簡析試航燃油消耗率的計(jì)算和影響因素

苗立勇，張王征

（青島揚(yáng)帆船舶制造有限公司，山東青島 266209）

簡析試航燃油消耗率的計(jì)算和影響因素

苗立勇，張王征

（青島揚(yáng)帆船舶制造有限公司，山東青島 266209）

分析影響商船試航期間主機(jī)燃油消耗率的因素，探討在船舶空載和特定工況條件下，主機(jī)測量的燃油油耗率偏高的原因及改進(jìn)方法。

試航；燃油；油耗

0 概述

在船舶制造行業(yè)，商船試航階段的燃油消耗率通常作為單獨(dú)一個(gè)測試項(xiàng)目進(jìn)行，一般在耐航期間進(jìn)行測量，該指標(biāo)作為一個(gè)重要的主機(jī)性能參數(shù)，一直受到船東和船廠的重視?，F(xiàn)階段造船行業(yè)不景氣，燃油消耗率更被視為船廠技術(shù)能力的一個(gè)指標(biāo)，關(guān)系到船舶的燃油系統(tǒng)合理性、設(shè)備匹配性和船廠工藝先進(jìn)性的整體性能，是船東考察船廠技術(shù)水平的一個(gè)重要視角。

一般情況下，試航期間的主機(jī)燃油油耗率要高于主機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測得的油耗率，表1是廣州某船廠8.2萬噸散貨船系列船的燃油消耗率（此系列船主機(jī)都是MAN B&W 5S60MC-C，主機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)油耗率也均在168g/kWh左右）。

從表中可以看出，在船舶設(shè)備配置相同的情況下，燃油消耗率卻相差很多，且與主機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)燃油消耗率相比相差也很大。以下對試航期間測量燃油油耗率的程序進(jìn)行介紹，并對影響因素做簡要分析。

表1 某船廠8.2萬噸散貨船系列船的燃油消耗率表

1 試航期間對燃油消耗的測量程序及計(jì)算公式

1.1 試航期間對燃油消耗的測量程序

1）一般需在主機(jī)最大持續(xù)功率（SMCR）75%測量一次，85%測量兩次，間隔時(shí)間一般可選30分鐘或一小時(shí)。考慮到測量準(zhǔn)確性，一般選用一小時(shí)。參考值選用的是85%SMCR工況時(shí)的主機(jī)燃油耗油率。

2）測量期間，盡量使航行方向走直線。

3）讀取主機(jī)進(jìn)口和出口流量計(jì)讀數(shù)。注意部分船舶只是在燃油管主機(jī)燃油回油接口后端布置一個(gè)流量計(jì)，此流量計(jì)數(shù)值就反應(yīng)了主機(jī)的油耗量。

4）計(jì)算功率和轉(zhuǎn)速取測試時(shí)間內(nèi)的平均數(shù)。

5）記錄鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口溫度和掃氣箱溫度，并計(jì)算測量期間的平均值。

6）記錄每個(gè)工況開始時(shí)和結(jié)束時(shí)的燃油進(jìn)機(jī)溫度，計(jì)算平均數(shù)。

7）記錄每個(gè)工況開始時(shí)和結(jié)束時(shí)鼓風(fēng)機(jī)附近的大氣壓力，計(jì)算平均數(shù)。

8）需分別記錄每個(gè)工況過程中的風(fēng)速、風(fēng)向、航速、浪高、水深數(shù)據(jù)。

1.2 計(jì)算燃油消耗率的公式

1）實(shí)測油耗值b’（g/kWh）

其中，VTotal=VIn-VOut為總耗油量；Dt1為密度，Dt1=D15℃-(t1-15)×0.00063；P為功率；h為時(shí)間。

從MAN主機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)附帶的燃油消耗率修正公式：

修正燃油耗值SFOC（g/kWh）：

其中，SFOC(MEA)為測量油耗值；P0為大氣壓；T0為鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口溫度；TS為掃氣箱SCAV；LCV為燃油低發(fā)熱值。

2 油耗值的影響因素分析

在試航期間測量的油耗值一般會(huì)高于主機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的油耗值，如廣州某船廠 50000噸散貨船，主機(jī)為6S60MCC-7 tier I，CSR工況下：8882.5kW, 99.5r/min，臺(tái)架試驗(yàn)主機(jī)油耗率為 166.4g/kWh而試航實(shí)測值為180.4g/kWh，實(shí)測油耗值明顯大于臺(tái)架試驗(yàn)測量值，而主機(jī)油耗率反映在主機(jī)燃油日耗量上[1]：

