张 陈，罗森怡，刁海兵

(1.中航鼎衡造船有限公司，江苏 扬州 225217；2.江苏科技大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212003)

0 引言

超大灵便型散货船在整个散货船系列中有其自身独特的优势:尺度适合进出大多数港口；配备货物吊，可自行完成装卸；对港口条件要求低，特别适合东南亚国家；适合运输包括煤、谷物、大米、水泥等各种散货，同时其设计中对于钢卷板的运输进行了特殊的考虑。2017年，散货船合同超过1.4亿载重吨，占船舶订单总量60%，超过前3年成交总量，是过去10 a平均成交量的10倍多。同时，散货船船价腾升，平均涨幅超过30%，远高于其他船型。然而，随着人们环保意识的增加，控制温室气体排放已成为共识。国际海事组织(IMO)制定的船舶能效设计指数(EEDI)提高了新造船设计和建造要求，加快了船舶节能减排的节奏。因此，研究和设计绿色环保、节能型散货船十分必要。

67 000载重吨散货船为灵便型节能散货船，具有油耗低、节能环保、吃水浅、货物装载范围广等优点。本船的主尺度为：总长199.99 m，型宽36 m，型深18.5 m，设计吃水11.2 m，结构吃水12.9 m。需要注意的是，本船的型宽为36 m,总长为199.99 m，比一般的灵便型散货船要宽很多，目的是在巴拿马运河拓宽后，该船既可以直接从中国的长江中下游港口又可以通过巴拿马运河进入大西洋至欧洲的主要港口。

随着67 000载重吨散货船首制船的交付使用，市场反应良好。本文从总体的设备选型以及系统配置方面阐述船舶节能设计，包含机舱的布置优化、推进系统的节能装置选配以及辅助系统的配置优化，目的使船舶得到一个最优的EEDI指数，相对于同类型的灵便型散货船，运营成本最低化。

1 机舱布置优化分析

1.1 机舱布置存在的问题

由于货船以最大载货量为目的，所以机舱设计时需要尽量压缩其空间。为了追求最佳的航速，位于船艉的机舱线形比较瘦削，使机舱布置较为困难。首先，本船的主机是按照降功率要求选定的，相对于这种吨位的散货船，主机尺寸显得过大。为了能够满足船舶吃水浅的要求，推进轴系中心线距离船舶基线的高度必须尽可能的低，所以机舱底层除了放置一些舱底泵、压载泵和滑油泵外，几乎不能放置其他设备。其次，受到艉部线形及主机长度的影响，机舱前端的空间很小，使得压载水处理装置无法设置在机舱底层，这样压载管系只能从平台上、下贯穿[2]。最后，机舱棚的空间狭小，既要放置燃油蒸汽组合锅炉，同时还要确保进入机舱的通道布置满足规范要求，以及安装主机和辅机的排气管及舱柜的透气管等，给机舱的设计带来困难。

1.2 机舱布置的优化

1.2.1为机舱设备布置挖掘足够的空间

(1)根据本船的机舱宽度和高度尺寸，本船的机舱分为4层：机舱底层、第四平台、第三平台、第二平台，这样可以有效利用两舷的空间，使得机舱设备能够合理的布置。

(2)为了减少冗长的管系对机舱布置的影响，必须综合考虑机舱设备的外部管路接口方位和其相应的功能，合理进行油舱和水舱的分割，使辅助设备按照其功能，集中有序的布置。

1.2.2设备的选型合理和改造

(1)常规的S60型号的主机配置一台增压器和一台空冷器，这种配置尺寸太大，会使本船机舱底层的通道不能连续，无法满足船级社的要求。最终本船主机采用两台增压器和两台空冷器，使空冷器和增压器的尺寸相对变小，主机宽度得以减小。另外，当一个增压器出现故障时，另外一个增压器还可以满足主机低负荷使用。

(2)在机舱泵的选型中,应尽可能地采用立式泵，以节省空间。

1.2.3解决方案

(1)锅炉选用立式组合锅炉型式,要求厂商布局紧凑,仪表位置、维修位置尽量集中于一侧,锅炉高度应适当加长以限制筒体直径,缓解空间压力。

(2)主机、辅机、焚烧炉排气管系有序布置,严禁在空间上交叉影响。

(3)辅机位置应避免直接位于机舱棚正下方,为吊梁或起吊眼板的布置寻找合适的空间。

2 关键设备及系统的节能设计

2.1 主机及辅机的节能措施

本船主机推进采用一台MAN-6S60ME-C8.2的低速柴油机，直接驱动定距螺旋桨。主机最大持续功率(NMCR)为9 659 kW，常用功率点(CSR)为6 558 kW。

在正常航行和进出港时使用运动粘度为3.8×10-4m2/s、50 ℃燃油。由于目前的燃料价格大幅度的上升，以及散货船的运价越来越低，所以本船推进主机的选型特别注意油耗问题。根据MAN主机的油耗特性曲线，考虑到NOX排放控制以及本船的废气锅炉需要的排气温度和排气量，主机降功率使用时增压器匹配方式为ECT(主机控制调整)方式，CSR点仅为NMCR点的67.9%，常用功率点的油耗为157.3 g/kWh，主机一天的油耗只有24.8 t。相对于同类型的其他船舶，油耗有明显的优势，对于EEDI计算也非常有利。

