筆記：低碳航運(yùn)的船舶優(yōu)化策略

1、低碳航運(yùn)的船舶優(yōu)化策略Victor N. ArmstrongOcean Engineering摘要：技術(shù)優(yōu)化措施有：安裝螺旋槳轂帽鰭，調(diào)距槳重新設(shè)計(jì)，燃油滑動(dòng)閥升級(jí)，主機(jī)氣缸注油器改造，節(jié)能裝置聲波清洗，氣缸油耗優(yōu)化操作優(yōu)化措施有：貨物加熱管理，氣象導(dǎo)航，船體和螺旋槳性能監(jiān)測(cè)，主機(jī)性能監(jiān)測(cè)商業(yè)優(yōu)化策略有：從商業(yè)角度發(fā)展一些可以更好理解技術(shù)和操作上限制的工具。（降速航行；航速與燃料模型）協(xié)調(diào)利益相關(guān)者的利益，減少航運(yùn)業(yè)對(duì)溫室氣體排放的影響。簡(jiǎn)介：本文主要討論了一些能夠?qū)档陀秃暮偷吞己竭\(yùn)有所幫助的優(yōu)化策略。主要研究資料來(lái)源于Teekay 公司經(jīng)營(yíng)的 aframax型油輪船隊(duì)世界經(jīng)濟(jì)的影響：200

2、8年航運(yùn)業(yè)開(kāi)始節(jié)能減排的管理控制，經(jīng)濟(jì)危機(jī)后開(kāi)始向燃油效率和能源保護(hù)轉(zhuǎn)型，成本最小化和利益最大化低碳航運(yùn)和優(yōu)化策略：優(yōu)化策略的實(shí)施過(guò)程要遵循戴明循環(huán)：計(jì)劃：調(diào)查分析，制定計(jì)劃設(shè)計(jì)和執(zhí)行：設(shè)計(jì)，試制，試驗(yàn)檢查：檢查執(zhí)行情況，預(yù)期效果對(duì)比處理：采取處理措施，成功經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化，遺留問(wèn)題轉(zhuǎn)入下一循環(huán)過(guò)程 一、 設(shè)計(jì)優(yōu)化措施深入了解分析技術(shù)和營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)分析不同利益相關(guān)者預(yù)期期望的差距利用第一性原則，支持工程實(shí)踐發(fā)展工具將技術(shù)與商業(yè)營(yíng)運(yùn)聯(lián)系在一起歷史分析：2008年航行里程和油耗量達(dá)到頂峰；單位油耗的航行里程逐年升高2000年之后的船有過(guò)剩的儲(chǔ)備功率，由于低油價(jià)這些船為滿(mǎn)足市場(chǎng)需求加大了主機(jī)尺寸，從而也增加了

3、油耗。這些儲(chǔ)備功率帶來(lái)盈利的方式是通過(guò)降速，從14.7到14，增加載貨量從80%到98%。部分優(yōu)化策略：修改渦輪增壓器，再調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)；安裝轉(zhuǎn)換效率更高的螺旋槳；改進(jìn)軸帶發(fā)電機(jī)，避免在海上運(yùn)行時(shí)的一些慣例。前提：適當(dāng)?shù)墓?yīng)商支持；成本效益量化；投資回報(bào)分析驗(yàn)證優(yōu)化措施時(shí)要確保：a) 船上的所有的能耗機(jī)械都要運(yùn)行并得以利用 1、達(dá)到最大效率 2、不要有能量損失，如蒸汽泄漏、空氣泄漏等。b) 按標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估運(yùn)行參數(shù)和性能參數(shù)c) 查明其他的節(jié)能措施二、評(píng)估優(yōu)化措施 系統(tǒng)性的方法，擁有理論基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)式的評(píng)價(jià)體系 框架因素3R：風(fēng)險(xiǎn)（安全性，環(huán)保性）、可靠性（權(quán)衡短期收益和長(zhǎng)期損失，聲譽(yù)，船舶可利用性

