的混合推進(jìn)系統(tǒng)，可增加推進(jìn)性能，獲得更好的有效速率，以達(dá)到高效航行的目的。如果再擁有最佳船型設(shè)計, 可減少最多10%的燃料消耗。

混合供電系統(tǒng)

采用了結(jié)合多種發(fā)電方法的混合型供電系統(tǒng)的電力推進(jìn)船，是高效環(huán)保的船舶。如果是采用單一發(fā)電方式的推進(jìn)系統(tǒng)，在滿足設(shè)計條件范圍內(nèi)運(yùn)行時可以發(fā)揮最高的效率，但是當(dāng)發(fā)電量和供電量有所變動,就會影響到發(fā)電效率。如果能夠搭載混合型供電系統(tǒng)，可根據(jù)情況彈性供電，提高能源效率。

船用燃料電池

所謂燃料電池，就是將從化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的能源直接轉(zhuǎn)化為電力使用，其最大轉(zhuǎn)化效率可達(dá)80%（氫燃料）。天然氣、生物氣體、甲醇、乙醇柴油、氫氣等都可以作為燃料。其中LNG燃料電池與常規(guī)柴油主機(jī)相比，每千瓦可減少50%的二氧化碳排放量。

具有特色的節(jié)能環(huán)保散貨船

全球首艘LNG動力散貨船"Ilshin Green Iris”號

2018年2月21日， 現(xiàn)代尾浦造船成功交付了全球第一艘LNG動力散貨船“IlshinGreenIris”號，該船是全球最大的LNG動力船，也是韓國第一艘LNG動力散貨船。這艘5萬載重噸散貨船由韓國公司Ilshin Logistics下單訂造，入級英國勞氏船級社（LR）和韓國船級社（KR），滿足國際氣體燃料安全規(guī)則 (IGF CODE)要求?！癐lshin Green Iris”號是Ilshin Logistics與韓國浦項制鐵(POSCO)從2016年7月開始的合作項目的成果，這一項目旨在開發(fā)全球第一艘新一代環(huán)保LNG動力散貨船。韓國貿(mào)易、工業(yè)和能源部表示，這艘環(huán)保LNG動力散貨船將從2019年開始投入運(yùn)營。

該船全長191米，寬32.26米，配套1臺功率為7550千瓦的MAN B&W6G50ME-C9.5-GI雙燃料發(fā)動機(jī)。其擁有1個容量為500立方米的C型LNG儲罐，由奧氏體高錳鋼制造，安裝在船尾系泊甲板上。這也是全球首艘搭載高錳鋼制成燃料箱的船舶。這種高錳鋼材料由POSCO歷經(jīng)10年研究后推出，專門為冷凍LNG和液化氣體儲存而設(shè)計，能夠以零下162度的超低溫運(yùn)載和儲存LNG。已經(jīng)證明高錳鋼的性能及特點(diǎn)，以及要求的焊接技術(shù)和燃油箱設(shè)計適合低溫。在經(jīng)過了廣泛的研制和試驗后，英國勞氏船級社2017年7月份頒發(fā)了高錳鋼焊接材料認(rèn)證證書及焊接工藝認(rèn)證和材料認(rèn)證。

三菱重工研發(fā)的船舶空氣潤滑系統(tǒng)

全球首艘LNG動力散貨船“ Ilshin Green Iris”號

“Ilshin Green Iris”號將負(fù)責(zé)為POSCO運(yùn)輸石灰石，從江原道東海市出發(fā)前往全羅南道光陽市。該船將在東海市港口經(jīng)由韓國天然氣公司(KOGAS) 的一艘供氣船加注燃料。

LNG被視為最具成本效益、最環(huán)保的船用燃料選擇之一， LNG將成為未來船舶主要的燃料選擇。韓國政府也將大力支持lNG供應(yīng)系統(tǒng)的擴(kuò)張、以及高錳鋼等新材料的研發(fā)。

揚(yáng)子江船業(yè)LNG動力散貨船

希臘船東Arista Shipping Group旗下子公司Forward Maritime近日與揚(yáng)子江船業(yè)簽署了意向書，將訂造最多20艘8.4萬載重噸LNG動力卡姆薩型散貨船。Forward Maritime并未透露將在何時簽署正式的建造合同，不過該公司稱這些散貨船計劃在2020年至2023年陸續(xù)交付。交付后，新船將以ForwardShips的品牌運(yùn)營，預(yù)計能減少40%的二氧化碳排放、80%的NOx排放和98%的SOx排放，符合國際海事組織EEDI 2025標(biāo)準(zhǔn)，滿足NOx TierIII以及防止船舶污染國際公約附則VI SOx排放要求。

