船舶主機降速運行的收益與風險研究

陳智文+張凌杰

摘 要：在國內外航運市場長期低迷情況下，降本增效、節能減排的理念已成為航運企業間的共識。本文將對主機降速進行理論分析，研究降速帶來的經濟收益，同時研究主機降速的風險故障以及應對措施。

關鍵詞：節能減排 主機降速 風險

2008年以來，美國次貸危機引發的世界金融危機，對航運市場產生深遠影響，國內外航運市場的長期低迷，波羅的海指數維持在較低數值，且目前恢復的跡象不明朗，降本增效、節能減排的理念已成為航運企業間的共識。航運業是一個高能耗的行業，在現有船舶基礎上，節能減排的實施主要靠設備改進和設備科學管理兩種途徑，例如廢氣渦輪增壓、余熱回收、超長沖程柴油機、可變噴油正時及控制等技術的應用。

作者自2006年加入某航運公司任輪機長，一直堅持嚴格按照公司安全管理規則和各項規章制度做好船舶管理工作，在所有國內外港口PSC檢查中保持零缺陷。盡管公司采取各種應對措施，但在目前航運環境下，公司仍在虧本邊緣艱難維持。2011年7月至2012年6月，作者在公司其中一艘上海到美國波特蘭的船舶上親自參與了公司主機降速的管理。在運輸成本中，人力成本降低有限，船舶燃油費用開支卻十分驚人，燃油成本超過總成本的三分之一。船舶柴油機降速運行，是很多航運公司的主動選擇。國內外學者對船舶主機的降速運行進行了深入研究，吳恒研究了柴油機降速航行時的管理策略，大連海事大學的王強、謝光明、李勝分別對船舶節能減排技術優化、降速航行經濟性、降速節油實驗等進行了分析研究。

本文將對主機降速進行理論分析，研究降速帶來的經濟收益，同時研究主機降速的風險故障以及應對措施。

1.主機降速理論分析

在船舶中，主機、螺旋槳和船體組成一個完整的推進系統，主機運行時，螺旋槳隨之運轉，產生行進的推力。因此，船舶的船速是由螺旋槳推力和船舶行進阻力匹配所確定的。運行在一定的轉速下，主機和螺旋槳總是保持著能量平衡，一旦這種平衡被破壞，轉速就會發生變化，直至在新的轉速下實現新的能量平衡。

研究得知，主機功率pe等于螺旋槳的吸收功率pp，螺旋槳的吸收功率與轉速的m次方成比例。由螺旋槳動力學可知，當主機轉速下降時，主機的功率會以與轉速n的三次方關系下降：

而主機燃油消耗量卻是與主機的功率的變化成線性下降。因此將主機的轉速稍微降低，可較大幅度減少燃油的消耗，對航速影響不大。

2.主機降速運行的收益

從目前的航運形勢看，航運業的復蘇還需要一段漫長的時期，所以主機降速運行將是常態化，公司主機轉速由初始降到60%MCR，進一步降低到40-50%MCR。在整體經濟衰退的不利影響下，公司充分優化有效裝載能力，且主機實行降速運行能減少燃油消耗。研究顯示，降速1%能帶來約3%的燃料節省。

具體以筆者曾供職的香港某航運公司為例：公司現有47艘船舶，在實行主機降速運行前，每艘船每年平均消耗約5270公噸（mt）燃油，每公噸燃油按750美元計算，年消耗燃料費約1.86億美元。

但當公司實行主機降速至50% MCR運行時，日均燃油消耗量下降8.2mt，每公噸燃油按750美元計算，按年運行229天計，47艘船舶年消耗燃料費下降6600萬美元。

當公司實行主機降速至40% MCR運行時，日均燃油消耗量下降11.5mt，每公噸燃油按750美元計算，按年運行229天計，47艘船舶年消耗燃料費下降9300萬美元。

3.主機降速運行的風險

當主機長期降速運行，即在最大持續功率（MCR）的50%以下低負荷運行，除了可以節約燃料支出，帶來巨大收益外，還是會有一定的風險，產生以下幾個問題：

3. 1廢氣渦輪增壓系統故障

過量空氣系數是保證渦輪增壓主機燃油是否完全燃燒的主要參數依據。當主機降負荷運行時，廢氣量明顯減少，但大部分主機采用定壓增壓，排氣中的脈沖能得不到充分利用，會使渦輪增壓效率嚴重降低，使過量空氣系數變小，吸入的新鮮空氣量不足，直接影響到主機的燃燒性能。主要表現出冒黑煙，渦輪增壓器超速和故障、渦輪增壓器不平衡、排氣系統振動、熱負荷增加等癥狀，會使主機的經濟性、可靠性降低，增加燃油消耗率和主機維護成本。如圖1所示。3.2供油系統失配

