減速降功下主機燃油消耗量分析

大連中遠川崎船舶工程有限公司 李江波

減速降功下主機燃油消耗量分析

大連中遠川崎船舶工程有限公司 李江波

針對船舶主機選型時，既要滿足船舶的最初設計航速，又要考慮航運不景氣時減速航行的要求，對航速、主機功率、主機燃油消耗量的關系進行分析，提出減速降功下主機燃油消耗量變化的判定公式。對部分負荷下降低主機燃油消耗量，介紹主機部分負荷降油耗優(yōu)化技術和方式。通過運營中船舶減速主機降功的實例，對正常運營與減速降功下和采用部分負荷優(yōu)化下的主機燃油消耗量作對比計算，結果表明進行減速降功優(yōu)化可降低燃油消耗量，提高船舶經(jīng)濟性。

主機；燃油消耗量；航速；功率波浪能；燈浮標；晃動發(fā)電

在航運市場萎縮和節(jié)能環(huán)保法規(guī)不斷出臺的雙重背景下，市場對節(jié)能環(huán)保船舶的需求逐漸上升，船舶整體運營經(jīng)濟性已成為船東的首要關注因素。在不同航運市場情況下，為提高船舶運營經(jīng)濟性，船東會采用不同的方法。［1］航運市場需求旺盛時期，提高航行速度、增加運輸班次是增加經(jīng)濟性的主要方法；但在航運需求萎縮的時期，減少油耗、提高船舶自身航行的效率，將成為提高經(jīng)濟性的主要方法。［2］船舶主機選型時，既要滿足船舶的最初設計航速，以應對未來可能的新的市場要求下的高速運營，即保持主機的額定最大輸出功率（SMCR）［3］；又要考慮航運不景氣時減速航行下，降低主機部分負荷的燃油消耗量，節(jié)省船舶的運營成本。所以，主機選型和設計時，分析降速節(jié)能對燃油消耗量的關系，通過部分負荷降油耗優(yōu)化技術對比，優(yōu)化設計主機部分負荷下的油耗量，對提高船舶經(jīng)濟性有重要意義。

一、航速與主機功率分析

船舶水阻力與船速的關系，可通過船模或實船試驗得出。［4］具體如下：

其中：R為水對船體的總阻力，N；v為船速，kn；AR為阻力系數(shù)，與船體線型、排水量、污底程度、拖帶、航道及海況等因素有關；m為航速指數(shù)，對低航速民用船舶一般可取m=2。

螺旋槳推力Fp與船體阻力R的關系為

其中，t為推力減額分數(shù)。

推力減額分數(shù)可在不同船模研究基礎上，利用計算模型計算得出。推力減額分數(shù)的大小與船體形狀、螺旋槳的位置和大小等因素有關。對既定船舶，其線型、尺度、螺旋槳直徑及其與船體位置都是一定的，當船舶在穩(wěn)定工況下正常航行時，t為常數(shù)，所以

