節能減排背景下船舶綠色引航方法探索

王明世 周雪松

一、引言

建設美麗中國是2012年中共十八大提出的戰略部署，并被納入“十三五”和“十四五”規劃，其首要任務就是推進綠色發展，建立健全綠色低碳循環發展的經濟體系。交通運輸部于2015年印發了《船舶與港口污染防治專項行動實施方案（2015—2020年）》和《珠三角、長三角、環渤海（京津冀）水域船舶排放控制區實施方案》，開始分區域、分階段實施船舶排放控制；于2017年發布了《關于推進長江經濟帶綠色航運發展的指導意見》，以綠色航道、綠色港口、綠色船舶、綠色運輸組織方式為抓手，促進航運綠色循環低碳發展；于2019年發布了《2020年全球船用燃油限硫令實施方案》，以確保全球限硫令在我國有效實施。

水路運輸與其他運輸方式相比雖然有“碳效率”最佳的優點，但由于約90%的世界貿易通過海運完成，所以其總量非常大。近期，由國際海事組織（IMO）撰寫的一份報告指出，全球航運業CO2排放量已從2012年的9.62億t增長到2018年的10.56億t，所占份額從2.76%上升到2.89%，而且由于船用燃料質量較差，排放的含硫、含氮和顆粒污染物較多，產生的負外部性——生態污染和碳排放問題已備受國際社會重視。IMO于2020年1月1日起實施全球船用燃油限硫規定。隨著航運業低碳、低硫政策的持續收緊，以及IMO節能減排戰略的提出，“綠色航運、綠色港口”逐漸成為港航企業未來核心競爭力的重點內容之一。

船舶引航（以下簡稱引航）作為船舶進出港的重要環節，是航運的起點和終點，引航作業在綠色港口建設過程中，特別是在降低船舶在港口水域活動的排放方面能夠發揮重要的作用。因此，在引航生產中探索節能減排措施、倡導綠色引航有著重要的意義。

二、引航生產鏈主要能耗排放及能效影響因素識別

（一）引航接送

引航接送作業中的時間、地點、交通船艇類型和交通船艇的主機功率等都將直接影響排放總量。

（二）引航計劃

引航計劃包括引航員登船時間、編隊次序、靠離泊時間和方式以及拖輪使用計劃等，例如登船時間、富余水深、交通流編隊的合理性、順流還是頂流航行、靠離泊是否需要掉頭、是否需要拖輪伴航和協助靠離泊等，都將直接影響排放總量。

（三）航行過程

港內船舶通航密度大，航道復雜局面頻出，經常需要加減車和施舵來避讓，急加減車或大角度施舵都會增加油耗和排放。所以航行過程中通航密度、航速控制、航速分配和用車習慣等都是影響能效和排放的因素，其中航速控制、航速分配和用車習慣大部分決定于引航員的技術水平。船舶燃料分重油和輕油，為降低成本，船舶在海上航行時基本都采用質量較差、價格低廉的重油，其含有較多的水分、灰分和硫化物等雜質，燃燒后排放的含硫、含氮和顆粒污染物較多，而含硫化物和顆粒物低的輕油燃燒后污染物相對較少。所以船舶的燃油質量將直接影響排放污染物的量。

（四）靠離泊過程

船舶引航中尤其是在靠離泊之前，岸基支持很重要。如果信息不及時，船舶靠泊時離泊船延期將造成靠泊船過久滯航在主航道上，影響本船及周邊船舶的能效；靠離泊時船舶與碼頭工作人員的配合是否默契將影響靠離泊效率；有沒有側推器，以及拖輪如何使用將直接影響排放。優秀的引航員在引導船舶靠離泊時，合理采用靠泊角度、系解纜順序，有效利用潮汐和風動力，操縱流暢，可以減少用車、拖輪或側推器的次數和時長，可見引航技術水平與節能減排和能效提升息息相關。

綜上所述，船舶引航生產過程中的能效影響因素如圖1所示。

圖1 引航生產能效影響因素示意圖

三、綠色引航方法分析

（一）總原則與實施策略

1.總原則

綠色引航固然重要，但引航的基本目的是為了切實執行港口規章制度并保障港航安全，如果因為一味實施節能減排而引發事故甚至造成環境污染，那么后果不堪設想，所以切忌為節能減排而影響安全或違章操作，綠色引航必須建立在安全和符合規定的前提條件下。

