面向綠色航運(yùn)的綠色船舶設(shè)計(jì)

程慧勇

（新世紀(jì)船舶設(shè)計(jì)研發(fā)（上海）有限公司，上海 201203）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)重。人們在享受以環(huán)境污染為代價(jià)的經(jīng)濟(jì)紅利的同時(shí)，氣候變暖、酸雨等現(xiàn)象也反過來制約了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類生活品質(zhì)的提升。作為全球最重要的貨物運(yùn)輸途徑，船舶運(yùn)輸對環(huán)境造成的污染也越來越受到人們的關(guān)注。船舶在航行過程中，不但排放出大量的碳氧化物、硫氧化物和氮氧化物等有害物質(zhì)，對空氣造成污染，而且船舶排放的廢水和壓載水也會對海洋生態(tài)環(huán)境造成一定程度的破壞。嚴(yán)格限制船舶污染物的排放，降低船舶營運(yùn)對環(huán)境造成的污染迫在眉睫。設(shè)計(jì)節(jié)能減排、環(huán)境友好的綠色船舶，可以有效地控制船舶污染物的排放。因此，從船舶設(shè)計(jì)研發(fā)入手，結(jié)合先進(jìn)的技術(shù)，開發(fā)出節(jié)能降耗、環(huán)境友好的綠色船舶，對實(shí)現(xiàn)綠色航運(yùn)具有非常重要的意義。

1 綠色船舶設(shè)計(jì)的理念

根據(jù)中國船級社《綠色船舶規(guī)范（2015）》的闡述，綠色船舶系采用相對先進(jìn)技術(shù)，在其生命周期內(nèi)能安全地滿足其預(yù)定功能和性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高能源使用效率、減少或消除環(huán)境污染，并對操作和使用人員具有良好保護(hù)的船舶[1]。從以上對綠色船舶的描述來看，節(jié)能降耗和保護(hù)環(huán)境是綠色船舶的最終目標(biāo)。為了達(dá)到船舶整個(gè)生命周期內(nèi)綠色環(huán)保的目標(biāo)，必須在最初的船舶研發(fā)設(shè)計(jì)階段就將先進(jìn)的技術(shù)充分消化并融合，以便最大限度地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的綠色化。

2 綠色船舶設(shè)計(jì)的方向

隨著國際社會對船舶污染問題的逐漸重視，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）針對船舶污染問題的公約和標(biāo)準(zhǔn)也在不斷推陳出新[2]。為了推動新造船舶在設(shè)計(jì)階段充分應(yīng)用節(jié)能減排技術(shù)，確保船舶能夠達(dá)到較高的能效水平，IMO推出了旨在衡量船舶能效水平指標(biāo)的能效設(shè)計(jì)指數(shù)（Energy Efficiency Design Index，EEDI），并于2013年1月1日生效。采用船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)，就是要求設(shè)計(jì)人員在船舶設(shè)計(jì)階段考慮提高船舶運(yùn)輸量的同時(shí)，也需通過各種手段降低CO2的排放。在2018年4月結(jié)束的IMO海上環(huán)境保護(hù)委員會第72屆會議（MEPC72）上通過了溫室氣體減排的初步戰(zhàn)略。該戰(zhàn)略要求到 2030年，每次國際海運(yùn)的CO2排放量較2008年至少平均降低40%，到2050年至少平均降低70%。為了達(dá)到這一戰(zhàn)略目標(biāo)，IMO鼓勵開發(fā)和采用先進(jìn)的技術(shù)以推動船舶節(jié)能減排。此外，相繼出臺的硫氧化物及氮氧化物排放限制、壓載水管理公約、拆船公約等涉及綠色船舶的規(guī)范，都對船舶設(shè)計(jì)的綠色化提出了較高的要求。

由此可見，在未來的10年甚至更長的時(shí)間里，研發(fā)設(shè)計(jì)節(jié)能減排的綠色船型并充分融合新能源技術(shù)將成為船舶設(shè)計(jì)的主旋律，而多種能源綜合利用、進(jìn)一步促進(jìn)船舶綠色化將是未來綠色船舶設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

3 綠色船舶設(shè)計(jì)解決方案

3.1 船舶減阻設(shè)計(jì)

