船舶设计节能减排技术策略探究_常志杰.pdf

第 31 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.31 No.3Mar.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言船舶运输相较于公路、铁路、航空运输等有着良好的燃油经济性，在大件运输方面的优势显著，所以海运贸易成为我国国际贸易的重要支撑点。在社会经济高速发展的背景下，粗放式的发展已经不符合新的发展要求，能源紧缺、污染加重的问题亟需解决，所以在可持续发展战略下，节能减排措施的落实势在必行。船舶运输也要顺应环保型社会构建的趋势，从改进船舶设计的角度入手，加强节能减排技术的合理应用，尽可能地减少船舶运输给环境带来的不利影响，推动船舶运输业的健康发展。1 船舶设计节能减排技术的意义与发展现状1.1 船舶设计节能减排技术的意义在我国运输行业蓬勃发展的背景下，船舶运输占据着举足轻重的地位，所以优化船舶设计、落实节能减排有着深远的意义。一方面，能够降低船舶能耗、减少环境污染，保障船舶运输的经济效益和环境效益。另一方面，推动了环境友好型、资源节约型社会的构建，为船舶运输业的健康发展探寻出了可行性的路径。因此，就船舶设计而言，应结合具体的工况、航线等，对设计方案进行针对性的改进，确保节能减排技术的科学选择。除此之外，我国的相关法律法规明确提出了对船舶节能减排问题的规定，要求未来 2 年船舶运输领域中 CO2排量降低 16%、能耗降低 15%，由此可见，船舶设计的节能减船舶设计节能减排技术策略探究常志杰（上海享联船务有限公司，上海 201306）摘 要：在科学技术迅速发展的背景下，造船工艺愈发先进，基本实现了自动化生产，船舶设计也朝着集成化的趋势发展，为进一步优化船舶设计水平，应对设计方法、技术进行深入研究。基于此，本文对船舶设计节能减排技术应用的意义与现状进行分析，并探讨节能减排技术在船舶设计中的应用问题，最后提出可行性的应对策略，以期为相关从业人员提供参考。关键词：船舶设计；节能减排；自动化设计中图分类号：U662 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.03.012引用格式 常志杰.船舶设计节能减排技术策略探究 J.船舶物资与市场,2023,31(3):34-36.排在我国可持续发展战略中占据着重要的位置，节能减排问题不容忽视1。1.2 船舶设计节能减排技术的发展现状目前，我国的重工业发展仍然是主力军，而这也使得经济发展和环境保护的矛盾愈演愈烈。在科学技术迅速发展的背景下，各类先进技术的出现为船舶设计的优化提供了有利条件，能够在船舶设计中以先进的设计方案降低船舶运输中对环境的负面影响，进而维持经济发展和环境保护间的平衡，促进我国节能减排事业的发展。虽然我国船舶设计的节能减排水平相较于之前已经取得了显著的进步，但碳排放量较大、船舶设计企业节能管理制度落实不到位的问题仍然存在，制约了实际的节能减排效果。首先，碳排放量仍然较大。相对陆地、航空运输来说，船舶运输的碳排放量相对较低，致使部分船舶设计人员在进行船舶设计时忽视对碳排放量的控制，在提高燃油利用效率方面先进技术的应用不到位。随着我国船舶运输行业的稳定发展，燃油消耗也备受关注，逐渐重视节能减排技术的应用。其次，管理制度仍不健全，船舶制造企业的监管制度不全面导致船舶设计不规范、环保理念缺失，缺少对应的节能减排制度导致船舶设计无据可依、无规可循，严重影响了船舶设计效果，缺乏良好的创新性与环保性，阻碍了船舶企业的发展2-4。2 船舶设计节能减排主要技术就目前的船舶设计而言，要想有效落实节能减排措收稿日期：2022-11-04作者简介：常志杰（1982-），男，本科，工程师，研究方向为船舶设计。第 3 期 35 施，具体应从以下层面入手：1）优化船舶的发电机，合理利用先进的船舶设计技术，例如采取航行和作业分开供电的方式，这一方式能够节约航行和作业过程中不必要的额外能源消耗，以分开供电的方式既保障了船舶的航行效率和作业效率，也有效地做到了节能减排。