降速節(jié)能技術(shù)在92 500DWT散貨船的運(yùn)用

呂紹輝 譚名芝

（1.中船產(chǎn)業(yè)投資基金管理企業(yè)，天津 300050；2.國(guó)家開(kāi)發(fā)銀行天津市分行，天津 300050）

0 前言

在全球航運(yùn)市場(chǎng)持續(xù)低迷，油價(jià)持續(xù)高漲的今天，節(jié)能減排成了航運(yùn)業(yè)新的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)，降低航速是降低船舶航行油耗最有效的手段。該理論在集裝箱船已得到廣泛運(yùn)用，國(guó)外的調(diào)查報(bào)告顯示，對(duì)于集裝箱船航速降低10%，可以減少主機(jī)油耗量至少25%；航速降低24%，可以減少主機(jī)油耗量大約50%。船舶設(shè)計(jì)部門、船級(jí)社和船東都把降低新造大型集裝箱船設(shè)計(jì)航速作為節(jié)能的首選手段。散貨船由于設(shè)計(jì)航速較低，對(duì)營(yíng)運(yùn)船的降速節(jié)能，長(zhǎng)期以來(lái)船東存在很多的顧慮。本文以近年來(lái)新開(kāi)發(fā)的92 500DWT散貨船為例，結(jié)合近階段跟蹤8條該類型船降速節(jié)能取得的實(shí)際數(shù)據(jù)，尋找出該系列船在市場(chǎng)低谷時(shí)期的最佳經(jīng)濟(jì)航速，用以論證大型散貨船的可降速性，也提醒造船人在船舶設(shè)計(jì)階段能夠考慮預(yù)留更寬的可調(diào)速范圍，以應(yīng)對(duì)未來(lái)航運(yùn)市場(chǎng)變化時(shí)船東的不同需要。同時(shí)也說(shuō)明采取合理的操控手段對(duì)營(yíng)運(yùn)船節(jié)油至關(guān)重要。

1 航速、耗油率和租金水平間的關(guān)系

對(duì)于一定航次運(yùn)費(fèi)和租金水平的船舶來(lái)說(shuō)，唯一的變量是航速。船舶采用不同的航速，經(jīng)濟(jì)效益是不同的。航速過(guò)慢，航次時(shí)間延長(zhǎng)，船期會(huì)增加租金成本的支出而影響效益；航速過(guò)快，會(huì)使燃油成本急劇上升而造成虧損。船舶設(shè)計(jì)航速通常只參考正常市場(chǎng)環(huán)境及經(jīng)濟(jì)條件來(lái)確定。由于航運(yùn)市場(chǎng)的周期性強(qiáng)，所以船舶在實(shí)際使用過(guò)程中，需要綜合考慮市場(chǎng)租金水平變化、貨源充足程度的變化、燃油價(jià)格的變化，以及折舊、船員、保險(xiǎn)、修理、物料、備件、潤(rùn)滑油、港口使費(fèi)等必要費(fèi)用支出，才能正確選擇一段時(shí)期的合適經(jīng)濟(jì)航速，提高運(yùn)輸企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

燃油成本占運(yùn)輸成本的比例由20世紀(jì)六七十年代的13%增長(zhǎng)到45%，個(gè)別船型甚至超過(guò)60%。當(dāng)航運(yùn)市場(chǎng)形勢(shì)良好，運(yùn)費(fèi)和租金水平可較好的覆蓋航運(yùn)企業(yè)營(yíng)運(yùn)成本時(shí)，船東和租船人較少關(guān)注油耗，多拉快跑、減少等泊和停航是創(chuàng)造效益的法寶。

2008年世界金融危機(jī)后的航運(yùn)市場(chǎng)歷經(jīng)3年多仍未能走出低谷。2012年初BDI指數(shù)的再次連續(xù)數(shù)月在1 000點(diǎn)以下低位運(yùn)行和燃油價(jià)格的連續(xù)攀升，使全球航運(yùn)業(yè)再遭重創(chuàng)，船型越大租金越低，跑得越多、越快損失越大，控制船舶航速、降低燃油消耗率成了降低船舶成本的唯一可行辦法。降速省下來(lái)的最后幾噸油錢也成了船東和租船人在這一時(shí)期的活命錢。

