馮馴

上海市節(jié)能減排中心有限公司

0 引言

黨的“十九大報告”指出，要建設(shè)的現(xiàn)代化是人與自然和諧共生的現(xiàn)代化，為未來中國的生態(tài)文明建設(shè)和綠色發(fā)展指明了方向、規(guī)劃了路線。為了推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，民航業(yè)作為用能大戶，也將扮演極其重要的角色，必須注重綠色發(fā)展。在國務(wù)院發(fā)布的《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》和《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)民航業(yè)發(fā)展的若干意見》中明確提出促進(jìn)交通運(yùn)輸綠色發(fā)展，打造綠色低碳航空，推動新材料、新能源的應(yīng)用。

目前，民航行業(yè)在未來仍將保持高速增長。根據(jù)國家統(tǒng)計局公布數(shù)據(jù)，2018年民用航空貨物周轉(zhuǎn)量和旅客周轉(zhuǎn)量相比較“十二五”末已分別上漲了26．1%和47．1%。民用機(jī)場新建28個，民用航空航線新增1 276條，上升比例為40．6%，航線里程新增285萬km，上升61．4%，民用飛機(jī)新增1 425架，上升了34．2%。

航空公司屬于“能源依賴型企業(yè)”,航油約占其主營成本的30%～40%。因此，我國的民用航空業(yè)在迎來業(yè)務(wù)需求增長和發(fā)展的同時，如何有效控制油耗以減少排放是航空業(yè)面臨的嚴(yán)峻問題。

降低運(yùn)營成本、提高利潤、贏得更好的發(fā)展空間，是各大航空公司積極主動地研究探索航空節(jié)能技術(shù)的動力。目前，在燃料動力、機(jī)體結(jié)構(gòu)、地面維護(hù)及管理等方面采取的常用節(jié)能減排技術(shù)見表1。

表1 航空常用節(jié)能減排技術(shù)舉例

1 各種節(jié)能技術(shù)特點(diǎn)

1.1 發(fā)動機(jī)升級

目前，國內(nèi)民航寬體客機(jī)上均采用大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)作為推進(jìn)動力源，并且以CFM56系列和V2500系列發(fā)動機(jī)為主。對不同飛機(jī)機(jī)型的適用發(fā)動機(jī)系列進(jìn)行升級改造以達(dá)到有效降低燃油消耗和污染物排放的目的。

CFM56系列航空發(fā)動機(jī)是由美國GE公司和法國SNECMA公司組建的CFMI公司共同研發(fā)的，該系列發(fā)動機(jī)是在美國F101軍用渦扇發(fā)動機(jī)為核心機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)20世紀(jì)80年代末國際民用飛機(jī)市場需求而研制的100kN級大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，目前已相繼推出了CFM56-2、CFM56-3、CFM56-5、CFM56-7等4個系列[1]，見表2。與原型號發(fā)動機(jī)相比，新一代升級發(fā)動機(jī)其性能更好，更安全可靠，更節(jié)能環(huán)保。例如：CFM56-5A同CFM56-2相比，耗油率降低了13%～15%，可靠性提高了30%～40%。CFM56-5B采用了更先進(jìn)的雙環(huán)腔燃燒室，NOx排放物降低約35%。CFM56-5C發(fā)動機(jī)耗油率比CFM56-5A1降低約5%。

V2500系列發(fā)動機(jī)則是國際航空發(fā)動機(jī)公司（IAE)研制生產(chǎn)的雙轉(zhuǎn)子軸流式高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)。該系列發(fā)動機(jī)具有無凸臺的寬弦空心的風(fēng)扇葉片、“浮壁”燃燒室和高效的燃油率等特點(diǎn)[2]。20世紀(jì)該公司已研制生產(chǎn)了V2500-A1、V2527-A5、V2522-D5、V2528-D5、V2530-A5等多款V2500系列發(fā)動機(jī)。2008年IAE公司為進(jìn)一步改進(jìn)V2500發(fā)動機(jī)的性能，推出了Select One改裝計劃，對發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)（HPC）和高壓渦輪（HPT）進(jìn)行升級改造，通過改裝可以降低2%～3%的燃油消耗，同時還具有提高發(fā)動機(jī)工作效率、減少發(fā)動機(jī)排放、提高部件可靠性、減少返修次數(shù)等效果。

