现代船舶节能方法简述

现代船舶节能方法简述
船舶节能技术已被列入世界各国造船界和航运界的重要课题，日益收到重视。

本文拟从新船型开发，船舶技术节能和管理等几个方面对我国现代船舶主要能技术进行简述。

0 引言
现今，人类对能源的依赖已达到举足轻重的地步。

然而，自2003年以来，国际原油价格一路走高。

2003年国际市场原油平均价格为每桶31美元左右；2004年涨到41美元左右；2005年又涨到56美元左右；2006年曾突破70美元，最新的油价更是高达130美元。

面对高油价的冲击，船公司可以采取加收燃油附加费（据测算运价提高2%～3%就可抵消燃油价格上涨10% 带来的成本压力）、集中采购、期货市场套期保值交易等手段来应对油价上涨带来的影响，但是在高价油时代，如何立足自身，采取综合措施降低油耗，走节能降耗之路，已成了各家航运企业不得不面对的严峻课题[1]。

近几年来，各家航运企业在船舶节能方面可以说是想尽办法、挖尽潜力，节能措施林林总总，节能手段层出不穷，但总的来说，大体可分为四个方面，即设计节能，管理节能，技术节能和营运节能。

1 设计节能
船舶节能的关键是节能船型的优化设计。

在满足船舶使用条件下，优化船体型线设计与船型，使船舶阻力最小，选配耗油量小的船主机，使总体协调匹配，以达到船、机、桨、舵的最佳配置，从而提高船舶的推进效率，减少运营费用。

优化船型设计的主要任务是开发新船型，新开发的船型主要有小水线面双体船型、新Y 型纵流槽船型、双尾型船、球尾船型、球鼻首船型、浅吃水肥大型船型等。

1.1 小水线面双体船型
小水线面船型大部分排水体积处于水下，受兴波阻力比单体船要小很多，其兴波阻力只有单体船的50% 左右，而摩擦阻力虽有所增加，但两者权衡，船的总阻力比单体船小。

由于该船型有利于布置低转速大直径螺旋桨，其桨轴浸沉深度大，可使螺旋桨处于较均匀有利的水流场下工作，从而提高船的推进效率。

目前，国外已有此类型的巡逻艇、水文调查船、海上作业船以及载客渡船等。

该船型适用于小型巡逻艇、军用辅助船和豪华型海峡渡船等。

1.2 新Y 型纵流槽船型
新Y 型纵流槽船型也称PY船型，是对船首部和尾部同时进行开发研究的一种整体新船型，PY船型可改善船轴部位螺旋桨处的来流状态，使流态相对稳定，可使螺旋桨工作在较均匀的尾部流场中，以提高推进效率。

