摘要：船舶工業(yè)作為“工業(yè)綜合之冠”，具有產(chǎn)業(yè)鏈條長，耗能品種多，非連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)等特征，為船舶工業(yè)碳排放管理帶來較大挑戰(zhàn)。本文采取抽樣調(diào)查方式，對典型船舶制造業(yè)生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)梳理，結(jié)合企業(yè)能耗特點(diǎn)，剖析了重點(diǎn)用能環(huán)節(jié)、重點(diǎn)用能品種、重點(diǎn)用能設(shè)備能源消耗和碳排放特征，為船舶工業(yè)重點(diǎn)設(shè)備碳排放管理提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：船舶工業(yè)；工藝流程；耗能環(huán)節(jié)；耗能設(shè)備

近年來，我國六大高耗能行業(yè)的總能源消耗占比常維持50%以上，二氧化碳排放量占比也遠(yuǎn)超70%。為深入貫徹落實(shí)我國碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略決策部署，有效遏制能源消耗趨嚴(yán)形勢，國務(wù)院印發(fā)了《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》指出，要求通過實(shí)施節(jié)能減排重點(diǎn)工程，推動能源利用效率提高，堅(jiān)決遏制“雙高”項(xiàng)目盲目發(fā)展。具體舉措有：（1）推動制造業(yè)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現(xiàn)智能化、信息化、綠色化升級轉(zhuǎn)型；（2）強(qiáng)化制造業(yè)能效、水效對標(biāo)專項(xiàng)工程，有效降低產(chǎn)品能耗水平；（3）加強(qiáng)數(shù)字化監(jiān)控能力，推廣能源管控中心和智能化管控和診斷能力。整體來看，我國政策對于能耗總量控制向工藝和產(chǎn)品精細(xì)化管控轉(zhuǎn)變，各行各業(yè)根據(jù)實(shí)際情況，紛紛出臺了相關(guān)的政策加強(qiáng)先進(jìn)工藝、綠色產(chǎn)品的推廣。

船舶制造業(yè)，是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，保障我國遠(yuǎn)洋運(yùn)輸和國際貿(mào)易，對經(jīng)濟(jì)增長和人民生活改善起到了舉足輕重的作用；我國造船業(yè)三大指標(biāo)對于能耗管理，特別是單位產(chǎn)品能耗仍有一定差距。眾所周知，造船工藝即船舶建造過程中所采用的各種方法和技藝，包括船體加工工藝、舾裝（外裝、內(nèi)裝、機(jī)裝、電裝）工藝、涂裝工藝和焊接工藝。船舶制造是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，各工序間需要通過科學(xué)合理安排，促使工序間有效銜接，從時間和空間上實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)要素間資源配置達(dá)到最優(yōu)化，國際上亦是通過核算工時量和綜合能耗強(qiáng)度衡量生產(chǎn)效率的高低。因此，本文系統(tǒng)梳理了船舶工業(yè)重點(diǎn)用能品種、用能環(huán)節(jié)、用能設(shè)備特征，分析了各環(huán)節(jié)能源消耗和碳排放特征，為加強(qiáng)船舶工業(yè)碳排放和能源消耗管理具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1船舶工業(yè)重點(diǎn)用能品種特征

按照能源品質(zhì)和用途，將船舶制造過程中能源種類分為一次能源（如天然氣、原煤等）、二次能源（如電力、熱力、柴油等）以及耗能工質(zhì)（如水、二氧化碳、壓縮空氣等）。

船舶制造企業(yè)往往占地面積較大，部分空地用于放置陰干晾曬噴漆后的零部件，此外，船臺、碼頭等區(qū)域用于舾裝，因此各區(qū)域間能源消耗往往受工藝的差異產(chǎn)生較大的差距。以分段制作車間為例，電和二氧化碳為主要消耗能源品種，而涂裝車間以電和壓縮空氣為主?？梢哉f，船舶制造企業(yè)需要聘用專業(yè)能力較強(qiáng)的管理人員，用于供應(yīng)各部門能源需求，同時對重要耗能品種按照車間級進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，避免造成能源管理無序的現(xiàn)象發(fā)生。

