降速节能技术在92 500DWT散货船的运用

吕绍辉 谭名芝

（1.中船产业投资基金管理企业，天津 300050；2.国家开发银行天津市分行，天津 300050）

0 前言

在全球航运市场持续低迷，油价持续高涨的今天，节能减排成了航运业新的竞争焦点，降低航速是降低船舶航行油耗最有效的手段。该理论在集装箱船已得到广泛运用，国外的调查报告显示，对于集装箱船航速降低10%，可以减少主机油耗量至少25%；航速降低24%，可以减少主机油耗量大约50%。船舶设计部门、船级社和船东都把降低新造大型集装箱船设计航速作为节能的首选手段。散货船由于设计航速较低，对营运船的降速节能，长期以来船东存在很多的顾虑。本文以近年来新开发的92 500DWT散货船为例，结合近阶段跟踪8条该类型船降速节能取得的实际数据，寻找出该系列船在市场低谷时期的最佳经济航速，用以论证大型散货船的可降速性，也提醒造船人在船舶设计阶段能够考虑预留更宽的可调速范围，以应对未来航运市场变化时船东的不同需要。同时也说明采取合理的操控手段对营运船节油至关重要。

1 航速、耗油率和租金水平间的关系

对于一定航次运费和租金水平的船舶来说，唯一的变量是航速。船舶采用不同的航速，经济效益是不同的。航速过慢，航次时间延长，船期会增加租金成本的支出而影响效益；航速过快，会使燃油成本急剧上升而造成亏损。船舶设计航速通常只参考正常市场环境及经济条件来确定。由于航运市场的周期性强，所以船舶在实际使用过程中，需要综合考虑市场租金水平变化、货源充足程度的变化、燃油价格的变化，以及折旧、船员、保险、修理、物料、备件、润滑油、港口使费等必要费用支出，才能正确选择一段时期的合适经济航速，提高运输企业的经济效益。

燃油成本占运输成本的比例由20世纪六七十年代的13%增长到45%，个别船型甚至超过60%。当航运市场形势良好，运费和租金水平可较好的覆盖航运企业营运成本时，船东和租船人较少关注油耗，多拉快跑、减少等泊和停航是创造效益的法宝。

2008年世界金融危机后的航运市场历经3年多仍未能走出低谷。2012年初BDI指数的再次连续数月在1 000点以下低位运行和燃油价格的连续攀升，使全球航运业再遭重创，船型越大租金越低，跑得越多、越快损失越大，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办法。降速省下来的最后几吨油钱也成了船东和租船人在这一时期的活命钱。

92 500 DWT散货船一年期租金水平，2010年BDI指数接近4 000点时达到3万美元/d，2012年2月4日BDI指数降低到了26年来的历史最低点647点时日租金仅剩下不到5 000美元，“油耗高”也在这一时期尤显突出，成了大家对该类船型关注的焦点，也是导致该船型租金水平低于巴拿马型船的原因之一。

2 船舶降速航行的节能原理

船舶在航行时，受到空气和水2种介质的阻力。对民用船舶来讲，船体阻力约与航速二次方成正比；其功率约与航速的三次方成正比。由于主机燃油耗量是主机功率与其耗油率二者的乘积，当船速降低时，主机功率会大幅度降低，即主机每循环的喷油量减少，使其有效功减少。当主机减功运行时，其功率大致与桨速（航速）成三次方比例降低。对于定距桨船，减功的同时也带来桨速降低，螺旋桨效率会有一定的提高。减速节能措施，就是利用这种特性，用航速稍微降低来换取大幅度的节省推进功率，从而实现节约燃油目的。

对于92 500DWT散货船，理论计算得出，若航速降低5%，则主机功率下降11.6%，燃油消耗量减少14%；若航速降低10%，则主机功率下降22.1%，燃油消耗量减少26.1%。

3 合理船舶航速的确定原则

3.1 最低耗油率航速（Vh）

柴油机在推进特性线工作，当功率与转速变化时，其耗油率由于受到喷油量、换气质量、转速等影响，不是一个定值，一般在70%～75%负荷时耗油率值最小。柴油机在耗油率最小时运转，其经济性最好，对应的负荷值可以通过查阅船舶主机“Ge-Ne”曲线得到。若高负荷高航速下工作，就应尽量使用最低耗油率航速。

