船舶水动力节能装置的改装应用
傅明初
摘要：本文通过船舶水动力节能装置改造方案的实例，分析和评价船舶动力状况，并详细描述了船舶改装后产生的更高效的推力，说明船舶水动力节能装置改装是一种投资少、见效快、低碳环保的改造技术。
关键词：水动力节能装置改装 节能减排 低碳环保
0前言
2008年，全球性的金融危机重创全球经济的同时也重创航运市场，持续低迷的运价，相对而言依然高企的油价，使得船东或租船人都希望最大限度地降低船舶运营成本。很多工程技术人员想尽办法节能减排压缩成本。现将中国船舶重工集团（China Shipbuilding Industry Corporation）（简称CSIC）下属的中船重工船舶设计研究中心（China Ship Design & Research Center Co.， Ltd.）（简称CSDC）已经在船舶节能技术领域上进行了大胆探索，获得了多项科研成果，应用于新造船舶和在役营运船舶的水动力节能、低速柴油机气缸油节能、废气余能利用等方面的节能设备和系统都取得了理想的节能效果，并逐步被船东所接受。本文主要介绍CSDC在船舶水动力节能装置及其节能效果。
1 大型货船的动力
在上一次航运市场低迷的周期中，全世界范围内燃油价格飞涨，很多日本船厂建造的货船都加装了水动力节能装置。例如我们看到的，在上世纪最后的二十年间，很多从日本船东那里买来的二手船，都带有节能导管、舵球、舵鳍，前置导叶等节能装置，如图1-1、图1-2。
2007年前后的几年间，由于航企普遍大规模订购货船，多数新造船忽视油耗性能，有的船东片面追求航速，有的船厂一味缩短造船工期，片面追求交船速度，很多船型缺乏科学严谨的优化，也没有考虑加装水动力节能装置。
自从2008年世界性的金融危机的到来，航运市场不可避免地陷入有史以来罕见的低迷状态。目前新设计的船型无一例外都是低碳、环保绿色船型。例如CSDC最新设计的64 000DWT散货船，日油耗只有24.8吨，比几年前大量交船的57 000DWT 散货船每减少燃油消耗10吨左右，也比同时代同吨位的某船型日油耗低近1吨。再如CSDC设计的180 000DWT散货船，日油耗只有44.1吨，而日本佐世保船厂2010年交船的同吨位的散货船日油耗为67.9吨。这巨大的油耗差异，一方面源于船体线型和主机的优化，另一方面主要原因是水动力节能装置的引入。CSDC的最新船型设计无一例外地配备了水动力节能装置或组合装置，其节能效果均达到3%～8%，甚至更高。
例如，某33 000DWT散货船，降速0.5节航行并且加装CSDC水动力节能装置，相对未加装同航速下，每天进一步省油1.1吨，相当于5.3%左右的节油效果。如果按照年航行260天计算油价630美元/吨计算，每年节油至少18万美元，而此类装置的投资回收期只有不到1年。这对船東们单船控制成本，也是值得考虑的数据。尤其是拥有大量大型货船且自己经营海运的公司，每船每年节油数万美元甚至数十万美元也是很大一笔收入。因此，为自己的船队加装水动力节能装置，对船东们来说是一个明智的选择。
我们相信，未来船型优化以及各种节能技术的应用，节能减排、绿色环保将是造船业及航运业的核心主题之一。
为应对航运市场的低迷，船东以及船舶营运人都采取了各种节能方式，降速营运是非常常用的。CSDC的水动力节能装置在经济航速下，仍旧能产生非常理想的节能效果。即在船东降速航行的基础上，CSDC的水动力节能装置仍旧能为船东进一步省油。
2 投资少见效快低碳环保的改造技术
水动力节能装置相对性价比很高，是最现实可行的，安装简便，不影响主机、主体线型和结构，节能效果显著。国内已有百余艘船舶都已经安装。对于未进行线型优化的船，水动力组合装置的节能效果一般都能达到5%，有的高达10%。
船舶节能技术措施主要由以下几方面来实现：
（1）降低船舶阻力：通过低阻力线型设计、浮态调整以减低风浪中阻力失速、低风阻上层建筑、低阻力舵及控制技术、船体表面减阻。
（2）提高推进率：主机配置优化、尾部线型优化、尾部整流置、高效浆设计、新型舵应用。
（3）系统配置优化：船机浆最佳配置、机电配置优化及职能管理、动能优化管理及传输降损、余能运用技术。
（4）节能设备研究：高效主机辅机研究、主辅机职能化、柴电混合动力、其他动力设备节能、变频技术应用。
（5）新型能源利用：风 核能、太阳能、燃料电池应用、新能源综合应用。