式中：PCSR為主機(jī)在CSR時(shí)的功率，kW；gCSR為主機(jī)在CSR時(shí)的燃油消耗率，kg/kWh。

即若在耗油率上相差 14g/kWh時(shí)，日油耗量相差為2.98t，因此在船舶運(yùn)營經(jīng)濟(jì)型上，一個(gè)航次就相差的油耗量就會(huì)是一個(gè)很大的數(shù)值。

考慮到和實(shí)測油耗值有關(guān)的因素，從主機(jī)耗油量公式分析[2]：

式中，g為耗油量，g/kWh；G為流量計(jì)讀數(shù)，l/h；I為燃油比重；P為軸功率，kW；C為修正系數(shù)。

修正系數(shù)、燃油比重和流量計(jì)讀數(shù)可視為定值，可變值只有總耗油量和測量功率，由于測量功率為軸輸出功率，因此影響軸功率輸出的因素對油耗都會(huì)有一定影響。究其原因，有以下幾點(diǎn)可在試航期間影響軸功率的輸出。

2.1 空載狀態(tài)的影響

試航時(shí)，船舶運(yùn)行狀態(tài)為空載，非設(shè)計(jì)吃水。例如某船廠50000噸散貨船設(shè)計(jì)吃水為10.4m，試航時(shí)為壓載吃水，艏吃水為4.268m，艉吃水為7.19m，和設(shè)計(jì)吃水相比吃水值要小，試航時(shí)船舶運(yùn)行阻力也相對較小。

圖1為參考主機(jī)負(fù)荷特性曲線[3]。

圖1 參考主機(jī)負(fù)荷特性曲線

ηe=ηi/ηm，其中ηe為有效效率；ηi為指示熱效率；ηm為機(jī)械效率。

從負(fù)荷特性曲線上，有效耗油率ge和有效效率ηe成反比，從低負(fù)荷開始ge隨負(fù)荷的增加而下降，但負(fù)荷增加到一定程度時(shí)，因過量充氣系數(shù)a下降，使混合氣的形成及燃燒過程惡化，故ge開始上升。因此油耗ge的曲線呈中間低兩頭高，大約在80%～90%標(biāo)定負(fù)荷之間，存在一個(gè)ge的最低點(diǎn)，這一負(fù)荷時(shí)油耗最經(jīng)濟(jì)。然而，在低負(fù)荷下燃油消耗率ge顯著增大，ηe降低，這是所有柴油機(jī)的特性，因此柴油機(jī)在空載或低負(fù)荷下運(yùn)行是不經(jīng)濟(jì)的。此時(shí)測得的油耗值相對也是較高的。

2.2 試航海況的影響

臺(tái)架試驗(yàn)是在靜水和額定阻力下進(jìn)行的試驗(yàn)。但試航期間，水流的速度和方向存在變化，風(fēng)速和風(fēng)向也存在變化，船舶運(yùn)行時(shí)加速和減速的情況也時(shí)常發(fā)生，則進(jìn)程比λp必然隨海況的影響發(fā)生變化。

因在試航時(shí)，CSR工況選擇是按照軸功率值為依據(jù)的，因此軸功率值是一定的。

根據(jù)螺旋槳特性曲線[3]，可得λp對機(jī)槳配合的影響，見圖2。

圖2 λp對機(jī)槳配合的影響

螺旋槳特性曲線還隨運(yùn)行工況而變，如上圖所示，通常用進(jìn)程比λp這個(gè)表征螺旋槳水動(dòng)力性能的重要參數(shù)來表示。船舶定速時(shí)，λp為定值，就有一條相應(yīng)的螺旋槳特性線。在變工況下，船速發(fā)生變化，λp也必然改變。

當(dāng)船舶阻力減小時(shí)，λp變大，螺旋槳特性曲線變的平坦，若把λp1認(rèn)為是設(shè)計(jì)吃水時(shí)的工況，則λp2和λp3分別表示阻力增大和阻力減小時(shí)的工況，因空載時(shí)阻力相對較小，即空載時(shí)的螺旋槳特性曲線是λp3。此時(shí)，若主機(jī)輸出功率不變，則與螺旋槳特性曲線上的交點(diǎn)是3，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速n3高于n1，功率也略高于Pe1。

