船舶主機降低油耗方案淺析

第4/6頁船舶主機降低油耗方案淺析陳怡然摘要：船舶主機油耗的降低意義重大；提高Pmax/Pe比值可提高柴油機熱工效率，降低油耗；主機選型中優(yōu)先選擇爆壓較高的機型，選擇合適的SMCR點可有效降低油耗；螺旋槳大盤面化低速化會明顯減少功率需求，同時提高螺旋槳效率，降低油耗。關(guān)鍵詞：船舶主機，降低油耗前言船舶主機的油耗一直是船舶行業(yè)經(jīng)常探討的話題，受世界經(jīng)濟(jì)形勢的影響，國際航運市場持續(xù)低迷，航運業(yè)運價下跌，波羅的海干散貨指數(shù)（BDI）不斷創(chuàng)下新低。燃油消耗已成為航運成本的主要構(gòu)成，低迷的運價讓航運公司只能盡可能降低船舶主機的運營成本，所以如何降低船舶主機的油耗在當(dāng)前成為一個行業(yè)性關(guān)注度很高的問題。同時，隨著TierIII排放標(biāo)準(zhǔn)的逐漸執(zhí)行，主機的綠色性能指標(biāo)也受到更多人的關(guān)注，油耗的降低使得船舶的排放以及EEDI指數(shù)將得到提高。降低船舶主機的油耗，方法有很多，比如船體線形優(yōu)化、采用高效球鼻艏、螺旋槳選型優(yōu)化、采用高效發(fā)動機、PTO裝置、廢熱回收裝置等等。本文從船舶主機本身降低油耗的方案以及船舶推進(jìn)系統(tǒng)提高螺旋槳效率等角度，對降油耗的方案進(jìn)行了簡單探討。降低油耗方案提高主機Pmax/Pe比值據(jù)柴油機工作原理，爆發(fā)壓力Pmax是影響內(nèi)燃機熱效率的重要因素。在噴油量一定的情況下，Pmax越高，指示效率ηi也越高，燃油消耗率就越低。一般Pmax/Pe比值越大，ηi就越高，提高Pmax/Pe比值有兩個辦法，一個是提高Pmax值另一個是降低Pe值。但是Pmax不能無限提高，對于一款確定的機型，其零部件熱負(fù)荷限制和機械強度限制決定了該機型的最大爆發(fā)壓力Pmax值，主機在運行期間不能超過該值。所以為了達(dá)到降低燃油消耗率的目的，可以在保持最大爆發(fā)壓力的情況下讓主機降功率使用，以此降低Pe值，隨之增大Pmax/Pee值，或者根據(jù)MAN機型的設(shè)計，選擇新型的綠色節(jié)能機型MK9，以提高Pmax。1）提高PmaxPmax越高，柴油機的熱工效率越高，燃油消耗率越低。以MAN6S50幾種機型為例，缸徑為500mm，功率覆蓋范圍相差不大，最大爆發(fā)壓力Pmax如表1.1所示。機型最大爆發(fā)壓力（Pmax）功率范圍（kw）轉(zhuǎn)速范圍（rpm）6S50ME-CMK8.11606420~9960102~1276S50ME-CMK8.21706420~9960102~1276S50ME-CMK9.51856480~1068089~117表1.1：6S50ME-C柴油機爆壓及功率范圍以某47000噸散貨船主機推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計為例，選用主機SMCR點為7800kw，108rpm，選用主機CSR點為7020kw，104.3rpm。以上三種機型功率和轉(zhuǎn)速范圍都可以覆蓋該船需求，分別對不同機型機型的油耗進(jìn)行計算結(jié)果如下表1.2所示。機型SMCRSFOC（g/kwh）NCRSFOC（g/kwh）6S50ME-CMK8.1169.6167.46S50ME-CMK8.2167.6165.56S50ME-CMK9.5163.0160.8ISOTierII條件下表1.2：6S50ME-C柴油機在選定SMCR及NCR點下的油耗由上述油耗計算結(jié)果可以看到，在NCR點（主機常用的運行功率）處采用6S50ME-CMK9.5機型，油耗比6S50ME-CMK8.1機型降低了6.6g/kwh，降幅達(dá)到3.9%，十分可觀。