船舶轮机节能减排技术创新与应用研究

一、引言

航运业作为全球贸易的主要运输方式，在促进经济发展中发挥着重要作用。然而，船舶轮机运行过程中消耗大量能源并产生多种污染物排放，对环境造成严重影响。据国际海事组织（IMO）数据显示，全球船舶每年排放大量的二氧化碳、氮氧化物和硫氧化物等污染物。在能源方面，船舶燃油消耗占据运营成本的较大比重。因此，开发和应用节能减排技术对船舶轮机至关重要，不仅有助于环境保护，还能提升航运企业经济效益与竞争力。

二、船舶轮机能耗与排放现状

船舶轮机系统主要是由柴油机、锅炉以及泵等部件共同组成的，在其运行期间会消耗数量颇为可观的燃油。传统柴油机，其工作效率是比较低的，那些老旧机型的热效率仅仅能够达到 30% 至 40% 这样的一个区间范围。而轮机设备以及诸如空调、照明这类辅助设备在长时间持续运转的情况下，是会不断消耗电能的。船舶所排放出来的各类污染物对于环境以及生态系统是存在危害的，其中包含了能够形成酸雨的硫氧化物，会引发光化学烟雾的氮氧化物，会使得全球变暖状况加剧的二氧化碳，除此之外，还有那些会对空气质量产生影响并且对人体健康造成危害的颗粒物。

三、船舶轮机节能减排创新技术

3.1 新型动力系统技术

3.1.1 双燃料发动机技术

双燃料发动机具备使用天然气以及柴油这两种燃料的能力。当把液化天然气（LNG）当作主要燃料来使用的时候，相较于传统的柴油发动机而言，其在硫氧化物、颗粒物排放方面能够实现显著的降低，氮氧化物排放能够降低百分之八十五至百分之九十五的幅度，二氧化碳排放也能够减少百分之二十至百分之三十这样一个区间范围。LNG 在燃烧的时候相对来讲较为充分，其能量的利用率处于比较高的水平，这便能够对船舶动力系统的效率起到有效的提升作用。就好比某些从事远洋运输的集装箱船，在采用了双燃料发动机之后，其燃料成本大约能够降低百分之二十左右的程度。

3.1.2 混合动力系统技术

混合动力系统把传统柴油机同电池、电动机等组合到一起。在船舶处于低速航行状态或者开展港口作业期间，能够切换成电力驱动模式，这样一来，柴油机的运行时间便得以减少，油耗以及排放也随之降低。当船舶有高速航行或者需要大功率输出的需求时，柴油机和电动机就会协同开展工作。就拿一些内河游船来说，它们采用了混合动力系统，相较于纯柴油机动力的船舶，其能耗能够降低 15%-25% ，污染物的排放也明显减少了许多。此外，混合动力系统还具备能量回收功能。在船舶制动或者减速的过程中，电动机可以转变为发电机，将船舶的动能转化为电能储存起来，供后续航行使用。这种能量回收机制进一步提高了能源的利用效率，减少了不必要的能源浪费。而且，混合动力系统的维护成本相对较低，电动机和电池组的寿命较长，减少了更换零部件的频率，从而降低了整体运营成本。随着技术的不断进步，混合动力系统在船舶轮机领域的应用前景将越来越广阔。

3.2 余热回收技术

船舶柴油机排放出的废气携带着相当多的热量，而余热回收技术恰好能够把这部分热量转化成有用的能量。在常见的余热回收装置当中，有废气涡轮增压器以及余热锅炉这两种。废气涡轮增压器是借助废气所蕴含的能量来驱动涡轮，进而带动压气机对空气进行压缩，如此一来便能够增加柴油机的进气量，使得燃烧效率得以提升，在这种情况下，柴油机的功率能够提高 20% 至 50% ，油耗也能降低 5% 至 10% 。至于余热锅炉呢，它是利用废气的热量来产生蒸汽，这些蒸汽可以用来驱动蒸汽轮机进行发电，或者满足船舶上其他方面的用热需求，其所回收的热量能够占到废气总热量的 40% 至 50% 。除此之外，还有一种先进的余热回收方式，即有机朗肯循环（ORC）系统。该系统通过有机工质来吸收废气中的余热，并推动涡轮做功，进而带动发电机发电。相较于传统的余热锅炉，ORC 系统具有更高的能量转换效率，并且能够适应更广泛的余热温度范围。采用 ORC 系统的船舶，可以进一步提升能源利用率，减少燃油消耗和温室气体排放。