3.2 最低营运费用航速（Ve）

由最低营运成本决定的航速，即某航次内使燃油费用和其他费用之和为最小值的航速，也就是单位运输成本最低时的航速。应该说，船舶设计时选定的速度也是充分考虑了船舶营运的经济性，但在实际营运过程中会碰到燃油价格上涨等因素影响，始终按设计速度运行往往是不经济的。同时还应该考虑主机性能以及维持船舶航行的其他费用支出变化，而不断改变原有航速，才能保证营运的最佳经济性。这就是经济航速。

经济航速只考虑了最低航行成本，但航运公司利润不一定最高，在市场环境好、租金水平高、盈利空间大的形势下，选择采用经济航速反倒“不经济”。因此，经济航速通常在市场处于低位时被选用。

3.3 最大盈利航速（Vr）

船舶盈利效果为运费收入减去经营成本。船舶最大盈利航速，即在某一阶段营运期内盈利最大的航速。它不仅考虑了支出，而且考虑了收入。它不是一个固定值，而是随货物运价、船舶租金水平、燃油价格和船舶管理成本等收入和成本变化而变动的。由于降低航速将延长每个航次的周期，降低船舶周转量和运输能力，因此，在节约油耗降低成本的同时，也减少了运费的收入，综合反映在盈利上。在最大盈利航速下，成本虽不是最低，但盈利最大。

对于船舶经营者来说，船舶在按设计航速或经济航速航行时，都不一定能达到最佳盈利效果。在运价高时为抓住盈利机会尽量提高航速，在单位年度内增加航次数量，可提高盈利效果；在航运市场低迷时，通过减速节油来减少亏损，可缓解“跑得越快、亏得越多”的现象。所以如何确定最佳盈利航速需由船舶经营者统筹测算。

3.4 主机低限功率航速（Vm）

船舶减速航行时主机工况偏离设计工况，各种性能参数的匹配可能严重失调，导致出现换气、燃油雾化、燃烧、增压效能、汽缸润滑以及热平衡状态等一系列问题，严重时会危及主机正常工况。传统柴油机如长期处于这种恶劣条件下运行，除耗油率会不断加大外，还将使主机燃烧室、扫排气系统迅速积炭和脏堵，气缸、活塞过度磨损，缸套低温腐蚀、废气锅炉酸腐蚀等，从而增大维修保养成本，影响船舶安全性。船舶减速应综合考虑主机设计工况允许的减功极限，按柴油机厂家指导意见进行。

3.5 合理航速的确定

选择合理航速的原则应是取经济航速Ve、最大盈利航速Vr和低限主机功率航速Vm三者中的最高者，一般应取接近最大盈利航速为佳。在实际运用中，船长应根据具体情况灵活掌握，除按公司指令运行外，还应该充分考虑天气、海况、洋流、班期、靠港计划和节假日加班等因素随时灵活调整。

4 船舶降速航行的应用限制

在实践中，主要影响航速的因素是自然条件，风、浪和海流对航速影响非常明显，在船舶顺风顺浪状态，较小的主机负荷就可以获得较高的桨速和航速，此时适当减小油门对船速影响并不明显，可以节省燃油消耗；反之，顶风顶浪状态，要想获得同样的螺旋桨转数就需要较大的主机负荷。浅水道和窄水道航行也会增大船体阻力。也就是说，单纯减速并不是目的，通过控制航速达到降低主机负荷才是节油的根本。主机遥控都是对调速器进行控制，同样的转速设定对应不同自然条件下的油门开度是不同的，驾驶人员应根据自然条件的变化不断调整转速设定才能实现负荷控制。

从船舶的操纵性能看，所采取的航速不能使船舶操纵性能明显恶化，过低的航速将使舵效下降，大舵角航行同样会增大航行阻力。长时间减速不应导致主机工作可靠性明显下降，应注意排烟温度的下降会增加废气锅炉酸腐蚀的危险，应满足轮机设备基本热力平衡要求。减速航行不应明显增加机器的维修工作量，使轮机人员难以接受。当航次需要时，简单的技术调整就应能迅速恢复并容易恢复到原来的正常功率。

5 主机长期降速运行存在的顾虑与技术对策

传统柴油机理论认为：主机长时间低负荷运转，偏离设计工况太多，会使增压压力不足、燃油雾化不良、燃烧恶化、汽缸积炭过多和活塞环黏着导致运动部件磨损加剧。排气道和废气锅炉的脏堵会加剧工况的恶化。过低的排烟温度会使废气锅炉末端加热管表面温度低于露点，产生酸腐蚀危险。废气能量的降低影响锅炉的蒸发量。

