主機(jī)降功率在大型集裝箱船上的優(yōu)化設(shè)計(jì)

謝春霞， 張曉軍

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海 200129)

0 引 言

當(dāng)前全球進(jìn)出口市場(chǎng)持續(xù)低迷，世界經(jīng)濟(jì)深陷困境，航運(yùn)市場(chǎng)短時(shí)間內(nèi)難以復(fù)蘇。同時(shí)，燃油價(jià)格的持續(xù)攀升和運(yùn)貨量不足導(dǎo)致大量大型集裝箱船停運(yùn)，而大型集裝箱船因航速高、主機(jī)功率大，所以燃油消耗非常高。為增強(qiáng)自身的競(jìng)爭(zhēng)力，船舶所有人和航運(yùn)公司不得不越來(lái)越關(guān)注船舶的能耗問(wèn)題。

船舶要實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，主要通過(guò)兩種途徑：一是對(duì)設(shè)備的改進(jìn)和應(yīng)用；二是對(duì)設(shè)備采用科學(xué)的管理。當(dāng)前許多先進(jìn)的船舶優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)被廣泛使用，如：廢熱利用技術(shù)[1-2]、螺旋槳新技術(shù)[3]、廢氣處理技術(shù)[4]、廢油回收技術(shù)等，這些措施對(duì)船舶的降本增效和節(jié)能減排起到非常重要的作用，而主機(jī)降功率設(shè)計(jì)由于只需對(duì)現(xiàn)有船舶進(jìn)行局部改造，成為目前廣大船舶所有人更容易接受的方案之一[5]。

針對(duì)主機(jī)降功率設(shè)計(jì)，本文從如下2種情況對(duì)該技術(shù)進(jìn)行闡述：尚未開工的船舶；已開工建造或交付的船舶。對(duì)于后者，如何在不需要大幅改動(dòng)已有設(shè)計(jì)的前提下降低油耗，正成為船舶所有人、設(shè)計(jì)方和建造方迫切關(guān)注和思考的問(wèn)題。

1 主機(jī)降功率設(shè)計(jì)原理

一般而言，主機(jī)運(yùn)行工況包括3種：長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在85%～100%選定最大持續(xù)功率 (Specified Max. Continuous Rating， SMCR)時(shí)為高負(fù)荷運(yùn)行工況，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在50%～85% SMCR時(shí)為部分負(fù)荷運(yùn)行工況，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在25%～70% SMCR時(shí)為低負(fù)荷運(yùn)行工況。

為滿足大型集裝箱船能在不同工況下正常運(yùn)行，MAN公司開發(fā)了主機(jī)降功率優(yōu)化技術(shù)，即通過(guò)減少或切斷1個(gè)透平使主機(jī)能夠降低功率運(yùn)行以達(dá)到節(jié)省油耗的目的。當(dāng)航運(yùn)市場(chǎng)低迷時(shí)，主機(jī)選用低負(fù)荷工況運(yùn)行，降低油耗；當(dāng)航運(yùn)市場(chǎng)恢復(fù)時(shí)又可通過(guò)恢復(fù)透平設(shè)置，使主機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行，進(jìn)而幫助船舶所有人和船舶運(yùn)營(yíng)公司實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化[6]。由于該技術(shù)將2種優(yōu)化工況同時(shí)應(yīng)用在同一主機(jī)上，因此該技術(shù)也被稱為“雙速”設(shè)計(jì)(Dual-Rating Design)。主機(jī)降功率設(shè)計(jì)基本原理如圖1所示，在主機(jī)100%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，圖1中的3臺(tái)透平均正常工作，當(dāng)需要降負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，只需將其中的1臺(tái)透平通過(guò)自動(dòng)控制閥件切斷，冷卻器停止運(yùn)行，通過(guò)廢氣收集裝置旁的旁通閥旁通廢氣(Exhaust Gas Bypass， EGB)，主機(jī)即可滿足低負(fù)荷運(yùn)行條件。下面分別對(duì)配置不同數(shù)量透平的主機(jī)進(jìn)行說(shuō)明。

