上海海事大学商船学院轮机工程系 方佳琦 曾向明

一、前言

随着世界航运的迅速发展，船舶大型化、速度化、集中化、自动化的趋势越来越显著突出。然而，由此而带来的诸多问题也随之凸显。首当其冲的即为船舶温室气体（GHG）排放的问题。2000年，国际有关温室气体排放研究表明：航运业的CO2排放量只占世界总排放量的1.8%，这意味着船舶CO2减排10%才可以使世界总排量下降0.2%；2009年国际海事组织（IMO）温室气体研究却显示了一组堪虞的数据：2007年航运业CO2排放总量为10.46亿吨，占当年世界排放总量的3.3%。据预测，如果没有采取相关政策和措施，2050年的船舶温室气体排放总量可能达到20亿吨，占世界CO2排放总量的12%—18%[1]。

因此，采取相关政策和技术措施降低船舶CO2的排放量刻不容缓。

CO2的排放量公式[2]如下：

其中：

ECO2为CO2排放率；

mcargo为货物运输量（t）；

D为货物运输距离（km）；

由上公式可看出，在货物运输量和运输距离不可控的前提下，减少CO2排放总量的有效途径只能是对CO2排放率加以控制。

2009年8月17日，IMO海洋环境委员会（MEPC）第59次会议同样通过了MEPC.1/Circ.684号决议。此决议规定了船舶能效营运指数（EEOI）在船舶营运过程中的应用，即用此项指数作为评价船舶在营运过程中CO2排放是否符合标准。EEOI是船舶能效评估的有效手段，它与燃油的消耗有直接的关系。

笔者针对目前形势进行了有关资料的查阅，对比当前国内外研究现状，总结出EEOI的影响因素以及各国节能技术的新发展。

二、EEOI的影响因素

根据IMO第MEPC.1/Circ.684号决议可知，船舶能效营运指数（EEOI）的计算公式如下：

CFj为CO2排放因子；

mcargo为货物运输量；

D为货物运输距离；

由实际情况可知：货物运输量和运输距离是不可控的。因此，船舶营运指数（EEOI）的控制便与CO2排放因子和燃油的实际消耗量有着密切的关系。其中CO2排放因子与燃油种类有关，可采用新型能源如液化天然气（LNG）或风能；而燃油的实际消耗量则与航行中的航速、船舶首尾吃水差、船体的清洁程度等因素有关。接下来我们便对以上影响因素做具体分析。

（一）航速

我们知道，在确定货物运输距离和运输量的前提下，船舶燃油的总消耗量主要包括三个部分：主机燃油消耗GME、辅机燃油消耗GAE和锅炉燃油消耗GB，而它们之间的关系如下：

其中：gME、gAE、gB分别为主机、辅机、锅炉单位时间燃油消耗量，即燃油消耗率；

t为时间；

又单位时间燃油消耗量（燃油消耗率）公式如下

其中：

C为常数；

V为船速；

D为船舶航行距离；

将②、③两式代入①中可得：

则每海里燃油的总消耗率即为：

由上式进行MATLAB拟合可得图形如图1所示：

图1：燃油消耗率与速度曲线图

因此由上图可见存在一个最小值Vm使得船舶燃油消耗率最小，即在保证船舶运期的前提下，应尽量使船舶的实际速度接近最优速度值VP来降低船舶营运指数，从而达到降低船舶能效的目的。而且根据IMO报告表明：船舶速度每下降10%可以使废气排放降低19%[3]。由此可见，船速优化对降低CO2的排放是十分显著的。

（二）船舶首尾吃水差

经实验证明，船舶的首尾吃水差能够影响船舶周围水的流动[4]。有经验的船员都知道：船舶尾倾比首倾能够更好地调整船舶姿态并达到降低能效的目的。实际上根据干舷高度（或吃水深度）和船速，对于一艘特定的船舶而言都有一个或多个最佳首尾吃水差。一般情况而言都是通过多次试验的方式找出最佳吃水差使船舶能效达到最低。据研究表明，通过调节首尾吃水差这种方式可以节省1%的燃油消耗量。

