67 000載重噸散貨船輪機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

張 陳，羅森怡，刁海兵

(1.中航鼎衡造船有限公司，江蘇 揚州 225217；2.江蘇科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

超大靈便型散貨船在整個散貨船系列中有其自身獨特的優(yōu)勢:尺度適合進(jìn)出大多數(shù)港口；配備貨物吊，可自行完成裝卸；對港口條件要求低，特別適合東南亞國家；適合運輸包括煤、谷物、大米、水泥等各種散貨，同時其設(shè)計中對于鋼卷板的運輸進(jìn)行了特殊的考慮。2017年，散貨船合同超過1.4億載重噸，占船舶訂單總量60%，超過前3年成交總量，是過去10 a平均成交量的10倍多。同時，散貨船船價騰升，平均漲幅超過30%，遠(yuǎn)高于其他船型。然而，隨著人們環(huán)保意識的增加，控制溫室氣體排放已成為共識。國際海事組織(IMO)制定的船舶能效設(shè)計指數(shù)(EEDI)提高了新造船設(shè)計和建造要求，加快了船舶節(jié)能減排的節(jié)奏。因此，研究和設(shè)計綠色環(huán)保、節(jié)能型散貨船十分必要。

67 000載重噸散貨船為靈便型節(jié)能散貨船，具有油耗低、節(jié)能環(huán)保、吃水淺、貨物裝載范圍廣等優(yōu)點。本船的主尺度為：總長199.99 m，型寬36 m，型深18.5 m，設(shè)計吃水11.2 m，結(jié)構(gòu)吃水12.9 m。需要注意的是，本船的型寬為36 m,總長為199.99 m，比一般的靈便型散貨船要寬很多，目的是在巴拿馬運河拓寬后，該船既可以直接從中國的長江中下游港口又可以通過巴拿馬運河進(jìn)入大西洋至歐洲的主要港口。

隨著67 000載重噸散貨船首制船的交付使用，市場反應(yīng)良好。本文從總體的設(shè)備選型以及系統(tǒng)配置方面闡述船舶節(jié)能設(shè)計，包含機(jī)艙的布置優(yōu)化、推進(jìn)系統(tǒng)的節(jié)能裝置選配以及輔助系統(tǒng)的配置優(yōu)化，目的使船舶得到一個最優(yōu)的EEDI指數(shù)，相對于同類型的靈便型散貨船，運營成本最低化。

1 機(jī)艙布置優(yōu)化分析

1.1 機(jī)艙布置存在的問題

由于貨船以最大載貨量為目的，所以機(jī)艙設(shè)計時需要盡量壓縮其空間。為了追求最佳的航速，位于船艉的機(jī)艙線形比較瘦削，使機(jī)艙布置較為困難。首先，本船的主機(jī)是按照降功率要求選定的，相對于這種噸位的散貨船，主機(jī)尺寸顯得過大。為了能夠滿足船舶吃水淺的要求，推進(jìn)軸系中心線距離船舶基線的高度必須盡可能的低，所以機(jī)艙底層除了放置一些艙底泵、壓載泵和滑油泵外，幾乎不能放置其他設(shè)備。其次，受到艉部線形及主機(jī)長度的影響，機(jī)艙前端的空間很小，使得壓載水處理裝置無法設(shè)置在機(jī)艙底層，這樣壓載管系只能從平臺上、下貫穿[2]。最后，機(jī)艙棚的空間狹小，既要放置燃油蒸汽組合鍋爐，同時還要確保進(jìn)入機(jī)艙的通道布置滿足規(guī)范要求，以及安裝主機(jī)和輔機(jī)的排氣管及艙柜的透氣管等，給機(jī)艙的設(shè)計帶來困難。

1.2 機(jī)艙布置的優(yōu)化

1.2.1為機(jī)艙設(shè)備布置挖掘足夠的空間

(1)根據(jù)本船的機(jī)艙寬度和高度尺寸，本船的機(jī)艙分為4層：機(jī)艙底層、第四平臺、第三平臺、第二平臺，這樣可以有效利用兩舷的空間，使得機(jī)艙設(shè)備能夠合理的布置。

(2)為了減少冗長的管系對機(jī)艙布置的影響，必須綜合考慮機(jī)艙設(shè)備的外部管路接口方位和其相應(yīng)的功能，合理進(jìn)行油艙和水艙的分割，使輔助設(shè)備按照其功能，集中有序的布置。