此外，该船型有利于增大螺旋桨的桨轴间距，能实现低转
速大直径螺旋桨的船、机、桨最佳匹配和优配。

在高速船舶设计中，剩余阻力约占总阻力的70% ，PY 船型适用于中高速船，傅汝德数宜选取Fn > 0. 32。

客船、巡逻艇、旅游船以及大型港口渡轮等，可选用此船型。

1.3 双尾型船
双尾船型（含双尾鳍）是指船的整个尾型而言，其特征是船的后体由2个片体和1个纵流型的中间拱型隧道组成。

由于2个尾片体细长，可使纵流隧道平顺，以利于船尾部分的纵剖流线设计均匀平缓，可改善波形干扰。

同时，还可增加船尾压浪长度，以改善船后体压力分布，减少尾流分离现象，从而大幅度降低兴波阻力和旋涡阻力，使剩余阻力大大下降。

虽然双尾船型的摩擦阻力有所增加，但剩余阻力下降值较为显著，因此总阻力有所下降。

双尾船型的螺旋桨轴通过片体伸出，可使桨轴间距增大，一般在0. 5～0. 53 B 之间为宜（B为船宽），可通过船模试验优选出最佳值。

由于桨轴间距较大，尾片体上的每个螺旋桨在类似单桨船的工况下工作，从而改善了螺旋桨前的来流场状态，使螺旋桨桨盘处的伴流较均匀，可提高伴流分数W 值，提高船身效率。

双尾船型还有利于安装低转速大直径螺旋桨，可大大提高螺旋桨敞水效率，也易于船、机、桨匹配和优配。

双尾船型在国外早有研究，国内也已实际应用到长江流域航线的客轮上。

实船证明，该型船航行性好，兴波小，速度快，操纵灵活，可节省主机功率25%以上，已被世界造船界公认为节能船型。

1.4 球尾船型
该船型的特征是在船体满吃水线处的尾部区设有一个长约1%～2% L，宽度极窄小的尾端形体。

它是根据流体力学原理，利用球尾产生与船尾尾波相反等幅的波，以降低兴波高度。

其主要作用：一是消波压浪，使船尾波的起波点后移，导致尾波扩散面大大减少，从而减少能量损失，以降低船舶阻力。

二是可改善尾流，起整流作用，以提高船舶的推进效率，与此同时，还可减小螺旋桨的激振力，有利于降振。

设计球尾的主要参数是尾球体长度、横剖面的大小与形状以及球心位置等，一般宜选择在桨轴中心线上，可根据船模试验优选其球尾尺度与形状，该船型一般可节省主机功率7%～9%。

1.5 球鼻首船型
设计船的傅汝德数Fn = 0.25～0.35时，采用球鼻首可降低兴波阻力、破波阻力和舭涡阻力，一般可降低船舶总阻力10% 左右。

因此，在大型船舶上均设有球鼻首，有些小型船上也设有球鼻首。

球鼻首形式有水滴形、瓜子形、椭圆形及小流鼻式等。

球鼻首的主要参数如球鼻长度、宽度、横剖面的大小与形状、球鼻浸深深度等，可根据具体的设计船型、傅汝德数以及吃水等因素确定。

一般通过船模试验优配恰当的球鼻形式和尺度。

球鼻首引起的波与船体的船首波可以相互抵消，以改善船首进流段区的水流状态，实现降低兴波阻力的目的。

球鼻首还可增加船舶浮力，可作为压载水舱调节船的纵倾。

在大型货船和油船上采用球鼻首，可降低总阻力达8%～11%；在中高速船上可降低总阻力约6% 。

1.6 浅吃水肥大型船型
浅吃水肥大船型是受航道和港口泊位吃水限制的一种船舶。

其主要特点：一是载重量较常规型船增加20%～30%，设计吨位愈大，则载重效果愈佳。

一般25 000 t 以上的运输船载重系数约在0.67以上。

二是综合经济效益高。

因为该船型具有载货位大、吃水浅等特点，可用
于矿砂船、煤炭运输船、油轮、化学液体船以及船队运输途中的补给船等。

该船型具有成本低，相对投资成本少，且营运航线多，可通航道多，营运在航率高等优势，目前在国内外得到广泛应用。

2 管理节能
管理工作具有很大的弹性，同一样工作，粗放化管理与精益管理所产生的效果大相径庭。

燃油管理更是一项涉及面广、环节多、过程长的系统性工程，做好管理节能要把握好以下几点：
通过宣传教育强化全员的节能意识。

船舶节能工作是一全员工程，然而在日常工作中，一些员工甚至个别领导对船舶节能认识上存有偏差，主要有三种表现：第一种表现是，认为船舶节能是船舶和管船部门的职能工作，不愿参与；第二种表现是，认为船舶节能是专业性工作，想参与也无能为力；还有一种表现是，由于宣传不到位和考核机制方面的原因，没有成本指标的职能部门和船舶，感受不到燃油成本带来的经营压力，对船舶节能积极性不高，被动参与。

因此在实际节能过程中往往出现参与度不够、冷热不均现象。

解决这个问题要从宣传教育着手，让每位员工、每个岗位都深刻感受到燃油成本带来的压力，形成部门之间的联动、船岸之间的联动。

通过完善规章制度使节能工作有章可循、有标可参。

一个航运企业，各条船舶的具体情况不尽相同，因此船舶节能离不开规章制度来保障和规范。

可以在充分调研的基础上，结合船岸实际，对陆地机关、船舶一线都制定相应的节能管理办法和奖惩措施并纳入公司体系文件，使节约、节能工作有章可循，有标可参，最大程度减少不正常消耗现象的发生；可以根据各船船况和航线特点制定船舶燃润油消耗定额制度，规范细化船舶燃润油申报制度，对超额船舶实施跟踪监控和技术指导，确保船舶燃润油消耗控制在定额标准范围之内；可以建立节能责任制度，让职能部门、船舶和航线调度都有节能指标，使节能工作每个环节都有人负责；还可以探索节能考评制度，月度、季度、年度都有统计、有考核、有评比、有奖惩。

