詹立魁

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4.5萬(wàn)噸級(jí)淺吃水散貨船主機(jī)選型比較研究

詹立魁

福建省輪船總公司

散裝貨輪，集裝箱船及油輪是三個(gè)最大的主流船型，因此，倍受船東和船廠青睞，這個(gè)巨大的市場(chǎng)值得高度重視。

近期，隨著原材料需求煤炭、鋼鐵、銅等的增長(zhǎng)對(duì)散裝貨輪的運(yùn)力要求大大增加了。尤其經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的中國(guó)，其工業(yè)發(fā)展對(duì)原材料需求激增，鋼鐵工業(yè)發(fā)展需要大量鐵礦石等大宗散貨物的運(yùn)力,相應(yīng)的對(duì)散裝貨運(yùn)輸?shù)囊蟾?，由于散裝貨物運(yùn)力不足巳導(dǎo)致散裝貨輪運(yùn)費(fèi)的急劇增加。因此，盡管世界海上運(yùn)輸尚未走出國(guó)際金融危機(jī)帶來(lái)的低谷，但是新增散貨船需求市場(chǎng)已是非?；钴S，從而帶動(dòng)新造散裝貨船定單量的提高。

世界船用低速柴油機(jī)市場(chǎng)一直為MAN B&W、Wartsila-New Sulzer和日本三菱重工三大公司壟斷，以生產(chǎn)總功率來(lái)說(shuō)，分別約占57％、33％和10％。幾年來(lái)它們的產(chǎn)量之和平均都在總功率的85％以上。MAN B&W 柴油機(jī)有限公司是世界領(lǐng)先的四沖程柴油機(jī)生產(chǎn)商和船用大型低速二沖程柴油機(jī)設(shè)計(jì)商。據(jù)統(tǒng)計(jì)世界范圍的造船高峰期，每 10 條新造的大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸貨輪中，就有 6 條以上的船舶配備了 MAN B&W 二沖程低速十字頭柴油機(jī)。在中國(guó)每 10 條由中國(guó)船廠建造的貨輪中，近 8 條船是由 MAN B&W 的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的。

1 4.5萬(wàn)噸級(jí)淺吃水散貨船設(shè)計(jì)任務(wù)來(lái)源

福建省輪船公司目前服務(wù)的各大電廠大多位于長(zhǎng)江、珠江和閩江流域，由于航道的特性，要求船舶的吃水最大不超過(guò)10.7米。從我司目前擁有的船型來(lái)看，2-3萬(wàn)噸船舶單位成本較4萬(wàn)噸要高，而4.3萬(wàn)噸船舶由于吃水較深，航行于以上流域航道須采取較大幅度減載，如船舶市場(chǎng)上一艘4.3萬(wàn)噸級(jí)二手船舶，滿(mǎn)載吃水11.22米，凈載貨量41500噸，每厘米吃水噸TPC51.60噸/CM，扣除油水常數(shù)，實(shí)際只能載貨38000噸左右，虧艙3715多噸，經(jīng)濟(jì)效益大打折扣，因此根據(jù)航道特點(diǎn)建造淺吃水散貨船是提高實(shí)載率和經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑。

為此，根據(jù)市場(chǎng)情況，經(jīng)研究我司決定于2010年擇機(jī)開(kāi)工建造6艘淺吃水4.5萬(wàn)噸級(jí)散貨船。

2 船舶設(shè)計(jì)的基本資料

該船舶類(lèi)型為45000噸級(jí)散貨運(yùn)輸船，要求設(shè)計(jì)為鋼質(zhì)、單甲板、尾機(jī)型、單機(jī)、單漿、單舵，可航行于國(guó)內(nèi)沿海、南京以下長(zhǎng)江各港口、東南亞為主的近洋航區(qū)。

2.1 船舶主要參數(shù)

總載重噸：45000T

總長(zhǎng)：189.9M

垂線間長(zhǎng)：180.9M

船寬：32.26M

型深：15.4M

設(shè)計(jì)吃水：10.5M

結(jié)構(gòu)吃水：10.9M

貨艙數(shù)：5個(gè)

設(shè)計(jì)航速：13.5~14.5節(jié)（Knots）

船級(jí)：CCS

船籍：中國(guó)

