筆記：低碳航運的船舶優(yōu)化策略

1、低碳航運的船舶優(yōu)化策略Victor N. ArmstrongOcean Engineering摘要：技術優(yōu)化措施有：安裝螺旋槳轂帽鰭，調(diào)距槳重新設計，燃油滑動閥升級，主機氣缸注油器改造，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，氣象導航，船體和螺旋槳性能監(jiān)測，主機性能監(jiān)測商業(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)利益相關者的利益，減少航運業(yè)對溫室氣體排放的影響。簡介：本文主要討論了一些能夠?qū)档陀秃暮偷吞己竭\有所幫助的優(yōu)化策略。主要研究資料來源于Teekay 公司經(jīng)營的 aframax型油輪船隊世界經(jīng)濟的影響：200

2、8年航運業(yè)開始節(jié)能減排的管理控制，經(jīng)濟危機后開始向燃油效率和能源保護轉型，成本最小化和利益最大化低碳航運和優(yōu)化策略：優(yōu)化策略的實施過程要遵循戴明循環(huán)：計劃：調(diào)查分析，制定計劃設計和執(zhí)行：設計，試制，試驗檢查：檢查執(zhí)行情況，預期效果對比處理：采取處理措施，成功經(jīng)驗標準化，遺留問題轉入下一循環(huán)過程 一、 設計優(yōu)化措施深入了解分析技術和營運數(shù)據(jù)分析不同利益相關者預期期望的差距利用第一性原則，支持工程實踐發(fā)展工具將技術與商業(yè)營運聯(lián)系在一起歷史分析：2008年航行里程和油耗量達到頂峰；單位油耗的航行里程逐年升高2000年之后的船有過剩的儲備功率，由于低油價這些船為滿足市場需求加大了主機尺寸，從而也增加了

3、油耗。這些儲備功率帶來盈利的方式是通過降速，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)動機正時；安裝轉換效率更高的螺旋槳；改進軸帶發(fā)電機，避免在海上運行時的一些慣例。前提：適當?shù)墓讨С?；成本效益量化；投資回報分析驗證優(yōu)化措施時要確保：a) 船上的所有的能耗機械都要運行并得以利用 1、達到最大效率 2、不要有能量損失，如蒸汽泄漏、空氣泄漏等。b) 按標準來評估運行參數(shù)和性能參數(shù)c) 查明其他的節(jié)能措施二、評估優(yōu)化措施 系統(tǒng)性的方法，擁有理論基礎和結構式的評價體系 框架因素3R：風險（安全性，環(huán)保性）、可靠性（權衡短期收益和長期損失，聲譽，船舶可利用性

4、）、收益三、實施優(yōu)化措施包裝倡議：聯(lián)系實際：新的倡議應該被包裝成一個有說服力的案例來應對各種各樣的問題。變更管理：通過有效的溝通和合理的進程提出明確的預期目標，明確好各個利益持有者的相關責任。技術領導項目：該項目被用作一個平臺來處理諸如利益相關者的參與、義務、反饋機制、標準和成功措施等優(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衡量提議的效果的，這就要求要制定標準，而不是憑借經(jīng)驗主義或者歷史數(shù)據(jù)來驗證優(yōu)化提議的影響力。 當我們在不斷提升的過程中的時候，圍繞非傳統(tǒng)標準如何應用的討論就會時有發(fā)生。衡量以及量化分析等都會給優(yōu)化策略精準的調(diào)整，成為整個推進過程中的一部分。五、反饋和優(yōu)化成果

5、及收益的回顧分析 在以下三個水平上來實施反饋和回顧過程分析： 船：鼓勵終端用戶參與。規(guī)律性反饋，或者即時反饋。運行參數(shù)與基準的對照。 船舶管理者：性能和提升范疇 高級管理層：性能增強，船隊效率和效果量化分析性能優(yōu)化工具 優(yōu)化被分為兩類：提升效率和維持效率營運優(yōu)化：l 船體和螺旋槳性能優(yōu)化船舶性能計算分析工具是用來監(jiān)測船隊船體和螺旋槳性能參數(shù)的。通過海上試驗的數(shù)據(jù)，為每艘船都建立了一個數(shù)學性能模型，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之為附加阻力。船只每周都會提交觀測記錄，一旦開始有惡化狀況，出現(xiàn)的偏差就會立馬被標記（圖六）。l 主機性能優(yōu)化最大氣缸壓力每

6、增加1bar，燃油消耗率就會減少0.1-0.2g/Kw·h。主機性能參數(shù)實時反饋監(jiān)測工具（圖七）對被刮下的氣缸潤滑油進行分析用來診斷和故障診斷維修保養(yǎng)以及性能分析主機全工況監(jiān)測（圖八）l 貨物加熱管理貨物加熱管理由于還沒有建立起相關標準和指導原則，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料結果進行標準化測試，具體實施過程由船員按照規(guī)定進行。合理的工程實踐也要加入貨物加熱計劃，根據(jù)對周圍環(huán)境的仿真模擬，計算貨物吸收的熱量從而得出貨物溫度的升降。經(jīng)過優(yōu)化，船隊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 航線優(yōu)化根

