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船舶節(jié)能環(huán)保技術(shù)綜述

文檔作者：楊森楊杰苗春暉文檔來(lái)源：中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月29日
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第３６ 卷第１０ 期
２０１４ 年１０ 月
艦　船　科　學(xué)　技　術(shù)
SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol ．３６ ，No ．１０
Oct ．，２０１４ 　
船舶節(jié)能環(huán)保技術(shù)綜述
楊　森，楊　杰，苗春暉
（中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京１０００９４）
摘　要：　根據(jù)船舶節(jié)能環(huán)保要求，通過(guò)采用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶工業(yè)低消耗、低污染、低排放，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社
會(huì)的持續(xù)發(fā)展。通過(guò)深入調(diào)研研究，本文從余熱回收技術(shù)、節(jié)能泵技術(shù)、節(jié)能空調(diào)技術(shù)、新能源應(yīng)用技術(shù)４ 個(gè)領(lǐng)域出
發(fā)，探討其對(duì)于船舶低碳環(huán)保的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：　節(jié)能環(huán)保；余熱回收；節(jié)能泵；節(jié)能空調(diào)；新能源應(yīng)用
中圖分類號(hào)：　U６７６ ．３ 　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：　A
文章編號(hào)：?。保叮罚?－ ７６４９（２０１４）１０ － ０００１ － ０６ 　doi ：１０暢３４０４／j暢issn暢１６７２ － ７６４９暢２０１４暢１０暢００１
Overview of marine energy saving technology
YANG Sen ，YANG Jie ，MIAO Chun‐hui
（Systems Engineering Research Institute ，Beijing １０００９４ ，China）
Abstract ： 　According to energy saving and environmental protection requirements ， the
shipbuilding industry should use new technology to achieve low consumption ，low pollution ，low
emission ，as well as to promote China′s economic and social sustainable development ．Through deep
research ，the paper discusses new technology to reduce carbon emissions from four areas which are
waste heat recovery ， energy‐saving pump ， energy‐saving air conditioning and new energy
application ．
Key words ：　energy saving and environmental protection ；waste heat recovery ；energy‐saving
pump ；energy‐saving air conditioning ；new energy application
收稿日期：２０１４ － ０２ － １２ ；修回日期：２０１４ － ０２ － １９
作者簡(jiǎn)介：楊森（１９８７ － ） ，男，碩士研究生，工程師，主要從事船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)及船舶節(jié)能技術(shù)研究。
０ 　引　言
隨著國(guó)際海事組織對(duì)船舶節(jié)能環(huán)保要求的提高，
各國(guó)船舶工業(yè)從系統(tǒng)優(yōu)化配置、設(shè)備參數(shù)改進(jìn)、新
型能源應(yīng)用等多個(gè)方面入手， 進(jìn)行船舶節(jié)能環(huán)保技
術(shù)的探索和研究， 提出切實(shí)可行的建議和措施， 努
力實(shí)現(xiàn)以低消耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的低碳
