現(xiàn)代重工13200TEU集裝箱船設(shè)計(jì)要點(diǎn)

李 源

作為韓國(guó)最大的船企，現(xiàn)代重工對(duì)船型預(yù)研投入很大，其開發(fā)的一型13200TEU集裝箱船的概念設(shè)計(jì)中，較多地考慮了船舶的環(huán)保性能和運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性，將航速?gòu)?5～26kn降至21～23kn，并應(yīng)用多種環(huán)保技術(shù)，來(lái)達(dá)到節(jié)能減排的目的。

主機(jī)的選擇

1、選用適用于低速航行的主機(jī)

計(jì)算證明，當(dāng)航速降低15%～20%時(shí)，燃油耗量將大幅減少40%左右。出于運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性的考慮，集裝箱船越來(lái)越多地采用低速航行，這樣在船體設(shè)計(jì)和動(dòng)力配置上會(huì)與以前高速航行時(shí)有所不同，因此設(shè)計(jì)上應(yīng)基于低速航行對(duì)船型進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)動(dòng)力配置上傾向于使用低速主機(jī)和更大直徑的螺旋槳。過(guò)去大型集裝箱船往往選用K98型主機(jī)，但目前大型集裝箱船越來(lái)越多地采用長(zhǎng)沖程的S80ME-C9和S90ME-C8/9發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)檫@種類型的主機(jī)可搭配更大直徑的螺旋槳。這樣，一臺(tái)S90ME-C9柴油機(jī)可替代相同氣缸數(shù)的K98型。這樣做的好處是油耗明顯下降，從表2中可以看出13200TEU集裝箱船采用低速的S90ME型主機(jī)后，在正常持續(xù)功率狀況下，比使用K98ME型主機(jī)每千瓦油耗將減少4.8%，每日油耗將減少8%。

表14500TEU和13200TEU集裝箱船選用不同主機(jī)時(shí)的比較

表2 采用8S90ME-C9.2主機(jī)或10S90ME-C9.2主機(jī)的比較

2、通過(guò)降功率（derating）使用更大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)減少油耗

同樣采用長(zhǎng)沖程主機(jī)的前提下，若采用比所需功率更大的主機(jī)，并降級(jí)使用時(shí)，油耗會(huì)有所減少。表3對(duì)該船分別采用8缸和10缸的主機(jī)配置進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)正常航行狀況下后者每千瓦油耗將減少2.4%，每日油耗將減少4.4%。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)各種負(fù)荷狀況下的油耗比較

節(jié)能環(huán)保特點(diǎn)

1、通過(guò)調(diào)校發(fā)動(dòng)機(jī)減少油耗

發(fā)動(dòng)機(jī)控制調(diào)校（ECT）。該方法僅適用于電噴型主機(jī)，且無(wú)需更改發(fā)動(dòng)機(jī)部件，僅通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)。

廢氣旁路（EGB）調(diào)校。該方法需安裝廢氣旁路，發(fā)動(dòng)機(jī)上的渦輪增壓器與100%負(fù)荷廢氣旁路全開時(shí)相匹配。

可變渦輪區(qū)（VT）調(diào)校。該方法要求特殊的渦輪增壓器部件，以允許發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器改變噴嘴環(huán)的面積，噴嘴環(huán)的面積在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)最小。

2、改變渦輪增壓器

a、通過(guò)打開、關(guān)閉渦輪增壓器，實(shí)現(xiàn)雙效最大持續(xù)功率。

b、雙效渦輪增壓系統(tǒng)

安裝大、小兩臺(tái)渦輪增壓器，在低負(fù)荷狀況下，關(guān)閉小渦輪增壓器，高負(fù)荷狀況下，開啟大、小兩臺(tái)渦輪增壓器，高效利用廢氣。

3、帶智能動(dòng)力管理系統(tǒng)的廢氣回收系統(tǒng)

通過(guò)安裝帶智能動(dòng)力管理系統(tǒng)的廢氣回收系統(tǒng)高效利用廢氣，提高環(huán)保性。

除上述節(jié)能技術(shù)外，該船還可應(yīng)用現(xiàn)代重工開發(fā)的多種節(jié)能設(shè)備，如：采用（X扭轉(zhuǎn)）全鏟形舵，可改善空泡性能，增加1%～2%的推進(jìn)效率；采用Vs螺旋槳，可增加2%的螺旋槳效率，改善空泡性能；采用反轉(zhuǎn)螺旋槳（CRP），可增加8%～10%的推進(jìn)效率；應(yīng)用船底空氣潤(rùn)滑層系統(tǒng)，可減少5%～10%的阻力。

