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船舶:加速or减速(附图)

浏览:600     发表时间:2016-05-25 16:46:38

船舶降速将是大势所趋,在燃料成本、动力装置技术以及排放控制规则三大制约船舶提速的难题解决之前,未来大部分船舶依然会采用较低的航速航行。   近来国际能源市场的持续低油价唤起部分船东心中的提速欲望。从航运经营的角度来看,当船队采用较高航速航行时可有效提高船舶周转效率,以较少量的船舶满足较大的运力需求,进而在总体上减轻船公司增加或更新运力时的财务压力。同时,高航速还能提升货物运输效率,对企业扩大

船舶降速将是大势所趋,在燃料成本、动力装置技术以及排放控制规则三大制约船舶提速的难题解决之前,未来大部分船舶依然会采用较低的航速航行。

  近来国际能源市场的持续低油价唤起部分船东心中的提速欲望。从航运经营的角度来看,当船队采用较高航速航行时可有效提高船舶周转效率,以较少量的船舶满足较大的运力需求,进而在总体上减轻船公司增加或更新运力时的财务压力。同时,高航速还能提升货物运输效率,对企业扩大市场份额,提高核心竞争力有非常重要的意义。

  航速过慢一直是海运模式的弱点,自船舶诞生之日起,提高航速一直是船舶设计师努力的方向。减少船身阻力与增加船舶主推进功率是提升航速最主要的两种渠道。从船舶阻力成分在不同航速下的分布规律来看,当船舶航速与船长的比值超过一定数值时,船身阻力将随航速的增加而迅速增大;受目前的技术条件限制,船舶主机功率存在一定的理论上限,目前世界上最大功率的船用低速柴油机额定功率为80080KW,蒸汽轮机和燃气轮机的单机功率更大一些,但由于经济方面的原因无法用于民用船舶。目前从事海上运输的排水型船舶理论上的最大航速可以达到40节,实际上较为经济的航速在30节左右。

  低航速具有经济

  “二战”后的低油价时代让国际航运业进入快速发展时期,当时的船舶设计航速普遍在20节以上。为满足海上快速货运的需求,一些集装箱船舶设计航速达32节。然而,高昂的燃料开销让船东不得不考虑降速增效,船舶平均设计航速从“二战”后的20节下降到16节左右。

  航速的大幅下降导致了船舶设计理念发生颠覆性的转变。船舶航速较快时,兴波阻力在船身阻力中所占比重较大,因此传统船舶大多采用军舰作为设计母型,这种瘦削的流线型船身设计能够在船舶快速航行时有效减少兴波阻力。然而当船速下降到16节时,摩擦与粘性阻力开始成为船身阻力的主要组成部分,此时采用较为丰满型线设计的船舶阻力性能将更好。

  尽管丰满型线船舶设计在外观上不如传统的流线型船舶更具美感,然而船东很快就体会到了这种转变所带来的优势。当船舶主尺度相同时,型线较为丰满的船型内部空间更大,能够装载更多的货物。且丰满型线的船舶浮力沿船长方向的分布更为均匀,这将有效缓解较为瘦削的流线型船舶一直存在的空载中拱问题,船体构件尺寸也可进一步减小,由此减少的空船重量将转化为船舶的载重量。另外,与低航速相匹配的大型低速柴油机能够燃烧劣质燃油,这将为船东节约至少50%的燃料。低航速、丰满型线船舶的设计理念让船舶的总体经济性有非常显著的提升。

  燃油价格决定航速

  随着低速丰满型线船舶逐渐成为国际航运市场上的主角,其弱点也逐渐暴露出来。首先,对于采用班轮模式运作的定期船舶,当遇到台风或恶劣海况需要绕行时将由于航速过低而无法保证班期。其次,航速的下降使船东需要在航线上投入更多的船舶以确保原先的运力需求,这意味着船东在船舶采购方面的成本会进一步增加,由此引起全球范围内因船舶数量增加而导致的港口拥堵问题成为国际物流效率的瓶颈。第三,更为严重的是航速下降直接导致海上运输时间延长,一些对运输时间有严格要求的货物开始流出海运市场转而选择其他运输方式。