(1) 配置3個(gè)透平、切斷1個(gè)透平(1 of 3工況)：可使主機(jī)在20%～66% 最大持續(xù)功率(Max. Continuous Rating， MCR)運(yùn)行；燃油耗油值在25%功率時(shí)可降低5 g/(kW·h)，在50%功率時(shí)可降低3 g/(kW·h)，掃氣壓力相應(yīng)增高。

圖1 主機(jī)降功率設(shè)計(jì)原理

(2) 配置4個(gè)透平、切斷1個(gè)透平(1 of 4工況)：可使主機(jī)在20%～74% MCR運(yùn)行；燃油耗油值在25%功率時(shí)可降低6 g/(kW·h)，在50%功率時(shí)可降低5 g/(kW·h)，掃氣壓力相應(yīng)增高。

從圖2可看出透平切斷油耗的曲線變化，下面就該圖進(jìn)行分析說(shuō)明。

圖2 不同工況下的油耗對(duì)比

從圖2可看出，在設(shè)定只切斷1個(gè)透平的條件下，主機(jī)降功率后的油耗比標(biāo)準(zhǔn)油耗低，且配有4個(gè)透平的主機(jī)降功率后的油耗比配有3個(gè)透平的主機(jī)降功率后的油耗低。

2 某型船主機(jī)降功率設(shè)計(jì)

結(jié)合船舶所有人營(yíng)運(yùn)需求和主機(jī)設(shè)計(jì)方的優(yōu)化選型，現(xiàn)以某8 000 TEU 集裝箱船為例，分別從已開工或交付船舶和未開工船舶2方面介紹主機(jī)降功率設(shè)計(jì)。

2.1 主機(jī)機(jī)型不變的降功率設(shè)計(jì)

一般而言，若船體結(jié)構(gòu)已開工建造，主機(jī)廠往往已經(jīng)開始生產(chǎn)主機(jī)，這時(shí)無(wú)法再更換主機(jī)。在此情況下，若降功率使用，則主機(jī)的持續(xù)運(yùn)行負(fù)荷不應(yīng)低于40%。這是因?yàn)槁菪龢脑O(shè)計(jì)余量無(wú)法覆蓋此工況，若想滿足該工況，需要重新設(shè)計(jì)軸系螺旋槳的推進(jìn)系統(tǒng)，改動(dòng)成本較大，經(jīng)濟(jì)性較差。

下面以某8 000 TEU集裝箱船安裝的12K98ME-C6.1機(jī)型為例進(jìn)行介紹，如表1所示。

表1 12K98型的基本參數(shù)

首先在不改變?nèi)魏瘟悴考臈l件下根據(jù)功率框圖給出新的功率點(diǎn)，如圖3所示。

初步選擇將降功率后的功率點(diǎn)定為53 290 kW×95.6 r/min，在與透平廠家確認(rèn)時(shí)發(fā)現(xiàn):主機(jī)在該點(diǎn)工作時(shí)，透平性能不能同時(shí)滿足全功率部分負(fù)荷點(diǎn)和降功率部分/低負(fù)荷點(diǎn)。這意味著在不同的負(fù)荷點(diǎn)需要配置不同的透平附件，后期恢復(fù)至全功率負(fù)荷點(diǎn)時(shí)，船舶所有人或運(yùn)營(yíng)方需要修改透平附件，增加后期運(yùn)營(yíng)成本。

圖3 12K98型主機(jī)降功率工況下的新功率點(diǎn)