表2 CFM56和V2500系列發(fā)動機(jī)對應(yīng)機(jī)型

上海市已有多家航空公司進(jìn)行了發(fā)動機(jī)升級改造，東方航空公司、春秋航空公司和吉祥航空公司自2010年以來投入大量資金，已對近百架飛機(jī)的發(fā)動機(jī)進(jìn)行了升級改造，并取得了良好的節(jié)能效果。

1.2 生物質(zhì)燃料

生物質(zhì)燃料是實(shí)現(xiàn)航空業(yè)大幅度節(jié)能減排的技術(shù)之一，以生物質(zhì)作為原料制造的航空生物燃料具備原料易得、可再生及環(huán)保等諸多優(yōu)勢。生物質(zhì)合成航空燃油其化學(xué)結(jié)構(gòu)和物化性質(zhì)與一般化石航空燃油較為接近，也可使用現(xiàn)有燃料運(yùn)輸配送設(shè)備及系統(tǒng)。根據(jù)相關(guān)研究，在燃料生產(chǎn)使用的全生命周期內(nèi)，航空生物燃料的溫室氣體排放量與一般化石航空燃油相比可降低50%～90%[3]。

目前制造航空生物質(zhì)燃料主要采取生物質(zhì)氣化-費(fèi)托合成、生物質(zhì)水相催化、油脂加氫等方法[4]，見表3。

表3 航空生物質(zhì)燃料主要制取方法

對我國而言，存在大量農(nóng)業(yè)廢棄物可加以利用，生物質(zhì)氣化-費(fèi)托合成技術(shù)將成為未來的主要發(fā)展方向。中國國際航空股份有限公司在2011年10月成功實(shí)施了國內(nèi)首次航空可持續(xù)生物燃料的驗(yàn)證飛行。在全球范圍，也有多家航空公司在使用生物燃油，但也僅僅作為試點(diǎn)工程，仍缺乏持續(xù)穩(wěn)定的供應(yīng)鏈，需要繼續(xù)推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的進(jìn)程。研究和發(fā)展航空生物質(zhì)燃料在中國具備良好的條件，即：具有充足的人力資本和廣闊的社會需求。應(yīng)創(chuàng)建以政府部門為指導(dǎo)，企業(yè)為主體，大學(xué)、研究所、金融機(jī)構(gòu)共同參與的生物質(zhì)燃料創(chuàng)新體系，加強(qiáng)自主技術(shù)研發(fā)力度。同時，國家應(yīng)制定針對性的扶持政策，使企業(yè)在航空碳稅、碳交易、技術(shù)扶持資金等方面獲益。

1.3 翼梢小翼

飛機(jī)在巡航工況下，機(jī)翼后渦旋所產(chǎn)生的誘導(dǎo)阻力在總阻力中增長成為較大占比。采用擴(kuò)大機(jī)翼展長的方法可以達(dá)到降低誘導(dǎo)阻力的目的，但同時飛機(jī)展長還受到機(jī)翼結(jié)構(gòu)與空間的限制，不可能無限增加。翼梢小翼是美國航空航天局(NASA)蘭利風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室主任R．T．懷特科姆[5]在20世紀(jì)70年代中期首先設(shè)計了一種安裝在機(jī)翼翼尖的附加裝置原型，該裝置可大幅降低飛機(jī)巡航工況的誘導(dǎo)阻力。

