中小型自航绞吸挖泥船经济性评估初探

李 允 李 思

（1.哈尔滨工程大学船舶工程学院 哈尔滨150001；2.宁波海事局 宁波315020）

引 言

自1885年美国第一艘绞吸挖泥船诞生以来，因其对土质适应性好，效率相对较高，造价低廉，得到了很大发展。非自航绞吸挖泥船必须有拖轮的配合，一旦其中某船舶出现问题，整个系统便无法继续工作。在社会不断发展的今天，船舶设计更提倡一体化、模块化，强调绿色造船设计理念，研究设计自航绞吸挖泥船，发展建造自航绞吸挖泥船有重要的现实意义。 本文对某电力推进中小型自航绞吸挖泥船进行设计论证，并通过与非自航挖泥船的对比，论证了电力推进自航绞吸挖泥船的优越性。

1 自航绞吸挖泥船的发展

按照挖泥方式、适用情况的不同，挖泥船可分为绞吸挖泥船、链斗挖泥船、抓斗挖泥船、耙吸挖泥船等多种类型［1］。

1.1 非自航绞吸挖泥船现状

目前，我国在非自航绞吸挖泥船的研究和建造方面技术已比较成熟。具有灵活性不高、船舶利用率较低的弱势。非自航绞吸挖泥船必须要由拖轮拖至指定工作区域开展工作，而调用拖轮无疑需要时间，造成作业时间成本的增加。如果遭遇危险警报需提前停止作业，也必须由配套拖轮赶往作业地点进行船舶疏散，从而使风险指数增高。非自航绞吸挖泥船在日常维护工作中，对其相应的配套船舶同样也要进行及时维护，这就造成了经济费用的增长。其辅助船舶的动力供给、人员费用、设备维护都是很大的人力、物力消耗。

1.2 自航绞吸挖泥船诞生发展

首艘自航绞吸挖泥船“PHARAON”号诞生于1905 年［2］。但是，它的出现并没有迎来自航绞吸挖泥船发展的辉煌时期，而是到 1977 年才出现自航绞吸挖泥船的建造高峰［3］。自1986年“达·芬奇”号建成后，自航绞吸挖泥船的开发暂停了，直到2003年，JandeNul公司“J.F.J.DeNul”号超大型自航绞吸挖泥船的建造成功［4］，才迎来自航绞吸挖泥船新的发展高峰。我国第一艘大型自航绞吸挖泥船是“天鲸”号，于2010年1月19日在深圳交船［5］。我国尽管在此领域取得了发展，但与国外发达国家相比研究水平仍有待提高。

1.3 中小型自航绞吸挖泥船

图1 “天鲸号”绞吸挖泥船

伴随我国第一艘大型自航绞吸挖泥船“天鲸”号成功建造，我国在自航绞吸挖泥船的设计研究上有了新发展。但是目前的关注点是对大型、超大型船型的研究中，对于适用于内河航道疏浚的中小型自航绞吸挖泥船研究还太少。我国河流众多，内河水运发达，不少内河航道水深较浅，不适合大型挖泥船工作。中小型自航绞吸挖泥船的设计开发，将大大提高国内疏浚船队的疏浚能力、提高作业船队的经济效益、改善内河航道的质量。

2 某中小型自航绞吸挖泥船设计

2.1 主尺度

在对该船进行主尺度设计时，影响主尺度的因素主要有作业功能、总体布置、航道特征、桥梁和船闸等方面。参考相同疏浚能力的绞吸挖泥船，综合考虑本船的实际需要、各设备尺寸、航道限制等因素，该船设计主尺度：船长为46.2 m、船宽为14.8 m、型深为2.7 m、设计吃水为1.15 m。

2.2 总布置

下页图2为该非自航绞吸挖泥船。在拖轮对其进行拖带航行时，往往采取倒拖的方式行进。采用倒拖的形式，一是可以保护绞刀设备，二是可以避开艏部的特殊形状减小阻力。在进行本船设计时，综合考虑绞刀与槽道，将绞刀布置在船艏，将推进器布置在船艉。航行过程中，为了减小航行阻力、保护绞刀不受损坏，要将绞刀吊起出水。

