长江航运科学研究所 武汉 430014
摘要：本文旨在研究长江主力船型以及对应的船舶推进系统，并通过对长江主力船型的综合论证分析、清洁推进系统的选型优化、船舶全寿命周期经济性论证研究这三个研究方向来验证研究船型及推进系统的可行性，为其后续研究提供理论支撑。
关键词：长江主力船型；推进系统优化；双燃料动力
Optimization of propulsion system for main ship
of Yangtze River
Li Ning
（Changjiang Shipping Science Research Institute，WuHan 430014）
Abstract：This paper aims to study the Yangtze River main ship and the corresponding ship propulsion system，and through the comprehensive analysis on the Yangtze River main ship propulsion system analysis，clean selection optimization，ship life cycle research direction of these three studies to verify the feasibility study and ship propulsion system，to provide theoretical support for the follow-up study.
Keywords：the main boat type of the Yangtze river；dual fuel power；propulsion system optimization；
0 引言
随着我国经济的发展以及环保要求的不断提升，交通运输行业尤其是长江水运造成的污染越来越受到广泛关注。2011年国务院颁布“国务院关于加快长江等内河水运发展的意见”提出利用10年左右的时间，建成畅通、高效、平安、绿色的现代化内河水运体系，节能减排、绿色航运已成为我国内河航运发展的重要方向。而后，国务院常务会议研究部署长江等内河水运发展工作时明确指出，要处理好水运发展与水生态环境保护的关系，合理布局沿江沿河产业，实现内河水运绿色发展，降低能源消耗和污染排放。对航运企业而言，在燃油成本占船舶运输成本40%以上且不断攀升情况下，燃油价格直接影响到航运企业的生存发展，从而对整个航运业的健康发展造成严重冲击。随着国际市场燃油价格的攀升，船舶营运中的燃油成本所占比例越来越大，已成为主要成本之一，对企业利润的影响也日益突出。国际航运企业竞争的加剧，各个公司已经将竞争的重心转移到成本竞争方面，其成本的优势对增加公司的竞争力显得越来越重要。航运企业除了承担着国计民生的责任外，还承担着艰巨的社会责任，因此无论是从IMO对于EEDI折减率的要求时间节点还是从对提高航运业的经济效益的角度来看，及时开发具有清洁推进系统的长江代表船型已经刻不容缓。
1 长江主力船型的综合论证分析
截止至2014年10月，在长江海事局登记的船舶中，干散货船数量最多，有5134艘，占船舶总数的53.62%，并且增加数占机动船增加总数的比例在逐年递增，所以干散货船是长江海事局登记船舶中的主流船型。
长江海事局登记的内河干散货船工5134艘，总载重吨为15774175 t，通过对不同吨位干散货船的吨位、运力分布、新造船舶数量和运力增长情况进行统计分析，结果如下图1.2-1.3和表1.1-1.3所示。
图1.1 长江干散货船增加数占机动船增加总数的比例
图1.2 长江海事局登记内河干散货船吨位分布情况
图1.3 长江海事局登记内河各吨位干散货船载重吨分布情况
表1.1 1000 t至3000 t干散货船的新造船舶数量和运力增长情况表
表1.2 4000 t至5000 t干散货船的新造船舶数量和运力增长情况表
表1.3 5000 t至6000 t干散货船的新造船舶数量和运力增长情况表
由表1.1~1.3和图1.2~1.3可以看出，干散货船的吨位无论是在数量上还是在总载重量上均集中在1000~6000 t，占总量的66.21%，以1000 t为区间分析得到，区间总载重量占散货船总载重量比例超过10%以上的有1000~1999 t，2000~2999 t，3000~39999 t，5000~5999 t，而1000~1999 t以及2000~2999 t新造船散货船的数量和载重量总体呈逐渐减小的趋势，5000~5999 t新造散货船的数量总体呈增加趋势。由中国长江航运集团、华中航运等从事内河航运的大公司近几年的造船计划来看，5000 t及5000 t以上的货船将是未来几年新造船舶的主流吨位。由以上数据及分析表明，5000 t干散货船是当前和未来长江航运的主流船型之一。
2 清洁推进系统的选型优化
该研究部分主要讨论三个方面：船舶动力选型、传动方式和轴带发电机的使用。
1）船舶动力选型