2船舶工業(yè)生產(chǎn)工藝特征

典型船舶制造工藝流程可表示如圖1所示，各工序主要耗能品種簡述如下：

2.1鋼材預(yù)處理

通過鋼材通過切割、除銹和底漆工序，將鋼材按照設(shè)計(jì)要求，制作成指定型號的材料。這是由于鋼材預(yù)處理過程中，壓延和軋制工藝后冷卻不均，運(yùn)輸、存儲過程中環(huán)境條件變化等因素，往往會導(dǎo)致鋼材出現(xiàn)變形，需通過矯正、拋光處理滿足各組件尺寸要求。目前，我國造船企業(yè)鋼板預(yù)處理通過預(yù)處理流水線實(shí)現(xiàn)，鋼材預(yù)處理流水線包括進(jìn)料輥道、預(yù)熱、拋丸除銹、丸料清掃、噴漆、烘干、卸料輥道等工位，需要用到的能源主要包括電、壓縮空氣、蒸汽等。

2.2材料切割

利用等離子切割機(jī)、氣割機(jī)等進(jìn)行焊接或切割，將鋼材切割成實(shí)際形狀，并利用氣刨機(jī)將邊緣進(jìn)行磨合。涉及的工藝設(shè)備有：數(shù)控等離子切割機(jī)、銑邊機(jī)、電感應(yīng)校平系統(tǒng)等。需要用到的能源主要是電、氧氣、乙炔、天然氣等。

2.3加工成型

將切割后的型材進(jìn)行曲度、折角或折邊處理。對于板材加工，即可采用輥式彎板機(jī)和滾壓機(jī)進(jìn)行彎冷處理，也可采用水火成型的加工方法，對板材進(jìn)行局部變形，彎成所要求的曲面形狀。對于肋骨等的型材處理，常采用肋骨冷彎機(jī)進(jìn)行彎制成型。需要利用的設(shè)備有輥式彎板機(jī)、滾壓機(jī)、肋骨冷彎機(jī)和數(shù)控彎板機(jī)等，這些切割設(shè)備主要以用電為主，彎板設(shè)備還需用到氧氣、乙炔、天然氣等氣體進(jìn)行處理。

2.4部件裝配焊接

加工成型后的型材有板列、T型材、首尾柱等部件。將這些小組件在裝焊拼條進(jìn)行焊接，即小組立，除焊材材料損耗外，消耗的能源基本為電。

2.5組件裝備焊接

小組立通過焊接工藝，形成腹板等中組立件，由于中組立件重量大，尺寸高，還需利用吊車進(jìn)行搭載，消耗的能源以電和壓縮空氣為主。

2.6分段裝備焊接

分段包括平面分段和曲面分段，其中又以平面分段的工作量最大。對于曲面和立體分段的裝配，國內(nèi)主要船廠仍然在平臺和胎架上裝配。分段裝焊使用的設(shè)備主要包括各類焊機(jī)，部分企業(yè)會用到焊接機(jī)器人等。同樣，以電、壓縮空氣等能源消耗為主。

2.7分段涂裝

分段涂裝一般在涂裝房進(jìn)行，涂裝房也是船廠耗能較大的一個生產(chǎn)部門，除了需要消耗電能外，拋丸除銹和清潔需要用到壓縮空氣，船廠約70%的壓縮空氣就是消耗在涂裝環(huán)節(jié)。另外，烘干過程還需用到蒸汽。

2.8分段總組

分段總組需要對分段進(jìn)行吊放、定位、焊接，以及各種單元、模塊、舾裝件的預(yù)舾裝，所涉及的設(shè)備主要包括龍門吊、塔吊、焊機(jī)、切割設(shè)備等，消耗的能源基本是電，以及焊接切割用的天然氣、乙炔、氧氣、二氧化碳等氣體。

2.9船塢/船臺合攏

各種總裝方法的選擇根據(jù)船體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和船廠的具體條件而定，但都會涉及總段吊放、定位、焊接、余量切割的過程，需要用到龍門吊、塔吊、焊接設(shè)備、切割設(shè)備等。消耗的能源基本是電，以及焊接切割用的天然氣、乙炔、氧氣、二氧化碳等氣體。