翼梢小翼主要減阻原理：在飛機(jī)機(jī)翼尖端上下表面的壓差作用下，機(jī)翼尖端沿下表面氣流趨于外流，上表面趨于內(nèi)流。飛機(jī)機(jī)翼上安裝翼梢小翼后，在飛機(jī)機(jī)翼的氣流流動過程中將產(chǎn)生端板效應(yīng)，并對飛機(jī)機(jī)翼翼梢渦產(chǎn)生擴(kuò)散效應(yīng)，削弱機(jī)翼尾渦的下洗，誘導(dǎo)阻力隨之減少。

目前在民用機(jī)上所用的翼梢小翼有：單上翼梢小翼、翼梢渦擴(kuò)散器、鯊魚鰭翼梢小翼、翼梢帆片等，如圖1所示。

相關(guān)研究顯示，翼梢小翼安裝在機(jī)翼上能夠降低飛機(jī)飛行時的誘導(dǎo)阻力的20%～30%。其作為一種節(jié)約成本和節(jié)能的先進(jìn)空氣動力技術(shù)，在波音和空客的大型客機(jī)上已有應(yīng)用。

根據(jù)上海地區(qū)數(shù)家大型航空客運(yùn)公司的實(shí)際運(yùn)營數(shù)據(jù)，320系列飛機(jī)加裝翼梢小翼后，節(jié)油率達(dá)約3%。一般而言，航程越長，巡航高度和馬赫數(shù)就越高，小翼節(jié)油也越多。在短距航段，飛機(jī)爬升和下降占用過多的時間，巡航階段需時較少，因此短航程飛行時鯊鰭小翼節(jié)油較少?？湛蛯?shí)驗(yàn)室的理論測試數(shù)據(jù)顯示，A320系列飛機(jī)加裝鯊鰭小翼后均能達(dá)到一定比例的節(jié)油效果。根據(jù)理論測試數(shù)據(jù)，在1 000海里航程，加裝鯊鰭小翼可節(jié)油2．5%以上。節(jié)油比率與航程長短成正比，航程達(dá)到3 000海里時，預(yù)計可節(jié)油3．5%以上，如圖2所示。

圖1 航空翼梢小翼分類

圖2 小翼節(jié)油效果示意圖

1.4 發(fā)動機(jī)水洗

評價航空發(fā)動機(jī)典型性能參數(shù)有：EGTM（發(fā)動機(jī)排氣溫度裕度）、機(jī)械振動值、滑油壓力及滑油消耗情況等。監(jiān)控各項(xiàng)性能參數(shù)有助于掌握航空發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀況，預(yù)測、管理發(fā)動機(jī)維修，降低燃油消耗量，減少維護(hù)和備件成本。

航空發(fā)動機(jī)利用燃油燃燒推動工質(zhì)（空氣）進(jìn)行做功，然后轉(zhuǎn)變成透平渦輪的動能，給飛機(jī)飛行提供動力源。經(jīng)過長時間的運(yùn)行，燃油內(nèi)含有的雜質(zhì)（如膠質(zhì)）及高溫燃燒產(chǎn)生的微溶碳化物會日積月累地附著于整個引擎系統(tǒng)內(nèi)部，導(dǎo)致油耗量上升。

發(fā)動機(jī)水洗是指對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道、風(fēng)扇葉片及整個核心機(jī)氣路用一定壓力的水(或溶劑)沖洗，一般可獲5℃～10℃的EGTM，個別發(fā)動機(jī)可達(dá)15℃之多，從而提高發(fā)動機(jī)性能和燃油效率。該方法簡單、省時、收效快，尤其對于經(jīng)過沙塵或沿海區(qū)域的機(jī)群航線，使用發(fā)動機(jī)水洗的效果明顯。實(shí)際操作時清洗發(fā)動機(jī)的用水流速和溫度都應(yīng)有嚴(yán)格計量要求。發(fā)動機(jī)清洗車是由不銹鋼水箱和不銹鋼清水箱組成（圖3），按照飛行手冊相應(yīng)要求，分別充入額定的清洗劑溶液和純凈軟水，經(jīng)汽油水泵機(jī)組增壓調(diào)壓后，再通過閥門、管道等將清水或藥水按一定流量噴射到需要清洗的地方。清洗過程中水溫、水槍角度、時間都有嚴(yán)格要求。水洗設(shè)備通過固定在發(fā)動機(jī)前段的固定式水槍使清洗過程中水槍角度、霧化效果、水流量得到有效控制，從而達(dá)到最佳沖洗效果，提高發(fā)動機(jī)的EGT裕度，延長發(fā)動機(jī)的使用壽命。

