綠色400000t礦砂船主機選型優化研究

薛 佳

（南通中集太平洋海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226251）

1 概 述

全球對綠色、環保的要求日益提高，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）及美國、歐盟等國家或地區針對船舶的綠色環保、溫室氣體和其他有害氣體的排放，相繼出臺了一系列公約、法規和要求[1]。2013年1月1日正式生效的船舶能效設計指數（Energy Efficiency Design Index，EEDI）對新造船從研發到建造的各個階段產生了深遠影響，指出了船舶設計建造的發展方向。

上海船舶研究設計院于2007年為巴西淡水河谷公司研發了400000t礦砂船，用于在中國—巴西航線（以下簡稱中巴航線）上運輸鐵礦石；江蘇熔盛重工有限公司承接了該型船的首批訂單；韓國大宇公司在此基礎上開發出了該型船并承接了訂單。為保持并鞏固我國在該產品上的領先地位，需對產品進行升級優化。作為國內完全自主創新研發的超大型礦砂船，該400000t礦砂船極有可能是中巴航線或其他類似航線上用來運輸鐵礦石的主力船型，市場需求較大。本文介紹對400000t礦砂船的主機及相關節能減排設備開展優化研究，以進一步提升產品的競爭力，確保我國在該領域的市場領先地位。

2 選型優化

2.1 主機機型優化分析

1) 就油耗而言，選擇電噴柴油機代替傳統的機械式噴油柴油機逐漸成為趨勢。目前面臨的挑戰是，IMO的NOx排放控制要求已從TierⅠ升級到TierⅢ，排放控制要求的逐漸提高導致柴油機的油耗不斷增加，必須通過對各型柴油機的合同功率點、常用功率點（甚至是可能選擇的低負荷功率處的油耗數據）進行對比分析，選擇相對經濟的低油耗機型。

2) 就主機的外形尺寸而言，需對機艙區域的整體布局、軸系的布置及各層甲板通道的設置進行通盤考慮。對比各型主機與機艙布局的整體協調性，選擇與機艙布局匹配相對合理的機型，降低對機艙區域結構的影響，保證最佳的通道設置，節約機艙空間。

3) 就主機所需的輔助設備而言，主要考慮設備要盡可能少，輔助設備要簡單，成本要低。

MAN B&W公司的ME型電控柴油機實現燃油噴射和排氣閥開啟的動力來自一套專門的液壓動力供應單元。除了該ME型電控柴油機以外，瓦錫蘭公司也研制出RT-flex型電控柴油機。與ME型電控柴油機不同，該型電控柴油機采用的是共軌式，通過共軌閥來控制燃油噴射，共軌閥根據柴油機控制系統的指令來控制燃油噴射的定位和噴油量。

主機選型及優化的實質是用可輸出較大功率的柴油機輸出較小的功率，或在相同功率下降低主機轉速。前者影響主機的尺寸、重量、機艙長度和造價，而后者影響螺旋槳的直徑及艉吃水，這就需要在總體設計中進行全面的考慮，這里僅從油耗、有害物排放、廢熱利用及EEDI等角度進行對比。

2.2 專利廠機型參數比較

目標船要求服務航速為14.8kn，目前在MAN B&W及W?rtsil? SULZER兩大柴油機公司生產的低速船用柴油機產品中，適合該船的機型主要有MAN B&W 7G80ME-C，7S80ME-C，W?rtsil? 7X82, 7RT-FLEX82T。對這些機型的油耗進行分析比較，結果見表1，其中：MCR表示主機最大持續功率；CMCR表示選定最大持續功率，又稱為SMCR；CSR表示正常持續功率，又稱為NCR。

表1 主機選型比較

考慮到船機槳的匹配問題及艉部線形能容納的螺旋槳直徑，根據推進器廠家的計算，可配置直徑最大11.2m的螺旋槳。由表1可知，在這幾款機型中，7G80ME-C9.2因轉速低、推進效率高及在相同的航速下主機所需功率最小，燃油日耗量比另外3型主機都要低。在機艙布置方面，以上4型主機的外形尺寸差別不大，但MAN主機的露臺高度與機艙平臺高度更匹配。因此，7G80ME-C9.2是新一代400000t超大型礦砂船主機的最優選擇。

