基于多因子模型的船舶主機選型論證研究

金祥臣，王 浩，王 平

渤海船舶重工有限責任公司，遼寧 葫蘆島 125004

1 主機選型與制約因素

新冠病毒疫情在全球范圍內爆發(fā)以來，其對全球貿易影響深遠，全球供應鏈面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，2021 年全球貿易指數較前年有所回升，但是海商項目物都集中在集裝箱船上，散貨、礦砂交易量沒有明顯增長，也直接導致了散貨船航運業(yè)的低迷，散貨船航運周期不緊迫，所以在船舶建造合同中，主機選型重點考慮船東的初期投入成本和后期運營成本。

在新船研發(fā)設計中，主機選型工作是根據水池實驗室的船模航速預報，確定主機功率點、螺旋槳直徑、調定模式和主機型號。選型工作受到多方面的影響。而多因子模型研究方法是通過分析主因、次因來進行抉擇。選型判斷是基于主機功能是否合理；采購成本是否可以接受；設計方案是否便于操作，等等，并通過對比判斷要因，重點考慮船舶航速與主機合同功率[1]、燃油日消耗率與主機最小功率、主機功能與采購成本[2]、廢氣排放限級與海區(qū)保護、主機大小與機艙空間、槳大小與軸線高度、主機廢熱與廢氣鍋爐選型等。下面以某型VLOC 為例研究主機選型。

2 技術準備

2.1 初步擬定船型總體參數

根據船東意向書，對標各大造船廠和設計院相同級別礦砂船的主尺度，初步擬定投標船型的主尺度：船長323 m，垂線間長316 m，型寬60 m，型深25 m，設計吃水18 m，結構吃水18.5 m，設計吃水時航速14.5 節(jié)（主機持續(xù)服務功率CSR）。

2.2 水池實驗室的航速報告

將得到的船型主尺度、航速及主機持續(xù)服務功率（CSR） 發(fā)給水池實驗室，由實驗室方面用計算機軟件模擬出船舶的初步型線，并給出航速預報報告及修正后的功率與航速數據。主機選型過程中所需要的數據點在航速預報中查看并獲得，在設計槳的前提下，對應的推進功率和推進轉速數據如下：

1） 無風無浪的靜海情況下，主機功率13 044 kw 和轉速51.3 rpm；

2） 15%海況儲備，即主機持續(xù)服務功率（CSR） 點功率 15 000 kw 和轉速 53.8 rpm；

3） 20%機械儲備，即主機合同最大持續(xù)功率（MCR） 點的功率18 750 kw 和轉速58 rpm。

另外在危險海況下，主機MCR 點功率應滿足維持船舶機動性能最小推進功率的要求[3]，此功率點的確定方法有2 種，具體校核過程如下：

1） 最小功率線性法。Pmin1=0.049×250 000+7 392.0=19 642 KW；

2） 簡化評估法。水池實驗室根據海況仿真邊界模型計算的功率值：Pmin2=18 240 KW。

以上2 種計算結果船級社都認可，所以比較2 種結果，選取較小的功率點作為最終計算結果，即P（EED）I =18 240 KW。

而水池實驗室給出的主機MCR 點推進功率P （MCR） =18 750 KW ＞ P （EEDI） =18 240 KW，滿足維持船舶機動性能的最小功率。

3 主機選型

3.1 主機型號選擇

根據整理后的技術參數和數據，繪制主機選型圖。首先，創(chuàng)建一個對數的二維坐標系，將轉速的對數值設為X 軸，將功率的對數值設為Y軸。將以下數據繪制到同一個坐標系下，主機選型圖如圖1 所示。

1） 根據航速預報報告，繪出主機無海況儲備的等航速曲線α=0.28，見圖中L-1。

2） 根據主機功率增加15%海況儲備，繪出CSR 等航速曲線α=0.28，見圖中L-2。

3） 在主機功率增加15%海況儲備的基礎上，功率再增加5%、10%、15%機械儲備，分別繪出相應的5%、10%、15%機械儲備的等航速曲線α=0.28，見圖中L-3、L-4、L-5。

4） 繪制EEDI 最小功率18 240 KW 的水平線。

5） 3 種型號柴油機的主機工況圖分別為6G80ME；7G70ME；6RT-flex82T-B。

6） 2 種槳徑的螺旋槳曲線圖分別為：D10.8；D10.3。

綜合以上數據和圖1 主機選型圖中的內容，得到主機選型與機槳匹配共有3 種方案，機槳匹配方案對比如表1 所示。其中表中所列的方案四：主機合同最大持續(xù)功率點MCR 為21720KW 機械儲備太大，因此對比方案不考慮此種選型方向。

表1 機槳匹配方案對比表

圖1 主機選型圖

從表中分析可得：船舶主機在CSR 點運營時，方案一具有最低的油耗，再根據主機外形圖、機艙布置、壓載工況，確定的軸線高度5 500 mm 等條件，分析校核后滿足要求。在當前低迷的船舶營運市場環(huán)境下，此方案是一款低油耗的主機選型，可以在對標中有較強的競爭力。

