綠色400000t礦砂船主機(jī)選型優(yōu)化研究

薛 佳

（南通中集太平洋海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226251）

1 概 述

全球?qū)G色、環(huán)保的要求日益提高，國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）及美國(guó)、歐盟等國(guó)家或地區(qū)針對(duì)船舶的綠色環(huán)保、溫室氣體和其他有害氣體的排放，相繼出臺(tái)了一系列公約、法規(guī)和要求[1]。2013年1月1日正式生效的船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（Energy Efficiency Design Index，EEDI）對(duì)新造船從研發(fā)到建造的各個(gè)階段產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，指出了船舶設(shè)計(jì)建造的發(fā)展方向。

上海船舶研究設(shè)計(jì)院于2007年為巴西淡水河谷公司研發(fā)了400000t礦砂船，用于在中國(guó)—巴西航線（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中巴航線）上運(yùn)輸鐵礦石；江蘇熔盛重工有限公司承接了該型船的首批訂單；韓國(guó)大宇公司在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了該型船并承接了訂單。為保持并鞏固我國(guó)在該產(chǎn)品上的領(lǐng)先地位，需對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化。作為國(guó)內(nèi)完全自主創(chuàng)新研發(fā)的超大型礦砂船，該400000t礦砂船極有可能是中巴航線或其他類(lèi)似航線上用來(lái)運(yùn)輸鐵礦石的主力船型，市場(chǎng)需求較大。本文介紹對(duì)400000t礦砂船的主機(jī)及相關(guān)節(jié)能減排設(shè)備開(kāi)展優(yōu)化研究，以進(jìn)一步提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，確保我國(guó)在該領(lǐng)域的市場(chǎng)領(lǐng)先地位。

2 選型優(yōu)化

2.1 主機(jī)機(jī)型優(yōu)化分析

1) 就油耗而言，選擇電噴柴油機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式噴油柴油機(jī)逐漸成為趨勢(shì)。目前面臨的挑戰(zhàn)是，IMO的NOx排放控制要求已從TierⅠ升級(jí)到TierⅢ，排放控制要求的逐漸提高導(dǎo)致柴油機(jī)的油耗不斷增加，必須通過(guò)對(duì)各型柴油機(jī)的合同功率點(diǎn)、常用功率點(diǎn)（甚至是可能選擇的低負(fù)荷功率處的油耗數(shù)據(jù)）進(jìn)行對(duì)比分析，選擇相對(duì)經(jīng)濟(jì)的低油耗機(jī)型。

2) 就主機(jī)的外形尺寸而言，需對(duì)機(jī)艙區(qū)域的整體布局、軸系的布置及各層甲板通道的設(shè)置進(jìn)行通盤(pán)考慮。對(duì)比各型主機(jī)與機(jī)艙布局的整體協(xié)調(diào)性，選擇與機(jī)艙布局匹配相對(duì)合理的機(jī)型，降低對(duì)機(jī)艙區(qū)域結(jié)構(gòu)的影響，保證最佳的通道設(shè)置，節(jié)約機(jī)艙空間。

3) 就主機(jī)所需的輔助設(shè)備而言，主要考慮設(shè)備要盡可能少，輔助設(shè)備要簡(jiǎn)單，成本要低。

MAN B&W公司的ME型電控柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)燃油噴射和排氣閥開(kāi)啟的動(dòng)力來(lái)自一套專(zhuān)門(mén)的液壓動(dòng)力供應(yīng)單元。除了該ME型電控柴油機(jī)以外，瓦錫蘭公司也研制出RT-flex型電控柴油機(jī)。與ME型電控柴油機(jī)不同，該型電控柴油機(jī)采用的是共軌式，通過(guò)共軌閥來(lái)控制燃油噴射，共軌閥根據(jù)柴油機(jī)控制系統(tǒng)的指令來(lái)控制燃油噴射的定位和噴油量。