1.2.2設(shè)備的選型合理和改造

(1)常規(guī)的S60型號的主機(jī)配置一臺增壓器和一臺空冷器，這種配置尺寸太大，會使本船機(jī)艙底層的通道不能連續(xù)，無法滿足船級社的要求。最終本船主機(jī)采用兩臺增壓器和兩臺空冷器，使空冷器和增壓器的尺寸相對變小，主機(jī)寬度得以減小。另外，當(dāng)一個增壓器出現(xiàn)故障時，另外一個增壓器還可以滿足主機(jī)低負(fù)荷使用。

(2)在機(jī)艙泵的選型中,應(yīng)盡可能地采用立式泵，以節(jié)省空間。

1.2.3解決方案

(1)鍋爐選用立式組合鍋爐型式,要求廠商布局緊湊,儀表位置、維修位置盡量集中于一側(cè),鍋爐高度應(yīng)適當(dāng)加長以限制筒體直徑,緩解空間壓力。

(2)主機(jī)、輔機(jī)、焚燒爐排氣管系有序布置,嚴(yán)禁在空間上交叉影響。

(3)輔機(jī)位置應(yīng)避免直接位于機(jī)艙棚正下方,為吊梁或起吊眼板的布置尋找合適的空間。

2 關(guān)鍵設(shè)備及系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計

2.1 主機(jī)及輔機(jī)的節(jié)能措施

本船主機(jī)推進(jìn)采用一臺MAN-6S60ME-C8.2的低速柴油機(jī)，直接驅(qū)動定距螺旋槳。主機(jī)最大持續(xù)功率(NMCR)為9 659 kW，常用功率點(CSR)為6 558 kW。

在正常航行和進(jìn)出港時使用運動粘度為3.8×10-4m2/s、50 ℃燃油。由于目前的燃料價格大幅度的上升，以及散貨船的運價越來越低，所以本船推進(jìn)主機(jī)的選型特別注意油耗問題。根據(jù)MAN主機(jī)的油耗特性曲線，考慮到NOX排放控制以及本船的廢氣鍋爐需要的排氣溫度和排氣量，主機(jī)降功率使用時增壓器匹配方式為ECT(主機(jī)控制調(diào)整)方式，CSR點僅為NMCR點的67.9%，常用功率點的油耗為157.3 g/kWh，主機(jī)一天的油耗只有24.8 t。相對于同類型的其他船舶，油耗有明顯的優(yōu)勢，對于EEDI計算也非常有利。

2.2 電站系統(tǒng)的節(jié)能措施

本船采用三臺MAN16/24發(fā)電機(jī)組，機(jī)組功率為660 kW。該機(jī)組整機(jī)采用集成化、模塊化，無管路設(shè)計，整個氣缸為單元化設(shè)計，方便機(jī)組的檢修。另外,本船還配有一臺180 kW的應(yīng)急發(fā)電機(jī)組。

2.3 加熱系統(tǒng)的節(jié)能措施

本船配置一臺廢氣-燃油組合蒸汽鍋爐，廢氣部分能滿足船舶正常航行時的蒸汽消耗量。燃油部分為航行狀況的補(bǔ)充或者停港時提供船舶所需要的蒸汽消耗。

由于本船主機(jī)CSR點較低，導(dǎo)致排氣量和排氣溫度較低，因此廢氣鍋爐的蒸發(fā)量較小。為了盡可能地節(jié)省燃油消耗，本船還配置了HFO-shifter裝置，用來節(jié)省燃油加熱時的蒸汽消耗量，其原理圖如圖1所示。

圖1 HFO-shifter裝置原理

按照常規(guī)設(shè)計要求，主輔機(jī)都是用重油，重油需要分油機(jī)凈化后才能使用。燃油凈化流程是將儲存艙的油駁運至沉淀艙，再經(jīng)過分油機(jī)分離凈化至燃油日用艙。每個過程都需要加熱，溫度有溫控閥控制。一般情況下，沉淀艙的溫度為60 ℃左右，日用艙為80 ℃左右。

分油機(jī)分離燃油時，燃油需要一定的溫度。傳統(tǒng)的沉淀艙和日用艙都有蒸汽加熱盤管，當(dāng)兩個艙的溫度達(dá)到要求的溫度時，加熱盤管停止加熱；由于散熱問題，兩個艙的溫度同時下降，當(dāng)下降到一定的溫度，加熱盤管重新開始加熱。這種加熱方式會造成熱量損失。HFO-shifter裝置的作用就是將日用艙的燃油通過自動控制駁運至沉淀艙。由于日用艙的溫度高于沉淀艙，那么沉淀艙就不需要再設(shè)置加熱盤管，始終保持分油機(jī)所需要的溫度。分油機(jī)持續(xù)工作，再把燃油分離至日用艙，使得日用艙的加熱盤管開啟的頻率會降低，達(dá)到減少蒸汽消耗的作用，最終減少鍋爐燃油的使用，相當(dāng)于余熱回收利用。

