67 000載重噸散貨船輪機系統優化設計

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 能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 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勢:尺度適合進出大多數港口；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，同時其設計中對于鋼卷板的運輸進行了特殊的考慮。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%，遠高于其他船型。然而，隨著人們環保意識的增加，控制溫室氣體排放已成為共識。國際海事組織(IMO)制定的船舶能效設計指數(EEDI)提高了新造船設計和建造要求，加快了船舶節能減排的節奏。因此，研究和設計綠色環保、節能型散貨船十分必要。

67 000載重噸散貨船為靈便型節能散貨船，具有油耗低、節能環保、吃水淺、貨物裝載范圍廣等優點。本船的主尺度為：總長199.99 m，型寬36 m，型深18.5 m，設計吃水11.2 m，結構吃水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，市場反應良好。本文從總體的設備選型以及系統配置方面闡述船舶節能設計，包含機艙的布置優化、推進系統的節能裝置選配以及輔助系統的配置優化，目的使船舶得到一個最優的EEDI指數，相對于同類型的靈便型散貨船，運營成本最低化。

1 機艙布置優化分析

1.1 機艙布置存在的問題

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

1.2 機艙布置的優化

1.2.1為機艙設備布置挖掘足夠的空間

(1)根據本船的機艙寬度和高度尺寸，本船的機艙分為4層：機艙底層、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，使得機艙設備能夠合理的布置。

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

1.2.2設備的選型合理和改造

(1)常規的S60型號的主機配置一臺增壓器和一臺空冷器，這種配置尺寸太大，會使本船機艙底層的通道不能連續，無法滿足船級社的要求。最終本船主機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，主機寬度得以減小。另外，當一個增壓器出現故障時，另外一個增壓器還可以滿足主機低負荷使用。

(2)在機艙泵的選型中,應盡可能地采用立式泵，以節省空間。

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,鍋爐高度應適當加長以限制筒體直徑,緩解空間壓力。

(2)主機、輔機、焚燒爐排氣管系有序布置,嚴禁在空間上交叉影響。

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

2 關鍵設備及系統的節能設計

2.1 主機及輔機的節能措施

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

在正常航行和進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，所以本船推進主機的選型特別注意油耗問題。根據MAN主機的油耗特性曲線，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，主機降功率使用時增壓器匹配方式為ECT(主機控制調整)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，油耗有明顯的優勢，對于EEDI計算也非常有利。

2.2 電站系統的節能措施

本船采用三臺MAN16/24發電機組，機組功率為660 kW。該機組整機采用集成化、模塊化，無管路設計，整個氣缸為單元化設計，方便機組的檢修。另外,本船還配有一臺180 kW的應急發電機組。

2.3 加熱系統的節能措施

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充或者停港時提供船舶所需要的蒸汽消耗。

由于本船主機CSR點較低，導致排氣量和排氣溫度較低，因此廢氣鍋爐的蒸發量較小。為了盡可能地節省燃油消耗，本船還配置了HFO-shifter裝置，用來節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

按照常規設計要求，主輔機都是用重油，重油需要分油機凈化后才能使用。燃油凈化流程是將儲存艙的油駁運至沉淀艙，再經過分油機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。

分油機分離燃油時，燃油需要一定的溫度。傳統的沉淀艙和日用艙都有蒸汽加熱盤管，當兩個艙的溫度達到要求的溫度時，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置加熱盤管，始終保持分油機所需要的溫度。分油機持續工作，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，達到減少蒸汽消耗的作用，最終減少鍋爐燃油的使用，相當于余熱回收利用。

2.4 電動甲板機械的節能措施

2.4.1電動吊機

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。本船配置了4臺麥基嘉的最新型純電動吊機，特點如下：

(1)該吊機的起升、回轉、變幅均為變頻電機驅動，無極變速，所以更加平穩。

(2)該吊機與主發電機之間有相互聯動功能。當發電機的負荷發生變化時，吊機能根據發電機的負載變化自動調節本身的工作狀態，自動增壓或減緩裝卸貨速度，以保證當發電機負載出現問題時，吊機是安全的。

(3)該吊機有逆功轉換功能。當一部吊機在裝卸貨的狀態時下放貨物，那么產生的逆功可以轉換為電能重新進入主配電板，供其他吊機使用；或者兩部吊機相互工作時，一部吊機的逆功可以轉換進入另一部吊車做正功，這樣就可減小發電機的負荷。在發電機組的選型上可以適當選小一點，從而減少燃料的消耗，這樣對EEDI指數非常有利，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

本船錨絞機均為帶變頻器的純電機驅動的設備，無液壓油，無液壓管路，綠色環保，并且錨絞機的驅動電機的型號一樣，相互可以使用，維修簡單，備件少，操作平穩、簡單，更適合遠程遙控操作。

2.5 螺旋槳消渦鰭和前置導管的節能措施

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

螺旋槳消渦鰭外形圖如圖2所示。

3 67 000載重噸散貨船節能效果

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

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

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

圖2 螺旋槳消渦鰭外形圖

(4)螺旋槳消渦鰭和前置導管使用后可節約4%主機功率。

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

4 結語

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