笔记：低碳航运的船舶优化策略

1、低碳航运的船舶优化策略Victor N. ArmstrongOcean Engineering摘要：技术优化措施有：安装螺旋桨毂帽鳍，调距桨重新设计，燃油滑动阀升级，主机气缸注油器改造，节能装置声波清洗，气缸油耗优化操作优化措施有：货物加热管理，气象导航，船体和螺旋桨性能监测，主机性能监测商业优化策略有：从商业角度发展一些可以更好理解技术和操作上限制的工具。（降速航行；航速与燃料模型）协调利益相关者的利益，减少航运业对温室气体排放的影响。简介：本文主要讨论了一些能够对降低油耗和低碳航运有所帮助的优化策略。主要研究资料来源于Teekay 公司经营的 aframax型油轮船队世界经济的影响：200

2、8年航运业开始节能减排的管理控制，经济危机后开始向燃油效率和能源保护转型，成本最小化和利益最大化低碳航运和优化策略：优化策略的实施过程要遵循戴明循环：计划：调查分析，制定计划设计和执行：设计，试制，试验检查：检查执行情况，预期效果对比处理：采取处理措施，成功经验标准化，遗留问题转入下一循环过程 一、 设计优化措施深入了解分析技术和营运数据分析不同利益相关者预期期望的差距利用第一性原则，支持工程实践发展工具将技术与商业营运联系在一起历史分析：2008年航行里程和油耗量达到顶峰；单位油耗的航行里程逐年升高2000年之后的船有过剩的储备功率，由于低油价这些船为满足市场需求加大了主机尺寸，从而也增加了

3、油耗。这些储备功率带来盈利的方式是通过降速，从14.7到14，增加载货量从80%到98%。部分优化策略：修改涡轮增压器，再调整发动机正时；安装转换效率更高的螺旋桨；改进轴带发电机，避免在海上运行时的一些惯例。前提：适当的供应商支持；成本效益量化；投资回报分析验证优化措施时要确保：a) 船上的所有的能耗机械都要运行并得以利用 1、达到最大效率 2、不要有能量损失，如蒸汽泄漏、空气泄漏等。b) 按标准来评估运行参数和性能参数c) 查明其他的节能措施二、评估优化措施 系统性的方法，拥有理论基础和结构式的评价体系 框架因素3R：风险（安全性，环保性）、可靠性（权衡短期收益和长期损失，声誉，船舶可利用性

4、）、收益三、实施优化措施包装倡议：联系实际：新的倡议应该被包装成一个有说服力的案例来应对各种各样的问题。变更管理：通过有效的沟通和合理的进程提出明确的预期目标，明确好各个利益持有者的相关责任。技术领导项目：该项目被用作一个平台来处理诸如利益相关者的参与、义务、反馈机制、标准和成功措施等优化倡议的特殊要求。四、优化效益的量化分析量化分析是用来衡量提议的效果的，这就要求要制定标准，而不是凭借经验主义或者历史数据来验证优化提议的影响力。 当我们在不断提升的过程中的时候，围绕非传统标准如何应用的讨论就会时有发生。衡量以及量化分析等都会给优化策略精准的调整，成为整个推进过程中的一部分。五、反馈和优化成果

5、及收益的回顾分析 在以下三个水平上来实施反馈和回顾过程分析： 船：鼓励终端用户参与。规律性反馈，或者即时反馈。运行参数与基准的对照。 船舶管理者：性能和提升范畴 高级管理层：性能增强，船队效率和效果量化分析性能优化工具 优化被分为两类：提升效率和维持效率营运优化：l 船体和螺旋桨性能优化船舶性能计算分析工具是用来监测船队船体和螺旋桨性能参数的。通过海上试验的数据，为每艘船都建立了一个数学性能模型，覆盖了所有的速度以及吃水深度。由于船体或者螺旋桨的工况而引起的增加的阻力被称之为附加阻力。船只每周都会提交观测记录，一旦开始有恶化状况，出现的偏差就会立马被标记（图六）。l 主机性能优化最大气缸压力每

6、增加1bar，燃油消耗率就会减少0.1-0.2g/Kw·h。主机性能参数实时反馈监测工具（图七）对被刮下的气缸润滑油进行分析用来诊断和故障诊断维修保养以及性能分析主机全工况监测（图八）l 货物加热管理货物加热管理由于还没有建立起相关标准和指导原则，目前主要采用历史数据分析方法。货物加热管理分析（图九）货物温度和油耗按照预料结果进行标准化测试，具体实施过程由船员按照规定进行。合理的工程实践也要加入货物加热计划，根据对周围环境的仿真模拟，计算货物吸收的热量从而得出货物温度的升降。经过优化，船队货物加热日油耗量从之前的8公吨一年后减为5.5公吨，现在只有3.9公吨。（图十一）l 航线优化根

7、据气流和天气预告，在减小航行风险的同时进行距离和航行时间上的优化。航线优化在整合进航行计划的过程中还要考虑到安全管理、成本管理、排放管理以及避免因天气而引起的毁坏和延期等因素。在抛开时间节约的情况下，燃油节约最高达到3%。（图十二）l 吃水差优化吃水差优化是减小船体阻力，例如在部分负载航行中保持船首和螺旋桨的浸没。现在主要是在不同排水量情况下获得不同的吃水差条件，进行运行试验。在进行吃水差优化时要监测弯曲力矩和剪切力的情况。在吃水差优化概念奏效之后，经测试的船只的燃油节约小于1%。因为吃水差优化只适用于较高速航行，而降速航行的优化策略显然要重要的多，而这正好限制了吃水差优化策略向更远的发展。技