3.1.1 減阻型上層建筑

在常規(guī)的船舶設(shè)計(jì)流程中，為了滿足船員工作和生活的需求，上層建筑一般會設(shè)計(jì)得較寬。但是較寬的上層建筑會使船舶受到的正面風(fēng)阻也較大，為了保證一定的航速，船舶的油耗就會相應(yīng)增加。

為了降低船舶上層建筑的風(fēng)阻，研究人員進(jìn)行了大量的嘗試。其中，日本郵船和日本常石造船聯(lián)合開發(fā)的一種減阻型船舶上層建筑（見圖1），改變了常規(guī)居住區(qū)的布置模式，最大限度地減小了船舶上層建筑的正向受風(fēng)面積，并將上層建筑前部做削斜處理，進(jìn)一步降低了風(fēng)阻。同時(shí)，考慮到這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致橋樓側(cè)翼和側(cè)翼下方支撐柱的受風(fēng)面積約占整個(gè)上層建筑受風(fēng)面積的30%，為了減少這部分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)阻，研究人員在船舶橋樓側(cè)翼正面的梁翼及支撐柱正面加裝了特殊結(jié)構(gòu)，使橋樓側(cè)翼和側(cè)翼下方支撐柱都形成傾側(cè)的形狀，以減小正面風(fēng)阻。

圖1 減阻型上層建筑

利用模型進(jìn)行的風(fēng)力測試表明，該設(shè)計(jì)可減少約10%的風(fēng)阻。在航速不變的情況下，節(jié)能效果明顯。如果將這一技術(shù)應(yīng)用到一艘18萬噸散貨船上，預(yù)計(jì)每年可減少520 t的CO2排放，一定程度上達(dá)到了減排目的。

3.1.2 扭曲舵

舵葉一般布置在螺旋槳尾流范圍內(nèi)，螺旋槳產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)流場對舵葉上不同位置所產(chǎn)生誘導(dǎo)速度的大小和方向是不同的，但普通舵葉在設(shè)計(jì)時(shí)一般不考慮這一因素。這就導(dǎo)致舵葉在零舵角時(shí)，各截面仍然具有一定的攻角，會對船舶航行產(chǎn)生一定的阻力。

扭曲舵是一種特殊的懸掛舵系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于集裝箱船上。它的設(shè)計(jì)原理是根據(jù)螺旋槳尾流的方向，將舵的各個(gè)截面扭轉(zhuǎn)一定的角度，使舵各截面相對于來流的攻角為 0°，以此來減少阻力，在一定程度上提高推進(jìn)效率。研究表明，扭曲舵的節(jié)能效果約為2%～3%，具有明顯的節(jié)能降耗的效果。

3.1.3 最佳縱傾

最佳縱傾是 IMO推薦的一項(xiàng)重要的船舶節(jié)能減排措施。船舶在裝載不變的情況下，通過調(diào)整壓載水來調(diào)整船舶縱傾，改善船舶首尾流場，降低船舶航行中產(chǎn)生的阻力以提高其推進(jìn)效率，使船舶處于最佳航行狀態(tài)。研究表明，不同船型的船舶在不同吃水和不同航速下都會對應(yīng)一個(gè)最佳縱傾狀態(tài)。如采用CCS開發(fā)的“船舶最佳縱傾優(yōu)化（OTA）系統(tǒng)”，船舶全年可有效節(jié)能約5.7%～11.8%，平均綜合節(jié)能約8%，節(jié)能效果顯著[3]。

3.1.4 線型優(yōu)化

對于艏部線型，可將球鼻艏優(yōu)化為直立船艏。傳統(tǒng)的球鼻艏只能在設(shè)計(jì)的航速上產(chǎn)生正效應(yīng)，而直立船艏線型設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的球鼻艏線型相比，兼顧了傳統(tǒng)球鼻艏的整流和消波作用，使船舶在滿載和壓載狀態(tài)下均具有較好的耐波性。艏部線性優(yōu)化后，在增加船舶載重量的同時(shí)，可有效降低船舶在靜水和波浪中的航行阻力，提高約3%的航速。

