吳旺山 韓美茹 張晨東 衡 偉 王國祥

（1.福建省廈門海洋職業(yè)技術學院，福建 廈門 361012；2.漳州市薌城中學，福建 廈門 361012；3.廈門海洋職業(yè)技術學院，福建 廈門 361012；4.廈門能聚節(jié)能科技有限公司，福建 廈門 361012）

0 背景

根據克拉克森研究公司最新統(tǒng)計數(shù)據顯示，截至2021年1月，全球100總噸及以上商船數(shù)量首次突破10萬艘。國際貿易貨物運輸近90%運輸任務由海運完成，國際商船在全球貿易中的重要作用不言而喻。國際對船舶營運造成的二氧化碳排放關注和要求不斷升級。2021年起，歐洲將遠洋貨輪二氧化碳排放納入歐洲碳排交易市場。根據國際海事組織（IMO）的研究表明， 2019年全球船舶營運造成二氧化碳排放量達到8.19億t。國際海事組織（IMO）2050年全球航運業(yè)二氧化碳排放目標是減少到5億t[1]。我國營運船舶數(shù)量龐大，截至2020年底，中國國際航行船舶數(shù)量超過8200艘，近沿海省際干散貨運輸船舶近1800艘，沿海省際集裝箱運輸船舶近300艘，沿海省際油船近1300艘。因此，中國營運船舶減少二氧化碳排放排的任務艱巨，力爭船舶減少碳排已經成為船運企業(yè)和行業(yè)共識。中國政府2020年9月，提出2030碳達峰、2060年碳中和的國家戰(zhàn)略目標。在該背景下，該文針對船舶營運過程中的靠港裝卸貨環(huán)節(jié)，分析船舶靠港期間造成二氧化碳排放的主要來源，提出了采用電磁感應加熱技術接駁岸電，減少船舶靠港期間碳排放的具體技術方案。

1 減少船舶靠港碳排意義

目前商船在海上航行采用柴油機作為推進動力裝置，航行期間二氧化碳排放主要是由船舶主機運行及發(fā)電機柴油機運行產生的。而船舶?？科陂g主要是發(fā)電柴油機、燃油鍋爐運行產生的?？坎雌陂g發(fā)電柴油機為船舶提供電力；燃油鍋爐主要的作用是為船舶主機動力系統(tǒng)保溫提供蒸汽，不同類型的船舶蒸汽鍋爐的作用略有不同，譬如原油運輸船舶，靠港期間燃油鍋爐也為透平貨油泵、透平壓載泵等蒸汽動力裝置提供蒸汽。根據船舶靠港期間的燃油消耗占船舶營運總油耗計算，船舶靠港期間設備運行造成的二氧化碳排放約占船舶營運總碳排的5%。國際海事組織（IMO）統(tǒng)計，2019年全球船隊營運造成的二氧化碳排放量達8.19億t。不難計算出，全球船舶靠港期間造成的年碳排超過4000 萬t。中和二氧化碳排放常采用的種植森林樹木，每平方公里森林年固碳量約在100t～500t，若以種植森林樹木來中和全球船舶靠港期間造成的二氧化碳碳排，以每平方公里森林年固碳300t計算，全球船舶每年營運靠港期間造成的二氧化碳排放4000 萬t碳排放，需要種植超過13萬km2森林來中和，相當于要種植近4個中國臺灣省面積（36013.73km2）的森林。因此，減少船舶靠港期間的二氧化碳排放意義重大，該文所要研究的即是減少船舶靠港期間的二氧化碳排放的解決技術方案。

