減速降功下主機燃油消耗量分析

大連中遠川崎船舶工程有限公司 李江波

減速降功下主機燃油消耗量分析

大連中遠川崎船舶工程有限公司 李江波

針對船舶主機選型時，既要滿足船舶的最初設計航速，又要考慮航運不景氣時減速航行的要求，對航速、主機功率、主機燃油消耗量的關系進行分析，提出減速降功下主機燃油消耗量變化的判定公式。對部分負荷下降低主機燃油消耗量，介紹主機部分負荷降油耗優化技術和方式。通過運營中船舶減速主機降功的實例，對正常運營與減速降功下和采用部分負荷優化下的主機燃油消耗量作對比計算，結果表明進行減速降功優化可降低燃油消耗量，提高船舶經濟性。

主機；燃油消耗量；航速；功率波浪能；燈浮標；晃動發電

在航運市場萎縮和節能環保法規不斷出臺的雙重背景下，市場對節能環保船舶的需求逐漸上升，船舶整體運營經濟性已成為船東的首要關注因素。在不同航運市場情況下，為提高船舶運營經濟性，船東會采用不同的方法。［1］航運市場需求旺盛時期，提高航行速度、增加運輸班次是增加經濟性的主要方法；但在航運需求萎縮的時期，減少油耗、提高船舶自身航行的效率，將成為提高經濟性的主要方法。［2］船舶主機選型時，既要滿足船舶的最初設計航速，以應對未來可能的新的市場要求下的高速運營，即保持主機的額定最大輸出功率（SMCR）［3］；又要考慮航運不景氣時減速航行下，降低主機部分負荷的燃油消耗量，節省船舶的運營成本。所以，主機選型和設計時，分析降速節能對燃油消耗量的關系，通過部分負荷降油耗優化技術對比，優化設計主機部分負荷下的油耗量，對提高船舶經濟性有重要意義。

一、航速與主機功率分析

船舶水阻力與船速的關系，可通過船模或實船試驗得出。［4］具體如下：

其中：R為水對船體的總阻力，N；v為船速，kn；AR為阻力系數，與船體線型、排水量、污底程度、拖帶、航道及海況等因素有關；m為航速指數，對低航速民用船舶一般可取m=2。

螺旋槳推力Fp與船體阻力R的關系為

其中，t為推力減額分數。

推力減額分數可在不同船模研究基礎上，利用計算模型計算得出。推力減額分數的大小與船體形狀、螺旋槳的位置和大小等因素有關。對既定船舶，其線型、尺度、螺旋槳直徑及其與船體位置都是一定的，當船舶在穩定工況下正常航行時，t為常數，所以

其中，Ct為推力減額系數。

而螺旋槳推力公式為

其中：C1為推力系數；n為螺旋槳（主機）轉速。

結合式（1）（取m=2）和式（4），由式（3）得

在船舶線型、尺度、航行狀態、螺旋槳直徑一定下，系數AR、C1、Ct皆可看作為常數，所以由式（5）得

式（6）說明，在既定條件下，航速與主機轉速之間呈線性關系，如圖1所示。

用來直接驅動螺旋槳的船舶主機是按螺旋槳工況運行的。在此工況下，船舶柴油機的輸出功率PE與轉速n的關系式為

圖1　轉速（n）與航速（v）特性曲線

結合式（6），可得

式（8）說明，在一定條件下，主機功率和航速之間成三次方關系，如圖2。

圖2　功率（PE）-航速（v）特性曲線

根據式（8）可知，在船舶航速改變前后，主機功率和航速的關系式為

其中：v0為改變前航速；PE0為改變前功率；v為改變后航速；PE為改變后功率。

改變航速后的主機功率為

改變主機功率后的航速為

二、航速與主機燃油消耗量的關系

主機燃油消耗量公式為

其中：G為燃油消耗量，t/h；PE為主機有效輸出功率，kW；ge為主機燃油消耗率，kg/kW·h。

從式（12）可知，影響燃油消耗量的因素是主機輸出功率和主機燃油消耗率。要降低主機燃油消耗率，就需要降低主機輸出功率或主機燃油消耗率。

根據主機循環理論和主機運行實踐，三者之間的關系通常可用圖3表示。［5］

圖3　燃油消耗量、燃油消耗率與功率關系曲線

船舶主機的日燃油消耗量為GD：

其中：PDs為主機服務工況下的功率，kW；ge為主機相應的燃油消耗率，kg/kW·h。

設船舶以v0航速航行，航行時間為T0（day），則航行距離為

燃油消耗量為

現假設改變船舶航速為v航行，則同樣航行距離，航行時間為

日燃油消耗量為

則航速改變前后，兩者的燃油消耗量之差E為

其中，E為燃油消耗變化量，t。

將式（10）代入式（18），得

由式（19）可知，

（1）當E＞0時，表明在航速改變后，主機在航程中燃油消耗量減少；當E＜0時，表明在航速改變后，主機在航程中燃油消耗量增加。

（2）為使E＞0，則由式（19）得

式（20）可作為航速變化后，主機燃油消耗量變化的判定公式。

由燃油消耗率曲線可知，主機燃油消耗率的變化有一拐點，即燃油消耗率最低點，通常在主機日常功率點，一般為85%負荷左右。在低于最低燃油消耗率之前，隨著船舶航速減小，主機功率降低，但主機燃油消耗率增加。在最低燃油消耗率之后，隨船舶航速變大，主機功率增加，主機燃油消耗率增加。