2.3 主機廢熱回收研究

2.3.1 主機廢熱發電量計算

在船用發動機燃油的總能量中，約有50%未得到有效利用，其中有23%隨廢氣被帶走，對這部分能量進行回收必將有助于降低燃油消耗及減少有害物排放[2]。由于廢熱回收設備價格昂貴，因此一般在主機功率＞20000kW的前提下進行回收才有經濟意義。廢熱回收主要有以下幾種形式：

1) 通過旁通部分廢氣來驅動動力透平，大約能回收3%～5%的主機功率；

2) 采用單壓廢氣經濟器產生蒸汽來驅動蒸汽透平，大約能回收4%～7%的主機功率；

3) 采用雙壓廢氣經濟器產生蒸汽來驅動蒸汽透平，大約能回收6%～9%的主機功率；

4) 采用雙壓廢氣經濟器產生蒸汽來驅動蒸汽透平結合廢氣動力透平，大約能回收9%～12%的主機功率。

該船主機CMCR功率為24700kW，CSR取90%CMCR進行計算，發電機功率為1000kW，大約為5%主機CSR功率，可對廢熱回收方案進行研究。

首先對7G80ME-C9.2的廢熱回收能力進行計算，結果見表2。

表2 雙壓系統廢熱發電量估算

采用雙壓系統，主機在CSR點的發電量為1090kW。考慮到廢熱系統本身的耗電量、主機低負荷及冬季工況運行問題，1090kW的發電量顯然不能滿足需求。因此，進一步選擇蒸汽透平與廢氣透平相結合的模式進行計算，結果見表3。

表3 雙壓系統+廢氣透平廢熱計算

續表3

采用蒸汽透平（ST）與廢氣透平（PT）相結合的模式，主機在CSR點的發電量達到1584kW，可滿足在海上航行時的電力負荷要求，因而可減少1臺柴油發電機組。

2.3.2 主機廢熱回收系統設備配置

主機廢熱回收系統主要由廢氣經濟器和透平發電機2部分組成，系統示意見圖1。選擇阿法拉伐的廢氣經濟器和三菱的透平發電機為研究對象。

1) 阿法拉伐雙壓廢氣經濟器系統主要由以下部件組成：

(1) 高壓經濟器，長、高和寬分別5240mm，9850mm，2650mm。

(2) 高壓汽包，直徑和長分別為Φ2320mm及2900mm。

(3) 低壓經濟器與高壓經濟器組合。(4) 低壓汽包，直徑和長分別為Φ1970mm及2800mm。

(5) 給水泵，型式為直立多級離心泵（2個），排量和壓頭分別為35m3/h及1.8MPa，電機功率為30kW。

(6) 高壓系統循環水泵（2個），型式為直立離心泵，排量和壓頭分別為150m3/h及0.4MPa，電機功率為40kW。

(7) 低壓系統循環水泵（2個），型式為直立離心泵，排量和壓頭分別為40m3/h及0.35MPa，電機功率為13kW。

圖1 廢熱回收系統示意

(8) 熱井。

雖然廢氣經濟器的高低壓廢氣經濟器及汽包的尺寸較大，但400000t礦砂船的上甲板面寬闊，上層建筑采用雙島布置，有足夠的空間布置經濟器部件。

廢氣經濟器自身的電功率消耗約為100kW，廢熱發電量可覆蓋該部分額外耗電量。

2) 三菱透平發電機系統主要由以下部件組成：

(1) 蒸汽透平，1200kW，三菱，AT42M。

(2) 減速齒輪（蒸汽透平與發電機之間），速比為6.4:1。

(3) 減速齒輪（動力透平與發電機之間），速比為13.9:1。

(4) 調速系統，型式為WOODWARD GOVERNOR。

(5) 滑油系統，型式為強制滑油系統，滑油冷卻器×1（水平殼管式），主滑油泵×1（齒輪泵），輔滑油泵×1（齒輪泵帶自啟動系統），雙聯控制油濾器×120μm，雙聯系統油濾器×1100μm。

(6) 冷凝器，型式為殼管式，蒸汽量為11500kg/h，冷卻面積為200m2。

(7) 真空泵，型式為臥式，排量為11500kg/h×0.0064MPa，功率為8kW。(8) 冷凝泵，型式為臥式，排量為15m3/h×0.4MPa，功率為8kW。