Forward Maritime此次訂造的這20艘LNG動力散貨船是在Arista Shipping的Project Forward計劃下建造的。Project Forward的目標(biāo)是建造全球首艘真正意義上的深海LNG動力船舶。

Forward Maritime表示，新船不僅是世界上最清潔環(huán)保的散貨船，同時將帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。該新船將采用GTT薄膜型燃料艙，這在散貨船上還是首次應(yīng)用， 而發(fā)動機(jī)則是采用四沖程瓦錫蘭31雙燃料中速機(jī)。

新型綠色智能18萬噸散貨船

2017年12月5日，在“2017中國船級社海事技術(shù)論壇(新型綠色智能CSR-H散貨船船型發(fā)布會)”上，中船重工船舶設(shè)計研究中心有限公司(CSDC)發(fā)布了“綠色智能18萬噸散貨船”，該船是CSDC研發(fā)的第四代好望角型散貨船。設(shè)計理念主要體現(xiàn)在節(jié)能降耗、安全、環(huán)境友好、運(yùn)營經(jīng)濟(jì)和高效以及減少維護(hù)等方面。本船已經(jīng)通過了中國船級社(CCS)船型評估,并獲得原則性認(rèn)可。

該船型在節(jié)能環(huán)保方面的主要特點(diǎn)如下：隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，大量船舶營運(yùn)特性得以反饋，船舶營運(yùn)者也對船舶的航行特性越來越明晰，將信息和需求回歸到新船型的研發(fā)，即形成了新一輪螺旋上升的狀態(tài)。船東對于航行特性不單局限于單一吃水，而是關(guān)注不同吃水、不同航速時的船舶能耗，以及不同海況下的船舶響應(yīng)。

新一代18萬噸散貨船結(jié)合上一代該型船舶大量試航營運(yùn)數(shù)據(jù)，針對不同船東的營運(yùn)習(xí)慣，采用大數(shù)據(jù)模式，將港口、航道、營運(yùn)特征作為設(shè)計輸入，優(yōu)化船體線型，使不同吃水、不同航速、不同海況等因素形成內(nèi)在協(xié)調(diào)優(yōu)化，線型優(yōu)化借助CFD數(shù)字化手段，并結(jié)合水池試驗驗證，實現(xiàn)綜合船舶能耗達(dá)到最優(yōu)。艏部型線為直艏。

新一代18萬噸散貨船節(jié)能聚焦于船—機(jī)—槳整體的協(xié)調(diào)優(yōu)化，在完成船體型線自身優(yōu)化同時，螺旋槳隨之升級，節(jié)能裝置則是船體與螺旋槳之間的潤滑劑和助推器，彌補(bǔ)船體和螺旋槳能量損失。新一代18萬噸散貨船槳前節(jié)能導(dǎo)管和槳后消渦鰭的搭檔配置，能在不增加過多成本的前提下，滿足降低油耗的目的，實現(xiàn)營運(yùn)的經(jīng)濟(jì)效益。該船主機(jī)為MAN的6G70ME-C9.5主機(jī)， 在選擇主機(jī)類型和功率負(fù)荷時，是以螺旋槳功率、轉(zhuǎn)速匹配為核心，優(yōu)選各負(fù)荷區(qū)油耗最低的方案， 較之上一代船型油耗減低約4%。

世界上最環(huán)保的散貨船“Haaga”號

阿聯(lián)酋航運(yùn)(ESL)已經(jīng)接收了LNG動力散貨船“Haaga”號,同時表示與早期船舶相比，它的二氧化碳減排放量將減少50%以上。 該船由芬蘭的Deltamarin設(shè)計，整個船舶系統(tǒng)中大約60%都由歐洲設(shè)備供應(yīng)商提供。

這艘長160米的25600DWT散貨船由南京金陵船廠建造，掛葡萄牙國旗。它的主發(fā)動機(jī)為多燃料STXMAN 5G45ME-C9.5-GI Tier 2，總功率為6000千瓦PTI增壓1250千瓦,可達(dá)到7250千瓦。除了燃燒LNG之外, 日后當(dāng)無碳沼氣的運(yùn)輸供應(yīng)情況得到改善后，“Haaga”號也可以完全通過無碳沼氣來驅(qū)動。

