最新船舶节能设备概览

沈苏雯

节能设备的研发一直是航运业的热点之一，特别是面对历史罕见的市场低迷和油价高企局面，船舶节能设备不仅可以降低船舶能耗，节省燃料费用，还可减少环境污染，获得经济和环保双赢。总体来看，目前常见的节能设备根据节能效果和方式不同大致可以归纳为三大类，减少船舶阻力型、提高推进效率型和改善废热回收型。

减少阻力型

船舶消耗的燃料大部分都花费在与航行阻力的抗争中，这些阻力包括空气阻力、兴波阻力和海水摩擦阻力，如果能减少这些阻力，则可有效改善能效。减少空气阻力方面常用的手段是设计具有减阻效果的上层建筑和独特船型，而减少兴波阻力和摩擦阻力多依靠节能设备来实现。

1、破浪板（STEP）

在减少兴波阻力的方面，这一类节能设备比较常规的都是在船体上加装一些小配件，达到减小兴波阻力减少能耗的效果，近年来也诞生了一些值得注目的新产品。

日本内海造船于2011年1月14日发表了一项用于汽车运输船的新型节能装置“破浪板“（Spray Tearing Plate）。该装置为板状，安装于船首吃水线上，可抑制兴波阻力带来的船速下降，达到改善燃料效率的目的。

兴波阻力大小并不仅取决于船舶水线以下的形状，水线上的形状也有很大的关系。经研究发现，要使兴波阻力较小，船首水线以上的形状也要较小。为了减少兴波阻力而改良水线以上形状达到减少能耗的目的，研究人员在水线以上船首部分加装了长5米左右的附加物，这是一种比较简便的改良方法。破浪板的设计原理是将沿着船首水线以上流动的波浪向船宽方向分流，改变波浪行进能量，同时在波面上升时破坏波，减少波浪对船体作用的阻力。如此一来，可减少在船首部产生的由于波浪反射引起的阻力。

图1 破浪板示意图

通过水池试验证明，与普通船舶相比，采用“破浪板”在规则波中船舶可降低18%的阻力，燃料效率在BF6级风力条件下（风速12.6m/s，波高3m）可提高约2%。

图2 安装破浪板的船舶示意图

2、空气润滑系统

所谓空气润滑系统，是从船底吹出空气，在海水和船底之间形成细密气泡，以减少摩擦阻力的一种技术。这种技术不光能够节省能耗，还能有效减少二氧化碳排放量。

对于肥大型船舶来说，海水与船底的摩擦阻力占据了船舶总体阻力中比较大的部分，减少了这部分阻力则对减排和节能收益都很大，而且肥大型船舶的船底多平面，易于安装空气润滑设备。特别对于浅吃水的船舶来说，出气口受到的水压阻力较小，比起吃水深的船舶更容易将空气送出去，增设空气系统带来的能耗增加较小，空气层也比较易于驻留在船底。因此空气润滑系统最适合的船型是肥大型浅吃水船舶。

空气润滑系统目前有鼓风机送气模式和利用主机助燃风送气模式2个类型。

鼓风机送气模式的空气润滑系统主要由2台鼓风机，2台消音器（吸气、排气处各一台），1组冷风机，15根空气配管组成。

图3 鼓风机送气模式的空气润滑系统

日本邮船及旗下日之出邮船与三菱重工共同开发一款船底空气润滑系统“MALS”便是代表。该系统已装载至渡船上应用，实证可节省5%以上的能耗。该系统是使用鼓风机将加压的空气送入船底，配合航行速度和航行状态，在船底形成均匀的一层细微的空气层，达到减少船底摩擦阻力的目的。值得注意的是MALS系统对于方形系数较小的高速窄瘦型船舶在节省燃料和减轻环境负荷方面也有较好的效果。

这艘装载空气润滑系统的渡船总长145米，宽24米，吃水6.2米，8072总吨。MALS系统使用鼓风机从船底吹出空气形成细小的空气泡，在船底形成地毯式覆盖层，可在航行时有效减少船体阻力。该系统最初在2010年时安装在重货运输船“YAMATAI”号和“YAMATO”号上，展现了优秀的节能效果。后来为了扩大这项技术的适用范围，选取了高速、窄瘦型船舶为研究对象，此类船舶的船底平面部分很少，搭载该系统从技术上来说比较困难。

经过海上航速试验，实证在波高2.5 ～3米的恶劣条件下可减少5%的燃费，即使是高速窄瘦型船舶也可有效减少摩擦阻力。并且由于船底空气层还起到了气垫效果，有效减少了振动和噪音，乘船体验也得到了改善。