主機(jī)選型及優(yōu)化的實(shí)質(zhì)是用可輸出較大功率的柴油機(jī)輸出較小的功率，或在相同功率下降低主機(jī)轉(zhuǎn)速。前者影響主機(jī)的尺寸、重量、機(jī)艙長(zhǎng)度和造價(jià)，而后者影響螺旋槳的直徑及艉吃水，這就需要在總體設(shè)計(jì)中進(jìn)行全面的考慮，這里僅從油耗、有害物排放、廢熱利用及EEDI等角度進(jìn)行對(duì)比。

2.2 專(zhuān)利廠機(jī)型參數(shù)比較

目標(biāo)船要求服務(wù)航速為14.8kn，目前在MAN B&W及W?rtsil? SULZER兩大柴油機(jī)公司生產(chǎn)的低速船用柴油機(jī)產(chǎn)品中，適合該船的機(jī)型主要有MAN B&W 7G80ME-C，7S80ME-C，W?rtsil? 7X82, 7RT-FLEX82T。對(duì)這些機(jī)型的油耗進(jìn)行分析比較，結(jié)果見(jiàn)表1，其中：MCR表示主機(jī)最大持續(xù)功率；CMCR表示選定最大持續(xù)功率，又稱(chēng)為SMCR；CSR表示正常持續(xù)功率，又稱(chēng)為NCR。

表1 主機(jī)選型比較

考慮到船機(jī)槳的匹配問(wèn)題及艉部線形能容納的螺旋槳直徑，根據(jù)推進(jìn)器廠家的計(jì)算，可配置直徑最大11.2m的螺旋槳。由表1可知，在這幾款機(jī)型中，7G80ME-C9.2因轉(zhuǎn)速低、推進(jìn)效率高及在相同的航速下主機(jī)所需功率最小，燃油日耗量比另外3型主機(jī)都要低。在機(jī)艙布置方面，以上4型主機(jī)的外形尺寸差別不大，但MAN主機(jī)的露臺(tái)高度與機(jī)艙平臺(tái)高度更匹配。因此，7G80ME-C9.2是新一代400000t超大型礦砂船主機(jī)的最優(yōu)選擇。

2.3 主機(jī)廢熱回收研究

2.3.1 主機(jī)廢熱發(fā)電量計(jì)算

在船用發(fā)動(dòng)機(jī)燃油的總能量中，約有50%未得到有效利用，其中有23%隨廢氣被帶走，對(duì)這部分能量進(jìn)行回收必將有助于降低燃油消耗及減少有害物排放[2]。由于廢熱回收設(shè)備價(jià)格昂貴，因此一般在主機(jī)功率＞20000kW的前提下進(jìn)行回收才有經(jīng)濟(jì)意義。廢熱回收主要有以下幾種形式：

1) 通過(guò)旁通部分廢氣來(lái)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力透平，大約能回收3%～5%的主機(jī)功率；

2) 采用單壓廢氣經(jīng)濟(jì)器產(chǎn)生蒸汽來(lái)驅(qū)動(dòng)蒸汽透平，大約能回收4%～7%的主機(jī)功率；

3) 采用雙壓廢氣經(jīng)濟(jì)器產(chǎn)生蒸汽來(lái)驅(qū)動(dòng)蒸汽透平，大約能回收6%～9%的主機(jī)功率；

4) 采用雙壓廢氣經(jīng)濟(jì)器產(chǎn)生蒸汽來(lái)驅(qū)動(dòng)蒸汽透平結(jié)合廢氣動(dòng)力透平，大約能回收9%～12%的主機(jī)功率。

該船主機(jī)CMCR功率為24700kW，CSR取90%CMCR進(jìn)行計(jì)算，發(fā)電機(jī)功率為1000kW，大約為5%主機(jī)CSR功率，可對(duì)廢熱回收方案進(jìn)行研究。

