李 允 李 思

（1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院 哈爾濱150001；2.寧波海事局 寧波315020）

引 言

自1885年美國(guó)第一艘絞吸挖泥船誕生以來(lái)，因其對(duì)土質(zhì)適應(yīng)性好，效率相對(duì)較高，造價(jià)低廉，得到了很大發(fā)展。非自航絞吸挖泥船必須有拖輪的配合，一旦其中某船舶出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)系統(tǒng)便無(wú)法繼續(xù)工作。在社會(huì)不斷發(fā)展的今天，船舶設(shè)計(jì)更提倡一體化、模塊化，強(qiáng)調(diào)綠色造船設(shè)計(jì)理念，研究設(shè)計(jì)自航絞吸挖泥船，發(fā)展建造自航絞吸挖泥船有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文對(duì)某電力推進(jìn)中小型自航絞吸挖泥船進(jìn)行設(shè)計(jì)論證，并通過(guò)與非自航挖泥船的對(duì)比，論證了電力推進(jìn)自航絞吸挖泥船的優(yōu)越性。

1 自航絞吸挖泥船的發(fā)展

按照挖泥方式、適用情況的不同，挖泥船可分為絞吸挖泥船、鏈斗挖泥船、抓斗挖泥船、耙吸挖泥船等多種類型［1］。

1.1 非自航絞吸挖泥船現(xiàn)狀

目前，我國(guó)在非自航絞吸挖泥船的研究和建造方面技術(shù)已比較成熟。具有靈活性不高、船舶利用率較低的弱勢(shì)。非自航絞吸挖泥船必須要由拖輪拖至指定工作區(qū)域開(kāi)展工作，而調(diào)用拖輪無(wú)疑需要時(shí)間，造成作業(yè)時(shí)間成本的增加。如果遭遇危險(xiǎn)警報(bào)需提前停止作業(yè)，也必須由配套拖輪趕往作業(yè)地點(diǎn)進(jìn)行船舶疏散，從而使風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)增高。非自航絞吸挖泥船在日常維護(hù)工作中，對(duì)其相應(yīng)的配套船舶同樣也要進(jìn)行及時(shí)維護(hù)，這就造成了經(jīng)濟(jì)費(fèi)用的增長(zhǎng)。其輔助船舶的動(dòng)力供給、人員費(fèi)用、設(shè)備維護(hù)都是很大的人力、物力消耗。

1.2 自航絞吸挖泥船誕生發(fā)展

首艘自航絞吸挖泥船“PHARAON”號(hào)誕生于1905 年［2］。但是，它的出現(xiàn)并沒(méi)有迎來(lái)自航絞吸挖泥船發(fā)展的輝煌時(shí)期，而是到 1977 年才出現(xiàn)自航絞吸挖泥船的建造高峰［3］。自1986年“達(dá)·芬奇”號(hào)建成后，自航絞吸挖泥船的開(kāi)發(fā)暫停了，直到2003年，JandeNul公司“J.F.J.DeNul”號(hào)超大型自航絞吸挖泥船的建造成功［4］，才迎來(lái)自航絞吸挖泥船新的發(fā)展高峰。我國(guó)第一艘大型自航絞吸挖泥船是“天鯨”號(hào)，于2010年1月19日在深圳交船［5］。我國(guó)盡管在此領(lǐng)域取得了發(fā)展，但與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比研究水平仍有待提高。

1.3 中小型自航絞吸挖泥船

圖1 “天鯨號(hào)”絞吸挖泥船

伴隨我國(guó)第一艘大型自航絞吸挖泥船“天鯨”號(hào)成功建造，我國(guó)在自航絞吸挖泥船的設(shè)計(jì)研究上有了新發(fā)展。但是目前的關(guān)注點(diǎn)是對(duì)大型、超大型船型的研究中，對(duì)于適用于內(nèi)河航道疏浚的中小型自航絞吸挖泥船研究還太少。我國(guó)河流眾多，內(nèi)河水運(yùn)發(fā)達(dá)，不少內(nèi)河航道水深較淺，不適合大型挖泥船工作。中小型自航絞吸挖泥船的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，將大大提高國(guó)內(nèi)疏浚船隊(duì)的疏浚能力、提高作業(yè)船隊(duì)的經(jīng)濟(jì)效益、改善內(nèi)河航道的質(zhì)量。

2 某中小型自航絞吸挖泥船設(shè)計(jì)

