基于多因子模型的船舶主机选型论证研究

金祥臣，王 浩，王 平

渤海船舶重工有限责任公司，辽宁 葫芦岛 125004

新冠病毒疫情在全球范围内爆发以来，其对全球贸易影响深远，全球供应链面临着严峻的挑战，2021 年全球贸易指数较前年有所回升，但是海商项目物都集中在集装箱船上，散货、矿砂交易量没有明显增长，也直接导致了散货船航运业的低迷，散货船航运周期不紧迫，所以在船舶建造合同中，主机选型重点考虑船东的初期投入成本和后期运营成本。

在新船研发设计中，主机选型工作是根据水池实验室的船模航速预报，确定主机功率点、螺旋桨直径、调定模式和主机型号。选型工作受到多方面的影响。而多因子模型研究方法是通过分析主因、次因来进行抉择。选型判断是基于主机功能是否合理；
采购成本是否可以接受；
设计方案是否便于操作，等等，并通过对比判断要因，重点考虑船舶航速与主机合同功率[1]、燃油日消耗率与主机最小功率、主机功能与采购成本[2]、废气排放限级与海区保护、主机大小与机舱空间、桨大小与轴线高度、主机废热与废气锅炉选型等。下面以某型VLOC 为例研究主机选型。

2.1 初步拟定船型总体参数

根据船东意向书，对标各大造船厂和设计院相同级别矿砂船的主尺度，初步拟定投标船型的主尺度：船长323 m，垂线间长316 m，型宽60 m，型深25 m，设计吃水18 m，结构吃水18.5 m，设计吃水时航速14.5 节（主机持续服务功率CSR）。

2.2 水池实验室的航速报告

将得到的船型主尺度、航速及主机持续服务功率（CSR） 发给水池实验室，由实验室方面用计算机软件模拟出船舶的初步型线，并给出航速预报报告及修正后的功率与航速数据。主机选型过程中所需要的数据点在航速预报中查看并获得，在设计桨的前提下，对应的推进功率和推进转速数据如下：

1） 无风无浪的静海情况下，主机功率13 044 kw 和转速51.3 rpm；

2） 15%海况储备，即主机持续服务功率（CSR） 点功率 15 000 kw 和转速 53.8 rpm；

3） 20%机械储备，即主机合同最大持续功率（MCR） 点的功率18 750 kw 和转速58 rpm。

另外在危险海况下，主机MCR 点功率应满足维持船舶机动性能最小推进功率的要求[3]，此功率点的确定方法有2 种，具体校核过程如下：

1） 最小功率线性法。Pmin1=0.049×250 000+7 392.0=19 642 KW；

2） 简化评估法。水池实验室根据海况仿真边界模型计算的功率值：Pmin2=18 240 KW。

以上2 种计算结果船级社都认可，所以比较2 种结果，选取较小的功率点作为最终计算结果，即P（EED）I =18 240 KW。

而水池实验室给出的主机MCR 点推进功率P （MCR） =18 750 KW ＞ P （EEDI） =18 240 KW，满足维持船舶机动性能的最小功率。

3.1 主机型号选择

根据整理后的技术参数和数据，绘制主机选型图。首先，创建一个对数的二维坐标系，将转速的对数值设为X 轴，将功率的对数值设为Y轴。将以下数据绘制到同一个坐标系下，主机选型图如图1 所示。

1） 根据航速预报报告，绘出主机无海况储备的等航速曲线α=0.28，见图中L-1。

2） 根据主机功率增加15%海况储备，绘出CSR 等航速曲线α=0.28，见图中L-2。

3） 在主机功率增加15%海况储备的基础上，功率再增加5%、10%、15%机械储备，分别绘出相应的5%、10%、15%机械储备的等航速曲线α=0.28，见图中L-3、L-4、L-5。

4） 绘制EEDI 最小功率18 240 KW 的水平线。

5） 3 种型号柴油机的主机工况图分别为6G80ME；
7G70ME；
6RT-flex82T-B。

6） 2 种桨径的螺旋桨曲线图分别为：D10.8；
D10.3。

综合以上数据和图1 主机选型图中的内容，得到主机选型与机桨匹配共有3 种方案，机桨匹配方案对比如表1 所示。其中表中所列的方案四：主机合同最大持续功率点MCR 为21720KW 机械储备太大，因此对比方案不考虑此种选型方向。

表1 机桨匹配方案对比表

图1 主机选型图

从表中分析可得：船舶主机在CSR 点运营时，方案一具有最低的油耗，再根据主机外形图、机舱布置、压载工况，确定的轴线高度5 500 mm 等条件，分析校核后满足要求。在当前低迷的船舶营运市场环境下，此方案是一款低油耗的主机选型，可以在对标中有较强的竞争力。

