“雙碳”背景下散貨船優化升級思路

焦宇清

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 前 言

“雙碳”為“碳達峰”與“碳中和”的簡稱，“雙碳”戰略倡導綠色、環保、低碳的生活方式。 加快降低碳排放步伐，有利于引導綠色技術創新，提高產業和經濟的全球競爭力。2020 年9 月22 日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會上宣布，中國二氧化碳排放力爭2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和目標。

數據統計顯示， 船舶行業每年的碳排放量為11.2 億t 以上，約占世界二氧化碳排放總量的4.5%，并呈繼續增加的趨勢。 在“雙碳”目標壓力下，船舶行業綠色轉型迫在眉睫。 近年來，國際海事組織（IMO）等機構相繼制定推出了各項舉措，如：船舶能效設計指數EEDI、現有船舶能效指數EEXI、船舶能效營運指數EEOI、碳強度指標CII、船舶能效管理計劃SEEMP 等，對船舶設計建造、營運管理的全過程加以監管，以期嚴格控制和持續降低溫室氣體的排放強度。

在此背景下，現有的船型設計顯然已不能適應法規發展和未來市場變化的需要，船型的優化升級轉迫在眉睫。本文以散貨船為代表，對船型升級的新思路、新技術以及可能的各項優化升級措施進行探討。

1 傳統技術路徑下的優化挖潛

1.1 針對目標需求的線型優化

線型是船舶設計的基礎，線型優化是船舶設計永恒的主題。 隨著認知水平的提高、計算能力和試驗手段的進步，線型的設計優化水平也在不斷改進提升中。

從適應實際運營的角度，采用多目標的優化策略。 例如對于吃水，考慮設計吃水、結構吃水和壓載吃水，分別給予不同的權重，進行綜合的優化。 同樣，航速方面需要綜合考慮設計航速和經濟航速對線型的不同要求，海況則需要分別考慮靜水條件和適度的風浪條件。 多目標優化的線型，在實際海況和運營條件下的綜合油耗水平更優，更符合節能減排的目標需求。

從改進EEDI 性能的角度出發， 在線型優化中可考慮給予結構吃水更高的權重，以提升結構吃水下的快速性，提升EEDI 能效。 同時，波浪增阻性能的改善對于最小功率的優化起到重要作用，在線型優化設計中的權重應給予提高。

線型設計的目標，除了降低船體阻力之外，就是產生有利的伴流場， 這是螺旋槳設計和推進性能優化的前提和基礎條件， 在線型優化中考慮減阻的同時也需要重點考慮對伴流場的優化。

1.2 螺旋槳的節能增效

螺旋槳節能增效的優化需要從3 個方面考慮，即槳與尾部線型的整體優化、螺旋槳自身效率的提升以及螺旋槳尾流能量損失的控制。

按前述，船體尾部線型、其產生的伴流場以及螺旋槳自身，三者形成一個整體，以伴流場為媒介，使螺旋槳的運動與船體尾部線型協調一致而形成最佳配合，是我們在一體化優化中追求的目標。

螺旋槳自身效率的提升要從螺旋槳幾何形狀參數的優化著手，并合理控制和分配作用在槳盤面各部位的載荷，達到效率和振動性能的綜合提高。

控制和減少螺旋槳尾流能量的損失也是提高推進效率的一個重要途徑， 包括尾流旋轉能量、軸向能量、轂渦和梢渦能量等。

1.3 水動力節能裝置

通過選用合適的節能裝置對螺旋槳尾流能量進行回收是船舶推進節能的一個重要手段，在雙碳背景下其必要性更為突出；而另一種類型的節能裝置是在螺旋槳前通過對伴流場進行優化整合，提供更好的螺旋槳進流，從而有助于提高螺旋槳的推進效率。

比較常見的節能裝置包括扇形導管、節能轂帽/消渦鰭、舵球、扭曲舵等。 通過節能裝置的合理選用和優化組合，可以達到比較明顯的節能效果，例如節能轂帽（Fan Cap）+節能導管（Fan Duct）的組合，可使航速提高約0.25 kn，EEDI 能效提升約1%。

