船舶高能效技術介紹

船舶高能效技術介紹CCS社審圖中心2013年01月08日2—典型舊散貨船綜合能量傳遞及消耗分布新舊散貨船能耗對比整船能量利用效率

27.82%※動力系統(tǒng)能量利用效率 19.03%※電力系統(tǒng)能量利用效率 27.61%※熱力系統(tǒng)能量利用效率 73.26%※主機能量利用效率

40.64%※發(fā)電機組能量利用效率 32.30%※單位貨物每小時耗能指標 150（kJ/t.h）3—新型散貨船綜合能量傳遞及消耗分布新舊散貨船能耗對比整船能量利用效率

32.58%※動力系統(tǒng)能量利用效率 20.88%※電力系統(tǒng)能量利用效率 31.97%※熱力系統(tǒng)能量利用效率 73.50%※主機能量利用效率

48.65%※發(fā)電機組能量利用效率 37.39%※單位貨物每小時耗能指標 117.11（kJ/t.h）4新舊散貨船能耗對比￥分析：5船舶高能效技術

5.電力系統(tǒng)優(yōu)化

3.高效動力系統(tǒng)

7.高效系統(tǒng)/系統(tǒng)

2.船舶輕量化技術

4.高效推進系統(tǒng)

6.新能源應用

8.新概念船型

1.船舶減阻技術

船舶高能效技術6主尺度和船型參數的優(yōu)化線型優(yōu)化減阻附體氣膜減阻減阻涂料首部線型優(yōu)化尾部線型優(yōu)化L、B/T、CP

、CB

、LCB、Cw…

航行減阻減少空氣阻力低空氣阻力上建的研究槳前節(jié)能附體槳后節(jié)能附體減少水阻力尾框高度、螺旋槳與船體間隙、機艙布置、螺旋槳軸線高度和主機的配合…前置導管、槳前反應鰭（定子）…轂帽鰭、舵球、扭曲舵…船舶減阻技術7高效推進系統(tǒng)CLT槳新式外形螺旋槳吊艙-電力推進船-機-槳優(yōu)化配合CRP槳HybridCRP槳NTP槳KAPPEL槳吊艙-電力推進8船舶輕量化技術（一）船體骨架形式優(yōu)化貨艙區(qū)域優(yōu)化貨艙區(qū)外結構優(yōu)化船體節(jié)點設計優(yōu)化高強度鋼的使用分艙布置優(yōu)化縱向構件優(yōu)化其他輕型材料的使用船體輕量化其他減重措施縱骨架式、橫骨架式、及縱橫混合骨架形式優(yōu)化設計縱骨或強框間距優(yōu)化縱骨剖面采用高強度鋼橫艙壁形式優(yōu)化9船舶輕量化技術（二）主機和發(fā)電機組優(yōu)化選型軸系的優(yōu)化設計管系優(yōu)化放樣布置形式、閥的類型其它機電設備強度材料鍋爐、熱交換器等設備輕量化布置材料10高效動力系統(tǒng)渦輪增壓技術智能型柴油機超長沖程低速機降功率使用Derating

Wartsila公司的RT-flex系列柴油機的共軌技術

MANB&W公司的ME系列型柴油機的電電噴技術EGB排氣旁通技術

高效柴油機Wartsila公司推出了X系列柴油機

MANB&W公司推出了G系列柴油機

低負荷運轉

降低摩擦功耗

兩級渦輪增壓技術

VTA(VariableTurbineArea）渦輪增壓技術

ECTauto-tuning柴油機電控調節(jié)

VT（可變噴嘴環(huán)

……11電力系統(tǒng)優(yōu)化船舶岸電技術智能電站變頻技術電力系統(tǒng)LED等

PTO12上層建筑：-1～3％

輕型結構設計；

節(jié)能照明及設備附屬結構：-1～3％

輕型結構設計

復合材料應用主船體結構：-3～5％

重量控制與結構優(yōu)化；少壓載設計船艏：-3～5％

線型優(yōu)化；壓浪裝置；濕表面：

-5～8％

表面焊縫處理；

減阻涂料船型優(yōu)化：

-2～3％

淺吃水超寬船型；主尺度、線型優(yōu)化；動力系統(tǒng)：

-5～20％

新型主機；余熱回收；

燃料改進；推進系統(tǒng)：

-5～10％

電力推進；船-槳-機優(yōu)化；新型節(jié)能推進方式；船艉：

-5～10％

線型優(yōu)化；

艉流能量回收；操縱系統(tǒng)優(yōu)化；在適當運用了高效節(jié)能技術的創(chuàng)新型綠色高能效散貨船上，能耗可以降低20~30％綜合節(jié)能效果13只能在設計航速和設計吃水時產生正效應球鼻艏只在其設計的航速上產生正效應船舶離靠碼頭和起拋錨時容易把球鼻碰壞艏部鑄鋼件的重量大

技術特點：首柱前移，進水角減小，改善肩部壓力梯度保留球鼻艏橫剖面形態(tài)，減小舭渦艏部排水量增加均衡滿載和壓載綜合性能兼顧傳統(tǒng)球鼻首的整流、消波作用排水量增加結構布置簡化焊接工作量減少，建造周期縮短船體重量減輕