(9) 發電機，功率為1800kW，電制為450V×60Hz，冷卻型式為水冷。

(10) 動力透平，功率為800kW。

透平發電機系統的額外功率消耗約為80kW，加上廢氣經濟器系統的100kW額外能耗，共產生180kW的額外能耗。母型船在正常情況下的電力負荷消耗加上廢熱系統的額外能耗為1050kW，因此采用廢熱發電系統完全可保證在正常航行工況下不必運行柴油發電機組。由于采用透平系統可使船舶減配1臺柴油發電機組，因此透平發電機可與其余柴油發電機組一起布置在發電機平臺上，在空間上也沒有問題。

2.3.3 主機廢熱回收系統經濟性研究

主機采用廢熱回收系統需增加最大爆壓 Pmax和廢氣溫度，單位油耗從 161.2g/(kW·h)增加到163.6g/(kW·h)。由于減少了1臺柴油發電機組的油耗，船舶燃油消耗大約可節約4t/d。同時，透平發電機組的滑油消耗和維護費用均小于柴油發電機組。因此，按照年均航行 270d計算，1a可節約綜合費用 78萬美元（見表4）。整套廢熱系統設備的價格大約為400萬美元，成本回收期約為5a，接近于船東可接受的時間上限。但是，隨著將來透平設備價格走低和燃油價格不斷攀升，在400000t超大型礦砂船上裝備廢熱回收系統具有相當可觀的競爭力。

表4 廢熱回收系統經濟性比較

2.3.4 廢熱回收方案的EEDI收益

國際海事組織（IMO）國海上環境保護委員會（MEPC）第63次會議通過了EEDI計算方法的決議。根據要求，于2013年1月1日或該日以后簽訂建造合同，于2013年7月1日或該日以后鋪龍骨，于2015年7月1日或該日以后交船的新船及進行重大改造的船舶需滿足EEDI要求[3]。決議將EEDI的需求值劃分為0階段、1階段、2階段和3階段等4個階段，每個階段的EEDI需求值都會比前一階段遞減10%。

EEDI的計算式為

式(1)中：nME為主機的臺數；capacity為載重噸或總噸；fi為對載重噸或總噸的修正系數；fj為冰區加強修正系數；fw為不利海況下導致的船舶耐波性失速系數；feff為新型能效技術的采用系數；Vref為特定功率和裝載條件下的船舶航速；SFC為柴油機經核定的特定燃油消耗量，g/(kW·h)；PME(i)為每臺主機額定裝機功率（MCR）減去軸帶發電機功率后 75%時的功率值；PPTI(i)為每臺軸帶推進電機額定功率值除以效率后75%時的功率值；Peff(i)為由于能效技術創新使得主機功率減少的效能功率的75%；PAEeff(i)為由于能效技術創新使得輔助功率減少的效能功率；PAE為正常最大海況下所需的輔機功率。

EEDI是衡量船舶能效水平的指標，其計算式是以CO2排放量與貨運裝載能力的比值來表示船舶的能效，分母表示船舶在規定的船速下與載貨量的乘積，分子可概括為主輔機的功率與燃油消耗量的乘積及由于釆用新的節能技術而減少油耗所帶來的船舶能效的提高2部分。

由式(1)可知，EEDI的計算值與燃料的碳排放系數CF，主輔機的燃油消耗率SFC，主輔機的功率值，船舶艙容及船舶航速等參數有關。EEDI的要求值由船型和載重量來確定。新造船EEDI的計算值應小于相同階段EEDI的要求值。

通過計算可知：該船不采用廢熱回收系統所得EEDI為1.81，基線值為2.0339，EEDI約下降11.07%；而采用廢熱回收系統之后所得EEDI為1.72，EEDI下降15.42%。因此，在新造項目上推薦采用主機廢熱回收系統。

2.4 硫氧化物及氮氧化物排放標準研究

船舶航行期間的污染主要是由船用柴油機造成的，其中排放的NOx和SOx是最主要、最引人關注的污染物[4]。IMO將大氣污染物排放控制標準由MARPOL Annex VI中的SOxEmission Control Areas（SECAs）改為ECAs（Emission Control Areas），于2010年7月1日生效。這意味著大氣污染物由原來的對SOx排放的控制擴大到了對更多大氣排放物的控制（如NOx排放等)[5]。目前，IMO已批準北海和波羅的海這2個大氣排放控制區，在這些排放控制區航行的船舶，其燃油的含硫量要求為：