（6）水动力节能装置是通过采用1-4项的技术措施，来达到节能减排的目的。
3 可行的水动力节能装置改造方案
现根据某船东提供的57 000DWT船舶有关信息，量体裁衣，专门制定了船舶水动力节能方案。
3.1 船舶技术参数：
3.2船舶目前油耗估算
（1）未加装节能装置的设计油耗
根据船厂和主机厂提供的信息，主机在原设计工况下，持续功率（CSR）=8 532Kw时，燃烧低热值（LCV）=42 700kJ/kg的油耗为35.4mt/day，燃烧低热值（LCV）=40 600kJ/kg（即租约里普遍规定的IFO 380cSt）燃油的油耗为37.24mt/day。
（2）未加装节能装置的经济航速下的油耗估算
（3）上述估算基于：平静水域、开阔深海，清洁船底，主机燃烧IFO， 燃烧低热值（LCV） 40 600kJ/kg （10，200kcal/kg），带有15% 海况裕度。不考虑可能产生的热油锅炉和鼓风机的能耗。
3.3节能方案的选定
（1）加装CSIC消涡鳍（HVAF），设计吃水，维持设计航速，模型试验预报节约主机功率3%左右。
（2）加装CSIC前置预旋导轮（PSV），设计吃水，维持设计航速，模型试验预报节约主机功率5%左右。
（3）加装组合节能装置，CSIC消涡鳍（HVAF）+CSIC前置预旋导轮（PSV），设计吃水维持设计航速，模型试验预报节约主机功率7%左右。
3.4对上述方案的初步估算结果
（1）设计吃水下，保持设计航速，节能和节油效果对比，见表3-4.
（2）结构吃水下，保持航速13.0节，节能和节油效果对比，见表3-5.
（3）上述估算的前提条件
① 平静水域、开阔深海，清洁船底；
② 主机燃烧IFO，燃烧低热值 40600kJ/kg （10，200kcal/kg）；
③ 带有15% 海况裕度；
④ 各种节能装置在设计吃水和原设计航速下优化。
4实船安装的简要报告
4.1 某57 000DWT散货船安装CSIC消涡鳍后的照片
4.2北方某船厂建造的57 000DWT散货船安装CSIC消涡鳍后的试航结果表明
按照国际上最权威的ITTC标准进行分析，对比不带节能装置的船模试验结果，在主机CSR下实船试航航速比不带节能装置的原型船船模试验航速高出0.34节。如果保持与船模试验同航速，那么实船带消涡鳍试航结果看，相对船模试验，节约主机功率的效果超过6.7%。
按照国际拖曳水池会议（ITTC）标准进行修正后，在设计吃水下，主机持续功率下，相比不安装消涡鳍的同型姊妹船的试航结果，安装消涡鳍的实船节约主机功率超过5%.
可见安装CSIC节能装置全面超过预期的节能效果。
4.3某57 000DWT散货船安装CSIC消涡鳍+前置预旋导轮后的照片
4.4南方某船厂制造的57000DWT散货安装上述节能装置的船舶的试航结果表明
按照国际上最权威的国际拖曳水池会议（ITTC）标准进行分析，对比不带节能装置的姊妹船试航结果，在主机持续功率下实船试航航速比不带节能装置的原型姊妹船试航航速高出0.43节。如果保持同航速，那么核算实船带CSIC消涡鳍和前置预旋导轮，节约主机功率的效果超过8.0%。
可见安装CSIC节能装置全面超过预期的节能效果。
以上技术实践报告说明，两艘以前同船型的57 000DWT散货船安装水动力节能装置（消涡鳍+伴流补偿导管），对比未安装节能装置的姊妹船，主机节能6.13%，按照油价660美元每吨，每年按照航行260天计算，每年节油30多万美元。两艘船的水动力节能投资回收期平均不到8个月。很多老型号的57 000DWT的主机油耗超过28.5t，而目前经过水动力节能装置改造的57 000DWT的主机油耗不到26吨。这的确是很大的差距，足以说明水动力节能装置的贡献。
5 船舶动力装置改装，是船东们节油降耗的最佳选择
现在已经将CSIC的船舶水动力节能装置作为新造船的标准配置，CSDC最新研究优化的76 000DWT散货船主机日均油耗只有26.8噸、95 000DWT散货船主机日油耗只有31.7吨、而180 000DWT散货船主机日油耗只有46.1吨（均包括15%海况裕度在内）。现有船如果不及时在主机油耗上进行升级改造，将受到这些新造船的巨大冲击。
为安装水动力节能装置，大载重吨散货船的经营人都采取过航行中使用经济航速，以及尽其可能的节约措施，但实施中的操作以及对船舶主机带来的潜在危害，也是令人头痛的。所以，水动力节能装置给他们带来了福音。科学使用先进的管理技术是会给船东带来丰厚经济效益的。
