船的节能技术-海文库
全站搜索：
您现在的位置：&>&&>&能源/化工
船的节能技术
船的节能技术**使船舶在不改变船期表下降低运行速度，以达到节能的目的1:船期不变的情况下,使用变速航法是一个相对有效的办法,但是只是对长航线富余IDLE的船舶有效,比如中国-美国5000海里,其中3000海里使用中高速,其余2000海里使用最低速,相比较而言如果海况理想,E-BOUND可以节省10T燃油每天,W-BOUND可以节省8T/天.2:码头协调,充分利用码头的装卸效率也是一个很好的办法,装卸1000TEU的船舶,如果使用3个cranes只要12个小时就可以完工,这个主要取决与码头的合作和船公司专业人员的合理配载.要求难度也是很大.3:增加船舶数量,比如7天周班的航线在航线上增加到8条船,虽然成本上升,但是长期来看,8条船的平均速度下降10%带来的效益可以抵消增加的成本.集装箱船舶的大型化和超大型化
1、船的结构与节能：不同叶梢结构螺旋桨和双桨化学品船的节能螺旋桨设计特点：1）、减小螺旋桨桨叶面积，为了减小桨叶叶形阻力，螺旋桨的伸展面积比为0.33，低于一艘游轮螺旋桨的伸展面积比。2）、叶形与伴流场相配合3）、采用适当的桨叶侧斜角，在特定低负荷下，螺旋桨的侧斜角选为33度以获得最低的噪声和振动量级4）、径向螺距和拱度分布的最佳组合以获得最高效率的螺旋桨5）、增加螺旋桨夜哨负荷，提高螺旋桨效率，在船体线型优化方面要求该船最低的阻力和最高的推进效率2、船体的设计特点1）、特殊设计的低阻球首，球首能有效的消除该船体周围的模型2)、船体前部水线呈直线型3）、船尾采用双尾鳍线形：采用不对称双尾鳍，使螺旋桨盘面处的伴流产生旋转分量，其方向与螺旋桨运动反向相反，从而增加推进效率**为了使边界元在水中运动时产生的粘性阻力最小其位置必须设计的进入螺旋桨的水流保持平行，其形状必须符合水流和螺旋桨的相对运动**适当减小桨叶随边处的直径，并使端板偏移在叶梢的压力面一边，叶梢端板恰好符合桨盘面的流管形状，以减小端板的粘性阻力。
节能的有效途径（一）加强日常管理和维修保养通过研究和实践，技术节能可有效降低船舶燃油消耗，已被大家所认同，并已广泛应用在船舶节能工作中。但是船舶节能减排是一项系统工程，在注重技术节能的同时还应加强船舶管理，把节能减排的基础性工作做好。在日常管理方面，船舶产生的污油、污水和固体垃圾必须依据有关规定统一存放，到岸后交有关部门处理，严禁排、弃入海。在加强船舶维护保养方面，设备、设施要杜绝跑、冒、滴、漏现象；定期进坞对船体、螺旋桨和舵机等设备进行保养，清除附着海生物，选用质量好的防污漆，保持船体水下部分的清洁，减小船舶航行阻力；冬季启动主机时，应对主机内循环冷却液进行预热，然后再启动，以防止爆燃，提高燃油燃烧率；定期检查维修轴系和尾轴承运行情况，避免由于轴系偏转量或摩擦力过大，造成主机有效功率减小；主机启动和停机时，采用循序渐进方式，切忌猛启猛停。处于良好技术状态的设备，运行过程中能减少燃料消耗，而设备维修保养是保持设备良好技术状况的有效手段。对于目前较先进且较昂贵的主副机等专用设备，日常维修保养显得尤为重要。机电设备是船舶油料最直接的消耗者，抓好机电设备的维护保养，确保机电设备的良好工况，要多措并举，使柴油机保持良好的工作状态，充分挖掘节能降耗的潜力。（二）使用经济航速船舶航行速度直接关系到燃油消耗，是经济和技术的综合反映。如航行任务不紧迫，航行可采用经济航速，并考虑风压、水压等因素选择经济航线。海事部门现有的船艇都相应提高了静水航速，全速 在12节到22节不等，而船艇普遍尾浪较大，没有必要全速巡航。但较长时间使用怠速，则会导致燃油燃烧不完全，加剧机械磨损，损坏设备工况，也不利于节能减排。对船艇而言，螺旋桨消耗的功率Nb与转速n的三次方成正比，即Nb=Cn3，C为常数，且与螺旋浆的结构及水面状况等因素有关，如果忽略磨损和传动中消耗的功率，螺旋桨消耗的功率就是柴油机发出的功率，而功率与油耗是成正比的。所以，根据使用说明书要求，结合实际工作经验，如果没有必要全速航行的话，就适当降低航速，可 以降低功率，节省燃油消耗，使用经济航速能达到节能减排的效果。但为了保证柴油机的正常运转，应避免主机长时间低负荷运转，偏离设计工况太多，使增压扫气不足，产生燃烧恶化、运动部件磨损等情况，比较理想的结合点应为航速降低10%左右。（三）合理调配船艇随着海事系统船艇装备逐步配备到位，合理科学地调配船艇，也是节能减排的一项重要措施。比如说玻璃钢艇，最高航速能够达到22节，额定功率只有400kW，具有速度快、功率小的特点，除起、抛和复位浮标、船舶救助或溢油应急反应需要大型船艇外，日常巡航应尽可能使用小型快艇，达到节能减排的效果。（四）合理安排船舶值班及有效节约水电为了有效节约水电，我们要严格控制照明用电，合理使用空调、电器（电视电脑）以及饮水机等设施；加强用水设备日常管理维护和巡检巡查、及时更换老化和落后设备，采用节水龙头等设备，注意及时关闭水阀，禁止船上的淡水用于其他用途。同时，要注重加强教育，让船员自觉养成节约用电、用水的好习惯。（五）使用化学添加剂燃油中使用添加剂（也称清洁剂、助燃剂等），可改善柴油机的燃烧状况，使柴油燃烧充分，达到提高燃烧效率、节约燃油、减少有害气体排放的目的，是世界各国普遍采用的行之有效的节能措施之一。在高能耗的老旧柴油机上使用的节油效果明显，如在老式300系列、、6135等系列柴油机及使用5年以上的柴油机上使用，节油率达6～12%。目前国内使用的燃油添加剂品牌很多，主要是通过和燃油进行物理或化学反应，改善燃烧质量，提高燃油的燃烧效率。燃油添加剂以改善柴油品质为起点，目的是做到柴油与柴油机的合理匹配，使柴油机能发挥更大效率。另外，使用燃油添加剂无需增加装置或改变发动机结构，因此被认为是一种便捷、有效的节能减排措施。对柴油机而言，目前使用的燃油添加剂主要有十六烷值提升剂、燃烧促进剂、消烟剂、流动性改进剂、抗氧化稳定剂、抗微生物剂等几种。随着人们对能源危机和环境保护的广泛重视，添加剂的种类越来越多，使用也越来越普遍。目前市场上广泛使用的还有润滑油添加剂，润滑油添加剂一般采用金属磨损自修复技术，具有减磨抗磨，减少排放，降低污染等功能。使用润滑油添加剂可以延长机件寿命，降低能源消耗，延长维护周期。（六）推广玻璃钢船型玻璃钢（也称玻璃纤维增强塑料、英文缩写为GFRP或FRP）是一种品种繁多、性能优异、用途广泛的复合材料，它是由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺制作而成的一种功能型的新型材料，具有相对密度小、冲击韧性好、表面光滑、耐腐蚀、成型简单的优点。同钢质船舶相比，玻璃钢船舶具有节能效果好、耐海水腐蚀性能好、维修费用低、对海洋的污染小和节约钢材和木材等优点，因而，推广使用玻璃钢船能有效降低能耗，更加合理地利用能源。参考文献：[1] 叶高文.船舶节能新技术开发与应用研究[J].机电产品开发与创新，2007，（6）：106.[2] 彭斌.船舶节能技术综述[J].船舶科学技术，2005，（27）：3-6.[3] 姚春德.柴油机燃油添加剂研究发展综述[J].柴油机,2003，（5）：12-15.《中国海事》2010年第11期
基于现代混合推进技术的船舶节能摘要: 船舶节能的措施有多种, 船舶混合动力推进系统是其中一个很有潜力的研究课题。文章主要介绍了混合推进装置的组成、排气热能回收系统以及热能回收系统的工作模式, 阐述了船舶混合推进的发展现状, 然后通过实例说明了混合推进带来的经济效益和节能效果, 最后阐述了效率更高且实用的动力装置的发展方向。1 水路运输能源消耗及能源使用效率目前水路运输特别是远近洋货物运输量占较大的比重, 2003 年水运货运量和货运周转量占全社会总量的10%和53.3%。水运行业能源消耗为注册运输船舶燃油消耗, 主要燃料类型为燃料油与柴油。据预测, 到2010 年, 水路运输燃油单耗水平应达到世界2000 年的发达国家水平, 其中远洋和沿海运输应接近或达到同期国际水平, 其中海洋运输1000t/km燃油单耗, 沿海运输由4.8kg 降到4.4kg, 远洋运输由4.44kg 降到4.06kg, 内河运输1000t/km 燃油单耗由8.0kg 降为7.6kg, 运输综合单耗呈下降趋势。2 船舶节能可采取的措施(1) 淘汰老船;(2) 船舶减速航行;(3) 螺旋桨修边节能技术;(4) 最佳船体纵倾节能技术;(5) 采用SPC 漆和括船底节能技术;(6) 螺旋桨前置导管节能技术;(7) 采用低转速大直径螺旋;(8) 柴油机余热利用;(9) 气象导航节约能源。综上所述, 船舶节能主要在淘汰老旧船、提高船舶制造技术、最佳的航行状态以及余热利用等方面采取了措施, 尤其是后者大有潜力可挖。众所周知, 当前优良的柴油机热效率一般约为45%至50%,而排出的冷却水热量约在20%至25%, 废气带走的热量约在25%至30%, 输出功率为几万千瓦的大型主柴油机其余热利用的裕度是非常广阔的, 尤其是大量废气的高温犹如高电势, 具有很大做功的潜力。其不仅可以用作加热、制造淡水, 更可以利用蒸汽涡轮机或动力透平进行发电(PTO 或PTI)。整个动力装置系统的热效率可望达到62%左右。对于物流领域中以消耗能源为代价的推进动力系统来讲, 如何提高能源利用效率、减少对环境的污染,已经成为系统与控制设计的首要考虑因素。近年来的研究动向表明, 混合动力推进系统是一个很有潜力的课题[2]。3 混合式推进系统3.1 混合式推进装置的组成及优点混合式推进装置的组成如图1 所示。它主要由主机、轴带发电机/电动机、废气锅炉、动力透平/蒸汽透平发电机、电站管理系统( PMS) 、主机离合器等组成。它的主要优点是:( 1) 可以降低主柴油机的安装功率; ( 2) 在一定程度上提高了推进装置的冗余性或具有返航能力; ( 3) 优化的电站管理系统提供船舶运行工况所需要的电能; ( 4) 安装灵活( 为船舶设计提供更多的自由度、缩短机舱长度、优化船体线型) ;( 5) 提高冰区航行的级别或破冰能力; ( 6) 通过主机排气余热回收系统或挥发气体回收系统减少耗油量,提高推进功率; ( 7) 能够方便地在已经投入运行的船舶上进行动力装置的改装; ( 8) 在柴油电力推进运行模式下, 能够降低对环境的污染[3]。
图1 混合式推进装置的组成
图2 RTA96C 柴油机热量对比图