1) 2010年7月1日以前，含硫量低于1.5%；

2) 2010年7月1日以后，含硫量低于1.0%；

3) 2015年1月1日以后，含硫量低于0.1%。

隨著以上公約的生效，以后對廢氣排放的要求將更加嚴格，低硫油將得到非常廣泛的使用，同時會對主輔機、鍋爐及分油機等設備的管理帶來一系列影響。

母型船和目標船的營運線路均為中巴航線，按照兩國港口法規及標準的要求，柴油機 NOx排量滿足Tier II排放要求即可，目前新造的ME主機和RT-flex主機都能滿足Tier II排放要求。考慮到該型船將來可能會去美國港口和歐洲港口，需做好主機滿足Tier III排放要求的研究準備。

2.4.1 硫氧化物排放控制研究

為盡量降低SOx排放以減少環境污染，應使用含硫量更低的燃料油，主輔機和鍋爐都要配有專門的低硫燃油艙及輕柴油艙，同時可將輕柴油艙更換為MGO艙，分油機增加MGO供油單元，以滿足SOx排放控制的要求。在無低硫油可使用時，需安裝脫硫塔以實現對SOx排放的控制，將主機、發電機和鍋爐排氣管匯總到機艙棚內的脫硫塔上，脫硫塔通過對船上氣體排放進行集中處理，噴撒NaOH以去除硫化物，達到減少環境污染的目的。

目前市場上含硫量低于1.5%的燃油主要是從低硫原油中提煉得到的，只有部分地區可出產該類燃油。此外，該類燃油也可通過安裝脫硫設備提煉得到，但這些設備非常昂貴。隨著低硫油市場需求的增大，脫硫燃油將得到廣泛應用。

2.4.2 NOx排放控制研究

當前Tier III的生效日期為2021年1月1日，其排放控制區為波羅的海、北海、北美和加勒比海。對于NOx的排放控制，主機廠家有選擇性催化還原技術SCR（Selective Catalytic Reduction）和廢氣再循環技術EGR（Exhaust Gas Recirculation）2種推薦方案。方案原理示意見圖2和圖3。

1) 對于SCR方案，主機廢氣經過SCR之后到增壓器排出，SCR內噴灑NH3，在催化劑作用下生產N2和H2O，以達到去除NOx的目的。該方案SCR機艙占用空間大，處理裝置和排氣管安裝等對現場的要求比較高。

圖2 SCR原理示意

圖3 EGR原理示意

2) 對于EGR方案，主機廢氣經過NaOH洗滌塔將廢氣中的灰去除掉，將低氧分廢氣和新鮮空氣一起加入氣缸燃燒，從而在燃燒過程中減少NOx的產生量。該方案EGR布置在主機內部，布置比較緊湊，其外圍系統布置比較靈活，改動相對較小。

綜合以上分析，目標船SOx和NOx的排放可采用脫硫塔加EGR的方式進行控制。

3 結 語

新一代400000t礦砂船項目的適時優化滿足了船東的核心需求，是引領市場發展的產物。通過對該船型進行優化，能提升我國在世界造船領域的地位，提高我國在超大型船舶設計建造領域的水平，使400000t礦砂船節能減排、綠色環保、安全可靠和營運高效的設計理念得到船東、船級社及行業內人士的一致認可。

本文在母型船巴西淡水河谷400000t礦砂船的基礎上，通過對專利廠相關型號的主機進行分析、綜合比較，提議采用的主機機型日油耗由原來的97.4t/d降低到81.2t/d。在進行油耗研究的同時，對目標船配備主機廢熱回收裝置的可行性進行了探討。研究結果表明，在大型礦砂船上使用廢氣回收節能裝置是可行的，優勢是電站容量減小，燃油經濟性得到進一步提高，船東的營運成本大大降低。此外，對NOx和SOx的排放標準進行了研究，對新造船如何滿足這些新的排放標準進行了探討。

【 參 考 文 獻 】

[1] 田長偉, 趙翠.新造船舶能效設計指數對主機選型影響分析[J].廣東造船，2011, 30 (2): 45-48.

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[3] 唐在陽.基于《經1978年議定書修訂的1973年國際防止船舶造成污染公約》附則Ⅵ修正案的我國履約對策研究[J].中國海事，2013 (1): 25-28.

[4] 高蓓蕾, 俞言霞.船舶排氣污染、執行標準及其控制對策初探[J].中國資源綜合利用，2012 (12): 41-42.

[5] 陳秋華.船用低硫油管理、轉換與操作[J].船舶經濟貿易，2010 (7): 41-42.