首先對(duì)7G80ME-C9.2的廢熱回收能力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 雙壓系統(tǒng)廢熱發(fā)電量估算

采用雙壓系統(tǒng)，主機(jī)在CSR點(diǎn)的發(fā)電量為1090kW?？紤]到廢熱系統(tǒng)本身的耗電量、主機(jī)低負(fù)荷及冬季工況運(yùn)行問(wèn)題，1090kW的發(fā)電量顯然不能滿(mǎn)足需求。因此，進(jìn)一步選擇蒸汽透平與廢氣透平相結(jié)合的模式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 雙壓系統(tǒng)+廢氣透平廢熱計(jì)算

續(xù)表3

采用蒸汽透平（ST）與廢氣透平（PT）相結(jié)合的模式，主機(jī)在CSR點(diǎn)的發(fā)電量達(dá)到1584kW，可滿(mǎn)足在海上航行時(shí)的電力負(fù)荷要求，因而可減少1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組。

2.3.2 主機(jī)廢熱回收系統(tǒng)設(shè)備配置

主機(jī)廢熱回收系統(tǒng)主要由廢氣經(jīng)濟(jì)器和透平發(fā)電機(jī)2部分組成，系統(tǒng)示意見(jiàn)圖1。選擇阿法拉伐的廢氣經(jīng)濟(jì)器和三菱的透平發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象。

1) 阿法拉伐雙壓廢氣經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)主要由以下部件組成：

(1) 高壓經(jīng)濟(jì)器，長(zhǎng)、高和寬分別5240mm，9850mm，2650mm。

(2) 高壓汽包，直徑和長(zhǎng)分別為Φ2320mm及2900mm。

(3) 低壓經(jīng)濟(jì)器與高壓經(jīng)濟(jì)器組合。(4) 低壓汽包，直徑和長(zhǎng)分別為Φ1970mm及2800mm。

(5) 給水泵，型式為直立多級(jí)離心泵（2個(gè)），排量和壓頭分別為35m3/h及1.8MPa，電機(jī)功率為30kW。

(6) 高壓系統(tǒng)循環(huán)水泵（2個(gè)），型式為直立離心泵，排量和壓頭分別為150m3/h及0.4MPa，電機(jī)功率為40kW。

(7) 低壓系統(tǒng)循環(huán)水泵（2個(gè)），型式為直立離心泵，排量和壓頭分別為40m3/h及0.35MPa，電機(jī)功率為13kW。

圖1 廢熱回收系統(tǒng)示意

(8) 熱井。

雖然廢氣經(jīng)濟(jì)器的高低壓廢氣經(jīng)濟(jì)器及汽包的尺寸較大，但400000t礦砂船的上甲板面寬闊，上層建筑采用雙島布置，有足夠的空間布置經(jīng)濟(jì)器部件。

廢氣經(jīng)濟(jì)器自身的電功率消耗約為100kW，廢熱發(fā)電量可覆蓋該部分額外耗電量。

2) 三菱透平發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要由以下部件組成：

(1) 蒸汽透平，1200kW，三菱，AT42M。

(2) 減速齒輪（蒸汽透平與發(fā)電機(jī)之間），速比為6.4:1。

(3) 減速齒輪（動(dòng)力透平與發(fā)電機(jī)之間），速比為13.9:1。

(4) 調(diào)速系統(tǒng)，型式為WOODWARD GOVERNOR。

(5) 滑油系統(tǒng)，型式為強(qiáng)制滑油系統(tǒng)，滑油冷卻器×1（水平殼管式），主滑油泵×1（齒輪泵），輔滑油泵×1（齒輪泵帶自啟動(dòng)系統(tǒng)），雙聯(lián)控制油濾器×120μm，雙聯(lián)系統(tǒng)油濾器×1100μm。