因此，考慮透平性能、運(yùn)營(yíng)成本等多方面因素，重新將降功率后的功率點(diǎn)定為50 600 kW×94 r/min。從圖4透平工作曲線可以看出：在1個(gè)透平被切斷的情況下，新選定的功率點(diǎn)下的透平性能非常靠近全功率部分負(fù)荷的功率點(diǎn)68 520 kW×104 r/min，即優(yōu)化前后的透平效率接近，透平可在多個(gè)負(fù)荷點(diǎn)工作。該型透平全功率與降功率前后的參數(shù)對(duì)比如表2所示。與透平廠家確認(rèn)后，確定該點(diǎn)透平性能滿足要求，無(wú)需為透平增加額外附件。

表2 12K98型全功率與降功率的參數(shù)對(duì)比

圖4 12K98型主機(jī)透平的工作曲線

確定的多功率負(fù)荷點(diǎn)如圖5所示。由此可見：降功率使用后油耗降低明顯。

圖5 12K98型主機(jī)的多功率負(fù)荷點(diǎn)

為降低成本，船舶所有人原本選擇“降功率部分負(fù)荷+降功率低負(fù)荷+EGB”作為交船狀態(tài)，但最后進(jìn)行主機(jī)廠平臺(tái)試車時(shí)測(cè)出降功率部分負(fù)荷狀態(tài)下NOx排放數(shù)值為14.5 g/(kW·h)，高于IMO-NOxTierⅡ要求的14.4 g/(kW·h)，因此最終選擇“降功率低負(fù)荷+EGB”作為最終交機(jī)狀態(tài)，50 600 kW×94 r/min作為最終交機(jī)功率點(diǎn)。

在改造時(shí)選擇只配置3臺(tái)透平，且無(wú)需配置透平切斷裝置，進(jìn)一步降低改造成本。

2.2 主機(jī)機(jī)型改變的降功率設(shè)計(jì)

在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)束但尚未開工建造且主機(jī)廠沒有開始生產(chǎn)主機(jī)的情況下，為更多地降低油耗，減少船舶所有人運(yùn)營(yíng)成本，可對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部修改，將主機(jī)更換為長(zhǎng)沖程主機(jī)并降功率使用，軸系和螺旋槳需要重新設(shè)計(jì)。

通過(guò)船體專業(yè)機(jī)槳匹配計(jì)算、主尺度優(yōu)化和透平性能等因素的綜合對(duì)比，最終將主機(jī)由表1中所描述的短沖程12K98ME-C6.1 Tier II (MCR 68 520 kW×104 r/min)型主機(jī)改為長(zhǎng)沖程的10S90ME-C9.2 Tier II (MCR 58 100 kW×84 r/min) 型主機(jī)。主機(jī)全負(fù)荷功率點(diǎn)減小了1萬(wàn)多千瓦，如圖6所示，單位油耗及總油耗均大幅降低，較大地滿足船舶所有人提出的節(jié)油要求。在此新機(jī)型配置下進(jìn)行上述降功率設(shè)計(jì)過(guò)程得出降功率低負(fù)荷的功率點(diǎn)為43 000 kW×76 r/min。

10S90型主機(jī)降功率工況下的新功率點(diǎn)如圖6所示：L1′為全功率點(diǎn)，此時(shí)與主機(jī)的最大功率點(diǎn)L1重合，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速84 r/min下的功率為58 100 kW；L1″為降功率點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速76 r/min下的功率為43 000 kW。該型透平全功率與降功率前后的參數(shù)對(duì)比如表3所示，該型主機(jī)的多功率負(fù)荷點(diǎn)如圖7所示。

圖6 10S90型主機(jī)降功率工況下的新功率點(diǎn)

圖7 10S90型主機(jī)的多功率負(fù)荷點(diǎn)

某8 000 TEU在將原C6.1型主機(jī)更換為10S90型主機(jī)并進(jìn)行主機(jī)降功率設(shè)計(jì)后，其油耗的前后對(duì)比如表4所示。