图3 锅炉和废气系统3.2 配备余热回收装置的柴油机推进效率对于一般的柴油机而言, 以RTA96C 柴油机为例, 在ISO 工况下100%负荷时, 燃油在柴油机内燃烧产生的能量, 其分布如图2( a) 所示, 其中推进效率为49.3%; 配备热量回收装置后, 其能量分布如图2( b) 所示, 其中推进效率为54.9%( 49.0%+5.9%) , 由以上数字可以算出, 配备热量回收装置后柴油机的 推进效率将提高了11.4%。3.3 排气热能的回收余热利用是提高船舶动力装置经济性的措施之一。随着柴油机废气涡轮增压器效率的提高和废气动力涡轮的利用, 使柴油机排出的废气能量质量下降, 所以仅靠废气锅炉所提供的热量, 难以满足船舶动力装置及辅助系统的要求, 这就要求对柴油机的余热进行综合考虑。具体来讲, 余热利用主要有以下几种方式:( 1) 利用回收的排气热能产生蒸汽, 驱动蒸汽透平机;( 2) 通过柴油机的特殊设计和采用直接吸入扫气空气, 以提高排气温度;( 3) 利用主机缸套水和扫气空气的热能为锅炉给水加热;( 4) 利用柴油机的排气能量, 直接驱动动力透平机;( 5) 新型的高效透平增压器在柴油机高负荷运行工况有能量剩余。通过吸收剩余的能量, 直接驱动动力透平机。3.4 排气热能回收系统示意图图3 为西门子( Siemens) 公司的锅炉和废气系统( boiler & exaust gas system) 示意图。该装置利用主机排气、增压空气和气缸冷却水的废热, 提供给透平发电机、加热器和制淡装置。由于增压器效率提高,只需较少的废气, 剩余的废气则提供给一个动力透平。该动力透平和蒸汽透平通过一个减速齿轮箱共同驱动发电机。3.5 热能回收系统的工作模式3.5.1 电动机模式当热能回收系统提供的电能大于船舶辅助设备所需要的电能时, 多余的电能可以提供给轴带电动机, 增加螺旋桨的输出功率( 轴带电机运行在电动机工况) 。3.5.2 发电机模式当热能回收系统提供的电能低于船舶辅助设备所需要的电能时, 缺少的电能可以通过轴带发电机补充( 轴带电机运行在发电机工况) 。3.5.3 助推模式当需要的推进功率大于主柴油机可以提供的功率时, 可以用热能回收系统产生的电能和副机产生的电能驱动轴带电动机, 增加螺旋桨的输出功率( 轴带电机运行在电动机工况) 。3.5.4 可选模式- 应急推进当主柴油机的离合器处于脱开状态时, 由副机向轴带电动机提供电能, 船舶将由轴带电动机直接驱动返航。4 实例分析如果一艘船舶的主机为12RT- flex96C, 其MCR为68640kW, 若运行在85%负荷工况下, 则输出的功率为58344kW; 其年运行时间假设为6500h; 船舶辅助设备耗电量为2200kW, 冷藏集装箱最低耗电量为1400kW, 冷藏集装箱最高耗电量为4900 kW, 冷藏集装箱平均耗电量为3150kW, 平均总电力负荷为5350kW; 重油价格为200 美元/吨。对于常规推进系统而言, 其年度运行成本如表1所示。
对于排气热量回收系统, 可回收热量为6350kW, 其中可替代副机的热量为5350kW, 其余 通过轴带电动机传递给推进系统的热量950kW, 因此推进系统需要主机发出的功率为57394kW( 58344kW~950kW) , 此时主机运行在83.6%负荷工况下。而其年度运行成本如表2 所示。通过以上两个表可以对常规推进系统和排气热量回收系统做一个比较, 如表3 所示。表3采用混合推进系统对运营者可带来以下好处:( 1) 降低耗油量;( 2) 灵活使用发电机电能;( 3) 主机热负荷低可减少二冲程柴油机维修工作量; ( 4) 延长副机大修间隔; ( 5) 轴带电动机的使用可降低所选主机功率。对船厂可带来以下好处: ( 1) 优化船舶设计,燃油舱容量可减少10% ( 增加货舱空间) ; ( 2) 降低安装柴油机的功率; ( 3) 减少汽缸数量, 机舱布置更灵活( 轴带电动机安装在轴隧上) 。对环境可带来以下好处: ( 1) 降低耗油量; ( 2) 降低硫化物和NOx 含量;( 3) 减少CO2 排放[3]。《交通节能与环保》2006年第03期
随着世界燃油市场价格的不断上涨, 人们的节能观念不断深化, 各项围绕着节能主题的新技术不断孕育而生。就船用设备而言, 船用主机的节能尤为重要, 因主机的燃油消耗占据了船舶营运成本的很大一部分。所以, 近年来世界各大船厂商投人大量的人力财力, 竞争相研究开发低燃油消耗的主机, 但由于柴油机的结构、原理等方面的限制几乎已到了极限, 后又转到开发高推进效率的螺旋桨, 而螺旋桨在旋转时产生大量的涡流, 能量被浪费在涡流中。目前船舶节能应从现有的设备条件中挖潜力、降低嫌油消耗率, 以最小的能量消耗取得最好的运输效益, 换句话说以最小的燃料费用取得最大运输量。2 机械设备与系统任何船舶航行时, 必须的能量形式是动能、电能和热能。供应这些能量的装置是推进装置、发电装置和供汽装置, 这三个装置都直接消耗燃料。以柴油机为例, 直接消耗燃料的设 备是船舶主机、发电柴油机及辅助锅炉。其中主机所耗能量占总能量的70 一90 % 。柴油机每小时的燃料消耗量等于柴油机燃料消耗率与功率的乘积。因此, 要降低主机所耗能量, 一方面要从减少主机的能量转换损失, 努力降低主机的燃料消耗率人手, 另一方面, 采用减少船舶所需的推进功率和营运功率等措施。如: 改进船型、减少船舶阻力、提高推进效率、采用经济航速、减速航行等均能显著降低主机的燃料消耗量, 提高船舶营运效益。众所周知, 燃料在柴抽机气缸中燃烧所发出的全部热量只有一部分转换成为机械能, 其余部分则分别通过冷却介质、排气和散热而排人海水和大气中。也就是说, 除转变为有效功的热量外, 其余热量为废热(或称余热)。柴油机中约有5 0 % 燃料热量作为余热而排掉。回收利用这部分余热是动力装置节能的重要途径。同样柴油发电机和辅助锅炉所消耗的能量也是不容忽视的, 约占总能量的10 一30 % 。为了减少柴油发电机和辅助锅炉的输人能量, 从而减少其燃料消耗, 除改善设备本身的能量转换效率外从动力装置总体一方面设法减少船上电能和热能的消耗, 同时要采取能量综合利用的方法将其与主机结合, 利用主机余热能量提供船舶所需的电能和热能。在研究船舶节能时, 除了考虑上述三个直接消耗燃料的设备外, 还要考虑辅助机械的系统的节能, 这些辅助机械和系统在工作的过程中都有相应的能量消耗, 从而导致主机、发电机和辅助锅炉的输人能增加, 而使整个动力装置效率降低。可见, 降低各类设备的能量损失,提高它们的效率是船舶节能的重要途径。3 合理的船休结构船舶是一整体, 船舶节能不应仅考虑动力装置的节能, 船体结构对减少主机所需的功率, 降低燃油消耗量也是起着重要的作用。据有关资料介绍, 3 8 0 以〕吨和45 《洲〕吨散货船经济论证结果, 以耗油量为目标, 决定船舶主尺度及船舶系数能够减少13 一19 % 的主机功率, 一年可相应节约燃油19 2 7 吨及2 1 14 吨, 但是造价却相应增加了。可见船体设计与船舶节能密切相关。而船体线型采用球鼻首能减少船舶拖曳阻力, 因而可得到减少功率的好处, 约可节约燃油6 一8 % ; 采用优质船体涂料可显著减少船体表见, 合理船体结构是船舶节能的途径之一。4 船舶运行管理船舶运行与机械设备的操作, 是我们目前广泛使用的一种节能途径: 1 采用减速航行和 经济航速, 可节省推进所需的功率, 从而节省燃料; o 在航行中利用风力和潮流, 可缩短航行时间和降低主机功率, 达到节省燃料; ? 根据具体情况确定合理的航线和航速, 同样节省燃料; ?提高轮机员的技术素质和操作能力, 对各种机械设备有完善的维修制度, 使其达到良性循环,杜绝“ 跑” 、“ 冒” 、“ 滴” 、“ 漏” 等现象; ? 良好的营运管理可以取得较大的货运量和较小的燃油消耗的节能效果, 提高货运经营效果; 根据货源的数量和流向对船舶进行合理的调度, 减少空载航行; 减少非生产性停航, 建立合理的维修管理制度; 提高船员的业务水平; 制定完善的节能管理制度, 提高船员管理 / ’、员的节能意识5 船舶的补燃管理由于燃油成本占船舶营运成本的第二位,因此, 订购燃油是一项复杂的、情况多变的工 作, 通过合理的选择补油港避免绕航和减少专程挂港补燃, 保证船期, 降低成本, 提高经营管理水平。管理做得好, 每年可节省数百万的支出。特别是订购燃油, 首先掌握国际市场的变化趋势, 同时还需对本船情况清楚, 不可盲目购油。如: 本船航线、配载情况、 吃水情况等因素。除此之外, 还要对燃供过程加强管理。船舶抵港前尽可能将剩油集中到一个舱中, 降低混油率, 混油率5 % 为最佳, 对所购燃油要进行化验, 对燃油密度化验值与提供值相符; 油温供油前为40o C 一6 0o C; 购油时将粘度要求提供给供油公司; 轮机长签单为最后把关。(航海技术) 1998 年第3 期
船舶节能新装置减风膜日本船用机械研究开发协会在日本船舶振兴会的帮助下最近研制成功一种船舶节能装置一一减风膜, 且安装于刚竣工的车辆运输船“宇宙冒险一号” 上。该装置是在船体周围用角铁和钢管搭起框架, 然后在上面蒙上一层聚脂薄模。它旨在减少船舶航行中风的阻力。据统计, 该船装上“ 减风膜” 后可节省7 % 的功率。今后这种装置将用于各类船舶
船舶节能新装置日本神户钢铁公司已获得许可证, 生产一种引?人注目的船舶节能新装置, 据称是一项划时代的发明, 这种装置称为G r im 叶轮,可装在螺旋桨盖_ 匕自身有滚珠轴承, 能自由转动, 它有九片桨叶, 直径为螺旋桨直径的1 . 1 一1 . 3 倍, 靠螺旋桨打出的水流使其旋转, 叶片接近中心的部份起到涡轮的作用,而靠外边的部分起到螺旋桨的作用, 叶轮的转速还不到螺旋桨转速的一半。这样叶轮把螺旋桨滑动水流切向部份所含的动能转变成辅加推力, 因此提高船舶的总推力,节省15 % 的燃油耗。这种叶轮装置可用于散装货船、油轮、多用途船、集装箱货船、汽车渡轮, 冷藏船和其他多种船舶。它可装在新建造的船舶上,也可装在目前正在营运的船舶上。据报道, 装有此叶轮装置的许多船舶已投入使用。( 赵汉南译)《船艇》1987年04期