(6) 冷凝器，型式為殼管式，蒸汽量為11500kg/h，冷卻面積為200m2。

(7) 真空泵，型式為臥式，排量為11500kg/h×0.0064MPa，功率為8kW。(8) 冷凝泵，型式為臥式，排量為15m3/h×0.4MPa，功率為8kW。

(9) 發(fā)電機(jī)，功率為1800kW，電制為450V×60Hz，冷卻型式為水冷。

(10) 動(dòng)力透平，功率為800kW。

透平發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的額外功率消耗約為80kW，加上廢氣經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)的100kW額外能耗，共產(chǎn)生180kW的額外能耗。母型船在正常情況下的電力負(fù)荷消耗加上廢熱系統(tǒng)的額外能耗為1050kW，因此采用廢熱發(fā)電系統(tǒng)完全可保證在正常航行工況下不必運(yùn)行柴油發(fā)電機(jī)組。由于采用透平系統(tǒng)可使船舶減配1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，因此透平發(fā)電機(jī)可與其余柴油發(fā)電機(jī)組一起布置在發(fā)電機(jī)平臺(tái)上，在空間上也沒(méi)有問(wèn)題。

2.3.3 主機(jī)廢熱回收系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性研究

主機(jī)采用廢熱回收系統(tǒng)需增加最大爆壓 Pmax和廢氣溫度，單位油耗從 161.2g/(kW·h)增加到163.6g/(kW·h)。由于減少了1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的油耗，船舶燃油消耗大約可節(jié)約4t/d。同時(shí)，透平發(fā)電機(jī)組的滑油消耗和維護(hù)費(fèi)用均小于柴油發(fā)電機(jī)組。因此，按照年均航行 270d計(jì)算，1a可節(jié)約綜合費(fèi)用 78萬(wàn)美元（見(jiàn)表4）。整套廢熱系統(tǒng)設(shè)備的價(jià)格大約為400萬(wàn)美元，成本回收期約為5a，接近于船東可接受的時(shí)間上限。但是，隨著將來(lái)透平設(shè)備價(jià)格走低和燃油價(jià)格不斷攀升，在400000t超大型礦砂船上裝備廢熱回收系統(tǒng)具有相當(dāng)可觀的競(jìng)爭(zhēng)力。

表4 廢熱回收系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性比較

2.3.4 廢熱回收方案的EEDI收益

國(guó)際海事組織（IMO）國(guó)海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（MEPC）第63次會(huì)議通過(guò)了EEDI計(jì)算方法的決議。根據(jù)要求，于2013年1月1日或該日以后簽訂建造合同，于2013年7月1日或該日以后鋪龍骨，于2015年7月1日或該日以后交船的新船及進(jìn)行重大改造的船舶需滿(mǎn)足EEDI要求[3]。決議將EEDI的需求值劃分為0階段、1階段、2階段和3階段等4個(gè)階段，每個(gè)階段的EEDI需求值都會(huì)比前一階段遞減10%。

EEDI的計(jì)算式為

式(1)中：nME為主機(jī)的臺(tái)數(shù)；capacity為載重噸或總噸；fi為對(duì)載重噸或總噸的修正系數(shù)；fj為冰區(qū)加強(qiáng)修正系數(shù)；fw為不利海況下導(dǎo)致的船舶耐波性失速系數(shù)；feff為新型能效技術(shù)的采用系數(shù)；Vref為特定功率和裝載條件下的船舶航速；SFC為柴油機(jī)經(jīng)核定的特定燃油消耗量，g/(kW·h)；PME(i)為每臺(tái)主機(jī)額定裝機(jī)功率（MCR）減去軸帶發(fā)電機(jī)功率后 75%時(shí)的功率值；PPTI(i)為每臺(tái)軸帶推進(jìn)電機(jī)額定功率值除以效率后75%時(shí)的功率值；Peff(i)為由于能效技術(shù)創(chuàng)新使得主機(jī)功率減少的效能功率的75%；PAEeff(i)為由于能效技術(shù)創(chuàng)新使得輔助功率減少的效能功率；PAE為正常最大海況下所需的輔機(jī)功率。