對于方型系數(shù)較大的船舶，艉部線型設(shè)計(jì)應(yīng)考慮其對推進(jìn)性能的影響，延長去流段的長度，減小去流角，從而減小舭渦和艉部流線分離的現(xiàn)象；在提高槳盤面處伴流的均勻度的同時(shí)，推進(jìn)效率也相應(yīng)地得到了提高。如果優(yōu)化艉部線型的同時(shí)對螺旋槳進(jìn)行優(yōu)化匹配，甚至可以提高10%～20%的推進(jìn)效率。

3.1.5 氣泡減阻

氣泡減阻的工作原理是把空氣引入船舶底部，在船舶底部形成氣泡層，以減小船體的摩擦阻力，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。三菱重工與日本郵船合作研發(fā)出一種船底噴射氣泡的技術(shù)，通過向船底噴射氣體產(chǎn)生氣泡，以減少摩擦阻力，并在一艘半潛船上安裝了這一空氣潤滑系統(tǒng)。經(jīng)驗(yàn)證，這一系統(tǒng)可減少航行過程中10%的二氧化碳排放量[4]。

研究顯示，船舶在相同航速、相同噸位、航速不變的情況下，使用氣泡減阻技術(shù)可以節(jié)省約20%的燃油，節(jié)能效果顯著。但由于該項(xiàng)技術(shù)目前還處于研發(fā)階段，暫不具備推廣應(yīng)用的條件。但隨著氣泡減阻技術(shù)的日趨成熟，這項(xiàng)技術(shù)無疑會在船舶節(jié)能降耗方面發(fā)揮巨大的作用。

3.2 船舶減排設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步提高船舶設(shè)計(jì)的綠色化程度，除了對船體本身進(jìn)行的優(yōu)化外，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)熟悉已生效或即將生效的相關(guān)綠色規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以市場為根本，研發(fā)滿足規(guī)范和市場需求的綠色船型。

3.2.1 LNG動力船舶

LNG（Liquefied Natural Gas，液化天然氣）的主要成分是甲烷，作為清潔能源，LNG越來越受青睞。使用LNG作為船舶的動力燃料，基本上不會產(chǎn)生顆粒物的排放，且與重燃油相比，可以減少高達(dá)90%～95%的SOx、80%左右的NOx和20%～25%的CO2排放，同時(shí)還可提高約30%的燃燒效率[2]。由于建造LNG船舶的成本較使用重燃油的船舶高20%左右，且回收周期較長，一定程度上制約了LNG船舶的發(fā)展。但為了應(yīng)對2020年即將生效的全球限硫令，很多國家和地區(qū)都加大了 LNG燃料的推廣，對以LNG為燃料的船舶給予了各種優(yōu)惠政策和補(bǔ)貼措施。據(jù) DNV GL（Det Norske Veritas-Germanischer Lloyd，挪威船級社）預(yù)測，到2020年全球以 LNG為燃料的新造船將達(dá)到約400～600艘。在IMO溫室氣體減排初步戰(zhàn)略的推動下，LNG在未來全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中將發(fā)揮越來越重要的作用。因此，以LNG為燃料的船舶將是今后若干年內(nèi)重點(diǎn)開發(fā)的綠色船型。

3.2.2 廢氣洗滌器

廢氣洗滌器是一種煙氣后處理技術(shù)，可以除去廢氣中98%的SOx和80%微塵顆粒[5]，具有較好的減排效果。廢氣洗滌器主要有開式、閉式和混合式3種。根據(jù)廢氣凈化系統(tǒng)協(xié)會（EGCSA）對其成員的調(diào)查數(shù)據(jù)可知，截至2018年5月底，已經(jīng)有近千艘船舶選擇安裝廢氣洗滌器。由于開式洗滌器最便宜，考慮到投資回報(bào)率的問題，已選擇安裝的廢氣洗滌中有約2/3為開式洗滌器。根據(jù)國際海事組織低硫燃油可獲得性評估報(bào)告中的預(yù)測，到2020年將有3 800艘船舶加裝廢氣洗滌器。所以，開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)考慮安裝廢氣洗滌器或預(yù)留了廢氣洗滌器安裝空間的船舶，在當(dāng)前船舶市場具有更大的競爭優(yōu)勢。