3.3 智能控制技术

智能控制技术借助传感器来对船舶轮机的运行参数展开实时监测，这些参数涵盖了温度、压力以及转速等等方面。随后，其会运用计算机控制系统依照所监测到的这些参数，自动地对设备的运行状态做出调整。比如智能调速系统，它能够依据船舶负载出现的变化情况，自动去调节柴油机的转速，从而让柴油机可以一直保持在最为理想的工况下运行，如此一来，便能有效防止因为负载发生变化而致使油耗出现增加以及排放不断恶化的情况。相关研究已经表明，要是采用智能控制技术的话，那么船舶轮机的能耗是能够降低 8% 至 12% 这个范围的。除此之外，智能控制技术还具备故障预警与诊断功能。通过对船舶轮机运行数据的深入分析，智能控制系统能够及时发现潜在的故障风险，并向操作人员发出预警，甚至在某些情况下，系统还能自动采取应急措施，避免故障的发生或扩大，从而大大提高了船舶运行的安全性和可靠性。这种智能化的管理方式，不仅减少了人工干预的需要，降低了人为错误的可能性，还使得船舶的维护成本得到有效控制，进一步推动了船舶轮机的节能减排进程。

四、节能减排技术应用案例分析

4.1 某大型集装箱船应用双燃料发动机技术

某航运公司一艘规模不小的集装箱船，其船长约达 300 米，载箱量能够达到 8000 标准箱之多。这艘船原本运用的是传统的柴油发动机，而在应用了双燃料发动机技术之后，展开了为期一年的运营测试工作。在测试期间，LNG 被用作燃料，其所占比例达到了 70% 这样一个程度。测试所呈现出的结果表明，和改造之前相对比的话，硫氧化物的排放基本上已经接近于零的状态，氮氧化物的排放更是大幅降低了 90% ，二氧化碳的排放同样也减少了 25% 左右。与此同时，燃料方面的成本也降低了大概 22% ，在扣除掉设备改造所产生的费用之后，在运营的第二年便收获了颇为显著的经济效益。

4.2 某内河散货船应用余热回收与智能控制技术

一艘内河散货船，其船龄已然达到了 5 年，载重吨的数量是 5000 吨。在这艘船上安装了余热回收装置以及智能控制系统。余热回收装置能够把废气当中的热量回收起来，以此用来加热燃油，并且还能用于产生蒸汽，进而满足船舶在部分方面的用热需求。智能控制系统则可以实时对柴油机运行的各项参数展开监测，同时还能做出相应的调整。经过长达半年时间的实际运行监测之后发现，船舶的能耗降低了 15% ，其中余热回收装置所贡献的节能效果大约为 6% ，而智能控制系统所贡献的节能效果大约是 9% 。与此同时，因为设备的运行工况得到了优化，使得柴油机的维护周期得以延长，维修成本也降低了约 18% 。

结论

船舶轮机节能减排技术的创新与应用对航运业可持续发展意义重大。新型动力系统技术、余热回收技术和智能控制技术等在降低船舶能耗、减少污染物排放方面成效显著。通过实际案例可以看出，这些技术的应用不仅有利于环境保护，还能为航运企业带来可观的经济效益。未来，随着科技的不断进步，船舶轮机节能减排技术将朝着更高效、智能化和多元化方向发展。例如，氢燃料电池等新型能源技术有望在船舶上得到应用，进一步推动航运业绿色低碳发展。航运企业应积极关注和应用节能减排新技术，提升自身竞争力，为全球环境保护和航运业可持续发展做出贡献。

参考文献：

[1] 吴林锋 . 船舶能效优化轮机系统集成控制与节能减排 [J]. 船舶物资与市场 , 2024, 32(9):85-87.

[2] 姜小霞 . 节能减排技术在轮机设计中的应用 [J]. 船舶物资与市场 ,2024, 32(6):94-96.