通过建立科学的奖惩机制激发员工节能主动性、积极性和创造性。

对船舶节能工作要奖有罚，物质刺激和精神鼓励并举，对节能工作的考核既要有具体指标，也要有科学的考核手段，例如，对成本控制职能部门的节能考核，可以分月度、季度、年度从整个船队耗油总量控制情况进行考核，可以在综合考虑航线和运能变化因素的前提下，通过同比、环比等分析比较，分出船队总量节能的优劣；对船舶的考核可以在确定燃油定额的情况下考核具体节油量，对比同类型船、同航线船耗油情况，奖优惩劣；对船舶调度部门可以从船舶效能的角度进行考核，如：船舶航行过程中经济航速使用比例，船舶航行率，航路的选择，乘潮发航情况等。

船舶节能工作还要广泛发挥员工的创造潜能，可以尝试建立船舶节能奖励基金，对员工在节油方面的金点子、好建议，小发明、小创造、小革新进行物质激励，鼓励船舶技术部门在节能方面的科技攻关，加强节能技术的改造和应用。

船舶节能管理工作以激励为主，同时也要运用惩处手段，特别是对个别船舶、个别员工盗卖燃油的情况，要加大处罚力度，增加违规成本，杀一儆百。

通过优化工作流程实现对燃油的采购、用油、退油的全程监控。

对船舶油料的过程监控首先是把好油料的采购关，采购人员要与调度密切联系，掌握船舶的准确动态及船上各种油料的存量和合理消耗量，在确保油料质量的前提下，努力确保在油价最便宜的港口加油。

油料采购部门还可以在认真分析燃油市场走势、准确判断油价起伏的前提下，选择市场低点批量采购。

对船舶用油方面，要对船舶轻、重油使用情况跟踪管理，在船况允许的条件下，合理确
定船舶进、出港口时轻、重油转换节点，尽量缩短使用轻油的时间，鼓励有条件的船舶尽量使用价格相对便宜的重质油，推行扩大轻、重油混烧，改善机器工况，用足船舶辅机负荷，有条件的船舶还要最大限度使用轴带发电机。

最后要把好退油关，严堵漏洞，当前油价持续飙升，难免个别船员、个别船舶，特别是期租，在利益的诱惑下铤而走险，在清退废污油过程中把好油作废油处理，损公肥私。

对于船舶清退废污油的工作可以建立严格的申请审批制度，细化退废流程，有条件的可以派人现场监督退废过程。

3 技术节能
机电设备是船舶油料最直接的消耗者，因此抓好机电设备的维护保养，确保机电设备工况，突出技术管理，充分挖掘节能降耗潜力，是船舶节能的另一个关键途径。

3.1 提高船舶动力装置的效率
船舶动力装置包括主、辅机和传动轴系与设备等。

因此，要提高整个动力装置的效率需从各个方面采取有效的措施。

(1) 优选主机。

由于柴油机技术的发展，无论是低速、中速或高速柴油机其耗油率均有较大幅度的降低，但各种机型间的差别也是明显存在的。

因此,在建造船舶时应根据船舶具体情况，选择性能稳定、经济性好的主机。

由于主机的能耗在整个动力装置中所占的比例最大，因而主机的优选对提高动力装置的效率影响最大。

目前柴油机主机趋向低转速、长冲程，其目的主要是降低耗油率，同时该类主机与低速大直径螺旋桨匹配效果较好。

节能型大功率主机主要是降低耗油率，烧重质燃油或代用燃料，提高船舶营运经济性。

(2) 主发电机燃烧劣质油。

主发电机燃烧与主机相同的重质燃油，实现了燃用单一品种油，使机舱布置和管路布置大大简化，减少维修工作量。

同时也节约燃油开支。

(3) 优化船、机、桨的配合特性。

由于船舶实际航行情况比较复杂，而外界条件(装载、海况、污底等) 又经常变化；同时，船、机、桨本身的技术状态也会改变，从而使三者的配合特性发生变化，使它们的技术经济指标偏离设计工况，影响能量转换的完善程度，为此，使用管理人员应在船舶运行中清楚地了解各种特性并经常调整运行点，使其处于最佳状态下运行，达到节能的目的。

