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.國家開發(fā)銀行天津市分行，天津 300050）

0 前言

在全球航運市場持續(xù)低迷，油價持續(xù)高漲的今天，節(jié)能減排成了航運業(yè)新的競爭焦點，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用，國外的調(diào)查報告顯示，對于集裝箱船航速降低10%，可以減少主機油耗量至少25%；航速降低24%，可以減少主機油耗量大約50%。船舶設(shè)計部門、船級社和船東都把降低新造大型集裝箱船設(shè)計航速作為節(jié)能的首選手段。散貨船由于設(shè)計航速較低，對營運船的降速節(jié)能，長期以來船東存在很多的顧慮。本文以近年來新開發(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)能取得的實際數(shù)據(jù)，尋找出該系列船在市場低谷時期的最佳經(jīng)濟航速，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)計階段能夠考慮預留更寬的可調(diào)速范圍，以應對未來航運市場變化時船東的不同需要。同時也說明采取合理的操控手段對營運船節(jié)油至關(guān)重要。

1 航速、耗油率和租金水平間的關(guān)系

對于一定航次運費和租金水平的船舶來說，唯一的變量是航速。船舶采用不同的航速，經(jīng)濟效益是不同的。航速過慢，航次時間延長，船期會增加租金成本的支出而影響效益；航速過快，會使燃油成本急劇上升而造成虧損。船舶設(shè)計航速通常只參考正常市場環(huán)境及經(jīng)濟條件來確定。由于航運市場的周期性強，所以船舶在實際使用過程中，需要綜合考慮市場租金水平變化、貨源充足程度的變化、燃油價格的變化，以及折舊、船員、保險、修理、物料、備件、潤滑油、港口使費等必要費用支出，才能正確選擇一段時期的合適經(jīng)濟航速，提高運輸企業(yè)的經(jīng)濟效益。

燃油成本占運輸成本的比例由20世紀六七十年代的13%增長到45%，個別船型甚至超過60%。當航運市場形勢良好，運費和租金水平可較好的覆蓋航運企業(yè)營運成本時，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年世界金融危機后的航運市場歷經(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點以下低位運行和燃油價格的連續(xù)攀升，使全球航運業(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。降速省下來的最后幾噸油錢也成了船東和租船人在這一時期的活命錢。

92 500 DWT散貨船一年期租金水平，2010年BDI指數(shù)接近4 000點時達到3萬美元/d，2012年2月4日BDI指數(shù)降低到了26年來的歷史最低點647點時日租金僅剩下不到5 000美元，“油耗高”也在這一時期尤顯突出，成了大家對該類船型關(guān)注的焦點，也是導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，受到空氣和水2種介質(zhì)的阻力。對民用船舶來講，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。由于主機燃油耗量是主機功率與其耗油率二者的乘積，當船速降低時，主機功率會大幅度降低，即主機每循環(huán)的噴油量減少，使其有效功減少。當主機減功運行時，其功率大致與槳速（航速）成三次方比例降低。對于定距槳船，減功的同時也帶來槳速降低，螺旋槳效率會有一定的提高。減速節(jié)能措施，就是利用這種特性，用航速稍微降低來換取大幅度的節(jié)省推進功率，從而實現(xiàn)節(jié)約燃油目的。

對于92 500DWT散貨船，理論計算得出，若航速降低5%，則主機功率下降11.6%，燃油消耗量減少14%；若航速降低10%，則主機功率下降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）

柴油機在推進特性線工作，當功率與轉(zhuǎn)速變化時，其耗油率由于受到噴油量、換氣質(zhì)量、轉(zhuǎn)速等影響，不是一個定值，一般在70%～75%負荷時耗油率值最小。柴油機在耗油率最小時運轉(zhuǎn)，其經(jīng)濟性最好，對應的負荷值可以通過查閱船舶主機“Ge-Ne”曲線得到。若高負荷高航速下工作，就應盡量使用最低耗油率航速。

3.2 最低營運費用航速（Ve）

由最低營運成本決定的航速，即某航次內(nèi)使燃油費用和其他費用之和為最小值的航速，也就是單位運輸成本最低時的航速。應該說，船舶設(shè)計時選定的速度也是充分考慮了船舶營運的經(jīng)濟性，但在實際營運過程中會碰到燃油價格上漲等因素影響，始終按設(shè)計速度運行往往是不經(jīng)濟的。同時還應該考慮主機性能以及維持船舶航行的其他費用支出變化，而不斷改變原有航速，才能保證營運的最佳經(jīng)濟性。這就是經(jīng)濟航速。

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

3.3 最大盈利航速（Vr）

船舶盈利效果為運費收入減去經(jīng)營成本。船舶最大盈利航速，即在某一階段營運期內(nèi)盈利最大的航速。它不僅考慮了支出，而且考慮了收入。它不是一個固定值，而是隨貨物運價、船舶租金水平、燃油價格和船舶管理成本等收入和成本變化而變動的。由于降低航速將延長每個航次的周期，降低船舶周轉(zhuǎn)量和運輸能力，因此，在節(jié)約油耗降低成本的同時，也減少了運費的收入，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。

對于船舶經(jīng)營者來說，船舶在按設(shè)計航速或經(jīng)濟航速航行時，都不一定能達到最佳盈利效果。在運價高時為抓住盈利機會盡量提高航速，在單位年度內(nèi)增加航次數(shù)量，可提高盈利效果；在航運市場低迷時，通過減速節(jié)油來減少虧損，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)營者統(tǒng)籌測算。

