绿色400000t矿砂船主机选型优化研究

1 概 述

全球对绿色、环保的要求日益提高，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）及美国、欧盟等国家或地区针对船舶的绿色环保、温室气体和其他有害气体的排放，相继出台了一系列公约、法规和要求[1]。2013年1月1日正式生效的船舶能效设计指数（Energy Efficiency Design Index，EEDI）对新造船从研发到建造的各个阶段产生了深远影响，指出了船舶设计建造的发展方向。

上海船舶研究设计院于2007年为巴西淡水河谷公司研发了400000t矿砂船，用于在中国—巴西航线（以下简称中巴航线）上运输铁矿石；江苏熔盛重工有限公司承接了该型船的首批订单；韩国大宇公司在此基础上开发出了该型船并承接了订单。为保持并巩固我国在该产品上的领先地位，需对产品进行升级优化。作为国内完全自主创新研发的超大型矿砂船，该400000t矿砂船极有可能是中巴航线或其他类似航线上用来运输铁矿石的主力船型，市场需求较大。本文介绍对400000t矿砂船的主机及相关节能减排设备开展优化研究，以进一步提升产品的竞争力，确保我国在该领域的市场领先地位。

2 选型优化

2.1 主机机型优化分析

1) 就油耗而言，选择电喷柴油机代替传统的机械式喷油柴油机逐渐成为趋势。目前面临的挑战是，IMO的NOx排放控制要求已从TierⅠ升级到TierⅢ，排放控制要求的逐渐提高导致柴油机的油耗不断增加，必须通过对各型柴油机的合同功率点、常用功率点（甚至是可能选择的低负荷功率处的油耗数据）进行对比分析，选择相对经济的低油耗机型。

2) 就主机的外形尺寸而言，需对机舱区域的整体布局、轴系的布置及各层甲板通道的设置进行通盘考虑。对比各型主机与机舱布局的整体协调性，选择与机舱布局匹配相对合理的机型，降低对机舱区域结构的影响，保证最佳的通道设置，节约机舱空间。

3) 就主机所需的辅助设备而言，主要考虑设备要尽可能少，辅助设备要简单，成本要低。

MAN B&W公司的ME型电控柴油机实现燃油喷射和排气阀开启的动力来自一套专门的液压动力供应单元。除了该ME型电控柴油机以外，瓦锡兰公司也研制出RT-flex型电控柴油机。与ME型电控柴油机不同，该型电控柴油机采用的是共轨式，通过共轨阀来控制燃油喷射，共轨阀根据柴油机控制系统的指令来控制燃油喷射的定位和喷油量。

主机选型及优化的实质是用可输出较大功率的柴油机输出较小的功率，或在相同功率下降低主机转速。前者影响主机的尺寸、重量、机舱长度和造价，而后者影响螺旋桨的直径及艉吃水，这就需要在总体设计中进行全面的考虑，这里仅从油耗、有害物排放、废热利用及EEDI等角度进行对比。

2.2 专利厂机型参数比较

目标船要求服务航速为14.8kn，目前在MAN B&W及Wärtsilä SULZER两大柴油机公司生产的低速船用柴油机产品中，适合该船的机型主要有MAN B&W 7G80ME-C，7S80ME-C，Wärtsilä 7X82, 7RT-FLEX82T。对这些机型的油耗进行分析比较，结果见表1，其中：MCR表示主机最大持续功率；CMCR表示选定最大持续功率，又称为SMCR；CSR表示正常持续功率，又称为NCR。

表1 主机选型比较

序号 1 2 3 4主机型号 7G80ME-C9.2 7S80ME-C8.2 W-7X82 7RT-FLEX82T节能技术 PLT+EGB PLT+EGB DELTA-TURING DELTA-TURING MCR/(kW/(r/min)) 31150/68 31570/78 33250/76 31640/76 CMCR/(kW/(r/min)) 24700/58 27200/76 25500/65 27200/76 CSR/(kW/(r/min)) 20995/54.9 23120/72 21675/61.6 23120/72船速/kn 14.8 14.8 14.8 14.8螺旋桨直径/m 11.2 9.8 11.0 9.8 ISO工况油耗/(g/(kW·h)) 161.2 160.5 158.3 159.5轻油油耗/(t/d) 81.2 89.1 82.3 88.5重油油耗/(t/d) 85.6 94.6 87.5 94.0