92 500 DWT散貨船一年期租金水平，2010年BDI指數(shù)接近4 000點(diǎn)時(shí)達(dá)到3萬(wàn)美元/d，2012年2月4日BDI指數(shù)降低到了26年來(lái)的歷史最低點(diǎn)647點(diǎn)時(shí)日租金僅剩下不到5 000美元，“油耗高”也在這一時(shí)期尤顯突出，成了大家對(duì)該類船型關(guān)注的焦點(diǎn)，也是導(dǎo)致該船型租金水平低于巴拿馬型船的原因之一。

2 船舶降速航行的節(jié)能原理

船舶在航行時(shí)，受到空氣和水2種介質(zhì)的阻力。對(duì)民用船舶來(lái)講，船體阻力約與航速二次方成正比；其功率約與航速的三次方成正比。由于主機(jī)燃油耗量是主機(jī)功率與其耗油率二者的乘積，當(dāng)船速降低時(shí)，主機(jī)功率會(huì)大幅度降低，即主機(jī)每循環(huán)的噴油量減少，使其有效功減少。當(dāng)主機(jī)減功運(yùn)行時(shí)，其功率大致與槳速（航速）成三次方比例降低。對(duì)于定距槳船，減功的同時(shí)也帶來(lái)槳速降低，螺旋槳效率會(huì)有一定的提高。減速節(jié)能措施，就是利用這種特性，用航速稍微降低來(lái)?yè)Q取大幅度的節(jié)省推進(jìn)功率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約燃油目的。

對(duì)于92 500DWT散貨船，理論計(jì)算得出，若航速降低5%，則主機(jī)功率下降11.6%，燃油消耗量減少14%；若航速降低10%，則主機(jī)功率下降22.1%，燃油消耗量減少26.1%。

3 合理船舶航速的確定原則

3.1 最低耗油率航速（Vh）

柴油機(jī)在推進(jìn)特性線工作，當(dāng)功率與轉(zhuǎn)速變化時(shí)，其耗油率由于受到噴油量、換氣質(zhì)量、轉(zhuǎn)速等影響，不是一個(gè)定值，一般在70%～75%負(fù)荷時(shí)耗油率值最小。柴油機(jī)在耗油率最小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，其經(jīng)濟(jì)性最好，對(duì)應(yīng)的負(fù)荷值可以通過(guò)查閱船舶主機(jī)“Ge-Ne”曲線得到。若高負(fù)荷高航速下工作，就應(yīng)盡量使用最低耗油率航速。

3.2 最低營(yíng)運(yùn)費(fèi)用航速（Ve）

由最低營(yíng)運(yùn)成本決定的航速，即某航次內(nèi)使燃油費(fèi)用和其他費(fèi)用之和為最小值的航速，也就是單位運(yùn)輸成本最低時(shí)的航速。應(yīng)該說(shuō)，船舶設(shè)計(jì)時(shí)選定的速度也是充分考慮了船舶營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性，但在實(shí)際營(yíng)運(yùn)過(guò)程中會(huì)碰到燃油價(jià)格上漲等因素影響，始終按設(shè)計(jì)速度運(yùn)行往往是不經(jīng)濟(jì)的。同時(shí)還應(yīng)該考慮主機(jī)性能以及維持船舶航行的其他費(fèi)用支出變化，而不斷改變?cè)泻剿?，才能保證營(yíng)運(yùn)的最佳經(jīng)濟(jì)性。這就是經(jīng)濟(jì)航速。

經(jīng)濟(jì)航速只考慮了最低航行成本，但航運(yùn)公司利潤(rùn)不一定最高，在市場(chǎng)環(huán)境好、租金水平高、盈利空間大的形勢(shì)下，選擇采用經(jīng)濟(jì)航速反倒“不經(jīng)濟(jì)”。因此，經(jīng)濟(jì)航速通常在市場(chǎng)處于低位時(shí)被選用。