EEDI是衡量船舶能效水平的指標(biāo)，其計(jì)算式是以CO2排放量與貨運(yùn)裝載能力的比值來(lái)表示船舶的能效，分母表示船舶在規(guī)定的船速下與載貨量的乘積，分子可概括為主輔機(jī)的功率與燃油消耗量的乘積及由于釆用新的節(jié)能技術(shù)而減少油耗所帶來(lái)的船舶能效的提高2部分。

由式(1)可知，EEDI的計(jì)算值與燃料的碳排放系數(shù)CF，主輔機(jī)的燃油消耗率SFC，主輔機(jī)的功率值，船舶艙容及船舶航速等參數(shù)有關(guān)。EEDI的要求值由船型和載重量來(lái)確定。新造船EEDI的計(jì)算值應(yīng)小于相同階段EEDI的要求值。

通過(guò)計(jì)算可知：該船不采用廢熱回收系統(tǒng)所得EEDI為1.81，基線值為2.0339，EEDI約下降11.07%；而采用廢熱回收系統(tǒng)之后所得EEDI為1.72，EEDI下降15.42%。因此，在新造項(xiàng)目上推薦采用主機(jī)廢熱回收系統(tǒng)。

2.4 硫氧化物及氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)研究

船舶航行期間的污染主要是由船用柴油機(jī)造成的，其中排放的NOx和SOx是最主要、最引人關(guān)注的污染物[4]。IMO將大氣污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)由MARPOL Annex VI中的SOxEmission Control Areas（SECAs）改為ECAs（Emission Control Areas），于2010年7月1日生效。這意味著大氣污染物由原來(lái)的對(duì)SOx排放的控制擴(kuò)大到了對(duì)更多大氣排放物的控制（如NOx排放等)[5]。目前，IMO已批準(zhǔn)北海和波羅的海這2個(gè)大氣排放控制區(qū)，在這些排放控制區(qū)航行的船舶，其燃油的含硫量要求為：

1) 2010年7月1日以前，含硫量低于1.5%；

2) 2010年7月1日以后，含硫量低于1.0%；

3) 2015年1月1日以后，含硫量低于0.1%。

隨著以上公約的生效，以后對(duì)廢氣排放的要求將更加嚴(yán)格，低硫油將得到非常廣泛的使用，同時(shí)會(huì)對(duì)主輔機(jī)、鍋爐及分油機(jī)等設(shè)備的管理帶來(lái)一系列影響。

母型船和目標(biāo)船的營(yíng)運(yùn)線路均為中巴航線，按照兩國(guó)港口法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)的要求，柴油機(jī) NOx排量滿(mǎn)足Tier II排放要求即可，目前新造的ME主機(jī)和RT-flex主機(jī)都能滿(mǎn)足Tier II排放要求?？紤]到該型船將來(lái)可能會(huì)去美國(guó)港口和歐洲港口，需做好主機(jī)滿(mǎn)足Tier III排放要求的研究準(zhǔn)備。

2.4.1 硫氧化物排放控制研究

為盡量降低SOx排放以減少環(huán)境污染，應(yīng)使用含硫量更低的燃料油，主輔機(jī)和鍋爐都要配有專(zhuān)門(mén)的低硫燃油艙及輕柴油艙，同時(shí)可將輕柴油艙更換為MGO艙，分油機(jī)增加MGO供油單元，以滿(mǎn)足SOx排放控制的要求。在無(wú)低硫油可使用時(shí)，需安裝脫硫塔以實(shí)現(xiàn)對(duì)SOx排放的控制，將主機(jī)、發(fā)電機(jī)和鍋爐排氣管匯總到機(jī)艙棚內(nèi)的脫硫塔上，脫硫塔通過(guò)對(duì)船上氣體排放進(jìn)行集中處理，噴撒NaOH以去除硫化物，達(dá)到減少環(huán)境污染的目的。