1.4 船-槳-舵-節能裝置的一體化優化

傳統的優化方式是對線型、螺旋槳、節能裝置和舵分別做優化，難以達到系統能效的最優。 船舶在實際水流中船-槳-舵-節能裝置實際上是一個整體， 在設計中有必要統一考慮進行一體化優化，從而提高系統的整體效率， 實現系統能效的最優化，有助于EEDI 性能的提升， 同時考慮船-機-槳的匹配使能量得到最佳轉換和傳遞。

1.5 機電設備系統的節能設計

機電設備系統的節能增效同樣不可或缺。 主機方面，EcoEGR 的配置可顯著降低主機的單位油耗，與同型主機匹配HPSCR 相比，T-II 模式下的單位油耗有約3.5%的顯著降低，EEDI 能效提升約2%。設備配置方面，可以適度采納日本在散貨船上精簡節省的設計理念，進行合理的精簡配置，減小不必要的冗余度，節省配置電站功率。 系統設計方面也可以做很多優化工作，例如：優化機艙通風布置，通過引入主機自然進風優化管路阻力和風量設計，從而降低風機壓頭、降低電功率；冷卻系統可部分采用海水冷卻，進而降低系統能耗。 另外，變頻設備的使用、機艙能量的綜合利用等都是可考慮采用的節能手段。

1.6 空船重量的持續優化

空船重量優化同樣是船舶設計的永恒主題，在“雙碳”背景下對于船舶能效的提高起到直接作用。從EEDI 的計算公式可以看到，作為分母，載重量的提高就意味著EEDI 指數的下降， 所以優化空船重量從而提高載重量是提升EEDI 能效的重要手段。

作為三大主力船型之一的散貨船雖然已是成熟船型， 但隨著技術的發展和設計手段的進步，仍然存在優化空間。 日本設計建造的散貨船空船重量普遍控制較好，其采用的技術方法和措施存在一定的參考借鑒價值。

針對散貨船特點，空船重量的優化可從3 個方面入手。 首先，在總體性能方面，通過對貨艙分艙方案的優選和裝載工況的優化，篩選出總縱彎矩最小的方案，為結構的輕量化設計奠定基礎。 其次，在結構設計上，選擇較大還是較小的肋骨間距、強框間距以及縱骨間距，有管弄還是無管弄，在多大程度上使用高強度鋼尤其是40 鋼等，都存在比較、選擇和優化的空間，包括一些細節上的處理，例如塢墩肘板、短縱桁、屈曲筋等，根據具體情況選擇合理的處理方式。 另外，機電和內外舾裝設備，通過合理選型、優化參數配置，在滿足功能需求條件下選擇重量較輕、體積較小的設備，積少成多，對空船減重也能起到積極作用。

2 新技術新思路

2.1 風力助推技術

自古以來風能就一直被用做船舶推進的動力，直到近代才被機器動力取代，近年來由于節能環保政策的壓力和推動，風能又重新獲得船舶和航運業的關注， 通過對風能的開發利用來減少燃油消耗、減少碳排放已成為行業內的共識，風帆動力船煥發出勃勃生機，各種形式的現代風帆船相繼問世。

轉筒帆，通過馬格努斯效應形成風推力，可產生3%～8%的節能效果。 轉筒帆作為新型推進裝置，系統構造簡單、自重小，只需要很小的電機就能產生明顯的推力， 且可以通過調整轉筒帆的轉速、升力大小等從而實現能源合理分配降低海運成本。 相比于傳統風帆，轉筒帆占用很小的甲板空間，受惡劣風況的影響不大，對側向風效果最明顯。

圖1 和圖2 分別顯示的是轉筒帆的工作原理和安裝布置效果。

圖1 轉筒帆升力原理圖

圖2 轉筒帆安裝布置效果圖

翼型帆，推進原理與機翼類似，當翼型遇到與其弦線成一定夾角（可稱為攻角）的來流時，翼背流速大，另一側流速小、壓強高。 根據伯努利定律，氣流繞過翼型時流速大的地方流體壓強較小，流速小的地方壓強較大，所以翼型的上下表面由于流速的不同產生了壓差。

圖3 和圖4 分別顯示的是翼型帆的工作原理和安裝布置效果。

圖3 翼型帆的剖面形狀

圖4 翼型帆VLCC 實船安裝布置效果圖

散貨船具有寬敞的甲板面積， 沒有甲板貨，大型散貨船通常不設起重吊機， 不會對風力產生阻擋，因而非常適合安裝上述的風帆系統。 散貨船良好的穩性也可以確保風帆系統的安裝和運行，不會對船舶穩性和航行安全帶來危險。