在主機部分負荷（一般為85%額定功率以下），減速降功運行時，主機燃油消耗率增加。但主機燃油消耗率數值量級（通常在百位級）比航速數值量級（通常在十位級），所以式（20）不等式成立，燃油消耗變化量E為正值，即減速航行燃油消耗量減少。

三、主機部分負荷優化技術

在船舶營運中，通過降低航速使主機降功率運行，可減少主機油耗量。在主機降功率的部分負荷下，采取靈活的主機運轉模式，進行局部負荷優化，可進一步降低燃油消耗量，節約船舶營運成本。對目前柴油機生產廠家MAN B&W的局部負荷優化新技術介紹和對比，以備主機選型中采用。

主機的負荷范圍可分為：高負荷（85%～100%額定功率）、部分負荷（50%～85%額定功率）、低負荷（25%～70%額定功率）。［6］

目前主機的標準配置是在高負荷進行燃油消耗量（Specific Fuel Oil Consumption，簡稱SFOC）優化。各部分負荷下燃油消耗量的優化方法有：VT（Variable Turbine Area，可變噴嘴環）、EGB（Exhaust Gas Bypass，廢氣旁通）、ECT（Engine Control Tuning，主機控制調整）。

1.EGB（廢氣旁通）

改方法要求在主機的廢氣出口管路上設置增壓器的旁通管路。在廢氣旁通全開時，主機增壓器匹配在100%負荷EGB全開的情況下。在85%左右的負荷下，廢氣旁通開始關閉，并在負荷低于70%時完全關閉。有兩種優化方法可選：部分負荷優化，燃油消耗率在低于85%負荷的各種負荷下均降低；低負荷優化，燃油消耗率在低于70%的負荷下進一步降低，但在高負荷范圍則具有高燃油消耗率。哪種負荷更適用，取決于主機具體營運模式。

如果在部分負荷下需要更高的排氣溫度，則有EGB的手動或自動控制可供使用。這一特點尤其和ME及ME-B型主機相關。

2.VT（可變噴嘴環增壓器）

VT技術需要使用特殊的增壓器部件，能使主機的增壓器改變噴嘴環面積，也就是要為主機配置帶有可調噴嘴環的增壓器。噴嘴環之間的面積在主機低負荷范圍內保持最小。主機負荷增加到約80%以上時，噴嘴環面積逐漸開始增加，并在主機負荷90%時達到最大面積。利用這種技術，燃油消耗率能在低負荷下減少，但在高負荷下增加。

3.ECT（主機控制調整）

無須改變主機部件（包括增壓器的匹配），只需更改主機控制系統參數，便可實施。這種方法只是利用電控主機便于改變排氣正時、噴油正時及噴油特性。只適用于ME/ME-C柴油機。

與主機標準優化相比，采用部分負荷優化后，在約85%負荷以下的所有負荷時，主機SFOC降低。與標準部分負荷相比，采用低負荷優化后，在約70%負荷以下的所有負荷時，主機SFOC進一步下降。但采用部分負荷或低負荷優化后，可能使高負荷時SFOC上升。對具體的主機更適用于哪種負荷優化方式，取決于船東選擇的主機具體營運模式。

四、實例分析

在船舶營運周期內，主機降速航行，可用整個營運周期內航行天數不變，但主機低負荷營運天數增加、高負荷營運天數減少來反映。［7］

以下以MAN 7G80ME-C9.2機型，SMCR=30 090 kW×65.7 r/min為例，對降速航行下，主機減功率運行，燃油消耗量降低情況進行對比，如表1所示。

綜合考慮船舶的主要營運航速區間后，對該船選擇了低于85%以下負荷時更節油的部分負荷優化設計。采用部分負荷優化方式下，主機燃油消耗量對比如表1所示。

在主機部分負荷運行時，通過選用主機部分負荷優化技術，可進一步減低主機的燃油消耗量。

表1　船舶降速及采用主機部分負荷優化方式下燃油消耗量對比

五、結論

（1）船舶降速下，主機功率相應減小。船速與主機功率成三次方關系，所以船舶航速的減小會使主機功率更快降低。

（2）船舶降速主機減功運行下，主機燃油消耗量的增減，要通過燃油消耗率和航速不等式來進行判斷。不等式成立時，表明降速減功下，主機燃油消耗量減少。

（3）根據船舶運營實際，使主機減功率運行下，根據具體主機和其營運模式選用主機部分負荷優化技術，可進一步降低油耗量，提高船舶營運經濟性。

［1］梅春.船舶主機選型的發展和展望［J］.柴油機，2012（1）:7-12.

［2］顧宣炎.減額輸出柴油機的主機選型［J］.武漢理工大學學報，2001（3）:290-293.

［3］馬帥，彭卓榮.主機選型新趨向［J］.柴油機，2013（1）:13-16.

［4］于洪亮，黃連忠.船舶動力裝置技術管理［M］.大連:大連海事大學出版社，2009.

［5］李斌.船舶柴油機［M］.大連:大連海事大學出版社，2008.

［6］SFOC optimisation methods for MAN B & W Two-stroke IMO Tier II engine ［M］.Copenhagen Denmark:MAN Diesel&Turbo，2010.

［7］盛晨興，徐泰富.船舶主機選型的經濟性分析［J］.中國水運，2007（12）:29-30.

10.16176/j.cnki.21-1284.2016.08.006

李江波（1981—），男，工程師，E-mail: lijiangbo@dacks.com.cn