4.5萬噸級淺吃水散貨船主機選型比較研究

詹立魁

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4.5萬噸級淺吃水散貨船主機選型比較研究

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最大的主流船型，因此，倍受船東和船廠青睞，這個巨大的市場值得高度重視。

近期，隨著原材料需求煤炭、鋼鐵、銅等的增長對散裝貨輪的運力要求大大增加了。尤其經濟快速增長的中國，其工業發展對原材料需求激增，鋼鐵工業發展需要大量鐵礦石等大宗散貨物的運力,相應的對散裝貨運輸的要求更高，由于散裝貨物運力不足巳導致散裝貨輪運費的急劇增加。因此，盡管世界海上運輸尚未走出國際金融危機帶來的低谷，但是新增散貨船需求市場已是非常活躍，從而帶動新造散裝貨船定單量的提高。

世界船用低速柴油機市場一直為MAN B&W、Wartsila-New Sulzer和日本三菱重工三大公司壟斷，以生產總功率來說，分別約占57％、33％和10％。幾年來它們的產量之和平均都在總功率的85％以上。MAN B&W 柴油機有限公司是世界領先的四沖程柴油機生產商和船用大型低速二沖程柴油機設計商。據統計世界范圍的造船高峰期，每 10 條新造的大型遠洋運輸貨輪中，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。在中國每 10 條由中國船廠建造的貨輪中，近 8 條船是由 MAN B&W 的柴油機驅動的。

1 4.5萬噸級淺吃水散貨船設計任務來源

福建省輪船公司目前服務的各大電廠大多位于長江、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10.7米。從我司目前擁有的船型來看，2-3萬噸船舶單位成本較4萬噸要高，而4.3萬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，如船舶市場上一艘4.3萬噸級二手船舶，滿載吃水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，實際只能載貨38000噸左右，虧艙3715多噸，經濟效益大打折扣，因此根據航道特點建造淺吃水散貨船是提高實載率和經濟效益的有效途徑。

為此，根據市場情況，經研究我司決定于2010年擇機開工建造6艘淺吃水4.5萬噸級散貨船。

2 船舶設計的基本資料

該船舶類型為45000噸級散貨運輸船，要求設計為鋼質、單甲板、尾機型、單機、單漿、單舵，可航行于國內沿海、南京以下長江各港口、東南亞為主的近洋航區。

2.1 船舶主要參數

總載重噸：45000T

總長：189.9M

垂線間長：180.9M

船寬：32.26M

型深：15.4M

設計吃水：10.5M

結構吃水：10.9M

貨艙數：5個

設計航速：13.5~14.5節（Knots）

船級：CCS

船籍：中國

定員：24人

主機功率：8280KW

航海功率裕度：15%

主機功率裕度：10%

主發電機：CCFJ520-1000

主機油耗：173g/kw.h

公分浸噸（TPC）：55～59噸/厘米

2.2 實際載貨量的確定

該輪設計吃水（Designed Draft）為10.5米，總載重噸43007噸，根據該船型《45000DWT散貨船實際載貨量表》（見表1、表2），以及海水密度為1.025t/m3，考慮到新造船投入的是國內沿海航線，航程較短，油水可相應減少，因此取《短航線時油水取50％即905噸》表中數據計算載貨量。

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散貨船實際載貨量表，短航線時油水取50％即905噸

表2 長航線時油水取100％即1810噸

3 4.5萬噸散貨船主機選型

3.1 散貨船主機

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，推進系統的功率也較小。船舶航行速度越高，需要的推動力越大，耗油率也迅速上升。在額定工況下,主機的功率由船舶的最大航速來確定,隨著船舶營運時間的延長,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時,螺旋槳產生的推力必須克服船舶對水和風的阻力,這些阻力取決于船舶的線型、尺寸、航行速度以及風浪大小和航道深淺等。根據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

該項目4.5萬噸散貨船是屬于大靈便型散裝貨輪，主機的選型按該級別推薦機型內選擇。

3.2 散貨船主機選型考慮因素

根據設計主要要求,主機選型主要考慮因素: 第一,技術先進成熟、運行穩定;第二,振動、噪音小,指標優良;第三,經濟性(初投資小、油耗低) 、工藝性能好,維修便利,重量輕、體積小,與其它技術性能(快速性、振動、噪聲) 有較好匹配,性價比較高。

大型船舶的主機多為“量身定制”，即根據船舶設計參數確定主機參數，其中最主要的參數是功率。由于船舶在不同狀態下對主機功率的需求變化很大，因此，在設計船舶時，需要由船舶所有人和船舶建造商議定最大持續運行功率（SMCR）。在正常情況下，航行時的最大運行功率是最大持續運行功率的90%。確定散貨船主機的最大持續運行功率時主要考慮載重量、平均船速和船舶尺寸等因素，有時還要考慮航線因素。20 世紀90 年代以來，燃油價格成為船舶經營成本中最不確定的因素之一。船舶所有人和經營人希望船舶主機能在多種航速下保持最佳工況，從而實現經營成本最小化。這對船舶發動機的設計者和制造商提出更高要求。

同時，螺旋槳的最佳速度是不斷變化的，穩定轉速變得越來越低，由于大直徑螺旋槳可用于船舶，因此螺旋槳的直徑越大，在實際的螺旋槳轉速和有關動力需求會相應低，降低了每噸散裝運輸所需的推進動力。

這些因素已經影響主機類型的選擇及安裝，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，基于過去8年建造的散貨船分析的基礎上來闡明現代最新的船舶大型散裝貨輪的特性，并確定其對推進動力需求和主機選擇，采用最新的MAN B&W二沖程發動機為基礎的方案。從長遠的經濟角度考慮，以滿足國際海事組織防污染公約（MARPOL 附則VI修正案）TIEII排放要求考慮，主機主要從MAN B&W系列的6S46MC-C8和6S50MC-C7兩種任選一種機型并進行性能比較和經濟性分析。