風箏系統（windkite system），利用現代型的巨型風箏將風能轉換為船舶推進力。 風箏系統布置在船首，占用甲板面積小，易于安裝，適合包括散貨船在內的各種船型。 安裝布置效果見圖5。

圖5 風箏系統

上述是風能在船舶輔助推進上成功應用的幾個示范案例，前兩種已形成實船交付，后一種正在實施過程中。 隨著時間的推移，更多形式的風力助推技術將會推出。

2.2 新型減阻技術

2.2.1 氣膜潤滑減阻

氣膜潤滑減阻的原理是通過向船底表面噴射空氣產生微氣泡形成空氣膜，從而減少船體與水流之間的摩擦阻力，達到推進節能的效果，有助于EEDI 能效的提升。 考慮了系統本身耗電的影響以后，通?？蛇_到3%～8%的凈節能效果。

散貨船線型比較豐滿，平底面積大，有條件做到比較大的氣膜覆蓋比例，從而達到更好的減阻效果，因此非常適合安裝氣膜減阻系統。

圖6 和圖7 分別是氣膜潤滑系統的模型和實船效果。

圖6 氣膜潤滑系統（模型）

圖7 氣膜潤滑系統（實船）

2.2.2 低阻油漆

低阻油漆的作用是降低船體表面粗糙度，從而減小船體摩擦阻力，幫助提升快速性，對EEDI 在有限范圍內有正向影響。 SPC A/F（tin free）silylated acrylate 甲硅烷基化的丙烯酸鹽是典型的一種低阻油漆。

采用低阻油漆后的水下船體表面粗糙度比常規有明顯降低，通常能達到不超過100 μm 的水平，從一系列實船測量的例子來看，最好的結果是達到88 μm。 SPSS 水池的初步評估認為20 μm 對推進功率的影響約為1%。

2.2.3 低風阻上建

船舶航行中的空氣阻力主要來自上建，降低上建風阻有多種途徑，包括采用窄上建設計、優化上建造型等方式。

窄上建設計直接減小迎風面積，但在甲板面積分配和布置上需做適當籌劃，要有足夠的長度來容納同等的居住面積。

優化上建造型是通過上建外形的局部改變來改善流動分離從而達到降低流體阻力的目的。 可采取的具體措施包括：上建與機艙棚合并、上建前端壁傾斜、前端壁兩側倒角、上建與貨艙口之間增設凸臺、煙囪頂部倒圓等等。 某10 萬噸級散貨船的計算案例顯示通過優化組合，上建風阻在浦氏7 級風力下可達到35%以上的下降幅度，效果顯著。

圖8 和圖9 是該船型上建風阻優化的計算模型。

圖8 上建風阻優化（流場分布）

圖9 上建風阻優化（壓力分布）

雖然空氣阻力在船舶總阻力中所占比例不大，但對實船油耗的降低仍然是有可見作用的。

2.3 設計創新思路

主機工況點的選擇：從EEDI 能效的角度，較低的SMCR 顯然更有利于EEDI 指數的降低， 但也意味著主機功率儲備的降低，目前有些設計的CSR 已經用到了90%SMCR，意味著相對偏高的單位油耗，因此EEDI 指數和油耗的選擇，對設計、對船東都是一個問題；另一方面，主機功率的降低受到最小推進功率要求的限制，而如何降低限制值，又跟波浪增阻和線型優化密切相關， 是需要深入研究的課題；轉速方面，低轉速大槳徑是大方向，但也需注意與線型和吃水的匹配關系，避免螺旋槳吸氣和激振力過大。

PTO 的選用： 傳統上中速機+PTO+可調槳是黃金搭配， 而散貨船上典型的低速機+定距槳配置很少會用到PTO，但在目前的“雙碳”背景下PTO 的好處日益顯現。 根據EEDI 計算規則，配置PTO 則校核EEDI 的主機功率可以做相應扣除， 計算和實例都表明，對EEDI 能效會有3%～4%的提升。 實船油耗方面，PTO 同樣有明顯效果， 畢竟主機的單位油耗比副機要低很多。 因此在成本許可的情況下，散貨船配置PTO 是符合節能減碳目標的理想選擇。