優(yōu)化水動(dòng)力結(jié)構(gòu)，降低空船重量

采用高強(qiáng)度鋼并優(yōu)化結(jié)構(gòu)，一方面減少肋骨和縱骨間距，另外，在厚度不同處，分開使用不同厚度的鋼板，以達(dá)到降低空船重量的目的。

排放控制技術(shù)

1、廢氣循環(huán)（EGR）

將部分廢氣重新送回發(fā)動(dòng)機(jī)，減少燃燒室空氣的氧含量，從而降低燒燒溫度，達(dá)到NOX減排目的。MAN公司的EGR系統(tǒng)應(yīng)用范圍十分廣泛，以HFO、精餾燃油或天然氣為燃料的主機(jī)均可使用。試驗(yàn)證明，采用該技術(shù)可達(dá)到將于2016年生效的IMO TierⅢ NOX排放控制要求。

2011年11月現(xiàn)代重工已向MAN公司訂購(gòu)了第二代EGR系統(tǒng)，安裝在為馬士基建造的4500TEU集裝箱船上。該系統(tǒng)包含一臺(tái)冷卻器、一臺(tái)清洗器、一臺(tái)水霧捕捉器和一個(gè)鼓風(fēng)機(jī)，同時(shí)該系統(tǒng)還可作為主機(jī)的進(jìn)氣冷卻器。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，第二代EGR系統(tǒng)可循環(huán)使用40%的廢氣。

2、通過(guò)在燃燒室中加入水降低NOX排放

通過(guò)在燃燒過(guò)程中加入水，降低燃燒時(shí)的峰值溫度，從而達(dá)到減少NOX排放的目的。水可以通過(guò)不同的方法加入到燃燒室中，如使進(jìn)入燃燒室的空氣濕潤(rùn)，直接將水噴射至燃燒室，燃油水分層噴射及將水加入燃油中。現(xiàn)代重工開發(fā)的進(jìn)氣加濕系統(tǒng)可有效減少NOX排放，在四沖程柴油機(jī)中可減少60%的NOX。

其他減排技術(shù)還有采用選擇性催化還原技術(shù)，可減少85%～95%的NOX，以及SOX和顆粒物清洗器。

以LNG作為燃料

船舶采用雙燃料推進(jìn)既增加環(huán)保性能，又可減少能耗。以LNG為燃料的大型集裝箱船的主機(jī)和燃料艙的布置如下圖所示。當(dāng)采用LNG推進(jìn)時(shí)，由于燃料有限，船舶續(xù)航力僅3050海里，但此時(shí)的能耗較低。

另外，該船還可通過(guò)采用電力推進(jìn)和節(jié)電技術(shù)來(lái)提高環(huán)保性能，節(jié)電技術(shù)包括：利用岸電、使用LED光源、使用高效的電動(dòng)機(jī)、使用變頻電動(dòng)機(jī)/電泵，用于首/尾側(cè)推、冷卻泵、通風(fēng)扇和甲板機(jī)械等。

綜合來(lái)看，目前大型集裝箱船是韓國(guó)的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，韓國(guó)幾大著名的船企均對(duì)大型集裝箱船的設(shè)計(jì)建造進(jìn)行了充分的技術(shù)儲(chǔ)備，在優(yōu)化船型、提供節(jié)能環(huán)保解決方案方面進(jìn)行了很多探索，通過(guò)參考并對(duì)比其解決措施可為我們開拓思路，了解國(guó)外船型發(fā)展方向。

從上文可以看出，大型集裝箱船對(duì)主機(jī)的選型和應(yīng)用上與以往有了很大的不同，不論是采用雙燃料主機(jī)還是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)校，同時(shí)利用廢氣、減輕空船重量、安裝各類節(jié)能設(shè)備、采取排放控制措施及采用電力推進(jìn)等均為節(jié)能環(huán)保提供了可觀的空間。實(shí)際上在我國(guó)的設(shè)計(jì)中也已經(jīng)采用類似的思路，比如在為Seaspan船舶管理公司設(shè)計(jì)10000TEU集裝箱船上摒棄了傳統(tǒng)的主機(jī)方案，轉(zhuǎn)而采用超長(zhǎng)沖程、低轉(zhuǎn)速主機(jī)并配備大直徑螺旋槳，顯著提高船舶能效。

表4 采用雙燃料主機(jī)后的能耗