（三）船体清洁程度

在降低CO2排放的方法中，保持船体、舵和螺旋桨的清洁是十分重要而且操作性强的方法。船舶在长期海上航行的过程中，舵、螺旋桨和船体是最容易受到海水腐蚀的部分。据IMO调查报告显示，保持螺旋桨、舵和船体清洁可以最高节约5%的能源消耗[5]。许多船东都通过对螺旋桨和船体的定时维修和视情维修来保证船舶的正常运营状态，此种维修方式可以有效地减少船舶阻力、延长坞修的间隔时间，从而节约经费。此外还可以通过在船舶表面涂装节能油漆来降低船体的粗糙程度、减小船舶阻力，达到优化船舶能效的目的。

三、节能技术新发展

（一）最佳吃水差计算软件

近年，针对调节船舶首尾吃水差以谋求降低船舶能效、提高EEOI值的研究正逐渐走入人们的视野。丹麦的FORCE Technology公司研发出一项可以通过输入船型、排水量、船速等条件便可快速计算出该船最佳吃水差的软件—SeaTrim2.0[6]。该软件主要通过CFD软件的模拟仿真，并对100—150艘船舶进行实际情况下调研和验证，是一种基于理论基础上的仿真软件。

然而在实际情况下，影响船舶周围水流场的因素不单单包括船速和排水量，风、浪等因素对其影响也很大，因此理论仿真的准确性令人担忧。人们更加倾向于寻找更加精确的、能够反映实际情况的实验性方法。德国公司LEMAG研发出一种能效分析系统SEEAmag[7]，该系统通过安装燃油流量计和轴功率测试仪能够持续的对船舶的燃油消耗量和轴功率进行监测。船员在调整船舶首尾吃水差的同时观察燃油消耗量和轴功率，随之找出合适的首尾吃水差。

（二）节能船体油漆

船舶在使用一段时间后，在船体表面会形成锈蚀。加之藤壶等水生物的附着，会破坏船体表面的光滑度、增加船舶阻力，进而降低船舶能效。所以定期清理锈蚀及附着的水生物就变得尤为重要。目前，比较实用的技术是采用节能船体油漆。涂装油漆的船体表面十分光滑，平均船体粗糙度超低，不沾污和静态防污性极好。这使船舶在长期的营运中能够保持很好的清洁度，减少阻力及燃油消耗量，降低EEOI值，优化船舶能效。

（三）吊舱式CRP

转矩在由柴油机传递到螺旋桨的过程中一定会有损失，怎样将这一损失降到最低是相关研究人员一直探究的问题。目前较为先进的科技为吊舱式对转螺旋桨（亦称“吊舱式CRP”）。吊舱式CRP应用电力推进，将电力推进器装于可以360o旋转的吊舱之内，代替原有的舵机装置，同时可以实现对船舶的推进。通过安装吊舱式CRP，可以降低约5%—10%的推进功率，即可以节约燃油消耗。如图2所示为由芬兰ABB工业公司提出的Azipod吊舱推进装置结构示意图[8]。此吊舱模块安装于标准螺旋桨之后，其二者之间没有任何物理连接。在船舶航行时，吊舱式CRP的旋转方向与主螺旋桨相反，这样可以更加合理地利用水利效果从而获得更大的水动力，最终达到节约能效的目的。据研究，ABB公司的吊舱式CRP可使水动力效果提高10%[9]。

图2 Azipod吊舱式推进装置结构图

（四） 废热利用

我们所熟悉的废热的利用装置应该就是船用辅锅炉和涡轮增压器了。其实许多研究都已经表明：由燃油燃烧所产生的废热中蕴藏着大量的能量，我们目前所能利用的废热能只是其中很少的一部分，如果将这些能量尽可能收集起来并更加合理的利用，达到降低EEOI值的目的是可以预期的。如图3即为一个废热利用的装置原理图[10]。由主机排出的废气经过涡轮增压器进入废气涡轮，该废气涡轮与蒸汽涡轮一起驱动一台发电机，以供全船用电使用。船舶满载时，额外产生的电能可以通过直接作用在螺旋桨轴上的电力驱动设备为船舶提供动力；在主机低负荷运转时，利用废热的发电机可以和柴油发电机并行接入电网。据研究，通过这种方式可以节约12%的能量消耗。尽管这种方法对营运船来说增加成本、得不偿失，但对新造船来讲则是一项可以参考并实践的新技术。