根據方案對比和圖1 分析，總結主機選型的2 種技巧如下：

1） 主機CSR 點落在圖中左下區(qū)域，越靠近左下側主機越省油，但槳徑會變大，輕載水線會變高，阻力變大，主機會多耗一部分燃油，需要綜合考慮主機油耗。

2） 主機況圖L1 點落在圖右上區(qū)域，等高時超靠近右側主機平均有效壓力越低，在同樣功率條件下主機越省油，但主機體積變大，主機價格越高，需要綜合考慮主機周圍機艙布置及成本。

3.2 調定模式選擇

當國際經濟形勢良好需縮短運營周期時，為提高船舶運營航速，主機通常采取High Load 調定模式。而考慮本船當前國際經濟環(huán)境，要減少運營成本，降低油耗，因此考慮Low Load、Part Load 調定模式。以3.1 中方案一為例，船廠承諾合同功率點MCR 及CSR 點的油耗對比情況如表2 所示。

表2 主機6G80ME 在ISO 環(huán)境工況油耗數據對比

機油耗分析，基于表2 中油耗數據對照，可以看出主機以CSR 運行時，Part Load 比Low Load 油耗要省 0.36 t/day。

對圖2 中6G80ME 主機的2 種調定模式Part load、Low load 油耗特性曲線進行對比，可以發(fā)現(xiàn)當主機運行在CSR 點時，Part load 是低油耗的調定模式。但是當船舶低航速運營時，Low load卻是更省油的調定模式。因此，2 種調定模式均可作為可選的方案設計。

圖2 6G80ME 油耗特性曲線 (g/kWh)

3.3 主機廢熱分析

主機在不同的調定模式下，產生的廢氣能量也是不同的。一般來說，由于Part Load 和Low Load 調定在低功率范圍內油耗較低，因此廢氣能量較少。在選擇主機調定時，主要關注CSR 點的主機廢氣能量是否可以滿足船舶航行時需求，但也需要適當考慮實際船舶運營時，主機廢氣能量是否可以滿足需求。

主機型號6G80ME，廢氣能量計算是基于ISO 環(huán)境工況下的主機CSR 點廢氣溫度和廢氣量，飽和蒸汽0.7 Mpa，給水溫度80℃，廢氣鍋爐出口廢氣溫度175℃，主機排煙出口至廢氣鍋爐入口溫度降低2℃，廢氣鍋爐熱損失4%。主機廢氣蒸發(fā)量計算的結果對比為：Low Load 調定模式1 419 kg/h，Part Load 調定模式1 423 kg/h。

從圖3 中可以明顯看出，6G80ME 在Part Load 和Low Load 調定時，廢氣能量基本一致，僅功率在75%時Part load 稍低一些。而Low Load調定在降航速運營存在優(yōu)勢，但是考慮本船CSR功率為80%MCR，因此如果采用MAN 的主機，推薦采用Part Load 調定，這樣合同承諾油耗更低，同時對于廢氣能量也不存在任何影響。

圖3 6G80ME 主機廢氣能量產生蒸汽量特性曲線

3.4 主機排放分析

該船預定航線是澳洲至東亞，此區(qū)域目前執(zhí)行Tier II 要求[4]，但考慮未來排放處理能力升級，例如：船舶航線進中國排放控制區(qū)內，為了便于后期功能擴展，提高船型的適應性，做好Tier III的排放處理系統(tǒng)預案。

對于主機廢氣排放等級Tier III 要求，MAN 6G80ME 主機有2 種解決方案，分別是廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR） 和高壓選擇性催化還原反應系統(tǒng)（HPSCR）[5]。

EGR 系統(tǒng)與HPSCR 系統(tǒng)相比較，區(qū)別在于以下幾點：

1） 采購成本，EGR 稍低一些，大約低8～18%，具有一定優(yōu)勢；

2） 布置空間，EGR 相對于空間需求較少；

3） SCR 催化還原反應溫度較嚴格，需要廢氣溫度較高約350℃以上；

4） 打包供貨方法，EGR 相對于 HPSCR 在主機制造廠整體打包較方便。

基于以上幾個點，目標船的主機廢氣處理系統(tǒng)采用EGR 更有優(yōu)勢。

4 結論

綜上分析，主機選型參數如下：型號為MANB&W6G80ME-C10.5（PartLoad，TierII）；型式為二沖程，船用增壓低速超長沖程柴油機；數量為1 臺；主機R1 功率為28 260 kW×72 rpm；MCR 功率為18 750 kW×58 rpm；CSR 功率為15 000 kW × 53.8 rpm；燃油消耗率為 156.1 g/kWh+6%；燃油日油耗為56.20 噸/ 天+2.16噸/天；ISO 工況為主機在CSR 點，燃油低熱值LCV 為 42 700 kJ/kg。

本研究固化了新船主機選型的流程，縮短了主機選型的設計周期，在應對船型對標的時間緊迫性問題有較大的競爭力，且研究方向符合當前船東運營需求。但值得注意的是，由于船型不同、航區(qū)不同、采用的水池試驗室不同、船東運營要求不同、總圖分艙不同等方面因素都存在差異，在主機選型時，需要進行綜合考慮，滿足各方面的要求。