因此在同樣的功率和轉(zhuǎn)速范圍下，要降低船舶主機的油耗，可優(yōu)先選擇Pmax高的MK9主機。隨著Pmax增加，柴油機受力部件（缸蓋螺栓、活塞桿、連桿、十字頭、軸瓦、曲軸等）承受的應(yīng)力和載荷也相應(yīng)增加，軸瓦及油膜工作狀態(tài)也發(fā)生了改變；燃燒室部件（缸蓋、缸套、活塞）熱負(fù)荷提高。振動和噪音將會有所增加。為應(yīng)對這些變化，柴油機需做較大修改。要降低已營運的船舶主機油耗，直接將將MK8.1結(jié)構(gòu)的柴油機改用MK8.2或MK9.5的爆壓是不可行的。如果在原MK8.1柴油機的基礎(chǔ)上更改相應(yīng)結(jié)構(gòu)部件，將會有很多柴油機的主機運動部件以及燃燒系統(tǒng)都需要隨之更改，代價相應(yīng)較高，這是并不合算的。但是在新造船舶和主機時，主機的選型可以考慮選擇爆壓更高的MK9機型，以降低主機油耗。2）降低Pe負(fù)荷或中負(fù)荷區(qū)域，進(jìn)行燃油優(yōu)化，對較少運行的高負(fù)荷區(qū)域配置廢氣旁通，從而進(jìn)一步降低油耗。提高槳效率船舶主機油耗的降低不僅跟主機本身有關(guān)，跟推進(jìn)系統(tǒng)的效率尤其是螺旋槳的效率也是息息相關(guān)。螺旋槳轉(zhuǎn)速降低、直徑增大，可以提高推進(jìn)效率，為了獲得更高的推進(jìn)效率，從而降低船舶主機油耗。船用主機采用大功率低速柴油機作為主推進(jìn)發(fā)動機，主機與推進(jìn)軸系是直接聯(lián)接的，沒有減速齒輪箱，故而螺旋槳的轉(zhuǎn)速與主機的轉(zhuǎn)速相等。當(dāng)前低速柴油機市場推出了更低轉(zhuǎn)速的超長沖程機型，可以用于螺旋槳直徑(d)更大、轉(zhuǎn)速(r/min)更低的船舶。以下是某型油輪采用不同螺旋槳直徑、轉(zhuǎn)速和螺距對SMCR點的影響。如圖所示，直線所示為優(yōu)化螺距比(p/d)后的不同直徑(d)螺旋槳對SMCR點的需求功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系；拋物線所示為給定直徑d=6.8m的情況下，螺旋槳在不同螺距比(p/d)時對SMCR點的需求功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系。圖2.1：某型油輪15.0kn時螺旋槳直徑和螺距對SMCR的影響由上圖可以看出，原螺旋槳直徑5.8m，螺距比0.72，需求的最低SMCR軸功率約為9900kw，轉(zhuǎn)速為131rpm；而選用低轉(zhuǎn)速的G50ME-B9.3后，螺旋槳可選大到6.8m，需求軸功率為9050kw，轉(zhuǎn)速為95rpm。軸功率的下降，主機的油耗也隨之有效降低。螺旋槳效率的提高需要對船的整體推進(jìn)性能、航速以及綜合運營需求進(jìn)行綜合考慮，它是一個復(fù)雜的計算過程，但是總的來講，大的槳徑，低的航速可以顯著的降低船舶主機油耗。結(jié)束語本文簡單介紹了船舶主機降低油耗的幾種典型方案，提高Pmax以及降低Pe都可以有效降低主機油耗。主機的選型中Pmax越高，油耗越低；SMCR點的選擇越靠近低負(fù)荷區(qū)域，油耗越低；同時論述了提高螺旋槳的效率，降低轉(zhuǎn)速增大直徑都可以使油耗降低，使船舶的運行更具有經(jīng)濟(jì)性。參考文獻(xiàn)：[1]S50ME-CProjectGuide.Germany.MANDieselSE.20