4、）、收益三、實(shí)施優(yōu)化措施包裝倡議：聯(lián)系實(shí)際：新的倡議應(yīng)該被包裝成一個(gè)有說(shuō)服力的案例來(lái)應(yīng)對(duì)各種各樣的問(wèn)題。變更管理：通過(guò)有效的溝通和合理的進(jìn)程提出明確的預(yù)期目標(biāo)，明確好各個(gè)利益持有者的相關(guān)責(zé)任。技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)項(xiàng)目：該項(xiàng)目被用作一個(gè)平臺(tái)來(lái)處理諸如利益相關(guān)者的參與、義務(wù)、反饋機(jī)制、標(biāo)準(zhǔn)和成功措施等優(yōu)化倡議的特殊要求。四、優(yōu)化效益的量化分析量化分析是用來(lái)衡量提議的效果的，這就要求要制定標(biāo)準(zhǔn)，而不是憑借經(jīng)驗(yàn)主義或者歷史數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證優(yōu)化提議的影響力。 當(dāng)我們?cè)诓粩嗵嵘倪^(guò)程中的時(shí)候，圍繞非傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)如何應(yīng)用的討論就會(huì)時(shí)有發(fā)生。衡量以及量化分析等都會(huì)給優(yōu)化策略精準(zhǔn)的調(diào)整，成為整個(gè)推進(jìn)過(guò)程中的一部分。五、反饋和優(yōu)化成果

5、及收益的回顧分析 在以下三個(gè)水平上來(lái)實(shí)施反饋和回顧過(guò)程分析： 船：鼓勵(lì)終端用戶(hù)參與。規(guī)律性反饋，或者即時(shí)反饋。運(yùn)行參數(shù)與基準(zhǔn)的對(duì)照。 船舶管理者：性能和提升范疇 高級(jí)管理層：性能增強(qiáng)，船隊(duì)效率和效果量化分析性能優(yōu)化工具 優(yōu)化被分為兩類(lèi)：提升效率和維持效率營(yíng)運(yùn)優(yōu)化：l 船體和螺旋槳性能優(yōu)化船舶性能計(jì)算分析工具是用來(lái)監(jiān)測(cè)船隊(duì)船體和螺旋槳性能參數(shù)的。通過(guò)海上試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，為每艘船都建立了一個(gè)數(shù)學(xué)性能模型，覆蓋了所有的速度以及吃水深度。由于船體或者螺旋槳的工況而引起的增加的阻力被稱(chēng)之為附加阻力。船只每周都會(huì)提交觀(guān)測(cè)記錄，一旦開(kāi)始有惡化狀況，出現(xiàn)的偏差就會(huì)立馬被標(biāo)記（圖六）。l 主機(jī)性能優(yōu)化最大氣缸壓力每

6、增加1bar，燃油消耗率就會(huì)減少0.1-0.2g/Kw·h。主機(jī)性能參數(shù)實(shí)時(shí)反饋監(jiān)測(cè)工具（圖七）對(duì)被刮下的氣缸潤(rùn)滑油進(jìn)行分析用來(lái)診斷和故障診斷維修保養(yǎng)以及性能分析主機(jī)全工況監(jiān)測(cè)（圖八）l 貨物加熱管理貨物加熱管理由于還沒(méi)有建立起相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)原則，目前主要采用歷史數(shù)據(jù)分析方法。貨物加熱管理分析（圖九）貨物溫度和油耗按照預(yù)料結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試，具體實(shí)施過(guò)程由船員按照規(guī)定進(jìn)行。合理的工程實(shí)踐也要加入貨物加熱計(jì)劃，根據(jù)對(duì)周?chē)h(huán)境的仿真模擬，計(jì)算貨物吸收的熱量從而得出貨物溫度的升降。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，船隊(duì)貨物加熱日油耗量從之前的8公噸一年后減為5.5公噸，現(xiàn)在只有3.9公噸。（圖十一）l 航線(xiàn)優(yōu)化根