“Haaga”號耗資約為6000萬歐元(7000萬美元), 屬于Bothnia Bulk項目，其中該項目歐盟資助了一部分，意在使波羅的海北部的呂勒奧港，烏克瑟勒松德港和拉赫港口之間的海路更現(xiàn)代化并更加環(huán)保。同時該船還配備了世界上第一個自動貸物處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)由ESL和芬蘭卡哥特科工業(yè)(Cargotec)旗下的MacGregor共同開發(fā)。該船將往返于日本和波羅的海之間運(yùn)輸原材料，目前計劃于2018年9月中旬到達(dá)。此外，“Haaga”號可在岸邊進(jìn)行充電，因此隨著港口電力供應(yīng)的改善，它的排放量可進(jìn)一步減少。

“Haaga”號的主要環(huán)保節(jié)能技術(shù)包括以下方面。

隔熱系統(tǒng)和熱回收：該散貨船改善了隔熱性能并為空氣處理裝置配備了節(jié)能系統(tǒng)，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，冷能消耗降低了30%，熱能消耗降低了45%。

艙口圍板加熱系統(tǒng)：加熱艙口圍板讓其在寒冷氣候下也可平滑操作。

DNVGL清潔設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：該標(biāo)準(zhǔn)需要達(dá)到一些特殊的要求，例如5ppm艙底水分離器、船舶生物污垢管控、 ODP (臭氧消耗潛能值)為0、GWP(全球變暖潛能值)最大值為1300。

ESL Shipping Ltd向金陵船廠訂購的LNG動力靈便型散貨船“Haaga”號設(shè)計效果圖

DNVGL“NAUT-AW”橋樓設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：為增加航運(yùn)安全并降低碰撞、擱淺和惡劣天氣損壞的風(fēng)險，駕駛室的設(shè)備組成和布置按照橋樓設(shè)計要求最高的DNV GL“NAUT-AW”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。

LNG提供動力：所有發(fā)動機(jī)和鍋爐燃燒器都由LNG提供動力，并配有低沸點(diǎn)的真空絕緣lMOC型儲罐。

能效設(shè)計指數(shù)(EEDI)：船舶的能效設(shè)計指數(shù)(EEDI)比當(dāng)前的要求低約50%，并已滿足2025年的要求。

導(dǎo)流罩舵和螺旋槳：使用導(dǎo)流罩舵優(yōu)化設(shè)計,改善螺旋槳后水流狀況。

鰭片：配有四個定子鰭片, 以優(yōu)化螺旋槳的流量提高其效率。電機(jī)：電機(jī)通常可達(dá)7.5千瓦或更高，屬于IE3能效等級。廢水回收系統(tǒng):能夠重復(fù)使用洗滌水，并將廢棄的洗滌水排放到港口設(shè)施。

壓載水處理系統(tǒng)：容量為2X1000立方米，UV型，美國海岸警衛(wèi)隊核準(zhǔn)的壓載水處理裝置。

變頻器(VFD) ：機(jī)艙風(fēng)扇、BW、SW和LNG泵配備變頻器(VFD)以降低功耗。

船體涂層:船體涂有低摩阻防凍漆，不使用有害的防污涂料。會頻繁的進(jìn)行船體清潔以減少船體的阻力。

船型設(shè)計：通過CFD計算和模型測試以優(yōu)化船型。船首和船尾推進(jìn)器入口設(shè)有扇型和流線型網(wǎng)格。并在建造階段，特別注意監(jiān)測船體表面粗糙度。帶變頻驅(qū)動(VFD)的永磁式PTI/PT0軸帶發(fā)電機(jī)：通過在軸帶發(fā)電機(jī)中輸入和輸出動力，可在海上更靈活高效地推進(jìn)和發(fā)電，并在遇冰的情況下獲得額外動力。

減少排放：與0.1%燃料油相比，LNG排放的直接尾氣為：CO2排放量的57%；SOx排放量的92%；NOx排放量的25%；PM排放量的98%。

目前，上述節(jié)能環(huán)保技術(shù)已廣泛應(yīng)用于包括散貨船在內(nèi)的各類船舶中，己為航運(yùn)界有效減少了數(shù)量可觀的燃料消耗。此外，其他諸如船底超光滑涂料、燃料添加劑、節(jié)能航運(yùn)管理系統(tǒng)等技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，都在從各個角度為節(jié)能環(huán)保貢獻(xiàn)力量。只有綜合利用多種技術(shù)，并對其不斷研究改進(jìn)，才能大幅節(jié)省船舶燃料費(fèi)用，同時有效地降低船舶對環(huán)境造成的污染?！?/p>

金陵船廠為ESL Shipping Ltd建造的LNG動力散貨船“Haaga”號