4 船舶主機基本性能比較

MAN B&W系列的6S46MC-C8和6S50MC-C7均是大功率低速柴油機，廣泛應用于散貨船、油船、集裝箱船等大型遠洋船舶上。由于船舶日趨大型化、巨型化與自動化以及對船舶主機的經濟性、可靠性的要求日益提高，大功率二沖程低速柴油機的技術發展呈現出整體優化的趨勢，具體表現在以下幾個方面：①單機、單缸功率越來越大，如K98MC的單缸功率最大可達5719 kW。②進一步降低燃油消耗率，二沖程低速柴油機的燃油消耗率已降低到164．6 g／(kw?h)。③平均有效壓力已達1．90～1．95 MPa，爆發壓力在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5：1。⑤采用電子調速器系統、電控燃油噴射系統、高壓共軌燃油噴射系統、智能化電子控制系統，進一步提高低速柴油機的可靠性，改善低負荷性能，降低油耗，控制NOx排放，以及安全保護控制等。

4.1 MAN B&W 6S46MC-C8

主要技術參數：

缸數：6缸，缸徑460mm，額定功率（MCR）為8280KW，轉速129rpm；持續服務功率（CSR）為7452kW，轉速124.5rpm。

在15%海上裕度功率為6480kW時，主機油耗指標最低，為169g/kW·h，對應航速為14.25Kn，每天耗油26.3t；

渦輪增壓器選配傳統型。

4.2 MAN B&W 6S50MC-C7

主要技術參數：

缸數：6缸，缸徑500mm，額定功率（MCR）為9480kW，轉速127rpm，持續服務功率（CSR）為6966kW，轉速124.5rpm。

在15%海上裕度功率為為6057kW時，主機油耗指標最低，為159g/kW*h，此時轉速為109.4rpm，航速為14.1Kn，每天耗油23.1t。

渦輪增壓器選配高效型。

從以上兩機型的技術參數可知，MAN-B&W MC 系列的低速柴油機在框圖的任何一點均可作為該機器的選定最大持續功率（MCR）點，選定SMCR后主機廠會匹配增壓器和壓縮比等,而后的一切動力裝置的計算就以SMCR為準。兩機型都可滿足IMO的TIER II排放要求。如果把海上功率裕度的功率儲備，即在污底、海況惡劣的情況下要保證航速就需要利用儲備功率考慮進去，應該選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。所謂減額輸出柴油機即主機廠對同一型號(同一缸徑、同一沖程) 的柴油機調整其排氣齒輪定時、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, 可以在主機減額輸出區選擇不同的主機減額輸出點, 給螺旋槳的配置提供了較大的靈活性, 并滿足等航速的要求, 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，轉速118.7rpm，即可算出常用功率。采用柴油機減額輸出運行, 改善動力裝置的經濟性。

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

5 船舶營運經濟性比較分析

5.1 投資效益測算

以下對上述二種機型船舶進行投資效益分析，具體如表3：

表3 年航次數計算

表中：（1）確定年營運天數時，扣除了船舶修理、惡劣天氣等天數。年營運天數取346天。每航次停港時間6.5天。（2）航程為廈門至泰皇島航線，來回航程，見表4、表5。

表4 年貨運量計算

表5 年總成本計算

在計算中作如下考慮：

1）正常航行時的油耗按照使用主機和1臺輔機計算，重油和輕油的使用比例以70％: 30％計算。

2）停泊時的油耗按照1臺輔機計算，全部使用輕油。

燃油費：參照近期主要港口的燃油價格。重油價取為3400元/噸，輕油價格取為5500元/噸。

3）15年營運期后船舶殘值假定為30%。

4）維修費取150萬元人民幣/年。

5) 港口費取26~27萬元人民幣。

6) 船員人數為30人，年工資共為450萬人民幣。

7)營運航速：取為滿載服務航速。

表6 年營運收入計算

5.2 經濟性分析

表7 經濟性分析

表中：必要貨運費率RFR：是船舶營運最低每噸貨運費，所以該值越低表明船舶的經濟性越好。從上表可以看出，序號1船型和序號2船型RFR基本接近，但序號3船型和序號4船型RFR更低，更具有經濟性。

表8 經濟性分析

船名6S46MC-C86S50MC-C7單位 第6年可還貸額4079.07 4289.50 萬元 第7年貸款余額738.41 　萬元 第7年還貸利率44.30 　萬元 第7年可還貸額4323.81 4534.36 萬元 第8年貸款余額4368.12 4534.36 萬元 第9年贏利額4368.12 4534.36 萬元 第10年贏利額4368.12 4534.36 萬元 第11年贏利額4368.12 4534.36 萬元 第12年贏利額4368.12 4534.36 萬元 第13年贏利額4368.12 4534.36 萬元 第14年贏利額4368.12 4534.36 萬元 第15年贏利額4368.124534.36萬元 運營15年后的總利潤38530.3541017.67萬元

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

6 結論

隨著船舶自動化程度的提高,機械系統變得越來越復雜，價格也越來越昂貴。因此船東們非常關心如何在保證船舶各種正常動力性能指標的同時，降低設備成本，并獲得更高的回報。在很多情況下，船舶建造者或船東發現在建造當中如何合理地選擇機械設備， 以保證其可靠性、操作性、可維修性又要保證其經濟性是一件比較困難的事情。

筆者認為主機的選型是關鍵，應考慮的因素為可靠性、維修性、空間及安排、重量、燃油種類、燃油消耗、廢熱利用、操作性、價格、對輔助設備的要求、備件供應和岸基支持方面能力等等的綜合結果。

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