定員：24人

主機(jī)功率：8280KW

航海功率裕度：15%

主機(jī)功率裕度：10%

主發(fā)電機(jī)：CCFJ520-1000

主機(jī)油耗：173g/kw.h

公分浸噸（TPC）：55～59噸/厘米

2.2 實(shí)際載貨量的確定

該輪設(shè)計(jì)吃水（Designed Draft）為10.5米，總載重噸43007噸，根據(jù)該船型《45000DWT散貨船實(shí)際載貨量表》（見(jiàn)表1、表2），以及海水密度為1.025t/m3，考慮到新造船投入的是國(guó)內(nèi)沿海航線，航程較短，油水可相應(yīng)減少，因此取《短航線時(shí)油水取50％即905噸》表中數(shù)據(jù)計(jì)算載貨量。

本船燃油1130噸，淡水400噸，柴油170噸，滑油110噸，油水共1810噸。

表1 45000DWT散貨船實(shí)際載貨量表，短航線時(shí)油水取50％即905噸

表2 長(zhǎng)航線時(shí)油水取100％即1810噸

3 4.5萬(wàn)噸散貨船主機(jī)選型

3.1 散貨船主機(jī)

一般情況下，干散貨船與同載重量的集裝箱船相比航行速度較低，推進(jìn)系統(tǒng)的功率也較小。船舶航行速度越高，需要的推動(dòng)力越大，耗油率也迅速上升。在額定工況下,主機(jī)的功率由船舶的最大航速來(lái)確定,隨著船舶營(yíng)運(yùn)時(shí)間的延長(zhǎng),船舶水線以下附生物增多,使船舶附體阻力增加,航速降低。為了保持船舶的航速,動(dòng)力裝置的功率往往取大些,一般大10%。在船舶以一定的航速前進(jìn)時(shí),螺旋槳產(chǎn)生的推力必須克服船舶對(duì)水和風(fēng)的阻力,這些阻力取決于船舶的線型、尺寸、航行速度以及風(fēng)浪大小和航道深淺等。根據(jù)不同的載重量噸位及船體尺寸，散裝貨輪可分為以下主要船型類(lèi)別：

· 微小型 Small＜ 10,000 dwt

· 小靈便型 Handysize 10,000~35,000 dwt

· 大靈便型 Handymax 35,000~55,000 dwt

· 巴拿馬型 Panamax 60,000~80,000 dwt

· 好望角型 Capesize 80,000~ 200,000 dwt

· 超大型 VLBC＞ 200,000 dwt

該項(xiàng)目4.5萬(wàn)噸散貨船是屬于大靈便型散裝貨輪，主機(jī)的選型按該級(jí)別推薦機(jī)型內(nèi)選擇。

3.2 散貨船主機(jī)選型考慮因素

根據(jù)設(shè)計(jì)主要要求,主機(jī)選型主要考慮因素: 第一,技術(shù)先進(jìn)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定;第二,振動(dòng)、噪音小,指標(biāo)優(yōu)良;第三,經(jīng)濟(jì)性(初投資小、油耗低) 、工藝性能好,維修便利,重量輕、體積小,與其它技術(shù)性能(快速性、振動(dòng)、噪聲) 有較好匹配,性?xún)r(jià)比較高。

大型船舶的主機(jī)多為“量身定制”，即根據(jù)船舶設(shè)計(jì)參數(shù)確定主機(jī)參數(shù)，其中最主要的參數(shù)是功率。由于船舶在不同狀態(tài)下對(duì)主機(jī)功率的需求變化很大，因此，在設(shè)計(jì)船舶時(shí)，需要由船舶所有人和船舶建造商議定最大持續(xù)運(yùn)行功率（SMCR）。在正常情況下，航行時(shí)的最大運(yùn)行功率是最大持續(xù)運(yùn)行功率的90%。確定散貨船主機(jī)的最大持續(xù)運(yùn)行功率時(shí)主要考慮載重量、平均船速和船舶尺寸等因素，有時(shí)還要考慮航線因素。20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，燃油價(jià)格成為船舶經(jīng)營(yíng)成本中最不確定的因素之一。船舶所有人和經(jīng)營(yíng)人希望船舶主機(jī)能在多種航速下保持最佳工況，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)營(yíng)成本最小化。這對(duì)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)者和制造商提出更高要求。

同時(shí)，螺旋槳的最佳速度是不斷變化的，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速變得越來(lái)越低，由于大直徑螺旋槳可用于船舶，因此螺旋槳的直徑越大，在實(shí)際的螺旋槳轉(zhuǎn)速和有關(guān)動(dòng)力需求會(huì)相應(yīng)低，降低了每噸散裝運(yùn)輸所需的推進(jìn)動(dòng)力。