2.2 电站系统的节能措施

本船采用三台MAN16/24发电机组，机组功率为660 kW。该机组整机采用集成化、模块化，无管路设计，整个气缸为单元化设计，方便机组的检修。另外,本船还配有一台180 kW的应急发电机组。

2.3 加热系统的节能措施

本船配置一台废气-燃油组合蒸汽锅炉，废气部分能满足船舶正常航行时的蒸汽消耗量。燃油部分为航行状况的补充或者停港时提供船舶所需要的蒸汽消耗。

由于本船主机CSR点较低，导致排气量和排气温度较低，因此废气锅炉的蒸发量较小。为了尽可能地节省燃油消耗，本船还配置了HFO-shifter装置，用来节省燃油加热时的蒸汽消耗量，其原理图如图1所示。

图1 HFO-shifter装置原理

按照常规设计要求，主辅机都是用重油，重油需要分油机净化后才能使用。燃油净化流程是将储存舱的油驳运至沉淀舱，再经过分油机分离净化至燃油日用舱。每个过程都需要加热，温度有温控阀控制。一般情况下，沉淀舱的温度为60 ℃左右，日用舱为80 ℃左右。

分油机分离燃油时，燃油需要一定的温度。传统的沉淀舱和日用舱都有蒸汽加热盘管，当两个舱的温度达到要求的温度时，加热盘管停止加热；由于散热问题，两个舱的温度同时下降，当下降到一定的温度，加热盘管重新开始加热。这种加热方式会造成热量损失。HFO-shifter装置的作用就是将日用舱的燃油通过自动控制驳运至沉淀舱。由于日用舱的温度高于沉淀舱，那么沉淀舱就不需要再设置加热盘管，始终保持分油机所需要的温度。分油机持续工作，再把燃油分离至日用舱，使得日用舱的加热盘管开启的频率会降低，达到减少蒸汽消耗的作用，最终减少锅炉燃油的使用，相当于余热回收利用。

2.4 电动甲板机械的节能措施

2.4.1电动吊机

该船装载货物的类型为谷物、煤炭、钢材等散货，所以必须配置甲板吊机。本船配置了4台麦基嘉的最新型纯电动吊机，特点如下：

(1)该吊机的起升、回转、变幅均为变频电机驱动，无极变速，所以更加平稳。

(2)该吊机与主发电机之间有相互联动功能。当发电机的负荷发生变化时，吊机能根据发电机的负载变化自动调节本身的工作状态，自动增压或减缓装卸货速度，以保证当发电机负载出现问题时，吊机是安全的。

(3)该吊机有逆功转换功能。当一部吊机在装卸货的状态时下放货物，那么产生的逆功可以转换为电能重新进入主配电板，供其他吊机使用；或者两部吊机相互工作时，一部吊机的逆功可以转换进入另一部吊车做正功，这样就可减小发电机的负荷。在发电机组的选型上可以适当选小一点，从而减少燃料的消耗，这样对EEDI指数非常有利，既减少建造成本，又降低船舶的营运成本。

2.4.2电动锚绞机

本船锚绞机均为带变频器的纯电机驱动的设备，无液压油，无液压管路，绿色环保，并且锚绞机的驱动电机的型号一样，相互可以使用，维修简单，备件少，操作平稳、简单，更适合远程遥控操作。

2.5 螺旋桨消涡鳍和前置导管的节能措施

本船设计过程中使用螺旋桨消涡鳍和前置导管。经过船模试验显示，效果明显，总体测试节能约4%，也就是说在保证航速的情况下，主机功率可以降低4%。按此计算，67 000载重吨散货船可以每天节省燃料油约1 t左右。

螺旋桨消涡鳍外形图如图2所示。

3 67 000载重吨散货船节能效果

(1) 根据主机的油耗曲线以及功率调校方式，主机采用降功率使用，使得在CSR点主机的油耗是最低的。

(2) HFO-shifter相当于一个小型的热量循环利用系统，简单而且非常有效。

(3)新型变频设备使用，包括电动吊机和锚绞机。经核对设备厂商资料，纯电驱动的设备比电动液压设备的效率要高出约20%。

图2 螺旋桨消涡鳍外形图

(4)螺旋桨消涡鳍和前置导管使用后可节约4%主机功率。

目前判断船舶性能参数的主要依据就是EEDI指数[3]。本船采用上述节能措施后，经计算，EEDI为3.59，相比1 Jan 2015-31 Dec 2019 EEDI阶段要求，推荐的EEDI指数4.13，节能约13%。

4 结语

本文从总体的设备选型以及系统配置方面阐述船舶节能设计，包含机舱的布置优化、推进系统的节能装置选配以及辅助系统的配置优化，最终得到一个最优EEDI指数为3.59。相对于同类型的灵便型散货船，该船节能效果达到13%，故降低了运营成本。67 000载重吨散货船是一个全新的、绿色环保的新船型，船舶安全、消防安全、防污染设备均满足IMO要求。对于目前运价的降低，以及未来巴拿马运河的拓宽，能通江达海，是未来中国散货船的发展方向之一，市场前景非常好。