2.1 主尺度

在對(duì)該船進(jìn)行主尺度設(shè)計(jì)時(shí)，影響主尺度的因素主要有作業(yè)功能、總體布置、航道特征、橋梁和船閘等方面。參考相同疏浚能力的絞吸挖泥船，綜合考慮本船的實(shí)際需要、各設(shè)備尺寸、航道限制等因素，該船設(shè)計(jì)主尺度：船長(zhǎng)為46.2 m、船寬為14.8 m、型深為2.7 m、設(shè)計(jì)吃水為1.15 m。

2.2 總布置

下頁(yè)圖2為該非自航絞吸挖泥船。在拖輪對(duì)其進(jìn)行拖帶航行時(shí)，往往采取倒拖的方式行進(jìn)。采用倒拖的形式，一是可以保護(hù)絞刀設(shè)備，二是可以避開(kāi)艏部的特殊形狀減小阻力。在進(jìn)行本船設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮絞刀與槽道，將絞刀布置在船艏，將推進(jìn)器布置在船艉。航行過(guò)程中，為了減小航行阻力、保護(hù)絞刀不受損壞，要將絞刀吊起出水。

圖2 某非自航絞吸挖泥船

圖3 某船推進(jìn)器布置示意圖

該船艙室空間有限。考慮到船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、艙室布置、船舶吃水等情況的限制，采用舵槳推進(jìn)，將其布置在后甲板。

2.3 電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船舶推進(jìn)系統(tǒng)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)可以分兩種：一是原動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)）直接帶動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)工作；二是原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，由發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器工作。原動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)工作是目前國(guó)內(nèi)挖泥船采用的主流驅(qū)動(dòng)方式。這種驅(qū)動(dòng)方式成本低廉、技術(shù)成熟，單一設(shè)備損壞還可以繼續(xù)施工。但存在功率利用率低、后期使用經(jīng)濟(jì)性不高等缺點(diǎn)。

我國(guó)電力推進(jìn)系統(tǒng)在中小型船舶中的應(yīng)用并不普及［6］。在國(guó)外，愈來(lái)愈多先進(jìn)的絞吸挖泥船傾向于采用電力推進(jìn)。電力推進(jìn)功率利用率高、布置靈活、容易操作，雖然初期投入較高，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看經(jīng)濟(jì)性好。該船選用同步柴油機(jī)、交流電力推進(jìn)設(shè)備，選取具有0.65 m的可調(diào)浸深的舵槳裝置推進(jìn)，設(shè)計(jì)推進(jìn)器為19A導(dǎo)管，Ka4-70型導(dǎo)管螺旋槳，螺距比為0.98。

圖4 自航挖泥船電力配置設(shè)計(jì)圖

3 性能優(yōu)越性評(píng)估

為了研究該船性能的優(yōu)越性，現(xiàn)選取與其絞吸設(shè)備相同的非自航船進(jìn)行評(píng)估對(duì)比。

3.1 經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

絞吸挖泥船的經(jīng)濟(jì)性能評(píng)估要從兩方面展開(kāi)，一是初始建造費(fèi)；二是后期使用費(fèi)。絞吸船的后期使用費(fèi)由可變成本和不可變成本組成，可變成本主要由燃油費(fèi)用、船舶修理費(fèi)用等組成；不變成本為折舊費(fèi)、人工費(fèi)、保養(yǎng)費(fèi)等。

本文對(duì)船舶經(jīng)濟(jì)性評(píng)估的考量時(shí)間為18年（船舶的設(shè)計(jì)服役期限）。船舶使用的折舊費(fèi)可以在建造成本中得到體現(xiàn)，因此不再進(jìn)行重復(fù)比較，只對(duì)油耗、建造費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用和人工費(fèi)用進(jìn)行分析。其中建造費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用和人工費(fèi)用采用2013某設(shè)計(jì)院向年黑龍江航道局遞交的《絞吸式挖泥船建造項(xiàng)目可行性研究報(bào)告》中提供的數(shù)據(jù)。

3.1.1 油耗費(fèi)用

自航絞吸挖泥船可獨(dú)立前往作業(yè)水域。特別是在進(jìn)行小工作量的疏浚作業(yè)時(shí)，自航絞吸挖泥船可靈活調(diào)動(dòng)，提高作業(yè)效率的同時(shí)降低調(diào)遣費(fèi)用。非自航絞吸挖泥船由于作業(yè)需要，需配備輔助船舶（一個(gè)完整的挖泥船船隊(duì)具體配置為挖泥船1艘，拖輪1艘，錨艇2艘）。自航絞吸挖泥船編隊(duì)配置為自航式絞吸挖泥船1艘，錨艇2艘。由于本文進(jìn)行優(yōu)越性分析，兩艘錨艇的油耗不再進(jìn)行計(jì)算。主要油耗指標(biāo)見(jiàn)表1、表2。