3.3 最大盈利航速（Vr）

船舶盈利效果為運(yùn)費(fèi)收入減去經(jīng)營(yíng)成本。船舶最大盈利航速，即在某一階段營(yíng)運(yùn)期內(nèi)盈利最大的航速。它不僅考慮了支出，而且考慮了收入。它不是一個(gè)固定值，而是隨貨物運(yùn)價(jià)、船舶租金水平、燃油價(jià)格和船舶管理成本等收入和成本變化而變動(dòng)的。由于降低航速將延長(zhǎng)每個(gè)航次的周期，降低船舶周轉(zhuǎn)量和運(yùn)輸能力，因此，在節(jié)約油耗降低成本的同時(shí)，也減少了運(yùn)費(fèi)的收入，綜合反映在盈利上。在最大盈利航速下，成本雖不是最低，但盈利最大。

對(duì)于船舶經(jīng)營(yíng)者來(lái)說(shuō)，船舶在按設(shè)計(jì)航速或經(jīng)濟(jì)航速航行時(shí)，都不一定能達(dá)到最佳盈利效果。在運(yùn)價(jià)高時(shí)為抓住盈利機(jī)會(huì)盡量提高航速，在單位年度內(nèi)增加航次數(shù)量，可提高盈利效果；在航運(yùn)市場(chǎng)低迷時(shí)，通過(guò)減速節(jié)油來(lái)減少虧損，可緩解“跑得越快、虧得越多”的現(xiàn)象。所以如何確定最佳盈利航速需由船舶經(jīng)營(yíng)者統(tǒng)籌測(cè)算。

3.4 主機(jī)低限功率航速（Vm）

船舶減速航行時(shí)主機(jī)工況偏離設(shè)計(jì)工況，各種性能參數(shù)的匹配可能嚴(yán)重失調(diào)，導(dǎo)致出現(xiàn)換氣、燃油霧化、燃燒、增壓效能、汽缸潤(rùn)滑以及熱平衡狀態(tài)等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及主機(jī)正常工況。傳統(tǒng)柴油機(jī)如長(zhǎng)期處于這種惡劣條件下運(yùn)行，除耗油率會(huì)不斷加大外，還將使主機(jī)燃燒室、掃排氣系統(tǒng)迅速積炭和臟堵，氣缸、活塞過(guò)度磨損，缸套低溫腐蝕、廢氣鍋爐酸腐蝕等，從而增大維修保養(yǎng)成本，影響船舶安全性。船舶減速應(yīng)綜合考慮主機(jī)設(shè)計(jì)工況允許的減功極限，按柴油機(jī)廠家指導(dǎo)意見(jiàn)進(jìn)行。

3.5 合理航速的確定

選擇合理航速的原則應(yīng)是取經(jīng)濟(jì)航速Ve、最大盈利航速Vr和低限主機(jī)功率航速Vm三者中的最高者，一般應(yīng)取接近最大盈利航速為佳。在實(shí)際運(yùn)用中，船長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)具體情況靈活掌握，除按公司指令運(yùn)行外，還應(yīng)該充分考慮天氣、海況、洋流、班期、靠港計(jì)劃和節(jié)假日加班等因素隨時(shí)靈活調(diào)整。

4 船舶降速航行的應(yīng)用限制

在實(shí)踐中，主要影響航速的因素是自然條件，風(fēng)、浪和海流對(duì)航速影響非常明顯，在船舶順風(fēng)順浪狀態(tài)，較小的主機(jī)負(fù)荷就可以獲得較高的槳速和航速，此時(shí)適當(dāng)減小油門對(duì)船速影響并不明顯，可以節(jié)省燃油消耗；反之，頂風(fēng)頂浪狀態(tài)，要想獲得同樣的螺旋槳轉(zhuǎn)數(shù)就需要較大的主機(jī)負(fù)荷。淺水道和窄水道航行也會(huì)增大船體阻力。也就是說(shuō)，單純減速并不是目的，通過(guò)控制航速達(dá)到降低主機(jī)負(fù)荷才是節(jié)油的根本。主機(jī)遙控都是對(duì)調(diào)速器進(jìn)行控制，同樣的轉(zhuǎn)速設(shè)定對(duì)應(yīng)不同自然條件下的油門開(kāi)度是不同的，駕駛?cè)藛T應(yīng)根據(jù)自然條件的變化不斷調(diào)整轉(zhuǎn)速設(shè)定才能實(shí)現(xiàn)負(fù)荷控制。