图2 某非自航绞吸挖泥船

图3 某船推进器布置示意图

该船舱室空间有限。考虑到船体结构设计、舱室布置、船舶吃水等情况的限制，采用舵桨推进，将其布置在后甲板。

2.3 电力推进系统设计

船舶推进系统从本质上来说可以分两种：一是原动机（柴油机）直接带动推进系统工作；二是原动机带动发电机，由发电机驱动推进器工作。原动机直接带动推进系统工作是目前国内挖泥船采用的主流驱动方式。这种驱动方式成本低廉、技术成熟，单一设备损坏还可以继续施工。但存在功率利用率低、后期使用经济性不高等缺点。

我国电力推进系统在中小型船舶中的应用并不普及［6］。在国外，愈来愈多先进的绞吸挖泥船倾向于采用电力推进。电力推进功率利用率高、布置灵活、容易操作，虽然初期投入较高，但从长远来看经济性好。该船选用同步柴油机、交流电力推进设备，选取具有0.65 m的可调浸深的舵桨装置推进，设计推进器为19A导管，Ka4-70型导管螺旋桨，螺距比为0.98。

图4 自航挖泥船电力配置设计图

3 性能优越性评估

为了研究该船性能的优越性，现选取与其绞吸设备相同的非自航船进行评估对比。

3.1 经济性评估

绞吸挖泥船的经济性能评估要从两方面展开，一是初始建造费；二是后期使用费。绞吸船的后期使用费由可变成本和不可变成本组成，可变成本主要由燃油费用、船舶修理费用等组成；不变成本为折旧费、人工费、保养费等。

本文对船舶经济性评估的考量时间为18年（船舶的设计服役期限）。船舶使用的折旧费可以在建造成本中得到体现，因此不再进行重复比较，只对油耗、建造费用、维护费用和人工费用进行分析。其中建造费用、维护费用和人工费用采用2013某设计院向年黑龙江航道局递交的《绞吸式挖泥船建造项目可行性研究报告》中提供的数据。

3.1.1 油耗费用

自航绞吸挖泥船可独立前往作业水域。特别是在进行小工作量的疏浚作业时，自航绞吸挖泥船可灵活调动，提高作业效率的同时降低调遣费用。非自航绞吸挖泥船由于作业需要，需配备辅助船舶（一个完整的挖泥船船队具体配置为挖泥船1艘，拖轮1艘，锚艇2艘）。自航绞吸挖泥船编队配置为自航式绞吸挖泥船1艘，锚艇2艘。由于本文进行优越性分析，两艘锚艇的油耗不再进行计算。主要油耗指标见表1、表2。

一般而言，柴油机在转速达到标定转速的80%以上时，才能达到最佳油耗；当主机功率下降27.1%时，燃油消耗量只减少19%；当主机功率下降48.8%时，燃油消耗量只减少36%［7］。也就是说，柴油发电机输出功率的减少额和用油的减少不成线型比例。当柴油机输出功率为额定功率的70%时，燃油效率只能达到标定值的90%左右；当柴油机输出功率为额定功率的40%～60%左右时，燃油效率只能达到标定值的80%左右。下文分三种状态计算两种船型的油耗。

3.1.1.1 全速行进状态

此状态下非自航绞吸挖泥船队拖轮主机输出功率2×220 kW；拖轮船上用电2×64 kW、挖泥船船上用电64 kW，均由生活电站供电。自航绞吸挖泥船队挖泥船发电机为自身螺旋桨提供动力需要功率300 kW，挖泥船船上用电加生活用电共150 kW，启动双台发电机，并机运行，负荷率64%。

表1 非自航编队油耗统计表

表2 自航编队油耗统计表

非自航绞吸挖泥船队每小时油耗为：

自航绞吸挖泥船队每小时油耗为：

3.1.1.2 低速行进状态

此状态下非自航绞吸挖泥船队拖轮2台主机50%负荷，输出功率为220 kW；拖轮船上用电2×64 kW，挖泥船生活用电64 kW，均由生活电站供电。自航绞吸挖泥船队挖泥船发电机为螺旋桨提供动力输出功率为150 kW，挖泥船上用电与生活用电共150 kW，启动双台发电机，并机运行，负荷率41.7%。