7、據(jù)氣流和天氣預(yù)告，在減小航行風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)進(jìn)行距離和航行時(shí)間上的優(yōu)化。航線(xiàn)優(yōu)化在整合進(jìn)航行計(jì)劃的過(guò)程中還要考慮到安全管理、成本管理、排放管理以及避免因天氣而引起的毀壞和延期等因素。在拋開(kāi)時(shí)間節(jié)約的情況下，燃油節(jié)約最高達(dá)到3%。（圖十二）l 吃水差優(yōu)化吃水差優(yōu)化是減小船體阻力，例如在部分負(fù)載航行中保持船首和螺旋槳的浸沒(méi)?，F(xiàn)在主要是在不同排水量情況下獲得不同的吃水差條件，進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)。在進(jìn)行吃水差優(yōu)化時(shí)要監(jiān)測(cè)彎曲力矩和剪切力的情況。在吃水差優(yōu)化概念奏效之后，經(jīng)測(cè)試的船只的燃油節(jié)約小于1%。因?yàn)槌运顑?yōu)化只適用于較高速航行，而降速航行的優(yōu)化策略顯然要重要的多，而這正好限制了吃水差優(yōu)化策略向更遠(yuǎn)的發(fā)展。技

8、術(shù)優(yōu)化l 螺旋槳轂帽鰭改進(jìn)螺旋槳轂帽鰭：在普通螺旋槳轂帽表面上安裝幾個(gè)適當(dāng)?shù)娜~片而構(gòu)成的一種螺旋槳節(jié)能裝置。一方面吸收螺旋槳尾流的旋轉(zhuǎn)能量，產(chǎn)生正轉(zhuǎn)距，另一方面又消除或減弱螺旋槳的轂渦，起整流作用，從而減小轂渦阻力，提高螺旋槳的效率。（圖十四、十五、十六）2011年的一個(gè)試驗(yàn)表明轂帽鰭裝置可以減小大約3%的轉(zhuǎn)矩，增大超過(guò)1%的推力，能提升3-5%的燃油效率。l 調(diào)距槳設(shè)計(jì)為傳統(tǒng)的輪船設(shè)計(jì)調(diào)距槳之后，可以更好的優(yōu)化其機(jī)動(dòng)性，并潛在的能節(jié)省5%的燃油消耗。（圖十七）l 燃油滑動(dòng)閥升級(jí)（圖十八）改進(jìn)燃油滑動(dòng)閥可以達(dá)到以下效果：1. 提升主機(jī)低負(fù)荷工況下的運(yùn)行性能2. 由高壓噴射和霧化帶來(lái)的更好的燃燒

9、過(guò)程3. 減少?gòu)U氣污染4. 減少活塞上止點(diǎn)的油滴淤塞5. 減少煙囪排氣中的可見(jiàn)黑煙6. 降低廢氣中碳?xì)浠衔铩⒌趸镆约邦w粒物的排放水平l 氣缸潤(rùn)滑油油耗量?jī)?yōu)化優(yōu)化氣缸潤(rùn)滑油的理念是基于最好的整體經(jīng)濟(jì)性和安全的氣缸條件。投入過(guò)量的氣缸潤(rùn)滑油會(huì)有以下兩個(gè)消極影響：1. 在上止點(diǎn)處會(huì)有碳積聚物增加磨損和開(kāi)裂，從而會(huì)影響性能及可靠性。2. 會(huì)完全抑制冷腐蝕，限制開(kāi)放式石墨襯墊表層的更新。而我們只需要控制冷腐蝕，而不是完全阻止它。Teekay在氣缸潤(rùn)滑油優(yōu)化方面已經(jīng)成為典范自2002年， 在過(guò)去十年，累計(jì)滑油節(jié)省已超過(guò)1500萬(wàn)公升。傳統(tǒng)的滑油是基于主機(jī)轉(zhuǎn)速的，而阿爾法滑油注油器是基于主機(jī)負(fù)載的。而