基于驾驶人员技能的船舶节能措施探讨摘要船舶节能工作已成为当前乃至今后一项非常重要的工作，中远集团于2008 年5 月发出节能减排倡议书，号召人人行动，依法节能。从驾驶人员技能方面提出了几项船舶节能措施。随着能源，特别是不可再生能源的不断匮乏，世界各国在寻求新能源的同时， 纷纷将节能列为本国的一项基本国策。我国也不例外，《中华人民共和国节约能源法》第4 条提出“节约资源是我国的基本国策。国家实施节约与开发并举、把节约放在首位的能源发展战略”。航运企业是能源的消耗大户， 位于节能减排的最前沿，做好节能减排责无旁贷［1］。关于船舶节能，国内外已有了一定的研究成果，如德国SkySails 公司的“风帆”、韩国现代重工的“方向舵翼”、日本邮船提出的“CoolEarth”项目等［2］。这些成果大多是从新设备、新科技的角度出发研究船舶节能问题。但新设备、新技术并不是节能的唯一途径。考虑到船舶驾驶人员的重要性，节能有所帮助。1 船舶驾驶人员节能的几种途径1.1 合理配载，以最佳纵倾状态航行船舶在排水量一定的情况下，若改变其纵倾状态，则船体水线长度、水下几何形状、浮心位置、浸水面积及船型的方型系数Cb和水线面系数Cw等都将发生变化，进而必然导致兴波阻力Rw、摩擦阻力RF等各阻力成分的改变，致使船舶总阻力发生变化。由于不同纵倾所引起的船体尾部流场的变化也必将引起推进效率的改变，从而导致船―机―桨的配合随之改变，并随船速不同而不同。因此，在排水量及航速一定时，必定存在着一个最佳的纵倾状态在该纵倾状态下，船舶以某一速度营运，可获得节省主机功率、减少油耗的效果。模型试验以及实船对比试验证实，在装载量和航速均相同的情况下，采用最佳纵倾航行通常可节约5%～6%的燃油，对于装有大球首的船舶节油效果更好， 可达8%。试验还证实， 船舶满载定速航行时的最佳纵倾状态大多略呈拱头状态，半载、压载定速航行时的最佳纵倾为尾倾，如1 万t 级普通球首商船满载定速航行的最佳纵倾约为+1.0m， 半载和压载定速航行的最佳纵倾大约在-2～-4m 之间［3］（数据供参考）。虽然以上数据结论仅为试验统计结果， 而且不同船舶、不同载重量、不同航速均会对船舶的最佳纵倾状态产生影响，但它却给了我们这么一个信息：航行中的船舶存在着最佳纵倾航行状态，并且采用最佳纵倾航行能够达到一定的节能效果。因此，实际工作中船长、大副要在业务上精益求精，熟悉船舶性能，科学合理配载，使船舶达到或尽可能达到最佳纵倾航行状态。1.2 精益求精，科学设计最佳航线最佳航线是指：在保证船舶航行安全的前提下，使航线达到某种意义上的最佳经济性和舒适性， 即航行距离最短、航行时间最短、燃油消耗量最小、船损和货损最小，以降低营运成本，提高运输效率［4］。影响航线设计的因素有很多，包括：本船条件、气象海况、ILL 公约有关规定、载货情况、船舶定线制等。这些因素多而杂，有些因素，如气象海况，变化多端，很难把握其规律。这就要求船长和驾驶员们充分考虑这些因素， 合理利用洋流、潮汐、风压带等，科学设计最佳航线。1.3 统筹考虑，采用经济航速一般来讲， 主机功率P 与航速V 的三次方成正比（式1），燃油消耗量Q 与航速呈非严格的线性比例关系（式2）。P1/P2=V13/V23 （1）其中：P1为降速前主机功率；P2为降速后主机功率；V1为降速前船舶航速；V2为降速后船舶航速。Q2=F2?V2?S/（100P2） （2）其中：Q2为改变航速后的燃油消耗量；F2为改变航速后燃油消耗率/（g/kWh）；S 为航行距离/海里［5］。所谓经济航速就是指利用燃油消耗量与航速并不严格的线性比例关系来确定的船舶最佳航行速度。如果航速降低10%，通过计算可知，主机功率可下降27.1%，燃油消耗量可减少19%；如果航速降低20%，则主机功率下降48.8%，燃油消耗量可减少36%。由此可见，若适当降低航速，可以明显地减少燃油消耗量。当然，经济航速并不是过分地降低航速，一方面燃油消耗量并不会随航速的降低而明显减少，当航速降低到一定程度，燃油消耗量会趋于稳定；另一方面船舶共振区以及航次任务也不允许过分降低航速。因此，实践中船长应会同轮机长综合考虑安全、节能以及航次任务的轻重缓急等来把握油耗和航速的最佳平衡点，进而确定合理的经济航速。值得注意的是，有些研究表明某些现有船舶的设计可能不适合低速航行［6］。但从船舶节能的发展趋势看，降低航速、增加货载是商舶，特别是集装箱船舶发展的必然趋势。在新建船舶上应该注意到这一点。1.4 谨慎驾驶，保持船舶最佳航行状态我们都有这么一个概念， 优秀的汽车司机开车平稳、舒适，而且耗油也少。虽然驾驶船舶和开车不同，但道理都一样。例如，在需大幅度转向时，若有足够的安全可航水域，周围环境也允许的情况下，采用图1 中虚线方式逐渐缓慢转向，比航行至转向点P 后大幅转向更可取。按虚线方式逐渐缓慢转向既可以缩短部分航行距离，又可以减轻因突然大幅转向而带来的各种阻力的增加， 充分提高船舶推力的利用率。每个航次通常有很多类似的转向点，若能坚持如是操作，也能达到不错的节能效果。统计表明，平稳的航速或自动巡航设定被认为可以减少5%～10%的油耗［2］。这就要求船长和驾驶员们要了解影响航速、油耗的各种因素，掌握各种工况下的船速―功耗信息，努力提高驾驶技术，保持船舶最佳航行状态。结语（1）船舶节能意义重大，节能工作关键在于人员意识，每个船员均应以主人翁的态度参与。船长作为船舶的最高领导者，其对节能的认识、各项工作的能力直接关系着节能效果和船舶安全。（2）船舶节能是建立在保证人员和船舶安全为前提的基础之上的。（3）船舶节能是一项系统工程，受到多种因素的影响和制约。因此，任何一项节能措施的采取均应考虑可能带来的不利影响，综合考虑各种因素修正拟采取措施的度（量）。例如， 若严格采用船舶最佳纵倾航行可能会影响到载货量，因此就要在保证载货量的前提下，以尽可能接近最佳纵倾的状态航行，此时虽不是最佳纵倾航行状态，但却是最理想的。又如，若船期紧张便不能采用经济航速，若安全可航水域受限也不能采取逐渐缓慢转向。（4）船舶驾驶人员也能为船舶节能做些贡献。船长和驾驶人员应努力提高自身业务和技能，从点滴做起，为船舶节能做出自己应有的贡献。
参考文献1 中远集团节能减排倡议书．中国远洋运输（集团）总公司，20082 陈爱玲.船舶节能减排动态研究.青岛远洋船员学院学报，2008（4）3 孟宪钦，等.大型远洋货船最佳纵倾调整节能技术.大连理工大学学报，）4 李远林，陈宏彬.船舶最佳气象航线的设计.华南理工大学学报（自然科学版），）5 高玉德.燃油消耗与船舶航速的关系.航海学（下），大连海事大学出版社6 陈宝忠，等.船舶减速航行与主机减额输出节能技术的分析研究.中国航海，2005（1）杂志 & 《能源与环境》 & 2009年 & 第06期
船员和节能谈到船舶节能, 人们较多想到的是采用节能船型, 优选主机及动力装置, 采用自抛光漆以及减功运行等设备方面或宏观管理方面的措施。诚然, 这些措施是船舶节能的重要领域，但不应忽视船员在船舶节能中的能动作用。在船舶日常营运中节能的潜力很大,范围甚广。1 主机船舶推进所耗能量占船舶总能耗的大部分, 保持主机在高效率一下运行是船舶节能的首要任务。主机在任何偏离最佳运行状态下工作都会降低其效率, 增加油耗。1、1 关于调整热力参数现代船用主机的强化度很高, 对其运行工况点的允许偏差范围要求很严。船员应十分严格地监视主机的参数, 并经常进行调整以保证良好的主机性能。对于近年制造的新船, 主机常有完善的监控仪表, 对主机热工参数, 特别是各缸平衡能较好监视, 但仍应勤测示功图以获得对爆压及缸内过程的了解。对老旧船舶, 更应加强对热力参数的测量, 在燃用不同品质的燃油时要视情调整喷油定时C各缸测温仪表应经常标定, 以使有绝对的信赖度。否则精确调整无从谈起。对低速二冲程柴油机, 测温传感器的位置对测量值影响很大。各缸热电偶的规格和插人深度应一致C 如规格难于一致, 则应通过交换测点等方法进行标定, 以做到心中有数。应强调指出, 现代低速柴油机在各缸发出功率相同时各缸排温是不同的, 即各缸供油量、爆压以及排温三者不可能都一样。当供油量和爆压一致时, 各缸排温的偏差可达2 0 一3 0 ℃ 。此偏差值与该机的排气管布置和发火顺序等有关。轮机员应查看该主机的台架试验记录, 以了解不同工况下各缸排温的偏差规律, 在进行各缸平衡调整时应以此为依据如无台架试验等记录, 则在各缸平衡调整时应贯彻“ 爆压一致优先于排温一致” 的原则。当各缸爆压偏差达O.4 MPa 时主机油耗增加约0.7 5 % ; 当各缸平均有效压力的偏差达0.IMPa 时主机油耗增加约l% ; 当喷油定时延后l 度时主机油耗增加可达2 %。以上为平均数据, 不同机型有较大差别。除正确调整热力参数并保持各缸平衡外, 主机的其他部分(例如增压器或中冷器的积污或堵塞)对油耗也会有很大影响。主机各缸平衡不良除增加油耗外, 还会恶化轴系扭振。当各缸平均有效压力的偏差达10 %时可使扭振幅度增加达10 0 %。 1、2关于转换到燃用轻油现代低速柴油机已不再要求进出港机动操纵时以及停车前主机转换到燃用轻油。制造厂甚至建议用户在柴油机的全部寿命期内尽可能不换轻油, 以避免在转换时使主机的燃油系统、润滑状态等的正常运行状态受到破坏。如能遵循这一原则也有利于降低燃油费用。对于大部分较老的主机, 进出港低负荷下仍燃用重油是可能的。但要注意保持发动机温度以及扫气温度。在燃油方面, 要保持加热温度并使高温燃油在系统中循环。老主机是否能在进出港时仍燃用重油应根据机型及其燃油系统具体分析。可供参考的是最新的苏尔寿R T A 4 8 T 机已取消了高压燃油系统的循环功能, 并没有影响发动机的启动性能。1.3 注意船舶的航行状态通过对主机运行工作点(负荷及转速)的监督以了解全船的运行状态至关重要现代船舶柴油机对运行点的要求极严, 超出规定范围不但增加油耗而月_ 降低发动机可靠性。可将运行工作点的数据报告公司, 由岸L 机务部门通过船舶档案及姐妹船的数据来分析工况点是否正常C 例如某船在航行中途发现工况异常, 此时离该船出坞仅3 个月。公司根据报来数据分析, 认为可能系污底, 从而及时一安排潜水员在下一港口检查。检查发现该船螺旋桨及侧推器附近的船体污底严重, 立即进行水下刮铲。停航不到6 天。清除污底后每日油耗节约5 吨。扣除刮铲的费用, 净节省约6 0 0 0 0 美元C2 辅机2,1 减少辅柴油机运行台数辅柴油机的运行台数应尽可能少: 能运行l 台于9 0 % 功率则不运行2 台45 % 功率。除了备车、机动操纵或在窄航道航行, 此一原则应适合包括航行或在港的所有情况。为防止仅运行一台发电机时过载, 在每日装卸货结束后应把起货机电路拉开, 关掉一切多余的设备。应向值班者强调在运行一台发电机时如发生意外情况, 例如燃油管破裂使燃油喷到运行的机器上时, 应该不惜全船停电而紧急停机。如电站耗油为每日3 吨, 若节约1 % , 则每年可省油至少10 吨C当用一台发电机代替二台时, 每年节约3 0 吨油是可能的。使用一台辅柴油机代以两台还可减少全船辅柴油机的总运行时间, 从而延长大修间隔。有关辅柴油机并联运行的节能问题可参阅本刊19 9 0 年第1 期。2.2 辅柴油机燃用重油辅柴油机长期燃用何种燃料虽不由船员决定, 但烧好重油却取决于船员。燃用重油后对柴油机管理、保养的技术要求提高, 船员须承担更大的责任。当今的辅柴油机已可燃用与主机相同的38 0 cs t 重油, 但在1 /2 左右负荷以下需改换轻油, 故使用一台满负荷运行的辅柴油机可大大节约燃料费用:燃用重油后须加强对柴油机燃油系统的维护保养。应避免用磨料研磨针阀座, 因会改变配合面的几何形状, 从而影响雾化和燃烧。排温是辅柴油机最重要和直观的参数,要保证其可信度。通过排温能及时发现诸如增压器滤器堵塞、喷油器或喷油泵异常等常见故障。通过爆压测量查找故障源2.3 其他辅机一旦船员树立了动力装置整体节能的观念, 就能发现许多浪费能源的地方, 包括对一些节能设备的弃用或误用。例如废汽透平发电装置, 目前大部分具有此装置的船舶都废弃不用, 而实际上恢复使用并不困难, 而节约能源是可观的。3 油舱加热油舱加热系统随船而异。在主机全负荷及在港时必须燃用辅锅炉。一些简易型船,采用紧凑型复合锅炉, 其受热面往往不足, 这时更需注意合理调配加热。以节约燃油。燃油的最低可泵送粘度为I0 0 0 c st。油舱的蒸汽加热系统常设计为4 8 小时加热到此粘度。随海水温度之不同, 现代船舶往往在需泵送前2 一3 日加热油舱。在寒冷海域或主机低负荷运行时必须燃用辅锅炉。图3示出燃油的泵送粘度(油舱温度)与每天油耗量的关系, 该图以3 80c st 燃油,5 0 0 吨油舱,油舱与海水接触的船壳面积5 0 时绘出。