經(jīng)濟(jì)。
１ 　船舶節(jié)能環(huán)保背景
面對(duì)全球石化資源的巨大消耗， 走發(fā)展低碳經(jīng)
濟(jì)之路已成為各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然選擇。船舶行業(yè)
作為資源運(yùn)輸?shù)闹饕浇椋?是全球經(jīng)濟(jì)的重要支撐。
同時(shí)數(shù)據(jù)顯示， 船舶行業(yè)也是主要能耗大戶， 因此
大力發(fā)展船舶節(jié)能環(huán)保具有重要戰(zhàn)略意義。
１暢１ 　國(guó)際海事組織標(biāo)準(zhǔn)
隨著各種規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)， 國(guó)際海事組織IMO
對(duì)船舶節(jié)能環(huán)保的要求日趨嚴(yán)格， 包括碳排放、壓
載水處理、船舶涂料等方面。
以碳排放為例， IMO 針對(duì)船舶能效出臺(tái)了
EEOI （船舶能效營(yíng)運(yùn)指標(biāo)） 和EEDI （新船能效設(shè)
計(jì)指數(shù)） ２ 個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。前者針對(duì)運(yùn)營(yíng)船舶， 后者
針對(duì)新造船舶。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)， 就是根據(jù)船舶二氧化碳
的排放量和運(yùn)貨能力的比值來(lái)表示船舶的能效， 從
而強(qiáng)調(diào)了國(guó)際船舶的節(jié)能減排增效目標(biāo)。
１暢２ 　船舶工業(yè)排碳現(xiàn)狀
IMO 的１ 組研究報(bào)告數(shù)據(jù)顯示， ２００７ 年船舶行
業(yè)排放１０暢４６ 億噸二氧化碳， 約占全球排放總量的
３暢３％ 。若不加以改善， 至２０２０ 年， 二氧化碳排放
量將在目前基礎(chǔ)上增加約７５％ 。國(guó)際油輪獨(dú)立船東
艦　船　科　學(xué)　技　術(shù)第３６ 卷
協(xié)會(huì)也發(fā)布了類似的研究報(bào)告。這些報(bào)告顯示全球
遠(yuǎn)洋航運(yùn)與海貿(mào)的快速成長(zhǎng)和燃油消耗增加了二氧
化碳對(duì)全球環(huán)境的影響。
２ 　新型船舶節(jié)能環(huán)保技術(shù)
根據(jù)國(guó)際海事組織IMO 要求和船舶工業(yè)的排碳
現(xiàn)狀， 積極調(diào)研國(guó)內(nèi)外先進(jìn)節(jié)能環(huán)保技術(shù)， 在對(duì)實(shí)
船實(shí)際運(yùn)營(yíng)深入研究的基礎(chǔ)上， 選取幾項(xiàng)節(jié)能效果
好、應(yīng)用范圍廣的節(jié)能環(huán)保技術(shù)， 進(jìn)行重點(diǎn)論述。
２暢１ 　余熱回收技術(shù)
柴油機(jī)作為船舶的主推進(jìn)動(dòng)力， 其實(shí)際功率輸
出不足５０％ ， 其他均以熱能形式通過(guò)廢氣和冷卻水
散發(fā)， 造成船舶能源的巨大浪費(fèi)。所謂余熱回收技
術(shù)就是通過(guò)各種技術(shù)手段將余熱合理、高效地轉(zhuǎn)換
為機(jī)械能、電能或熱交換， 從而有效降低燃油消耗，
減少大氣污染， 降低碳排放。具體形式有以下幾種：
１） 柴油機(jī)廢氣通過(guò)廢氣鍋爐產(chǎn)生約０暢９ Mpa ，
２８０ ℃ 的過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)（透平發(fā)電機(jī)） 發(fā)電。
２） 柴油機(jī)廢氣通過(guò)廢氣鍋爐產(chǎn)生約０暢５ Mpa
左右的飽和水蒸氣來(lái)滿足燃油加熱器和船員的日常
生活加熱。
３） 柴油機(jī)廢氣利用廢氣渦輪增壓器將廢氣能量
轉(zhuǎn)換成掃氣空氣的壓力來(lái)提高柴油機(jī)的功率和效率。
４） 柴油機(jī)冷卻水通過(guò)換熱器也可直接用于加熱
船員生活用水和油艙的保溫或經(jīng)過(guò)二次加熱用于冬
季空調(diào)的熱源或用于夏季吸收式制冷裝置的加熱
源等。
柴油機(jī)廢氣能量約占燃油總熱量１８％ 左右， 其
可利用部分也達(dá)１１％ 。目前， 透平發(fā)電機(jī)在船舶上
的應(yīng)用技術(shù)也已相當(dāng)成熟， 安裝管理不存在任何問(wèn)
題。柴油機(jī)冷卻水中所蘊(yùn)含熱量約占燃油總熱量
１７％ 左右， 可利用部分甚至要高出廢氣， 但是由于
水的焓值低于蒸汽焓值， 其傳熱溫差也較小， 相同
換熱量時(shí)， 換熱器體積略大， 因此冷卻水的熱量回
收實(shí)用性不強(qiáng)。
柴油機(jī)余熱回收之所以能得到推廣， 是因?yàn)槠?
