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船舶降速航行分析及措施

2019-12-23 06:07:48

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荣俊华 钱程

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

中图分类号:U664 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)08(c)-0245-02

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]。

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,增加磨料磨损。从以上的分析可以看出主机低速航行造成活塞环、环槽及缸套过度磨损。

3 减少船舶降速影响的相关措施endprint

船舶降速低负荷运转会给主机带来一系列的影响,为保证主机在超低负荷运转时性能良好,根据以上分析,在降速的过程中,需要采取下列措施。

3.1 扫气和排气系统

主机低负荷每运行48 h后应加一次负荷至100%额定功率运行1h,将不完全燃烧的过程中废气锅炉及增压器产生的颗粒冲刷干净,这样来保证增压器效率,保持较高的扫气效果。在提升负荷时应避免速度过快而造成气缸内的状况恶化,在低负荷运行时,我们建议从10%负荷提升至40%负荷过程不要少于30 min,从40%负荷提升至75%负荷过程不要少于60 min。同时要勤换洗增压器压气机的空气滤网,确保吸气畅通。加强对柴油机扫气口的检查,消除活塞头、活塞环等部件上的积碳等未燃烧物,以及扫气箱内的残留物等,避免对柴油机的运行造成不良影响。加强对鼓风机的检查和维护,在某些情况下,故障产生因素是风机的轴封泄漏堵住了法兰通风孔,如果泄放过量请更换轴封。如果打算长期低负荷运行,建议船上备一套风机。

3.2 燃油系统

远洋轮船主机使用的燃油多为IF0180 cSt或者380cSt,燃油的质量都比较差,粘度大杂质多,应按主机运营商要求做好燃油的加温净化和分离工作,燃油沉淀舱和日用舱的油温应尽可能的高,主机燃油进机粘度需保持在10~15 cSt之间,但温度最高不超过150 ℃。在主机运转过程中,合适的燃油粘度,可以确保燃油在气缸内有好的雾化效果,从而有好的燃烧状况。可以增大主机的喷油提前角,前移燃烧进程来适当改善燃烧质量。针对低负荷航行的MAN B&W主机,可安装厂家推出的滑阀式喷油嘴,能彻底改善燃烧质量,减少冒黑烟,为主机降速运行提供有力保证。

3.3 冷却水系统

当主机低负荷运行时,进机的缸套冷却水以及冷却活塞的滑油温度将会下降,将降低扫气温度和缸内压缩温度,从而导致燃油的不完全燃烧,过低的温度就会产生缸套冷腐蚀。针对主机低负荷过程中的缸套冷腐蚀和磨损,可以考虑适当增加缸套水的进机温度,这样能提高热效率、减少缸套部件的热应力。在主机低负荷运转过程中,应按主机说明书调整好缸套水和滑油的进机温度,同时应根据海区的不同密切关注海水温度的变化,及时调节低温淡水冷却系统中淡水的温度,使主机的扫气温度处于主机说明书中推荐的工作范围。

3.4 废气锅炉的管理

主机降功率运行后排气管出口温度降低,可能导致废气锅炉产生的日用蒸汽量无法满足船舶需求,另外主机降功率后燃烧不完全,将会使废气锅炉进烟侧严重积灰。因此废气锅炉需要每8~12 h投入冲洗剂进行一次投药冲洗工作,这样能减少废气锅炉的烟道积灰,从而防止排烟不畅导致主机运行工况的恶化,为了保证船舶的日用蒸汽需求还应让燃油锅炉处于备用状态。

4 结语

在航运市场不景气,燃油成本居高的情况下,船舶降速航行是一种有效的节油办法,经济效益也是显著的,但是船舶长期低负荷运转会给主机带来一系列的影响,在实际船舶运营的过程中应该对主机采取一些必要的措施来降低这些影响,本文对这方面进行了部分详细的描述,希望对以后的船舶降速运营提供一定的参考作用。

参考文献

[1]中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册-轮机分册[M].北京:国防工业出版社,1999.

[2]中船三井设计部.柴油机低负荷运行[M].上海:中船三井造船柴油机有限公司,2012.

[3]许加榜.浅谈船舶减速航行与节能[J].船舶节能,2001,2(2):2-3.

[4]黄正才.主机低速运行带来的问题及日常管理对策[J].上海:航海技术,2008(3):90-97.