一般而言，柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速達(dá)到標(biāo)定轉(zhuǎn)速的80%以上時(shí)，才能達(dá)到最佳油耗；當(dāng)主機(jī)功率下降27.1%時(shí)，燃油消耗量只減少19%；當(dāng)主機(jī)功率下降48.8%時(shí)，燃油消耗量只減少36%［7］。也就是說(shuō)，柴油發(fā)電機(jī)輸出功率的減少額和用油的減少不成線型比例。當(dāng)柴油機(jī)輸出功率為額定功率的70%時(shí)，燃油效率只能達(dá)到標(biāo)定值的90%左右；當(dāng)柴油機(jī)輸出功率為額定功率的40%～60%左右時(shí)，燃油效率只能達(dá)到標(biāo)定值的80%左右。下文分三種狀態(tài)計(jì)算兩種船型的油耗。

3.1.1.1 全速行進(jìn)狀態(tài)

此狀態(tài)下非自航絞吸挖泥船隊(duì)拖輪主機(jī)輸出功率2×220 kW；拖輪船上用電2×64 kW、挖泥船船上用電64 kW，均由生活電站供電。自航絞吸挖泥船隊(duì)挖泥船發(fā)電機(jī)為自身螺旋槳提供動(dòng)力需要功率300 kW，挖泥船船上用電加生活用電共150 kW，啟動(dòng)雙臺(tái)發(fā)電機(jī)，并機(jī)運(yùn)行，負(fù)荷率64%。

表1 非自航編隊(duì)油耗統(tǒng)計(jì)表

表2 自航編隊(duì)油耗統(tǒng)計(jì)表

非自航絞吸挖泥船隊(duì)每小時(shí)油耗為：

自航絞吸挖泥船隊(duì)每小時(shí)油耗為：

3.1.1.2 低速行進(jìn)狀態(tài)

此狀態(tài)下非自航絞吸挖泥船隊(duì)拖輪2臺(tái)主機(jī)50%負(fù)荷，輸出功率為220 kW；拖輪船上用電2×64 kW，挖泥船生活用電64 kW，均由生活電站供電。自航絞吸挖泥船隊(duì)挖泥船發(fā)電機(jī)為螺旋槳提供動(dòng)力輸出功率為150 kW，挖泥船上用電與生活用電共150 kW，啟動(dòng)雙臺(tái)發(fā)電機(jī)，并機(jī)運(yùn)行，負(fù)荷率41.7%。

非自航絞吸挖泥船隊(duì)每小時(shí)油耗為：

自航絞吸挖泥船隊(duì)每小時(shí)油耗為：

3.1.1.3 工作狀態(tài)

此狀態(tài)下，非自航和自航的錨艇工作情況、油耗基本相同，不再進(jìn)行計(jì)算。非自航挖泥船絞刀功率300 kW，液壓系統(tǒng)功率120 kW，船上生活用電及其他用電150 kW，主發(fā)電機(jī)負(fù)荷81.4%，泥泵功率1 100 kW；拖輪啟動(dòng)一臺(tái)停泊發(fā)電機(jī)組，功率64 kW。自航挖泥船絞刀功率300 kW，液壓系統(tǒng)功率120 kW，船上生活用電及其他用電150 kW，啟動(dòng)兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)，并機(jī)運(yùn)行，負(fù)荷率79.2%，泥泵功率1 100 kW。

非自航絞吸挖泥每小時(shí)油耗為：

自航絞吸挖泥每小時(shí)油耗為：

不同工況下船舶油耗估算情況如表3所示。

表3 船隊(duì)總油耗

黑龍江流域冬季寒冷漫長(zhǎng)，一年中各主要航道的結(jié)冰期可達(dá)半年左右，適合挖泥船工作的時(shí)間一般為5個(gè)月左右。黑龍江流域一年中有兩次汛期，一次春汛、一次夏汛，其中夏汛為主要汛期，集中在6～9月份，汛期總天數(shù)一般為45天左右。

本挖泥船主要針對(duì)黑龍江中游黑河至伯力（哈巴羅夫斯克）河段，整個(gè)航段內(nèi)有淺灘23處之多，航道狀況復(fù)雜。根據(jù)黑龍江航道局挖泥船的使用情況，挖泥船有十分之一的時(shí)間都處于調(diào)遣狀態(tài)，即每月平均調(diào)遣時(shí)間為3天。

據(jù)此估算挖泥船的有效施工時(shí)間如下：

式中：m為施工的月份數(shù)，每年5個(gè)月，每月按30天計(jì)；Th為洪水期天數(shù)，取年平均45天；Tw為修理時(shí)間天數(shù)，按每月需要1天計(jì)；Tq為調(diào)遣時(shí)間天數(shù)，按每月3天計(jì)。