吃水和載重量的選項： 各種計算案例表明，提高或增設結構吃水通常對EEDI 能效會起到正面效果， 并且在一些集裝箱船等船型上已經得到驗證。其原因是，EEDI 公式中同在分母的載重量和航速，吃水增加對載重量的提高比例比其導致的航速降低比例更大。 當然對大多數散貨船這不是一個選項，因為已經按最小干舷設計了，沒有增加吃水的可能性，但對某些有航道吃水限制的散貨船，以及因需要偏大艙容而把型深加大了的散貨船，是有條件增加虛擬結構吃水的， 對此類散貨船這是改進EEDI 指標的一個途徑。

冰區選項：EEDI 計算中對冰區有相應的修正因子，EEDI 指數會得到一定程度的下降，而普通冰區導致的空船重量增加相當有限，對載重量的影響明顯小于冰區修正帶來的正面效果，因此增設冰區是改進EEDI 指標的一個選項。

3 燃料變革及設計應對

大量的研究表明，僅靠常規技術很難達到碳減排碳中和的最終目標，CII 每年遞增2%～3%的折減系數就說明得很清楚了，因此燃料的變革才是最終的應對方案。

船舶上可用的替代燃料和新能源型式，按照碳減排程度和發展順序，大致可以分為三大類，即低碳燃料、碳中和燃料和零碳燃料。

1） 低碳燃料主要有：化石燃料（LNG）、通過化石原料制備的化工燃料（LPG、甲醇、乙烷等）；

2） 碳中和燃料主要有：生物燃料（生物柴油、生物甲醇等）、合成燃料（電化甲醇、電化氨等）；

3） 零碳燃料主要有：氨燃料、氫燃料和電池技術（包括儲能電池和燃料電池）。

3.1 燃料型式的選擇

各種替代燃料和新能源型式的應用隨著時間推進呈現不同的發展趨勢。當前階段以LNG 為主流選擇， 甲醇燃料的應用正逐漸走向成熟和推廣，之后的重點將會轉向氨燃料為主；而生物燃料和合成燃料是在燃料產業鏈前端的技術創新，對船舶的設計和建造不會產生實質性的影響；氫燃料是終極解決方案，碳、硫、氮的排放均為零，但因在儲存技術和能量密度等方面的技術障礙，在比較長的時間內還不具備產業化應用的條件； 其他如電池技術，現階段受能量密度制約，純電池動力（包括儲能電池和燃料電池）主要應用于小型和短途船舶，在可預見的未來還無法成為主流船舶特別是大型散貨船的選擇。

選擇幾種主流替代燃料，并以傳統常規燃料的重油（HFO）為參照，對主要技術參數和特性以及減排效果做對比，見表1。

表1 主流替代燃料的技術特性和減排效果比較

散貨船的替代燃料選擇，由于氫燃料技術及其基礎和配套遠未成熟，電池技術的能量密度至少在中短期內無法滿足大型散貨船的需求，都只能作為未來選項。 現階段及今后一段時間內的主流選擇將是LNG、甲醇和氨燃料。

LNG 屬于中短期過渡階段的燃料， 由于先行的關系成為目前階段應用最為成熟的一種替代燃料，是當前設計建造新船的主流選擇。 但是LNG 的減碳效果并不顯著，從整個生命周期（包括預處理、液化、運輸、再氣化和最終使用）來看碳排放量仍然較大。

甲醇的理化特性相對最接近于燃油，可用常溫常壓方式存儲，現有的船舶設計更新轉換到甲醇燃料設計是相對最容易的。 從表1 可以看到甲醇的減碳效果不顯著，還不如LNG，但因為存在綠甲醇的未來選項，其生命力相較于LNG 更長，是今后一段時間的重要選擇。

氨燃料是一種零碳燃料（也可以理解為氫的轉換存儲方式），減碳效果顯著，是LNG 和甲醇之后的發展方向。 但是氨具有毒性和較強的腐蝕性，能量密度較低， 相比LNG 和甲醇需要更大的存儲空間，發動機技術尚未成熟，法規體系也不完善，因此距離實際應用還有較大距離，目前處于研發和建設階段。