7、據(jù)氣流和天氣預告，在減小航行風險的同時進行距離和航行時間上的優(yōu)化。航線優(yōu)化在整合進航行計劃的過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。在拋開時間節(jié)約的情況下，燃油節(jié)約最高達到3%。（圖十二）l 吃水差優(yōu)化吃水差優(yōu)化是減小船體阻力，例如在部分負載航行中保持船首和螺旋槳的浸沒。現(xiàn)在主要是在不同排水量情況下獲得不同的吃水差條件，進行運行試驗。在進行吃水差優(yōu)化時要監(jiān)測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)測試的船只的燃油節(jié)約小于1%。因為吃水差優(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)化策略向更遠的發(fā)展。技

8、術優(yōu)化l 螺旋槳轂帽鰭改進螺旋槳轂帽鰭：在普通螺旋槳轂帽表面上安裝幾個適當?shù)娜~片而構成的一種螺旋槳節(jié)能裝置。一方面吸收螺旋槳尾流的旋轉能量，產(chǎn)生正轉距，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年的一個試驗表明轂帽鰭裝置可以減小大約3%的轉矩，增大超過1%的推力，能提升3-5%的燃油效率。l 調(diào)距槳設計為傳統(tǒng)的輪船設計調(diào)距槳之后，可以更好的優(yōu)化其機動性，并潛在的能節(jié)省5%的燃油消耗。（圖十七）l 燃油滑動閥升級（圖十八）改進燃油滑動閥可以達到以下效果：1. 提升主機低負荷工況下的運行性能2. 由高壓噴射和霧化帶來的更好的燃燒

9、過程3. 減少廢氣污染4. 減少活塞上止點的油滴淤塞5. 減少煙囪排氣中的可見黑煙6. 降低廢氣中碳氫化合物、氮氧化物以及顆粒物的排放水平l 氣缸潤滑油油耗量優(yōu)化優(yōu)化氣缸潤滑油的理念是基于最好的整體經(jīng)濟性和安全的氣缸條件。投入過量的氣缸潤滑油會有以下兩個消極影響：1. 在上止點處會有碳積聚物增加磨損和開裂，從而會影響性能及可靠性。2. 會完全抑制冷腐蝕，限制開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在氣缸潤滑油優(yōu)化方面已經(jīng)成為典范自2002年， 在過去十年，累計滑油節(jié)省已超過1500萬公升。傳統(tǒng)的滑油是基于主機轉速的，而阿爾法滑油注油器是基于主機負載的。而

10、且此種注油器可以使船舶在主機低至10%的負載下進行超低速航行。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。即使在很長的航行過程中需要補充蒸汽時，也不再需要輔助鍋爐。聲波清洗器通過聲波產(chǎn)生能量來阻止懸浮的微粒附著在設備表層而形成一層很硬的膜層。商業(yè)優(yōu)化l 降速航行綜合評估包括功率優(yōu)化研究、螺旋槳改進、主機降額和速度優(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載（25%的主機負荷），超低負載（10%的主機負荷）情況下最小持續(xù)航速。隨之的有風險評估修訂，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機電機都要加入到

11、這個修改當中。而且這些改造可以盡可能減少掃氣著火和節(jié)熱器污染。在超過十八個月的采取降速航行的經(jīng)歷中，沒有報告出由于降速航行策略而引起操作上或者技術上的事故。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力模型是用來更加精確的為船隊確定航行預算。船體涂料和維修保養(yǎng)策略兩個同樣的姊妹船只，在它們的第十年保養(yǎng)期，一個用最高等級的自拋光共聚物涂料，一個用傳統(tǒng)等級的涂料，根據(jù)保養(yǎng)性能換算得出每個可以節(jié)省約2.5公噸的燃料。（圖二十四）繼續(xù)改善和進一步的優(yōu)化策略l

12、作為氣缸滑油優(yōu)化的一個補充，增加氣缸排出滑油分析工具l 增加柴油機性能分析工具來衡量主輔機性能l 增加軸功率儀，精確測量功率l 安裝溫控閥主機軸承監(jiān)測系統(tǒng)保證優(yōu)化的可靠性l 升級主機滑油過濾器，減少滑油引起故障l 發(fā)展船舶能效管理計劃（SEEMP）利益相關者的參與眾多優(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)性是和市場條件聯(lián)系在一起的，這包括油價、運費和市場需求。這就意味著當世界經(jīng)濟完全得以恢復的時候，正常的降速航行只能回復到2009年前的水平。在利益相關者致力于一個更綠色的環(huán)境和低碳航運的同時，他們對優(yōu)化的追求也會隨著資源利用和經(jīng)濟變化而改變。這就要所有的利益相關者形成一個聯(lián)盟來共同維持低碳航運的進行。降速、能源成本和利益是緊密相聯(lián)系的。國際組織勢必要降低二氧化碳排放量，而通過短程模擬仿真，降速可以非常大做到這些。對于一個集裝箱船來說，航速減半可以讓碳排放量削減高達70%。如果為了保持計劃航次的頻率不變，就要增加額外的船只，這樣的話即使降速航行會增大成本，但是二氧化碳排放量仍然是減少的。結論在全球經(jīng)濟緩慢恢復的時候，船舶運營者們也要相應達到諸如壓載水處理、硫排放控制、氮氧化物排