節(jié)能效果：靜水中阻力減少波浪中阻力減少航速提高~3%

適用性：低速肥大船（傅汝德數小于0.2），如大型散貨船、油船吃水變化較大船舶（滿載和壓載航行）

成本：對于建造，無附加成本線型優(yōu)化是一項耗費時間的設計工作傳統(tǒng)球鼻首直型球首首部線型優(yōu)化14尾部線型優(yōu)化通過計算流體力學(CFD)模擬尾部伴流場船模試驗測試尾部伴流場加裝節(jié)能裝置后，再試驗分析船型特點；對于方型系數較大的船舶（如散貨船、油船等），盡量延長去流段的長度，以期減小去流角，從而使舭渦和尾部流線分離等現象盡量減小，振動也可以得到減??；尾部剖面形狀設計主要考慮對推進性能的影響，以提高槳盤面處伴流的均勻度，推進效率也就得到了提高，螺旋槳引起的振動也就越??；螺旋槳軸線高度和主機的配合；同時平行中體作相應的前移；對滿載狀態(tài)下的尾部伴流場進行分析；同時對壓載狀態(tài)下的伴流場、螺旋槳匹配及振動等也應測試分析；對于安裝低轉速、大直徑螺旋槳的船舶，瘦削的尾部更有利于滿足螺旋槳浸沒的要求；最后決定安不安裝節(jié)能裝置。優(yōu)化手段優(yōu)化方法尾部線型和螺旋槳的優(yōu)化匹配將大大提高螺旋槳的推進效率，甚至超過20%。15槳前節(jié)能裝置技術特點適用性節(jié)能效果新造船及船舶改裝導向葉片使水流預旋轉，從而提高螺旋槳效率節(jié)約燃油3~5%成本靈便型散貨船5萬美金；如果選擇國內設計單位，成本基本忽略不計，只考慮水池試驗的費用。先后應用到AFRAMAX油輪，HANDYMAX型，PANAMAX型，以及好望角型散裝貨船上應用實例螺旋槳槳前反應鰭16槳前節(jié)能裝置技術特點適用性節(jié)能效果新造船及船舶改裝由導管和專用導向葉片組成導管聚集水流，導向葉片使水流預旋轉，從而大大提高螺旋槳效率有助于提高操縱性節(jié)油4~8%，若配合貝克舵，將更大程度地提高推進效率和節(jié)省更多的油成本兩年收回投資成本應用實例35000噸散貨船Mewis導管17槳前節(jié)能裝置技術特點適用性節(jié)能效果方形系數0.84~0.86的肥胖型船直徑約為螺旋槳直徑的70~80%

考慮船體結構的加強船模試驗節(jié)能7~8%

實船試驗節(jié)能8~9%成本靈便型散貨船12萬美金；如果選擇國內設計單位，成本基本忽略不計，只考慮水池試驗的費用。50000噸油輪應用實例前置導管18槳后節(jié)能裝置

技術特點：吸收尾流能量使尾部流場趨于均勻適用性：新造船節(jié)能效果：船模試驗節(jié)能1~2%

實船試驗節(jié)能2~3%

成本：比較低

技術特點：鰭的數量和槳葉數相等吸收尾流能量減少空泡提高螺旋槳效率適用性：新造船節(jié)能效果：船模試驗節(jié)能2~4%

成本：靈便型散貨船7萬美金

技術特點：根據來流方向將舵不同高度處的剖面偏轉一個角度,使之與槳后尾流場有更充分的配合,進而提高和改善船舶的推進和操縱性能適用性：大型集裝箱船、油船、工程船、FPSO等節(jié)能效果：船模試驗節(jié)能2~3%

成本：不詳 舵、舵球及轂帽組合體節(jié)能裝置轂帽鰭扭曲舵高效螺旋槳技術特點適用性節(jié)能效果成本一個螺旋槳處于另一個的順流方位兩個螺旋槳相反方向旋轉相當復雜的傳動裝置要求優(yōu)秀的設計和精良的安裝工藝柴-電CRP系統(tǒng)，配置2個同心軸、1個特殊的齒輪箱和1套軸系容易損壞新造船2~15%昂貴，約3年回收成本CRP槳高效螺旋槳技術特點適用性節(jié)能效果成本克服了傳動裝置復雜的問題震動小，噪音低環(huán)保、操縱性好，機動性好破冰船、大型集裝箱船7~15%昂貴HybridCRP槳技術特點適用性節(jié)能效果成本在葉梢處剖面有邊界元葉梢處葉背負壓小于常規(guī)螺旋槳，而葉面壓力則大于常規(guī)螺旋槳減少了水動力螺距角提升螺旋槳效率油船、散貨船、滾裝船、客船、漁船等比較低船模試驗節(jié)能1~2%實船試驗節(jié)能2~3%高效螺旋槳CLT槳22高效螺旋槳技術特點適用性節(jié)能效果成本通過減小槳葉表面積以減少摩擦力，從而降低能量損失槳葉所受壓力平均分布螺旋槳傳遞到船體的激振力也將減少空泡特性也將得到改善有效降低螺旋槳重量和慣性大型散貨船、油船等 和常規(guī)槳相比，不增加任何額外費用。船模試驗節(jié)能3%實船試驗節(jié)能6%

某32500噸散貨船常規(guī)設計螺旋槳與NPT螺旋槳海試結果對比NPT槳231.技術特點

船體結構按照板格布置方向分為縱骨架式、橫骨架式和縱橫混合骨架式三種形式。在90年代之前由于造船工藝的限制，那個年代所造的船由于普遍噸位比較小，采用橫骨架式比較普遍，隨著造船技術的發(fā)展進步，造船工藝的持續(xù)改善，縱骨架式船體結構逐步成為主流，因其施工問題不再成為瓶頸，縱骨架式因其對總強度的貢獻使得船體結構重量更為經濟。