2）对船舶的动力源进行改进，采用主机带液压泵或电动备用方式。3）为船舶配备节能设备，加强新能源的利用率，降低船舶对传统能源的依赖度。3 船舶设计节能减排的现存问题1）对船舶动力系统来说，存在运行效率低、能耗大的问题。通常情况下船舶的动力系统是柴油机，柴油燃烧是主要的动力形式，但效能低、利用率低的现象却较为常见。从相关调查中可知，柴油利用率仅达到整个系统利用率的 30%，节能减排理念未能充分体现。动力系统运行效率低主要由以下方面问题引起；柴油机自身问题，柴油机工作排放了大量有害气体，所以并非节能减排机器，能源的利用率本就相对较低。能源问题，能源中杂质较多，导致能源利用率偏低。针对船舶动力系统运行效率偏低的问题，应从改进柴油机方面入手，采用先进的绿色节能机器，既能起到提高动力系统运行效率的作用，也能实现高品质的能源供应，达到节能减排的目标。除此之外，船舶动力装置目前也在持续改进，将蒸汽、内燃、燃气及核动力等装置联合使用，但各个系统之间配合度偏低也会影响船舶动力系统的运行效率，所以在应用动力装置时必须充分考虑各个系统之间的配合度。2）船舶动力配置创新性不足。船舶动力系统主要包括燃气装置、助推器装置等，用于保障船舶的日常运行和生活管理，但从船舶的动力装置结构来看，传统的燃油类动力系统仍占据主要地位，绿色能源、可再生能源在动力系统中的应用较少。船舶动力系统在节能减排技术方面的应用还需相关研究者加强努力，依据前沿技术、节能技术完成动力系统的改造，增加绿色能源在动力装置中的占比。切实地提高船舶装置创新性，紧跟全新的发展趋势，将各类先进技术积极融入其中，进而保障其高效利用。4 船舶设计节能减排技术的具体应用策略船舶航运过程中会产生大量的碳化物、硫化物、氮化物等化合物质，还会有一系列的生活垃圾和噪音污染，这些污染是由船舶多个运行系统产生的，所以要想实现节能减排，就必须落实全方位的节能减排设计，科学应用节能减排技术，对船舶设计进行优化改进，将控制污染、降低能耗、提高运行效率作为根本目标，设计人员要积极转变自身滞后的设计理念，重视环保理念，具体应从以下方面入手。4.1 优化船舶线型，降低航行阻力船舶通常有着体积大、重量大的特点，所以在航行过程中有着较大的吃水量，因克服阻力所消耗的能源较高，也就造成了污染排放较大的现象。优化船舶线型设计至关重要，是降低船舶阻力的关键措施。因此，在进行设计时应充分考虑阻力因素，采取最优的设计方案，例如母型船法，对母型船进行优化改进，随后将其应用到新船设计中。除此之外，也有部分船舶公司在进行船舶设计时采取模型试验法，将设计的船型制造出模型，并以试验测量的方式计算船舶阻力，得出具体的船舶阻力指标、排水量指标、浮心位置等，这样就能够为船舶设计提供有力参考，确保船型合理、比例协调5。船舶在航行过程中，面临相对复杂的海洋环境，客观因素较为复杂，所以船舶设计时也要充分考虑未来航行过程中因环境因素带来的阻力，包括风浪、水流等方面的影响。为了进一步提高船舶的航行效率，设计人员应依据相关的数据参数，将船舶挡风面积尽可能缩小，减少风浪阻力，同时适当调整船舶的浮动状态。船舶航行的阻力来源于多方面，所以这就需要船舶设计人员综合考虑，将满足船舶总体性设计目标作为核心，并将相关的风浪阻力、波浪阻力等降至最低，确保船舶线型的科学合理。4.2 提高船舶动力，强化推进效率为了有效落实船舶的节能减排，除了要在减低阻力、优化线型方面作出努力外，还要提高船机、船桨等设备的匹配度，保证有效马力、螺旋桨负荷量、主力功率充分吻合，如此才能将主力功率最大化地利用，降低额外的能耗。与此同时，船舶设计人员应结合船舶主机的运行状态，对主机动力能量的可调控范围进行明确，并合理应用先进新型材料，进一步提高推进效率。节能减排技术的合理利用对船舶推进效率的提升也较为显著，例如螺旋桨整流罩就起到了良好的节能减排作用，其主要原理是调整螺旋桨尺寸，避免船舶在低航速、高能耗的状态运行，平衡螺旋桨轴向流场，提升船舵左右两方的配合程度，进而完成相应的航运目标。