为解决以上顾虑和确定92 500DWT散货船主机最佳的可减速范围，我们咨询了MAN技术部和船舶设计部门，对于MAN B&W MC/MC-C主机，长时间在40%负荷工作是可行的并无需对主机进行任何改造。对于新型柴油机使用的滑阀式喷油器可在部分负荷时提供较好的燃油雾化效果，防止滴漏改善燃烧。我们跟踪的这8条船，全部安装ALPHA电子气缸油注油器，与传统的机械式气缸油注油器不同，不是采用“转速调节模式”，而是采用更合理的“平均有效压力调节模式”。该模式根据柴油机转速及负荷大小调节注油量，不仅具有准确的供油定时，提高了注油压力，大大降低气缸油消耗量，更可有效防止部分负荷时机械式注油器汽缸油量过大的弊端，大大的降低了汽缸污染和活塞环黏着的危险。

长期部分负荷工作的另一潜在危险是排气系统脏堵，主要是担心对增压器和锅炉的影响。对于92 500DWT散货船配备了新型ABB-TPL超高增压增压器，采用强力润滑，部分负荷工作受到的影响较小。选用的火管锅炉通流面积较大，烟灰的污染不太明显，一般来说，锅炉排气出口处的烟气温度控制在190°以上对钢板腐蚀的影响是可以接受的。在热带气候条件下，各工况下的排气温度会升高约30°，对防止腐蚀是有利的。另一问题是扫气压力的下降会增大扫气室的污染程度，但这不会对机器造成伤害。

主机辅助鼓风机的ON/OFF设定值通常在40%～42%负荷，因此可以断定该船型主机在40%～85%负荷范围内长期工作都是安全的。最经济的转速/油耗取决于该船型辅助设备的配置。

6 最佳主机减速方案的确定和实际运行数据分析

92 500 DWT散货船技术指标，总长230m，型宽38m，型深20.7m，结构吃水14.9m，满载吃水载重量92 500 DWT，设计航速14.1 kn，主机型号：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%）。

通过对船舶设计、燃油价格和市场租金水平的综合分析，我们认为平均12～12.5 kn航速可作为市场低谷时期的参考经济航速。

围绕12～13 kn航速范围进行的理论计算图如图1所示。

通过2个月跟踪8条92 500 DWT散货船定速航行，取得如表1、图2所示实际数据。

2-4月份中国沿海至澳大利亚和太平洋远东地区，气象条件逐步转好，多数时间风力3～4级，个别天风力7～8级也被统计在内，具有较好的年度气候代表性。12.65 kn船队统计平均航速比设计航速降低10.3%，平均燃油消耗量减少23.7%，比理论计算节油量少2.4%，考虑滑失率、燃油热值和ISO条件偏差等因素对主机实际油耗增加的影响，实测与理论值吻合较好。12.65 kn的日燃油消耗量34.31 t正好与75 000吨级巴拿马型散货船设计航速14 kn下的燃油消耗量相当。

表1 8条92 500 DWT散货船定速航行实际数据

图1 航速理论计算图

图2 理论计算油耗率与实测数据对比

7 结语

以上论述和实船试验结果得出结论，在现阶段航运市场低谷时期，如果将92 500DWT散货船降低1.5 kn航速使用，基本上与75 000吨级巴拿马型散货船设计航速下的油耗相同，而与之相比可以多载17 500 t货物。假如从澳洲西部主要矿区到中国长江口，航行距离大约3 300 n，采用平均12.5 kn和14 kn航速航行相差1.18天，也就是说使用该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的载货量。

2011年底的统计数字表明，全球巴拿马型散货船（指60 000～84 999 DWT）营运船有大约1 656艘（新造订单存量596艘），后巴拿马型散货船（85 000～119 999 DWT）营运船有大约362艘（新造订单存量183艘）。在不受吃水、港口条件限制，可以装满载的航次，92 500 DWT散货船使用经济航速运营可以发挥更大的优势。对船舶航速进行有效管理是经济和技术的综合反映，针对不同市场条件选择合适的经济航速加上对船员的正确指导，对提高运输企业的经济效益非常有益。