圖3 發(fā)動機(jī)水洗設(shè)備

航空發(fā)動機(jī)水洗是保持發(fā)動機(jī)氣路性能經(jīng)濟(jì)有效的在翼維護(hù)措施。目前，各大航空公司已根據(jù)發(fā)動機(jī)的具體使用情況制定相應(yīng)的水洗計劃，以此解決積垢積碳引起的發(fā)動機(jī)氣路性能衰退問題，實(shí)際運(yùn)營數(shù)據(jù)也證明了其易操作和有效性。根據(jù)上海地區(qū)航空公司實(shí)際運(yùn)營數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過水洗后的發(fā)動機(jī)，節(jié)油率約為3‰。發(fā)動機(jī)水洗節(jié)能效果見圖4。

圖4 發(fā)動機(jī)水洗節(jié)能效果

1.5 地面設(shè)備（電源）

APU（飛機(jī)輔助動力裝置）是一種小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，其主要作用是向飛機(jī)獨(dú)立提供電力和壓縮空氣。APU有自己單獨(dú)啟動的電動機(jī)，由單獨(dú)的電池供電，有獨(dú)立的附加齒輪箱、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和防火裝置。APU一般裝在機(jī)身最后段的尾椎之內(nèi)，在機(jī)身上方垂尾附近開有進(jìn)氣口，排氣直接由尾錐后端的排氣口排出，見圖5。

圖5 APU設(shè)備及控制系統(tǒng)

起飛前，APU供電啟動飛機(jī)主發(fā)動機(jī)，APU可提供電力和壓縮空氣，保證客艙和駕駛艙內(nèi)的照明和空調(diào)，確保旅客的舒適。飛機(jī)飛行時，APU是保證航空發(fā)動機(jī)空中停車后再啟動的主要裝備，它直接影響飛行安全；降落后，仍由APU供應(yīng)電力照明和空調(diào)，使主發(fā)動機(jī)提早關(guān)閉。APU同主發(fā)動機(jī)一樣是渦輪發(fā)動機(jī)，燃燒航空燃油排放廢氣。其存在效率相對較低，噪聲、耗油量相對較大的缺點(diǎn)[7]，給機(jī)場及機(jī)場地區(qū)帶來的大氣污染和環(huán)境噪音顯得十分突出。

各航空企業(yè)可通過減少使用APU的方法來降低燃油成本。航空公司在航班的航前、過站、航后等地面等待時間可以使用地面電源代替飛機(jī)APU，節(jié)能減排效果相當(dāng)明顯。對于飛機(jī)著陸后使用地面設(shè)備替代APU，歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家的機(jī)場已寫入制度規(guī)范。飛行員著陸后操作也很方便．地面（電源）設(shè)備(圖6)連接成功，飛機(jī)指示燈點(diǎn)亮提醒，飛行員按下切換按鈕，則完成了關(guān)閉飛機(jī)APU并由地面設(shè)備（電源）供應(yīng)能源的操作。目前機(jī)場所使用的地面設(shè)備主要分為兩種：地面車載電源、空調(diào)設(shè)備和地面橋載電源、空調(diào)設(shè)備。

圖6 地面電源車設(shè)備

采用地面（電源）設(shè)備代替APU供電，可節(jié)約燃油消耗、節(jié)省APU維修費(fèi)用、減少CO2等氣體的排放。根據(jù)不同航空公司測試及營運(yùn)數(shù)據(jù)顯示，APU每小時消耗航空煤油一般為100kg/h～120kg/h。而一般地面（電源）設(shè)備僅為10kg/h～15kg/h柴油，節(jié)油率可達(dá)80%以上。

