船舶动力节能减排技术分析

郑宇恒

摘 要：随着全球能源不断萎缩，原油和人工成本不断上涨，加上近期航运业的低迷， 研究节能技术，减少能源消耗，直接关系到我国乃至于世界航运公司的成本效益，还能减少对环境的污染。加强船舶的船舶管理、设备的维护保养和应用节能减排技术，是经济和环境的双重效益，是企业可持续发展的重要组成部分，对未来的船舶运输发展显得尤其重要。本文主要介绍了传统船舶行业节能减排现状，并对当前采用的节能减排进行整理、分析、并提出建议及措施。

关键词：船舶动力装置；节能；减排

1 前言

随着全球化进程加快，物流业、渔业、大型海上工程的不断发展，船舶作为海上运输工具其数量也在逐步增加，其节能效果的好坏直接对经济、社会、环境有着重大影响。船舶燃油费占船舶航运运营支出比例比较大，据统计，油船约占60%，散货船约占50%，客货船占约35%，小型运输船占30%。而高耗的能源则是伴随着大量的温室气体排放，国际航运业所排放的二氧化碳其总量大约相当于全世界二氧化碳的排放总量的3%，而且船舶柴油机还会排放一氧化碳、氮氢化合物、硫化物、微粒等有害物质[1]。因此，加强船舶管理和设备维护保养及节能减排的基础性管理，研究和应用节能技术降低船舶能耗，不仅可以为航运企业节省燃油费用，同时减少船舶造成环境污染，获得经济和环保双重效益。

2 船舶节能的原则

船舶节能总的含义是以最小的能量消耗取得最大的运输效益，或者说就是以最小的燃料费用取得最大的运输量。

燃料费用营运指标=运输量（吨×千米或海里）/（燃油消耗量（千克） ×燃料的价格（元/千克））

上式的燃料费用营运指标是表示单位燃料费用所完成的运输量，从式中可以看出，船舶节能的努力方向是增大运输量，降低燃料消耗量和采用廉价的燃料[2]。

3传统动力系统的类型及特点

现代船舶动力系统主要有柴油机动力系统、燃汽轮机动力系统和电力推动系统。

对于柴油动力系统主要的性能特点有以下几点：柴油机作为内燃机在启动时能够比较迅速，而且它的负荷运转性能好，安全可靠技术成熟。按照转速的高低分为二冲程柴油机和四冲程柴油机。二冲程柴油机主要应用在大中型远洋运输船舶上，具有转速低动力持久等特点，四冲程柴油机主要应用在中小型船舶（客船、豪华游船以及军船等）上。

对于燃气轮机动力系统的特点有以下几点：燃气轮机相比柴油机在质量和尺寸方面占有绝对的优势，它具有良好的加速性能和很低的污染气体排放，被很多高速客船舰艇等所采用。它的缺点主要在于燃油经济性上不能够做到充分燃油，尤其在部分工况的情况下此现象更为严重。而且燃汽轮机需要燃用干净清洁、价格昂贵的蒸馏油，价格比较昂贵。

在船舶航行过程中可以合理地选择柴油机、柴油机发电机和电动机的数量来实现节能、减排的目的，更加有效地提高整个船舶航行的经济性。在电推进动力系统中吊舱式电力推进系统是当今备受关注和重视的推进方式。吊舱式电力推进是一种全方位转动的装置，电动机直接驱动螺旋桨，具有良好的操作性能和很高的推进效率。

4在船舶传统动力系统中的节能减排

4.1柴油机废气与冷却水余热再利用

燃油在气缸内燃烧后的热量大部分被排气和冷却水带走，只有小部分热量得以充分利用。对这些可用热量的有效利用，现在最为普遍的就是废气锅炉以及主机暖缸利用冷却水热量。

1）设热管锅炉对主机废气进行二次回收。柴油机排气余热的温度在吸收利用时其温度可降低到环境温度。主机排气通过废气锅炉后，排气温度由原来的360～380℃下降到260～280℃，这个温度离露点（假如为180℃，有时还要低）还有100℃左右温度可利用。现在假设在远洋船舶的每个废气锅炉之后增设一热管锅炉，对柴油机的排气余热进行二次回收，使排气温度降到180℃左右。用这些回收的热量供船员日常生活用气是非常富裕的，并可避免冬季单靠废气锅炉供热有时不能满足船舶正常需要的供热量。