2 船舶減排基礎設施

船舶靠港期間減少二氧化碳排放重要的途徑是讓船舶靠港期間使用岸電[2]。為減少船舶期間港二氧化碳及污染廢氣排放，中國沿海沿江等港口城市大力建設港口岸電基礎設施，為船舶靠港期間提供岸電。岸電被稱為“cold ironing”或“替代船舶動力”（AMP），是指在船舶?？扛劭谄陂g，關閉輔助柴油發(fā)動機，并接入當?shù)仉娋W，使用岸電的過程。為了2030碳達峰目標，國內港口船舶岸電基礎設施規(guī)模不斷完善，不斷增加。據統(tǒng)計，截至2019年底，《港口岸電布局方案》內5類泊位的岸電基礎設施覆蓋的泊位近800個。使用岸電，船舶無須燃燒燃料發(fā)電，船舶靠港期間碳排將大大減少。隨著我國岸電設施的發(fā)展，對所有已建港口岸電設施鼓勵使用岸電，船舶靠港期間使用岸電將是船舶營運未來發(fā)展的主要趨勢，該文船舶應用電磁感應加熱技術減碳排研究的技術方案就是依托我國港口建設日益完善的岸電基礎設施，提出采用電磁感應加熱器，使靠港船舶在港期間實現(xiàn)零碳排。

3 船舶靠港減排痛點

船舶靠港期間應用岸電為船舶提供電力，原來為船舶靠港期間提供電力的發(fā)電柴油機可以停止運行，可以減少由發(fā)電柴油機運行造成的二氧化碳排放。然而船舶靠港期間，船舶動力系統(tǒng)如柴油機冷卻淡水系統(tǒng)、船舶柴油機重質燃油系統(tǒng)、柴油機潤滑油等動力系統(tǒng)需要預熱或保溫。當前，營運船舶靠港期間，普遍采用燃油蒸汽鍋爐為船舶動力系統(tǒng)提供保溫預熱能量來源。船舶靠港期間燃油蒸汽鍋爐運行過程中，難以避免產生二氧化碳排放。這是船舶靠港期間無法真正減少到零碳排的重要原因。同時，船舶燃油蒸汽鍋爐產生的蒸汽通過管路加熱工質后，經大氣冷凝器，回流到熱水井，再通過補給水泵輸送進鍋爐，總體管系復雜，管路系統(tǒng)長且布置分散。燃油鍋爐運行過程存在較大傳熱損失。船舶在靠港期間采用這種燃油鍋爐產生蒸汽利用熱能的生產方式，能量損失大，不經濟節(jié)能，在港口期間的溫室氣體排放加劇了港口城市的熱島效應。

4 電磁感應加熱器原理

船舶柴油機冷卻水系統(tǒng)、柴油機重質燃油系統(tǒng)、柴油機潤滑油等動力系統(tǒng)保溫預熱需求是不可或缺的重要操作[3]。針對當前船舶靠港期間使用岸電期間的鍋爐不能停止運行減少碳排的痛點，筆者認為采用下面介紹的技術方案可以讓船舶靠港期間真正實現(xiàn)零碳排，即應用電磁感應加熱設備替代船舶在港期間燃油鍋爐的功能。以下結合電磁感應加熱工質原理圖（圖1），簡單介紹電磁感應加熱器為液體工質預熱保溫的基本原理。

圖1 電磁感應加熱工質原理圖

電磁感應加熱器（Electromagnetic induction heater）是一種基于法拉第電磁感應原理的加熱技術，能高效將電能轉換為熱能。日常生活中的電磁爐就是基于這種原理的。電磁感應加熱器是短路加熱、渦流加熱、短路漏磁加熱的“三位一體”加熱方式，加熱穩(wěn)定高效。電網交流電經過整流器變成脈動的直流電，再通過濾波器對脈動直流電進行濾波變成標準方波，然后由逆變器轉變成變頻交流電送至電磁感應線圈內，電磁感應線圈通過較高頻率變頻的交流電產生感應磁場，電磁感應線圈周圍的鐵質管線在交變磁場的作用下，感應磁場切割鐵質管線材料，使鐵質管線材料產生感應交變電流，鐵質材料在感應交變電流的作用下快速發(fā)熱，然后與流通在管線材料中的工質液體進行換熱，液體被加熱后通過管道泵送至設備的外部，實現(xiàn)對工質的加熱。電磁感應加熱器即是利用包圍在導磁鐵質管線外部線圈通過的交變電流產生交變磁場，使鐵質管線產生渦流達到加熱流經鐵質管線內部液體工質的目的。