2.經濟性針對120車位滾裝船的主尺度為:兩柱間長(Lbp):134m;型寬(B):23.1m;設計吃水(T):5.1m;結構吃水(TS):5.14m;航速:VS=18.15kn。該船我們將上述兩種不同的骨架形式(縱骨架和橫骨架)的構件重量進行計算并將其進行比較。結論:縱骨架式的首部區(qū)域的構件重量為25119(kg),而橫骨架式的構件重量為32263(kg);縱骨架式的構件比橫骨架式的構件重量輕28%。當然本船較小且原設計年代較遠，所以樣本的選擇有一定的局限性。在目前新的設計中采用縱骨架式比采用橫骨架式實際輕不了這么多，但重量還是有較大的挖掘空間，并且采用縱骨架式的經濟性確實比橫骨架式好很多。輕量化技術一、船體骨架形式優(yōu)化243.結論及適用性縱骨架式結構常見于大型油船和礦砂船?？v橫混合骨架式結構主要應用于大中型散裝貨船，大中型油船，大中型集裝箱船。目前比較主流的設計是縱橫混合骨架式，即全船盡可能采用縱骨架式，除無法設置縱骨或施工無法滿足外?？v橫混合骨架形式很好的解決了船體總強度問題又合理地解決了施工工藝，尤其重要的是，在這種骨架形式中，主船體以及首部的縱骨架形式使得船體結構的重量更輕，經濟性更好，符合目前運輸船追求高能效的要求。由此可見，以縱骨架式為主的縱橫混合骨架形式是在未來運輸商船的新造船船體骨架形式選擇中是值得推廣的。輕量化技術一、船體骨架形式優(yōu)化251.技術特點由于船舶的中橫剖面圖是船舶結構設計尤其是貨艙區(qū)的指針性文件，所以中橫剖面的優(yōu)化設計是結構設計的關鍵。因為對于大型運輸船而言，貨艙區(qū)的船體縱向構件的重量約占整個船體結構重量的60%以上，中橫剖面上構件的布置不僅直接影響到結構的功能和合理性，而且對空船重量產生直接影響。在初步確定構件布置基礎上，利用有關船級社規(guī)范進行中橫剖面構件尺寸計算，確定其大??；再經過仔細分析比較，適當調整布置尺寸，合理選用高強度鋼及組合型材，力求在保證船體結構強度的前提下，做出最優(yōu)的結構設計，以使構件重量最輕，提高市場競爭能力。2.優(yōu)化思路和方法2.1主尺度及分艙布置優(yōu)化2.2縱向構件優(yōu)化2.3橫艙壁形式的優(yōu)化2.4橫向強度的直接計算輕量化技術二、船體中橫剖面優(yōu)化262.1主尺度及分艙布置優(yōu)化

在設計的前期參與總布置的規(guī)劃?？v向貨油艙的位置及長度劃分通常要兼顧到艙容、總縱強度、破艙穩(wěn)性、裝卸方便等因素，統(tǒng)籌考慮安排，通過合理劃分艙容，布置壓載艙，減小船舶靜水彎矩和剪力，從而使船舶剖面模數要求降低，剖面面積減少，以達到減輕船體重量的目的。2.2縱向構件優(yōu)化 縱向構件的優(yōu)化設計對降低全船結構重量意義十分重大。優(yōu)化設計船體縱向構件的方法較多，縱向構件包括板和縱骨優(yōu)化，但這些方法中比較容易實現和較有效的，一是優(yōu)化設計縱骨或強框間距；二是優(yōu)化縱骨剖面（以剖面模數為原則，通過變化剖面形狀，得到最優(yōu)的剖面面積）；三是采用高強度鋼。輕量化技術272.2縱向構件優(yōu)化縱骨間距的優(yōu)化優(yōu)化必須滿足的要求——所有構件滿足規(guī)范的局部強度要求；——所有構件滿足規(guī)范的屈曲強度的要求；——所有構件滿足規(guī)范的腐蝕要求；——甲板處船體梁剖面模數滿足總強度儲備的要求。 優(yōu)化目標： 在各方案均滿足前面所設定的約束條件的前提下，追求中剖面縱向構件面積之和（表征縱向構件的重量）最小。輕量化技術28方案縱骨間距（mm）總強度儲備縱向構件面積（cm2）甲板（%）底部（%）A850107123.9120231B900107126.4122261C950107127.31224292.2縱向構件優(yōu)化優(yōu)化結果：

某VLCC三種縱骨間距方案縱向構件面積計算結果比較

在增加焊接工作量不多的前提下，主張采用略小的縱骨間距，更適合中國國情。輕量化技術292.3橫艙壁形式的優(yōu)化橫艙壁采用多種槽條組合型橫艙壁的結構形式．有效地解決了多邊形槽條的抗壓技術問題及澳大利亞貨艙梯的布置。槽型形狀的優(yōu)化，在滿足模數和強度的前提下，通過變化不同的形狀組合，得到最輕的單位長度重量。槽型艙壁采用級別較高的高強度鋼對重量控制比較有利。

2.4橫向強度的直接計算通過有限元法，既能找出高應力區(qū)域，同時也找出設計裕度較大的地方并減輕其重量；在屈曲強度不滿足規(guī)范要求的區(qū)域，綜合平衡加屈曲加強筋和增加板厚之間的重量差異，選取最佳方案。

輕量化技術30三、船體貨艙外結構優(yōu)化結構選用合理的骨架形式；基本結構的布置盡可能考慮所有構件的應力水平既不至于太高，也不至于很低，去除冗余結構，做到材盡其用。優(yōu)化首尖艙結構平臺布置；優(yōu)化尾尖艙平臺布置，并采用輕型尾部結構設計模式；優(yōu)化機艙布置，減少冗余結構；完善壓載水置換方案，控制最小結構首吃水；完善艙室布置，減少冗余的鐵圍壁，但設置必要的替代支柱。完善其他設備、艙室和油艙的布置，盡量考慮上下、前后對齊和利用強框結構；輕量化技術31四、船體高強度鋼的應用

1.技術特點選用船體構件材料主要是考慮經濟性，在保證船體強度和使用要求下船體結構重量的減少，意味著船舶載重量的增加，經濟性的指標更高。因此在運輸商船的設計中，往往把注意力集中到高強度鋼的應用上，以期減輕船體結構的重量。 使用高強度鋼的優(yōu)勢包括：減少船體鋼料重量、增加了載重量。