從船舶的操縱性能看，所采取的航速不能使船舶操縱性能明顯惡化，過(guò)低的航速將使舵效下降，大舵角航行同樣會(huì)增大航行阻力。長(zhǎng)時(shí)間減速不應(yīng)導(dǎo)致主機(jī)工作可靠性明顯下降，應(yīng)注意排煙溫度的下降會(huì)增加廢氣鍋爐酸腐蝕的危險(xiǎn)，應(yīng)滿足輪機(jī)設(shè)備基本熱力平衡要求。減速航行不應(yīng)明顯增加機(jī)器的維修工作量，使輪機(jī)人員難以接受。當(dāng)航次需要時(shí)，簡(jiǎn)單的技術(shù)調(diào)整就應(yīng)能迅速恢復(fù)并容易恢復(fù)到原來(lái)的正常功率。

5 主機(jī)長(zhǎng)期降速運(yùn)行存在的顧慮與技術(shù)對(duì)策

傳統(tǒng)柴油機(jī)理論認(rèn)為：主機(jī)長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，偏離設(shè)計(jì)工況太多，會(huì)使增壓壓力不足、燃油霧化不良、燃燒惡化、汽缸積炭過(guò)多和活塞環(huán)黏著導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)部件磨損加劇。排氣道和廢氣鍋爐的臟堵會(huì)加劇工況的惡化。過(guò)低的排煙溫度會(huì)使廢氣鍋爐末端加熱管表面溫度低于露點(diǎn)，產(chǎn)生酸腐蝕危險(xiǎn)。廢氣能量的降低影響鍋爐的蒸發(fā)量。

為解決以上顧慮和確定92 500DWT散貨船主機(jī)最佳的可減速范圍，我們咨詢了MAN技術(shù)部和船舶設(shè)計(jì)部門，對(duì)于MAN B&W MC/MC-C主機(jī)，長(zhǎng)時(shí)間在40%負(fù)荷工作是可行的并無(wú)需對(duì)主機(jī)進(jìn)行任何改造。對(duì)于新型柴油機(jī)使用的滑閥式噴油器可在部分負(fù)荷時(shí)提供較好的燃油霧化效果，防止滴漏改善燃燒。我們跟蹤的這8條船，全部安裝ALPHA電子氣缸油注油器，與傳統(tǒng)的機(jī)械式氣缸油注油器不同，不是采用“轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式”，而是采用更合理的“平均有效壓力調(diào)節(jié)模式”。該模式根據(jù)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷大小調(diào)節(jié)注油量，不僅具有準(zhǔn)確的供油定時(shí)，提高了注油壓力，大大降低氣缸油消耗量，更可有效防止部分負(fù)荷時(shí)機(jī)械式注油器汽缸油量過(guò)大的弊端，大大的降低了汽缸污染和活塞環(huán)黏著的危險(xiǎn)。

長(zhǎng)期部分負(fù)荷工作的另一潛在危險(xiǎn)是排氣系統(tǒng)臟堵，主要是擔(dān)心對(duì)增壓器和鍋爐的影響。對(duì)于92 500DWT散貨船配備了新型ABB-TPL超高增壓增壓器，采用強(qiáng)力潤(rùn)滑，部分負(fù)荷工作受到的影響較小。選用的火管鍋爐通流面積較大，煙灰的污染不太明顯，一般來(lái)說(shuō)，鍋爐排氣出口處的煙氣溫度控制在190°以上對(duì)鋼板腐蝕的影響是可以接受的。在熱帶氣候條件下，各工況下的排氣溫度會(huì)升高約30°，對(duì)防止腐蝕是有利的。另一問(wèn)題是掃氣壓力的下降會(huì)增大掃氣室的污染程度，但這不會(huì)對(duì)機(jī)器造成傷害。