同时，船舶建设时，在船舵前安装整流体，也能将桨毂的能量损失降至最低，也能够有效地提升推进效率。4.3 注重技术研发，实施压载水处理对船舶进行压载水处理主要可通过 2 种方式来实常志杰：船舶设计节能减排技术策略探究船舶物资与市场第 31 卷 第 3 期 36 现：1）安装压载水处理装置。压载水处理可通过分离+化学消毒、分离+物理消毒、脱氧法等几种方法实现，就目前来说，应用最为广泛的是分离+化学消毒方法，能够起到良好的处理效果。但压载水处理装置安装必须要满足相应的公约要求，得到主管机关和 IMO 认证。采用化学消毒法处理的压载水还要进行毒性测验，确保其对环境无污染。就目前压载水处理系统的应用而言，其存在着一定的局限性，如增大了船舶的投资成本和运营成本，并且也提高了对船舶的防爆要求。2）研究无压载水船舶。就目前来看，虽然无压载水船舶研究已经备受人们的关注，并且也取得了一部分成效，但技术问题仍然没有完全克服，所以加强无压载水船舶的研究对节能减排有着深远意义6。4.4 引进节能设备，强化节能效果船舶设计过程中最为关键的 3 个结构是船身、船机和船桨，所以要想在船舶设计中有效应用节能减排技术，就应将这 3 个结构作为重要载体。在变频技术、柴电混合动力技术、动力节能技术、主辅机智能技术的作用下，船舶设计也有效提高了节能设备的利用率。当前我国船舶的柴油机功率通常为 169 177 g/kWh，该类柴油机的特点是使用寿命较短且投资相对较高，并且动力系统的运行效率相对较低。而在节能减排技术大力应用的背景下，船舶设计方案更加倾向于应用 6RT-flex68-D 主机，该主机有着能耗小、功率大的优势，经相关研究分析可节省约 6%的能源，由此可见主机设备更新很有必要。节能设备本身具备着良好的节能效益，在船舶设计中合理地应用也能起到优化船舶结构与布局的作用，进而提高能源利用率，优化能源传递效果。因此，节能设备的应用是船舶设计的必然趋势，是加强能源转化、调整节能状态、降低能源消耗、强化能源积累的有效措施，对优化船舶航行性能有着积极作用。4.5 注重新能源开发，降低减排压力在能源愈发紧缺和环境污染日益加重的背景下，不可再生能源的劣势越来越明显，污染高、储量少也使得相关船舶制造业和船舶运输业越来越重视新能源的开发，以满足生产制造和航运运输的巨大能耗。近年来，我国对清洁能源的利用越来越广泛，如核能、风能、太阳能等，但由于技术尚未成熟，所以新能源应用效果还不够显著。从船舶设计方面来说，很多新能源技术也有了一定程度的突破，这为新能源技术的应用提供了有力支撑7。就船舶航行来说，船舶的热交换和热辐射会散发出大量的热能，通过热能回收技术，即可将浪费的热能回收并利用，有效的将热能转化为船舶的动力，这不仅减少了能源的浪费，也显著降低了船舶航行的能耗，同时，在船舶设计时，合理应用废气处理技术也有利于减排目标的实现。船舶航行状态下，会产生大量的有害有毒气体，如 CO2和 SO2等，对海洋污染和大气污染都较为严重，而废气净化装置就有效解决了这一问题，将动力系统运行中产生的废气经由废气净化装置处理后转化为干净气体排放，使传统能源动力系统对环境的污染进一步降低。由此可见，废气处理技术在船舶设计中具备着良好的实用性价值，有利于节能减排目标的实现。因此，船舶设计人员在明确设计方案时，应充分考虑船舶的实际需求，注重新能源技术的合理应用，逐渐加大新能源比重，如此才能降低船舶能耗和污染。但值得注意的是，在应用新能源技术时也要充分考虑船舶中各个运行系统的配合程度，避免造成系统冲突。5 结语在我国运输行业高速发展的形势下，船舶运输作为其中不可或缺的关键组成部分，必须要给予充分重视，积极落实可持续发展战略，在船舶设计中应用节能减排技术。在船舶设计过程中，从降低航行阻力、强化推进效率、推行压载水处理、引进节能设计以及注重新能源开发与应用等方面入手，将节能减排技术的价值最大限度地发挥出来，进而为船舶运输行业的长远发展奠定