船舶主机降速运行的收益与风险研究

陈智文+张凌杰

摘 要：在国内外航运市场长期低迷情况下，降本增效、节能减排的理念已成为航运企业间的共识。本文将对主机降速进行理论分析，研究降速带来的经济收益，同时研究主机降速的风险故障以及应对措施。

关键词：节能减排 主机降速 风险

2008年以来，美国次贷危机引发的世界金融危机，对航运市场产生深远影响，国内外航运市场的长期低迷，波罗的海指数维持在较低数值，且目前恢复的迹象不明朗，降本增效、节能减排的理念已成为航运企业间的共识。航运业是一个高能耗的行业，在现有船舶基础上，节能减排的实施主要靠设备改进和设备科学管理两种途径，例如废气涡轮增压、余热回收、超长冲程柴油机、可变喷油正时及控制等技术的应用。

作者自2006年加入某航运公司任轮机长，一直坚持严格按照公司安全管理规则和各项规章制度做好船舶管理工作，在所有国内外港口PSC检查中保持零缺陷。尽管公司采取各种应对措施，但在目前航运环境下，公司仍在亏本边缘艰难维持。2011年7月至2012年6月，作者在公司其中一艘上海到美国波特兰的船舶上亲自参与了公司主机降速的管理。在运输成本中，人力成本降低有限，船舶燃油费用开支却十分惊人，燃油成本超过总成本的三分之一。船舶柴油机降速运行，是很多航运公司的主动选择。国内外学者对船舶主机的降速运行进行了深入研究，吴恒研究了柴油机降速航行时的管理策略，大连海事大学的王强、谢光明、李胜分别对船舶节能减排技术优化、降速航行经济性、降速节油实验等进行了分析研究。

本文将对主机降速进行理论分析，研究降速带来的经济收益，同时研究主机降速的风险故障以及应对措施。

1.主机降速理论分析

在船舶中，主机、螺旋桨和船体组成一个完整的推进系统，主机运行时，螺旋桨随之运转，产生行进的推力。因此，船舶的船速是由螺旋桨推力和船舶行进阻力匹配所确定的。运行在一定的转速下，主机和螺旋桨总是保持着能量平衡，一旦这种平衡被破坏，转速就会发生变化，直至在新的转速下实现新的能量平衡。

研究得知，主机功率pe等于螺旋桨的吸收功率pp，螺旋桨的吸收功率与转速的m次方成比例。由螺旋桨动力学可知，当主机转速下降时，主机的功率会以与转速n的三次方关系下降：

而主机燃油消耗量却是与主机的功率的变化成线性下降。因此将主机的转速稍微降低，可较大幅度减少燃油的消耗，对航速影响不大。

2.主机降速运行的收益

从目前的航运形势看，航运业的复苏还需要一段漫长的时期，所以主机降速运行将是常态化，公司主机转速由初始降到60%MCR，进一步降低到40-50%MCR。在整体经济衰退的不利影响下，公司充分优化有效装载能力，且主机实行降速运行能减少燃油消耗。研究显示，降速1%能带来约3%的燃料节省。

具体以笔者曾供职的香港某航运公司为例：公司现有47艘船舶，在实行主机降速运行前，每艘船每年平均消耗约5270公吨（mt）燃油，每公吨燃油按750美元计算，年消耗燃料费约1.86亿美元。

但当公司实行主机降速至50% MCR运行时，日均燃油消耗量下降8.2mt，每公吨燃油按750美元计算，按年运行229天计，47艘船舶年消耗燃料费下降6600万美元。

当公司实行主机降速至40% MCR运行时，日均燃油消耗量下降11.5mt，每公吨燃油按750美元计算，按年运行229天计，47艘船舶年消耗燃料费下降9300万美元。

3.主机降速运行的风险

当主机长期降速运行，即在最大持续功率（MCR）的50%以下低负荷运行，除了可以节约燃料支出，带来巨大收益外，还是会有一定的风险，产生以下几个问题：

3. 1废气涡轮增压系统故障

过量空气系数是保证涡轮增压主机燃油是否完全燃烧的主要参数依据。当主机降负荷运行时，废气量明显减少，但大部分主机采用定压增压，排气中的脉冲能得不到充分利用，会使涡轮增压效率严重降低，使过量空气系数变小，吸入的新鲜空气量不足，直接影响到主机的燃烧性能。主要表现出冒黑烟，涡轮增压器超速和故障、涡轮增压器不平衡、排气系统振动、热负荷增加等症状，会使主机的经济性、可靠性降低，增加燃油消耗率和主机维护成本。如图1所示。3.2供油系统失配