2.4 電動甲板機(jī)械的節(jié)能措施

2.4.1電動吊機(jī)

該船裝載貨物的類型為谷物、煤炭、鋼材等散貨，所以必須配置甲板吊機(jī)。本船配置了4臺麥基嘉的最新型純電動吊機(jī)，特點如下：

(1)該吊機(jī)的起升、回轉(zhuǎn)、變幅均為變頻電機(jī)驅(qū)動，無極變速，所以更加平穩(wěn)。

(2)該吊機(jī)與主發(fā)電機(jī)之間有相互聯(lián)動功能。當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)荷發(fā)生變化時，吊機(jī)能根據(jù)發(fā)電機(jī)的負(fù)載變化自動調(diào)節(jié)本身的工作狀態(tài)，自動增壓或減緩裝卸貨速度，以保證當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載出現(xiàn)問題時，吊機(jī)是安全的。

(3)該吊機(jī)有逆功轉(zhuǎn)換功能。當(dāng)一部吊機(jī)在裝卸貨的狀態(tài)時下放貨物，那么產(chǎn)生的逆功可以轉(zhuǎn)換為電能重新進(jìn)入主配電板，供其他吊機(jī)使用；或者兩部吊機(jī)相互工作時，一部吊機(jī)的逆功可以轉(zhuǎn)換進(jìn)入另一部吊車做正功，這樣就可減小發(fā)電機(jī)的負(fù)荷。在發(fā)電機(jī)組的選型上可以適當(dāng)選小一點，從而減少燃料的消耗，這樣對EEDI指數(shù)非常有利，既減少建造成本，又降低船舶的營運成本。

2.4.2電動錨絞機(jī)

本船錨絞機(jī)均為帶變頻器的純電機(jī)驅(qū)動的設(shè)備，無液壓油，無液壓管路，綠色環(huán)保，并且錨絞機(jī)的驅(qū)動電機(jī)的型號一樣，相互可以使用，維修簡單，備件少，操作平穩(wěn)、簡單，更適合遠(yuǎn)程遙控操作。

2.5 螺旋槳消渦鰭和前置導(dǎo)管的節(jié)能措施

本船設(shè)計過程中使用螺旋槳消渦鰭和前置導(dǎo)管。經(jīng)過船模試驗顯示，效果明顯，總體測試節(jié)能約4%，也就是說在保證航速的情況下，主機(jī)功率可以降低4%。按此計算，67 000載重噸散貨船可以每天節(jié)省燃料油約1 t左右。

螺旋槳消渦鰭外形圖如圖2所示。

3 67 000載重噸散貨船節(jié)能效果

(1) 根據(jù)主機(jī)的油耗曲線以及功率調(diào)校方式，主機(jī)采用降功率使用，使得在CSR點主機(jī)的油耗是最低的。

(2) HFO-shifter相當(dāng)于一個小型的熱量循環(huán)利用系統(tǒng)，簡單而且非常有效。

(3)新型變頻設(shè)備使用，包括電動吊機(jī)和錨絞機(jī)。經(jīng)核對設(shè)備廠商資料，純電驅(qū)動的設(shè)備比電動液壓設(shè)備的效率要高出約20%。

圖2 螺旋槳消渦鰭外形圖

(4)螺旋槳消渦鰭和前置導(dǎo)管使用后可節(jié)約4%主機(jī)功率。

目前判斷船舶性能參數(shù)的主要依據(jù)就是EEDI指數(shù)[3]。本船采用上述節(jié)能措施后，經(jīng)計算，EEDI為3.59，相比1 Jan 2015-31 Dec 2019 EEDI階段要求，推薦的EEDI指數(shù)4.13，節(jié)能約13%。

4 結(jié)語

本文從總體的設(shè)備選型以及系統(tǒng)配置方面闡述船舶節(jié)能設(shè)計，包含機(jī)艙的布置優(yōu)化、推進(jìn)系統(tǒng)的節(jié)能裝置選配以及輔助系統(tǒng)的配置優(yōu)化，最終得到一個最優(yōu)EEDI指數(shù)為3.59。相對于同類型的靈便型散貨船，該船節(jié)能效果達(dá)到13%，故降低了運營成本。67 000載重噸散貨船是一個全新的、綠色環(huán)保的新船型，船舶安全、消防安全、防污染設(shè)備均滿足IMO要求。對于目前運價的降低，以及未來巴拿馬運河的拓寬，能通江達(dá)海，是未來中國散貨船的發(fā)展方向之一，市場前景非常好。