(4) 提高传动效率。

从主机到螺旋桨的传动效率取决于传动方式和传动轴及设备的效率，因此，应采取下列措施：
①尽可能采用直接传动；
②如采用间接传动，应提高传动设备(如减速装置、联轴节等) 的效率；
③保证传动轴系的对中良好；
④采用高效的轴封装置，减少轴封对漏油及传动效率的影响。

(5)充分利用好柴油机余热。

船舶柴油机燃油燃烧产生的热量中大约40％转化为柴油机的输出功，其余通过排气、冷却水等排放到船外。

目前，柴油机排气余热的利用，主要是通过废
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。

利用废气锅炉产生的饱和蒸汽来满足船员的日常杂用及油舱的加热保温，有的大型船舶还将蒸汽过热后驱动透平发电机进行余热发电。

冷却水的余热利用主要是作为海水淡化装置的热源。

(6) 采用主机轴带发电机。

由于柴油机在部分负荷工作时，其经济性较差,耗油率增加。

当某些船舶较长时间处于部分负荷工作时,可采用主机轴带发电机，这样，不仅可使主机工作在效率高的运行区域，提高效率，而且有可能减少柴油发电机组的数目。

(7) 提高船舶电站的效率。

船舶电站的能耗在整个船舶动力装置中占有一定的份额。

提高船舶电站的效率不应忽视。

为此，应合理地使用发电机，尽量避免柴油机在低负荷下运行，以提高柴油机的运行经济性。

正确选择各种电动机容量，采取补偿装置提高功率因数，采用控制机构提高电动机效率，以提高船舶供电系统的功率因数。

3.2 提高推进效率
优化船、机、桨的匹配是提高推进效率的主要途径。

常用的措施有:
(1) 在可能的条件下，增加螺旋桨的直径；
(2) 降低螺旋桨的转速；
(3) 采用可调螺距桨；
(4) 优化设计螺旋桨，使船、机、桨的匹配最佳；
(5) 采用船体附件(如导流管等)；
(6) 减少螺旋桨的粗糙度。

4 营运节能
通过研究和实践，技术节能有效降低船舶燃油消耗，已被大家所认同，并已广泛应用在船舶节能工作中。

近年来，随着燃油成本压力的持续增加，如何在原有基础上进一步挖掘潜力，营运节能越来越被航运企业所重视和应用。

船舶营运节能可以从以下几个方面研究：
尽量使用经济航速。

燃油的消耗量与航速的关系并不是一般的线性比例关系。

一般来说，航速的变化与主机功率及燃油消耗量呈三次方关系，降低航速，可使主机消耗功率大大减少。

但降低航速会导致其他费用的增加，因此，应按优化原则确定经济航速，以获得节能和最佳经济效益。

不断优化航线。

在航行中，特别是远洋航行，航线的优劣对提高经济效益有重大的影响。

科学、经济的航线，可以有效降低燃油成本。

因此航运公司在布局航线时，要统筹考虑航道特点、所投船舶的适航能力、海洋水文、气象条件、货流情况，尽可能优化运输路线，缩短航
距。

船舶在保证安全、遵循航道规则的前提下尽可能提高行船技术，走经济航线，减少不必要绕航。

利用风力资源，采用风帆助航是船舶节能的另一条途径[10]。

随着电子计算机和自动化技术的发展，用计算机自动控制风帆的操纵及风帆与动力装置的优化配合已经成为现实，为风帆船的发展提供了有力的支持。

上世纪80年代，日本建造的“新爱德丸”风帆油船是世界上第一艘实现非人工操帆的风帆船，该船投入营运以来，取得了节省燃料费50% 的目标。

我国近年来所研制的风帆船，也已取得了初步的成果。

5 结论
从上面的分析可知，节能措施是很多的，如何节能要根据实际情况选择，以便达到最佳节能效果。