摘要：本文通过船舶水动力节能装置改造方案的实例，分析和评价船舶动力状况，并详细描述了船舶改装后产生的更高效的推力，说明船舶水动力节能装置改装是一种投资少、见效快、低碳环保的改造技术。
关键词：水动力节能装置改装 节能减排 低碳环保
0前言
2008年，全球性的金融危机重创全球经济的同时也重创航运市场，持续低迷的运价，相对而言依然高企的油价，使得船东或租船人都希望最大限度地降低船舶运营成本。很多工程技术人员想尽办法节能减排压缩成本。现将中国船舶重工集团（China Shipbuilding Industry Corporation）（简称CSIC）下属的中船重工船舶设计研究中心（China Ship Design & Research Center Co.， Ltd.）（简称CSDC）已经在船舶节能技术领域上进行了大胆探索，获得了多项科研成果，应用于新造船舶和在役营运船舶的水动力节能、低速柴油机气缸油节能、废气余能利用等方面的节能设备和系统都取得了理想的节能效果，并逐步被船东所接受。本文主要介绍CSDC在船舶水动力节能装置及其节能效果。
1 大型货船的动力
在上一次航运市场低迷的周期中，全世界范围内燃油价格飞涨，很多日本船厂建造的货船都加装了水动力节能装置。例如我们看到的，在上世纪最后的二十年间，很多从日本船东那里买来的二手船，都带有节能导管、舵球、舵鳍，前置导叶等节能装置，如图1-1、图1-2。
2007年前后的几年间，由于航企普遍大规模订购货船，多数新造船忽视油耗性能，有的船东片面追求航速，有的船厂一味缩短造船工期，片面追求交船速度，很多船型缺乏科学严谨的优化，也没有考虑加装水动力节能装置。
自从2008年世界性的金融危机的到来，航运市场不可避免地陷入有史以来罕见的低迷状态。目前新设计的船型无一例外都是低碳、环保绿色船型。例如CSDC最新设计的64 000DWT散货船，日油耗只有24.8吨，比几年前大量交船的57 000DWT 散货船每减少燃油消耗10吨左右，也比同时代同吨位的某船型日油耗低近1吨。再如CSDC设计的180 000DWT散货船，日油耗只有44.1吨，而日本佐世保船厂2010年交船的同吨位的散货船日油耗为67.9吨。这巨大的油耗差异，一方面源于船体线型和主机的优化，另一方面主要原因是水动力节能装置的引入。CSDC的最新船型设计无一例外地配备了水动力节能装置或组合装置，其节能效果均达到3%～8%，甚至更高。
例如，某33 000DWT散货船，降速0.5节航行并且加装CSDC水动力节能装置，相对未加装同航速下，每天进一步省油1.1吨，相当于5.3%左右的节油效果。如果按照年航行260天计算油价630美元/吨计算，每年节油至少18万美元，而此类装置的投资回收期只有不到1年。这对船東们单船控制成本，也是值得考虑的数据。尤其是拥有大量大型货船且自己经营海运的公司，每船每年节油数万美元甚至数十万美元也是很大一笔收入。因此，为自己的船队加装水动力节能装置，对船东们来说是一个明智的选择。
我们相信，未来船型优化以及各种节能技术的应用，节能减排、绿色环保将是造船业及航运业的核心主题之一。
为应对航运市场的低迷，船东以及船舶营运人都采取了各种节能方式，降速营运是非常常用的。CSDC的水动力节能装置在经济航速下，仍旧能产生非常理想的节能效果。即在船东降速航行的基础上，CSDC的水动力节能装置仍旧能为船东进一步省油。
2 投资少见效快低碳环保的改造技术
水动力节能装置相对性价比很高，是最现实可行的，安装简便，不影响主机、主体线型和结构，节能效果显著。国内已有百余艘船舶都已经安装。对于未进行线型优化的船，水动力组合装置的节能效果一般都能达到5%，有的高达10%。
船舶节能技术措施主要由以下几方面来实现：
（1）降低船舶阻力：通过低阻力线型设计、浮态调整以减低风浪中阻力失速、低风阻上层建筑、低阻力舵及控制技术、船体表面减阻。
（2）提高推进率：主机配置优化、尾部线型优化、尾部整流置、高效浆设计、新型舵应用。
（3）系统配置优化：船机浆最佳配置、机电配置优化及职能管理、动能优化管理及传输降损、余能运用技术。
（4）节能设备研究：高效主机辅机研究、主辅机职能化、柴电混合动力、其他动力设备节能、变频技术应用。
（5）新型能源利用：风 核能、太阳能、燃料电池应用、新能源综合应用。
（6）水动力节能装置是通过采用1-4项的技术措施，来达到节能减排的目的。