由图可见当保持最低可泵的流动状态(1 0 0 0 e st ,3 5 ℃ ), 需每天耗油3.4 吨。节约加热燃油的一般原则是通过调配尽可能多地使用与海水接触面小的深油舱; 在满负荷航行时将多余废汽通人大舱而不通人冷凝器, 以减少到港后的蒸汽消耗等。4 能源的跑、冒、滴、漏船员必须时时注意油、蒸汽、水和压缩空气等的泄漏。对管子法兰、接头、阀座密封、阀杆填料函以及汽水分离器的功能等要确保正常。BP 公司曾指出, 0 . SMPa 的压缩空气通过直径为I c l二2 的小孔相当于每天消耗0 .4 吨燃油。如听任其泄漏, 每年要损失约2 0 0 0 0 美元。如泄漏的是蒸汽, 其损失更大。在防止燃油系统泄漏中还应注意燃油分油机的自动排渣间隔。对于全排式分油机,每次除渣量约为总分油量的2 % 一3 % 。如运行程序设定不当, 会造成严重的燃油浪费。如因操作不当而使排渣量增加l % , 每天就要浪费约60 美元, 乘以每年的操作天数其值也十分可观。由于主机有大量回油, 通常将监测用重油流量计装在日用油柜出口管路上。主机回油进人集油井, ?再从集油井回人日用油柜。但集油井内常有沸腾、气化等现象使油位变化。在进行计量时要注意燃油系统在全部计量时间内的稳定。5 降低电能消耗降低电力负荷在船舶节能中的地位常被低估。其实这一部分的能量不但可观而且措施比较易行。仅白天将甲板照明关掉一项, 对一艘远洋货船而言每年即可节约人民币4 , 0 0 0 元。同样原则, 在自动化船机舱无人值班时减低机舱照明, 节约用电更为可观。若机舱全部照明用电为20 kw, 如在无人值班时降到应急照明水平(3 0 啊) 用电) , 即仅照明通道、楼梯、主要控制点等。以每天16 小时无人值班, 每年3() 0 天计, 每年可有人民币15,0 0元以上的节约有的船公司执行了厨房在晚间完全熄灯的规定, 不但节能而且减少火灾危险。备用泵浦在轻载运转时看来浪费能源,但实际上仅消耗IZ R 的能量。驱动泵浦的电流主要是无功电流, 它虽然会减低功率因数提高k V A 功率, 但只要发电机有能力提供此无功功率, 能量的消耗是很小的。但是对大功率装置就不能这么看。例如首、尾侧推器, 即使在轻负荷运转, 也要增加运行一台发电机。正如前述, 对节能不利。所以应尽可能早使此类装置停止运转。货船的货舱通风耗能也相当大。一些专用船, 例如滚装船、汽车运载船, 其舱内通风 机的功率可达1, 0 0 0 kW。对于一艘3 0 ,0 0 0总吨的汽车运载船, 如能在航行时适当降低通风耗功, 每年节约可达6 0, 0 0 美元。此类通风能量的节约应伴以相应的安全措施。汽车舱的通风是为了防止碳氢类气体聚集, 当降低通风时船员应特别注意监测碳氢物浓度。在进人货舱进行各类作业时一应作好安排, 进舱前要确认碳氢物浓度低于l%LE L。6 驾驶节能以上所述均着眼于作为运输工具的船舶本身。但如把船舶与其航行环境和条件结合起来, 进一步考虑船舶驾驶和航线, 则船员在节能中的作用就更大了。能以最好最短的航线航行于两港口之间一直使航海者引以为豪。虽然借助于现代航海仪器, 诸如卫星定位, 技术上已容易得多。但考虑到气象和海流, 实现这一古老命题仍十分复杂。例如在恶劣海况下主机功率用于克服风浪阻力, 航速减低、航期延长二通常船舶油耗要高于无风浪时油耗9 % 一3 伙) 二大部分船舶有一预定的到港时间, 船舶常在前段航行中用较快的航速, 在后段则用较慢的航速以保证到时间: 由于功率和航速呈3 次方关系, 当航速增力[I 川% 日寸, 功率要增加3 峨, 。以后的低航速所节约的油耗不足以抵消此一油耗的增加。海况一定时,整个航次船舶保持恒定航速是最经济的。即从节能角度看, 主机功率应保持不变。但是, 保持恒定航速将使船舶失去赶船期的余量。考虑到可能遇到的诸如主机故障、气象变化等情况, 留有一定余量是必要的。但驾驶员应认识到航速与节能的关系,在安排航行计划时要顾及船舶节能。轻载时选择最佳压载及纵倾可节能。根据船型及原配载情况, 在进行优化后一般可有3 % 的节能率。个别船舶例如某些油轮可达10 %。当然, 在进行压载及纵倾调整时船舶的安全性(性能和强度)理应放在首位。自动舵的设定也与节能有关。在近岸航行时设定在快动作, 在深海航行时应改为小动作, 以减小舵和船舶的偏摆C 如自动舵的设定偏离最佳位置, 会造成1 % 一2 % 的能源浪废《交通节能与环保》2000年03期
船舶节能新技术开发与应用研究摘要: 随着船舶燃油价格的上涨, 船舶节能技术得到了广泛的关注, 料系统等的综合节能技术措施。再借助管理系统的帮助, 将能为国内的船舶节能的发展提供有利的推动。1 船舶主机动力系统( 1) 混合推进技术: 混合推进技术装置主要由主机、轴带发电机/电动机、废气锅炉、动力透平和蒸汽透平发电机、电站管理系统( PMS) 、主机离合器、余热回收装置等组成。该技术可以较大提高柴油机推进效率。( 2) 高压共轨电子喷射技术: 柴油机采用该技术和相应的控制装置后, 柴油机能适应各种工况。由于各种参数可以单独控制, 因此可使燃油消耗显著降低。( 3) 双燃料电力推进技术: 双燃料发动机( dualfuel engine,简称DF 发动机) 是以低压天然气作为主要燃料, 船用柴油和重油作为备用燃料, 燃料供应系统能迅速、无扰动实现燃料的转换: 当天然气中断时, 系统会自动切换到液体燃料供应状态, 保证发动机持续运转。并且更加环保。(4) 智能化技术: 智能化, 即使综合使用电子技术和网络技术, 通过对柴油机和船舶的各种参数进行监测, 并自动适时进行控制和管理, 从而使柴油机随时处于最佳的工作状态。2007 年3 月2 日, 中船重工宜昌船舶柴油机厂传来捷报, 世界首制WARTSILA 6RT- flex50B 智能型二冲程船用低速大功率柴油机顺利通过台架试验, 这表明我国也已开始在智能化方面迈出了重要的一步。可以预计,智能技术的不断完善在主机节能方面必将大有可为。 2 船舶制冷系统变频措施船舶制冷系统的节能主要是对船舶中央空调系统采用变频技术。( 1) 冷冻泵: 采用变频技术时, 可以在冷冻水蒸发器的入口处设置一个温度检测点, 将该温度送到变频器和给定的温度进行比较, 根据比较的结果, 变频器发出控制信号对电机进行速度控制。当回水温度升高时,说明房间温度高, 此时通过变频器提高冷冻泵的转速,加快冷冻水的循环速度, 使房间的温度降低; 反之, 则降低冷冻泵的转速。为避免系统发生冻结, 冷冻水的流量不能低于额定流量的75~80%, 因此, 通常要对变频器的下限频率进行设定。 ( 2) 冷却泵: 在冷却水循环系统中, 冷却塔的水温是随环境温度变化而变化的, 其单侧水温度不能准确地反映制冷机组内产生的热量的多少, 因此, 要以回水和进水之间的温度差作为依据, 实现恒温差控制。温差信号送入变频器, 温差大, 则表明制冷机组产生的热量多, 应该通过变频器提高冷却泵的转速, 以加快冷却水的循环速度, 带走更多热量; 温差小, 则说明冷冻机组产生的热量少, 就可以通过变频器降低冷却泵的转速, 减慢冷却水的循环速度, 以节约电能。( 3) 冷却塔散热风扇: 由于冷却水喷淋主要是和大气接触, 因此, 可以以大气的温度作为控制点, 当天气热的时候, 通过变频器提高风扇的转速; 天气凉的时候, 可通过变频器降低风扇的转速, 达到节能的目的。3 新型船舶推进技术目前各国都在致力于节能推进技术研究, 以尽可能降低船舶航行阻力, 提高推进效率。 ( 1) 船型研究: 主要开发出了球首船型、纵流船型、双体船型、以及小水线面双体船、浅吃水肥大船型等, 另一方面, 对船舶尾部线型也进行研究, 以求改善船―桨配合, 出现了不对称船尾、双尾鳍船型、涡尾船型、球尾船型等, 均收到显著的节能效果[2]。( 2) 高效推进器: 目前主要有可调距螺旋桨和对转螺旋桨。可调距螺旋桨航行时通过调整桨叶螺距以改变来流攻角, 使主机在转速不变的情况下发挥全部功率。对转螺旋桨是具有前后两个同轴螺旋桨反向旋转产生推力的推进器, 与普通螺旋桨相比具有很明显的优势: 较高的推进效率、航向稳定性较高、有利于避免空泡产生。( 3) 微泡沫节能技术: 该技术是在船艏两侧安装长10 米的微缝板, 通过喷出的空气在船底形成一层薄薄的微小气泡( 直径0.5~1mm) , 从而使船舶受水摩擦阻力减少12%, 节约燃油8.5%。今后此技术将逐步推广应用到大型油船。( 4) 新型涂层技术: 为了降低能耗并进一步减少废气排放, 世界财富500 强的国际油漆有限公司继推出不含生物杀虫剂的有机硅不沾污涂料Intersleek!700 后,又最新研制出了Intersleek!900 涂料, 这是一种全新的、独一无二的专利含氟聚合物不沾污涂料。含氟聚合物技术代表了不沾污技术的最新发展, 亦不含生物杀虫剂, 不会对海生物造成影响, 在环保节能方面, 它也有了突破性的提高。与自抛光共聚物防污漆相比, Intersleek!700 预计可降低4%, 而新一代的Intersleek!900则预计可降低6%; 与可控融解型防污漆相比, 可潜在降低更多。对一艘涂有自抛光共聚物防污漆的超大型原油轮而言, 使用Intersleek! 900 与使用自抛光共聚物防污漆相比, 在五年的时间内, 预计可节省4,500 吨的燃油, 二氧化碳排放量也将减少14,000 多吨。4 新型油料节能技术( 1) 燃油节能新技术: 目前主要是采用在燃油中加添加剂的方法节能, 新的添加剂技术主要有钠米技术和核磁共振技术。①钠米技术: 在反应瓶中加入一定量的金属钠米微粒和表面活性剂, 加入适量溶剂, 在一定条件下反应1～2h, 并经处理后即可得到表面修饰金属钠米微粒添加剂。该添加剂以0.01%质量分数加入柴油中, 能显著提高燃料燃烧效率5~5.8%,实验确定平均节油率为2.1～2.7%, 效果良好[3]; ②核磁共振技术:该技术利用核磁共振处理异辛酸稀土活性复合物, 提高该活性物质的催化活性, 作为添加剂, 实验表明可提高柴油燃烧效率, 节油可达2~5%, 并能降低有害排放[4]。( 2) 润滑油节能新技术分为: ①新型电子注油器;②新型陶瓷金属润滑油[5]; ③新型钠米金刚石润滑油石添加剂。参考文献:[1] 辛春安,蒋德志.基于现代混合推进技术的船舶节能[J].青岛远洋船员学院学报, 2006,2.[2] 黄胜, 郭春雨. 船舶推进节能技术研究与进展[J]. 舰船科学技术,2007,1.[3] 高永建,等.新型柴油节能降污添加剂的研制[J].化学研究, 2003,1.[4] 辛寅昌,等.核磁共振处理稀土活性复合物用于燃油节能环保[J].化工进展, 2007,4.[5] 孙福.新型陶瓷金属润滑油问世[J].润滑与密封,2002,3.[6] 张栋.钠米金刚石作润滑添加剂的研究进展[J].润滑油, 2006,1《机电产品开发与创新》2007年06期
