船舶主機(jī)降速運(yùn)行的收益與風(fēng)險研究

陳智文+張凌杰

摘 要：在國內(nèi)外航運(yùn)市場長期低迷情況下，降本增效、節(jié)能減排的理念已成為航運(yùn)企業(yè)間的共識。本文將對主機(jī)降速進(jìn)行理論分析，研究降速帶來的經(jīng)濟(jì)收益，同時研究主機(jī)降速的風(fēng)險故障以及應(yīng)對措施。

關(guān)鍵詞：節(jié)能減排 主機(jī)降速 風(fēng)險

2008年以來，美國次貸危機(jī)引發(fā)的世界金融危機(jī)，對航運(yùn)市場產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，國內(nèi)外航運(yùn)市場的長期低迷，波羅的海指數(shù)維持在較低數(shù)值，且目前恢復(fù)的跡象不明朗，降本增效、節(jié)能減排的理念已成為航運(yùn)企業(yè)間的共識。航運(yùn)業(yè)是一個高能耗的行業(yè)，在現(xiàn)有船舶基礎(chǔ)上，節(jié)能減排的實(shí)施主要靠設(shè)備改進(jìn)和設(shè)備科學(xué)管理兩種途徑，例如廢氣渦輪增壓、余熱回收、超長沖程柴油機(jī)、可變噴油正時及控制等技術(shù)的應(yīng)用。

作者自2006年加入某航運(yùn)公司任輪機(jī)長，一直堅持嚴(yán)格按照公司安全管理規(guī)則和各項(xiàng)規(guī)章制度做好船舶管理工作，在所有國內(nèi)外港口PSC檢查中保持零缺陷。盡管公司采取各種應(yīng)對措施，但在目前航運(yùn)環(huán)境下，公司仍在虧本邊緣艱難維持。2011年7月至2012年6月，作者在公司其中一艘上海到美國波特蘭的船舶上親自參與了公司主機(jī)降速的管理。在運(yùn)輸成本中，人力成本降低有限，船舶燃油費(fèi)用開支卻十分驚人，燃油成本超過總成本的三分之一。船舶柴油機(jī)降速運(yùn)行，是很多航運(yùn)公司的主動選擇。國內(nèi)外學(xué)者對船舶主機(jī)的降速運(yùn)行進(jìn)行了深入研究，吳恒研究了柴油機(jī)降速航行時的管理策略，大連海事大學(xué)的王強(qiáng)、謝光明、李勝分別對船舶節(jié)能減排技術(shù)優(yōu)化、降速航行經(jīng)濟(jì)性、降速節(jié)油實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行了分析研究。

本文將對主機(jī)降速進(jìn)行理論分析，研究降速帶來的經(jīng)濟(jì)收益，同時研究主機(jī)降速的風(fēng)險故障以及應(yīng)對措施。

1.主機(jī)降速理論分析

在船舶中，主機(jī)、螺旋槳和船體組成一個完整的推進(jìn)系統(tǒng)，主機(jī)運(yùn)行時，螺旋槳隨之運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生行進(jìn)的推力。因此，船舶的船速是由螺旋槳推力和船舶行進(jìn)阻力匹配所確定的。運(yùn)行在一定的轉(zhuǎn)速下，主機(jī)和螺旋槳總是保持著能量平衡，一旦這種平衡被破壞，轉(zhuǎn)速就會發(fā)生變化，直至在新的轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)新的能量平衡。

研究得知，主機(jī)功率pe等于螺旋槳的吸收功率pp，螺旋槳的吸收功率與轉(zhuǎn)速的m次方成比例。由螺旋槳動力學(xué)可知，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速下降時，主機(jī)的功率會以與轉(zhuǎn)速n的三次方關(guān)系下降：

而主機(jī)燃油消耗量卻是與主機(jī)的功率的變化成線性下降。因此將主機(jī)的轉(zhuǎn)速稍微降低，可較大幅度減少燃油的消耗，對航速影響不大。

2.主機(jī)降速運(yùn)行的收益

從目前的航運(yùn)形勢看，航運(yùn)業(yè)的復(fù)蘇還需要一段漫長的時期，所以主機(jī)降速運(yùn)行將是常態(tài)化，公司主機(jī)轉(zhuǎn)速由初始降到60%MCR，進(jìn)一步降低到40-50%MCR。在整體經(jīng)濟(jì)衰退的不利影響下，公司充分優(yōu)化有效裝載能力，且主機(jī)實(shí)行降速運(yùn)行能減少燃油消耗。研究顯示，降速1%能帶來約3%的燃料節(jié)省。