3.2.3 壓載水處理裝置

船舶在到港和離港時(shí)的排水量是不同的，為了保證航行安全，船員會根據(jù)船舶裝載狀態(tài)進(jìn)行壓載水裝載和排放。由于很多遠(yuǎn)洋船舶的離港和到港地在不同國家的水域，這就很容易引起微生物入侵和污染的問題，而且隨著國際貿(mào)易的增長，這種危險(xiǎn)日益增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年約有50億噸壓載水被搬運(yùn)，每天有3 000多種動植物隨壓載水被運(yùn)到世界各地海域，導(dǎo)致異地海洋生物入侵并大量繁殖，從而破壞當(dāng)?shù)睾Ｓ虻纳鷳B(tài)平衡。壓載水已經(jīng)被全球環(huán)保基金組織（GEF）列為世界海洋的四大污染源之一。

隨著《國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》的生效，作為一種海洋環(huán)境保護(hù)的主流技術(shù)，壓載水處理技術(shù)與裝置在國際相關(guān)環(huán)保公約逐步實(shí)施的大背景下取得了快速的發(fā)展[6]，壓載水處理裝置也已成為新開發(fā)綠色船型的標(biāo)準(zhǔn)配置。

3.2.4 岸電

除了航行時(shí)的污染物排放外，船舶在港時(shí)也需要通過發(fā)電機(jī)不間斷運(yùn)行，以維持船舶的正常用電需求。在此期間，大功率發(fā)電機(jī)需要消耗大量燃料，不但產(chǎn)生噪聲污染，也會產(chǎn)生大量的廢氣，造成港口城市的空氣污染。如果船舶改用港口提供的電源供電，就能夠停止使用船上的發(fā)電機(jī)，這些污染問題便可迎刃而解。

岸電是船舶在港時(shí)節(jié)能減排和降噪的有效途徑。經(jīng)測算表明，岸電技術(shù)可使船舶每次靠港減少95%的污染物排放。如果靠泊沿海港口的所有船舶都使用岸電，全球每年可以減少CO2排放量約1億噸，相當(dāng)于一個(gè)2 000萬人口國家一年的CO2排放量[7]。因此，開發(fā)具備接岸電功能的綠色船舶對節(jié)能減排具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會效益。

3.3 新能源技術(shù)的應(yīng)用

在進(jìn)行綠色船舶研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員不但要瞄準(zhǔn)成熟的技術(shù)，也需要在確保船舶安全的前提下，充分考慮新能源技術(shù)在新船型上的應(yīng)用，盡可能地提高船舶的節(jié)能減排水平。

3.3.1 風(fēng)帆技術(shù)

利用風(fēng)帆推動船舶航行曾是最古老的航海技術(shù)之一。隨著推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，這一技術(shù)在遠(yuǎn)洋船舶上逐漸被淘汰。然而，隨著科技的發(fā)展，用計(jì)算機(jī)自動控制風(fēng)帆的技術(shù)，為風(fēng)帆的再次應(yīng)用提供了有力的支持。

大連船舶重工建造的世界上第一艘機(jī)帆混合動力VLCC船就采用了風(fēng)帆技術(shù)（見圖2）。該船中部有2片風(fēng)帆，每片風(fēng)帆高39.68 m，寬14.8 m，由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、桅桿和帆翼等部分組成。在順風(fēng)時(shí)，風(fēng)帆將被張開到最大，以獲取最大的風(fēng)力；在逆風(fēng)或者風(fēng)力很小時(shí)，可以將風(fēng)帆降下，以減少阻力。安裝風(fēng)帆后，在相同航速指標(biāo)下，單船平均日油耗可降低至少12%。

圖2 應(yīng)用風(fēng)帆技術(shù)的VLCC

馬士基在其油輪Maersk Pelican號上，安裝了2臺芬蘭Norsepower公司制造的高30 m、直徑5 m的旋筒風(fēng)帆（見圖3）。當(dāng)旋筒在運(yùn)動的氣流中旋轉(zhuǎn)時(shí)，會使得一側(cè)的氣壓增大，另一側(cè)氣壓降低，從而產(chǎn)生一個(gè)垂直于氣流方向的力，這種現(xiàn)象稱為馬格納斯效應(yīng)（Magnus Effect）。通過調(diào)整旋筒的轉(zhuǎn)速，可以調(diào)整受力的大小和方向，從而產(chǎn)生向前的推力。利用這套裝置，船舶可以減少 7%～10%的燃料消耗。