收益遠(yuǎn)大于船東在設(shè)備改裝的初期投資。通過(guò)余熱
回收得到的收益主要有： 節(jié)約燃油的費(fèi)用， 減少對(duì)
大氣污染； 減少燃油、淡水的儲(chǔ)存量， 從而增加了
船舶的載貨量。鑒于燃油價(jià)格居高不下， 占據(jù)船舶
運(yùn)營(yíng)成本的主要部分， 因此對(duì)于船東來(lái)講， 僅節(jié)約
燃油費(fèi)一項(xiàng)收益便極其可觀， 現(xiàn)作以下分析： 以
MAN 公司的１２K９８ME／MC 柴油機(jī)為例， 其額定
功率為６８ ６４０ kW ， 平均運(yùn)行工況為８５％ ， 油耗為
１７１ g／kWh ， 海上航行天數(shù)為２８０ 天， 按油價(jià)為６００
美元（２０１２ 年新加坡油價(jià)， 具體價(jià)格還與標(biāo)號(hào)、地
點(diǎn)有關(guān)系） 計(jì)算， 該船每年可節(jié)約燃油約為３４３ 萬(wàn)
美元。據(jù)調(diào)查， 余熱利用的成本償還期一般在３ 年
以內(nèi)， 年回報(bào)率達(dá)３０％ 左右， 節(jié)能投資是合理的。
２暢２ 　節(jié)能泵技術(shù)
節(jié)能泵技術(shù)又稱變頻海水泵技術(shù)， 是針對(duì)海水
冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)設(shè)計(jì)， 在滿足船級(jí)社規(guī)范要
求、全船海水冷卻需求量的基礎(chǔ)上， 采用變頻控制
法自動(dòng)調(diào)節(jié)海水泵流量， 實(shí)現(xiàn)能源高效利用。
該技術(shù)的核心在于海水泵的轉(zhuǎn)速控制。借鑒變
頻泵在其他系統(tǒng)中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)， 通過(guò)改變泵馬達(dá)的
輸入頻率， 調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速， 進(jìn)而調(diào)節(jié)海水泵流量。
在實(shí)船應(yīng)用中， 針對(duì)離心海水泵的管路特性曲線，
在滿足最小壓力， 冷卻量的基礎(chǔ)上， 結(jié)合主機(jī)發(fā)電
機(jī)運(yùn)行工況， 采用模糊控制法， 設(shè)定最小流量需求，
適時(shí)調(diào)整海水泵轉(zhuǎn)速。為了保證系統(tǒng)控制精度， 系
統(tǒng)采集海水進(jìn)口溫度、淡水出口溫度等溫度信號(hào)和
海水進(jìn)口壓力、主機(jī)高溫淡水三通閥開(kāi)度等壓力信
號(hào)作為反饋環(huán)節(jié)控制變頻器輸出頻率。海水冷卻系
統(tǒng)可根據(jù)地域、季節(jié)等外界環(huán)境因素和主機(jī)輔機(jī)工
況自動(dòng)調(diào)整管路流量， 在滿足全船海水冷卻需求基
礎(chǔ)上提供最優(yōu)運(yùn)行模式， 最大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約。
從外界環(huán)境等因素考慮： 常規(guī)設(shè)計(jì)下， 冷卻海
水進(jìn)口溫度通常以３２ ℃ 為準(zhǔn)， 配合額定轉(zhuǎn)速， 恒流
量的海水泵提供全船供水量。但在不同地域及季節(jié)，
海水溫度相差很多， 甚至可以低至０ ℃ ， 導(dǎo)致海水
流量的過(guò)度， 浪費(fèi)資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 以某船海水進(jìn)口
溫度２５ ℃ 為例， 以變頻控制方式進(jìn)行海水流量調(diào)
節(jié)， 節(jié)能約１３％ 。
從主輔機(jī)運(yùn)行工況因素考慮： 船舶工況不同會(huì)
造成主輔機(jī)熱負(fù)荷和冷卻量不同。以主機(jī)為例， 功
率為５０％ 時(shí)， 低溫淡水冷卻量為額定狀態(tài)下的
５０暢２％ 。常規(guī)設(shè)計(jì)采用額定轉(zhuǎn)速， 恒流量的海水泵
提供全船供水。導(dǎo)致海水流量過(guò)度， 資源浪費(fèi)。據(jù)
統(tǒng)計(jì)， 以某裝機(jī)功率１３ MW 的集裝箱船為例， 按
實(shí)際功率８５％ 計(jì)算， 以變頻控制方式進(jìn)行海水流量
調(diào)節(jié)， 節(jié)能約５％ 。
變頻泵的應(yīng)用覆蓋各行各業(yè)， 價(jià)格低廉， 技術(shù)
成熟。將該技術(shù)直接引用至海水冷卻系統(tǒng)中， 幾乎
· ２ ·
　第１０ 期楊　森，等：船舶節(jié)能環(huán)保技術(shù)綜述