但對于高強度鋼的使用最需要考慮的就是其對疲勞壽命的潛在影響。特別是對于大型船，本身剛度就比較低，加上高強度鋼的大量使用，會導致船體剛度再進一步降低。因此，各船級社對一些主尺度超過一定限制的大型船舶提出了強制執(zhí)行疲勞強度分析的要求，保證了船舶的疲勞壽命。

2.經濟性某巴拿馬型油船的高強鋼使用情況比較表高強度鋼應用情況船體結構重量(t)與方案1相比重量差(t)高強度鋼占結構重量的比例(%)全船采用普通鋼（方案1）12192--僅貨艙區(qū)甲板采用32公斤高強度鋼1189529713貨艙區(qū)甲板、底部采用32公斤級高強度鋼1162057236結論：高強度鋼的使用對于空船重量的控制是十分有效的輕量化技術32四、船體高強度鋼的應用

3.結論及適用性

散貨船高強度鋼的使用比例一般與船東的要求直接相關，船東會對高強度鋼的使用比例在建造規(guī)格書中加以嚴格限制。對于好望角型的大型散貨船，高強度鋼的實際使用比例可能會超過50％，甚至達到80%左右。所以在保證疲勞強度的前提下盡可能多使用高強度鋼對經濟性十分可觀。 高強度鋼材料本身并非疲勞問題的根源，但高強度鋼結構處的高應力會引起疲勞成為主要失效模式。因此，為了平衡船體結構減重和保證船體疲勞壽命這對矛盾，必須通過直接計算找出高強度鋼使用的一個最佳比例。輕量化技術33五、船體節(jié)點設計優(yōu)化

近幾十年來，疲勞裂縫引起的船舶損傷事件越來越多，船舶結構的疲勞破壞越來越引起人們的充分重視，如何改進船舶結構設計，提高疲勞壽命成為一項重要的課題。 在設計時，可通過疲勞強度校核，適當改進結構節(jié)點的設計，選擇合適的鋼種、構件尺寸、節(jié)點形式、焊接工藝以及表面打磨狀態(tài)等，以保證船體結構中受交變載荷作用的構件有足夠的疲勞壽命。同時驗船部門和用船者在平時維護和檢查中應當特別注意。輕量化技術34六、其他新型材料的應用

1.SPS鋼板

SPS鋼板(“sandwichplatesystem”)是將聚氨酯彈性體注入兩層鋼板之間作為加固材料。自上個世紀90年代面世以來SPS鋼板在船舶修理方面得到了一定應用。SPS聚氨酯夾芯板體系與傳統(tǒng)的鋼材比起來可以節(jié)約鋼板和成本，同時減輕船體重量。 目前SPS鋼板已經在輕質車輛甲板、煙囪、上層建筑結構、艙口蓋、艙口圍和貨艙結構等方面得到了應用。國內鋼企對于這種新型材料也表現了較高的積極性，相信隨著技術的成熟，本材料必將大規(guī)模用于新造船中。普通鋼板船體結構SPS復合鋼板船體結構輕量化技術35六、其他新型材料的應用

2.其他輕質材料2.1管系材料的選擇：上建內的供水管采用PERT（耐高溫85℃）材料，疏排水管采用PVC材料，這樣可以一定程度地減輕空船重量。這些技術已經非常成熟。

目前，日本船廠較多采用玻璃鋼材料做壓載水管，雖然初期投資并不較少，但在船舶的營運過程中，維修成本得以大大降低，并且也在一定程度上減輕了空船重量。 其它管系的管子規(guī)格在滿足規(guī)范的前提下，壁厚可參照日韓船廠的選用標準，尤其是大口徑的液貨、壓載、海水管。2.2內裝材料的選擇：采用超輕質甲板敷料，容重800kg/m3，減輕船體重量。艙室內裝板采用25mm鋁蜂窩板，減輕船體重量。優(yōu)化衛(wèi)生單元減輕整體單元重量（建議采用用于高鐵內裝墻體的最新材料SMC，可大幅減輕單元重量）。輕量化技術36七、其他減重措施的研究與分析

船舶減重，除了船體結構設計方面需要進行優(yōu)化外，還存在很多其他減重措施可以實施。減重是一個系統(tǒng)的工程，關系到船體結構、設備選型、設備制造、工業(yè)水平和工藝等各方面。1.概述2.用鋼板焊接形式替代翻砂鑄造 鑄造產品不但工人勞動強度大、笨重、費料，而且造成環(huán)境污染。如：船舶上的許多導纜滾輪，大多是鑄造的，十分笨重。采用鋼板卷制后，其重量可以減少60%。3.降低關閉設備厚度船上配置的關閉設備，規(guī)格品種繁多，如門、窗、蓋就有成千上百個品種。其產品厚度可以考慮減少，因為其用量比較大，如門，全船就有上百扇，如果每扇鋼質門采用壓筋式，其厚度可減少2mm,約減重20%以上。據粗略計算，某型散貨船僅門一項全船約可減輕重量4噸。輕量化技術37七、其他減重措施的研究與分析

船用配置的舷梯、碼頭梯和各類直梯、斜梯，數量很多，在現有基礎上減重15%，應該是沒有問題的。如鋁質舷梯強度有富余，與日本同類產品比顯得很笨重，所用角鋁很厚。4.調整梯桿設備的材料和結構

5.“廣義“舾裝件減重空間

錨唇輕量化：我國船舶錨唇鑄鋼件厚度在100mm左右，韓國的錨唇平均厚度只有55mm，因此我國錨唇船上一對就比日韓重10t左右。 舵系設計輕量化：據有關廠家計算，我國船舶上裝置的舵系設備總重量要比國外同類船重80噸之多。 基座結構輕量化：船上的各種設備的基座，如主機基座、發(fā)電機基座、各種重大設備基座普遍比日韓重。 支架組合減重：船上各種管路、油路，氣路和電纜縱橫交叉，十分復雜，各有自己的支架，現在可以考慮采用組合支架，上下分層，把許多不同的管路、線路安裝在同一個組合支架上，節(jié)省重量又排列有序。輕量化技術38七、其他減重措施的研究與分析

