世界最大柴油机为何失宠?在集装箱船降速的背景下它将何去何从?

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集装箱创新者 发表于 2020-10-16 21:09:17 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
与传统的杂货运输相比,集装箱船具有装卸效率高,停靠港口时间短的特点,那么提高航速有利于加快船舶周转,提高船队竞争力。在这其中尤其以班轮模式运行,跨洲际运输的大型集装船最为突出。为此,传统大型集装箱船的服务航速通常都在25节以上,最高航速一般都可以达到30节。如以5618标准箱集装箱船为例,这艘长约280米的“大船”,设计航速25.7节,采用了MAN-B&W 12K90MC二冲程低速柴油机,MCR=74520马力 x 104 r/min。因此可以看出航速较高、主机功率大、储备功率富裕是传统大型集装箱船的重要特点之一。
s1.jpeg 集装箱船装卸效率高</img>


可能大家对这一“特点”并具体的无概念,但是笔者要是拿其它船型作对比,差距就一目了然了。如5618标准箱集装箱船的载重吨约为5万吨(注:集装箱船一般不讲载重吨,这里只是为了对比方便),主机却拥有近7.5万马力;而历史上最大的油轮,载重吨超56万吨(满载排水量超82万吨)的“诺克·耐维斯”号主机功率才5万马力;而近期大热的40万吨矿砂船(40万吨指的载重吨),主机也只有约4.5万马力。
s2.jpeg 40万吨矿砂船</img>


在另一方面,从规模化效应的角度来看,船舶尺度越大,每单位货物运输的成本越低。据国内某班轮公司的实际统计数据表明:一艘8000标箱的集装箱船与两艘4000标箱的集装箱船相比,其运输成本可降低10% ~15%,其中燃料及人工费用的减少是总成本得以下降的主要原因。为此,大型集装箱船为了获得更好的经济效益朝着大型化和高速化的方向发展。而在现有柴油机能满足大型油轮和散货船功率需求的背景下,大型集装箱船成了船用低速柴油机大型化(大功率化)最有力的推动者。
s3.jpeg 当然大也是有限度的,“诺克·耐维斯”号就是最好的例子</img>


大型集装箱船从5000标箱到8000标箱,再到突破1万标箱,甚至更大的15000标箱,为了适应大型集装箱船的发展需求,船舶柴油机的设计制造部门不断地推出新机型,使得在近20年来,柴油机的单机功率不断突破。1981年最大的柴油机功率为35520kW(≈48294马力), 1988年为45840kW(≈62325马力),1993年为48600kW (≈66078马力 )。20世纪末,世界两大船舶柴油机巨头所生产的Sulzer 12RTA96C 和MAN B&W12K98MC型柴油机的功率分别达到了65800kW(≈89463马力)和68840kW(≈93596马力)。现在,Wrtsil 14RT-flex96C和MAN 14K98ME-C7型柴油机的功率更是分别达到了80080kW(≈108878马力)和87220kW(≈118586马力)。期间MAN还试图开发气缸直径超过一米的K108ME系列柴油机(未如期开发)。
s4.jpeg MAN 14K98ME</img>


因为K108M未能如期开发,而MAN 14K98ME-C7型柴油机也无装船记录,所以我们习惯说Wrtsil(瓦锡兰) 14RT-flex96C是世界最大的柴油机。这款世界最大柴油机被装拥有在当时世界最长船舶称号的15000标箱的马士基E级集装箱船上(397米长)。按理说,随着18000标箱、19000标箱、20000标箱、22000标箱、23000标箱甚至更大的集装箱船如期开发,那么与之匹配的,比14RT-flex96C更大的柴油机也应该在如期开发中。但事实上, 14RT-flex96C凭借超10万马力的功率,雄霸世界最大柴油机的宝座至今。这难免让我们产生了疑问:比15000标箱更大的集装箱船用了什么主机呢?
s5.jpeg 马士基的E级集装箱船</img>