2.10船塢/船臺舾裝及涂裝

在船塢/船臺內(nèi)進(jìn)行的舾裝及涂裝，大型設(shè)備需要用到龍門吊，其他設(shè)備及舾裝件通過塔吊吊裝，以及利用各類焊機(jī)進(jìn)行焊接，并通過移動式噴涂設(shè)備進(jìn)行噴涂。消耗的能源基本是電，以及焊接切割用的天然氣、乙炔、氧氣、二氧化碳等氣體，還包括噴涂的壓縮空氣。

2.11碼頭作業(yè)

由于在現(xiàn)代造船模式下，船舶的大部分舾裝作業(yè)提前到分段裝配和船體總裝階段進(jìn)行，即預(yù)舾裝，碼頭舾裝作業(yè)已經(jīng)大幅減少，碼頭作業(yè)主要是對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試以及進(jìn)行船舶傾斜試驗(yàn)等。需要用到吊車、焊機(jī)等設(shè)備，所消耗的能源主要是電，以及焊接用的天然氣、乙炔、氧氣、二氧化碳等氣體。

2.12系泊試驗(yàn)和航行試驗(yàn)

系泊試驗(yàn)是通過對船舶的主機(jī)、輔機(jī)和其他機(jī)電設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，評估產(chǎn)品性能是否滿足設(shè)計(jì)需求。航行試驗(yàn)是通過測試船舶航行狀態(tài)下，主機(jī)、輔機(jī)和其他機(jī)電設(shè)備的性能指標(biāo)。因此，系泊試驗(yàn)和航行試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)船舶的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，其主要消耗的能源是重油，船廠的重油消耗基本是在這一環(huán)節(jié)。

2.13管子生產(chǎn)

主要包括管子的彎制、焊接，以及法蘭的焊接等。目前我國主要骨干船廠均有專門的管子加工工程，基本實(shí)現(xiàn)管子加工流水線生產(chǎn)。管子生產(chǎn)線主要包括切割、彎制、打磨、焊接等工位，所消耗的能源主要是電、壓縮空氣，以及焊接用的天然氣、乙炔、氧氣、二氧化碳等氣體。

2.14預(yù)舾裝

預(yù)舾裝就是將傳統(tǒng)的碼頭、船內(nèi)的舾裝作業(yè)提前到分段、總段上，在船臺前進(jìn)行的一種舾裝方法。主要有管子、電纜托架、電器底板、機(jī)電設(shè)備底座等的預(yù)舾裝，以及機(jī)艙的單元組裝。施工過程中需要用到各類起吊設(shè)備、切割設(shè)備及焊接設(shè)備。所消耗的能源主要是電、壓縮空氣，以及焊接用的天然氣、乙炔、氧氣、二氧化碳等氣體。

3船舶工業(yè)生產(chǎn)工藝碳排放特征分析

從工藝流程分析結(jié)果來看，電能是造船企業(yè)最主要的能源，即船舶制造業(yè)間接碳排放量占比較大。企業(yè)電力消耗量占到企業(yè)總能耗量的30%～50%，折算到碳排放總量來看，約占碳排放總量的50%以上。按照生產(chǎn)重點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行劃分，企業(yè)的電力間接排放主要分為非生產(chǎn)系統(tǒng)（員工宿舍用電）、輔助系統(tǒng)、轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（以空壓站為主）和生產(chǎn)系統(tǒng)。根據(jù)對調(diào)研企業(yè)能耗水平數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各系統(tǒng)碳排放總量占企業(yè)總耗電量的比重如圖2所示。圖中顯示，生產(chǎn)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是主要的間接碳排放環(huán)節(jié)和能耗環(huán)節(jié)。

為進(jìn)一步將生產(chǎn)系統(tǒng)中能耗特征進(jìn)行梳理，結(jié)合典型船廠實(shí)際，本文將船廠生產(chǎn)部門劃分為加工部、模塊部、搭載部、涂裝部、船裝部。作為造船生產(chǎn)過程的常用能源，電力在生產(chǎn)系統(tǒng)各部門碳排放特征相對比較平均。各生產(chǎn)部門平均電力間接碳排放總量占企業(yè)總電力間接排放量的比重如下表所示：