3.2 新燃料帶來的設計變更

散貨船適用的3 種主流替代燃料中，LNG 已經全面應用于新船設計，相關技術和設計要點已經比較熟悉，這里不再討論；甲醇和氨燃料相對陌生，對散貨船設計將會帶來的影響和變更大致可歸納為以下一些方面。

燃料艙容積和續航力： 需從滿足EEDI、CII 和船東營運需求等方面綜合考慮。 首先，從滿足當前階段船東需求考慮，燃油必須保留，且容積不宜過小，避免加油頻率過高；EEDI 方面，對甲醇燃料，因減碳效果有限，對大多數散貨船需要做到主燃料的比例才能滿足三階段要求，而氨燃料因其零碳的原因用較低的比例就可以滿足；CII 方面，雖然理論上在有零碳燃料（氨燃料和綠甲醇）的情況下，未來只要不斷地減少燃油的使用比例就可以維持船舶的營運資格， 但為了保持適當的續航力而不過于降低，新燃料比例不能過低，根據案例測算，對氨燃料通常要提高到比較接近主燃料的比例。 需要注意的是，對氨燃料，能量密度更低，體積比更大，還有絕緣層的損失，因而燃料艙的空間需求明顯大于甲醇燃料。

燃料艙形式和布置位置：IGC Code 中定義的A型、B 型、C 型都可以選擇， 但C 型罐因空間利用率相對較低，對艙容和續航力要求較高的項目就不建議選擇。 布置位置可以是貨艙區或尾部甲板上，尾部甲板可以布置在上建后方、下方或兩側，可以疊加組合。 另外，對甲醇艙，還可以布置在頂邊艙內（即傳統設計的油艙位置），因不需要絕緣層，空間利用率是可以接受的。 圖10 是幾種典型布置位置的示意圖。 但對甲醇艙目前有個尾尖艙壁位置的限制，即MSC.1/Circ.1621 通函里的“燃料維護系統應位于防撞艙壁的后方和尾尖艙壁的前方”［1］要求，布置時需注意。

圖10 燃料艙布置位置示例

上層建筑包括煙囪的位置、形狀和內部布置需結合燃料艙的布置做相應調整，需要注意燃料艙透氣桅帶來的危險區的影響：甲醇是10 m 半徑，容易避開；氨燃料是25 m 半徑，對于較小的散貨船，布置上的難度相對較大。 另外，尾部系泊的布置也有可能發生變化。

新燃料艙的設置對空船重量、總縱強度、穩性和浮態都會帶來不同程度的影響。 對于燃料艙布置在尾部的設計，縱傾會增加，彎矩也會加大。 對于燃料艙布置在貨艙區的設計，貨艙容積和裝載工況會發生更大的變化。

雙燃料主機選型， 相關系統包括加注系統、供給系統、尾氣處理、蒸發氣處理等，安全性方面的通風系統、消防系統、危險區域等，都會產生一系列變化和調整，或者全新的設計。 特別是對于氨燃料船，由于氨燃料的毒性， 低濃度的氨氣會刺激人的眼睛、肺部和皮膚，若直接接觸高濃度的氨氣則會立即危及生命，因此在安全防護方面需做周密考慮。

多燃料艙是更進一步的選項。 通過預留多燃料艙的設計， 兼顧以后進行不同形式燃料的轉換，可以根據未來形勢發展，選擇轉換為LNG、甲醇或者氨燃料，在很大程度上提高了靈活性。 多燃料艙的設計需從艙容、艙型、布置、絕緣和安全防護等方面兼顧考慮多種燃料的特點和需求， 以涂料為例，不同燃料對涂料的性能要求是不同的，可以選擇在未來轉換時重新涂裝，也可以直接選用成本更高的兼用型涂料。

4 結 語

著眼于“雙碳”背景下散貨船的優化升級需求，通過分析燃料變革的趨勢和替代燃料的選擇策略，梳理設計創新思路以及應對措施。 研究探討傳統技術路徑下的優化挖潛途徑，特別是風力助推技術和新型減阻技術。 更多的節能設計方案將在未來的實踐中產生，希望能為散貨船節能優化升級提供一些思路和參考。

文章撰寫過程中得到了業內專家學者和相關專業同事的指導和幫助，在此表示感謝。