具體以筆者曾供職的香港某航運(yùn)公司為例：公司現(xiàn)有47艘船舶，在實(shí)行主機(jī)降速運(yùn)行前，每艘船每年平均消耗約5270公噸（mt）燃油，每公噸燃油按750美元計算，年消耗燃料費(fèi)約1.86億美元。

但當(dāng)公司實(shí)行主機(jī)降速至50% MCR運(yùn)行時，日均燃油消耗量下降8.2mt，每公噸燃油按750美元計算，按年運(yùn)行229天計，47艘船舶年消耗燃料費(fèi)下降6600萬美元。

當(dāng)公司實(shí)行主機(jī)降速至40% MCR運(yùn)行時，日均燃油消耗量下降11.5mt，每公噸燃油按750美元計算，按年運(yùn)行229天計，47艘船舶年消耗燃料費(fèi)下降9300萬美元。

3.主機(jī)降速運(yùn)行的風(fēng)險

當(dāng)主機(jī)長期降速運(yùn)行，即在最大持續(xù)功率（MCR）的50%以下低負(fù)荷運(yùn)行，除了可以節(jié)約燃料支出，帶來巨大收益外，還是會有一定的風(fēng)險，產(chǎn)生以下幾個問題：

3. 1廢氣渦輪增壓系統(tǒng)故障

過量空氣系數(shù)是保證渦輪增壓主機(jī)燃油是否完全燃燒的主要參數(shù)依據(jù)。當(dāng)主機(jī)降負(fù)荷運(yùn)行時，廢氣量明顯減少，但大部分主機(jī)采用定壓增壓，排氣中的脈沖能得不到充分利用，會使渦輪增壓效率嚴(yán)重降低，使過量空氣系數(shù)變小，吸入的新鮮空氣量不足，直接影響到主機(jī)的燃燒性能。主要表現(xiàn)出冒黑煙，渦輪增壓器超速和故障、渦輪增壓器不平衡、排氣系統(tǒng)振動、熱負(fù)荷增加等癥狀，會使主機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性降低，增加燃油消耗率和主機(jī)維護(hù)成本。如圖1所示。3.2供油系統(tǒng)失配

當(dāng)主機(jī)超低負(fù)荷運(yùn)行時，主機(jī)供油系統(tǒng)會失去原有匹配。因?yàn)橹鳈C(jī)供油裝置是按持續(xù)功率匹配的，當(dāng)負(fù)荷降低、匹配不良時，會出現(xiàn)噴油壓力過低，燃油霧化質(zhì)量變差，主機(jī)循環(huán)溫度降低，燃油燃燒的滯燃期變長，燃燒惡化不利影響，使主機(jī)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性降低。

3.3積碳、磨損和腐蝕

主機(jī)排氣閥、排氣總管、增壓系統(tǒng)的積碳會造成主機(jī)性能嚴(yán)重下降。排氣通道、空冷器、增壓器、廢氣鍋爐由于積碳發(fā)生堵塞，會使整個增壓系統(tǒng)背壓升高。還會導(dǎo)致主機(jī)掃氣壓力降低，排氣溫度升高，運(yùn)轉(zhuǎn)性能持續(xù)下降，有可能導(dǎo)致無法恢復(fù)到正常負(fù)荷性能運(yùn)行。如果積碳嚴(yán)重，會在鍋爐管道內(nèi)部燃燒，融化鍋爐管道，造成燒毀的重大影響，如圖2所示。

主機(jī)降速運(yùn)行使燃燒室污染，未燃燒的燃油積聚在活塞頂?shù)陌夹尾壑校♂寶飧妆诘幕?，?dǎo)致主機(jī)氣缸過度潤滑，活塞頭結(jié)垢，失去油膜保護(hù)，致使缸套磨損加劇。由于降速運(yùn)行，主機(jī)的平均循環(huán)溫度降低，使氣缸壁溫度也降低，如果缸壁溫度在硫酸露點(diǎn)溫度之下，可能還會造成低溫腐蝕。