3 可行的水动力节能装置改造方案
现根据某船东提供的57 000DWT船舶有关信息，量体裁衣，专门制定了船舶水动力节能方案。
3.1 船舶技术参数：
3.2船舶目前油耗估算
（1）未加装节能装置的设计油耗
根据船厂和主机厂提供的信息，主机在原设计工况下，持续功率（CSR）=8 532Kw时，燃烧低热值（LCV）=42 700kJ/kg的油耗为35.4mt/day，燃烧低热值（LCV）=40 600kJ/kg（即租约里普遍规定的IFO 380cSt）燃油的油耗为37.24mt/day。
（2）未加装节能装置的经济航速下的油耗估算
（3）上述估算基于：平静水域、开阔深海，清洁船底，主机燃烧IFO， 燃烧低热值（LCV） 40 600kJ/kg （10，200kcal/kg），带有15% 海况裕度。不考虑可能产生的热油锅炉和鼓风机的能耗。
3.3节能方案的选定
（1）加装CSIC消涡鳍（HVAF），设计吃水，维持设计航速，模型试验预报节约主机功率3%左右。
（2）加装CSIC前置预旋导轮（PSV），设计吃水，维持设计航速，模型试验预报节约主机功率5%左右。
（3）加装组合节能装置，CSIC消涡鳍（HVAF）+CSIC前置预旋导轮（PSV），设计吃水维持设计航速，模型试验预报节约主机功率7%左右。
3.4对上述方案的初步估算结果
（1）设计吃水下，保持设计航速，节能和节油效果对比，见表3-4.
（2）结构吃水下，保持航速13.0节，节能和节油效果对比，见表3-5.
（3）上述估算的前提条件
① 平静水域、开阔深海，清洁船底；
② 主机燃烧IFO，燃烧低热值 40600kJ/kg （10，200kcal/kg）；
③ 带有15% 海况裕度；
④ 各种节能装置在设计吃水和原设计航速下优化。
4实船安装的简要报告
4.1 某57 000DWT散货船安装CSIC消涡鳍后的照片
4.2北方某船厂建造的57 000DWT散货船安装CSIC消涡鳍后的试航结果表明
按照国际上最权威的ITTC标准进行分析，对比不带节能装置的船模试验结果，在主机CSR下实船试航航速比不带节能装置的原型船船模试验航速高出0.34节。如果保持与船模试验同航速，那么实船带消涡鳍试航结果看，相对船模试验，节约主机功率的效果超过6.7%。
按照国际拖曳水池会议（ITTC）标准进行修正后，在设计吃水下，主机持续功率下，相比不安装消涡鳍的同型姊妹船的试航结果，安装消涡鳍的实船节约主机功率超过5%.
可见安装CSIC节能装置全面超过预期的节能效果。
4.3某57 000DWT散货船安装CSIC消涡鳍+前置预旋导轮后的照片
4.4南方某船厂制造的57000DWT散货安装上述节能装置的船舶的试航结果表明
按照国际上最权威的国际拖曳水池会议（ITTC）标准进行分析，对比不带节能装置的姊妹船试航结果，在主机持续功率下实船试航航速比不带节能装置的原型姊妹船试航航速高出0.43节。如果保持同航速，那么核算实船带CSIC消涡鳍和前置预旋导轮，节约主机功率的效果超过8.0%。
可见安装CSIC节能装置全面超过预期的节能效果。
以上技术实践报告说明，两艘以前同船型的57 000DWT散货船安装水动力节能装置（消涡鳍+伴流补偿导管），对比未安装节能装置的姊妹船，主机节能6.13%，按照油价660美元每吨，每年按照航行260天计算，每年节油30多万美元。两艘船的水动力节能投资回收期平均不到8个月。很多老型号的57 000DWT的主机油耗超过28.5t，而目前经过水动力节能装置改造的57 000DWT的主机油耗不到26吨。这的确是很大的差距，足以说明水动力节能装置的贡献。
5 船舶动力装置改装，是船东们节油降耗的最佳选择
现在已经将CSIC的船舶水动力节能装置作为新造船的标准配置，CSDC最新研究优化的76 000DWT散货船主机日均油耗只有26.8噸、95 000DWT散货船主机日油耗只有31.7吨、而180 000DWT散货船主机日油耗只有46.1吨（均包括15%海况裕度在内）。现有船如果不及时在主机油耗上进行升级改造，将受到这些新造船的巨大冲击。
为安装水动力节能装置，大载重吨散货船的经营人都采取过航行中使用经济航速，以及尽其可能的节约措施，但实施中的操作以及对船舶主机带来的潜在危害，也是令人头痛的。所以，水动力节能装置给他们带来了福音。科学使用先进的管理技术是会给船东带来丰厚经济效益的。