8、术优化l 螺旋桨毂帽鳍改进螺旋桨毂帽鳍：在普通螺旋桨毂帽表面上安装几个适当的叶片而构成的一种螺旋桨节能装置。一方面吸收螺旋桨尾流的旋转能量，产生正转距，另一方面又消除或减弱螺旋桨的毂涡，起整流作用，从而减小毂涡阻力，提高螺旋桨的效率。（图十四、十五、十六）2011年的一个试验表明毂帽鳍装置可以减小大约3%的转矩，增大超过1%的推力，能提升3-5%的燃油效率。l 调距桨设计为传统的轮船设计调距桨之后，可以更好的优化其机动性，并潜在的能节省5%的燃油消耗。（图十七）l 燃油滑动阀升级（图十八）改进燃油滑动阀可以达到以下效果：1. 提升主机低负荷工况下的运行性能2. 由高压喷射和雾化带来的更好的燃烧

9、过程3. 减少废气污染4. 减少活塞上止点的油滴淤塞5. 减少烟囱排气中的可见黑烟6. 降低废气中碳氢化合物、氮氧化物以及颗粒物的排放水平l 气缸润滑油油耗量优化优化气缸润滑油的理念是基于最好的整体经济性和安全的气缸条件。投入过量的气缸润滑油会有以下两个消极影响：1. 在上止点处会有碳积聚物增加磨损和开裂，从而会影响性能及可靠性。2. 会完全抑制冷腐蚀，限制开放式石墨衬垫表层的更新。而我们只需要控制冷腐蚀，而不是完全阻止它。Teekay在气缸润滑油优化方面已经成为典范自2002年， 在过去十年，累计滑油节省已超过1500万公升。传统的滑油是基于主机转速的，而阿尔法滑油注油器是基于主机负载的。而

10、且此种注油器可以使船舶在主机低至10%的负载下进行超低速航行。l 节热器的声波清洗声波清洗器主要用于规律性地清洁节热器中的碳沉积物，提升节热器的效率。即使在很长的航行过程中需要补充蒸汽时，也不再需要辅助锅炉。声波清洗器通过声波产生能量来阻止悬浮的微粒附着在设备表层而形成一层很硬的膜层。商业优化l 降速航行综合评估包括功率优化研究、螺旋桨改进、主机降额和速度优化等，降速航行是最有前景的优化策略。降速航行指南是用于在低负载（25%的主机负荷），超低负载（10%的主机负荷）情况下最小持续航速。随之的有风险评估修订，燃油滑阀，阿尔法滑油注油器，声波清洗器，用于降速航行的燃油喷嘴和辅助风机电机都要加入到

11、这个修改当中。而且这些改造可以尽可能减少扫气着火和节热器污染。在超过十八个月的采取降速航行的经历中，没有报告出由于降速航行策略而引起操作上或者技术上的事故。图二十一，自2008年至2010年，空载航速降低了1.6节，敷在航速降低了1.1节。图二十二，降低0.5节每天就可以节省5公吨的燃油，减少16公吨的碳排放量。l 航速和油耗模型航速和油耗动力模型是用来更加精确的为船队确定航行预算。船体涂料和维修保养策略两个同样的姊妹船只，在它们的第十年保养期，一个用最高等级的自抛光共聚物涂料，一个用传统等级的涂料，根据保养性能换算得出每个可以节省约2.5公吨的燃料。（图二十四）继续改善和进一步的优化策略l

12、作为气缸滑油优化的一个补充，增加气缸排出滑油分析工具l 增加柴油机性能分析工具来衡量主辅机性能l 增加轴功率仪，精确测量功率l 安装温控阀主机轴承监测系统保证优化的可靠性l 升级主机滑油过滤器，减少滑油引起故障l 发展船舶能效管理计划（SEEMP）利益相关者的参与众多优化策略中降速航行最为突出，平均65%的航速只需要35%的油耗量就可以完成。但是降速航行的持续性是和市场条件联系在一起的，这包括油价、运费和市场需求。这就意味着当世界经济完全得以恢复的时候，正常的降速航行只能回复到2009年前的水平。在利益相关者致力于一个更绿色的环境和低碳航运的同时，他们对优化的追求也会随着资源利用和经济变化而改变。这就要所有的利益相关者形成一个联盟来共同维持低碳航运的进行。降速、能源成本和利益是紧密相联系的。国际组织势必要降低二氧化碳排放量，而通过短程模拟仿真，降速可以非常大做到这些。对于一个集装箱船来说，航速减半可以让碳排放量削减高达70%。如果为了保持计划航次的频率不变，就要增加额外的船只，这样的话即使降速航行会增大成本，但是二氧化碳排放量仍然是减少的。结论在全球经济缓慢恢复的时候，船舶运营者们也要相应达到诸如压载水处理、硫排放控制、氮氧化物排