目前市場(chǎng)上含硫量低于1.5%的燃油主要是從低硫原油中提煉得到的，只有部分地區(qū)可出產(chǎn)該類(lèi)燃油。此外，該類(lèi)燃油也可通過(guò)安裝脫硫設(shè)備提煉得到，但這些設(shè)備非常昂貴。隨著低硫油市場(chǎng)需求的增大，脫硫燃油將得到廣泛應(yīng)用。

2.4.2 NOx排放控制研究

當(dāng)前Tier III的生效日期為2021年1月1日，其排放控制區(qū)為波羅的海、北海、北美和加勒比海。對(duì)于NOx的排放控制，主機(jī)廠家有選擇性催化還原技術(shù)SCR（Selective Catalytic Reduction）和廢氣再循環(huán)技術(shù)EGR（Exhaust Gas Recirculation）2種推薦方案。方案原理示意見(jiàn)圖2和圖3。

1) 對(duì)于SCR方案，主機(jī)廢氣經(jīng)過(guò)SCR之后到增壓器排出，SCR內(nèi)噴灑NH3，在催化劑作用下生產(chǎn)N2和H2O，以達(dá)到去除NOx的目的。該方案SCR機(jī)艙占用空間大，處理裝置和排氣管安裝等對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的要求比較高。

圖2 SCR原理示意

圖3 EGR原理示意

2) 對(duì)于EGR方案，主機(jī)廢氣經(jīng)過(guò)NaOH洗滌塔將廢氣中的灰去除掉，將低氧分廢氣和新鮮空氣一起加入氣缸燃燒，從而在燃燒過(guò)程中減少NOx的產(chǎn)生量。該方案EGR布置在主機(jī)內(nèi)部，布置比較緊湊，其外圍系統(tǒng)布置比較靈活，改動(dòng)相對(duì)較小。

綜合以上分析，目標(biāo)船SOx和NOx的排放可采用脫硫塔加EGR的方式進(jìn)行控制。

3 結(jié) 語(yǔ)

新一代400000t礦砂船項(xiàng)目的適時(shí)優(yōu)化滿(mǎn)足了船東的核心需求，是引領(lǐng)市場(chǎng)發(fā)展的產(chǎn)物。通過(guò)對(duì)該船型進(jìn)行優(yōu)化，能提升我國(guó)在世界造船領(lǐng)域的地位，提高我國(guó)在超大型船舶設(shè)計(jì)建造領(lǐng)域的水平，使400000t礦砂船節(jié)能減排、綠色環(huán)保、安全可靠和營(yíng)運(yùn)高效的設(shè)計(jì)理念得到船東、船級(jí)社及行業(yè)內(nèi)人士的一致認(rèn)可。

本文在母型船巴西淡水河谷400000t礦砂船的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)專(zhuān)利廠相關(guān)型號(hào)的主機(jī)進(jìn)行分析、綜合比較，提議采用的主機(jī)機(jī)型日油耗由原來(lái)的97.4t/d降低到81.2t/d。在進(jìn)行油耗研究的同時(shí)，對(duì)目標(biāo)船配備主機(jī)廢熱回收裝置的可行性進(jìn)行了探討。研究結(jié)果表明，在大型礦砂船上使用廢氣回收節(jié)能裝置是可行的，優(yōu)勢(shì)是電站容量減小，燃油經(jīng)濟(jì)性得到進(jìn)一步提高，船東的營(yíng)運(yùn)成本大大降低。此外，對(duì)NOx和SOx的排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，對(duì)新造船如何滿(mǎn)足這些新的排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了探討。

【 參 考 文 獻(xiàn) 】

[1] 田長(zhǎng)偉, 趙翠.新造船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)對(duì)主機(jī)選型影響分析[J].廣東造船，2011, 30 (2): 45-48.

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