新型環(huán)保火車滾裝船若干關(guān)鍵技術(shù)

楊澤濱， 郭晟江， 蔣勇剛， 左小明， 陳婷婷

(1.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州510715；2.上海船舶設(shè)計(jì)研究院，上海 201203)

0 引 言

新型環(huán)保火車滾裝船主要用于美國至墨西哥的港口之間特定航線的火車運(yùn)輸，以滾裝方式實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)火車裝卸，可裝載危險(xiǎn)品，無乘客。該型船與僅主甲板裝載火車的我國常規(guī)船型具有較大區(qū)別，其雙層甲板位置較高，且實(shí)現(xiàn)船內(nèi)變軌裝卸功能，可采用火車全下再全上的裝卸方式，在12 h內(nèi)完成135節(jié)車廂的高速裝卸。

1 船型設(shè)計(jì)

該型船為全焊接式鋼質(zhì)船體，火車甲板分2層布置在船舶主甲板及上甲板的中后部，火車軌道長2 540 m，配置火車系固綁扎設(shè)備；住艙布置在艏部；主推進(jìn)系統(tǒng)采用雙機(jī)雙槳(低速柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)可調(diào)螺距槳)，尾軸管軸承采用強(qiáng)制潤滑系統(tǒng)，使用環(huán)保潤滑油以滿足美國環(huán)保署(EPA)船舶通用許可[1]的最新要求；經(jīng)廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation，EGR)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)型廢氣再循環(huán)(Economical Exhaust Gas Recirculation，EcoEGR)技術(shù)的對比，主機(jī)排氣配置EcoEGR系統(tǒng)，滿足IMO Tier Ⅲ排放要求，屬于環(huán)保船型。該型船主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 主推進(jìn)系統(tǒng)配置

該型船左右舷各配置1套主推進(jìn)系統(tǒng)，每套主推進(jìn)系統(tǒng)由1臺(tái)不可逆低速柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)可調(diào)螺距槳。這種主推進(jìn)型式屬于非常規(guī)配置，船舶所有人主要基于為今后可加裝抱軸式軸帶發(fā)電機(jī)以降低全船油耗而特殊考慮。

為滿足EPA船舶通用許可規(guī)定，所有進(jìn)入美國水域的商船在其油水界面必須使用環(huán)保潤滑油，“在技術(shù)上不可行”的規(guī)定除外。該型船尾軸管充注具有可生物降解、最低限度毒性和非生物積聚等3類特性的潤滑油[1]。由于在裝卸作業(yè)時(shí)吃水變化大，并且為避免出現(xiàn)在使用環(huán)保潤滑油后在低工況和海況惡劣環(huán)境下可能發(fā)生尾軸管軸承潤滑不良的后果，因此該型船尾軸管采用強(qiáng)制潤滑系統(tǒng)。

3 EGR技術(shù)、EcoEGR技術(shù)與主機(jī)EcoEGR系統(tǒng)選型

3.1 EcoEGR技術(shù)與EGR技術(shù)的差別

EGR技術(shù)將柴油機(jī)35%～40%排氣經(jīng)處理后由EGR回路重新進(jìn)入柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)而引入氣缸，降低缸內(nèi)壓縮終點(diǎn)溫度和最高燃燒溫度，從而達(dá)到抑制和減少氮氧化物(NOx)生成的目的[2]。船用EGR系統(tǒng)流程[2]如圖1所示。EGR系統(tǒng)主要包括預(yù)噴淋器、冷卻器、除霧器、鼓風(fēng)機(jī)及相關(guān)管路、閥門、控制系統(tǒng)等。

EcoEGR系統(tǒng)與EGR系統(tǒng)在硬件方面基本相同，但控制策略不同。若采用EcoEGR技術(shù)，雖可降低油耗，但在IMO Tier Ⅱ模式下則需要開啟EGR系統(tǒng)運(yùn)行，消耗壓縮空氣、水、氫氧化鈉，且EcoEGR的輔助系統(tǒng)如風(fēng)機(jī)軸承，在長時(shí)間運(yùn)行后會(huì)加快其更換頻率，最終增加維護(hù)保養(yǎng)成本。