近几年来船舶节能技术的开发与应用 对近几年来开发并得到应用的船舶节能技术, 诸如节能型低速柴油机系列、中速柴油机系列、新型螺旋桨、正反转螺旋桨以及Lips 高效舵、流体控制翼等节能附体技术作简要介绍。1 低速柴油机上世纪60 年代, 商船主机大致呈低速柴油机、中速柴油机和蒸汽轮机三足鼎立之势。而在低速柴油机领域, 回流扫气又与直流扫气平分秋色。两次石油危机以后, 1983 年, 油耗高的蒸汽轮机首先被淘汰出局,回流扫气低速机亦逐渐淡出, 直流扫气低速柴油机成为商船动力的主选机型。1980 年代中期至1990 年代中期, 低速柴油机占有商船推进动力80% 的市场份额, 1990 年代后期依然占有75%的市场份额。新造集装箱船、油船和散货船, 大多采用低速柴油机作为推进动力。
表2 给出了 年世界范围内新造商船低速柴油机选用情况。MAN B& W 低速柴油机的装机台数为908 台, 近1300 万kW, 占有2/ 3 的市场份额, 可谓一支独秀。Sulzer 位居第二, 241 台, 503 万kW, 占有1/ 4的市场份额。日本三菱UEC 低速柴油机共154 台, (102 交通部上海船舶运输科学研究所学报2003 年第2 期)146. 5万kW, 市场份额为7. 52% 。值得一提的是, 三菱低速机仅有日本船厂为日本船东订造的新船选用, 对世界上大多数船东而言, 可供选用的低速柴油机仅有两种: MAN B& W 和Sulzer, 二者必居其一。近期低速柴油机的发展特点是: 设计更为紧凑的机型, 降低重量, 开发智能化机型并付诸实用。研究重点是改善缸套) 活塞组匹配, 目前已采用清洁环安装于缸套上部, 以清洁活塞, 减少缸套磨损, 延长大修期。1. 1 Sulzer 低速柴油机表3 为W&artsil&a 公司于2003 年4 月公布的Sulzer 低速柴油机系列。
近三五年内, W&art sil&a Sulzer 新机型的开发重点放在两个方面: 一是加紧开发智能化发动机, 表3 中推出了5个智能化机型: RT-flex 50C、RT-flex58T-B、RT-flex 60C、RT-flex84T-D、RT-flex96C, 首台6RT-f lex58T-B 已于2001 年9 月装船使用; 二是大力开发适用于集装箱船的新机型, 有RTA50C、RTA96C 共6 个带C 的新机型, 此项开发已取得成效, 新的机型具有冲程较短、转速较高、机器高度较低等特点, 与集装箱船航速较高, 吃水较浅、机舱高度较矮相适应, 使船机桨三者达到最合理的匹配。近年来建造的大中型集装箱船大多采用Sulzer 低速机。表4 为 年新造集装箱的主机选用情况。
早在上世纪90 年代初, 一些船东就打算建造6000TEU 以上大型集装箱船, 原有的Sulzer RTA84C 已无法满足要求。1994 年12 月, Sulzer RTA96C 柴油机开发项目正式启动。为此必须先找到合作伙伴, 船东P& O Nedlloyd BV, 船舶设计及制造厂商IHI 和柴油机生产商Diesel U nited Ltd 先后加入到这一合作开发项目。1997 年3 月, 首台11 缸RTA96C 在日本Diesel U nited Ltd 试车台上开始台架试验, 1997 年5 月28 日,台架试验顺利完成, 随后安装在一艘NYK Antares 5750 TEU 集装箱船上, 于1997 年10 月开始运营。1998年6 月起, 有4 艘采用12RTA96C 作为推进主机的P& O Nedlloyd Southampton 级6690TEU 集装箱先后交付使用。由于开发及时, RTA96C 已成为近几年新造6600TEU 以上第六代集装箱船的主选机型。从表3 可看出, 14RT-flex 96C 为Sulzer 低速机系列中功率输出最大的发动机, 80080kW, 可作为新一代10000TEU 集装箱船的推进主机, 服务航速25 kn。1. 2 MAN B&W低速柴油机表5 为MAN B& W 公司于2003 年4 月公布的低速柴油机系列, 表5 中共有28 个机型, 其中27 个MC常规机型均有相应的ME 智能化机型提供给用户, 采用电子控制装置取代凸轮、齿轮和挺杆等机械设备控制燃油喷射、排气阀、启动空气阀和气缸油润滑油。实际上MAN B& W 可供用户选用的机型共有55 个, 总的功率复盖面为 kW, 明显超过Sulzer 低速机系列。如缸径为700 mm 因冲程不同衍生出四个机型: S70MC-C, 冲程为2800 S70MC, 冲程2674 L70MC-C, 冲程2360 L70MC, 冲程2268 mm。
七八年前, 为适应集装箱船大型化需要, MANB& W 曾考虑开发V 型低速机, 但因结构变动过大, 多数船东、船厂存有疑虑, V 型机方案最后束之高阁, 转而开发缸径为1080 mm 的超大缸径智能化发动机, 单缸功率为6950 kW, 14K108ME-C 的输出功率可达97300 kW,可满足T EU 集装箱船服务航速25 kn 的推进功率需求。表6 为 年建造的油船主机选用情况,MAN B& W 低速机分有七成市场份额, Sulzer 仅占二成, 这是因为多数油船吃水深、航速低, 与冲程长、转速低的MAN B& W 低速机匹配良好。散货船的主机选用情况与油船相仿, 多数选用MAN B&W 低速机。
2 中速柴油机自上世纪90 年代以来, 中速柴油机进入了新一轮更新换代的周期, 目标是降低燃油消耗率, 降低排放使之符合IMO 标准, 运行更可靠, 大修期更长。在巩固船舶电站动力几乎是垄断地位的同时提高推进动力的市场份额。1995 年中速机仅占当年完工船舶推进动力市场份额的18. 1% , 此后稳步上升, 1996 年为19% , 1998 年为21. 4%,
年上升至23. 8%。表7 为 年完工船舶中速柴油机的选用情况。芬兰W&artsil&a 独占螯头, 570 台, 328 万kW, 市场份额为53. 27%。接下来为MaK、MAN B&W 和Sulzer, 三种机型合起来为467 台, 267 万kW, 占有43. 35% 的市场份额。排名前列的四种机型占有96. 62% 的市场份 额, 余下五种机型合起来的市场份额只有3. 38% , 说明自1990 年以来, 经过十年的市场竞争, 优胜劣汰, 和低速机一样, 中速机机型也愈来愈少, 对船东而言, 目前可供选用的机型实际上只有四五种。未来中速机发展的主要方向是: 降低NOx 和CO2 排放; 燃料多样化; 延长平均故障间断; 减少维护工作量。
2. 1 Wartsila 中速机十来年前, W&artsil&a 还只是芬兰一家名不见经传的柴油机公司, 由于经营有方, 推出的新机型油耗低, 运转可靠, 符合市场需求。1998 年W&art sil&a 中速机占当年市场份额的29. 9%, 各列榜首,
年更上升到53. 27%。表8 为W&artsil&a 于2003 年4 月推出的中速机系列, 缸径为200, 260 mm 的发动机大多用作电站动力。近年来W&artsil&a 公司一直在研发几项新技术以进一步降低油耗, 减少NOx 排放。向气缸内直接喷水可使W&artsil&a 46 机的NOx 降至10 g / kWh 以下, 并可减少冷却水消耗, 此措施还可用于老机器的改造。W&art sil&a还在研究向气缸内喷射蒸汽, 使NOx 降至3 g/ kWh, 热效率提高3%-5%。W&artsil&a 中速机的热效率已达50%, 新推出的W46 和W64 柴油机的燃油消耗率仅为172 g/ kWh, 已达到低速柴油机的水平, 进一步提高热效率需采用柴油机复合循环( DCC) 。DCC 循环降低活塞顶、气缸头和缸套的散热损失份额, 排气热量经废气锅炉以获得高压蒸汽, 驱动蒸汽透平。它彻底改变了柴油机的能量平衡。此新技术正在12W64 推进装置和电站装置中进行长期运行考核, 整个复合装置的热效率达到60% , 并大大降低CO2 排放。
表9 为 年完工客船( 包括邮船和车客渡船) 主机选用结果。W&artsil&a 中速机为174 台, 172 万kW, 市场占有率为58. 66% , 其次为Sulzer 和MANB& W 中速柴油机, 分别占市场份额的19. 31% 和10.15% 。
2. 2 MaK中速机从表10 可看出,
年新造船共装用238 台MaK 发动机, 占中速机市场份额的16. 46%, 排名第二。自1990 年起, 历史悠久的MaK 公司着手开发新一代中速柴油机, 1992 年推出缸径为200 mm 的M20 柴油机。此后, 每隔两年推出一档新机型, 表10 为MaK 中速机参数。
2. 3 MAN B&W中速机在1996 年的完工船中, MAN B& W 占有当年中速机市场份额的19. 2% , 位居榜首。1998 年占22. 4%,由于W&art sil&a 中速机的迅速崛起, 市场份额虽有所增加, 但排行榜却退居第二。 年市场占有率下降为15. 22%, 排行榜又下降一位。MAN B&W 公司于上世纪90 年代中期开始新一代中速机的开发。1997年上半年制造了10 台L58/ 64 机作为5 艘1400TEU 支线集装箱船主机, 以往这样吨位的商船多为低速柴油机直接驱动。1999 年, L27/ 38 机交付使用, 该机引入了新的设计概念, 具有结构紧凑、部件少、易于安装、保养方便和经济性良好等特点。进入新世纪后, MAN B& W 又接二连三的推出了L32/ 40、L16/ 24、L2/ 31等新机型。表11 给出了MAN B&W 21 世纪新一代中速机型系列。
表11 中, L16/ 24、L21/ 31 主要用作商船动力, 后面几档机型既可作为推进动力, 也可用作电站动力。12V48/ 60B 机型已完成了使用油水均质混合燃料的试验, 可降低NOx 排放。2. 4 推进装置成套供应MAN B& W 公司于近年来推出了推进装置成套供应的销售新概念。原来船厂向不同厂商订购主机、齿轮箱、螺旋桨和控制系统, 轴系则由船厂自行加工, 最后由船厂将上述设备配套组装, 这样船厂订货配套工作量很大, 一旦出现问题各供货方易互相扯皮, 推诿责任。对船厂而言, 推进装置由一家厂商配套供应则大大减轻了工作量, 由一纸合同取代了原先的几张合同, 一次交货; 其次整个装置成本易得到控制; 此外, 装置的设计、布置、相互匹配可综合各方面专家经验, 比船厂自行设计配套具有更高的专业水平。对船东而言, 成套供应的好处也是显而易见的。装置的运行经济性、运转可靠性、售后服务更易得到保障, 装置较接近/ 最佳0,不像船厂配套整个装置很可能是各部件互相妥协折衷的结果。由于对船厂、船东均能带来好处, 成套供应的销售策略已初见成效。1997 年1 月-8 月间, MAN B& W公司的Aug sberg 分部取得88 台中速柴油机订货, 其中32 台为推进装置成套供应, 有L/ V32/ 40、L40/ 54、L/V48/ 60、L58/ 64 多种机型, 装用于液化气船、集装箱船、化学品船和滚装船。MAN B& W 公司在开发新的L27/ 38 中速机时就引入了成套供应新概念, 专门为L27/ 38 配套设计MGS 系列齿轮箱, 减速比为2. 8-5. 6 具有PTO、PT I 装置, 目标是使其成为这一功能范围内最佳推进装置。