主機(jī)輔助鼓風(fēng)機(jī)的ON/OFF設(shè)定值通常在40%～42%負(fù)荷，因此可以斷定該船型主機(jī)在40%～85%負(fù)荷范圍內(nèi)長(zhǎng)期工作都是安全的。最經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)速/油耗取決于該船型輔助設(shè)備的配置。

6 最佳主機(jī)減速方案的確定和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

92 500 DWT散貨船技術(shù)指標(biāo)，總長(zhǎng)230m，型寬38m，型深20.7m，結(jié)構(gòu)吃水14.9m，滿載吃水載重量92 500 DWT，設(shè)計(jì)航速14.1 kn，主機(jī)型號(hào)：MAN/B&W 6S60MC-C Mark7，MCR：12 240 kW ×105 RPM，CSR：10 404 kW×99.5 RPM， 油 耗率 ：168.5 g/（kW·h）（+5%）。

通過(guò)對(duì)船舶設(shè)計(jì)、燃油價(jià)格和市場(chǎng)租金水平的綜合分析，我們認(rèn)為平均12～12.5 kn航速可作為市場(chǎng)低谷時(shí)期的參考經(jīng)濟(jì)航速。

圍繞12～13 kn航速范圍進(jìn)行的理論計(jì)算圖如圖1所示。

通過(guò)2個(gè)月跟蹤8條92 500 DWT散貨船定速航行，取得如表1、圖2所示實(shí)際數(shù)據(jù)。

2-4月份中國(guó)沿海至澳大利亞和太平洋遠(yuǎn)東地區(qū)，氣象條件逐步轉(zhuǎn)好，多數(shù)時(shí)間風(fēng)力3～4級(jí)，個(gè)別天風(fēng)力7～8級(jí)也被統(tǒng)計(jì)在內(nèi)，具有較好的年度氣候代表性。12.65 kn船隊(duì)統(tǒng)計(jì)平均航速比設(shè)計(jì)航速降低10.3%，平均燃油消耗量減少23.7%，比理論計(jì)算節(jié)油量少2.4%，考慮滑失率、燃油熱值和ISO條件偏差等因素對(duì)主機(jī)實(shí)際油耗增加的影響，實(shí)測(cè)與理論值吻合較好。12.65 kn的日燃油消耗量34.31 t正好與75 000噸級(jí)巴拿馬型散貨船設(shè)計(jì)航速14 kn下的燃油消耗量相當(dāng)。

表1 8條92 500 DWT散貨船定速航行實(shí)際數(shù)據(jù)

圖1 航速理論計(jì)算圖

圖2 理論計(jì)算油耗率與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

7 結(jié)語(yǔ)

以上論述和實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論，在現(xiàn)階段航運(yùn)市場(chǎng)低谷時(shí)期，如果將92 500DWT散貨船降低1.5 kn航速使用，基本上與75 000噸級(jí)巴拿馬型散貨船設(shè)計(jì)航速下的油耗相同，而與之相比可以多載17 500 t貨物。假如從澳洲西部主要礦區(qū)到中國(guó)長(zhǎng)江口，航行距離大約3 300 n，采用平均12.5 kn和14 kn航速航行相差1.18天，也就是說(shuō)使用該船型往返航次用多航行2.3天的燃油消耗量加上租金成本可以多完成17 500 t的載貨量。

2011年底的統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，全球巴拿馬型散貨船（指60 000～84 999 DWT）營(yíng)運(yùn)船有大約1 656艘（新造訂單存量596艘），后巴拿馬型散貨船（85 000～119 999 DWT）營(yíng)運(yùn)船有大約362艘（新造訂單存量183艘）。在不受吃水、港口條件限制，可以裝滿載的航次，92 500 DWT散貨船使用經(jīng)濟(jì)航速運(yùn)營(yíng)可以發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)船舶航速進(jìn)行有效管理是經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的綜合反映，針對(duì)不同市場(chǎng)條件選擇合適的經(jīng)濟(jì)航速加上對(duì)船員的正確指導(dǎo)，對(duì)提高運(yùn)輸企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益非常有益。