4.應(yīng)對措施

為了防范主機(jī)降速運(yùn)行帶來的事故風(fēng)險，應(yīng)做好日常預(yù)防措施。

避免在主機(jī)共振轉(zhuǎn)速下長期運(yùn)行，主機(jī)在50%MCR的對應(yīng)轉(zhuǎn)速剛好是部分主機(jī)的共振轉(zhuǎn)速，所以要根據(jù)具體的主機(jī)適當(dāng)提高或者降低一些速度運(yùn)行。主機(jī)在50%MCR運(yùn)行時，輔助鼓風(fēng)機(jī)處于手動關(guān)閉狀態(tài)，如果要運(yùn)行，則進(jìn)行手動操控并避免過載。輔助鍋爐應(yīng)每天做2次吹灰工作，并保持水質(zhì)良好，主機(jī)在40%MCR運(yùn)行時輔助鍋爐處于自動。

主機(jī)長期在低速低負(fù)荷條件下運(yùn)行，動力裝置的廢氣余熱利用系統(tǒng)不能正常發(fā)揮作用，主機(jī)的掃氣系統(tǒng)也不能在良好的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，會存在不完全燃燒的碳和殘油。定期的短時間加負(fù)荷運(yùn)行，每天保持主機(jī)轉(zhuǎn)速處于85%MCR一個小時，這樣可以盡量減少殘油，可使主機(jī)保持正常工作狀態(tài)。加速和減速過程中要防止增壓器超速和振動。適當(dāng)調(diào)整氣缸油供給，防止供油過多造成污染。

在靠港維護(hù)階段，應(yīng)每250小時或航行10天以上到港后就做好檢查清理工作，主要包括活塞頭、活塞環(huán)、缸套、主機(jī)掃氣箱、缸內(nèi)活塞下部、排氣總管、輔助鼓風(fēng)機(jī)、渦輪增壓空冷器空氣側(cè)和廢氣鍋爐煙側(cè)等部位，如圖3所示。

避免渦輪增壓器超速和振動。渦輪增壓中的空冷器、空氣濾網(wǎng)和消音器容易受污染，影響掃氣壓力、冷卻效果和造成排氣溫度上升、增壓器喘振加劇等問題。因此需要對空冷器空氣側(cè)進(jìn)行清洗，主機(jī)運(yùn)行時可利用壓縮空氣來使高閃點(diǎn)的化學(xué)清潔劑與清水的混合液體進(jìn)行清洗。清洗后，空冷器的空氣側(cè)壓差會明顯減小，排氣溫度有所降低。

從近兩年的減速運(yùn)行情況來看，只要船上做好各種風(fēng)險應(yīng)對措施，就可以保證主機(jī)的良好運(yùn)轉(zhuǎn)。

5.結(jié)語

在目前航運(yùn)環(huán)境下，航運(yùn)公司為了節(jié)省成本，對所屬船舶進(jìn)行主機(jī)降速運(yùn)行。本文首先對降速運(yùn)行的理論進(jìn)行了分析，并針對筆者曾供職的某航運(yùn)公司為例，對降速運(yùn)行的收益計算分析。研究發(fā)現(xiàn)，47艘船舶年消耗燃料費(fèi)從1.86億美元下降至9300萬美元，是一筆巨大的開支節(jié)省。對主機(jī)降速帶來的廢氣渦輪增壓系統(tǒng)故障、供油系統(tǒng)失配、積碳、磨損和腐蝕等不利影響和風(fēng)險進(jìn)行了研究。為了保持主機(jī)的正常工作狀態(tài)，應(yīng)對渦輪增壓器葉輪、空冷器、空氣濾網(wǎng)和消音器，以及排氣總管、輔助鼓風(fēng)機(jī)和廢氣鍋爐等部位做好日常清洗維護(hù)工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳恒.柴油機(jī)降速航行時的管理.大連海運(yùn)學(xué)院學(xué)報1988，14（2）：41-47.

[2]王強(qiáng).船舶主機(jī)降功率節(jié)能減排技術(shù)的優(yōu)化研究.大連：大連海事大學(xué)，2013.

[3]謝光明.船舶降速航行的經(jīng)濟(jì)性和排放變化分析.大連：大連海事大學(xué)，2009.

[4]李勝.船舶主機(jī)降速節(jié)能研究.大連：大連海事大學(xué)，2011.endprint