1.6 管理節(jié)能

1.6.1 優(yōu)化航線

國務(wù)院發(fā)布的《促進(jìn)民航業(yè)發(fā)展的若干意見》文件中明確提出：“實(shí)行航路航線截彎取直，提高臨時航線使用效率，優(yōu)化地面運(yùn)行組織，減少無效飛行和等待時間?！蔽覈骄€普遍存在彎曲程度較高、技術(shù)等級和開放程度較低等問題。我國航路航線非直線系數(shù)約為1．11（歐洲和美國均低于1．05），這導(dǎo)致飛機(jī)飛行距離增加，提高了運(yùn)營成本。民航空管部門在目前狀況下提出了“東部擴(kuò)展、西部延伸、南部分流、北部拉直、中部疏通”的指導(dǎo)思路。優(yōu)化海南、深圳等地區(qū)空域，啟用京昆、廣蘭和京廣等大通道，使用東南沿海海上飛行航線,這些舉措都體現(xiàn)了上述思路。各大航空公司也積極優(yōu)化航線，例如：東航在2009年因航線優(yōu)化節(jié)約能源3 298 t標(biāo)準(zhǔn)煤，節(jié)省成本約1 300萬元。該公司先后對上海一曼谷/普吉、紐約一浦東、浦東-巴黎/法蘭克福、歐洲去程回程、西北區(qū)內(nèi)等航線進(jìn)行了優(yōu)化，都取得了良好的節(jié)能減排效果[8]。

1.6.2 計算飛行計劃精準(zhǔn)化

航空公司的飛行計劃與飛機(jī)耗油量直接相關(guān)，一般而言,飛機(jī)飛行途中特殊天氣、風(fēng)速、飛行高度、飛機(jī)性能、載重等都會對用油量產(chǎn)生很大影響。春秋航空開發(fā)使用了一套計算機(jī)模擬飛行計劃，飛行前，利用計算機(jī)技術(shù)，結(jié)合氣象、性能及載重參數(shù)，可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測飛行情況。使用計算機(jī)模擬飛行計劃取代固定油量模式，根據(jù)實(shí)時的飛行線路風(fēng)向和風(fēng)速等參數(shù),確定最優(yōu)飛行高度,通過計算機(jī)模擬計算得到一個準(zhǔn)確、安全的航班加油量,減少了飛行重量,可節(jié)省航班運(yùn)行中的燃油消耗。東航則使用了一套直接運(yùn)行成本（DOC）控制和管理系統(tǒng)。每月根據(jù)國際油價和運(yùn)行成本狀況的變化，隨時調(diào)整發(fā)布各機(jī)型的CI成本指數(shù)，使公司的DOC控制和管理形成長效管理機(jī)制。根據(jù)東航統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)使用前后，平均單位飛行小時油耗可以下降10%[9]。

1.6.3 飛機(jī)重心調(diào)整

飛機(jī)載荷分布情況確定了飛機(jī)重心位置。除了在重心位置以外，飛機(jī)上各部位載重量變化，飛機(jī)重心都會移動，向載重變大的方向偏移。一般而言，飛機(jī)重心越靠后,巡航阻力越小,耗油越少,因此可以通過重心后移減少燃油消耗。

飛機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，可以通過旅客和貨物位置合理布置控制飛機(jī)重心位置，在確保飛行安全的前提下向后挪移飛機(jī)重心以達(dá)到節(jié)油目的。后移重心范圍由工程師依據(jù)飛機(jī)重心包線劃定，在進(jìn)行配載平衡時，配載工作人員協(xié)調(diào)值機(jī)和裝貨工作人員對旅客和貨物的位置進(jìn)行調(diào)整，使飛機(jī)重心處于劃定范圍中。山東航空在煙臺、青島、濟(jì)南基地實(shí)施了飛機(jī)重心后移，年節(jié)油量約110t。

