提高船舶能效的因素探讨
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摘 要：本文对影响船舶能效的航速、船型、动力和推进系统及节能附体装置进行分析，对船型可选的提高能效的方案进行探讨。
船舶作为交通运输中重要的水上载运工具，承担着国内和国际间贸易运输，每年消耗大量燃油。提高船舶能效，降低能源消耗势在必行。本文从航速、船型、动力和推进系统及节能附体装置四个方面，分析了影响船舶能效提高的因素，对船型节能优化方案进行了讨论。
1.航速
船舶的航行速度，受到的影响因素较多。考虑主要的因素，获得节能航速。船舶每年预期的运输货物量和燃料消耗量，两个变量一定的情况下，通过指标分析，如必要运费率的计算（RFR）分析，可以得到船舶的节能航速。在进行RFR分析时，选取的参数包括满足货物运输需求船舶的装载量，初始投资成本和运营成本，优化目标结果是节能航速。
2.船型
船舶的能效与船型形状是密切相关的。单从船型大小判断能耗的高低存在偏差。对于每吨公里油耗指标，在均为满载的情况下，航行过程中大吨位船舶往往比小吨位船舶节省油耗。然后如果船舶空载出港，巨型船舶航行过程中的燃油消耗会更高。因此需要考虑船型形状对船舶能效的影响。对于新建船舶，可以通过优化船体水下形状提高船舶的能效。在船体初步选型过程中，通过系统性的优化过程，可以同时降低船体阻力并改善船舶推进效率。由于优化的过程是一个螺旋上升的过程，因此很难确定船舶进行“优化”过程后的结果。通常需要在实际情况下进行试验，证实提供了最佳的优化结果。船舶的试航试验中，一般选取的环境条件是在船坞内或静水或遮蔽水域。对于船型的优化同样需要考虑到船舶在波浪中的性能，该性能对于不同类型的船舶会有明显的不同。船舶外部环境优化的结果需要能够同时满足风和波浪共同作用。
船型形状受到各种约束的影响。在船体初步选型过程中，往往受港口、运河的限制，约束提高船舶能效的可选设计方案。始发、挂靠和目地港口的泊位尺寸，航道运河的水深和转弯半径，碍航设施中的跨江大桥距离静水面的高度，船闸闸室尺寸和升船机船箱尺寸，对船型的关键设计参数，包括吃水，船宽和船长等主尺度参数的选取有很大的限制，进而约束船型的形状。同时满足以上条件和规范的设计是一个高度复杂的任务。然而在该阶段的所做的选择，往往对船舶能效的影响非常大。
3.动力和推进系统
提升船舶动力和推进系统的效率，采用的方法包括使用低速柴油机，更换旧齿轮，或使用新型发动机。更换使用新的发动机，通常船舶的能效效果会有较大的提升，采取这种做法通常是为了满足国际海事组织对NOX排放的限制标准。然而由于购买新型发动机设备需要昂贵的费用，同时安装更换旧齿轮时的复杂操作，该方法的应用面并不广泛。
除了更换现有设备之外，还包括增添新的船舶节能设备。通过使用发动机废热回收系统，吸收废气中的热能和动能，推动发电机生成电力驱动辅机的运转。使用废气回收系统同样可以获得轴系效率的大幅度提升。未来废热回收系统可能会使用流体代替气体，这样会压缩节能系统的体积，从而产生更高的效率。
对于船舶的推进系统，可以采用特殊的布置方式，优化螺旋桨的使用效率，或者变换辅机的数量和尺寸。采用电力推进系统，可以产生节能效果。然而电力推进会产生额外的能量传递损失，在获得节能之前需要首先控制能量损失。采用电力推进会带来其他方面的益处，例如增加船型可采用方案的灵活性，同样会间接的提高船舶能效。
使用转速低大直径螺旋桨，可以获得较高的推进效率。理想情况下，螺旋浆叶片的数量越少越好，面积越小越好，这样可以减少作用在叶片上的摩擦力。然而在船体初步选型过程中螺旋桨的尺寸受到船舶航行区域吃水和发动机扭矩的限制，通常无法达到理想状况。
4.节能附体装置
通常情况下，提高船舶推进效率达到提高船舶能效的效果，可以通过使用节能附体装置，如高效舵、导管桨、鱼鳍、不对称舵、对转螺旋桨等。这类装置的原理是回收螺旋桨旋转后的能量，达到减少船舶推进系统消耗的能量。在某种类型的船舶上，使用该类附体装置能达到节能效果，不是意味着在另一种船型上也会取得类似的效果。因此该类节能附体装置通常不具有通用性。由于该类设备购高额费用，使用中的可靠性等因素，同时并不是所有类型的船舶都适合使用这些装置，使得该类附体装置并没有得到广泛的应用。
5.讨论
从最初的船舶选型对船舶进行节能优化，可以选择三种方案：第一种，选用船厂已经建造过的现有的优化后的标准船舶；第二种，修正已有的船型确保满足运输货物的装载要求；再或者，开发新船型。
第一种方案选用船厂标准船型，船舶的船型已定，因此考虑到船舶在航行过程中影响船舶性能的变量因素较少，尤其是与船舶航行过程中的节能因素有关的船舶水动力性能。由于船舶的水动力性能主要与船舶的水下形状和航速有关，然而船型已定，无法完全考虑到这些条件。虽然船舶建造和设计费用花费较少，但获得的节能效果是有限的。
第二种方案，修正已有的船型，对船体型线进行优化，包括对船体首部形状进行优化和对船体尾部形状进行优化。
第三种方案，开发新型高能效船舶。这种情况下，船东需要做出判断，在船舶运营过程中节省燃料的收益，是否能够快速收回前期投入大量的设计和建造新船的费用，根据判断结果做出选择。
6.结语
按照交通运输部颁发的《老旧运输船舶管理规定》，海船和河船的船舶强制报废船龄在二十五年以上。船舶寿命在二十五年以上，如果在船舶营运期间有买卖或期租等交易行为发生时，船舶的航行航线会发生变化，运输任务发生变化，由此而产生船舶航行外部环境也会发生明显的变化。即使没有发生船舶所有权变更，由于经济贸易的变化产生货物运输需求的变化，也会对船舶航行航线产生影响，进而改变船舶航行的外部环境。
在船体初步选型过程中，需要考虑既保障允许船舶升级的灵活性，又要满足船舶在不同的情景下高效运行。为满足不同的运输任务，需要选择不同营运方案，为后续的船舶的营运操作留有足够的灵活性。变换航线时，不会因为受到碍航建筑的限制而降低可选余地；船舶买卖时，不会因为受到航线限制而影响售价。
在船体初步选型阶段提高船舶能效的手段大部分主要适用于新建船舶，一部分同样适用于改建船舶。由于船舶的服役期较长，即使采用了节能技术后船舶的节能效果与之前相比没有大幅度的提高，小幅度的节能效果的提升会通过使用过程中的不断长期积累取得明显的节能效果。