根据方案对比和图1 分析，总结主机选型的2 种技巧如下：

1） 主机CSR 点落在图中左下区域，越靠近左下侧主机越省油，但桨径会变大，轻载水线会变高，阻力变大，主机会多耗一部分燃油，需要综合考虑主机油耗。

2） 主机况图L1 点落在图右上区域，等高时超靠近右侧主机平均有效压力越低，在同样功率条件下主机越省油，但主机体积变大，主机价格越高，需要综合考虑主机周围机舱布置及成本。

3.2 调定模式选择

当国际经济形势良好需缩短运营周期时，为提高船舶运营航速，主机通常采取High Load 调定模式。而考虑本船当前国际经济环境，要减少运营成本，降低油耗，因此考虑Low Load、Part Load 调定模式。以3.1 中方案一为例，船厂承诺合同功率点MCR 及CSR 点的油耗对比情况如表2 所示。

表2 主机6G80ME 在ISO 环境工况油耗数据对比

机油耗分析，基于表2 中油耗数据对照，可以看出主机以CSR 运行时，Part Load 比Low Load 油耗要省 0.36 t/day。

对图2 中6G80ME 主机的2 种调定模式Part load、Low load 油耗特性曲线进行对比，可以发现当主机运行在CSR 点时，Part load 是低油耗的调定模式。但是当船舶低航速运营时，Low load却是更省油的调定模式。因此，2 种调定模式均可作为可选的方案设计。

图2 6G80ME 油耗特性曲线 (g/kWh)

3.3 主机废热分析

主机在不同的调定模式下，产生的废气能量也是不同的。一般来说，由于Part Load 和Low Load 调定在低功率范围内油耗较低，因此废气能量较少。在选择主机调定时，主要关注CSR 点的主机废气能量是否可以满足船舶航行时需求，但也需要适当考虑实际船舶运营时，主机废气能量是否可以满足需求。

主机型号6G80ME，废气能量计算是基于ISO 环境工况下的主机CSR 点废气温度和废气量，饱和蒸汽0.7 Mpa，给水温度80℃，废气锅炉出口废气温度175℃，主机排烟出口至废气锅炉入口温度降低2℃，废气锅炉热损失4%。主机废气蒸发量计算的结果对比为：Low Load 调定模式1 419 kg/h，Part Load 调定模式1 423 kg/h。

从图3 中可以明显看出，6G80ME 在Part Load 和Low Load 调定时，废气能量基本一致，仅功率在75%时Part load 稍低一些。而Low Load调定在降航速运营存在优势，但是考虑本船CSR功率为80%MCR，因此如果采用MAN 的主机，推荐采用Part Load 调定，这样合同承诺油耗更低，同时对于废气能量也不存在任何影响。

图3 6G80ME 主机废气能量产生蒸汽量特性曲线

3.4 主机排放分析

该船预定航线是澳洲至东亚，此区域目前执行Tier II 要求[4]，但考虑未来排放处理能力升级，例如：船舶航线进中国排放控制区内，为了便于后期功能扩展，提高船型的适应性，做好Tier III的排放处理系统预案。

对于主机废气排放等级Tier III 要求，MAN 6G80ME 主机有2 种解决方案，分别是废气再循环系统（EGR） 和高压选择性催化还原反应系统（HPSCR）[5]。

EGR 系统与HPSCR 系统相比较，区别在于以下几点：

1） 采购成本，EGR 稍低一些，大约低8～18%，具有一定优势；

2） 布置空间，EGR 相对于空间需求较少；

3） SCR 催化还原反应温度较严格，需要废气温度较高约350℃以上；

4） 打包供货方法，EGR 相对于 HPSCR 在主机制造厂整体打包较方便。

基于以上几个点，目标船的主机废气处理系统采用EGR 更有优势。

综上分析，主机选型参数如下：型号为MANB&W6G80ME-C10.5（PartLoad，TierII）；
型式为二冲程，船用增压低速超长冲程柴油机；
数量为1 台；
主机R1 功率为28 260 kW×72 rpm；
MCR 功率为18 750 kW×58 rpm；
CSR 功率为15 000 kW × 53.8 rpm；
燃油消耗率为 156.1 g/kWh+6%；
燃油日油耗为56.20 吨/ 天+2.16吨/天；
ISO 工况为主机在CSR 点，燃油低热值LCV 为 42 700 kJ/kg。

本研究固化了新船主机选型的流程，缩短了主机选型的设计周期，在应对船型对标的时间紧迫性问题有较大的竞争力，且研究方向符合当前船东运营需求。但值得注意的是，由于船型不同、航区不同、采用的水池试验室不同、船东运营要求不同、总图分舱不同等方面因素都存在差异，在主机选型时，需要进行综合考虑，满足各方面的要求。