5 船舶靠港減排方案

電磁感應加熱技術在陸地上應用比較廣泛，如塑料加工領域、北方冬季供熱取暖、日常烹調電磁爐廣泛應用這種技術。筆者認為電磁感應加熱技術也可應用于船舶在靠港期間六大動力系統(tǒng)中幾個需要保溫預熱的系統(tǒng)中，如船舶柴油機冷卻淡水系統(tǒng)、柴油機重質燃油系統(tǒng)，柴油機滑油系統(tǒng)等。采用電磁感應加熱技術方案利用岸上電網能源，可解決船舶動力系統(tǒng)靠港期間保溫預需求，可以使船舶靠港期間船舶發(fā)電機柴油機、船舶燃油鍋爐停止使用，可使船舶在靠港期間真正實現(xiàn)二氧化碳零排放量。以下結合圖2船舶柴油機冷卻、潤滑系統(tǒng)圖，簡單解釋電磁感應加熱設備對柴油機冷卻淡水系統(tǒng)預熱應用技術方案思路。船舶柴油機冷卻、潤滑系統(tǒng)圖中包括船舶柴油機冷卻海水管系、柴油機冷卻淡水管系、柴油機潤滑油管系，如圖2所示。船舶在海上航行時，柴油機運行時，一路海水冷卻柴油機的增壓空氣，另一路海水冷卻柴油機潤滑油冷卻器后冷卻柴油機冷卻淡水。船舶在港口泊位停靠時，船舶主柴油機停止運行，在配備有岸電基礎設施的港口泊位，發(fā)電柴油機也停止運行。如圖2中船舶柴油機淡水冷卻系統(tǒng)需要保溫，潤滑油系統(tǒng)在柴油機運行前一段時間需要預熱。柴油機對冷卻水系統(tǒng)保溫，可確保柴油機在冷態(tài)下能夠順利啟動，減少啟動時柴油機缸套熱應力，避免缸套開裂[4]。船舶滑油系統(tǒng)中如果滑油溫度過低，黏度大，流動性差，無法形成良好的潤滑油膜，導致柴油機潤滑不良，柴油機內部零件摩擦表面的摩擦阻力增加，零件磨損加劇，嚴重影響船舶柴油機使用壽命。通常，滑油進機溫度應保持40℃～50℃（中高速機取上限），因此，柴油機在啟動之前需要預熱系統(tǒng)滑油，使其溫度滿足柴油機運行使用要求 [5]。

當前營運船舶在港期間主要是由燃油鍋爐產生蒸汽來為船舶柴油機冷卻淡水系統(tǒng)、柴油機重質燃油系統(tǒng)、柴油機滑油等系統(tǒng)保溫，不可避免地產生了二氧化碳排放。筆者認為可在柴油機冷卻、潤滑油系統(tǒng)中應用電磁感應加熱技術制造船用加熱器，使用岸電為停用柴油機冷卻淡水保溫，開航前為停用柴油機滑油系統(tǒng)預熱，替代船舶靠港期間的燃油鍋爐功能，如圖2所示。這樣一來，靠港停用的柴油機冷卻水即可保持在適當溫度，保證柴油機能夠順利啟動，減少啟動時柴油機缸套熱應力，避免缸套開裂。而電磁感應加熱器對柴油機潤滑油系統(tǒng)的預熱，可確保柴油機啟動時，潤滑油具有良好的流動性，保證柴油機啟動過程，系統(tǒng)各部件形成良好的潤滑油膜，保證柴油機正常使用。具體操作可啟動圖2中的滑油泵、或冷卻水泵，運行相應電磁感應加熱設備，設定相應的加熱溫度，即可實現(xiàn)對相應系統(tǒng)的工質預熱保溫功能。