对这种做法, W&art sil&a 公司开始时就不以为然, 认为这样做会使成本明显增加, 搞得不好, 还可能使新产品的适用性受到制约。随着时间推移, 眼看推进装置成套供应概念逐渐为欧洲不少船东和船厂所接受, 市场前景看好, W&artsil&a 公司急忙来个180b大转弯, 积极开展成套供应业务, 仅于1997 年就销售了60 套推进装置。不仅是中速机, 低速机推进装置也可成套供应, 截止1998 年初, MAN B& W 公司Alpha 分部持有100台MC 二冲程低速机订单, 其中64 台为推进装置成套供应, 成套供应率达到64% , 包括调距螺旋桨和控制系统, 最大功率达14 700 kW。3 螺旋桨近年来, 丹麦、西班牙、荷兰等几个西欧国家的科研人员在一些新概念、新思路指引下, 开发出几款新型螺旋桨。与目前商船上广泛使用的常规螺旋桨相比, 这几款新型螺旋桨具有下列两个明显优点:首先, 新型螺旋桨推进效率高, 在保持船舶航速不变的前提下, 可节约主机功率少则3%-4% , 多则8%-10% 。以一般近1998 年建造的6690TEU 集装箱船) Southampton 为例, 该船装用Sulzer 12RTA96C 柴油机为推进主机, 额定功率65880 kW, 服务航速24. 5 kn, 如采用新型螺旋桨取代原有常规螺旋桨, 以节省主机功率5% 计算, 一年可节约燃油 t , 节省燃油费40-53 万美元, 按集装箱船使用年限为20 年计算,则一艘船使用期限内节省燃油费800-1060 万美元。一艘船能省下上千万美元的成本开支, 再大的航运公司也会怦然心动。其次, 新型螺旋桨可明显减少激振力, 从而可明显消减船尾振动, 因而延长了船体结构和设备的使用寿命, 对客船、游游船和在客渡船而言, 还明显改善了旅客和船员的居住舒适性。3. 1 Kappel 螺旋桨以丹麦工程师J. J. Kappel 为首的科研小组经十多年努力, 于近期推出了由首主创人姓氏命名的Kappel螺旋桨。其外形如图1 所示, 在其桨叶0. 875R 以上的叶梢向前呈圆弧状弯曲, 叶梢形状好像鱼鳍, 故也可称为梢鳍螺旋桨。自1997 年8 月以来, 参与Kappel 螺旋桨研发项目的单位及其分工如下:#丹麦技术大学研究非二推升力面理论, 包括螺旋桨在恒定伴流场中的性能;#丹麦海运研究所研究螺旋桨在伴流场中诱导压力的脉动量级及其计算方法;#丹麦KMC 公司提供设计服务;#德国HSVA 试验水池承担螺旋桨的敞水试验、自航试验和空泡试验;#英国SMM 公司承担螺旋桨的制造工作此研发项目获得了英国劳氏船级社的支持。丹麦D/ S Norden 航运公司决定在其新建的六艘35000dw t 成品油/ 化学品船中的一艘船中安装Kappel螺旋桨。图1 即为M. T. Nordamerika 35000dw t 成品油船安装4 叶Kappel 桨的外形, 2002 年完成了Kappel桨和常规桨的实船对比试验, 图2 为试验结果。从图2 可看出, 航速为15 kn 时, 采用Kappel 桨可节省主机功率达4. 01%, 229 kW, 营运一年可节省燃油170-250 t , 约合2. 5-4 万美元, 以营运20 年计, 总共可节约50-80 万美元的燃油费用支出。船模试验结果表明, 与常规桨比较, 采用Kappel 螺旋桨主机功率可减少3. 7%-4. 7% 。
2001 年, 韩国Daedong 船厂建造的一艘油船也采用了4 叶Kappel 螺旋桨, 直径为5. 8 m, 该油船于2001年秋进行了Kappel 桨和常规桨的实船对比试验。按研发计划, 德国Kvaerder Wardow 船厂建造的CV 2900 型集装箱船将采用6 叶Kappel 桨, 并与设计先进的常规桨进行模型和实船对比试验。3. 2 CLT 螺旋桨CLT 螺旋桨的全称为尾流收缩叶梢有载螺旋桨, 系由西班牙工程师Gomez 首创, 螺旋桨具有较宽的叶梢, 并有一端板如图3 所示。根据船舶推进器尾流收缩原理, 桨叶随边处直径相应减小, 端板位于叶梢压力面, 形状正好与螺旋桨盘面的流管形状相吻合, 以减少端板的粘性阻力, 增加进入螺旋桨的水流量, 使螺旋桨推力有所增加, 与常规螺旋桨相比, CLT 桨具有下列优点:#推进效率提高8%-10%, 燃油消耗明显减少;#减少或消除螺旋桨激发的船体振动;#改善机动性, 减少回转半径, 缩短停车距离;#改善航向稳定性。截止1999 年底, 已投入营运或订货的CLT 桨已超过220 台, 安装于不同类型的船舶, 包括油船、大吨位散货船、滚装船、集装箱船、水翼船、拖网渔船、大型围网渔船和长途班轮。主机功率范围为70-26500kW, 复盖了从低到高的转速范围。
总部设在瑞士日内瓦的Carg ill 国际航运公司于八年前开始采用CLT 螺旋桨, 1995 年, Carg ill 公司首先在13600dw t 橙汁运输船Bebedouro 上装用CLT 桨。稍后, 又在两艘164000dwt 好望角型散货船) Cherokee 和Comanche 上装用CLT 桨。1998 年2 月和3 月, 又在70000dw t 巴拿马型散货船) Pow hatan和Paiute 上安装CLT 桨。这些螺旋桨均由总部设在西班牙马德里的Sistemar 公司提供。据Cargill 公司技术经理Hollstein 介绍: 这五艘船装用CLT 取代原有常规桨的投资偿还期接近两年。上述两艘巴拿马散货船) Powhatan 和paiute 均投放于租船市场。压载航行时, 航速15 kn, 日燃油消耗量为28 t。而其装用常规螺旋桨的姐妹船) Peouia 和Pequot 压载和满载航行相应日燃油消耗量分别为30 t和31. 2 t , 燃油节约达8. 3%和10. 25% 。由于目前租船费率偏低而燃油价格偏高, 燃油费用的明显节约使这两艘船在租船市场上更具吸引力。对于两艘好望角型散货船) Cherokee 和Comache, 在用CLT 桨取代原先安装的常规螺旋桨以后, 满载航行时的日燃油消耗量从58. 5 t / d 降至52. 5 t/ d, 减少10. 26% ; 压载航行从原先的54. 4 t/ d 降至49. 5 t / d,减少9. 01% 。Bebedouro 采用CLT 桨的主要原因是为了降低螺旋桨激发的船体振动, 燃油节约是附加收益, 燃油消耗减少了9%, 主机在额定转速下运转时不再超负荷。来自船东和船厂的重复订单说明了CLT 桨收到了预期的节能和减振效果。截止2000 年底, 已有26 家航运公司采用CLT 桨。这些公司分别属于不同的国家) 日本、新加坡、印度尼西亚、澳大利亚、肯尼亚、冰岛、葡萄牙、瑞士、意大利、英国、波兰、委内瑞拉、智利和西班牙。除了定距桨以外, CLT 桨也适用于调距桨, 已有50 余台调距桨采用CLT 桨。不仅用于新造船, 也可用于在用船舶调距桨的更新, 在不同螺距位置均可得到高于常规调距桨的推进效率。3. 3 GPT 螺旋桨1992 年, 荷兰格罗宁根螺旋桨技术公司( 简称GPT 公司) 成立, 致力于叶梢有载螺旋桨的研发。创新的设计思路要追溯到上世纪50 年代后期, 当时格罗宁根大学J. A. Sparenberg 教授创立了螺旋桨升力面理论。GPT 公司在升力面理论指引下开发叶梢有载螺旋桨, 开始设计了两种叶梢端板形式, 最终选用叶梢双端板形式, 一个端板布置在吸力面一侧, 一个端板布置在压力一侧, 即将图3 中叶梢端板的一半翻转到另一侧。消除涡旋的螺旋桨叶梢有载理论的优点, 早已经在航空界获得共识。波音747-400 型机翼的端部具有双垂直小翼。GPT 公司相信消除叶梢涡旋比消除桨毂涡旋更重要。采用GPT 螺旋桨取代原有的常规螺旋桨后, 一艘瑞典拖船在全速航行情况下, 主机功率节约5%, 系泊拖力增加10%, 振动减少50% 。 在一些荷兰内河船上换上了GPT 螺旋桨后, 测得的功率节约为5%-15%。__+*初始的GPT 螺旋桨的平均直径约1. 5 m, 最大的直径为2. 5 m, 主机功率为 kW。据称在罗马尼亚新建的一艘双桨集装箱船已选用GPT 螺旋桨, 其直径为1. 6 m。GPT 螺旋桨另外的优点是增加船首的机动性和减少船舶的回转直径, 还可采用较小的螺旋桨直径。GPT 公司报告声称, 已售出100 个GPT 螺旋桨, 船东反映该螺旋桨与常规桨比较, 节能的范围为5%-15% , 并且较大的减少噪音和振动量级。船的航速一般可提高约0. 5 km/ h。到2000 年中为止, GPT 螺旋桨都安装在内河船上。为了使GPT 螺旋桨尽快扩展使用到海船上, GPT公司制定了6 个月的试验计划, 以证明GPT 螺旋桨在海船上同样有效。GPT 公司与荷兰某些船东以及瓦根宁根(Wagening en) Marin 船模试验池合作实施这个试验计划。此外, GPT 公司已向韩国现代重工推荐其螺旋桨用于超级油轮, 期望在大型商船上取得突破, 以获取更大的商业利益。 过去几年中, GPT 公司既为新建船舶提供GPT 螺旋桨, 也为旧船常规螺旋桨更换GPT 螺旋桨, 特别是要求解决严重振动问题的船舶。4 正反转螺旋桨众所周知, 采用正反转螺旋桨作为推进装置是一项行之有效的节能措施, 安装在后面的螺旋桨旋转反向与前面一台螺旋桨相反, 因而可有效地将前面一台螺旋桨尾流中的旋转能量转化为推力。从上世纪80 年代中期起, 日本三菱重工和石川岛插磨重工开始研发正反转螺旋桨作为商船推进装置。4. 1 三菱重工开发的正反转螺旋桨推进装置1988 年, 三菱重工先在二艘吨位不大的商船试用正反转螺旋桨推进装置, 1993 年, 又在一艘28. 5 万DWT 大型油船/ Cosmo Delphinus0号上装用正反转螺旋桨取得令人满意的效 果。Cosmo Delphinus 油船主机为三菱7UEC75LS ò低速柴油机, 最大持续输出功率( MCR) 为20600 kW, 持续服务功率(CSR) 为17500 kW。专为该船设计的正反转螺旋桨主要特征见表12。