2) 2010年7月1日以后，含硫量低于1.0%；

2.3 主机废热回收研究

2.3.1 主机废热发电量计算

家长都是成年人，每个人都应该有能力根据当时具体的情况来确认合理和适当的处理办法，合理地维护自己孩子的权益。当然，原则还有一条：“不能伤害对方孩子的心理和身体。”

在船用发动机燃油的总能量中，约有50%未得到有效利用，其中有23%随废气被带走，对这部分能量进行回收必将有助于降低燃油消耗及减少有害物排放[2]。由于废热回收设备价格昂贵，因此一般在主机功率＞20000kW的前提下进行回收才有经济意义。废热回收主要有以下几种形式：

非饱和粉煤灰抗剪强度的时间效应及其预测···················王思聪 孙德安 (1,108)

1) 通过旁通部分废气来驱动动力透平，大约能回收3%～5%的主机功率；

1) 阿法拉伐双压废气经济器系统主要由以下部件组成：

3) 采用双压废气经济器产生蒸汽来驱动蒸汽透平，大约能回收6%～9%的主机功率；

4) 采用双压废气经济器产生蒸汽来驱动蒸汽透平结合废气动力透平，大约能回收9%～12%的主机功率。

该船主机CMCR功率为24700kW，CSR取90%CMCR进行计算，发电机功率为1000kW，大约为5%主机CSR功率，可对废热回收方案进行研究。

首先对7G80ME-C9.2的废热回收能力进行计算，结果见表2。

表2 双压系统废热发电量估算

参数 ISO工况 ISO工况 ISO工况 ISO工况 热带工况功率点/% 100 90 70 50 90压力/MPa 1.00 0.86 0.65 0.65 1.11高压蒸汽透平入口温度/℃ 271 264 241 242 271流量/(t/h) 6.10 5.29 3.82 2.51 6.83高压伺服蒸汽 压力/MPa 1.06 0.91 0.68 0.67 1.16流量/(t/h) 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5压力/MPa 0.45 0.45 0.45 0.45 0.49低压蒸汽透平入口温度/℃ 148 148 148 148 151流量/(t/h) 2.07 1.67 1.02 0.71 2.09压力/MPa 0.0045 0.0043 0.0043 0.0043 0.0080冷凝蒸汽温度/℃ 31.0 30.2 30.2 30.2 41.6流量/(t/h) 8.17 6.96 4.84 3.21 8.93蒸汽透平输出/kW 1325 1090 675 382 1338动力透平输出/kW 0 0 0 0 0发电机总输出/kW 1325 1090 675 382 1338

采用双压系统，主机在CSR点的发电量为1090kW。考虑到废热系统本身的耗电量、主机低负荷及冬季工况运行问题，1090kW的发电量显然不能满足需求。因此，进一步选择蒸汽透平与废气透平相结合的模式进行计算，结果见表3。

表3 双压系统+废气透平废热计算

参数 ISO工况 ISO工况 ISO工况 ISO工况 热带工况功率点/% 100 90 70 50 90压力/MPa 1.00 0.84 0.65 0.65 1.13高压蒸汽透平入口温度/℃ 265 257 236 239 268流量/(t/h) 5.17 4.42 3.13 2.10 5.98高压伺服蒸汽 压力/MPa 1.06 0.89 0.68 0.67 1.18流量/(t/h) 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5压力/MPa 0.45 0.45 0.45 0.45 0.50低压蒸汽透平入口温度/℃ 148 148 148 148 152流量/(t/h) 1.98 1.55 0.95 0.68 2.01