當主機超低負荷運行時，主機供油系統會失去原有匹配。因為主機供油裝置是按持續功率匹配的，當負荷降低、匹配不良時，會出現噴油壓力過低，燃油霧化質量變差，主機循環溫度降低，燃油燃燒的滯燃期變長，燃燒惡化不利影響，使主機的可靠性和經濟性降低。

3.3積碳、磨損和腐蝕

主機排氣閥、排氣總管、增壓系統的積碳會造成主機性能嚴重下降。排氣通道、空冷器、增壓器、廢氣鍋爐由于積碳發生堵塞，會使整個增壓系統背壓升高。還會導致主機掃氣壓力降低，排氣溫度升高，運轉性能持續下降，有可能導致無法恢復到正常負荷性能運行。如果積碳嚴重，會在鍋爐管道內部燃燒，融化鍋爐管道，造成燒毀的重大影響，如圖2所示。

主機降速運行使燃燒室污染，未燃燒的燃油積聚在活塞頂的凹形槽中，稀釋氣缸壁的滑油，導致主機氣缸過度潤滑，活塞頭結垢，失去油膜保護，致使缸套磨損加劇。由于降速運行，主機的平均循環溫度降低，使氣缸壁溫度也降低，如果缸壁溫度在硫酸露點溫度之下，可能還會造成低溫腐蝕。

4.應對措施

為了防范主機降速運行帶來的事故風險，應做好日常預防措施。

避免在主機共振轉速下長期運行，主機在50%MCR的對應轉速剛好是部分主機的共振轉速，所以要根據具體的主機適當提高或者降低一些速度運行。主機在50%MCR運行時，輔助鼓風機處于手動關閉狀態，如果要運行，則進行手動操控并避免過載。輔助鍋爐應每天做2次吹灰工作，并保持水質良好，主機在40%MCR運行時輔助鍋爐處于自動。

主機長期在低速低負荷條件下運行，動力裝置的廢氣余熱利用系統不能正常發揮作用，主機的掃氣系統也不能在良好的狀態下運轉，會存在不完全燃燒的碳和殘油。定期的短時間加負荷運行，每天保持主機轉速處于85%MCR一個小時，這樣可以盡量減少殘油，可使主機保持正常工作狀態。加速和減速過程中要防止增壓器超速和振動。適當調整氣缸油供給，防止供油過多造成污染。

在靠港維護階段，應每250小時或航行10天以上到港后就做好檢查清理工作，主要包括活塞頭、活塞環、缸套、主機掃氣箱、缸內活塞下部、排氣總管、輔助鼓風機、渦輪增壓空冷器空氣側和廢氣鍋爐煙側等部位，如圖3所示。

避免渦輪增壓器超速和振動。渦輪增壓中的空冷器、空氣濾網和消音器容易受污染，影響掃氣壓力、冷卻效果和造成排氣溫度上升、增壓器喘振加劇等問題。因此需要對空冷器空氣側進行清洗，主機運行時可利用壓縮空氣來使高閃點的化學清潔劑與清水的混合液體進行清洗。清洗后，空冷器的空氣側壓差會明顯減小，排氣溫度有所降低。

從近兩年的減速運行情況來看，只要船上做好各種風險應對措施，就可以保證主機的良好運轉。

5.結語

在目前航運環境下，航運公司為了節省成本，對所屬船舶進行主機降速運行。本文首先對降速運行的理論進行了分析，并針對筆者曾供職的某航運公司為例，對降速運行的收益計算分析。研究發現，47艘船舶年消耗燃料費從1.86億美元下降至9300萬美元，是一筆巨大的開支節省。對主機降速帶來的廢氣渦輪增壓系統故障、供油系統失配、積碳、磨損和腐蝕等不利影響和風險進行了研究。為了保持主機的正常工作狀態，應對渦輪增壓器葉輪、空冷器、空氣濾網和消音器，以及排氣總管、輔助鼓風機和廢氣鍋爐等部位做好日常清洗維護工作。

參考文獻：

[1]吳恒.柴油機降速航行時的管理.大連海運學院學報1988，14（2）：41-47.

[2]王強.船舶主機降功率節能減排技術的優化研究.大連：大連海事大學，2013.

[3]謝光明.船舶降速航行的經濟性和排放變化分析.大連：大連海事大學，2009.

[4]李勝.船舶主機降速節能研究.大連：大連海事大學，2011.endprint