10、且此種注油器可以使船舶在主機(jī)低至10%的負(fù)載下進(jìn)行超低速航行。l 節(jié)熱器的聲波清洗聲波清洗器主要用于規(guī)律性地清潔節(jié)熱器中的碳沉積物，提升節(jié)熱器的效率。即使在很長(zhǎng)的航行過(guò)程中需要補(bǔ)充蒸汽時(shí)，也不再需要輔助鍋爐。聲波清洗器通過(guò)聲波產(chǎn)生能量來(lái)阻止懸浮的微粒附著在設(shè)備表層而形成一層很硬的膜層。商業(yè)優(yōu)化l 降速航行綜合評(píng)估包括功率優(yōu)化研究、螺旋槳改進(jìn)、主機(jī)降額和速度優(yōu)化等，降速航行是最有前景的優(yōu)化策略。降速航行指南是用于在低負(fù)載（25%的主機(jī)負(fù)荷），超低負(fù)載（10%的主機(jī)負(fù)荷）情況下最小持續(xù)航速。隨之的有風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估修訂，燃油滑閥，阿爾法滑油注油器，聲波清洗器，用于降速航行的燃油噴嘴和輔助風(fēng)機(jī)電機(jī)都要加入到

11、這個(gè)修改當(dāng)中。而且這些改造可以盡可能減少掃氣著火和節(jié)熱器污染。在超過(guò)十八個(gè)月的采取降速航行的經(jīng)歷中，沒(méi)有報(bào)告出由于降速航行策略而引起操作上或者技術(shù)上的事故。圖二十一，自2008年至2010年，空載航速降低了1.6節(jié)，敷在航速降低了1.1節(jié)。圖二十二，降低0.5節(jié)每天就可以節(jié)省5公噸的燃油，減少16公噸的碳排放量。l 航速和油耗模型航速和油耗動(dòng)力模型是用來(lái)更加精確的為船隊(duì)確定航行預(yù)算。船體涂料和維修保養(yǎng)策略?xún)蓚€(gè)同樣的姊妹船只，在它們的第十年保養(yǎng)期，一個(gè)用最高等級(jí)的自?huà)伖夤簿畚锿苛?，一個(gè)用傳統(tǒng)等級(jí)的涂料，根據(jù)保養(yǎng)性能換算得出每個(gè)可以節(jié)省約2.5公噸的燃料。（圖二十四）繼續(xù)改善和進(jìn)一步的優(yōu)化策略l

12、作為氣缸滑油優(yōu)化的一個(gè)補(bǔ)充，增加氣缸排出滑油分析工具l 增加柴油機(jī)性能分析工具來(lái)衡量主輔機(jī)性能l 增加軸功率儀，精確測(cè)量功率l 安裝溫控閥主機(jī)軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保證優(yōu)化的可靠性l 升級(jí)主機(jī)滑油過(guò)濾器，減少滑油引起故障l 發(fā)展船舶能效管理計(jì)劃（SEEMP）利益相關(guān)者的參與眾多優(yōu)化策略中降速航行最為突出，平均65%的航速只需要35%的油耗量就可以完成。但是降速航行的持續(xù)性是和市場(chǎng)條件聯(lián)系在一起的，這包括油價(jià)、運(yùn)費(fèi)和市場(chǎng)需求。這就意味著當(dāng)世界經(jīng)濟(jì)完全得以恢復(fù)的時(shí)候，正常的降速航行只能回復(fù)到2009年前的水平。在利益相關(guān)者致力于一個(gè)更綠色的環(huán)境和低碳航運(yùn)的同時(shí)，他們對(duì)優(yōu)化的追求也會(huì)隨著資源利用和經(jīng)濟(jì)變化而改變。這就要所有的利益相關(guān)者形成一個(gè)聯(lián)盟來(lái)共同維持低碳航運(yùn)的進(jìn)行。降速、能源成本和利益是緊密相聯(lián)系的。國(guó)際組織勢(shì)必要降低二氧化碳排放量，而通過(guò)短程模擬仿真，降速可以非常大做到這些。對(duì)于一個(gè)集裝箱船來(lái)說(shuō)，航速減半可以讓碳排放量削減高達(dá)70%。如果為了保持計(jì)劃航次的頻率不變，就要增加額外的船只，這樣的話(huà)即使降速航行會(huì)增大成本，但是二氧化碳排放量仍然是減少的。結(jié)論在全球經(jīng)濟(jì)緩慢恢復(fù)的時(shí)候，船舶運(yùn)營(yíng)者們也要相應(yīng)達(dá)到諸如壓載水處理、硫排放控制、氮氧化物排