非自航绞吸挖泥船队每小时油耗为：

自航绞吸挖泥船队每小时油耗为：

3.1.1.3 工作状态

此状态下，非自航和自航的锚艇工作情况、油耗基本相同，不再进行计算。非自航挖泥船绞刀功率300 kW，液压系统功率120 kW，船上生活用电及其他用电150 kW，主发电机负荷81.4%，泥泵功率1 100 kW；拖轮启动一台停泊发电机组，功率64 kW。自航挖泥船绞刀功率300 kW，液压系统功率120 kW，船上生活用电及其他用电150 kW，启动两台主发电机，并机运行，负荷率79.2%，泥泵功率1 100 kW。

非自航绞吸挖泥每小时油耗为：

自航绞吸挖泥每小时油耗为：

不同工况下船舶油耗估算情况如表3所示。

表3 船队总油耗

黑龙江流域冬季寒冷漫长，一年中各主要航道的结冰期可达半年左右，适合挖泥船工作的时间一般为5个月左右。黑龙江流域一年中有两次汛期，一次春汛、一次夏汛，其中夏汛为主要汛期，集中在6～9月份，汛期总天数一般为45天左右。

本挖泥船主要针对黑龙江中游黑河至伯力（哈巴罗夫斯克）河段，整个航段内有浅滩23处之多，航道状况复杂。根据黑龙江航道局挖泥船的使用情况，挖泥船有十分之一的时间都处于调遣状态，即每月平均调遣时间为3天。

据此估算挖泥船的有效施工时间如下：

式中：m为施工的月份数，每年5个月，每月按30天计；Th为洪水期天数，取年平均45天；Tw为修理时间天数，按每月需要1天计；Tq为调遣时间天数，按每月3天计。

挖泥船年有效施工时间为85天。

根据黑龙江流域挖泥船的人员配置，挖泥作业一般为两班倒，每班每天作业时间为8小时；由于工作区域浅滩，急转弯多，低航速状态时间按航行时间的20%计算，则每年节省的油耗约合28 319 L，按照2014年1月份本地柴油报价7.08元/升，每年能节省资金20万元。

3.1.2 人工费用

根据黑龙江航道局目前情况，一支非自航挖泥船队共有34人（挖泥船16人，拖轮10人，2艘锚艇各4人）。据此推算自航挖泥船队约为24人（挖泥船16人，2艘锚艇各4人）。非自航船队拖轮中有船长1名，轮机长1名，普通船员8人。根据黑龙江地区的工资水平，一艘拖轮人均年薪为7.5万元（包括工资、奖金、保险等所有费用）。根据职位不同实行阶梯年薪，船长月均工资约为10 000元、轮机长月均工资约为8 000元、普通工人月均工资约为5 500元计算，则每年节省的人员费用74.40（万元），即：

3.1.3 建造费用

自航绞吸挖泥船可以省去拖轮的建造资金，但是自航绞吸挖泥船的设备费、人工费、设计费等费用都会增加。本文在估算自航挖泥船的建造费用时，参考非自航挖泥船的建造成本进行估算，但就挖泥船本身来讲，其建造和维护费用将比非自航挖泥船高20%左右。表4给出了2013可行性报告给出的非自航挖泥船队的报价。

表4 非自航挖泥船队建造投资费用表

根据表4，本文估算出自航挖泥船的建造成本，并在表5与非自航船队进行比较。

表5 建造投资费用比较

3.1.4 维护费用

在挖泥船使用的过程中，要定时维护检修，所需要的费用包括燃滑油料费、年均修理费、坞检修理费（每3年一次）、特检修理费（每6年一次）、施工中材物料费等费用。自航绞式吸挖泥船由于加装了推进设备，故维护要求较高。具体数据见表6。

表6 单船维护费用表

3.1.5 综合经济性评估

本文对船舶经济性评估的考量时间为18年，期间建造费用节省168.58万元，维护费用增加203.4万元，人工费用节省1 339.2万元，燃油费用节省360万元，综合总计自航绞吸挖泥船节省费用1 664.38万元。

3.2 其他性能评估

3.2.1 航道需求

在航道需求方面，非自航绞吸挖泥船以编队形式行进，编队航行水域受制于编队中吃水最大的船舶。原编队中吃水最大的为拖轮，达到1.35 m。而自航绞吸挖泥船设计吃水仅为1.15 m，其航行和作业水域更广，适航性得到较大提高。