三菱重工对Cosmo Delphinus 油船进行了模型和实船试验。实船性能对比试验在分别装有正反转螺旋桨的Cosmo Delphinus 和装有常规调距桨的姊妹船之间进行。试验结果如下: #节能效益: 在不同船速下, Cosmo Delphinus 所消耗的轴功率比姊妹船低15% ;#尾流: Cosmo Delphinus 正反转螺旋桨的扰动水流较姊妹船平稳, 说明正反转螺旋桨尾流的能量损失相对较小;#航向稳定性试验: Cosmo Delphinus 的不稳定环较姊妹船要小, 说明该船有更好的航向稳定性;#Z 形操纵试验: Cosmo Delphinus 的超越角与摆动时间几乎与姊妹船相等, 数值均比较小, 说明船的操舵响应能力甚好;#回转试验: Cosmo Delphinus 的左向、右向回转圈较姊妹船更为对称, 说明正反转螺旋桨后尾流的旋转水流能量有所减弱;#空泡观察: 正反转螺旋桨的前桨、后桨桨叶上空泡扩张范围甚小, 和模型空泡试验吻合; #噪音与振动: 与姊妹船相比, Cosmo Delphinus 各层甲板的噪音均低5 dB, 船体振动也明显低于姊妹船,特别在船后体部份。4. 2 IHI 开发的正反转螺旋桨推进装置1989 年, 石川岛播磨重工( IHI) 在一艘37000 DWT 散货船/ Juno0上改装了正反转螺旋桨。试验结果证实, 推进功率节约了15% 。1993 年IHI 又在一艘28. 5 万DWT 油船/ Okinoshima0上装用正反转螺旋桨取得成功。IHI 近几年正在研究在一艘10260TEU 超大型集装箱船装用正反转螺旋桨, 已完成方案设计和模型试验, 其主尺度为: 总长346. 6 m, 型宽51. 2 m, 型深29. 6 m, 主机最大持续输出功率65880 kW, 100 r/ min, 服务功率59290 kW, 考虑10%海上功率储备, 服务航速25 kn。经估算, 因采用正反转螺旋桨而增加的初投资有望在2. 33-3 年内用节约下来的燃油费用偿还。IHI 认为, 在如此大的推进功率下, 装用正反转螺旋桨是超大型集装箱船的最佳选择, 其优点是:#与常规单机单桨船相比较, 10000 TEU 级集装箱可节省推进功率12% ;#使用正反转螺旋桨, 二个螺旋桨负荷降低, 导致螺旋桨效率提高, 并使螺旋桨的最佳直径比常规桨减少10% , 从而使船舶吃水限制引起的问题降至最小;#正反转螺旋桨的每个桨各吸收主机功率的一半, 有利于减少螺旋桨的空泡和激振力, 可减少由螺旋桨激发的船尾振动。4. 3 与CODMAE 一起使用的正反转螺旋桨CODMAE 为Combine diesel mechnical and elect ric 之简写, 为柴油机与机械传动、电气三者相结合的复合式推进装置。荷兰海事研究所( Netherlands Marit ime Research lnst itute) 的Marin 最近正在从事一项研究项目, 将CODMAE 与正反转螺旋桨组合在一起使用, 目标船为一艘1400 TEU 支线集装箱船, Marin 提出了三组方案进行研究评估:方案一: 主机为二冲程低速机, 二个桨均为定距桨, 如图4 所示;方案二: 主机为二冲程低速机, 前桨为定距桨, 后桨为调距桨;方案三: 主机为四冲程中速机, 前桨为定距桨, 后桨为调距桨。在三个方案中, 柴油机均驱动后螺旋桨, 前螺旋桨为电力驱动, 电力来自柴油机驱动的轴带发电机, 也可由柴油发电机组提供电力。按Darin 估算, 二个螺旋桨之间的最佳功率分配为: 后桨80%, 前桨20% 。与单机单桨常规推进方式比较, 方案一的节能收益为13% , 方案二、方案三为10. 5%。每年可节约燃油费用200-250 万美元, 因采用此复合装置而增加的额外投资的收益率平均为45%-50%, 投资偿还期为2-2. 5 年。此推进方式还增加了船舶航行的机动性与安全性, 即使主机发生故障, 电力驱动的前螺旋桨还可确保船舶作低速机动航行。4. 4 ABB 开发的CRP AzipodCRP Azipod 为Contra-rotaing azimalthing podded propeller 之缩写, 为可回转包壳式对转螺旋桨, 采用电力驱动, 安装在常规螺旋桨轴线近伸的后面, 旋转方向与主桨相反, 直径稍小于主桨, 转速稍高, 驱动功率为主桨的30%-40% , 可回转, 如图5 所示, 由于CRP Azipod 将常规舵取而代之, 有些文献中也称作为动力舵( Power Rudder) 。
图4 主机为低速机, 二个桨均为定距桨1 前螺旋桨 2 后螺旋桨 3 二冲程发动机 5 内螺旋桨轴 7 离合器 10 电动机 11 弹性联轴节 12 传动齿轮 13 外螺旋桨轴 14轴承 15 轴承 17 增速齿轮箱 18 轴带发电机 20 柴油发电机24 变压器 25 开关 26 开关 27 开关 30 舵
图5 CRP Azipod从上世纪90 年代末开始, 总部设在瑞士的ABB 公司即致力于CRP Azipod 的开发, 多年的努力终于开始迎来收获, 2002 年, ABB 取得了来自三菱重工的一个订货合同, 在二艘日本长崎船厂建造的Popax 渡船上装用CRP Azipod 装置, 2004 年交船。主螺旋桨由二台W&artsil&a 12800 kW 中速机经过一台齿轮箱直接驱动, Azipod 则由电力驱动, 船舶安装 有二套正反转螺旋桨装置。模型试验表明, 与常规双机双桨推进方案比较, 总的推进功率可节约10%-15% , 模型试验由挪威Marintek 水池完成。此外,ABB 与韩国三星重工合作, 将CRP Azipod 用作为 T EU 超大型集装箱推进方案, 2002年春天于圣彼得堡克雷洛夫研究院完成了模型试验, 试验结果表明, 采用CRP Azipod 方案的水动力效率较单桨方案高出7. 1%, 较双桨双尾鳍方案高出11. 4%。ABB 认为, CRP Azipod 方案不仅适用于集装箱船, 对滚装船、客车渡船乃至LNG/ LPG 船亦同样具有应用前景。5 节能附件5. 1 Lips 高效舵著名的船用设备制造商) Lips 于2001 年推出了一种新型节能装置) 高效舵( Eff iciency Rudder) , 也可称为桨舵一体化装置( Prop andFin Combination) , 图6 为其示意图。在舵叶中间部位, 沿螺旋桨轴轴线延伸方向, 焊有一只呈流线型纺锤体状的舵球, 与常规船舶螺旋桨与舵各自独立不同, 此舵球使螺旋桨与舵成为一整体, 舵球最大直径要超过螺旋桨桨毂直径, 看上去宛如一枚鱼雷。一艘营运于挪威沿海的快速客船) FinnmarKen 率先使用此节能装置, 该船航速为18 kn, 营运于卑尔根) 克凯奈斯旅游客运航线。FinnmarKen 为一艘双机双桨旅游客船, 模型试验证实, 与常规舵相比较, 装用高效舵后推进功率和燃油消耗可节省5%-6%, 螺旋桨激振力降低40% , 螺旋桨诱导噪声级降低5 dB(A) 。推进功率的节省是由于/ 伴流增益0效应所致。光顺的鱼雷体消除了原先在螺旋桨桨毂后方发生的旋涡, 使桨后尾流变得非常顺畅, 尾流速度降低, 螺旋桨盘面面积增加, 从而提高了螺旋桨推进效率。表13 给出了Lips 针对不同船型采用高效舵后的模型试验结果, 试验大多在挪威Marintek 水池试验室进行。从此表可看出, 高效舵叶单桨船尤其是船身丰满的船舶效果更好, 在一艘航速17 kn 主机功率为6300kW 的运纸船上节能效益达9%-12%, 在一艘航速为25 kn 的快速集装箱船上也可收到5%-8% 的节能效益。用在双桨船上节能效果稍差一些, 最高为6%, 最低仅2%, 平均为4. 1%, 但对一些客船而言, 更重要的是降低了船舶的振动和噪声, 船舶舒适性有明显改善, 此外由于尾流顺畅, 舵效改善, 船舶操纵性也有所提高。
5. 2 日本Namura 船厂开发的NCF2001 年9 月, 日本Namura 船厂公布了其开发的一项节能技术) NCF( Namura f low control fin) , Namura流体控制翼, 可收到2%-5%的节能效益, 已用于该船厂生产的五个标准船型。NCF 结构很简单, 为一对与飞机机翼形状相似的翼片安装在螺旋桨顶部正前方的船尾处, 增加进入螺旋桨的水流, 减少船尾紊流影响, 提高螺旋桨推进效率。2001 年5 月, Namura对一艘装有NCF 的巴拿马型货船进行船上实船试验, 证实了船模试验结果, 节能效益达5% 。5. 3 三井的螺旋桨毂帽鳍早在上世纪90 年代, 日本三井就成功开发出螺旋桨毂帽鳍( PBCF) , 其节能效益接近5%, 还可降低船尾振动和螺旋桨噪声, 已有超过800 艘商船装用PBCF, 包括大型集装箱船、LNG 船和高速渡船。2001 年底, 一艘主机功率为60390 kW 的大型集装箱船装用PBCF。PBCF 适用于新建船舶或营运船舶, 无论是定距桨或变距桨均可, 在螺旋桨毂帽处焊上几片鳍叶, 用来校正螺旋桨桨毂的涡流, 回收螺旋桨桨后尾流中的旋转能量。5. 4 三菱重工的后置导叶三菱重工于2001 年开发出一种新型节能附体) ) ) 后置导叶, 由位于螺旋桨后的固定式钢叶片组成, 如图7 所示, 安装在舵杆前部。船舶航行时, 螺旋桨旋转时产生的尾流流过后置导叶时, 可把尾流中的旋转能量转化为推力, 从而可收到4%的节能效益。后置导叶节能效益已由三菱重工水池模型试验和一艘/ Trans Future 30滚装船海上试验证实。5. 5 前置导管和Costa 整流舵组合式节能装置这是目前新造商船采用最为广泛的一款节能装置, 如图8 所示, 近年来国内船厂为海内外船东建造的商船大多采用此节能装置, 通常可收到4%-8% 的节能效果, 其节能原理为
图7 后置导叶
图8 前置导管和Costa 整流舵组合式节能装置#前置导管安装螺旋桨轴上方, 可加速螺旋桨上部流速, 使螺旋桨盘面上伴流趋于均匀, 从而改善了螺旋桨的工作条件, 提高了螺旋桨的推进效率;#前置导管采用左右不对称的半环组合, 调整两侧导管的安装位置和角度, 可改善螺旋桨进流的预旋程度, 从而进一步改善螺旋桨流场, 提高推进效率;#Costa 整流舵是舵叶上位于螺旋型轴线延伸线上的回转体, 是一种早期在拖轮上采用的附体节能装置,将桨后尾流予以整流, 可回收部份尾流旋转能量。《交通部上海船舶运输科学研究所学报》2003年02期
更换定距桨实现船舶节能修改船舶推进系统能大大改善推进效率。讨论了改变螺旋桨直径、叶数、转速和设计点对推进效率的影响, 还考虑了在船体上安装导管, 特别是高效导管和其他节能装置。 1 改进推进系统选择新造船推进系统时要考虑若干因素。由于齿轮箱在大型定距桨装置中很少使用, 因此推进系统主要是柴油机直接驱动螺旋桨。对于螺旋桨, 直径和叶数的选择受到柴油机负荷限制和选定的运行点的影响。当然, 螺旋桨直径还受到船尾可用空间的影响。此外, 船体结构的固有频率和/ 或柴油机缸数可能决定螺旋桨叶数。缸数是叶数的倍数可能会引起振动问题。螺旋桨直径和叶数通常在原螺旋桨设计时就已经优化。然而, 某些参数可能在优化时发生了变化, 应该再校核一遍。例如降低设计转速则设计功率相应减小, 这又对应另一个最佳直径和叶数。在实际中经常遇到螺旋桨参数不是最佳的情况。以下介绍螺旋桨直径、叶数、转速的优化实例。因为推力决定船速, 优化实例按推力不变计算。某散货船: 服务航速14. 5 主机功率7061 kW; 转速112 r/ 直径5000 叶数4。实例中推进效率是螺旋桨敞水效率和船壳效率的乘积。因此, 分析不仅包括螺旋桨本身, 还包括螺旋桨和船体的相互作用。事实上, 推进效率最高时燃油消耗率最低。1. 1 改变直径, 其他因素不变表1 列出优化直径对效率的影响。