挖泥船年有效施工時(shí)間為85天。

根據(jù)黑龍江流域挖泥船的人員配置，挖泥作業(yè)一般為兩班倒，每班每天作業(yè)時(shí)間為8小時(shí)；由于工作區(qū)域淺灘，急轉(zhuǎn)彎多，低航速狀態(tài)時(shí)間按航行時(shí)間的20%計(jì)算，則每年節(jié)省的油耗約合28 319 L，按照2014年1月份本地柴油報(bào)價(jià)7.08元/升，每年能節(jié)省資金20萬(wàn)元。

3.1.2 人工費(fèi)用

根據(jù)黑龍江航道局目前情況，一支非自航挖泥船隊(duì)共有34人（挖泥船16人，拖輪10人，2艘錨艇各4人）。據(jù)此推算自航挖泥船隊(duì)約為24人（挖泥船16人，2艘錨艇各4人）。非自航船隊(duì)拖輪中有船長(zhǎng)1名，輪機(jī)長(zhǎng)1名，普通船員8人。根據(jù)黑龍江地區(qū)的工資水平，一艘拖輪人均年薪為7.5萬(wàn)元（包括工資、獎(jiǎng)金、保險(xiǎn)等所有費(fèi)用）。根據(jù)職位不同實(shí)行階梯年薪，船長(zhǎng)月均工資約為10 000元、輪機(jī)長(zhǎng)月均工資約為8 000元、普通工人月均工資約為5 500元計(jì)算，則每年節(jié)省的人員費(fèi)用74.40（萬(wàn)元），即：

3.1.3 建造費(fèi)用

自航絞吸挖泥船可以省去拖輪的建造資金，但是自航絞吸挖泥船的設(shè)備費(fèi)、人工費(fèi)、設(shè)計(jì)費(fèi)等費(fèi)用都會(huì)增加。本文在估算自航挖泥船的建造費(fèi)用時(shí)，參考非自航挖泥船的建造成本進(jìn)行估算，但就挖泥船本身來(lái)講，其建造和維護(hù)費(fèi)用將比非自航挖泥船高20%左右。表4給出了2013可行性報(bào)告給出的非自航挖泥船隊(duì)的報(bào)價(jià)。

表4 非自航挖泥船隊(duì)建造投資費(fèi)用表

根據(jù)表4，本文估算出自航挖泥船的建造成本，并在表5與非自航船隊(duì)進(jìn)行比較。

表5 建造投資費(fèi)用比較

3.1.4 維護(hù)費(fèi)用

在挖泥船使用的過(guò)程中，要定時(shí)維護(hù)檢修，所需要的費(fèi)用包括燃滑油料費(fèi)、年均修理費(fèi)、塢檢修理費(fèi)（每3年一次）、特檢修理費(fèi)（每6年一次）、施工中材物料費(fèi)等費(fèi)用。自航絞式吸挖泥船由于加裝了推進(jìn)設(shè)備，故維護(hù)要求較高。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 單船維護(hù)費(fèi)用表

3.1.5 綜合經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

本文對(duì)船舶經(jīng)濟(jì)性評(píng)估的考量時(shí)間為18年，期間建造費(fèi)用節(jié)省168.58萬(wàn)元，維護(hù)費(fèi)用增加203.4萬(wàn)元，人工費(fèi)用節(jié)省1 339.2萬(wàn)元，燃油費(fèi)用節(jié)省360萬(wàn)元，綜合總計(jì)自航絞吸挖泥船節(jié)省費(fèi)用1 664.38萬(wàn)元。

3.2 其他性能評(píng)估

3.2.1 航道需求

在航道需求方面，非自航絞吸挖泥船以編隊(duì)形式行進(jìn)，編隊(duì)航行水域受制于編隊(duì)中吃水最大的船舶。原編隊(duì)中吃水最大的為拖輪，達(dá)到1.35 m。而自航絞吸挖泥船設(shè)計(jì)吃水僅為1.15 m，其航行和作業(yè)水域更廣，適航性得到較大提高。

3.2.2 作業(yè)時(shí)長(zhǎng)

在作業(yè)時(shí)長(zhǎng)方面，自航絞吸挖泥船由于省去了拖輪，只要保障自身設(shè)備運(yùn)行良好，就能夠較高效率的發(fā)揮自身的作業(yè)能力。在遭遇危險(xiǎn)警報(bào)時(shí)，可及時(shí)駛離作業(yè)地點(diǎn)，并能夠及時(shí)恢復(fù)作業(yè)，減少了停工時(shí)間，提高了挖泥船的利用率和經(jīng)濟(jì)性。

