船舶节能环保技术综述

杨 森，杨 杰，苗春晖

(中国船舶工业系统工程研究院，北京100094)

0 引 言

随着国际海事组织对船舶节能环保要求的提高，各国船舶工业从系统优化配置、设备参数改进、新型能源应用等多个方面入手，进行船舶节能环保技术的探索和研究，提出切实可行的建议和措施，努力实现以低消耗、低污染、低排放为基础的低碳经济。

1 船舶节能环保背景

面对全球石化资源的巨大消耗，走发展低碳经济之路已成为各国经济发展的必然选择。船舶行业作为资源运输的主要媒介，是全球经济的重要支撑。同时数据显示，船舶行业也是主要能耗大户，因此大力发展船舶节能环保具有重要战略意义。

1.1 国际海事组织标准

随着各种规范标准的出台，国际海事组织IMO对船舶节能环保的要求日趋严格，包括碳排放、压载水处理、船舶涂料等方面。

以碳排放为例，IMO 针对船舶能效出台了EEOI(船舶能效营运指标)和EEDI (新船能效设计指数)2个衡量标准。前者针对运营船舶，后者针对新造船舶。简单来说，就是根据船舶二氧化碳的排放量和运货能力的比值来表示船舶的能效，从而强调了国际船舶的节能减排增效目标。

1.2 船舶工业排碳现状

IMO的1 组研究报告数据显示，2007年船舶行业排放10.46 亿吨二氧化碳，约占全球排放总量的3.3%。若不加以改善，到2020年，二氧化碳排放量将在目前基础上增加约75%。国际油轮独立船东协会也发布了类似的研究报告。这些报告显示全球远洋航运与海贸的快速成长和燃油消耗增加了二氧化碳对全球环境的影响。

2 新型船舶节能环保技术

根据国际海事组织IMO 要求和船舶工业的排碳现状，积极调研国内外先进节能环保技术，在对实船实际运营深入研究的基础上，选取几项节能效果好、应用范围广的节能环保技术，进行重点论述。

2.1 余热回收技术

柴油机作为船舶的主推进动力，其实际功率输出不足50%，其他均以热能形式通过废气和冷却水散发，造成船舶能源的巨大浪费。所谓余热回收技术就是通过各种技术手段将余热合理、高效地转换为机械能、电能或热交换，从而有效降低燃油消耗，减少大气污染，降低碳排放。具体形式有以下几种:

1)柴油机废气通过废气锅炉产生约0.9 MPa，280℃的过热蒸汽驱动汽轮机(透平发电机)发电。

2)柴油机废气通过废气锅炉产生约0.5 MPa左右的饱和水蒸气来满足燃油加热器和船员的日常生活加热。

3)柴油机废气利用废气涡轮增压器将废气能量转换成扫气空气的压力来提高柴油机的功率和效率。

4)柴油机冷却水通过换热器也可直接用于加热船员生活用水和油舱的保温或经过二次加热用于冬季空调的热源或用于夏季吸收式制冷装置的加热源等。

柴油机废气能量约占燃油总热量18%左右，其可利用部分也达11%。目前，透平发电机在船舶上的应用技术已相当成熟，安装管理不存在任何问题。柴油机冷却水中所蕴含热量约占燃油总热量17%左右，可利用部分甚至要高出废气，但是由于水的焓值低于蒸汽焓值，其传热温差也较小，相同换热量时，换热器体积略大，因此冷却水的热量回收实用性不强。

柴油机余热回收之所以能得到推广，是因为其收益远大于船东在设备改装的初期投资。通过余热回收得到的收益主要有:节约燃油的费用，减少对大气污染;减少燃油、淡水的储存量，从而增加了船舶的载货量。鉴于燃油价格居高不下，占据船舶运营成本的主要部分，因此对于船东来讲，仅节约燃油费一项收益便极其可观，现作以下分析:以MAN 公司的12K98ME/MC 柴油机为例，其额定功率为68 640 kW，平均运行工况为85%，油耗为171 g/kWh，海上航行天数为280天，按油价为600 美元(2012年新加坡油价，具体价格还与标号、地点有关系)计算，该船每年可节约燃油约为343 万美元。据调查，余热利用的成本偿还期一般在3年以内，年回报率达30%左右，节能投资合理。