3.4 主機低限功率航速（Vm）

船舶減速航行時主機工況偏離設(shè)計工況，各種性能參數(shù)的匹配可能嚴重失調(diào)，導致出現(xiàn)換氣、燃油霧化、燃燒、增壓效能、汽缸潤滑以及熱平衡狀態(tài)等一系列問題，嚴重時會危及主機正常工況。傳統(tǒng)柴油機如長期處于這種惡劣條件下運行，除耗油率會不斷加大外，還將使主機燃燒室、掃排氣系統(tǒng)迅速積炭和臟堵，氣缸、活塞過度磨損，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。船舶減速應綜合考慮主機設(shè)計工況允許的減功極限，按柴油機廠家指導意見進行。

3.5 合理航速的確定

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

4 船舶降速航行的應用限制

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

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，過低的航速將使舵效下降，大舵角航行同樣會增大航行阻力。長時間減速不應導致主機工作可靠性明顯下降，應注意排煙溫度的下降會增加廢氣鍋爐酸腐蝕的危險，應滿足輪機設(shè)備基本熱力平衡要求。減速航行不應明顯增加機器的維修工作量，使輪機人員難以接受。當航次需要時，簡單的技術(shù)調(diào)整就應能迅速恢復并容易恢復到原來的正常功率。

5 主機長期降速運行存在的顧慮與技術(shù)對策

傳統(tǒng)柴油機理論認為：主機長時間低負荷運轉(zhuǎn)，偏離設(shè)計工況太多，會使增壓壓力不足、燃油霧化不良、燃燒惡化、汽缸積炭過多和活塞環(huán)黏著導致運動部件磨損加劇。排氣道和廢氣鍋爐的臟堵會加劇工況的惡化。過低的排煙溫度會使廢氣鍋爐末端加熱管表面溫度低于露點，產(chǎn)生酸腐蝕危險。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散貨船主機最佳的可減速范圍，我們咨詢了MAN技術(shù)部和船舶設(shè)計部門，對于MAN B&W MC/MC-C主機，長時間在40%負荷工作是可行的并無需對主機進行任何改造。對于新型柴油機使用的滑閥式噴油器可在部分負荷時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)柴油機轉(zhuǎn)速及負荷大小調(diào)節(jié)注油量，不僅具有準確的供油定時，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荷時機械式注油器汽缸油量過大的弊端，大大的降低了汽缸污染和活塞環(huán)黏著的危險。

長期部分負荷工作的另一潛在危險是排氣系統(tǒng)臟堵，主要是擔心對增壓器和鍋爐的影響。對于92 500DWT散貨船配備了新型ABB-TPL超高增壓增壓器，采用強力潤滑，部分負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，一般來說，鍋爐排氣出口處的煙氣溫度控制在190°以上對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升高約30°，對防止腐蝕是有利的。另一問題是掃氣壓力的下降會增大掃氣室的污染程度，但這不會對機器造成傷害。

主機輔助鼓風機的ON/OFF設(shè)定值通常在40%～42%負荷，因此可以斷定該船型主機在40%～85%負荷范圍內(nèi)長期工作都是安全的。最經(jīng)濟的轉(zhuǎn)速/油耗取決于該船型輔助設(shè)備的配置。

6 最佳主機減速方案的確定和實際運行數(shù)據(jù)分析

92 500 DWT散貨船技術(shù)指標，總長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)計航速14.1 kn，主機型號：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%）。

通過對船舶設(shè)計、燃油價格和市場租金水平的綜合分析，我們認為平均12～12.5 kn航速可作為市場低谷時期的參考經(jīng)濟航速。

圍繞12～13 kn航速范圍進行的理論計算圖如圖1所示。

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

2-4月份中國沿海至澳大利亞和太平洋遠東地區(qū)，氣象條件逐步轉(zhuǎn)好，多數(shù)時間風力3～4級，個別天風力7～8級也被統(tǒng)計在內(nèi)，具有較好的年度氣候代表性。12.65 kn船隊統(tǒng)計平均航速比設(shè)計航速降低10.3%，平均燃油消耗量減少23.7%，比理論計算節(jié)油量少2.4%，考慮滑失率、燃油熱值和ISO條件偏差等因素對主機實際油耗增加的影響，實測與理論值吻合較好。12.65 kn的日燃油消耗量34.31 t正好與75 000噸級巴拿馬型散貨船設(shè)計航速14 kn下的燃油消耗量相當。

表1 8條92 500 DWT散貨船定速航行實際數(shù)據(jù)

圖1 航速理論計算圖

圖2 理論計算油耗率與實測數(shù)據(jù)對比

7 結(jié)語

以上論述和實船試驗結(jié)果得出結(jié)論，在現(xiàn)階段航運市場低谷時期，如果將92 500DWT散貨船降低1.5 kn航速使用，基本上與75 000噸級巴拿馬型散貨船設(shè)計航速下的油耗相同，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)到中國長江口，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)計數(shù)字表明，全球巴拿馬型散貨船（指60 000～84 999 DWT）營運船有大約1 656艘（新造訂單存量596艘），后巴拿馬型散貨船（85 000～119 999 DWT）營運船有大約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)濟航速運營可以發(fā)揮更大的優(yōu)勢。對船舶航速進行有效管理是經(jīng)濟和技術(shù)的綜合反映，針對不同市場條件選擇合適的經(jīng)濟航速加上對船員的正確指導，對提高運輸企業(yè)的經(jīng)濟效益非常有益。