  低油价时代让“省油不省钱”的低速丰满型线船舶的弱点更加突出。随着国际油运市场的繁荣,一部分油运企业为提升运力与运输效率开始尝试让船舶加速航行。然而未来燃料价格的变化趋势、新能源动力装置的局限性,以及全球范围内排放税的征收还是在一定程度上制约了船舶的进一步提速。

  燃油价格的变化是决定未来船舶航速的最主要因素。目前国际油价已经跌破大多数国家和地区的石油开采成本,从全球主要石油产区的石油开采及运往输油终端的总成本来看(见表1),除以自喷井为主要生产模式的中东地区可能略有盈余外其他石油产区都在亏损,低油价已经严重损害绝大多数石油输出国的利益。

  从目前的国际形势来看,低油价的背后有着深层次的政治原因。根据预测,世界范围内已探明的石油储量仅可供人类再使用40~60年,目前世界每年石油消费量是新勘探石油储量的4~5倍,且这些新勘探的油田多位于深海,开采的技术难度和成本都很高。从这个角度来看,重回“百元时代”是未来油价发展的大趋势,而油价的上涨将在很大程度上制约未来船舶的提速。

  随着全球范围内以石油为代表的矿物能源日趋枯竭,寻找新能源以逐步替代传统能源已经成为未来航运业发展必须面对的问题。目前人类已经能够将液化天然气、海洋风能、太阳能、燃料电池等新能源技术成功应用于船舶推进,然而这些新能源动力装置普遍存在能量密度不足的问题,即当输出相同功率时,新能源动力装置往往需要占据船上更多的空间。动力装置占据较多的空间意味着船舶用于盈利的载货空间减少,未来的船舶设计师不得不在船舶快速性与经济性两者中进行选择。对于商船而言,大部分船东显然会选择经济性。

  新能源能量密度不足的另一个表现是其动力装置的单机功率与目前船舶普遍采用的低速二冲程柴油机相比存在明显的差距。风能、太阳能电池、燃料电池的单机功率与传统的柴油机显然不在同一个数量级上。即使是目前单机功率较大的气体燃料发动机,在缸径与冲程相近的前提下单机功率依然比传统的二冲程柴油机低12%~15%,且发动机运转的不稳定性与安全隐患也将随着单机功率的增大而迅速增加。因此在这些技术问题彻底解决之前,采用新能源推进船舶的船东将不得不接受减速这一现实。

  降速可降低碳排放

  随着对环保问题的日益重视,加强控制船舶营运过程中二氧化碳排放再次被提上议事日程。由于二氧化碳是目前公认的与温室效应关系最为密切的发动机排放物,以碳氢化合物作为主要燃料的船舶成为碳排放的主要来源。随着全球气候快速变暖,控制船舶碳排放量成为世界关注的热点。

  目前国际海事界公认的对船舶二氧化碳排放的评估方法是,将船舶在单位航程上运输单位货物所消耗的燃油数量换算成碳排放当量。由于船舶主机功率与设计航速及船舶排水量之间存在一定的换算关系,根据船舶设计的经验性公式,计算公式经变换后如下,公式中,C代表燃油的碳排放转化系数,即单位燃料燃烧后产生的二氧化碳数量(见表2);feff代表船舶发动机有效油耗,即假定主机在额定功率下运转时的发动机平均油耗;V代表船舶设计航速。

  由于船舶载重量与排水量之间存在一定的线性关系,从上面的公式可以看出控制船舶碳排放的主要方法主要为减少发动机油耗、采用碳当量较小的燃料和降低船舶航速三种。由于船舶碳排放量与航速的二次方正相关,因此降低船舶航速是减少船舶碳排放最为有效的方法。目前船用发动机油耗的提升空间有限,而采用碳当量较小的液化天然气船依然会由于发动机功输出功率的减小而降低航速。随着全球范围内船舶排放控制标准的日趋严格,船舶减速将是大势所趋。

  由此可见,目前国际航运市场上出现的“提速热”只是暂时现象,而船舶降速将是大势所趋。在燃料成本、动力装置技术及排放控制规则三大制约船舶提速的难题得到解决之前,未来大部分船舶依然会采用较低的航速航行。


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