不存在任何技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)， 且初裝費(fèi)用較低， 投資回報(bào)
率較高， 非常有利于技術(shù)的推廣應(yīng)用。
２暢３ 　節(jié)能空調(diào)技術(shù)
所謂節(jié)能空調(diào)技術(shù)， 是指根據(jù)需要冷卻的空間
或冷卻區(qū)域內(nèi)最大人數(shù)需求， 進(jìn)行制冷量或加熱量
控制， 從而達(dá)到節(jié)能目的。
常規(guī)船舶空調(diào)僅根據(jù)制冷區(qū)域內(nèi)回風(fēng)溫度進(jìn)行
制冷量或加熱量控制， 由于在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中， 空間溫
度調(diào)整的需求功率往往超過(guò)人員需求功率， 造成系
統(tǒng)功率浪費(fèi)， 同時(shí)由于系統(tǒng)運(yùn)行所需功率晝夜波動(dòng)
大， 電站負(fù)荷不穩(wěn)定， 須留有較大富裕功率， 造成
系統(tǒng)浪費(fèi)和燃油消耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 船舶空調(diào)占全船電
力（電力推進(jìn)船舶除外） 消耗２０％ ， 客船更是達(dá)到
４５％ ， 節(jié)能空間巨大。
節(jié)能空調(diào)在系統(tǒng)控制方面根據(jù)房間維持溫度和
是否有人進(jìn)行分區(qū)獨(dú)立控制， 取消中央供風(fēng)系統(tǒng)。
在設(shè)備優(yōu)化方面則將壓縮機(jī)電機(jī)改為變頻電機(jī)， 對(duì)
壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)采取變頻控制， 以減少風(fēng)噪與壓縮機(jī)
的啟停次數(shù)， 穩(wěn)定電站運(yùn)行功率。
總而言之， 節(jié)能空調(diào)一方面能有效降低空調(diào)機(jī)
組制冷量， 具有較高的節(jié)能效果， 另一方面節(jié)能空
調(diào)在安裝過(guò)程中僅需增設(shè)部分控制單元和變頻電機(jī)，
不需要過(guò)多投入， 同時(shí)可取消中央風(fēng)機(jī)單元等設(shè)備，
因此具有較好的適用性。
２暢４ 　新型能源應(yīng)用技術(shù)
新型能源應(yīng)用技術(shù)是一個(gè)很寬泛的概念， 包括
除常規(guī)柴油機(jī)推進(jìn)之外的多種能源推進(jìn)技術(shù)， 如電
力推進(jìn)技術(shù)、LNG 燃料技術(shù)、風(fēng)帆助力技術(shù)、燃料
電池技術(shù)、太陽(yáng)能技術(shù)等。其中尤以電力推進(jìn)技術(shù)
和LNG 燃料技術(shù)較為成熟。
２暢４暢１ 　電力推進(jìn)技術(shù)
電力推進(jìn)技術(shù)是采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳， 取代
常規(guī)柴油機(jī)推進(jìn)的一種新型船舶動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)。該
技術(shù)采用電能作為能量方式進(jìn)行傳遞， 將常規(guī)船舶
中的主推進(jìn)柴油機(jī)和電站合二為一， 采用多臺(tái)發(fā)電
機(jī)組作為全船的能量源， 由于發(fā)電柴油機(jī)較主推進(jìn)
柴油機(jī)工況穩(wěn)定， 能量利用率高， 因此具有極好的
節(jié)能效果。
柴油機(jī)的油耗在６０％ ～ １００％ 的負(fù)荷之間較低，
其中在８０％ 負(fù)荷左右最低， 這就形成了傳統(tǒng)機(jī)械推
進(jìn)和柴油機(jī)電力推進(jìn)在功率消耗上的差異。在電力
推進(jìn)系統(tǒng)中， 船舶電站由多臺(tái)相對(duì)功率較小的柴油
發(fā)電機(jī)組組成， 不同功率需求下可以通過(guò)選擇發(fā)電
機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)和負(fù)荷來(lái)保證每臺(tái)運(yùn)行機(jī)組的效率，
從而使每臺(tái)發(fā)電柴油機(jī)在多數(shù)運(yùn)行模式和時(shí)間下都
運(yùn)行在最佳工作區(qū)， 無(wú)需變速和頻繁啟停， 提高了
燃料的效率， 降低了氮氧化物的排放， 有利于節(jié)能
環(huán)保。同時(shí)， 在船舶制動(dòng)、減速時(shí)可以回收制動(dòng)能