這些因素已經(jīng)影響主機(jī)類(lèi)型的選擇及安裝，也影響了建造散貨船的尺寸。本文的目的論述5000載重噸以上散貨船，基于過(guò)去8年建造的散貨船分析的基礎(chǔ)上來(lái)闡明現(xiàn)代最新的船舶大型散裝貨輪的特性，并確定其對(duì)推進(jìn)動(dòng)力需求和主機(jī)選擇，采用最新的MAN B&W二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的方案。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)角度考慮，以滿(mǎn)足國(guó)際海事組織防污染公約（MARPOL 附則VI修正案）TIEII排放要求考慮，主機(jī)主要從MAN B&W系列的6S46MC-C8和6S50MC-C7兩種任選一種機(jī)型并進(jìn)行性能比較和經(jīng)濟(jì)性分析。

4 船舶主機(jī)基本性能比較

MAN B&W系列的6S46MC-C8和6S50MC-C7均是大功率低速柴油機(jī)，廣泛應(yīng)用于散貨船、油船、集裝箱船等大型遠(yuǎn)洋船舶上。由于船舶日趨大型化、巨型化與自動(dòng)化以及對(duì)船舶主機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性的要求日益提高，大功率二沖程低速柴油機(jī)的技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出整體優(yōu)化的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①單機(jī)、單缸功率越來(lái)越大，如K98MC的單缸功率最大可達(dá)5719 kW。②進(jìn)一步降低燃油消耗率，二沖程低速柴油機(jī)的燃油消耗率已降低到164．6 g／(kw?h)。③平均有效壓力已達(dá)1．90～1．95 MPa，爆發(fā)壓力在15．0～15．5 MPa之間。④采用高壓比、高效的新型增壓器，如ABB公司研制的4P型增壓器，壓比高達(dá)5：1。⑤采用電子調(diào)速器系統(tǒng)、電控燃油噴射系統(tǒng)、高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)、智能化電子控制系統(tǒng)，進(jìn)一步提高低速柴油機(jī)的可靠性，改善低負(fù)荷性能，降低油耗，控制NOx排放，以及安全保護(hù)控制等。

4.1 MAN B&W 6S46MC-C8

主要技術(shù)參數(shù)：

缸數(shù)：6缸，缸徑460mm，額定功率（MCR）為8280KW，轉(zhuǎn)速129rpm；持續(xù)服務(wù)功率（CSR）為7452kW，轉(zhuǎn)速124.5rpm。

在15%海上裕度功率為6480kW時(shí)，主機(jī)油耗指標(biāo)最低，為169g/kW·h，對(duì)應(yīng)航速為14.25Kn，每天耗油26.3t；

渦輪增壓器選配傳統(tǒng)型。

4.2 MAN B&W 6S50MC-C7

主要技術(shù)參數(shù)：

缸數(shù)：6缸，缸徑500mm，額定功率（MCR）為9480kW，轉(zhuǎn)速127rpm，持續(xù)服務(wù)功率（CSR）為6966kW，轉(zhuǎn)速124.5rpm。

在15%海上裕度功率為為6057kW時(shí)，主機(jī)油耗指標(biāo)最低，為159g/kW*h，此時(shí)轉(zhuǎn)速為109.4rpm，航速為14.1Kn，每天耗油23.1t。

渦輪增壓器選配高效型。

從以上兩機(jī)型的技術(shù)參數(shù)可知，MAN-B&W MC 系列的低速柴油機(jī)在框圖的任何一點(diǎn)均可作為該機(jī)器的選定最大持續(xù)功率（MCR）點(diǎn)，選定SMCR后主機(jī)廠會(huì)匹配增壓器和壓縮比等,而后的一切動(dòng)力裝置的計(jì)算就以SMCR為準(zhǔn)。兩機(jī)型都可滿(mǎn)足IMO的TIER II排放要求。如果把海上功率裕度的功率儲(chǔ)備，即在污底、海況惡劣的情況下要保證航速就需要利用儲(chǔ)備功率考慮進(jìn)去，應(yīng)該選6S50MC-C7更合適。

另一方面MAN 2B&W 與SUL ZER 推出了減額輸出柴油機(jī)。所謂減額輸出柴油機(jī)即主機(jī)廠對(duì)同一型號(hào)(同一缸徑、同一沖程) 的柴油機(jī)調(diào)整其排氣齒輪定時(shí)、壓縮比以及增壓器匹配, 保持最高燃燒壓力p不變, 而使最高燃燒壓力與平均有效壓力e的比值即p/pe增加, 可以在主機(jī)減額輸出區(qū)選擇不同的主機(jī)減額輸出點(diǎn), 給螺旋槳的配置提供了較大的靈活性, 并滿(mǎn)足等航速的要求, 獲得良好的性能及較低的油耗率. 從減額的思路選用6S50MC-c7后降功率至6S46MC-c8使用，則以6S50MC-c7的功率為MCR，下降后的功率為SMCR：7740kW，轉(zhuǎn)速118.7rpm，即可算出常用功率。采用柴油機(jī)減額輸出運(yùn)行, 改善動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性。