其中，Ct為推力減額系數(shù)。

而螺旋槳推力公式為

其中：C1為推力系數(shù)；n為螺旋槳（主機）轉速。

結合式（1）（取m=2）和式（4），由式（3）得

在船舶線型、尺度、航行狀態(tài)、螺旋槳直徑一定下，系數(shù)AR、C1、Ct皆可看作為常數(shù)，所以由式（5）得

式（6）說明，在既定條件下，航速與主機轉速之間呈線性關系，如圖1所示。

用來直接驅動螺旋槳的船舶主機是按螺旋槳工況運行的。在此工況下，船舶柴油機的輸出功率PE與轉速n的關系式為

圖1　轉速（n）與航速（v）特性曲線

結合式（6），可得

式（8）說明，在一定條件下，主機功率和航速之間成三次方關系，如圖2。

圖2　功率（PE）-航速（v）特性曲線

根據(jù)式（8）可知，在船舶航速改變前后，主機功率和航速的關系式為

其中：v0為改變前航速；PE0為改變前功率；v為改變后航速；PE為改變后功率。

改變航速后的主機功率為

改變主機功率后的航速為

二、航速與主機燃油消耗量的關系

主機燃油消耗量公式為

其中：G為燃油消耗量，t/h；PE為主機有效輸出功率，kW；ge為主機燃油消耗率，kg/kW·h。

從式（12）可知，影響燃油消耗量的因素是主機輸出功率和主機燃油消耗率。要降低主機燃油消耗率，就需要降低主機輸出功率或主機燃油消耗率。

根據(jù)主機循環(huán)理論和主機運行實踐，三者之間的關系通常可用圖3表示。［5］

圖3　燃油消耗量、燃油消耗率與功率關系曲線

船舶主機的日燃油消耗量為GD：

其中：PDs為主機服務工況下的功率，kW；ge為主機相應的燃油消耗率，kg/kW·h。

設船舶以v0航速航行，航行時間為T0（day），則航行距離為

燃油消耗量為

現(xiàn)假設改變船舶航速為v航行，則同樣航行距離，航行時間為

日燃油消耗量為

則航速改變前后，兩者的燃油消耗量之差E為

其中，E為燃油消耗變化量，t。

將式（10）代入式（18），得

由式（19）可知，

（1）當E＞0時，表明在航速改變后，主機在航程中燃油消耗量減少；當E＜0時，表明在航速改變后，主機在航程中燃油消耗量增加。

（2）為使E＞0，則由式（19）得

式（20）可作為航速變化后，主機燃油消耗量變化的判定公式。

由燃油消耗率曲線可知，主機燃油消耗率的變化有一拐點，即燃油消耗率最低點，通常在主機日常功率點，一般為85%負荷左右。在低于最低燃油消耗率之前，隨著船舶航速減小，主機功率降低，但主機燃油消耗率增加。在最低燃油消耗率之后，隨船舶航速變大，主機功率增加，主機燃油消耗率增加。

在主機部分負荷（一般為85%額定功率以下），減速降功運行時，主機燃油消耗率增加。但主機燃油消耗率數(shù)值量級（通常在百位級）比航速數(shù)值量級（通常在十位級），所以式（20）不等式成立，燃油消耗變化量E為正值，即減速航行燃油消耗量減少。

三、主機部分負荷優(yōu)化技術

在船舶營運中，通過降低航速使主機降功率運行，可減少主機油耗量。在主機降功率的部分負荷下，采取靈活的主機運轉模式，進行局部負荷優(yōu)化，可進一步降低燃油消耗量，節(jié)約船舶營運成本。對目前柴油機生產(chǎn)廠家MAN B&W的局部負荷優(yōu)化新技術介紹和對比，以備主機選型中采用。

主機的負荷范圍可分為：高負荷（85%～100%額定功率）、部分負荷（50%～85%額定功率）、低負荷（25%～70%額定功率）。［6］

目前主機的標準配置是在高負荷進行燃油消耗量（Specific Fuel Oil Consumption，簡稱SFOC）優(yōu)化。各部分負荷下燃油消耗量的優(yōu)化方法有：VT（Variable Turbine Area，可變噴嘴環(huán)）、EGB（Exhaust Gas Bypass，廢氣旁通）、ECT（Engine Control Tuning，主機控制調整）。

1.EGB（廢氣旁通）

改方法要求在主機的廢氣出口管路上設置增壓器的旁通管路。在廢氣旁通全開時，主機增壓器匹配在100%負荷EGB全開的情況下。在85%左右的負荷下，廢氣旁通開始關閉，并在負荷低于70%時完全關閉。有兩種優(yōu)化方法可選：部分負荷優(yōu)化，燃油消耗率在低于85%負荷的各種負荷下均降低；低負荷優(yōu)化，燃油消耗率在低于70%的負荷下進一步降低，但在高負荷范圍則具有高燃油消耗率。哪種負荷更適用，取決于主機具體營運模式。