柴油、重油等化石燃料消耗以設(shè)備運(yùn)輸、船舶試航，其消耗量約占企業(yè)總能耗量的15%～20%左右，該部分屬于化石燃料燃燒排放，約占整體碳排放量的10%左右。

乙炔、二氧化碳作為切割氣體保護(hù)氣，用于鋼板預(yù)處理切割，該部分屬于過程排放，約占企業(yè)總能耗的10%～15%。涂裝部為處理VOCs尾氣，需要利用熱力或者天然氣進(jìn)行尾氣處理，其消耗量約占企業(yè)總能耗量的5%～10%。

4結(jié)論

對于船舶工業(yè)而言，計(jì)量工藝級別能源消耗特征和碳排放特征工作起步相對較晚，通過能源消耗數(shù)據(jù)清單，核算企業(yè)碳排放特征尚顯不足。這是由于船舶制造業(yè)受工藝特征影響，噴涂作業(yè)過程中，常產(chǎn)生較大量的揮發(fā)性有機(jī)物排放，目前，多采用RTOCO處理工藝對尾氣進(jìn)行處理確保達(dá)標(biāo)排放，該部分VOCsCO2轉(zhuǎn)化因子對于船廠而言仍是空缺，僅能采用碳平衡核算方法估算理論值。此外，為提升焊接效率，焊接工藝常用CO2作為保護(hù)氣，該部分泄漏排放量估算僅能通過經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行核算。因此，借鑒國內(nèi)外先進(jìn)制造業(yè)的核算經(jīng)驗(yàn)，對后續(xù)船舶制造業(yè)能源和碳排放工藝特征進(jìn)行科學(xué)管理具有重要意義。具體如下：

（1）由于船舶制造業(yè)能源前期粗放型管理，導(dǎo)致能源管理基礎(chǔ)相對比較薄弱，國內(nèi)船舶企業(yè)面臨的能源考核壓力急劇增加，需要加強(qiáng)能源管控意識，加強(qiáng)數(shù)字化管控平臺建設(shè)，加速信息化智能化轉(zhuǎn)型升級。

（2）船舶制造業(yè)分為造、修以及配套企業(yè)三大類，不同類型企業(yè)能耗和工藝環(huán)節(jié)差距較大，為表征船舶制造業(yè)工藝能耗特征，可將共性工藝特征進(jìn)行總結(jié)，合并典型企業(yè)小類工藝，進(jìn)而形成船舶造、修以及配套企業(yè)能耗和碳排放表征。

（3）國內(nèi)船舶制造業(yè)企業(yè)受區(qū)域政策和資源稟賦影響，萬元產(chǎn)值綜合能耗、萬元產(chǎn)值碳排放強(qiáng)度指標(biāo)差異較大，例如，北方船廠需利用燃煤進(jìn)行取暖，增加整體能耗指標(biāo)，而南方不需要采暖設(shè)施，估計(jì)企業(yè)通過工藝優(yōu)化、設(shè)備淘汰等，有效降低能耗總量，提升產(chǎn)品低碳化。

（4）國內(nèi)能源監(jiān)測、碳排放數(shù)據(jù)監(jiān)測仍面臨較大挑戰(zhàn)，僅通過理論計(jì)算能耗和碳排放數(shù)據(jù)，對具體問題進(jìn)行分析仍顯不足。特別是揮發(fā)性有機(jī)物監(jiān)測技術(shù)和排放量計(jì)算方法健全和完善，是彌補(bǔ)我國船舶制造業(yè)碳排放因子庫空白的有力舉措。

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基金項(xiàng)目：工信部船舶工業(yè)碳達(dá)峰、碳中和技術(shù)路線圖和實(shí)施方案研究項(xiàng)目（CBZ1N211）

*通訊作者：關(guān)攀博（1991—），男，漢族，山西運(yùn)城人，博士，工程師，研究方向：節(jié)能與綠色發(fā)展。