1.6.4 飛機(jī)減重

飛機(jī)減重是減少飛機(jī)燃油消耗的重要手段，根據(jù)計算,飛機(jī)載重每減少100kg，油耗可降低2．1kg/h。飛機(jī)減重可以通過如下幾種手段實(shí)現(xiàn)：

1）羅列設(shè)備、物料和飛機(jī)用品清單和明細(xì)，避免重復(fù)計算；準(zhǔn)確稱量各種設(shè)備、物料和飛機(jī)用品重量，精確計算飛機(jī)總重量；

2）規(guī)范飛機(jī)供應(yīng)用品、機(jī)載雜志等數(shù)量和加水量等，比如按照航班的特點(diǎn)靈活配備機(jī)供品和雜志、按照航程的長短規(guī)范加水量等，減少不必要的重量。

3）使用輕質(zhì)材料座椅等輕質(zhì)材料配件。

1.6.5 降低起飛推力

滿推力起飛是目前大部分飛機(jī)在起飛過程中普遍使用的方式，然而當(dāng)實(shí)際起飛重量低于起飛限制重量時，飛機(jī)起飛過程中可以適當(dāng)降低推力。適當(dāng)降低起飛推力可以降低發(fā)動機(jī)排氣溫度，減少零件損耗，進(jìn)而提升飛機(jī)發(fā)動機(jī)的可靠性，減少維護(hù)成本。同時，減推力起飛也減少了燃油用量和噪聲污染。減推力起飛實(shí)際使用過程中需要工程師提供合理充足的起飛性能數(shù)據(jù)供飛行員使用，并給予相應(yīng)的規(guī)范和指導(dǎo)。飛機(jī)減推力起飛時發(fā)動機(jī)可靠性和油耗情況如圖6所示。

圖6 減推力起飛發(fā)動機(jī)性能和油耗示意圖

奧凱航空在2010年將數(shù)架B737-800飛機(jī)的CFM56發(fā)動機(jī)的27KN推力下降至26KN[7]。該公司咨詢了通用電氣公司和自身的飛機(jī)性能部門,評估了將發(fā)動機(jī)推力降低至26KN對航線運(yùn)營的影響，并與波音公司進(jìn)行商討，最終確定并實(shí)施了該項(xiàng)目。取得了良好的節(jié)能減排效果。

2 結(jié)論和展望

為深入貫徹落實(shí)生態(tài)文明建設(shè)要求，我國民航業(yè)在過去的近10年內(nèi)已采取了諸多有效措施，全方位地推進(jìn)節(jié)能減排工作，形成了推進(jìn)節(jié)能減排工作的良好氛圍，取得了較為顯著的成效。但面對國內(nèi)外新形勢新要求，仍存在民航業(yè)綠色低碳發(fā)展基礎(chǔ)不牢、能力不強(qiáng)、動力不足等問題。

目前“十三五”已經(jīng)接近收尾，“十四五”即將開年，我國民航業(yè)面臨的國內(nèi)外資源環(huán)境約束將日益明顯。從國家層面說，我國到2020年需實(shí)現(xiàn)碳強(qiáng)度降低40%～45%的約束性目標(biāo)，2030年左右CO2排放達(dá)到峰值的目標(biāo)，我國的生態(tài)文明制度體系建設(shè)將持續(xù)推進(jìn)，環(huán)境保護(hù)與節(jié)能減排領(lǐng)域的硬約束、硬指標(biāo)將不斷加強(qiáng)。

我國民航業(yè)節(jié)能減排工作將同時面臨新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。我們應(yīng)正確認(rèn)識并積極探索民航業(yè)發(fā)展規(guī)律和協(xié)調(diào)發(fā)展與減排之間的關(guān)系，充分運(yùn)用市場手段，不斷激發(fā)、提升民航業(yè)節(jié)能減排內(nèi)生動力，繼續(xù)加大節(jié)能減排技術(shù)的研究開發(fā)力度，在未來構(gòu)建出安全、高效、便捷、綠色的現(xiàn)代民用航空系統(tǒng)。