施工單位加強管理，嚴格控制，依圖施工減少施工冗余重量，也是控制船舶重量的一項須提起關注的事項。例如：船體結構不按圖施工，必將造成大的返工修補，勢必大量增加船體重量，還會造成安全隱患。管系放樣施工，許多管系由于布置的原因，到了接口處發(fā)現有大的位移偏差（接不上），于是就要來一段“現校管”，長度肯定大于直線管，有時還要增加一對法蘭什么的，對于大型管系重量自然增加。內裝的甲板敷料，是施工中最失控的部分，為了最后的房間平整，工人就直接用水泥鋪，要校平就得多鋪，造成重量增加很多。

這些錯誤的施工方式，只要施工單位嚴格管理控制，也是可以避免的。6.船廠施工管理控制輕量化技術主機的重量占據船舶機艙設備的比重比較大，一般為50%，因此選擇高性能的、重量輕的主機，對船舶的輕量化有較大的意義。由于柴油機技術的進步，電控共軌燃油噴射技術已在柴油機上大量應用。與傳統(tǒng)柴油機相比，由于取消了凸輪等大部件，減輕了主機的重量和體積。由于中速機和高速機相對于低速機重量較輕，采用中、高速機作為主機可以有效地減輕柴油機重量。采用電力推進技術可以提高推進效率，同時也可以減少了軸系的重量。在柴油發(fā)電機組的選型配備上，如果考慮采用軸帶發(fā)電機，可以省去一臺備用的柴油發(fā)電機組。軸帶發(fā)電機的重量相對于柴油發(fā)電機組也大為減輕。

輕量化技術船舶推進主機和發(fā)電機組的優(yōu)選軸系設計時，首先是考慮軸的強度。通過規(guī)范計算，選用滿足相應要求的軸徑，規(guī)范計算值已經考慮了安全裕度。但在實際設計中，設計者往往根據母型船資料設計軸徑，尺寸取的較大，因此軸的尺寸和重量也相應增大。軸系設計采用有限元分析方法計算并適當優(yōu)化尺寸并滿足軸系扭振計算的要求，也可以減輕重量。采用合金鋼材料代替碳鋼材料，在提高軸系的強度的同時也可以減輕軸的設計尺寸。輕量化技術軸系設計優(yōu)化在布置機艙時，盡量將相關設備合理緊湊布置，可以有效減少管路長度和數量。采用其他材料管代替碳鋼管（如玻璃鋼管、塑料管、不銹鋼管、鋁管等）也可以減輕管系重量。在管壁厚滿足規(guī)范要求的前提下，適當選用比較接近規(guī)范值的管子也可以起到減輕重量的目的。輕量化技術管系設計優(yōu)化管系設計布置合理以及管系原理簡單也可以減少管子重量。如艙底管系避免采用多個分支管的布置，可以采用總管式結合遙控閥的布置。機艙內部分油艙的空氣管可以適當合并到透氣總管并接至一個油霧箱透氣?？梢詼p少透氣管頭，相應也減少了管系重量。船上選用大型閥盡量選用構造簡單且重量較輕的蝶閥，以代替較重的截止閥或閘閥或閥箱。設計CO2固定式滅火系統(tǒng)，對于散貨船的貨艙，在滿足公約要求的前提下，可通過免除貨艙固定式滅火系統(tǒng)，這樣可以避免設置較多的CO2氣瓶，相應也減少了重量。在設計船舶消防系統(tǒng)時，盡量考慮采用其他滅火系統(tǒng)時，如高倍泡沫滅火系統(tǒng)、壓力水霧滅火系統(tǒng)或氣熔膠滅火系統(tǒng)等以代替CO2滅火系統(tǒng)。輕量化技術管系設計優(yōu)化鍋爐可以選用熱效率高的熱油鍋爐代替蒸汽鍋爐。熱油鍋爐的重量相對于蒸汽鍋爐較輕。熱交換器采用板式替代管殼式。通過系統(tǒng)的合理設計，可以在滿足規(guī)范以及船東使用要求的前提下適當縮減設備的冗余度和設計裕度，也可以起到輕量化的效果。

輕量化技術其他機電設備的優(yōu)化序號項目某國內設計58000噸散貨船日本設計58000噸散貨船后者輕(T)1主發(fā)電機680kW*3-Wartsila

193g/kWh

10.5噸550KW*3（柴油機功率）

9.5噸32鍋爐1.2T廢氣/1.5T燃油-格林

重量18.5噸

116kg/h1t/h(廢氣)1t/h(燃油)-Aalborg

重量17噸1.53焚燒爐350000kcal/h1300MJ/h大約310000kcal/h0.54空氣壓縮系統(tǒng)200*2+40*1@30bar

139*1@7bar主空壓機（2臺，135m3/h*2.9MPa）,沒有應急空壓機和輔空氣瓶。死船起動采用應急發(fā)電機——主空壓機——主空氣瓶的方式25燃油系統(tǒng)DN200/100,30*2@3.5

2300L*2DN125/DN80，15m3/h@3bar(燃油輸送泵)，5m3/h@3bar(柴油輸送泵)