3.2.3 環(huán)保性能

在環(huán)保性能方面，自航絞吸挖泥船的設(shè)計(jì)響應(yīng)國(guó)家綠色造船、節(jié)能減排的方針政策，迎合了世界船舶業(yè)的發(fā)展潮流。近年來(lái)國(guó)際海事組織對(duì)船舶的排放方面做出了越來(lái)越嚴(yán)格的規(guī)定，加上石油資源日益枯竭，船舶環(huán)保性顯得尤為重要。傳統(tǒng)的推進(jìn)方式中，柴油機(jī)要時(shí)刻維持運(yùn)轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，在低載荷的情況下十分浪費(fèi)。而電力推進(jìn)系統(tǒng)可以根據(jù)船舶實(shí)際需要選擇啟動(dòng)的發(fā)電機(jī)組，合理分配電力，節(jié)省了大量能源，減少了廢氣排放。自航式絞吸挖泥船由于采用全電力推進(jìn)系統(tǒng)，省去了柴油機(jī)與軸系的連接機(jī)構(gòu)，降低噪聲污染、改善了船員工作環(huán)境。

4 結(jié) 論

中小型自航絞吸挖泥船靈活性較高：

（1）由于不再需要拖輪的協(xié)助，作業(yè)船舶的數(shù)量減少，獨(dú)立完成作業(yè)任務(wù)的能力得到加強(qiáng)。

（2）作業(yè)時(shí)更加機(jī)動(dòng)靈活，能夠較快的到達(dá)作業(yè)水域，縮短出工時(shí)間，增加作業(yè)時(shí)長(zhǎng)和作業(yè)量。

（3）在遇到狀況時(shí)，能夠靈活撤回或返航，減輕危險(xiǎn)情況對(duì)于船舶作業(yè)的影響。

（4）獨(dú)立性更高，不需要拖輪協(xié)助對(duì)于航行水域的要求降低，水域更廣、適用范圍擴(kuò)大。

電力推進(jìn)中小型自航絞吸挖泥船經(jīng)濟(jì)性較好：

（1）采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，船舶的油耗大大降低。全速航行狀態(tài)下油耗可以降低13.88%，低速航行狀態(tài)下降低21.97%，工作狀態(tài)下降低3.66%，更為經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

（2）船隊(duì)總體造價(jià)和維護(hù)費(fèi)用有所降低。雖然單項(xiàng)來(lái)看自航絞吸挖泥船比非自航絞吸挖泥船造價(jià)高出20%，但是由于省去了拖輪的建造費(fèi)用，船隊(duì)整體造價(jià)卻比原來(lái)低2.23%。另外每年還可節(jié)省74.40萬(wàn)元的船員人工費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)性有所改善。

5 應(yīng)注意的問(wèn)題

在論證電力推進(jìn)中小型自航挖泥船經(jīng)濟(jì)性時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題。

（1）在進(jìn)行電力推進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮設(shè)計(jì)對(duì)象的功率分配問(wèn)題。電力推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)在于能夠整合船舶使用功率，合理選擇發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，使發(fā)電機(jī)組的輸出功率與額定功率之差盡可能小，從而保證動(dòng)力裝置單位輸出功率的油耗維持在最佳值附近。如果不能保證此種情況，則電力推進(jìn)相對(duì)于常規(guī)推進(jìn)方式就未必具有優(yōu)勢(shì)。

（2）自航挖泥船相對(duì)于非自航挖泥船是否具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)取決于很多因素，其中很重要的一點(diǎn)就是其調(diào)動(dòng)是否頻繁。不少中小型絞吸挖泥船頻繁調(diào)動(dòng)的情況并不經(jīng)常出現(xiàn)，因此盲目的將非自航挖泥船改為自航挖泥船有很大風(fēng)險(xiǎn)。而本文論證的對(duì)象主要用途在于疏通黑龍江流域的航道，因?yàn)槠涔ぷ鲄^(qū)域廣闊且任務(wù)量相對(duì)較重，因此需要頻繁調(diào)動(dòng)。這就為本船的設(shè)計(jì)提供了有利的前提條件。

（3）在未來(lái)的研究中，中小型自航絞吸挖泥船作為內(nèi)河淺吃水肥大型船舶，在設(shè)計(jì)中除了要盡可能減少初始投資、提高船舶性能和挖泥作業(yè)能力，還要在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮淺水效應(yīng)的影響，保證船舶的快速性要求。

［1］ 李志強(qiáng).絞吸挖泥船的疏浚優(yōu)化［D］.江蘇科技大學(xué)，2011.

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