船舶降速航行分析及措施

船舶降速航行分析及措施

摘要:针对燃油成本居高不下的局面,各大航运公司都选择了主机降速航行的措施。本文首先理论分析主机降速航行的经济性,然后针对主机降速后的各设备的运行缺陷提出相应的解决措施。

关键词:降速航行经济性油耗

最近几年由于燃油价格的逐步走高以及航运市场的萧条,各类船舶在运营的过程中,成本支出中燃油所占的比例也越来越大,船舶运营成本中的最大支出项已经由人力成本转化为燃油成本。各大航运公司为了在竞争激烈的船舶运输市场中保持盈利,近几年都采取了降低主机功率从而降低船舶航速来降低船舶运营成本的措施。

航速对船舶经济性的影响主要是体现在以下两个方面。

(1)航速降低之后,船舶完成每一个航次的时间变长,相应的船舶周期变低,在相同的时间内完成的货运量降低,船舶得到的运输费用就会降低。

(2)航速降低之后,转速降低,主机功率减少,相应的燃油消耗量降低。但是这种燃油的消耗量不是与船舶速度成直线的正比关系,而是约和船舶速度的三次方成反比。即:稍微降低船舶速度,将极大的降低燃油支出成本。

以上两方面矛盾的因素决定了航运公司需要慎重的选择船舶速

度。

1 船舶降速经济性的理论分析

实践证明,现阶段主机减速航行确实是降低船舶营运成本的一项行之有效的措施。那么就是说明降低航速引起的燃油支出成本减少应是大于船舶运转周期变慢所引起的成本支出增加的。为此本文理论研究下航速、主机功率、燃油消耗三者之间的关系。

1.1 航速与主机功率的关系

船舶主机可以经离合器或者减速箱驱动螺旋桨工作,也可以通过轴系直接带动螺旋桨,船舶都一定是遵循螺旋桨的推进特性工作。这种特性我们称为柴油机的推进特性。也就是说,要符合螺旋桨吸收功率与主机发出功率一样的原则,主机经过轴系带动螺旋桨转动是一定满足螺旋桨的功率需求的。船舶航行过程是遵循螺旋桨推进特性的[1]。

螺旋桨从主机那吸收到的功率与其转速的关系是:

由(3)可以看出,主机功率与航速的三次方成正比关系。那么在船舶高速时,要增加一节航速比在低速时同样增加一节航速要求主机的

功率要大的多。高速性要花大的多的功率代价。

图1为某大型集装箱船的推进曲线,从图1中可以看出25节航速相当于100%螺旋桨推进功率,降低5节航速,将只需要原来41%的螺旋桨推进功率[2]。

1.2 航速与油耗量的关系

定义:

式5表示每海里燃油消耗量与航速的平方成正比,在船舶低速航行时虽然be会增大,但是bm则降低。船舶保持bm为最小时的航速成为经济航速。在不受货期约束时,按经济航速航行可以降低货运成本。

式（3）和(5)说明,当船舶装载量不变时,主机功率与航速三次方成正比,主机燃油消耗与航速的关系亦按比例变化。可见,适当减小航速,可以大幅度地降低主机功率与燃油消耗量。从以上的分析可以说明,只要适当降低船舶航速确实可以为船舶节省大量的燃油消耗量,从而降低船舶运输成本。

2 船舶降速对主机的影响

船舶降速航行即柴油机在低负荷运行,但是船舶初始设计时,主机

厂都是根据船厂提供的额定功率来设计主机的,主机厂可以保证在额定功率长时间运行下来主机具有良好的性能和更长久的寿命。但是降速航行时,特别是当主机长期在额定功率的60％以下运行时,将会造成柴油机的气缸、燃烧室部件、排气系统和增压系统产生严重的燃气污染。主机的增压器、排气口、空气冷却器等发生堵塞,提高增压器的排气背压,转速下降,从而导致低的柴油机扫气压力,运转性能下降,严重时甚至不能恢复正常负荷的运行[3]。运行在10%～40%负荷可能会导致下述问题:会对扫、排气系统以及废气锅炉形成积碳等污染;会对增压器造成积碳等污染;会对辅助风机造成一定影响,如轴封泄露等;增加了活塞头、排气阀等燃烧室部件热负荷。

2.1 降速航行对扫气和排气系统的影响

主机降低负荷时,排气量会明显减少,增压器的转速下降,效率下降,扫气压力偏低,过量空气系数小,导致燃油的不完全燃烧。燃烧不好,就会产生油垢、烟垢等,形成积碳,排气管道包括废气锅炉烟道、透平喷嘴环和动叶片等会被污染堵脏,以及污染扫气通道包括:扫气箱、扫气口、空冷器、单向阀等,污堵严重时有可能引起增压器的剧烈振动[4]。长期低负荷扫气箱会积炭、积油,扫气性能降低,一旦碰到燃气倒流就可能导致扫气箱起火。主机低负荷运行对机内部件和扫排气系统的影响逐步积累,积少成多,严重时会导致缸套断裂、活塞环旁吹、活塞磨损、增压器寿命降低,同时进一步增加主机的油耗。另外一方面,长期低负荷,主机排烟一直处于较低的温度,导致废气锅炉无法正常工

作,产生的机舱日用蒸汽量不足,这样就需要经常启动燃油锅炉,额外的增加了燃油消耗量。

2.2 降速航行对供油系统的影响

供油系统一般是按柴油机的额定功率匹配的。主机低功率运行时,油泵凸轮转速低,供油速度慢,喷油平均压力明显下降,喷油定时机构会失效,燃油的雾化情况会变差,严重时可能产生燃油断流。并且使得缸内气体搅动不足,喷油提前角不能随负荷变化,燃油和空气混合差,加长燃烧的过程,这样产生不完全燃烧,导致主机冒黑烟,增加有效油耗率,降低主机的寿命和经济性[5]。

2.3 降速航行对主机磨损的影响

当降低主机转速时,压缩终点压力和温度会下降,活塞平均速度下降,导致气缸漏气及增加散热损失,燃烧准备过程会延长,燃油将不能充分燃烧。主机燃烧恶化,气阀及缸内大量结炭,此时燃油中各种金属和非金属杂质以及催化剂颗粒,将烧结在缸内,颗粒和硬度都会增加,这些颗粒部分将随废气排出气缸聚积在排气管中,部分将累积在活塞顶部的凹坑中从而冲散活塞内的滑油使磨损加剧,部分进入活塞环、环槽、缸套之间,产生磨料磨损［6］。主机低负荷将使缸壁温度下降,由于燃油中含硫,燃烧过程中会产生硫酸,如果此时缸壁的温度低于硫酸露点温度,结果可能造成缸套冷腐蚀。同时扫气箱内积累的炭渣,随燃烧的空气可能二次进入燃烧室,落入活塞环、环槽、缸套之间,增加