3200L*23.56滑油系統(tǒng)DN80/50,220*2

1250L*2DN65/40，205*2

1950L*1+1050L*117海水系統(tǒng)620*2+250*1@2.5bar500*2+180*1@2.5/2.2bar0.58淡水冷卻水系統(tǒng)560*2+230*1@3bar無，采用海水開式冷卻系統(tǒng)19壓載系統(tǒng)1000*2@2.5barDN350環(huán)狀700*2@2.4barDN450單根16.510通風系統(tǒng)42000*4@600Pa54000*2@400Pa0.511固定滅火系統(tǒng)CO2，197瓶，重25.6T機艙高倍泡沫滅火系統(tǒng)：泡沫柜（1000L），供水泵：130m3/h*8.5bar2012軸系艉軸直徑500mm/9700kg中間軸直徑450mm/7255kg艉軸直徑490mm/10514kg中間軸直徑410mm/7850kg-113中央冷卻器4900kW*2無，采用海水開式冷卻系統(tǒng)0.549.5輕量化技術結論：由上述比較，可以看出后者在系統(tǒng)設計和設備選型上做了一定的優(yōu)化，從而有效減輕了設備的重量。45一級渦輪增壓技術兩級渦輪增壓技術VTA渦輪增壓技術高效柴油機渦輪增壓技術

降低油耗2～3%。46智能型柴油機的典型代表高效柴油機智能型柴油機

電子控制單元(ECU)比例電子噴射控制閥(ELFI)降低2%油耗智能監(jiān)測和分析系統(tǒng)機械式凸輪結構Wartsila公司的RT-flex系列MANB&W公司的ME系列47這類低速柴油機，擁有超長的沖程缸徑比和更低轉速的功率輸出范圍，提高了主機本身的熱效率；超低轉速的設計，則有利于船舶匹配更大的螺旋槳來提高推進效率，使同噸位船舶在保持一定航速條件下，消耗更小的功率，從而使船舶擁有更經濟的日油耗。作為各自公司超長沖程柴油機的典型代表，Wartsila公司推出了X系列柴油機，MANB&W公司推出了G系列柴油機。高效柴油機超長沖程低速機

降低油耗4～9%。48高效柴油機超長沖程低速機

以一艘好望角型散貨船為例，分別安裝6G70ME-C9.2型和傳統(tǒng)的6S70ME-C8.2型柴油機。MAN公司的超長沖程G型柴油機推出市場僅一年就獲得訂單達70臺。據悉，近期的6臺MANB&W6G70ME-C9.2柴油機均設計用于上海外高橋船廠建造的186,300噸好望角散貨船。G型發(fā)動機有望成為貨船、油船和一些集裝箱船的首選。49高效柴油機超長沖程低速機

320,000dwtVLCC–15.5knotsN’=NCR=90%SMCR時的推進功率需求50高效柴油機超長沖程低速機

320,000dwtVLCC–15.5knots

主機年營運成本51高效柴油機超長沖程低速機

320,000dwtVLCC–15.5knots

能效設計指數（EEDI）52高效柴油機超長沖程低速機

47,000dwtHandymax油船–14.0knotsN’=NCR=90%SMCR時的推進功率需求53高效柴油機超長沖程低速機

47,000dwtHandymax油船–14.0knots

主機年營運成本54高效柴油機超長沖程低速機

47,000dwtHandymax油船–14.0knots

能效設計指數（EEDI）55

在船機槳匹配的過程中，降功率選用主機是一種傳統(tǒng)的節(jié)油方法，對確定的主機SMCR，為保證螺旋槳低轉速高效率的要求，往往選擇MCR較大的機型，這種做法不僅可以滿足螺旋槳的轉速要求，還可以降低主機本身的單位油耗。高效柴油機降功率使用Derating

某型船的SMCR為62,300kW×97r/min(額定功率點)，功率匹配點為100%額定功率?？梢赃x用的機型有10K98ME7，11K98ME7，12K98ME7。56

主機的NOx排放值是由25%、50%、75%、100%負荷下的NOx排放值以不同權重計算所得的加權平均值。即，主機的NOx排放值=5%×NOx(25%)+11%×NOx(50%)+55%×NOx(75%)+29%×NOx(100%)?？梢?低負荷區(qū)的NOx排放值所占權重較小，這樣就可以利用以上關系來改善不同負荷下的油耗，即，可以減少部分負荷的油耗，適當增加高負荷區(qū)的油耗，但整機的NOx排放值保持不變。在滿足NOxTierⅡ的標準情況下，現在MAN主機在低負荷范圍的油耗可以通過以下三種之一的方案進一步優(yōu)化。

高效柴油機低負荷運轉

57

EGB技術需要在主機的排出廢氣管路中設置增壓器的旁通管路，單獨旁通掉大約6%的廢氣量。按照EGB技術進行部分負荷/低負荷優(yōu)化技術的柴油機，增壓器按照主機在100%負荷下廢氣旁通全開來匹配。

EGB排氣旁通技術高效柴油機低負荷運轉

ECTauto-tuning柴油機電控調節(jié)

ECT技術可在不更換柴油機部件的情況下進行:只修改Pmax(爆壓)和柴油機控制參數。這種方法利用了可變的排氣閥正時和燃油噴射曲線，因此只適用于ME/ME-C柴油機。58

VT技術需要設置能夠改變柴油機增壓器噴嘴環(huán)面積的特殊部件，也就是要為主機配置帶有可調噴嘴環(huán)的增壓器。柴油機在高負荷范圍內，噴嘴環(huán)面積為最大值;在低負荷范圍內，噴嘴環(huán)面積為最小值。VT可變噴嘴環(huán)調高效柴油機低負荷運轉

59如圖所示，無論采用以上哪種優(yōu)化方式，與部分負荷相比，所有負荷在約70%以下時SFOC進一步下降，而付出的代價是高負荷時SFOC上升。因此，對于具體的項目，柴油機的優(yōu)化方法取決于船東的運行模式。高效柴油機低負荷運轉

60假設：每日節(jié)油1噸、每年運行225天、基本利率5%，可得出如下不同油價對應的“現值曲線”。以15年作為回收期的評判標準，可以投入資金作出如下初步判斷：

