付有强
天津德赛海洋船舶工程技术有限公司 天津市 300450
摘要：随着节能环保观念在全球范围内全面提倡，我国的个各行各业日益重视节能减排技术的应用。船舶运输作为海上运输最主要的方式，航运过程中的能源利用以及废气的排放，均会对自然环境产生严重的影响。所以，在进行船舶设计时要充分利用技能减排的技术，科学的控制船舶运输对环境的污染，保护海洋环境与生物能源。
关键词：船舶设计；节能减排技术；应用
1导言
进入21世纪以来，我国面临着节能减排的关键任务，作为贸易运输主要方式，船舶航运产生的废气排放、能源结构严重影响自然环境。为此，船舶设计应结合节能减排技术，以便合理控制船舶对于自然环境、海洋环境等产生的不良影响。
2我国船舶业的节能减排技术重要性及应用现状
船舶节能减排是航运发展的需要，船舶运输努力的方向就是利用最合理的航速和耗油关系来获得最好的经济效益，对于船舶运输行业来说，船舶节能减排已经成为船舶企业落实科学发展观的关键步骤，其对建设资源节约型、环境友好型社会有着重要意义。在实际的船舶运输中，工作人员需要根据船舶运行航线、工况等实际的变化情况，对船舶实际运行中的耗油等进行分析以及修正，以便得到船舶实际的耗油数据，从而分析船舶实际的节能方式，为满足实际船舶运输需要奠定坚实基础。船舶节能减排也是我国法律法规的强制性要求，我国明确规定了到2020年，我国二氧化碳排放量会降低到16%，船舶运输单位运输周转耗能量降到15%，因此可以说船舶节能减排技术在一定程度上符合我国节能减排总体战略。
目前，和船舶设计技术中节能减排技术有关的公约包括《管理与控制船舶的压载水及船舶沉积物的国际公约》、《防止船舶污染的国际公约》，这类公约出台的目的是控制船舶造成的污染，保护海洋环境。我国政府树立了绿色航运的目标，并对船舶页的发展规划进行了相应的改革和调整，比如，政府对氮氧化物和燃油的含硫量决定进行分阶段的集中控制，分阶段对空气污染的限制标准进行提高。此外，我国对船舶业的设计、规划和运营等方面多次进行修改和调整。种种行为可以表明，在市场经济发展需求以及全球竞争的压力之下，技能减排技术的应用能够为船舶行业的发展提供强有力的发展动力，因此，船舶业要是非重视节能减排技术的应用与发展。
3节能减排的影响因素
3.1船舶性能
船舶自身的性能会影响到船舶节能减排的效果，一般来说，不同船舶主辅机状态、涂装底漆以及污底情况、运营年限、型号以及船体浸水体积等都会对船舶节能减排产生不同影响。船舶主辅机是船舶运输过程中重要的耗能设备和安全设备，主辅机运行效率越高，船舶燃烧效率就越高，这样就可以适当降低船舶单位耗油量，在一定程度上对船舶节能减排工作起到重要作用；不同运营年限的船舶主机磨损程度不同，长时间运行的船舶主机磨损较大，其单位耗油量较大，对能源利用效率、污染物排放等存在一定的影响；不同型号的船舶抗风浪性能不同，其甲板受风面积以及船舶耐波性等都会对船舶节能减排效果产生一定的影响；船舶船体浸水体积会在一定程度上影响船舶兴波阻力，进而影响船舶节能减排效果。
3.2环境因素
在船舶实际运行的过程中，环境因素会在一定程度上影响船舶燃料燃烧效率，进而船舶节能减排效率。具体来说，环境因素主要指的是船舶运行过程中的地理环境和自然环境，包括温度、气压、航道条件以及气象条件等，这些环境因素很大程度上会影响船舶耗油水平以及排放水平。例如大风会增加船舶运行阻力，影响船舶主机负荷，进而增加船舶耗油量；在海拔比较高的地区运行时，大气压力会随着海拔的升高而降低，空气含氧量也随之降低，这样船舶燃料就不能充分燃烧，单位燃料燃烧的实际功率也会降低；航道弯曲角度、交叉情况、航道宽度以及航道深度等都会在一定程度上影响船舶能源消耗以及废气排放情况，航道弯曲度越小，燃烧消耗越少。
3.3效益因素
船舶资金投入成本以及效益水平在一定程度上反映了船舶企业给我国国家社会带来的经济效益以及实施节能减排的效果。船舶企业在进行高效低成本投入时，能够更合理地实施节能减排工作，促进船舶节能减排效果的实现，但船舶企业在进行比较高成本投入时不仅不能带来经济效益，还有可能使企业产生负经济效益，进而打击船舶企业节能减排的积极性，严重影响船舶企业的发展。船舶企业的经济效益指的是在船舶运行中，产品投入比值，其效益的高低在一定程度上影响着整个船舶行业。从国民经济方面来讲，经济效益就是说全部的构成要素和其中某个构成要素之间的百分比，经济效益越高，船舶节能减排发展越迅速。因此可以说，经济效益是船舶节能减排重要影响因素之一。
4船舶设计中的节能减排技术应用
船舶在航运过程中会释放出大量的碳化物、硫化物、氮化物，产生噪音、压载水、生活垃圾等污染物，这些污染涉及到船舶运营的多个工作系统，所以要想实现节能减排，必须从多角度、多方面入手，利用节能减排技术，设计、控制污染，降低能耗，具体内容包括：
4.1使船舶的阻力降低
船舶的阻力降低可以有效实现船舶废物排放和能源消耗的降低。船舶的线型是影响船舶阻力水平的最关键的因素。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆船舶公司一般会选择阻力低的设计方案，例如“母型船”法——对母型船进行优化，同时将优化后的母型船应用到新船的设计当中。此外，还有一部分船舶公司在制造船舶时采用模型试验的方法——通过利用水、测量与监控的方法对船舶的阻力进行计算，并得出具体时间段当中的船舶阻力、排水量和浮心的位置等一系列指标，这样能够使制造的船舶具有更加合理与科学船型和比例。