圖3 旋筒風(fēng)帆

3.3.2 太陽能光伏

太陽能是公認(rèn)的清潔能源。太陽能船舶技術(shù)已發(fā)展成為最具節(jié)能減排潛力的綠色船舶技術(shù)之一。應(yīng)用太陽能光伏技術(shù)的船舶，通過在營運(yùn)中最大程度地利用光伏電能，可實(shí)現(xiàn)船舶在壽命周期內(nèi)燃油消耗量和溫室氣體排放量的顯著下降[8]。

日本郵船株式會社和日本石油公司聯(lián)合開發(fā)的“御夫座領(lǐng)袖”號貨船就是全球首個(gè)以太陽能為動力的大型貨船。該船首次大規(guī)模地以太陽能發(fā)電作為整個(gè)船舶的主電網(wǎng)。它利用328塊太陽能電池板來驅(qū)動推進(jìn)器、液壓設(shè)備和舵機(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這組太陽能電池陣列提供的電量可達(dá)該船總用電量的10%左右。隨著太陽能光伏技術(shù)的日趨成熟，這種無污染的綠色環(huán)保技術(shù)將大大提升船舶的節(jié)能減排水平。

3.3.3 燃料電池

燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置。燃料電池通常以氫、天然氣、丙烷和甲醇等為燃料，因此幾乎不排放氮或硫的氧化物。特別是以氫為能源的燃料電池，其排放物僅為水，可以稱得上零排放，無疑是綠色環(huán)保的清潔能源。

與普通船用柴油機(jī) 25%～40%的能效轉(zhuǎn)換率相比，燃料電池的能效轉(zhuǎn)換率在40%～60%[9]之間，節(jié)能效果明顯。另外，燃料電池在能量轉(zhuǎn)換時(shí)幾乎不產(chǎn)生噪音，大大提高了船員和乘客的乘坐舒適感，改善了船員的工作環(huán)境[9]。

目前為止，受技術(shù)和成本等方面的影響，燃料電池在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用還很有限。但隨著技術(shù)的不斷革新、成本的逐步下降，燃料電池以其低排放低噪音的優(yōu)勢，在船舶上的應(yīng)用范圍將逐步擴(kuò)大。

3.3.4 制動能量回收及存儲系統(tǒng)

制動能量回收是一種重要的節(jié)能技術(shù)。通常散貨船上配備的克令吊在碼頭卸貨時(shí)，克令吊將重力勢能通過制動系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿⑨尫拧６谝恍╇妱涌肆畹跎希@種被浪費(fèi)掉的能量可通過制動能量回收技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿Υ嬗谛铍姵刂校铱蛇M(jìn)一步轉(zhuǎn)化為驅(qū)動能量。當(dāng)克令吊啟動或加速，需要增大驅(qū)動力時(shí)，存儲的驅(qū)動能量可成為發(fā)動機(jī)的輔助動力。存儲在蓄電池中的多余電能也可供其它設(shè)備使用。因此，對船東而言，能量存儲是一筆重要的綠色投資。配合先進(jìn)的能量存儲系統(tǒng)對存儲的電能進(jìn)行智能化管理，可以最大化地提升能源使用效率、降低排放。因此，在研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，為船舶配備具有能量回收功能的克令吊并配以智能化能量存儲管理系統(tǒng)，將有助于提升船舶的綠色化水平。

4 結(jié)束語

為了改善人類賴以生存的環(huán)境，世界各國都在積極謀求綠色低碳的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。中國也在全力推進(jìn)各行業(yè)的綠色低碳行動，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與社會的和諧發(fā)展。對于航運(yùn)業(yè)來說，推動航運(yùn)經(jīng)濟(jì)向綠色低碳轉(zhuǎn)型將是航運(yùn)業(yè)未來發(fā)展的方向。因此，船舶研發(fā)部門必須從市場需求的角度出發(fā)，從技術(shù)可行性角度去分析和研究，結(jié)合最新的綠色船舶設(shè)計(jì)理念，開發(fā)出滿足市場需求的綠色船舶，努力實(shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)的綠色、可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。