优化直径为5800 mm 时推进效率差不多提高9%,即燃油消耗率降低9%。当然, 增大直径可能不适合现有的船尾构架或超出船舶基线, 而且必须注意到梢- 壳间隙减小会导致脉动压力水平升高。然而, 当直径增大400 mm时, 效率仍可提高6. 6%。本例中假设桨叶盘面比不变, 因此增大直径使功率密度降低。若调整桨叶盘面比使功率密度保持不变, 可进一步提高效率, 降低油耗率, 相关内容可参考文献[ 3~ 4] 。1. 2 改变叶数, 其他因素不变表2 给出了本例中对叶数的优化过程。
由表2 可见, 就推进效率而言, 4 片桨叶并非最佳。增加桨叶数效率提高不多, 尽管其他诸如固有频率或缸数等因素可能决定了现有的桨叶数, 但需要增加螺旋桨叶数以提高效率实际上说明最初设计的5000 mm 直径过小。1. 3 改变转速, 其他因素不变对于已有装置可能很难改变设计点的螺旋桨转速。假设可以改变, 则可对同一装置优化螺旋桨转速。如图1所示, 转速增加到140 r/ min 左右效率可提高约5%。
如前所述, 本实例中把转速选为112 r/ min 可能另有原因, 如选用指定机型。然而, 本例中增加转速可直接降低油耗率。当然, 并不是任何情况下增加转速都可以降低油耗率, 有时降低转速也可使油耗率降低, 而且转速改变后螺旋桨应重新匹配设计。1. 4 对螺旋桨直径、叶数、转速进行整体优化当对螺旋桨直径、叶数、转速进行整体优化时, 优化的顺序很重要。本例中按照螺旋桨直径、叶数、转速的顺序进行整体优化, 得到的效果最好, 见表3。
推进效率与优化前相比提高了9. 0%。考虑到船尾构架空间, 5800 mm 的直径可能存在问题, 在直径增量不超过400 mm 的前提下按上述优化顺序重新优化, 推进效率与优化前相比提高了7. 3%。由于优化转速与原转速接近, 因此不必对柴油机进行特殊调整。转速由112 r/ min改为110 r/ min 对效率影响不大。改变螺旋桨叶数对推进系统布置、主机缸数和船体结构影响较大。结论：螺旋桨设计点改变螺旋桨设计点可以大幅降低油耗率, 然而改变螺旋桨设计点应在柴油机负荷限制范围内。另一方面,若柴油机特性不变, 在功率不变时增加转速可以降低油耗率。因此, 为降低油耗率, 螺旋桨转速通常高一些, 轻桨运行余量较大。增大轻桨运行余量受两个因素制约。首先, 设计点转速不应超过柴油机超速限制转速。其次, 轻桨运行时螺旋桨无法再吸收最大功率。因此, 轻桨运行余量不能过大。若船舶改变用途或柴油机老化而无法再发出最大功率, 换桨时可考虑不再使用最大功率。在类似情况下, 可以把螺旋桨设计的轻一些以降低燃油消耗率。很多情况下应研究油耗率可以降低的程度以及是否有必要重新确定螺旋桨设计点。不应忽略通过提高转速改变设计点对螺旋桨的影响, 否则由改变设计点得到的改进与对螺旋桨本身产生的影响可能会相互抵消。2 脉动压力和振动前文已说明改变螺旋桨直径、叶数或转速可以大幅降低油耗率, 此外, 增加螺旋桨设计点转速会进一步降低油耗率。采用这些方法时不仅要考虑效率, 还要考虑其他方面。以下讨论有关脉动压力和振动的一些后果。2. 1 梢- 壳间隙优化推进系统时考虑脉动压力水平和振动是很重要的。增大螺旋桨直径时, 梢- 壳间隙变小, 脉动压力水平可能增大。作用在船壳上的脉动压力水平与梢- 壳间隙成反比。一般旧船梢- 壳间隙较大, 增大螺旋桨直径产生的影响可以接受。通常这些船比现在的船坚固, 可以吸收较高的脉动压力而不会产生过大的振动和噪声。2. 2 共振就脉动压力水平而言, 设计一个一阶桨叶共振值相等而叶数不同的螺旋桨并不难。桨叶盘面比不变时, 功率密度不变, 吸入侧空泡区基本不变。吸入侧空泡是决定一阶共振脉动压力水平的主要因素。当然, 叶数改变后频率也会变化。如果与船舶部件的固有频率接近就会 导致严重的船舶振动问题。高阶共振脉动压力水平对船舶结构影响不大, 但对船舶机械设备影响较大。因此, 高阶脉动压力水平亦不应太高。高阶共振脉动压力主要是由梢涡力引起的, 改变螺旋桨叶数会影响叶梢负荷进而影响梢涡力, 导致高阶共振脉动压力变化。若高阶共振脉动压力水平很严重, 宜采用多叶螺旋桨。2. 3 叶数由于大多数定距桨由柴油机直接驱动, 柴油机缸数和桨叶数能加强某一频率的振动。例如, 采用8 缸柴油机驱动4 叶螺旋桨可能会对螺旋桨空泡/ 声音性能和柴油机轴系扭振产生不利影响。结论：螺旋桨转速一定范围内的螺旋桨转速对振动和脉动压力水平影响不大, 但是会改变频率, 可能会接近船体或机器设备固有频率, 应加以避免。其次, 转速影响叶梢速度。叶梢速度对螺旋桨梢涡和空泡性能影响很大。一般建议敞水桨叶梢速度不超过40~ 45 m/ s。因此, 改变螺旋桨直径时应注意叶梢速度。3 采用导管及其他节能装置以上讨论了对螺旋桨和柴油机的调整, 若无法进一步降低油耗率, 还可以采用以下方法。3. 1 高效导管采用导管可以提高效率。人们往往认为导管只适用于系泊工况, 其实不然[ 5] 。高效( HR) 导管不仅适用于大功率系泊工况, 还适用于航速为15~ 20 kn 的船舶。由于大多数商船的服务航速都在此范围内, 因此可以考虑加装导管降低油耗率。导管螺旋桨的优点是与敞水桨相比其脉动压力和振动水平低, 最佳直径小, 易于在现有船舶上安装。一般安装导管时应增大螺旋桨设计螺距。导管可以改善流场, 位于船壳和螺旋桨之间的导管还能降低作用在船壳上的压力。为证明采用导管实现节能的可行性, 下面以一艘化学品船为例: 服务航速14. 5 主机功率5500 kW; 转速131 r/ 叶数4。原螺旋桨优化直径为5150 mm。换装高效导管螺旋桨后, 优化直径减至4250 mm, 油耗率降低约6%。3. 2 均流导管用导管螺旋桨装置代替敞水桨对船舶尾部有一定影响。当更换螺旋桨受到限制时, 可以在船壳上加装均流导管( WED) , 在尾流较差时可大大提高效率, 节省燃油[ 6] 。均流导管又称螺旋桨进流补偿导管、前置小导管等,是具有机翼型切面的呈两个半环形的导流装置, 两个半环以不同的倾角安装在船尾桨前船壳两侧, 偏置于桨轴上方, 其中心线位于叶梢以下25% 的斜向后上方。它以本身微小阻力为代价, 在两个半环处产生环流, 加速螺旋桨上部进流, 减少船尾部水流分离, 使盘面内进流均匀化, 改善推进效率。对于方形系数较大的船舶可改善船壳效率, 节约较多功率[ 7] 。安装均流导管能改善尾流场, 有利于螺旋桨工作, 可以用于螺旋桨设计以提高效率。尾流场改善后可以降低盘面比。除了导管和均流导管, 还可以采用诸如反应舵、整流帽和毂帽鳍等节能装置。《世界海运》2005年04期
船舶节能设计的分析及展望一、船舶动力装置设计中的主要节能措施、. 大功率柴油机的选择―能烧劣质油1 前我院设计的出口船舶, 在主要机电设备选配方面优先选择价格合理, 热效率高, 耗能低的机电产品。对于主机, 柴油发电机均选用能烧船用重油, 其主机应能烧粘度俄大于3 0 0 0 秒至6 0 0 0 秒, 而柴油发电机应能烧粘度值尤于1 5 0 0 秒至3 0 0 0 秒, 最好是二者均能烧粘度位为3 0 0 0 秒的燃油, 这样对于船舶动力装置系统的设计可进一步简化, 航运管理方便, 运行经济, 在船舶销售方面更有竞争力。选用2 7 0 0 。吨运输船为例, 通常每天耗油30 吨, 其中船用柴油价为35 0 美元/ 吨, 3 8 o c s t( J电随) 燃油价为2 10 美元/ 吨, 每吨油价差为1 40 美元, 每天可省省4 , 20 0 美元。按远洋船每年航行2 0 天计算, 每年可节省燃油费8 4 0 , 0 0 美元。这笔钱对航运公司是有很大的吸引力。目前在国际航运中, 船用主机都具备烧劣质油的能力, 也是我们设计出口船选择主机的基本条件之一。在船舶动力装置(主要指柴油机动力装置) 的设计中, 对采用的船用重油进行加热, 保证 进入柴油机高压油泵前的燃料粘度值小于65 秒即可, 根据不同燃料油的粘度值与温度对应关系曲线, 可确定柴油机在运行中使用的重油应加热到多少温度值即可满足使用要求。根据我们应用的经验, 粘度值为3 0 0 0 秒的重油加热到1 30 ℃ , 6 0 0 0 秒的重油需加热到1 40 ℃ 。按照上述情况和要求配套燃油系统的各种设备。2 . 主要机电设备的选择―耗能低1 9 8 0 年6 月为出口船2 7 0 0 0 吨散装货轮选配的主机, 其型号为B &W S L 5 G F C ,功率为1 0 7 0 0 马力, 转速为1 5 转/ 分, 燃油消耗率为1 38 克/ 轴马力? 小时。 时隔两个月同外商进行第二批主机订货技术座谈, 仍是同型号主机, 其燃油消耗率降为1 36 克, 同年1 月进行第三次技术座谈, 主机型号为B & W SL 5 G F C A , 功率提高为1 2 0 0 0 马力, 油耗降为1 35 克。1 9 8 1年l 月订货技术座谈, 我方提出减功率使用并进一步提出降低油耗要求, 经过会谈达成下列协议: 主机型号定为B &W SL 5 G F C A (D ), D 表示减功率使用, 最大持续功率为1 0 7 0 0 马力, 相应转速为1 50 转/ 分, 油耗进一步下降为1 3 克。1 9 8 1 年3 月船东获悉主机制造厂已试验成功新的改进机G A , 并且知道G A 机能容易改装成油耗更低的G B 机(当时G B 机还未正
式投放市场), 船东想改变签订的主机合同并承担加价的责任, 船东为了_长远的利益, 接受了我方加价的要求。B & W S L 5 G A 机, 最大持续功率仍定为1 0 7 0 0 马力, 相应主机转速为1 5 0 转/ 分, 油耗为1 31 克。在以后的技术座谈中, G B 机油耗为1 28 克, G B E 机油耗为1 25 克。在今年8 月份进行订货技术座谈中, 厂商正式向我们说明M C 系列机已于1 9 8 2 年4 月在日本三井公司试验台上获得成功, 其油耗降为1 2 克, 预计明年将降低为1 19 克。上述的油耗为经济运行时的油耗值, 我们选择主机时对油耗是特别重视的, 交船时, 油耗达不到是要罚款的。我们在同外商进行技术交流中, 深深感受到柴油机制造公司为了争奇市场在降低燃油消耗率方面的研究有了新的突破, 平均每一个季度就有新的低油耗机型投人市场竞争, 在这方面B &W 柴油机公司显得特别神速。同样, 柴油发电机组的油耗这两年也有大幅度的下降, 从1 62 克降为1 52 克, 平均每年 下降约5 克/ 马力?小时。3 . 主机转速的选择―具有高效率的推进系统我们设计一条新型船舶时, 正确选用主机是极为重要的, 除了上述二种因素之外, 我们 还特别考虑动力装置推进轴系的效率, 在满足船舶航速时(柴油机最大持续工况下)需要的主机功率, 在螺旋桨直径许可的范围内, 尽可能选用主机转速低的型号, 从而将大大提高轴系推进效率。由于上述原因, B &W 公司发展了超长冲程发动机, 冲程比由1 . 78 提高到3 . 0 , 发动机转速有了大幅度的下降, 节约油耗8% 以上。下表所示, 表明B & W 柴油机发展过程中转速下降的趋势。
4 . 主机的功能选择―多用途由于主机可烧重油, 油耗低及废热利用较好等优点, 在船舶动力装置设计中为了节能,提高设备的利用率, 常采用轴带发电机、轴带泵及变速装置等布置形式。以4 台主机为6 0 0 0 马力的中速柴油机运输}