图3 废热利用装置原理图

（五） 新型能源的利用

随着世界原油储量的日益枯竭，寻找可能的燃料代替燃油是近几年来有关人员一直追寻的目标。目前国内外研究的主要对象包括液态天然气（LNG）、风能。

1. 液态天然气（LNG）

燃用LNG代替燃油的思想可以追溯到上世纪60年代，最初是使用在LNG运输船上，但直到本世纪初才逐渐应用于其他类船舶上。毫无疑问，与其他燃料相比LNG最主要的优点就是清洁。其燃烧后排出的废气对环境的污染最小，可以满足日益严苛的相关国际规定。在原油资源告急的今天，LNG是最合适的代替燃料；其次，LNG的市场价格比普通燃油的市场价格低，在降低船舶能效、提高船舶营运的经济性上具有很大优势。虽然改造LNG燃料船需要一定成本，但是经预算在几年之内是可以收回的。目前国际上建造LNG燃料船最多的是短途沿海航行的渡轮，我国在“十二五”期间预建7500座LNG加气站[11]，力求在此期间把长江、沿海的渡轮、货轮改造成LNG燃料船，减小船舶尾气对沿岸城市人口的危害。据有关资料表明：燃用LNG后可以降低15%的CO2排放量。由此可见，LNG燃料船的利用前景是相当广阔的。

然而，要使LNG燃料船能像目前普通燃料船一样得到普遍使用还任重道远。一系列问题亟待有关人员解决，其中包括：LNG的储存、运输、港口LNG加气站的建立、LNG的补给等等。

2. 风能

风能是一种古老的动力源，人类在很早以前就开始对风能加以利用；风能是一种绿色、安全、清洁、可再生的资源，利用风能作为船舶的动力或辅助动力符合“绿色航运”的概念。目前，美国、日本、德国、丹麦等国都对风能助航进行了系统的研究。

图4 “白鲸天帆”号风翼助航船（左）和UT WIND CHALENGER散货轮风帆助航船（右）

风能助航的形式一般分为风筝式[12]和风帆式[13]两种，如图4所示。顾名思义，风筝式（风帆式）就是利用安装在船体之上的“风筝”（风帆）作为船舶的辅助动力，节约燃料从而达到降低CO2排放的目的。世界上第一艘利用风筝助航的商船是德国的“白鲸天帆”号，该船于2007年从德国汉堡下水。据该船发明者史蒂芬·瑞吉表明：根据不同的风力状况, “白鲸天帆”号可节省10%—35%的燃料，风力最理想状况下甚至可节省50%的燃料[14]。

四、总结

综上所述，为了符合IMO关于EEOI的相关规定，可以通过一些技术性和管理性的方法达到节约燃油消耗、降低EEOI的目的。具体措施及其可降低EEOI所占比例如表1所示：

表1 具体措施及其可降低EFOI比例表

由此可见：采用合理的措施可以有效地降低EEOI值。其中，在目前营运船中可以采取的措施包括航速优化、调整最佳首尾吃水差、保持船体清洁；在新造船上可以采取的措施包括优化螺旋桨及其伴流条件（即采用吊舱式CRP）、安装废热利用装置、利用新型能源代替现用燃油。

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[1]Marine Environment Protection Committee. Prevention of air pollution from ships (Second IMO GHG Study 2009) [R]. 2009.

[2]解玉真，张硕慧，韩俊松.EEDI对中国造船和航运业的影响[J].中国海事.2011，（11）：23—26.

[3] MEPC.1/Circlar.648—Guidelines for Voluntary Use of the Ship Energy Efficiency .

[4]杨剑文.航行船舶在浅水中的纵倾变化研究[J].中国水运（下半月）.2011，11(12)：1—4;

[5]Hull cleaning and propeller polishing, the most effective way to save both money and the environment.

[6]SeaTrim—trim optimization and dynamic trim http://www.forcetechnology.com/en/Menu/Products/Maritime-onboard-systems/seatrim-trim-optimisation-and-dynamic-trim.htm

[7]LEMAG SEEAmag http://www.lemag.de/seeamag.0.html；

[8]Azipod®Propulsion Azimuthing Electric Propulsion Drive

[9]张庆文.吊舱式CRP 推进系统发展及应用前景[J].航海工程.2007，（2）：57—60；

[10]IMO, Second IMO GHG Study 2009;

[11]十二五期间中国预建LNG加气站7500座 http://www.askci.com/news/201308/21/211048367927.shtml

[12] [14]徐华. 全球第1艘“风筝船”首航大西洋[J].中国船检.2008，（03）：77.

[13]周羽欢.新能源船温暖寒冬[J].中国船检.2013，（01）：62—65.