投資回收期高效柴油機經濟性分析

61假設：每日節(jié)油1噸、每年運行225天、基本利率5%、貸款利率或者內部收益率為7%，可得出如下投資和收益的“未來值曲線”。

以120萬的初始投資來做評判標準，可以對回收周期作出如下初步判斷：

貸款和收益未來值

備注：如果考慮節(jié)能設備的殘值，則按雙倍折舊率對設備進行折舊，最終殘值按5%算。高效柴油機經濟性分析

62船舶柴油機摩擦功耗占整個能耗的5%左右(不含滑油泵耗功和增加的耗油)，主要消耗在活塞環(huán)與缸套、曲軸與機體、連桿與主軸頸之間的摩擦耗功。之前，船舶柴油機減磨技術一直不被重視，隨著EEDI的推行，將迎來發(fā)展的春天，各種應用研究成果也將會在船舶柴油機上得到應用。高效柴油機降低摩擦功耗

63一般燃油總能量中約有50%未得到有效利用。這部分能量回收，用于驅動蒸汽透平發(fā)電、加熱冷卻水以供燃油柜加熱和艙室取暖，可降低燃油消耗，提高船隊的競爭力。減少二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物等有害物的排放。案例：在功率為11025kW柴油機船上采用廢氣利用節(jié)能技術后，可達到1臺柴油機發(fā)電機組的效果。廢熱回收的價值廢熱回收64廢氣繞過增壓器直接進入廢氣鍋爐。現代高效增壓器的效率已經高過發(fā)動機在高負荷區(qū)域的運行需要，這就使部分廢氣不經過增壓器而直接進入廢氣鍋爐成為可能。利用廢氣中的能量產生蒸汽，再用蒸汽驅動蒸汽輪機。利用缸套冷卻水和增壓空氣中的能量加熱鍋爐進水。廢氣繞過增壓器直接驅動動力透平。廢熱回收系統(tǒng)廢熱回收65能量轉換過程發(fā)動機設定：機艙進氣艙外直接進氣廢氣旁通廢熱回收66廢熱回收方案1僅配備蒸汽輪機發(fā)電機組廢熱回收67配備動力透平及蒸汽輪機發(fā)電機組廢熱回收廢熱回收方案268運行模式:A.高電力需求模式 動力透平和蒸汽輪機同時工作。通過控制蒸汽流量來控制蒸汽輪機的輸出功率。B.低電力需求模式 動力透平脫開，僅蒸汽輪機運行，通過控制蒸汽流量來控制蒸汽輪機的輸出功率。廢熱回收廢熱回收方案2配備動力透平及蒸汽輪機發(fā)電機組69配備動力透平、蒸汽輪機發(fā)電機組及軸帶電動/發(fā)電機廢熱回收廢熱回收方案370運行模式:A.軸帶電動機模式 廢熱回收系統(tǒng)的發(fā)電量大于船舶需要，多余的電力驅動軸帶電機用于推進。B.軸帶發(fā)電機模式 廢熱回收系統(tǒng)的發(fā)電量不能滿足船舶需要，不足部分由軸帶發(fā)電機提供。C.加力推進模式 當需要的推進功率大于主機功率時，軸帶電機以電動機模式工作，所需電力來自于廢熱回收系統(tǒng)和/或柴油發(fā)電機組。D.應急推進模式 主機與螺旋槳軸脫開，船舶由軸帶電機推進，由柴油發(fā)電機組供電。廢熱回收廢熱回收方案3配備動力透平、蒸汽輪機發(fā)電機組及軸帶電動/發(fā)電機71熱泵技術原理熱泵技術熱泵是一種將熱量由低溫熱源輸送到高溫熱源，從而實現對指定空間制冷和供熱功能的能量綜合利用系統(tǒng)，是一項節(jié)能的技術。熱泵不是熱能的轉換設備而是熱量的搬運設備，它是一臺“泵”。夏季（制冷）：低溫熱源為房間，通過消耗能量E（電能、機械能或熱能，家用空調為電能），將熱量Q1搬運到室外；冬季（供熱）：高溫熱源為房間，通過消耗能量E把低溫熱源（室外）的熱量Q1搬運到室內。72功能空調所需的冷量

采暖所需的熱量

衛(wèi)生熱水工藝生產的冷熱量特點節(jié)能（花很小的代價，搬運幾倍的能量）環(huán)保（無燃燒過程、無其他污染過程、零排放）效果

使用穩(wěn)定可靠運行費用低熱泵技術熱泵技術原理73船舶空調原理圖（以內河船為例）現有船用空調（熱泵）狀況熱泵技術目前船上廣泛采用水冷式冷水機組為船舶提供冷量，熱量則通過鍋爐提供的蒸汽來實現，冷熱量供應為兩套系統(tǒng)；水冷式冷水機組即為水源熱泵技術的一種特殊應用形式，只是現有船用水源熱泵系統(tǒng)只能實現制冷功能。74船用冷熱全效熱泵系統(tǒng)原理圖冷熱全效熱泵技術原理熱泵技術夏天，在提供空調制冷的同時，免費獲取衛(wèi)生熱水。綜合能效比大于7；冬季，從江水中取熱，通過熱泵做功，獲取采暖熱水和生活熱水，輸入1份電能，獲取4份以上熱能；夏季，較傳統(tǒng)的冷水機組+蒸汽鍋爐供熱水系統(tǒng)相比，節(jié)能30%左右；冬季，熱泵采暖+生活熱水與燃油鍋爐采暖+生活熱水相比，節(jié)能50%以上。75以某郵輪為例，采用高效船用冷熱全效熱泵機組后，每年將：節(jié)約燃油247.88噸，折合為357噸標準煤/年；二氧化碳減排956.8噸；（其中：夏季運行135天，平均每天可以實現節(jié)油1048kg，冬季運行80天，平均每天節(jié)約1330kg燃油）節(jié)能效果熱泵技術76傳統(tǒng)方式夏季運行經濟分析（冷水機組＋蒸汽）設備名稱運行季節(jié)設備臺數單臺機組出力kW單臺設備功率kW運行小時數用電量kWh折合耗油量kg冷水機組690夏季2640136.020.05440.01169.6江水泵180t/h夏季2