另一种形式的空气润滑系统是日本邮船与大岛造船厂共同开发的，对拥有排气旁通管的主机设备，将主机的助燃风从主发动机的涡轮增压机中抽出，引至船底形成空气层。近年来随着增压机的高效率化，主机所使用的助燃风有富余的部分，正是利用这部分为空气润滑系统作贡献。

图4 “双洋”号煤炭运输船效果图

这套系统已搭载到“双洋”号煤炭运输船，该船总长235米，宽43米，满载吃水12.981米，50872总吨。该船与吃水较浅的“YAMATAI”号不同，是吃水较深的船舶。

“双洋”号的这套空气润滑系统根据主机负荷不同，有2套控制方案。

a.压载状态：用单台鼓风机或者使用助燃风+鼓风机运转。

b.满载状态：使用助燃风或者助燃风+增压助推运转。

图5 “双洋”号空气润滑系统压载状态工作图

图6 “双洋”号空气润滑系统满载状态工作图

a模式中，在压载吃水时空气润滑系统减少的摩擦阻力收益大于空气系统消耗的能量，因此采用助燃风+鼓风机并用模式。b模式中空气润滑系统消耗的能量有所增加，只用排气增压无法送出空气的情况下，使用鼓风机辅助增压送出空气。

此外，节能效果受空气层厚度影响，研究人员曾做过模型船试验，当时的实验结果是空气层为7mm时节能效果为12%，5mm时为10%，3mm时为8%，基本是正弦分布。

提高推进效率型

超级导流管（SSD）和半圆形导流管等补偿导管一直是VLCC、散货船之类大型船舶船尾常用的节能装置，他们能回收船尾伴流并转化为动力以节省燃费。而如果在螺旋桨后方加设名为“SURF-BULB”的装置，可以更进一步减少燃费。

SURF-BULB可以回收推进过程中在螺旋桨后方产生的回流能量，并将其转化为推进力，可以减少3 ～5%的燃费消耗。在VLCC、散货船等肥大型船舶中，与安装在螺旋桨前端的节能导管一起使用，节能效果更好。

图7 SSD+SURF-BULB

还有一种常见设备就是对转螺旋桨。这种螺旋桨是在同一轴上前后安装了一对反向旋转的螺旋桨，前一个螺旋桨产生的回流损失可以被后一个螺旋桨所吸收，转化为推进力，提高推进性能。现在该装置多用于VLCC、散货船和电力推进船中，除了降低燃料费用外，还有降低CO2、NOx，SOx等废气排放，减轻环境负荷的效果。另外，螺旋桨后的中心部位水流紊乱并伴有漩涡，为了减少这部分的能量损失，如在舵的前端螺旋桨桨帽相对位置处设置舵球，则可改善螺旋桨后的尾流，减少桨后旋转尾流损失。

图8 对转螺旋桨+半圆形导流管+舵球

此外还有一种新型设备值得注目。消涡鳍（PBCF）是商船三井开发的一种船舶推进器水动力节能装置，它在螺旋桨毂帽上增设与螺旋桨叶数相同的小叶片，以消除螺旋桨毂涡能量为目的。它可以减少螺旋桨的尾部气泡，降低空泡效应，从而改善水动力性能，提高推进效率，而且投入较小，回报较快。

通过近2000艘的实船安装和近100艘的实船检测，PBCF可增强3%的轴扭矩，1%的轴推力，5%的节能效果（等于增加了2%航速），同时还有效降低了船尾震动和水下噪音，改善了舵的损耗。

图10 未安装PBCF和安装PBCF的螺旋桨

图11 安装了PBCF的船舶节能效果

回收废热型

商船三井开发了一款高效率的废热回收系统。该系统除了已确认将搭载在该集团“ISHIN”系列环保船的第三艘上之外，还搭载到了2014年6月完工的大型散货船“AZUL BRISA”上。该系统已完成海试，确认能够减少5%的燃费消耗。

该系统的工作原理简单来说，将主机排放的废气，由增压器和涡轮机组合而成的涡轮发电机组回收再发电。这些电力不仅将提供船内使用，还可用于船舶推进，从而减少燃料费用。

图12 高效废热回收系统工作图

目前，上述的三类节能设备广泛用于各类船舶中，它们各自优良的节能效果已为航运界有效减少了可观的燃料消耗。当然节能手段不仅限于此，其他诸如船底超光滑涂料、一些燃料添加剂，甚至还有节能航运管理系统等技术的开发和应用，都在从各个角度为节能这个命题贡献力量。随着船舶能效设计指数（EEDI）在2013年1月1日正式生效，提高船舶能效指标、研发低碳型船舶成为当前船舶界的当务之急。只有综合利用多种节能技术，不断研究改进新的节能技术，才能大幅度节省船舶燃料费用，有效地降低船舶对环境造成的污染。