2.綠色引航意識

綠色引航不屬于強制范疇，只有當相關人員提高綠色意識后能自發地實施，才能從根本上取得成效，所以必須提高相關人員的綠色引航意識。

3.綠色引航技術

沒有優秀的綠色引航技術，就沒有綠色引航的立身之地，所以總結綠色引航技術并研究新的操作方法勢在必行。

（二）引航接送作業

據了解，國內引航機構主要利用引航艇和拖輪兩種方式接送引航員。經測算，假設拖輪功率為2 844 kW，引航艇功率為896 kW，以實際耗油拖輪按平均功率的60%、引航艇按平均功率90%計算來比對，可獲知拖輪的每小時油耗是引航艇的4.06倍[1]。僅從節能減排的角度看，顯然采用引航艇是最優選擇。

（三）引航計劃

1.富余水深

船舶在港口水域內航行時，由于水域寬度和水深受限，會產生黏性阻力和興波阻力為主的淺水效應[2]。阻力增大，與深水航行相比保持同樣的速度將增加油耗和排放，所以安排引航計劃時，船舶需要留有合理的富余水深。

2.潮汐港

國內部分港口屬于潮汐港，潮汐周期性產生的潮流將影響船舶的航速，顯而易見，逆流航行時船舶需要克服潮流流速，順流航行可以增加船舶航速提高能效。

3.靠離泊方式

船舶進港后一般都由原航路出港，在碼頭邊掉頭是必不可少的行為，那么進港掉頭靠泊和離泊掉頭出港中，哪種方式更減少總排放呢？由于碼頭邊水域受限，進港掉頭靠泊需要頻繁使用車舵、側推器和拖輪協助才能完成，離泊掉頭出港時可以利用纜繩的受力、絞錨（靠泊時已拋下外擋錨）以及內舷受流的作用力，使船舶在泊位邊轉出一個大的角度，以減少車舵、側推器和拖輪的使用。所以從單船航次總能耗來看，“進港（不掉頭）直接靠泊、出港離泊時掉頭”是優選方案。

4.集中進港時船舶編隊

沈建華的《基于引航操作計劃優化的港口水域船舶節能減排措施研究》中利用遺傳算法建模優化上海港北槽集中進港編隊，找出了船隊總能耗最小的進港計劃編制原則，經測算，優化后的船舶編隊總能效提升水平達16.4%[3]。

（四）船舶航行

1.港內“燃料選擇”

交通運輸部發布的《2020年全球船用燃油限硫令實施方案》明確自2020年1月1日起，船舶在我國管轄水域不得使用含硫量超過0.5%m/m的燃油。為減少船舶污染物在港口的排放，引航員最好能督促船方使用低硫合規輕油。

2.航速分配

一般認為船舶對水速度大小與船舶瞬時能耗成立方關系[2]。在變速航行過程中，高航速航行與平均航速相比能耗的增加量，將大于低速航行時與平均航速相比能耗的減少量，使總航程相等的情況下變速航行的總能耗大于勻速航行。所以應在安全受控的前提下，盡量保持或接近勻速航行。

3.主機操作

由常用數據可知，船舶廢氣排放與船舶主機油耗成正比，同時燃燒越充分，廢氣排放越少。船舶主機在加速和啟動時，主機噴油率突然大幅增加導致燃燒不充分，而且會增大船速的滑失比[2]。主機頻繁啟動，在導致主機噴油率增大的同時消耗大量的壓縮空氣，造成額外的能量消耗，因此，在保持安全的前提下，應盡量避免主機頻繁啟停。

（五）船舶靠離泊

1.側推器與拖輪的選擇

據上海港引航站與上海海事大學聯合開展的“基于減排和能效目標的智能化引航決策系統”研究測算，在船速為0 kn時，同樣有效輸出功率398 kW/h，側推器油耗199 kg/h，拖輪油耗388 kg/h，側推器比拖輪單位時間節省油耗48.7%。另外，由于側推器更接近大船的船首，因此在作用力大小相等的情況下使用側推器可以獲得更大的轉船力矩，所以應優先使用側推器。

2.拖輪與被引船動車舵的選擇

一般來說，大船主機功率遠大于拖輪的主機功率，而且大船主機重新啟動需要消耗壓縮空氣，而拖輪是全回轉型，主機一直運轉不需要重啟，所以在有協助拖輪的情況下，應優先使用拖輪，盡量少用車舵來獲取船舶橫移力。