续表3

参数 ISO工况 ISO工况 ISO工况 ISO工况 热带工况功率点/% 100 90 70 50 90压力/MPa 0.0045 0.0043 0.0043 0.0043 0.0084冷凝蒸汽温度/℃ 31.0 30.2 30.2 30.2 42.4流量/(t/h) 7.16 5.98 4.08 2.78 7.89蒸汽透平输出/kW 1130 905 540 311 1149动力透平输出/kW 680 679 506 287 650发电机总输出/kW 1810 1584 1046 598 1799

采用蒸汽透平（ST）与废气透平（PT）相结合的模式，主机在CSR点的发电量达到1584kW，可满足在海上航行时的电力负荷要求，因而可减少1台柴油发电机组。

2.3.2 主机废热回收系统设备配置

废气经济器自身的电功率消耗约为100kW，废热发电量可覆盖该部分额外耗电量。

2) 采用单压废气经济器产生蒸汽来驱动蒸汽透平，大约能回收4%～7%的主机功率；

(1) 高压经济器，长、高和宽分别5240mm，9850mm，2650mm。

(2) 高压汽包，直径和长分别为Φ2320mm及2900mm。

(3) 低压经济器与高压经济器组合。(4) 低压汽包，直径和长分别为Φ1970mm及2800mm。

[61]Alex Josey, “The Political Significance of the Burma Workers Party”, Pacific Affairs, Vol. 31, No. 4 (Dec., 1958), p. 373.

开展自然拼读教学法，首先应当提升教师的思想觉悟，要求教师能够结合自身实际情况，端正心态，并从思想认知方面形成正确认识。学校则应当提供相应技术条件与硬件设备。对教师提供专业培训以及相关环境。教师则能够在阅读查阅具体教材与实践当中加强自身利用自然拼读方法的能力。真正意义上实现小学生的快乐学习目的。

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(6) 高压系统循环水泵（2个），型式为直立离心泵，排量和压头分别为150m3/h及0.4MPa，电机功率为40kW。

(7) 低压系统循环水泵（2个），型式为直立离心泵，排量和压头分别为40m3/h及0.35MPa，电机功率为13kW。

图1 废热回收系统示意

(8) 热井。

虽然废气经济器的高低压废气经济器及汽包的尺寸较大，但400000t矿砂船的上甲板面宽阔，上层建筑采用双岛布置，有足够的空间布置经济器部件。

主机废热回收系统主要由废气经济器和透平发电机2部分组成，系统示意见图1。选择阿法拉伐的废气经济器和三菱的透平发电机为研究对象。

2) 三菱透平发电机系统主要由以下部件组成：

(1) 蒸汽透平，1200kW，三菱，AT42M。

(2) 减速齿轮（蒸汽透平与发电机之间），速比为6.4:1。

(3) 减速齿轮（动力透平与发电机之间），速比为13.9:1。

(4) 调速系统，型式为WOODWARD GOVERNOR。

(5) 滑油系统，型式为强制滑油系统，滑油冷却器×1（水平壳管式），主滑油泵×1（齿轮泵），辅滑油泵×1（齿轮泵带自启动系统），双联控制油滤器×120μm，双联系统油滤器×1100μm。

(6) 冷凝器，型式为壳管式，蒸汽量为11500kg/h，冷却面积为200m2。

生态治理、综合治理盐碱土壤是未来方向，用有机硅新材料开发治理盐碱土壤的新产品将成为重要举措。——宋福如

(7) 真空泵，型式为卧式，排量为11500kg/h×0.0064MPa，功率为8kW。(8) 冷凝泵，型式为卧式，排量为15m3/h×0.4MPa，功率为8kW。

EEDI的计算式为

(9) 发电机，功率为1800kW，电制为450V×60Hz，冷却型式为水冷。

(10) 动力透平，功率为800kW。

透平发电机系统的额外功率消耗约为80kW，加上废气经济器系统的100kW额外能耗，共产生180kW的额外能耗。母型船在正常情况下的电力负荷消耗加上废热系统的额外能耗为1050kW，因此采用废热发电系统完全可保证在正常航行工况下不必运行柴油发电机组。由于采用透平系统可使船舶减配1台柴油发电机组，因此透平发电机可与其余柴油发电机组一起布置在发电机平台上，在空间上也没有问题。