在這種情況下，柴油機(jī)的熱負(fù)荷將增加，同時(shí)由于超過額定轉(zhuǎn)速n1，從而導(dǎo)致機(jī)械功率降低和機(jī)械負(fù)荷大大增加（主要由運(yùn)動(dòng)件慣性力增加而引起）。因部分功率在以上原因的損失，致使測得的油耗率升高。

2.3 主機(jī)燃油噴射器的噴油定時(shí)調(diào)整

試航期間，主機(jī)燃油噴射器噴油定時(shí)調(diào)整是一個(gè)漫長且及其考驗(yàn)主機(jī)調(diào)試廠家技術(shù)的一項(xiàng)工作，也是影響主機(jī)油耗的一個(gè)重要因素，若噴油定時(shí)調(diào)整不準(zhǔn)確，會(huì)出現(xiàn)主機(jī)燃油噴射器噴射提前或延后的情況，在此兩種情況下，都會(huì)使主機(jī)燃油燃燒不充分，即消耗同樣的油，測得的輸出功率相比減少，則計(jì)算出的燃油油耗率必然升高。

正常p-φ展開圖[3]如圖3所示，某船廠8.2萬噸散貨船5號(hào)船測得的單缸p-φ展開圖如圖4所示。

圖3 正常p-φ展開圖

圖4 5號(hào)船測得的單缸p-φ展開圖

與正常p-φ展開圖在爆發(fā)點(diǎn)處（即曲線最高點(diǎn)處）有差別,此船測得的p-φ展開圖存在主機(jī)噴油定時(shí)調(diào)整不準(zhǔn)確或二次噴油的情況，在此情況下測得的油耗率也明顯高于其它船。

2.4 記錄燃油進(jìn)油和回油的準(zhǔn)確性

以下幾種讀數(shù)方式可能會(huì)影響燃油消耗率數(shù)值：

1）時(shí)間控制不準(zhǔn)確。試航期間，不是用秒表計(jì)時(shí)，而是用手表或手機(jī)時(shí)間代替，不能滿足計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性。

2）讀數(shù)時(shí)順序錯(cuò)誤，即開始測量時(shí)讀數(shù)的流量計(jì)和結(jié)束測量時(shí)讀數(shù)的流量計(jì)順序不一致，不能保證進(jìn)油流量計(jì)和回油流量計(jì)都等于額定時(shí)間。例如：測量開始時(shí)，先讀回油流量計(jì)讀數(shù)，再讀進(jìn)油流量計(jì)讀數(shù)；測量結(jié)束時(shí)，先讀進(jìn)油流量計(jì)讀數(shù)，再讀回油流量計(jì)讀數(shù)。在此測量期間，回油流量計(jì)測量時(shí)間就要大于額定時(shí)間，而進(jìn)油流量計(jì)測量時(shí)間可能就要小于額定時(shí)間。

3）讀數(shù)錯(cuò)誤。流量計(jì)形式不一樣，有時(shí)讀數(shù)人員對流量計(jì)不熟悉，導(dǎo)致讀數(shù)錯(cuò)誤。

3 結(jié)論

綜合以上，在試航時(shí)，空載的狀態(tài)、試航工況、讀數(shù)準(zhǔn)確性和主機(jī)燃油噴射定時(shí)均影響軸功率的測量值，也相應(yīng)影響到主機(jī)油耗值。為避免試航期間主機(jī)燃油消耗率過高，可以從上述影響因素入手，采取相應(yīng)措施，使試航油耗率更能反映主機(jī)的真實(shí)油耗率。

[1] 于洪亮, 黃連忠. 船舶動(dòng)力裝置[M]. 大連: 大連海事大學(xué)出版社, 2006.

[2] 陸俊岫. 船舶建造質(zhì)量檢驗(yàn)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 1996.

[3] 朱建元. 船舶柴油機(jī)[M]. 北京: 人民交通出版社,2004.