海洋具有复杂多变的环境特征，所以，在船舶的设计过程当中，船舶设计人员应该充分考虑环境因素，例如风浪与水流对船舶的阻力产生的一些影响。另外，设计人员要以船舶的运行数据为基本依据，尽量缩小船舶挡风的面积，对船舶的浮动状态进行合理的调整。正因为船舶阻力和多种因素有关，因此设计者要从各个角度综合考虑这些因素，首要基础是满足船只的总体性设计目标，最大程度的降低风阻力与波浪阻力，对船舶线性进行合理的选择。
4.2提高推进效率
为提高船舶设计中节能减排目标的实现效率，设计人员不仅要提高船舶线型的合理性，还需注意保证船桨、船机等匹配程度，实现船舶有效马力、螺旋桨负荷量、主力功率的吻合性，从而做到主力功率的满足与有效利用。此外，设计人员应以船舶主机状态为依据，确定主机动力能量调控范围，积极采用新型的材料，此亦为提高船舶推进效率的重要因素。节能减排技术的应用，可被称为提高船舶推进效率的关键性手段。其中，螺旋桨整流罩为节能减排技术中的成功表现，其运行原理是指，在调整螺旋桨尺寸的前提下，促使船舶摆脱低航速、高负荷的运行状态，平衡螺旋桨轴线流场，以便提高船舵左右两方的配合程度，最终完成航运目标。此外，在工程建设方面，在船舵前安装整流体，有助于控制桨毂产生的能量损失，所以，该种方法可提高船舶推进效率。
4.3引进节能设备
在船舶设计方案中，船桨、船机、船身为关键部分，因此，该三者为船舶设计中节能减排技术的研究对象与应用载体。同时，在主辅机职能技术、动力节能技术、混合动力技术、变频技术的作用下，船舶设计工作显著提高了节能设备的应用效率。现阶段，我国大多数进入航运阶段的船舶柴油机功率为169~177g/kW·h，该种柴油机生命周期短、投资成本高。而在应用节能减排技术之后，船舶设计方案中突出了6RT-flex68-D主机的优势与特点，例如，该主机能耗小、功率大，可节约6%的能源。相关调查显示，节能设备自身带有一定程度的节能作用，可调整船舶设计结构与布局，进而实现能源使用、传递的高效性。这就表明，节能设备的应用，可提升船舶节能能力，调整船舶节能状态，且无论是在能源转化、能源消耗方面，还是在能源积累方面，节能设备均可以发挥积极的影响作用。
4.4不断对新能源进行开发
由于不可再生资源是有限的，而且开发的资金投入也比较高，而船舶行业无论是制造方面还是航运方面，都需要消耗巨大的能源，在此背景下，新能源的开发逐渐得到重视。最近几年，我国的船舶业引进了一些新型的能源，例如核能、太阳能与风能等等，但由于开发技术还不够成熟，导致新能源引用的效果不太明显。不可忽视的是，在船舶的设计发展当中，不少新能源在开发技术方面取得了一定的突破，这就为新能源的利用提供了新的途径。比如，船舶运输当中，船机的热交换和热辐射会消耗掉大量热能，通过废热回收技术，对大量的废热进行回收，利用一定的技术，把废热转化为动能，为船舶的正常运行提供机械能量。再比如，设计船舶的过程当中，利用废气处理的相关技术手段——可以在船舶中安装净化废气的装置，通过废气净化系统装置的作用，把对海洋和大气环境具有污染性的气体处理成干净的气体。所以，废气处理系统的技术能够使船舶实现节能减排的目标，降低船舶运输带来的环境污染，体现了节能减排的相关技术在船舶设计当中所具有的实用性价值。由此，为了进一步使船舶的设计方案得到完善，让船舶的设计可以满足运行实际的需求，船舶的设计人员要将新能源的开发和引用作为入手点，通过不断将新能源引入到船舶设计当中，解决船舶制造和运行的能源问题，避免后期船舶运输出现结构问题和运行不畅的情况。除此以外，对新能源的处理系统进行设计时，设计者要综合考量船舶当中各个运行系统的配合程度。
4.5废热回收及废气处理
船舶废热回收及废气处理也是一种较为重要的船舶节能减排手段，其中船舶废热回收主要指的是船舶废热利用技术，其回收原理图如下图1所示，在船舶燃油消耗中，大概有50%的热量以热辐射、废气以及热交换的形式浪费掉。船舶主机废热利用透平转化功率为最大功率的0.6%到4%，这种利用技术初次投入资金较多，多用在大型集装箱船上；船舶主机冷却水废热再利用则可对船舶扫气和缸套的废热进行再次利用，从而提高2%到3.5%的主机功率，这种回收系统较为复杂，通常需要与蒸汽透平和废气透平等联合使用，因此多用在大型集装箱船上。船舶废气处理主要指的是船舶安装废气净化器以及船舶采用废气循环系统，船舶废气净化器可以有效去除船舶废气中的SOX以及微尘颗粒等，其去除率可达到98%、80%，船舶废气循环系统则可以有效减少船舶中的NOX，其主要是加装一个EGR单元，以降低船舶废气的峰值温度，从而减少船舶的产生。
图1 船舶废热回收原理图
5结论
综上，对船舶设计当中节能减排技术应用的具体措施进行了分析。可以看到节能减排技术目前在我国船舶业当中的重要性，节能减排技术为我国船舶业长远健康的发展提供了技术性支持。
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论文作者:付有强
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/9/30
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