量， 進(jìn)一步提高了運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 采用電
力推進(jìn)技術(shù)的船舶， 柴油機(jī)效率提高１０％ ～ １５％ ，
可節(jié)油１０％ 左右。除此之外， 電力推進(jìn)船舶還在機(jī)
動(dòng)性、可靠性、減振降噪、設(shè)備優(yōu)化布置方面具有
得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。
目前， 電力推進(jìn)以其高效率、高機(jī)動(dòng)性、高經(jīng)
濟(jì)性、高可靠性、高自動(dòng)化、高環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)， 廣泛
應(yīng)用于海洋工程船、科考船、挖泥船、輪渡、豪華
郵輪、軍船等軍民特種船舶領(lǐng)域， 已成為新一代高
技術(shù)綠色船舶的首選推進(jìn)型式。
２暢４暢２ 　LNG 燃料技術(shù)
LNG 燃料技術(shù)， 顧名思義是采用液化天然氣
（LNG） 作為燃料替代船用柴油的技術(shù)。相對(duì)于船
用柴油， LNG 的價(jià)格較低， 作為燃料燃燒時(shí)沒(méi)有硫
氧化物排放， 氮氧化物和固體顆粒排放顯著降低，
二氧化碳的排放也非常低。因此LNG 燃料既能滿
足國(guó)際環(huán)保規(guī)則的要求， 又能保持較高的性價(jià)比。
目前， 除了LNG 船舶上大量使用LNG 燃料技
術(shù)外， 在國(guó)外一些使用LNG 燃料的渡船已在北海
地區(qū)服務(wù)。據(jù)這些船東介紹， 該船舶的氮氧化物的
排放量減少了８９％ ， 二氧化碳的排放減少了２０％ ，
氧化硫排放量則減少了１００％ 。在國(guó)內(nèi)， 由中石油
集團(tuán)牽頭， 濟(jì)柴武漢發(fā)動(dòng)機(jī)廠、昆侖能源、武漢交
發(fā)船舶設(shè)計(jì)有限公司共同進(jìn)行“氣化長(zhǎng)江” 柴油機(jī)
－ LNG 雙燃料船舶改造項(xiàng)目。該項(xiàng)目對(duì)于推動(dòng)水運(yùn)
領(lǐng)域以氣代油、低碳環(huán)保， 內(nèi)河航運(yùn)的綠色發(fā)展，
具有戰(zhàn)略意義。據(jù)悉， 項(xiàng)目自２０１１ 年啟動(dòng)， 目前濟(jì)
柴武漢發(fā)動(dòng)機(jī)廠已完成多條船的改造試航工作， 還
為國(guó)內(nèi)首艘新建LNG 雙燃料動(dòng)力散貨船提供了性
能優(yōu)良的發(fā)動(dòng)機(jī)。另一方面， ２０１３ 年９ 月， 全國(guó)首
個(gè)水上LNG 加注站已經(jīng)試運(yùn)行， 與此同時(shí)還有多
個(gè)加注站處于建設(shè)和審批環(huán)節(jié)， 這些LNG 加注站
的建設(shè)將會(huì)加快LNG 燃料技術(shù)的應(yīng)用。
LNG 燃料技術(shù)以前主要應(yīng)用于LNG 船舶， 目
前通過(guò)LNG 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)和加氣站的建立，
已經(jīng)具備產(chǎn)業(yè)推廣條件。
· ３ ·
艦　船　科　學(xué)　技　術(shù)第３６ 卷
２暢４暢３ 　其他可再生能源技術(shù)
其它船舶可再生能源技術(shù)主要是利用燃料電池、
太陽(yáng)能、風(fēng)能以及波浪能等零污染、可再生能源作
為動(dòng)力或輔助動(dòng)力， 為船上所有設(shè)備提供能量。然
而， 由于這些資源的續(xù)航能力差、不穩(wěn)定、利用率
不高等缺點(diǎn)， 目前多處于小型概念船的研究階段，
距實(shí)船應(yīng)用推廣還有一定差距。
３ 　結(jié)　語(yǔ)
面對(duì)目前日益枯竭的石化資源和日益嚴(yán)重的環(huán)
境問(wèn)題， 發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、綠色船舶迫在眉睫。作為
船舶工業(yè)大國(guó)， 我們更應(yīng)該在節(jié)能環(huán)保方面走在世
界前列。一方面我們應(yīng)該深入了解新型船舶節(jié)能環(huán)
保技術(shù)， 從理論上尋求綠色船舶發(fā)展道路； 另一方
面我們應(yīng)深入分析新技術(shù)在實(shí)船上的應(yīng)用情況， 從
實(shí)踐中探索投資回報(bào)率高的綠色船舶發(fā)展方向。只
有這樣才能將船舶節(jié)能環(huán)保落到實(shí)處， 進(jìn)行市場(chǎng)
推廣。
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