热管锅炉由气水管及烟道箱组成。它是利用热管作为传热元件来回收船舶主机排气余热的。由于热管的传热效率高，热敏度高，又结构简单、运行可靠，使其具有重量轻、体积小、蒸发量大等特点。这是其它型式的废气锅炉无法比拟的。

2）采用主机冷却水热损失来加热日用油柜的燃油。主机冷却水温度一般都在60～75 ℃，属于低品热能。一般的远洋船舶都是利用各种型式的冷却器对主机冷却，进行热量交换，把其热量带走，白白的浪费掉这部分热能。这样既增加了船用设备，又增加了海水泵的功率消耗。假如采用主机冷却淡水加热日用油柜，使燃油吸收冷却水的热量而进行预热，这不仅可减少加热主机日用燃油的蒸汽耗量，而且通过这个所谓的燃油—淡水热交换器后，使淡水温度先行下降，再通过淡水冷却器对其进一步冷却，可提高其冷却效果[3]。

4.2优化螺旋桨的设计

整个推进系统的效率，不仅与推进装置的传动效率、船身有关，更与螺旋桨的敞水效率及装船后的小队旋转效率有关。一般来水，当传动设备及轴系确定后，传动效率不同的船型变化不大，但船身效率，螺旋桨敞水与船型密切相关。因此，为使船舶具有较大推力、较高的船速，改善螺旋桨设计，提高推进系统效率十分重要。根据螺旋桨理论，螺旋桨功率系数计算公式如下：

在螺旋桨设计时，首先可以考虑采用低速大直径螺旋桨，螺旋桨推力T与速度V取决于船体尺寸和航速的初始设计，在船舶营运要求下，T与V已定，要提高螺旋桨效率Y，由公式可见，唯一途径就采用大直径浆并同时降低尾轴转速，浆速与浆径应处于最佳对应位置。

4.3优选主机

在选择主机时都尽量采用“减额输出”匹配方法，即标定功率的85%左右，并以此作为向主机生产厂家订货的依据目前柴油机主机趋向低转速、长冲程，其目的是降低油耗率，同时该类主机与低速大直径螺旋桨匹配效果很好，节能型大功率主机主要是降低油耗，烧重质燃油或代用燃料，提高船舶运营经济性。

4.4优化机舱布置及改善主机进气环境

机舱布置应首先满足总体布局，机电及其辅机布置合理，既便于操纵，又易于维修；同时，机舱周围环境应满足柴油机进气的需求，可及时进气扰动，以使主机进气充足，燃烧良好，排气顺畅。换气良好，燃料燃烧充分，从而达到节能减排的目的。

5结论

我国资源总量稀缺、消耗大，利用率低，节能减排工作面临巨大压力，节能减排是国民经济可持续发展的重要组成部分，是我国的一项基本国策，在世界资源紧缺的今天，迫切需要加强政策力度，加大节能减排技术的研究和推广，调动各方积极性。除了在新技术上要不断创新，同时还要通过开发先进的适合全球标准的信息管理网络，对整个船舶进行综合系统、智能管理，从而使我们国家航运业更具竞争力。

参考文献

[1]程楠，李军，船舶减排的标准之困[J]，中国船检，2009，（6）.

[2]彭斌，船舶节能技术应用综述[J]，舰船科学技术，2005.

[3]丁晓映，船舶主机余热利用与节能新途径[J]，福建能源开发与节约，2001，（4）.

[4]中国船级社，钢质海船入级规范（第3分册），人民交通出版社，2015，（3-245）.