[5]孙陪廷,李斌.船舶柴油机[M].大连:大连海事大学出版社,2002.

[6]何文山.船舶柴油机[M].人民交通出版社,1998.endprint

船舶降速低负荷运转会给主机带来一系列的影响,为保证主机在超低负荷运转时性能良好,根据以上分析,在降速的过程中,需要采取下列措施。

3.1 扫气和排气系统

主机低负荷每运行48 h后应加一次负荷至100%额定功率运行1h,将不完全燃烧的过程中废气锅炉及增压器产生的颗粒冲刷干净,这样来保证增压器效率,保持较高的扫气效果。在提升负荷时应避免速度过快而造成气缸内的状况恶化,在低负荷运行时,我们建议从10%负荷提升至40%负荷过程不要少于30 min,从40%负荷提升至75%负荷过程不要少于60 min。同时要勤换洗增压器压气机的空气滤网,确保吸气畅通。加强对柴油机扫气口的检查,消除活塞头、活塞环等部件上的积碳等未燃烧物,以及扫气箱内的残留物等,避免对柴油机的运行造成不良影响。加强对鼓风机的检查和维护,在某些情况下,故障产生因素是风机的轴封泄漏堵住了法兰通风孔,如果泄放过量请更换轴封。如果打算长期低负荷运行,建议船上备一套风机。

3.2 燃油系统

远洋轮船主机使用的燃油多为IF0180 cSt或者380cSt,燃油的质量都比较差,粘度大杂质多,应按主机运营商要求做好燃油的加温净化和分离工作,燃油沉淀舱和日用舱的油温应尽可能的高,主机燃油进机粘度需保持在10~15 cSt之间,但温度最高不超过150 ℃。在主机运转过程中,合适的燃油粘度,可以确保燃油在气缸内有好的雾化效果,从而有好的燃烧状况。可以增大主机的喷油提前角,前移燃烧进程来适当改善燃烧质量。针对低负荷航行的MAN B&W主机,可安装厂家推出的滑阀式喷油嘴,能彻底改善燃烧质量,减少冒黑烟,为主机降速运行提供有力保证。

3.3 冷却水系统

当主机低负荷运行时,进机的缸套冷却水以及冷却活塞的滑油温度将会下降,将降低扫气温度和缸内压缩温度,从而导致燃油的不完全燃烧,过低的温度就会产生缸套冷腐蚀。针对主机低负荷过程中的缸套冷腐蚀和磨损,可以考虑适当增加缸套水的进机温度,这样能提高热效率、减少缸套部件的热应力。在主机低负荷运转过程中,应按主机说明书调整好缸套水和滑油的进机温度,同时应根据海区的不同密切关注海水温度的变化,及时调节低温淡水冷却系统中淡水的温度,使主机的扫气温度处于主机说明书中推荐的工作范围。

3.4 废气锅炉的管理

主机降功率运行后排气管出口温度降低,可能导致废气锅炉产生的日用蒸汽量无法满足船舶需求,另外主机降功率后燃烧不完全,将会使废气锅炉进烟侧严重积灰。因此废气锅炉需要每8~12 h投入冲洗剂进行一次投药冲洗工作,这样能减少废气锅炉的烟道积灰,从而防止排烟不畅导致主机运行工况的恶化,为了保证船舶的日用蒸汽需求还应让燃油锅炉处于备用状态。

4 结语

在航运市场不景气,燃油成本居高的情况下,船舶降速航行是一种有效的节油办法,经济效益也是显著的,但是船舶长期低负荷运转会给主机带来一系列的影响,在实际船舶运营的过程中应该对主机采取一些必要的措施来降低这些影响,本文对这方面进行了部分详细的描述,希望对以后的船舶降速运营提供一定的参考作用。

参考文献

[1]中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册-轮机分册[M].北京:国防工业出版社,1999.

[2]中船三井设计部.柴油机低负荷运行[M].上海:中船三井造船柴油机有限公司,2012.

[3]许加榜.浅谈船舶减速航行与节能[J].船舶节能,2001,2(2):2-3.

[4]黄正才.主机低速运行带来的问题及日常管理对策[J].上海:航海技术,2008(3):90-97.

[5]孙陪廷,李斌.船舶柴油机[M].大连:大连海事大学出版社,2002.