圖2 柴油機冷卻、潤滑系統(tǒng)圖

另外，船舶柴油機使用的重油黏度大，室溫狀態(tài)下黏稠流動性差，柴油機停止運行期間燃油系統(tǒng)需要保持在適當溫度，降低燃料黏度，防止燃油系統(tǒng)溫度過低導致燃油噴射設備卡死，導致系統(tǒng)無法正常使用。筆者認為在船舶靠港停泊期間也可采用電磁感應加熱器使用岸電為船舶柴油機燃油系統(tǒng)保溫，確保船舶柴油機燃油系統(tǒng)保持在合適的溫度。

6 電磁感應加熱方案優(yōu)勢

船舶在港口期間使用柴油機發(fā)電及燃油鍋爐運行，造成大量二氧化碳與污染廢氣排放，為減少船舶靠港期間的二氧化碳排放，國家大力發(fā)展港口岸電基礎設施，船舶靠港期間使用岸電是未來發(fā)展趨勢。電磁感應加熱技術在船舶柴油機各動力系統(tǒng)保溫預熱方面的應用，理論分析可完全替代船舶靠港期間燃油輔助鍋爐的功能，真正實現(xiàn)船舶靠港期間二氧化碳零排放。應用電磁感應加熱技術生產的加熱器結構簡單，運行過程無噪聲，被加熱工質升溫速度快、電熱轉換效率高；被加熱工質與電路分離，無觸電安全隱患，故障可自檢，操作管理方便，加熱響應速度快，工作穩(wěn)定安全，能量密度大，適應于大型船舶動力系統(tǒng)工質保溫需要大功率加熱要求的應用場景；此外，電磁感應加熱器可采用分布式定點加熱方法，可以有效避免類似燃油蒸汽鍋爐熱能在蒸汽管線中長距離傳輸過程的能量損耗?？偠灾?，船舶靠港期間使用岸電采用電磁感應加熱技術方案為船舶動力系統(tǒng)保溫有以下幾個優(yōu)點。1）電磁感應加熱器替代船舶在港燃油鍋爐功能，使用岸電船舶靠港期間可真正實現(xiàn)二氧化碳零排放。2）電磁感應加熱器可采用分布式布置加熱方式，減少大量的傳熱損失，節(jié)能環(huán)保，節(jié)省船舶營運成本。3）電磁感應加熱設備方便管理操作，運行環(huán)境無高溫，將極大的改善了靠港期間船員工作環(huán)境。4）采用電磁感應加熱器為柴油機冷卻水淡水保溫，由于在加熱過程中冷卻水被磁化，柴油機冷卻水腔不形成水垢，可減少船舶柴油機冷卻水處理藥劑的投放量。5）電磁感應加熱器在船舶上使用岸電，通過錯峰運行，可改善岸電電網的峰電與谷電負荷落差 ，均衡電網負荷，減少電網太陽能、風能等清潔發(fā)電棄電率，提高岸電發(fā)供電設備的利用率，優(yōu)化電網資源的配置，提高岸電電網的經濟性和安全性。

7 總結

在2030年碳達峰、2060年碳中和國家戰(zhàn)略目標下，船舶運輸行業(yè)界高度重視船舶減排方案的研究。該文闡述了減少船舶靠港期間二氧化碳排放的重要性，分析了船舶營運靠泊期間產生二氧化碳排放的主要源頭，提出了結合當前國家大力發(fā)展的岸電基礎設施，采用電磁感應加熱技術應用岸電為減少船舶靠港期間二氧化碳排放設想了一種理論上可行的技術方案。 然而，不同類型船舶運行特點差異較大，船舶動力系統(tǒng)復雜，電磁感應加熱技術作為船舶減碳排方案還有待船舶領域高水平科研機構進一步科學論證。筆者在該文中提出的關于船舶靠港減排方案的研究認識粗淺，不足之處在所難免。希望借此拋磚引玉，為船舶營運各個環(huán)節(jié)減少碳排技術攻堅，提出更加科學合理可行的技術方案。