GE與重慶耐德簽署合作備忘錄 提供260套CNG In A Box系統(tǒng)

GE石油天然氣集團(tuán)今天宣布與知名的石油天然氣、環(huán)保與汽車設(shè)備制造商耐德公司合作。耐德將在未來三年內(nèi)采購260套CNG In A Box系統(tǒng)。GE石油天然氣集團(tuán)同時(shí)還宣布其高速往復(fù)壓縮機(jī)生產(chǎn)基地在中國沈陽落成。

GE 創(chuàng)新產(chǎn)品CNG In A Box系統(tǒng)將為耐德公司及其客戶提供小型、即插即用的壓縮天然氣供氣解決方案，幫助改善中國的天然氣供氣基礎(chǔ)設(shè)施。中國快速的城鎮(zhèn)化建設(shè)使得交通工具和工業(yè)應(yīng)用對于燃料的需求激增。CNG In A Box系統(tǒng)特別為應(yīng)對這一需求而設(shè)計(jì)，可以緩解因天然氣管道的局限帶來的壓力。建設(shè)天然氣加氣站符合中國當(dāng)前從汽油和柴油轉(zhuǎn)為更清潔、經(jīng)濟(jì)的天然氣燃料的發(fā)展趨勢。

CNG In A Box系統(tǒng)是GE綠色創(chuàng)想產(chǎn)品。使用CNG In A Box系統(tǒng)的壓縮天然氣燃料供給可以減少24%的二氧化碳排放量（和使用汽油燃料相比，相當(dāng)于每輛車每年減少2.2噸的排放量）。而一氧化碳、氮氧化合物（NOx）、細(xì)顆粒物和揮發(fā)性有機(jī)化合物的減少將更為明顯。如果按照每年41120公里的駕駛里程計(jì)算，汽油價(jià)格為0.9美元/升，壓縮天然氣的價(jià)格為0.56美元/升，那么一輛使用壓縮天然氣的汽車每年燃料成本可降低40%。

GE向耐德公司提供的壓縮天然氣（CNG）加氣站設(shè)備將配備標(biāo)準(zhǔn)大小的CNG In A Box?系統(tǒng)，其中包括多個(gè)子站。這種設(shè)計(jì)可以盡可能減少對先期鋪設(shè)天然氣管道的需求。母加氣站擁有先進(jìn)的監(jiān)測功能，能夠在子加氣站的天然氣存量降低到一定水平時(shí)自動(dòng)供氣，這個(gè)獨(dú)特的功能將減少中國當(dāng)前天然氣供氣基礎(chǔ)設(shè)施所導(dǎo)致的等待時(shí)間。

包括CNG In A Box系統(tǒng)在內(nèi)的GE天然氣解決方案中一個(gè)必不可少的部分是高速往復(fù)壓縮機(jī)。對于一些小型或者模塊化天然氣解決方案，如石油和天然氣井的生產(chǎn)優(yōu)化、偏遠(yuǎn)地區(qū)的發(fā)電建設(shè)以及利用壓縮天然氣和液化天然氣等替代能源來變革交通運(yùn)輸行業(yè)等項(xiàng)目，高速往復(fù)壓縮機(jī)是技術(shù)核心。GE將生產(chǎn)基地設(shè)在沈陽，對國內(nèi)客戶而言，交貨時(shí)間縮短了50%?，F(xiàn)階段，沈陽生產(chǎn)基地每年可生產(chǎn)300套高速往復(fù)壓縮機(jī)。隨著行業(yè)需求的不斷擴(kuò)大，將來還可以擴(kuò)大產(chǎn)能。GE高速往復(fù)壓縮機(jī)的主要生產(chǎn)位于美國德克薩斯州的休斯頓，沈陽是其美國生產(chǎn)能力的延展。這一生產(chǎn)基地的落成可以幫助客戶更快速經(jīng)濟(jì)地實(shí)施GE天然氣解決方案。

沈陽生產(chǎn)基地生產(chǎn)的首批高速往復(fù)（HSR）壓縮機(jī)裝置已由中國企業(yè)客戶中集安瑞科控股有限公司和杰利陽能源設(shè)備有限公司購買。GE高速往復(fù)壓縮機(jī)生產(chǎn)基地是基于其原有設(shè)施成立的，運(yùn)行于今年6月份就已啟動(dòng)。GE在沈陽的原有生產(chǎn)設(shè)施主要致力于可再生資源和流程技術(shù)科學(xué)。

Analysis of Calculation and Influential Factor of Specific Fuel Oil Consumption during Sea Trial

MIAO Li-yong, ZHANG Wang-zheng
(Qingdao Yangfan Shipbuilding CO., Ltd., Shandong Qingdao 266209, China)

This paper analyzes the factors that influence the fuel oil consumption of the main engine in the period of sea trial. Aiming at unload and particular working conditions, when the value of fuel oil consumption is higher than the factory measures, the reason and the improved method should be considered.

Sea trial; fuel oil; specific consumption

U664

A

苗立勇（1982-），男，助理工程師。主要從事船舶設(shè)計(jì)工作。