[6]何文山.船舶柴油机[M].人民交通出版社,1998.endprint

船舶降速低负荷运转会给主机带来一系列的影响,为保证主机在超低负荷运转时性能良好,根据以上分析,在降速的过程中,需要采取下列措施。

3.1 扫气和排气系统

主机低负荷每运行48 h后应加一次负荷至100%额定功率运行1h,将不完全燃烧的过程中废气锅炉及增压器产生的颗粒冲刷干净,这样来保证增压器效率,保持较高的扫气效果。在提升负荷时应避免速度过快而造成气缸内的状况恶化,在低负荷运行时,我们建议从10%负荷提升至40%负荷过程不要少于30 min,从40%负荷提升至75%负荷过程不要少于60 min。同时要勤换洗增压器压气机的空气滤网,确保吸气畅通。加强对柴油机扫气口的检查,消除活塞头、活塞环等部件上的积碳等未燃烧物,以及扫气箱内的残留物等,避免对柴油机的运行造成不良影响。加强对鼓风机的检查和维护,在某些情况下,故障产生因素是风机的轴封泄漏堵住了法兰通风孔,如果泄放过量请更换轴封。如果打算长期低负荷运行,建议船上备一套风机。

3.2 燃油系统

远洋轮船主机使用的燃油多为IF0180 cSt或者380cSt,燃油的质量都比较差,粘度大杂质多,应按主机运营商要求做好燃油的加温净化和分离工作,燃油沉淀舱和日用舱的油温应尽可能的高,主机燃油进机粘度需保持在10~15 cSt之间,但温度最高不超过150 ℃。在主机运转过程中,合适的燃油粘度,可以确保燃油在气缸内有好的雾化效果,从而有好的燃烧状况。可以增大主机的喷油提前角,前移燃烧进程来适当改善燃烧质量。针对低负荷航行的MAN B&W主机,可安装厂家推出的滑阀式喷油嘴,能彻底改善燃烧质量,减少冒黑烟,为主机降速运行提供有力保证。

3.3 冷却水系统

当主机低负荷运行时,进机的缸套冷却水以及冷却活塞的滑油温度将会下降,将降低扫气温度和缸内压缩温度,从而导致燃油的不完全燃烧,过低的温度就会产生缸套冷腐蚀。针对主机低负荷过程中的缸套冷腐蚀和磨损,可以考虑适当增加缸套水的进机温度,这样能提高热效率、减少缸套部件的热应力。在主机低负荷运转过程中,应按主机说明书调整好缸套水和滑油的进机温度,同时应根据海区的不同密切关注海水温度的变化,及时调节低温淡水冷却系统中淡水的温度,使主机的扫气温度处于主机说明书中推荐的工作范围。

3.4 废气锅炉的管理

主机降功率运行后排气管出口温度降低,可能导致废气锅炉产生的日用蒸汽量无法满足船舶需求,另外主机降功率后燃烧不完全,将会使废气锅炉进烟侧严重积灰。因此废气锅炉需要每8~12 h投入冲洗剂进行一次投药冲洗工作,这样能减少废气锅炉的烟道积灰,从而防止排烟不畅导致主机运行工况的恶化,为了保证船舶的日用蒸汽需求还应让燃油锅炉处于备用状态。

4 结语

在航运市场不景气,燃油成本居高的情况下,船舶降速航行是一种有效的节油办法,经济效益也是显著的,但是船舶长期低负荷运转会给主机带来一系列的影响,在实际船舶运营的过程中应该对主机采取一些必要的措施来降低这些影响,本文对这方面进行了部分详细的描述,希望对以后的船舶降速运营提供一定的参考作用。

参考文献

[1]中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册-轮机分册[M].北京:国防工业出版社,1999.

[2]中船三井设计部.柴油机低负荷运行[M].上海:中船三井造船柴油机有限公司,2012.

[3]许加榜.浅谈船舶减速航行与节能[J].船舶节能,2001,2(2):2-3.

[4]黄正才.主机低速运行带来的问题及日常管理对策[J].上海:航海技术,2008(3):90-97.

[5]孙陪廷,李斌.船舶柴油机[M].大连:大连海事大学出版社,2002.

[6]何文山.船舶柴油机[M].人民交通出版社,1998.endprint

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