經(jīng)船模試驗(yàn)驗(yàn)證，船型優(yōu)化后在新的合同航速下油耗較優(yōu)化前降低油耗約100 t/d，以每天每噸燃油成本750美元計(jì)算，優(yōu)化后的船型在合同設(shè)計(jì)工況下每天可為船舶所有人節(jié)油7.5萬(wàn)美元，全年可為船舶所有人帶來(lái)數(shù)百萬(wàn)美元的額外收益。從12K98機(jī)型改為功率較小的10S90機(jī)型，每臺(tái)主機(jī)可獲得退費(fèi)約150萬(wàn)美元，此費(fèi)用幾乎可以覆蓋船廠機(jī)型修改費(fèi)用。

新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)(Energy Efficiency Design Index, EEDI)是衡量船舶CO2效能的一個(gè)指標(biāo)。它的值越小，表明在同樣航速下，單位載貨量消耗的能量越少，能效越高。最終經(jīng)實(shí)船計(jì)算得到：8 000 TEU優(yōu)化后的EEDI值僅為10.9，比該船型17.18的基線值降低了37%，甚至可以滿足規(guī)范階段Ⅲ的最嚴(yán)苛排放要求，其環(huán)保減排性能顯著。

在不改動(dòng)主尺度的前提下，優(yōu)化方案對(duì)于實(shí)現(xiàn)詳細(xì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)計(jì)和縮短生產(chǎn)周期是客觀可行的，且對(duì)船體的局部小調(diào)整不僅提升船的整體性能指標(biāo)，而且降低單箱營(yíng)運(yùn)成本。

2.3 主機(jī)降功率設(shè)計(jì)優(yōu)化效果對(duì)比

在制訂修改方案初期，曾對(duì)主機(jī)功率、航速、油耗等各方面參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并做出對(duì)比，如表5所示。 從表5可以看出：針對(duì)同種機(jī)型，其降功率設(shè)計(jì)前后的單位油耗下降幅度分別為2.299%(12K98型)和2.395%(10S90型)；日燃油消耗量下降幅度分別為2.787%(12K98型)和2.778%(10S90型)，效果不明顯。但若重新選用長(zhǎng)沖程主機(jī)再降功率使用，其單位油耗下降幅度為6.32%，日燃油消耗量降幅為41.217%，降幅顯著，但航速只下降了1.163%。由此可見，選用不同型號(hào)的主機(jī)降功率設(shè)計(jì)能極大滿足船舶所有人在航運(yùn)低迷期的運(yùn)營(yíng)成本。

表3 10S90型全功率與降功率的參數(shù)對(duì)比

表4 某8 000 TEU降功率設(shè)計(jì)前后的油耗對(duì)比

表5 各型主機(jī)的優(yōu)化方案對(duì)比

由于透平選配等原因，對(duì)某8 000 TEU不同優(yōu)化方案下的實(shí)船油耗進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如表6所示，采用換機(jī)型降功率設(shè)計(jì)之后，其日用油耗從248.2 t/d降為149.4 t/d，降幅為39.81%，達(dá)到預(yù)期效果。

表6 某8 000 TEU船各優(yōu)化方案效果對(duì)比

3 結(jié) 論

目前，集裝箱船市場(chǎng)呈現(xiàn)運(yùn)力過(guò)剩的行情，船舶設(shè)計(jì)方案須隨著市場(chǎng)需求不斷變化。因此，本文提出主機(jī)降功率設(shè)計(jì)的2種方案，為降低油耗提供新的思路。8 000 TEU作為滬東中華造船(集團(tuán))有限公司早期獲得的系列船訂單，通過(guò)更改主機(jī)類型、調(diào)整艉部線型等優(yōu)化方式，實(shí)現(xiàn)該船型由高油耗向低油耗的成功轉(zhuǎn)變，提升了船型的綠色環(huán)保性能。該設(shè)計(jì)優(yōu)化不但使船舶所有人提升了競(jìng)爭(zhēng)力，更使船企提升了自身的設(shè)計(jì)建造水平。