圖1 船用EGR系統(tǒng)處理流程

對于主機(jī)排氣閥正時(shí)關(guān)閉時(shí)間的偏差問題而言，EGR系統(tǒng)與EcoEGR系統(tǒng)的主要區(qū)別在于為滿足排放要求各自所具備的靈活度不同：EGR系統(tǒng)首先是直接燃燒滿足IMO Tier Ⅱ要求，然后經(jīng)過廢氣處理單元滿足IMO Tier Ⅲ要求；EcoEGR系統(tǒng)是直接燃燒不滿足IMO Tier Ⅱ要求，需要通過廢氣處理單元滿足IMO Tier Ⅱ和IMO Tier Ⅲ的要求，這樣就給予系統(tǒng)更多的調(diào)整空間，若廢氣處理單元出現(xiàn)故障失效，則通過“回退”(Fall-back)工作模式使柴油機(jī)回歸至IMO Tier Ⅱ模式工作。

3.2 主機(jī)EcoEGR系統(tǒng)選型

EcoEGR系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于：(1)燃燒室溫度降低，改善機(jī)器部件熱負(fù)荷；(2)改善IMO Tier Ⅲ模式下的煙灰排放指標(biāo)；(3)降低IMO Tier Ⅱ和IMO Tier Ⅲ模式下的單位油耗率，可節(jié)約0～6 g/(kW·h)。EcoEGR系統(tǒng)缺點(diǎn)在于：(1)需要持續(xù)運(yùn)行，包括IMO Tier Ⅱ模式；(2)再循環(huán)廢氣需要洗滌處理，增加消耗氫氧化鈉及處理廢渣等方面的額外成本；(3)增加機(jī)器上的機(jī)械載荷；(4)電力負(fù)荷有所增加。

在正常航行時(shí)，該型船主機(jī)負(fù)荷率為85%；在IMO Tier Ⅱ模式下運(yùn)行時(shí)，EcoEGR系統(tǒng)較EGR系統(tǒng)可獲得2 g/(kW·h)的單位油耗率收益；在IMO Tier Ⅲ模式下運(yùn)行時(shí)，EcoEGR系統(tǒng)較EGR系統(tǒng)無單位油耗率收益優(yōu)勢。該型船所在航區(qū)需要IMO Tier Ⅱ模式和IMO Tier Ⅲ模式的運(yùn)行時(shí)間各占一半。船舶所有人綜合考慮各種因素，認(rèn)為配置EcoEGR系統(tǒng)可獲得長遠(yuǎn)收益、有效降低運(yùn)營成本、提高經(jīng)濟(jì)性，因此最終確定配置EcoEGR系統(tǒng)。

4 壓載水處理技術(shù)與壓載水處理裝置選型

4.1 壓載水處理技術(shù)

目前，在國際上技術(shù)比較成熟的壓載水處理方法包括過濾、旋分、紫外線、脫氧、超聲波、生物滅殺、電解氯化等。為保證處理后的壓載水符合《壓載水公約》D-2的標(biāo)準(zhǔn)[3]，壓載水管路處理系統(tǒng)常采用組合處理技術(shù)，即機(jī)械處理+物理處理：過濾/旋分+紫外線/脫氧；機(jī)械處理+化學(xué)處理：過濾/旋分+電解/臭氧/氯離子。

4.2 壓載水處理裝置選型

該型船的壓載和軌道對中系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件如下：(1)海水溫度為-2～32 ℃；(2)靠港港口海水實(shí)際鹽度單位(Practical Salinity Units，PSU)接近0 PSU，主要是由于港口附近為河流入海口，大量淡水稀釋鹽度；(3)火車裝卸時(shí)間約12 h；(4)壓載水通過一定的化學(xué)或/和物理方法處理，使其達(dá)到或優(yōu)于《壓載水公約》D-2的標(biāo)準(zhǔn)；(5)壓載水處理裝置滿足美國海岸警衛(wèi)隊(duì)(USCG)要求并獲得USCG認(rèn)證；(6)系統(tǒng)功能要求除起到正常壓載功能外，應(yīng)具有軌道縱傾調(diào)整功能(即在火車裝卸時(shí)可調(diào)整船舶狀態(tài))。

