最新船舶節能設備概覽

沈蘇雯

節能設備的研發一直是航運業的熱點之一，特別是面對歷史罕見的市場低迷和油價高企局面，船舶節能設備不僅可以降低船舶能耗，節省燃料費用，還可減少環境污染，獲得經濟和環保雙贏。總體來看，目前常見的節能設備根據節能效果和方式不同大致可以歸納為三大類，減少船舶阻力型、提高推進效率型和改善廢熱回收型。

減少阻力型

船舶消耗的燃料大部分都花費在與航行阻力的抗爭中，這些阻力包括空氣阻力、興波阻力和海水摩擦阻力，如果能減少這些阻力，則可有效改善能效。減少空氣阻力方面常用的手段是設計具有減阻效果的上層建筑和獨特船型，而減少興波阻力和摩擦阻力多依靠節能設備來實現。

1、破浪板（STEP）

在減少興波阻力的方面，這一類節能設備比較常規的都是在船體上加裝一些小配件，達到減小興波阻力減少能耗的效果，近年來也誕生了一些值得注目的新產品。

日本內海造船于2011年1月14日發表了一項用于汽車運輸船的新型節能裝置“破浪板“（Spray Tearing Plate）。該裝置為板狀，安裝于船首吃水線上，可抑制興波阻力帶來的船速下降，達到改善燃料效率的目的。

興波阻力大小并不僅取決于船舶水線以下的形狀，水線上的形狀也有很大的關系。經研究發現，要使興波阻力較小，船首水線以上的形狀也要較小。為了減少興波阻力而改良水線以上形狀達到減少能耗的目的，研究人員在水線以上船首部分加裝了長5米左右的附加物，這是一種比較簡便的改良方法。破浪板的設計原理是將沿著船首水線以上流動的波浪向船寬方向分流，改變波浪行進能量，同時在波面上升時破壞波，減少波浪對船體作用的阻力。如此一來，可減少在船首部產生的由于波浪反射引起的阻力。

圖1 破浪板示意圖

通過水池試驗證明，與普通船舶相比，采用“破浪板”在規則波中船舶可降低18%的阻力，燃料效率在BF6級風力條件下（風速12.6m/s，波高3m）可提高約2%。

圖2 安裝破浪板的船舶示意圖

2、空氣潤滑系統

所謂空氣潤滑系統，是從船底吹出空氣，在海水和船底之間形成細密氣泡，以減少摩擦阻力的一種技術。這種技術不光能夠節省能耗，還能有效減少二氧化碳排放量。

對于肥大型船舶來說，海水與船底的摩擦阻力占據了船舶總體阻力中比較大的部分，減少了這部分阻力則對減排和節能收益都很大，而且肥大型船舶的船底多平面，易于安裝空氣潤滑設備。特別對于淺吃水的船舶來說，出氣口受到的水壓阻力較小，比起吃水深的船舶更容易將空氣送出去，增設空氣系統帶來的能耗增加較小，空氣層也比較易于駐留在船底。因此空氣潤滑系統最適合的船型是肥大型淺吃水船舶。

空氣潤滑系統目前有鼓風機送氣模式和利用主機助燃風送氣模式2個類型。

鼓風機送氣模式的空氣潤滑系統主要由2臺鼓風機，2臺消音器（吸氣、排氣處各一臺），1組冷風機，15根空氣配管組成。

圖3 鼓風機送氣模式的空氣潤滑系統

日本郵船及旗下日之出郵船與三菱重工共同開發一款船底空氣潤滑系統“MALS”便是代表。該系統已裝載至渡船上應用，實證可節省5%以上的能耗。該系統是使用鼓風機將加壓的空氣送入船底，配合航行速度和航行狀態，在船底形成均勻的一層細微的空氣層，達到減少船底摩擦阻力的目的。值得注意的是MALS系統對于方形系數較小的高速窄瘦型船舶在節省燃料和減輕環境負荷方面也有較好的效果。

這艘裝載空氣潤滑系統的渡船總長145米，寬24米，吃水6.2米，8072總噸。MALS系統使用鼓風機從船底吹出空氣形成細小的空氣泡，在船底形成地毯式覆蓋層，可在航行時有效減少船體阻力。該系統最初在2010年時安裝在重貨運輸船“YAMATAI”號和“YAMATO”號上，展現了優秀的節能效果。后來為了擴大這項技術的適用范圍，選取了高速、窄瘦型船舶為研究對象，此類船舶的船底平面部分很少，搭載該系統從技術上來說比較困難。

經過海上航速試驗，實證在波高2.5 ～3米的惡劣條件下可減少5%的燃費，即使是高速窄瘦型船舶也可有效減少摩擦阻力。并且由于船底空氣層還起到了氣墊效果，有效減少了振動和噪音，乘船體驗也得到了改善。