2.2 节能泵技术

节能泵技术又称变频海水泵技术，是针对海水冷却系统进行优化升级设计，在满足船级社规范要求、全船海水冷却需求量的基础上，采用变频控制法自动调节海水泵流量，实现能源高效利用。

该技术的核心在于海水泵的转速控制。借鉴变频泵在其他系统中的应用经验，通过改变泵马达的输入频率，调节马达转速，进而调节海水泵流量。在实船应用中，针对离心海水泵的管路特性曲线，在满足最小压力、冷却量的基础上，结合主机发电机运行工况，采用模糊控制法，设定最小流量需求，适时调整海水泵转速。为了保证系统控制精度，系统采集海水进口温度、淡水出口温度等温度信号和海水进口压力、主机高温淡水三通阀开度等压力信号作为反馈环节控制变频器输出频率。海水冷却系统可根据地域、季节等外界环境因素和主机辅机工况自动调整管路流量，在满足全船海水冷却需求基础上提供最优运行模式，最大范围内实现能源节约。

从外界环境等因素考虑:常规设计下，冷却海水进口温度通常以32℃为准，配合额定转速，恒流量的海水泵提供全船供水量。但在不同地域及季节，海水温度相差很多，甚至可以低至0℃，导致海水流量的过度，浪费资源。据统计，以某船海水进口温度25℃为例，以变频控制方式进行海水流量调节，节能约13%。

从主辅机运行工况因素考虑:船舶工况不同会造成主辅机热负荷和冷却量不同。以主机为例，功率为50% 时，低温淡水冷却量为额定状态下的50.2%。常规设计采用额定转速，恒流量的海水泵提供全船供水。导致海水流量过度，资源浪费。据统计，以某装机功率13 MW的集装箱船为例，按实际功率85%计算，以变频控制方式进行海水流量调节，节能约5%。

变频泵的应用覆盖各行各业，价格低廉，技术成熟。将该技术直接引用至海水冷却系统中，几乎不存在任何技术风险，且初装费用较低，投资回报率较高，非常有利于技术的推广应用。

2.3 节能空调技术

所谓节能空调技术，是指根据需要冷却的空间或冷却区域内最大人数需求，进行制冷量或加热量控制，从而达到节能目的。

常规船舶空调仅根据制冷区域内回风温度进行制冷量或加热量控制，由于在传统设计中，空间温度调整的需求功率往往超过人员需求功率，造成系统功率浪费，同时由于系统运行所需功率昼夜波动大，电站负荷不稳定，须留有较大富裕功率，造成系统浪费和燃油消耗。据统计，船舶空调占全船电力(电力推进船舶除外)消耗20%，客船更是达到45%，节能空间巨大。

节能空调在系统控制方面根据房间维持温度和是否有人进行分区独立控制，取消中央供风系统。在设备优化方面则将压缩机电机改为变频电机，对压缩机和风机采取变频控制，以减少风噪与压缩机的启停次数，稳定电站运行功率。

总而言之，节能空调一方面能有效降低空调机组制冷量，具有较高的节能效果，另一方面节能空调在安装过程中仅需增设部分控制单元和变频电机，不需要过多投入，同时可取消中央风机单元等设备，因此具有较好的适用性。

2.4 新型能源应用技术

新型能源应用技术是一个很宽泛的概念，包括除常规柴油机推进之外的多种能源推进技术，如电力推进技术、LNG 燃料技术、风帆助力技术、燃料电池技术、太阳能技术等。其中尤以电力推进技术和LNG 燃料技术较为成熟。

2.4.1 电力推进技术

电力推进技术是采用电动机驱动螺旋桨，取代常规柴油机推进的一种新型船舶动力推进技术。该技术采用电能作为能量方式进行传递，将常规船舶中的主推进柴油机和电站合二为一，采用多台发电机组作为全船的能量源，由于发电柴油机较主推进柴油机工况稳定，能量利用率高，因此具有极好的节能效果。