2.3.3 主机废热回收系统经济性研究

主机采用废热回收系统需增加最大爆压 Pmax和废气温度，单位油耗从 161.2g/(kW·h)增加到163.6g/(kW·h)。由于减少了1台柴油发电机组的油耗，船舶燃油消耗大约可节约4t/d。同时，透平发电机组的滑油消耗和维护费用均小于柴油发电机组。因此，按照年均航行 270d计算，1a可节约综合费用 78万美元（见表4）。整套废热系统设备的价格大约为400万美元，成本回收期约为5a，接近于船东可接受的时间上限。但是，随着将来透平设备价格走低和燃油价格不断攀升，在400000t超大型矿砂船上装备废热回收系统具有相当可观的竞争力。

自2005年10月深化改革，工商银行完成股改正式上市以来，工行在经营发展、客户服务和企业文化建设等方面都迈上了一个新的台阶。迪庆工行通过增资扩股、清收不良贷款、完善法人治理、强化内控管理、利用央行票据置换不良资产、消化历史包袱等一系列措施,不断增强金融实力和服务能力,经营发展步伐明显加快。

表4 废热回收系统经济性比较

400000t矿砂船技术参数数值主机 7G80ME-C9.2(CMCR:24700kW/58r/min)服务负荷/%年运营时间/d重油价格/(美元/t)滑油价格/(美元/t)平均工况发电机功率/kW 85 270 700 1500 ISO 1000燃油费用维护费用滑油费用年运营费用 主机 辅机 主机 辅机无废热回收装置 有废热回收装置功率/kW 20995 1042 20995 0油耗/(g/kW·h) 161.2 200 163.6 0船用轻油日耗量/t 81.2 5.0 82.4 0船用重油日耗量/t 85.6 5.3 86.9 0总燃油日耗量/t 90.9 86.9总燃油年费用/美元 17181859 16426501单位保养费用/(美元/(MW·h)) 0.7 5.0 0.7 3.0年保养费用/美元 95233 33750 95233 24106总维护费用/美元 128963 119339单位油耗/(g/(kW·h)) 0.2 0.7 0.2 0.5滑油年耗量/t 27 5 27 3.5总滑油年耗量/t 32 27（滑油与轻油抵消）总滑油年费用/美元 47902 45729总年费用/美元 17358724 16586634年节省费用/美元 772090

2.3.4 废热回收方案的EEDI收益

国际海事组织（IMO）国海上环境保护委员会（MEPC）第63次会议通过了EEDI计算方法的决议。根据要求，于2013年1月1日或该日以后签订建造合同，于2013年7月1日或该日以后铺龙骨，于2015年7月1日或该日以后交船的新船及进行重大改造的船舶需满足EEDI要求[3]。决议将EEDI的需求值划分为0阶段、1阶段、2阶段和3阶段等4个阶段，每个阶段的EEDI需求值都会比前一阶段递减10%。

十字绣可以按照表面图案绣，传统刺绣的图案却在心里。“那时候我不会画图，都是自己先用纸剪出一朵花，然后贴在布上跟着绣。”金际珍说。在透明白纸上描上图案，再贴在家纺土布上绣花，叫“布绣”，因为原料便宜、绣法简单，在以前合肥农村比较流行。

作品《繁忙的渔港》采用线描装饰性手法，描绘广西北海涠洲岛的渔民正在整理渔具的繁忙景象，特意加入一些装饰飘带、云彩等元素，丰富其装饰效果和忙碌氛围，画面富有音乐感，仿佛在歌颂劳动人民的勤劳质朴。