另一種形式的空氣潤滑系統是日本郵船與大島造船廠共同開發的，對擁有排氣旁通管的主機設備，將主機的助燃風從主發動機的渦輪增壓機中抽出，引至船底形成空氣層。近年來隨著增壓機的高效率化，主機所使用的助燃風有富余的部分，正是利用這部分為空氣潤滑系統作貢獻。

圖4 “雙洋”號煤炭運輸船效果圖

這套系統已搭載到“雙洋”號煤炭運輸船，該船總長235米，寬43米，滿載吃水12.981米，50872總噸。該船與吃水較淺的“YAMATAI”號不同，是吃水較深的船舶。

“雙洋”號的這套空氣潤滑系統根據主機負荷不同，有2套控制方案。

a.壓載狀態：用單臺鼓風機或者使用助燃風+鼓風機運轉。

b.滿載狀態：使用助燃風或者助燃風+增壓助推運轉。

圖5 “雙洋”號空氣潤滑系統壓載狀態工作圖

圖6 “雙洋”號空氣潤滑系統滿載狀態工作圖

a模式中，在壓載吃水時空氣潤滑系統減少的摩擦阻力收益大于空氣系統消耗的能量，因此采用助燃風+鼓風機并用模式。b模式中空氣潤滑系統消耗的能量有所增加，只用排氣增壓無法送出空氣的情況下，使用鼓風機輔助增壓送出空氣。

此外，節能效果受空氣層厚度影響，研究人員曾做過模型船試驗，當時的實驗結果是空氣層為7mm時節能效果為12%，5mm時為10%，3mm時為8%，基本是正弦分布。

提高推進效率型

超級導流管（SSD）和半圓形導流管等補償導管一直是VLCC、散貨船之類大型船舶船尾常用的節能裝置，他們能回收船尾伴流并轉化為動力以節省燃費。而如果在螺旋槳后方加設名為“SURF-BULB”的裝置，可以更進一步減少燃費。

SURF-BULB可以回收推進過程中在螺旋槳后方產生的回流能量，并將其轉化為推進力，可以減少3 ～5%的燃費消耗。在VLCC、散貨船等肥大型船舶中，與安裝在螺旋槳前端的節能導管一起使用，節能效果更好。

圖7 SSD+SURF-BULB

還有一種常見設備就是對轉螺旋槳。這種螺旋槳是在同一軸上前后安裝了一對反向旋轉的螺旋槳，前一個螺旋槳產生的回流損失可以被后一個螺旋槳所吸收，轉化為推進力，提高推進性能。現在該裝置多用于VLCC、散貨船和電力推進船中，除了降低燃料費用外，還有降低CO2、NOx，SOx等廢氣排放，減輕環境負荷的效果。另外，螺旋槳后的中心部位水流紊亂并伴有漩渦，為了減少這部分的能量損失，如在舵的前端螺旋槳槳帽相對位置處設置舵球，則可改善螺旋槳后的尾流，減少槳后旋轉尾流損失。

圖8 對轉螺旋槳+半圓形導流管+舵球

此外還有一種新型設備值得注目。消渦鰭（PBCF）是商船三井開發的一種船舶推進器水動力節能裝置，它在螺旋槳轂帽上增設與螺旋槳葉數相同的小葉片，以消除螺旋槳轂渦能量為目的。它可以減少螺旋槳的尾部氣泡，降低空泡效應，從而改善水動力性能，提高推進效率，而且投入較小，回報較快。

通過近2000艘的實船安裝和近100艘的實船檢測，PBCF可增強3%的軸扭矩，1%的軸推力，5%的節能效果（等于增加了2%航速），同時還有效降低了船尾震動和水下噪音，改善了舵的損耗。

圖10 未安裝PBCF和安裝PBCF的螺旋槳

圖11 安裝了PBCF的船舶節能效果

回收廢熱型

商船三井開發了一款高效率的廢熱回收系統。該系統除了已確認將搭載在該集團“ISHIN”系列環保船的第三艘上之外，還搭載到了2014年6月完工的大型散貨船“AZUL BRISA”上。該系統已完成海試，確認能夠減少5%的燃費消耗。

該系統的工作原理簡單來說，將主機排放的廢氣，由增壓器和渦輪機組合而成的渦輪發電機組回收再發電。這些電力不僅將提供船內使用，還可用于船舶推進，從而減少燃料費用。

圖12 高效廢熱回收系統工作圖

目前，上述的三類節能設備廣泛用于各類船舶中，它們各自優良的節能效果已為航運界有效減少了可觀的燃料消耗。當然節能手段不僅限于此，其他諸如船底超光滑涂料、一些燃料添加劑，甚至還有節能航運管理系統等技術的開發和應用，都在從各個角度為節能這個命題貢獻力量。隨著船舶能效設計指數（EEDI）在2013年1月1日正式生效，提高船舶能效指標、研發低碳型船舶成為當前船舶界的當務之急。只有綜合利用多種節能技術，不斷研究改進新的節能技術，才能大幅度節省船舶燃料費用，有效地降低船舶對環境造成的污染。