为解开疑惑,笔者选择我国自主设计的18000标箱和20000+标箱超超大型集装箱船,看看它们用了什么主机。从资料可知:18000标箱的集装箱船,主机采用MAN B&W 11S90ME-C9.2,MCR=63910kW(≈86893马力) x 84r/min;而20000+标箱集装箱船,主机则是采用了MAN B&W 11S90ME-C10 MCR=67100kW(≈91231马力)。不难看出,船更大的了,主机功率却变小,这本是不符合发展规律的事。但是我们纵观全球航运业的发展,会发现:随着世界范围内原油价格的不断攀升,燃油消耗开始成为航运企业的主要成本之一,不少船东为降低燃料成本开始尝试在营运中降低航速,在订购新船方面也更倾向于低速、低油耗的船型。目前主流的集装箱船最大设计航速已经从原先的25节降低到22节左右,并有进一步下降的趋势。在这里,也就揭开了船舶节能领域重要的设计思路——降速。当然,笔者所指的降速包含两个方面,即螺旋桨转速降低和船舶的航速降低,因此,在接下来的讲解中笔者也会围绕这两个方面着重讲解。
s6.jpeg 14RT-flex96C的转速超一百转,相对于现在的节能主机还是太快了</img>


关于螺旋桨转速降低对于功率的影响,笔者不想去讲一些空洞的理论,而是以从实际出发,利用现有的例子,力争做到通俗易懂。而恰巧,作为巨头的B&W公司曾经研究的6万载重吨级的经济型散货船就是最好的例子。6万载重吨级的经济型散货船相较于传统船型作了如下改动:在船型方面,船艏由垂直艏为改为球鼻艏,艉型由一般型船艉改为隧道型船艉。在推进系统方面,螺旋桨的转速从145转/每分降至50转/每分,螺旋桨直径由6.5米增加到9.0米,主机由7K80G型(13606kW)改为7K67GF型(9635kW)。明明主机功率更小了,螺旋桨的转速更低,但在实际试航中,满载状态下,仍能达到同级别普通船舶16节的航速,可以说节能效果非常明显。
s7.jpeg 大直径低转速的螺旋桨能获得更高的推进效率</img>


曾经我国某船舶设计大师在谈及三大船型时(注:三大船型为散货船、集装箱船和油轮)就关于大型集装箱船的发展难点,指出:集装箱船大型化除了会对船舶总纵强度影响,导致船舶结构设计难度加大外, 还会对主机功率大型化和线型设计提出了更高的要求(注:此处的线型设计,指的是通过线型的优化而降低阻力,以达到在现有柴油机功率的情况下,设计出更大的船舶)。但事实上,集装箱船舶大型化并未对柴油机的大型化带来巨大的挑战,因为现有主流大型集装箱船,走了另一条路——把原来25节的航速降到22节甚至更低。那么航速降低是如何影响了主机功率的呢?
s8.jpeg 国产的20000箱级集装箱船</img>


长期关注笔者文章的读者应该也有所了解了:在一定的速度范围内,排水型船所受的水阻力与其速度的平方成正比,而船舶主机所需的马力与航速的立方成正比。如速度增加到原来的2倍,水阻力就增加到原来的4倍(即2的平方),主机的马力就要增加到原来的8倍(即2的立方)。假设一艘设计航速为16节的万吨轮,它的主机功率是1万马力,那么一艘32节的万吨轮(同型船)主机的功率就会急剧增长到8万马力以上了。也正因此,发展更大的载货量比发展更高的航速更具性价比,所以以高航速思路发展出来的14RT-flex96C逐渐“失宠”,而取而代之的是转速更低、效率更高的长冲程柴油机。
s9.jpeg 军舰的功率比同级别排水量的民船大的多,高航速是重要的影响因素</img>


以现有行情来看,航运市场低迷仍将会持续很长一段时间,也就意味着,降低航速、采用更低转速的主机去匹配更大直径的低转速螺旋桨等一系列节能措施将是大型集装船的主流发展思路,那么也就意味着,转速更低的“超长冲程”系列柴油机会有更好的发展。而以追求大功率为代表的14RT-flex96C这样的世界最大柴油机将会持续“失宠”。当然,也不排除航运市场会有复苏的那一天,届时在“多拉快跑”的思路下,这些追求大功率的柴油机,又有崛起的可能。但是航运业的“春天”在哪里?又有谁会知道呢?

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