式(1)中：nME为主机的台数；capacity为载重吨或总吨；fi为对载重吨或总吨的修正系数；fj为冰区加强修正系数；fw为不利海况下导致的船舶耐波性失速系数；feff为新型能效技术的采用系数；Vref为特定功率和装载条件下的船舶航速；SFC为柴油机经核定的特定燃油消耗量，g/(kW·h)；PME(i)为每台主机额定装机功率（MCR）减去轴带发电机功率后 75%时的功率值；PPTI(i)为每台轴带推进电机额定功率值除以效率后75%时的功率值；Peff(i)为由于能效技术创新使得主机功率减少的效能功率的75%；PAEeff(i)为由于能效技术创新使得辅助功率减少的效能功率；PAE为正常最大海况下所需的辅机功率。

EEDI是衡量船舶能效水平的指标，其计算式是以CO2排放量与货运装载能力的比值来表示船舶的能效，分母表示船舶在规定的船速下与载货量的乘积，分子可概括为主辅机的功率与燃油消耗量的乘积及由于釆用新的节能技术而减少油耗所带来的船舶能效的提高2部分。

由式(1)可知，EEDI的计算值与燃料的碳排放系数CF，主辅机的燃油消耗率SFC，主辅机的功率值，船舶舱容及船舶航速等参数有关。EEDI的要求值由船型和载重量来确定。新造船EEDI的计算值应小于相同阶段EEDI的要求值。

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本文主要分析了商业银行在利率市场化趋势影响下资产负债结构和盈利能力的变动，在大型商业银行和中小型商业银行间简单地进行比较，并针对其中可能存在的问题提出相应的建议。本文旨在推动商业银行成长，增强自身实力；在经济新潮流里站稳脚跟，规避风险；在未来谋求持续发展空间。

通过计算可知：该船不采用废热回收系统所得EEDI为1.81，基线值为2.0339，EEDI约下降11.07%；而采用废热回收系统之后所得EEDI为1.72，EEDI下降15.42%。因此，在新造项目上推荐采用主机废热回收系统。

2.4 硫氧化物及氮氧化物排放标准研究

船舶航行期间的污染主要是由船用柴油机造成的，其中排放的NOx和SOx是最主要、最引人关注的污染物[4]。IMO将大气污染物排放控制标准由MARPOL Annex VI中的SOx Emission Control Areas（SECAs）改为ECAs（Emission Control Areas），于2010年7月1日生效。这意味着大气污染物由原来的对SOx排放的控制扩大到了对更多大气排放物的控制（如NOx排放等)[5]。目前，IMO已批准北海和波罗的海这2个大气排放控制区，在这些排放控制区航行的船舶，其燃油的含硫量要求为：

1) 2010年7月1日以前，含硫量低于1.5%；

4.4.1 进一步完善教材资源。编写详细的教学文档，包括专业实习大纲、实习指导书、实习指导书，明确实践期间每一天的行程路线、实践内容、知识要点、问题思考等；完善各实践环节的实习总结、实习资料、实习照片和实习图纸；针对开放性调研活动，制作完善的选题表、结题报告。

考虑到船机桨的匹配问题及艉部线形能容纳的螺旋桨直径，根据推进器厂家的计算，可配置直径最大11.2m的螺旋桨。由表1可知，在这几款机型中，7G80ME-C9.2因转速低、推进效率高及在相同的航速下主机所需功率最小，燃油日耗量比另外3型主机都要低。在机舱布置方面，以上4型主机的外形尺寸差别不大，但MAN主机的露台高度与机舱平台高度更匹配。因此，7G80ME-C9.2是新一代400000t超大型矿砂船主机的最优选择。

3) 2015年1月1日以后，含硫量低于0.1%。

(5) 给水泵，型式为直立多级离心泵（2个），排量和压头分别为35m3/h及1.8MPa，电机功率为30kW。

随着以上公约的生效，以后对废气排放的要求将更加严格，低硫油将得到非常广泛的使用，同时会对主辅机、锅炉及分油机等设备的管理带来一系列影响。

母型船和目标船的营运线路均为中巴航线，按照两国港口法规及标准的要求，柴油机 NOx排量满足Tier II排放要求即可，目前新造的ME主机和RT-flex主机都能满足Tier II排放要求。考虑到该型船将来可能会去美国港口和欧洲港口，需做好主机满足Tier III排放要求的研究准备。