目前船舶的动力类型主要有柴油机动力、LNG动力、柴油/LNG混合动力和蓄电池动力4种动力模式。其中蓄电池单位体积的功率太小，因此不适合大型船舶，而LNG动力由于国内配套设施不全，还无法普及，最后考虑柴油机动力和柴油/LNG混合动力。由于柴油/LNG混合动力中LNG是一种清洁能源，因此相比于柴油机，该动力的有害排放物质的量减少，同时当某些区域缺乏LNG充气站时可以使用柴油作为燃料不会影响营运。此外，经济性方面，由于LNG的价格相对于燃油比较便宜，因此，做同样的功，使用LNG作为燃料的成本要低于燃油。
2）传动方式
传动方式有直接传动、间接传动、z型传动和电力传动。通过对上述传动方式的优缺点进行分析后，可以发现，当主机负荷不是频繁变化的情况下，使用电力推进年效率不高，经济性不好；当船舶操纵性没有特殊要求的情况下，使用Z型传动效率不高，经济性不好。对于主机负荷不是频繁变化以及船舶操纵性没有特殊要求的情况下，选用直接推进或者间接推进是比较好的选择。
3）轴带发电机的选择
目前大多数内河船舶主机正常航行时主机负荷只有满负荷的20~30%。而且，船舶正常航行时，普通货船所使用的电量只有单台发电机满负荷的40%~60%。主机和副机长期在低负荷下运行，运行效率不高。如果采用轴带发电机系统，（1）将可以通过充分利用主机的富余功率，减少发电机的运行，提高船舶动力系统的整体效率；（2）可以减少一台辅助发电机组的投资；（3）同时还可以减少辅助发电机组管理及维修成本；（4）可以降低运行噪声，极大地改善船员的工作环境；（5）还有助于降低CO2和NOx的排放。由以上分析可以得出无论从经济上还是从节能减排方面，使用轴带发电机主机要优于非轴带发电机主机。
通过以上分析可以得出以下结论：
（1）论从环保还是从经济性角度使用柴油/LNG 双燃料动力要优于柴油机动力。
（2）由于内河轴带发电机主机具有以下优点：①将可以通过充分利用主机的富余功率，减少发电机的运行，提高船舶动力系统的整体效率；②可以减少一台辅助发电机组的投资；③同时还可以减少辅助发电机组管理及维修成本；④可以降低运行噪声，极大地改善船员的工作环境；⑤还有助于降低CO2和NOx的排放，因此，使用轴带发电机主机要优于非轴带发电机主机。
（3）当主机负荷不是频繁变化、船舶操纵性没有特殊要求且使用轴带主机的情况下，内河船舶的传动方式选用间接推进是比较好的选择。
3 内河各种主力船型全寿命周期经济性比较
为了全面、科学的考察船舶动力系统经济性，需要对船舶动力系统在整个寿命周期内所支出的总费用进行分析。基于全寿命周期的理论，主要考虑购置费用、燃料费用、维护费用、贷款利息和报废费用这五类费用，定义船舶动力系统全寿命周期费用Clcc：
Clcc = Cb + Cf + Cm + Ci - Cs （2-1）
上式中：Cb为船舶动力系统购置费用；Cf为船舶全寿命周期动力系统使用过程燃料费用；Cm为船舶动力系统维护费用；Ci为船舶动力系统购置贷款利息；Cs为船舶动力系统报废费用。
以5000吨散货船为验证船型，该船的主机功率为800 KW，有3台50 KW柴油机组成的发电机组，通过计算得到了在不同油价下的两种推进系统的对比结果，如表3.1和图3.2所示。
表3.1 船舶全寿命周期费用比较
图3.2 柴油价格与柴油与天然气价格差值的关系函数图
由表3.1和图3.2可知在柴油价格处于最高点8.67元/L时，整个船舶生命周期的经济性，双燃料动力船舶要远优于传统柴油机船。而在柴油价格处于最低点5.28元/L时，双燃料动力船舶的经济性要略差于传统柴油机船。
4 结论
通过以上分析可以得到以下结论：
（1）5000吨级干散货船是目前长江的主力船型之一。
（2）无论从环保还是从经济性角度使用柴油/LNG 双燃料动力要优于柴油机动力。
（3）由于内河轴带发电机主机具有以下优点：①将可以通过充分利用主机的富余功率，减少发电机的运行，提高船舶动力系统的整体效率；②可以减少一台辅助发电机组的投资；③同时还可以减少辅助发电机组管理及维修成本；④可以降低运行噪声，极大地改善船员的工作环境；⑤还有助于降低CO2和NOx的排放，因此，使用轴带发电机主机要优于非轴带发电机主机。
（4）当主机负荷不是频繁变化、船舶操纵性没有特殊要求且使用轴带主机的情况下，内河船舶的传动方式选用间接推进是比较好的选择。
（5）柴油的替代率以及柴油和天然气的差价都会对柴油/LNG双燃料动力的经济性产生影响。
（6）近三年，柴油价格的最高点为8.67元/L，此时，整个船舶生命周期的经济性，双燃料动力船舶要远优于传统柴油机船；而柴油价的最低点为5.28元/L，此时，双燃料动力船舶的经济性要略差于传统柴油机船。
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论文作者:李宁
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/21
标签：船舶论文; 长江论文; 动力论文; 内河论文; 船型论文; 柴油论文; 新造论文; 《基层建设》2017年第23期论文;