当主机超低负荷运行时，主机供油系统会失去原有匹配。因为主机供油装置是按持续功率匹配的，当负荷降低、匹配不良时，会出现喷油压力过低，燃油雾化质量变差，主机循环温度降低，燃油燃烧的滞燃期变长，燃烧恶化不利影响，使主机的可靠性和经济性降低。

3.3积碳、磨损和腐蚀

主机排气阀、排气总管、增压系统的积碳会造成主机性能严重下降。排气通道、空冷器、增压器、废气锅炉由于积碳发生堵塞，会使整个增压系统背压升高。还会导致主机扫气压力降低，排气温度升高，运转性能持续下降，有可能导致无法恢复到正常负荷性能运行。如果积碳严重，会在锅炉管道内部燃烧，融化锅炉管道，造成烧毁的重大影响，如图2所示。

主机降速运行使燃烧室污染，未燃烧的燃油积聚在活塞顶的凹形槽中，稀释气缸壁的滑油，导致主机气缸过度润滑，活塞头结垢，失去油膜保护，致使缸套磨损加剧。由于降速运行，主机的平均循环温度降低，使气缸壁温度也降低，如果缸壁温度在硫酸露点温度之下，可能还会造成低温腐蚀。

4.应对措施

为了防范主机降速运行带来的事故风险，应做好日常预防措施。

避免在主机共振转速下长期运行，主机在50%MCR的对应转速刚好是部分主机的共振转速，所以要根据具体的主机适当提高或者降低一些速度运行。主机在50%MCR运行时，辅助鼓风机处于手动关闭状态，如果要运行，则进行手动操控并避免过载。辅助锅炉应每天做2次吹灰工作，并保持水质良好，主机在40%MCR运行时辅助锅炉处于自动。

主机长期在低速低负荷条件下运行，动力装置的废气余热利用系统不能正常发挥作用，主机的扫气系统也不能在良好的状态下运转，会存在不完全燃烧的碳和残油。定期的短时间加负荷运行，每天保持主机转速处于85%MCR一个小时，这样可以尽量减少残油，可使主机保持正常工作状态。加速和减速过程中要防止增压器超速和振动。适当调整气缸油供给，防止供油过多造成污染。

在靠港维护阶段，应每250小时或航行10天以上到港后就做好检查清理工作，主要包括活塞头、活塞环、缸套、主机扫气箱、缸内活塞下部、排气总管、辅助鼓风机、涡轮增压空冷器空气侧和废气锅炉烟侧等部位，如图3所示。

避免涡轮增压器超速和振动。涡轮增压中的空冷器、空气滤网和消音器容易受污染，影响扫气压力、冷却效果和造成排气温度上升、增压器喘振加剧等问题。因此需要对空冷器空气侧进行清洗，主机运行时可利用压缩空气来使高闪点的化学清洁剂与清水的混合液体进行清洗。清洗后，空冷器的空气侧压差会明显减小，排气温度有所降低。

从近两年的减速运行情况来看，只要船上做好各种风险应对措施，就可以保证主机的良好运转。

5.结语

在目前航运环境下，航运公司为了节省成本，对所属船舶进行主机降速运行。本文首先对降速运行的理论进行了分析，并针对笔者曾供职的某航运公司为例，对降速运行的收益计算分析。研究发现，47艘船舶年消耗燃料费从1.86亿美元下降至9300万美元，是一笔巨大的开支节省。对主机降速带来的废气涡轮增压系统故障、供油系统失配、积碳、磨损和腐蚀等不利影响和风险进行了研究。为了保持主机的正常工作状态，应对涡轮增压器叶轮、空冷器、空气滤网和消音器，以及排气总管、辅助鼓风机和废气锅炉等部位做好日常清洗维护工作。

参考文献：

[1]吴恒.柴油机降速航行时的管理.大连海运学院学报1988，14（2）：41-47.

[2]王强.船舶主机降功率节能减排技术的优化研究.大连：大连海事大学，2013.

[3]谢光明.船舶降速航行的经济性和排放变化分析.大连：大连海事大学，2009.

[4]李胜.船舶主机降速节能研究.大连：大连海事大学，2011.endprint