選用6S50MC-c7作為船舶主機(jī)，可選用高效的廢氣渦輪增壓器，提高了柴油機(jī)運(yùn)行性能，減少了NOx的排放。

5 船舶營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性比較分析

5.1 投資效益測(cè)算

以下對(duì)上述二種機(jī)型船舶進(jìn)行投資效益分析，具體如表3：

表3 年航次數(shù)計(jì)算

表中：（1）確定年?duì)I運(yùn)天數(shù)時(shí)，扣除了船舶修理、惡劣天氣等天數(shù)。年?duì)I運(yùn)天數(shù)取346天。每航次停港時(shí)間6.5天。（2）航程為廈門(mén)至泰皇島航線，來(lái)回航程，見(jiàn)表4、表5。

表4 年貨運(yùn)量計(jì)算

表5 年總成本計(jì)算

在計(jì)算中作如下考慮：

1）正常航行時(shí)的油耗按照使用主機(jī)和1臺(tái)輔機(jī)計(jì)算，重油和輕油的使用比例以70％: 30％計(jì)算。

2）停泊時(shí)的油耗按照1臺(tái)輔機(jī)計(jì)算，全部使用輕油。

燃油費(fèi)：參照近期主要港口的燃油價(jià)格。重油價(jià)取為3400元/噸，輕油價(jià)格取為5500元/噸。

3）15年?duì)I運(yùn)期后船舶殘值假定為30%。

4）維修費(fèi)取150萬(wàn)元人民幣/年。

5) 港口費(fèi)取26~27萬(wàn)元人民幣。

6) 船員人數(shù)為30人，年工資共為450萬(wàn)人民幣。

7)營(yíng)運(yùn)航速：取為滿(mǎn)載服務(wù)航速。

表6 年?duì)I運(yùn)收入計(jì)算

5.2 經(jīng)濟(jì)性分析

表7 經(jīng)濟(jì)性分析

表中：必要貨運(yùn)費(fèi)率RFR：是船舶營(yíng)運(yùn)最低每噸貨運(yùn)費(fèi)，所以該值越低表明船舶的經(jīng)濟(jì)性越好。從上表可以看出，序號(hào)1船型和序號(hào)2船型RFR基本接近，但序號(hào)3船型和序號(hào)4船型RFR更低，更具有經(jīng)濟(jì)性。

表8 經(jīng)濟(jì)性分析

船名6S46MC-C86S50MC-C7單位 第6年可還貸額4079.07 4289.50 萬(wàn)元 第7年貸款余額738.41 　萬(wàn)元 第7年還貸利率44.30 　萬(wàn)元 第7年可還貸額4323.81 4534.36 萬(wàn)元 第8年貸款余額4368.12 4534.36 萬(wàn)元 第9年贏利額4368.12 4534.36 萬(wàn)元 第10年贏利額4368.12 4534.36 萬(wàn)元 第11年贏利額4368.12 4534.36 萬(wàn)元 第12年贏利額4368.12 4534.36 萬(wàn)元 第13年贏利額4368.12 4534.36 萬(wàn)元 第14年贏利額4368.12 4534.36 萬(wàn)元 第15年贏利額4368.124534.36萬(wàn)元 運(yùn)營(yíng)15年后的總利潤(rùn)38530.3541017.67萬(wàn)元

上表序號(hào)中兩種船型投資回收年限分別為7、6年，以主機(jī)選擇6S50MC-C7降低功率，減少油耗。從而收益更好。

6 結(jié)論

隨著船舶自動(dòng)化程度的提高,機(jī)械系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，價(jià)格也越來(lái)越昂貴。因此船東們非常關(guān)心如何在保證船舶各種正常動(dòng)力性能指標(biāo)的同時(shí)，降低設(shè)備成本，并獲得更高的回報(bào)。在很多情況下，船舶建造者或船東發(fā)現(xiàn)在建造當(dāng)中如何合理地選擇機(jī)械設(shè)備， 以保證其可靠性、操作性、可維修性又要保證其經(jīng)濟(jì)性是一件比較困難的事情。

筆者認(rèn)為主機(jī)的選型是關(guān)鍵，應(yīng)考慮的因素為可靠性、維修性、空間及安排、重量、燃油種類(lèi)、燃油消耗、廢熱利用、操作性、價(jià)格、對(duì)輔助設(shè)備的要求、備件供應(yīng)和岸基支持方面能力等等的綜合結(jié)果。

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