3.2.2 作业时长

在作业时长方面，自航绞吸挖泥船由于省去了拖轮，只要保障自身设备运行良好，就能够较高效率的发挥自身的作业能力。在遭遇危险警报时，可及时驶离作业地点，并能够及时恢复作业，减少了停工时间，提高了挖泥船的利用率和经济性。

3.2.3 环保性能

在环保性能方面，自航绞吸挖泥船的设计响应国家绿色造船、节能减排的方针政策，迎合了世界船舶业的发展潮流。近年来国际海事组织对船舶的排放方面做出了越来越严格的规定，加上石油资源日益枯竭，船舶环保性显得尤为重要。传统的推进方式中，柴油机要时刻维持运转提供动力，在低载荷的情况下十分浪费。而电力推进系统可以根据船舶实际需要选择启动的发电机组，合理分配电力，节省了大量能源，减少了废气排放。自航式绞吸挖泥船由于采用全电力推进系统，省去了柴油机与轴系的连接机构，降低噪声污染、改善了船员工作环境。

4 结 论

中小型自航绞吸挖泥船灵活性较高：

（1）由于不再需要拖轮的协助，作业船舶的数量减少，独立完成作业任务的能力得到加强。

（2）作业时更加机动灵活，能够较快的到达作业水域，缩短出工时间，增加作业时长和作业量。

（3）在遇到状况时，能够灵活撤回或返航，减轻危险情况对于船舶作业的影响。

（4）独立性更高，不需要拖轮协助对于航行水域的要求降低，水域更广、适用范围扩大。

电力推进中小型自航绞吸挖泥船经济性较好：

（1）采用电力推进系统，船舶的油耗大大降低。全速航行状态下油耗可以降低13.88%，低速航行状态下降低21.97%，工作状态下降低3.66%，更为经济环保。

（2）船队总体造价和维护费用有所降低。虽然单项来看自航绞吸挖泥船比非自航绞吸挖泥船造价高出20%，但是由于省去了拖轮的建造费用，船队整体造价却比原来低2.23%。另外每年还可节省74.40万元的船员人工费用，经济性有所改善。

5 应注意的问题

在论证电力推进中小型自航挖泥船经济性时应注意以下问题。

（1）在进行电力推进设计时应充分考虑设计对象的功率分配问题。电力推进的优势在于能够整合船舶使用功率，合理选择发电机组的运行台数，使发电机组的输出功率与额定功率之差尽可能小，从而保证动力装置单位输出功率的油耗维持在最佳值附近。如果不能保证此种情况，则电力推进相对于常规推进方式就未必具有优势。

（2）自航挖泥船相对于非自航挖泥船是否具有经济优势取决于很多因素，其中很重要的一点就是其调动是否频繁。不少中小型绞吸挖泥船频繁调动的情况并不经常出现，因此盲目的将非自航挖泥船改为自航挖泥船有很大风险。而本文论证的对象主要用途在于疏通黑龙江流域的航道，因为其工作区域广阔且任务量相对较重，因此需要频繁调动。这就为本船的设计提供了有利的前提条件。

（3）在未来的研究中，中小型自航绞吸挖泥船作为内河浅吃水肥大型船舶，在设计中除了要尽可能减少初始投资、提高船舶性能和挖泥作业能力，还要在设计时充分考虑浅水效应的影响，保证船舶的快速性要求。

［1］ 李志强.绞吸挖泥船的疏浚优化［D］.江苏科技大学，2011.

［2］ IHC.Steel study in superlatives：self-propelled cutter dredger J.F.J.De Nul［J］.Port&Dredger，2003，160：8-13.

［3］ 何炎平，谭家华.大型自航绞吸挖泥船的发展和有关问题的思考［J］.中外船舶科技，2008（2）：8-13.

［4］ Lijmbach FAM，de Backer R，Kramers CHM，et al.Innovative self-propelled jumbo cutter suction dredger.The largest cutter suction dredger in the world.The development of new generation explained［C］.Proceedings of CEDA Dredging Days.2003：1-18

［5］ 曹雪.内河大型自航绞吸挖泥船的阻力性能研究［D］.上海交通大学，2013.

［6］ 宋旭.电力推进在小型船舶中的实用性研究［D］.哈尔滨工程大学，2011.

［7］ 曹用顺.船舶柴油机节能减排技术［J］.石油工程建设，2011（37）：91-93.