柴油机的油耗在60%～100%的负荷之间较低，其中在80%负荷左右最低，这就形成了传统机械推进和柴油机电力推进在功率消耗上的差异。在电力推进系统中，船舶电站由多台相对功率较小的柴油发电机组组成，不同功率需求下可以通过选择发电机组运行台数和负荷来保证每台运行机组的效率，从而使每台发电柴油机在多数运行模式和时间下都运行在最佳工作区，无需变速和频繁启停，提高了燃料的效率，降低了氮氧化物的排放，有利于节能环保。同时，在船舶制动、减速时可以回收制动能量，进一步提高了运营的经济性。据统计，采用电力推进技术的船舶，柴油机效率提高10%～15%，可节油10%左右。除此之外，电力推进船舶还在机动性、可靠性、减振降噪、设备优化布置方面具有得天独厚的优势。

目前，电力推进以其高效率、高机动性、高经济性、高可靠性、高自动化、高环保等优点，广泛应用于海洋工程船、科考船、挖泥船、轮渡、豪华邮轮、军船等军民特种船舶领域，已成为新一代高技术绿色船舶的首选推进型式。

2.4.2 LNG 燃料技术

LNG 燃料技术，顾名思义是采用液化天然气(LNG)作为燃料替代船用柴油的技术。相对于船用柴油，LNG的价格较低，作为燃料燃烧时没有硫氧化物排放，氮氧化物和固体颗粒排放显著降低，二氧化碳的排放也非常低。因此LNG 燃料既能满足国际环保规则的要求，又能保持较高的性价比。

目前，除了LNG 船舶上大量使用LNG 燃料技术外，在国外一些使用LNG 燃料的渡船已在北海地区服务。据这些船东介绍，该船舶的氮氧化物的排放量减少了89%，二氧化碳的排放减少了20%，氧化硫排放量则减少了100%。在国内，由中石油集团牵头，济柴武汉发动机厂、昆仑能源、武汉交发船舶设计有限公司共同进行“气化长江”柴油机－LNG 双燃料船舶改造项目。该项目对于推动水运领域以气代油、低碳环保，内河航运的绿色发展，具有战略意义。据悉，项目自2011年启动，目前济柴武汉发动机厂已完成多条船的改造试航工作，还为国内首艘新建LNG 双燃料动力散货船提供了性能优良的发动机。另一方面，2013年9月，全国首个水上LNG 加注站已经试运行，与此同时还有多个加注站处于建设和审批环节，这些LNG 加注站的建设将会加快LNG燃料技术的应用。

LNG 燃料技术以前主要应用于LNG 船舶，目前通过LNG 双燃料发动机的研发和加气站的建立，已经具备产业推广条件。

2.4.3 其他可再生能源技术

其他船舶可再生能源技术主要是利用燃料电池、太阳能、风能以及波浪能等零污染、可再生能源作为动力或辅助动力，为船上所有设备提供能量。然而，由于这些资源的续航能力差、不稳定、利用率不高等缺点，目前多处于小型概念船的研究阶段，距实船应用推广还有一定差距。

3 结 语

面对目前日益枯竭的石化资源和日益严重的环境问题，发展低碳经济、绿色船舶迫在眉睫。作为船舶工业大国，我们更应该在节能环保方面走在世界前列。一方面我们应该深入了解新型船舶节能环保技术，从理论上寻求绿色船舶发展道路;另一方面我们应深入分析新技术在实船上的应用情况，从实践中探索投资回报率高的绿色船舶发展方向。只有这样才能将船舶节能环保落到实处，进行市场推广。

［1］赵元哲.低碳时代的绿色船舶［M］.北京:人民出版社，2009.

［2］IMO.新船能效设计指数(EEDI)计算方法临时导则［M］.

［3］吴伯才.船舶柴油机余热的利用［J］.浙江海洋学院学报，2002.

［4］叶大法，杨国荣.变风量空调系统设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［5］乔鸣忠，于飞，张晓峰.船舶电力推进技术［M］.北京:机械工业出版社，2013.

［6］黄素逸，黄树红.太阳能热发电原理及技术［M］.北京:中国电力出版社，2012.