如果在部分負荷下需要更高的排氣溫度，則有EGB的手動或自動控制可供使用。這一特點尤其和ME及ME-B型主機相關。

2.VT（可變噴嘴環(huán)增壓器）

VT技術需要使用特殊的增壓器部件，能使主機的增壓器改變噴嘴環(huán)面積，也就是要為主機配置帶有可調噴嘴環(huán)的增壓器。噴嘴環(huán)之間的面積在主機低負荷范圍內(nèi)保持最小。主機負荷增加到約80%以上時，噴嘴環(huán)面積逐漸開始增加，并在主機負荷90%時達到最大面積。利用這種技術，燃油消耗率能在低負荷下減少，但在高負荷下增加。

3.ECT（主機控制調整）

無須改變主機部件（包括增壓器的匹配），只需更改主機控制系統(tǒng)參數(shù)，便可實施。這種方法只是利用電控主機便于改變排氣正時、噴油正時及噴油特性。只適用于ME/ME-C柴油機。

與主機標準優(yōu)化相比，采用部分負荷優(yōu)化后，在約85%負荷以下的所有負荷時，主機SFOC降低。與標準部分負荷相比，采用低負荷優(yōu)化后，在約70%負荷以下的所有負荷時，主機SFOC進一步下降。但采用部分負荷或低負荷優(yōu)化后，可能使高負荷時SFOC上升。對具體的主機更適用于哪種負荷優(yōu)化方式，取決于船東選擇的主機具體營運模式。

四、實例分析

在船舶營運周期內(nèi)，主機降速航行，可用整個營運周期內(nèi)航行天數(shù)不變，但主機低負荷營運天數(shù)增加、高負荷營運天數(shù)減少來反映。［7］

以下以MAN 7G80ME-C9.2機型，SMCR=30 090 kW×65.7 r/min為例，對降速航行下，主機減功率運行，燃油消耗量降低情況進行對比，如表1所示。

綜合考慮船舶的主要營運航速區(qū)間后，對該船選擇了低于85%以下負荷時更節(jié)油的部分負荷優(yōu)化設計。采用部分負荷優(yōu)化方式下，主機燃油消耗量對比如表1所示。

在主機部分負荷運行時，通過選用主機部分負荷優(yōu)化技術，可進一步減低主機的燃油消耗量。

表1　船舶降速及采用主機部分負荷優(yōu)化方式下燃油消耗量對比

五、結論

（1）船舶降速下，主機功率相應減小。船速與主機功率成三次方關系，所以船舶航速的減小會使主機功率更快降低。

（2）船舶降速主機減功運行下，主機燃油消耗量的增減，要通過燃油消耗率和航速不等式來進行判斷。不等式成立時，表明降速減功下，主機燃油消耗量減少。

（3）根據(jù)船舶運營實際，使主機減功率運行下，根據(jù)具體主機和其營運模式選用主機部分負荷優(yōu)化技術，可進一步降低油耗量，提高船舶營運經(jīng)濟性。

［1］梅春.船舶主機選型的發(fā)展和展望［J］.柴油機，2012（1）:7-12.

［2］顧宣炎.減額輸出柴油機的主機選型［J］.武漢理工大學學報，2001（3）:290-293.

［3］馬帥，彭卓榮.主機選型新趨向［J］.柴油機，2013（1）:13-16.

［4］于洪亮，黃連忠.船舶動力裝置技術管理［M］.大連:大連海事大學出版社，2009.

［5］李斌.船舶柴油機［M］.大連:大連海事大學出版社，2008.

［6］SFOC optimisation methods for MAN B & W Two-stroke IMO Tier II engine ［M］.Copenhagen Denmark:MAN Diesel&Turbo，2010.

［7］盛晨興，徐泰富.船舶主機選型的經(jīng)濟性分析［J］.中國水運，2007（12）:29-30.

10.16176/j.cnki.21-1284.2016.08.006

李江波（1981—），男，工程師，E-mail: lijiangbo@dacks.com.cn