2.4.1 硫氧化物排放控制研究

为尽量降低SOx排放以减少环境污染，应使用含硫量更低的燃料油，主辅机和锅炉都要配有专门的低硫燃油舱及轻柴油舱，同时可将轻柴油舱更换为MGO舱，分油机增加MGO供油单元，以满足SOx排放控制的要求。在无低硫油可使用时，需安装脱硫塔以实现对SOx排放的控制，将主机、发电机和锅炉排气管汇总到机舱棚内的脱硫塔上，脱硫塔通过对船上气体排放进行集中处理，喷撒NaOH以去除硫化物，达到减少环境污染的目的。

目前市场上含硫量低于1.5%的燃油主要是从低硫原油中提炼得到的，只有部分地区可出产该类燃油。此外，该类燃油也可通过安装脱硫设备提炼得到，但这些设备非常昂贵。随着低硫油市场需求的增大，脱硫燃油将得到广泛应用。

2.4.2 NOx排放控制研究

当前Tier III的生效日期为2021年1月1日，其排放控制区为波罗的海、北海、北美和加勒比海。对于NOx的排放控制，主机厂家有选择性催化还原技术SCR（Selective Catalytic Reduction）和废气再循环技术EGR（Exhaust Gas Recirculation）2种推荐方案。方案原理示意见图2和图3。

1) 对于SCR方案，主机废气经过SCR之后到增压器排出，SCR内喷洒NH3，在催化剂作用下生产N2和H2O，以达到去除NOx的目的。该方案SCR机舱占用空间大，处理装置和排气管安装等对现场的要求比较高。

图2 SCR原理示意

图3 EGR原理示意

2) 对于EGR方案，主机废气经过NaOH洗涤塔将废气中的灰去除掉，将低氧分废气和新鲜空气一起加入气缸燃烧，从而在燃烧过程中减少NOx的产生量。该方案EGR布置在主机内部，布置比较紧凑，其外围系统布置比较灵活，改动相对较小。

综合以上分析，目标船SOx和NOx的排放可采用脱硫塔加EGR的方式进行控制。

3 结 语

新一代400000t矿砂船项目的适时优化满足了船东的核心需求，是引领市场发展的产物。通过对该船型进行优化，能提升我国在世界造船领域的地位，提高我国在超大型船舶设计建造领域的水平，使400000t矿砂船节能减排、绿色环保、安全可靠和营运高效的设计理念得到船东、船级社及行业内人士的一致认可。

本文在母型船巴西淡水河谷400000t矿砂船的基础上，通过对专利厂相关型号的主机进行分析、综合比较，提议采用的主机机型日油耗由原来的97.4t/d降低到81.2t/d。在进行油耗研究的同时，对目标船配备主机废热回收装置的可行性进行了探讨。研究结果表明，在大型矿砂船上使用废气回收节能装置是可行的，优势是电站容量减小，燃油经济性得到进一步提高，船东的营运成本大大降低。此外，对NOx和SOx的排放标准进行了研究，对新造船如何满足这些新的排放标准进行了探讨。

累积量具有与随机变量线性组合相关的特性，所以可利用在电力系统的线性模型中。功率注入和线路流量的潮流方程用非线性方程表示：

【 参 考 文 献 】

[1] 田长伟, 赵翠.新造船舶能效设计指数对主机选型影响分析[J].广东造船，2011, 30 (2): 45-48.

[2] 韩烨.新能源在船舶中的应用研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

[3] 唐在阳.基于《经1978年议定书修订的1973年国际防止船舶造成污染公约》附则Ⅵ修正案的我国履约对策研究[J].中国海事，2013 (1): 25-28.

[4] 高蓓蕾, 俞言霞.船舶排气污染、执行标准及其控制对策初探[J].中国资源综合利用，2012 (12): 41-42.

[5] 陈秋华.船用低硫油管理、转换与操作[J].船舶经济贸易，2010 (7): 41-42.