3.用拖輪頂還是拖的選擇

拖輪協助靠離泊時，由于用拖的方式其有效力僅限于水平分力，受拖纜仰角影響較大，但用頂的方式其有效分力將大大增加。故在可拖可頂的時候首選頂的方式。

4.拖輪帶纜位置和纜長的選擇

將拖力沿豎直方向和水平方向分解，其有效拖力就是水平分力，這個分力產生轉船力矩。為了充分發揮拖輪的有效拖力，拖纜的仰角應當盡可能小，一般應小于15°，拖輪協助時帶纜的位置應盡量遠離船舶轉心位置，以增大力臂，獲得最大轉船力矩[2]。由于靠離泊時拖輪帶纜后有時拖有時頂，如果拖纜太長可能導致頂與拖切換的時間較長，所以拖纜的具體使用長度應根據現場情況來決定。

5.拖輪協助時大船的控速

研究表明拖輪協助大船掉頭時，大船對水速度越低效果越明顯，當船速超過極限速度（約5 kn）時，使用拖輪可能失效[2]，所以在拖輪協助時，大船要降速以配合拖輪，提高能效。

（六）岸基支持和多方協作

（1）要想做好船舶引航作業中的岸基支持，引航監控不可或缺，引航調度員要通過引航監控系統隨時掌握進出港船舶的動態，并加強與港區碼頭的溝通，遇到與計劃不符的情況時，在第一時間里通知相關引航員、拖輪公司和碼頭，以使引航員能及早控制好航速或擇地拋錨等候，不使輔助拖輪來回空駛，使碼頭能及時做好船舶靠離泊準備。

（2）引航機構要高度重視靠離泊時的多方協作，在靠離泊前引航員要與拖輪和碼頭管理員確定好對講機頻道，指令簡單明了，實施方操作后要及時回復，提高效率。

四、踐行綠色引航的建議

（一）踐行綠色引航的總原則與實施策略

（1）建議堅持“安全第一、遵章守紀”并倡導“節能減排、綠色引航”的總原則。

（2）加強綠色引航意識培養。建議各引航機構向引航員和引航調度員宣傳在符合規定、保障安全生產的前提下節能減排，實施綠色引航。

（3）積極開展綠色引航技術的研究和推廣。建議各引航機構總結符合各自港口特點的綠色引航技術，引航協會可以組織研究綠色引航新技術，并積極推廣。

（二）推薦采用引航艇接送

盡量采用引航艇接送引航員，避免單獨使用拖輪接送，除非在被引船需要拖輪護航時順便接送引航員或大風浪接送作業。

（三）優化引航計劃

（1）引航調度員制訂引航計劃時，最好根據規章制度、安全和節能減排因素綜合考慮，保持船舶合理富余水深，潮汐港盡量安排船舶順流航行，進港不掉頭直接靠泊，出港時離泊掉頭。如上海港散貨和雜貨船盡量安排順流航行，進港時優先選擇順流進口、初落流靠泊，其次是順流進口、掉頭靠泊；出港時優先選擇初落流離泊，其次是高潮離泊。

（2）可以利用遺傳算法模擬集中進港計劃編隊，以便找出整體能效最優的編隊方法。

（四）船舶航行時的建議

建議引航員參與“燃料選擇”行動，港內航行時督促船方換用低硫合規輕油。在保障安全和遵守規章的前提下，盡可能均勻分配航速，避免船舶主機頻繁啟?；蚣訙p車。

（五）船舶靠離泊時的建議

在安全有保障的情況下，盡可能避免頻繁啟停車，優先利用風流和錨自行靠離，其次是配有側推器的可以利用側推器，最后再考慮利用拖輪協助；有側推器或有拖輪協助時少用車舵獲取橫向力；在拖輪協助掉頭時優先使用頂；拖輪帶纜位置盡量遠離船舶轉心，拖纜長度適度，大船速度盡量降低，以便更好地使拖輪發揮作用、提高能效。

（六）加強岸基支持和多方協作

（1）建立引航監控系統和相關規定，發生異常情況時調度員要及時與碼頭和引航員進行溝通。

（2）建立引航員與碼頭現場管理員及拖輪之間的靠離泊溝通制度，使現場信息溝通順暢。

五、結語

面對能源緊張、環境污染嚴重、生態系統退化的嚴峻現狀，保護地球生態、建設美麗中國是關系人類福祉、民族未來和各行業生存發展的大事。引航界從自身視角提出船舶綠色引航的理念，思考有益環境保護和節能減排的方法，提出一些切實可行的有效建議，以期通過行業行為的改善和約束，達到服務綠色航運、服務綠色港口的目的，為我國“碳達峰”和“碳中和”承諾的早日實現提供行業的最大努力。