18.518.6686.4147.6循環(huán)水泵120t/h夏季2

30.024.01440.0309.6汽水換熱器夏季1

20.0t/d

1040.0夏季一天小計

2666.8

注：裝機容量按20小時滿負荷運行計算，冷負荷為1280kW。夏季2臺機組工作，1臺備用。柴油機發(fā)電油耗為/kWh，蒸汽通過廢氣燃油組合鍋爐提供。根據船員提供信息：廢氣與燃油比為1:2，相當于每噸蒸汽耗油量為標稱值的2/3。熱泵技術節(jié)能效果77冷熱全效熱泵機組夏季運行經濟分析設備名稱運行季節(jié)設備臺數單臺機組出力kW單臺設備功率kW運行小時數用電量kWh折合耗油量kg冷熱全效800MQII型1/2號機夏季單制冷2768.0126.010.82720.0584.8

制冷+衛(wèi)生熱水2591+800176.07.62686.5577.6空調循環(huán)水泵120t/h夏季2

30.024.01440.0309.6熱水中間循環(huán)水泵160t/h夏季2

18.57.6282.460.7江水泵（空調用）160t/h夏季2

18.510.8399.485.9冷熱全效800MQII型3號機夏季備用

夏季一天小計

1618.6注：夏季，2臺冷熱全效800MQII型機組供冷同時提供衛(wèi)生熱水；滿足衛(wèi)生熱水需求后，運行單制冷工況。1臺機組完全備用。熱泵技術節(jié)能效果78傳統(tǒng)方式冬季運行經濟分析（蒸汽）設備名稱運行季節(jié)設備臺數單臺機組出力kW單臺設備功率kW運行小時數用電量kWh折合耗油量kg循環(huán)水泵120t/h冬季2

30.024.01440.0309.6汽水換熱器1冬季1

20.0t/d

1248.0汽水換熱器2冬季1

21.5t/d

1341.6冬季一天小計

2899.2注：裝機容量按20小時滿負荷運行計算，熱負荷為750kW。冬季供熱量大，主要靠燃油鍋爐提供，廢氣燃油比例取為1:4。熱泵技術節(jié)能效果79冷熱全效熱泵機組冬季運行經濟分析設備名稱運行季節(jié)設備臺數單臺機組出力kW單臺設備功率kW運行小時數用電量kWh折合耗油量kg冷熱全效800MQII型1/2號機冬季制熱水2782.0175.07.812732.8587.5

冬季采暖1817.0159.00.00.00.0空調循環(huán)水泵120t/h冬季1

30.00.00.00.0熱水中間循環(huán)水泵160t/h冬季2

15.07.81234.250.4江水泵（熱水用）160t/h冬季2

18.57.81288.962.1冷熱全效800MQII型3號機冬季1817.0162.018.362974.3639.5空調循環(huán)水泵120t/h冬季1

30.024.0720.0154.8江水泵（空調用）160t/h冬季1

18.518.36339.773.0冬季一天小計

1567.3

注：冬季1號和2號冷熱全效800MQII型機組提供衛(wèi)生熱水，互為備用；3號機組提供采暖熱水；根據熱水需求情況，在非用水高峰時，2號機兼做3號機的備用。熱泵技術節(jié)能效果80對比分析

耗油量kg/d與傳統(tǒng)方式對比節(jié)油量節(jié)油比例方式夏季工況冬季工況夏季工況冬季工況夏季工況冬季工況冷水機組方式2666.82899.20.00.0

冷熱全效熱泵方式1618.61567.31048.21331.939.3%45.9%說明：1.夏季冷負荷為1280kW,冬季熱負荷為750kW；衛(wèi)生熱水需量300噸/天，考慮瞬時用水高峰為500人同時洗??；2.折算成每天滿負荷20小時計算；3.柴油機發(fā)電耗油/kWh；4.蒸汽由廢氣燃油組合鍋爐提供，規(guī)格為1t/h，燃油消耗為/h；考慮到航行過程廢氣可以提供部分蒸汽，根據船員提供的經驗，夏季廢氣與燃油比為1:2；冬季廢氣與燃油比1:4。5.船用冷熱全效熱泵機組名義工況：夏季江水進出溫度26/，冷凍水12/；冷熱全效工況：熱水溫度45/，冷凍水12/；冬季制熱工況：江水溫度9/，熱水40/；熱泵技術節(jié)能效果81船舶岸電技術，即采用陸地電源對靠港船舶供電的技術。技術原理及意義 由于船用發(fā)電機效率不如岸電的發(fā)電效率高，且船舶在停泊狀態(tài)，發(fā)電機所發(fā)出的功率不能完全被利用，有很多的浪費部分。使用岸電，則可以高效率地利用港口的岸上電能，減少船舶發(fā)電機工作時間，既節(jié)約燃油，又可以減少發(fā)電機的損耗。 使用岸電，可以減少污染物排放、減少船舶發(fā)電機組工作時間、降低燃油消耗，并且可以減少機艙震動噪聲、減少機艙保養(yǎng)工作。規(guī)范、法規(guī) 船舶岸電技術已在船舶上普及。國際上最新推出高壓岸電技術，CCS船級社已制定出船舶高壓岸電規(guī)范，推出高壓岸電上船附加符號AMPS，并根據規(guī)范對數條船舶進行審圖發(fā)證。配套要求 需要在船上安裝岸電配電板、電纜絞車、岸電插座，如為高壓岸電，還需安裝高壓變壓器等高壓設備。電力系統(tǒng)優(yōu)化船舶岸電技術