經(jīng)向壓載水處理裝置廠家確認(rèn)壓載水經(jīng)處理后無須留存，并進(jìn)一步核算該型船電力負(fù)荷滿足電解法壓載水處理裝置需求，結(jié)合其特定航線、作業(yè)需求及港口水質(zhì)具體實(shí)情，確定該型船的壓載和軌道對中系統(tǒng)主要設(shè)備配置如下：2臺(tái)壓載水泵(每臺(tái)排量為1 000 m3/h)、1臺(tái)壓載水掃艙泵(排量為100 m3/h)和1套壓載水處理裝置(過濾+電解式，處理量為2 000 m3/h)，管路材質(zhì)選用玻璃鋼管以提高系統(tǒng)的耐腐蝕能力，前泵艙的玻璃鋼管需要獲得3級防火認(rèn)證；為解決港口水域鹽度水不足0.85 PSU、影響壓載水處理裝置正常運(yùn)行和處理效果的問題，該型船特別設(shè)計(jì)容量約600 m3的中和壓載艙，為其在港口裝卸作業(yè)縱傾調(diào)整和船舶姿態(tài)調(diào)整做好準(zhǔn)備，并要求中和壓載艙應(yīng)在距岸30 n mile外取水。

5 其他關(guān)鍵技術(shù)

5.1 主機(jī)維修空間保障和機(jī)艙行車布置

該型船火車軌道長2 540 m，分布在主甲板和上甲板上。為保證主甲板平整性和不破壞主甲板完整性，提高火車裝載率，主甲板完全覆蓋于機(jī)艙正上方，且煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在左舷后側(cè)，而不是按常規(guī)設(shè)計(jì)在主機(jī)上方。該設(shè)計(jì)使主機(jī)上方空間受到較大限制，為機(jī)艙電動(dòng)行車布置安裝帶來挑戰(zhàn)，因此對機(jī)艙行車外形尺寸和吊鉤高度均具有嚴(yán)格限制。這種結(jié)構(gòu)受限為火車滾裝船特有，在設(shè)計(jì)初期應(yīng)給予高度重視和精確計(jì)算，在機(jī)艙行車選型方面推薦選用機(jī)艙雙鉤吊行車，可在一定程度上緩沖機(jī)艙高度受限產(chǎn)生的吊缸困難局面。另外，該型船專門編制主機(jī)吊裝典型程序，細(xì)化吊裝步驟、拉伸高度、吊裝角度等，可指導(dǎo)船員操作。

5.2 火車軌道布置安裝

為保證船上火車軌道型號(hào)、規(guī)格與碼頭岸基火車軌道的一致性，該型船的火車軌道由船舶所有人負(fù)責(zé)供貨，船廠負(fù)責(zé)安裝。火車軌道布置安裝由船舶所有人提供需求，確定軌道間距、彎曲半徑、安裝精度等技術(shù)要求。在設(shè)計(jì)與建造時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注碼頭對接：一是船體艉部形狀與碼頭契合；二是船上火車軌道與碼頭岸基火車軌道的對接方式和對中要求。在施工時(shí)，需要嚴(yán)格按照圖紙要求，如甲板平面度、火車軌道對應(yīng)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)錯(cuò)位、火車軌道劃線定位、火車軌道道岔在船上安裝的精確定位(火車軌道沿艏部定位、左右舷定位和高度變化定位)等，將安裝誤差控制在圖紙要求范圍內(nèi)。

6 結(jié) 語

新型環(huán)保火車滾裝船滿足USCG要求，主機(jī)排氣滿足IMO Tier Ⅲ要求。通過對該型船的壓載和軌道對中系統(tǒng)的巧妙設(shè)計(jì)，利用中和壓載艙存量壓載海水解決電解法壓載水處理裝置難以處理低鹽度水質(zhì)的技術(shù)難題，并做到實(shí)時(shí)排壓載，以滿足高效的火車裝卸作業(yè)需求。需要注意的是，對于雙低速柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)而言，盡管兩舷軸系轉(zhuǎn)向相反，但受外部環(huán)境如風(fēng)、浪、流的干擾引起兩舷推力和軸系轉(zhuǎn)速略有差異，調(diào)距槳的相位不同步，無法相互抵消激振力，可能引起雙推進(jìn)主機(jī)振動(dòng)調(diào)諧問題。雖然出現(xiàn)該情況的概率較低，但不能完全排除。