李 允 李 思

（1.哈爾濱工程大學船舶工程學院 哈爾濱150001；2.寧波海事局 寧波315020）

引 言

自1885年美國第一艘絞吸挖泥船誕生以來，因其對土質(zhì)適應性好，效率相對較高，造價低廉，得到了很大發(fā)展。非自航絞吸挖泥船必須有拖輪的配合，一旦其中某船舶出現(xiàn)問題，整個系統(tǒng)便無法繼續(xù)工作。在社會不斷發(fā)展的今天，船舶設計更提倡一體化、模塊化，強調(diào)綠色造船設計理念，研究設計自航絞吸挖泥船，發(fā)展建造自航絞吸挖泥船有重要的現(xiàn)實意義。 本文對某電力推進中小型自航絞吸挖泥船進行設計論證，并通過與非自航挖泥船的對比，論證了電力推進自航絞吸挖泥船的優(yōu)越性。

1 自航絞吸挖泥船的發(fā)展

按照挖泥方式、適用情況的不同，挖泥船可分為絞吸挖泥船、鏈斗挖泥船、抓斗挖泥船、耙吸挖泥船等多種類型［1］。

1.1 非自航絞吸挖泥船現(xiàn)狀

目前，我國在非自航絞吸挖泥船的研究和建造方面技術(shù)已比較成熟。具有靈活性不高、船舶利用率較低的弱勢。非自航絞吸挖泥船必須要由拖輪拖至指定工作區(qū)域開展工作，而調(diào)用拖輪無疑需要時間，造成作業(yè)時間成本的增加。如果遭遇危險警報需提前停止作業(yè)，也必須由配套拖輪趕往作業(yè)地點進行船舶疏散，從而使風險指數(shù)增高。非自航絞吸挖泥船在日常維護工作中，對其相應的配套船舶同樣也要進行及時維護，這就造成了經(jīng)濟費用的增長。其輔助船舶的動力供給、人員費用、設備維護都是很大的人力、物力消耗。

1.2 自航絞吸挖泥船誕生發(fā)展

首艘自航絞吸挖泥船“PHARAON”號誕生于1905 年［2］。但是，它的出現(xiàn)并沒有迎來自航絞吸挖泥船發(fā)展的輝煌時期，而是到 1977 年才出現(xiàn)自航絞吸挖泥船的建造高峰［3］。自1986年“達·芬奇”號建成后，自航絞吸挖泥船的開發(fā)暫停了，直到2003年，JandeNul公司“J.F.J.DeNul”號超大型自航絞吸挖泥船的建造成功［4］，才迎來自航絞吸挖泥船新的發(fā)展高峰。我國第一艘大型自航絞吸挖泥船是“天鯨”號，于2010年1月19日在深圳交船［5］。我國盡管在此領(lǐng)域取得了發(fā)展，但與國外發(fā)達國家相比研究水平仍有待提高。

1.3 中小型自航絞吸挖泥船

圖1 “天鯨號”絞吸挖泥船

伴隨我國第一艘大型自航絞吸挖泥船“天鯨”號成功建造，我國在自航絞吸挖泥船的設計研究上有了新發(fā)展。但是目前的關(guān)注點是對大型、超大型船型的研究中，對于適用于內(nèi)河航道疏浚的中小型自航絞吸挖泥船研究還太少。我國河流眾多，內(nèi)河水運發(fā)達，不少內(nèi)河航道水深較淺，不適合大型挖泥船工作。中小型自航絞吸挖泥船的設計開發(fā)，將大大提高國內(nèi)疏浚船隊的疏浚能力、提高作業(yè)船隊的經(jīng)濟效益、改善內(nèi)河航道的質(zhì)量。

2 某中小型自航絞吸挖泥船設計

2.1 主尺度

在對該船進行主尺度設計時，影響主尺度的因素主要有作業(yè)功能、總體布置、航道特征、橋梁和船閘等方面。參考相同疏浚能力的絞吸挖泥船，綜合考慮本船的實際需要、各設備尺寸、航道限制等因素，該船設計主尺度：船長為46.2 m、船寬為14.8 m、型深為2.7 m、設計吃水為1.15 m。

2.2 總布置

下頁圖2為該非自航絞吸挖泥船。在拖輪對其進行拖帶航行時，往往采取倒拖的方式行進。采用倒拖的形式，一是可以保護絞刀設備，二是可以避開艏部的特殊形狀減小阻力。在進行本船設計時，綜合考慮絞刀與槽道，將絞刀布置在船艏，將推進器布置在船艉。航行過程中，為了減小航行阻力、保護絞刀不受損壞，要將絞刀吊起出水。

圖2 某非自航絞吸挖泥船

圖3 某船推進器布置示意圖

該船艙室空間有限。考慮到船體結(jié)構(gòu)設計、艙室布置、船舶吃水等情況的限制，采用舵槳推進，將其布置在后甲板。

2.3 電力推進系統(tǒng)設計

船舶推進系統(tǒng)從本質(zhì)上來說可以分兩種：一是原動機（柴油機）直接帶動推進系統(tǒng)工作；二是原動機帶動發(fā)電機，由發(fā)電機驅(qū)動推進器工作。原動機直接帶動推進系統(tǒng)工作是目前國內(nèi)挖泥船采用的主流驅(qū)動方式。這種驅(qū)動方式成本低廉、技術(shù)成熟，單一設備損壞還可以繼續(xù)施工。但存在功率利用率低、后期使用經(jīng)濟性不高等缺點。

我國電力推進系統(tǒng)在中小型船舶中的應用并不普及［6］。在國外，愈來愈多先進的絞吸挖泥船傾向于采用電力推進。電力推進功率利用率高、布置靈活、容易操作，雖然初期投入較高，但從長遠來看經(jīng)濟性好。該船選用同步柴油機、交流電力推進設備，選取具有0.65 m的可調(diào)浸深的舵槳裝置推進，設計推進器為19A導管，Ka4-70型導管螺旋槳，螺距比為0.98。

圖4 自航挖泥船電力配置設計圖

3 性能優(yōu)越性評估

為了研究該船性能的優(yōu)越性，現(xiàn)選取與其絞吸設備相同的非自航船進行評估對比。

3.1 經(jīng)濟性評估

絞吸挖泥船的經(jīng)濟性能評估要從兩方面展開，一是初始建造費；二是后期使用費。絞吸船的后期使用費由可變成本和不可變成本組成，可變成本主要由燃油費用、船舶修理費用等組成；不變成本為折舊費、人工費、保養(yǎng)費等。

本文對船舶經(jīng)濟性評估的考量時間為18年（船舶的設計服役期限）。船舶使用的折舊費可以在建造成本中得到體現(xiàn)，因此不再進行重復比較，只對油耗、建造費用、維護費用和人工費用進行分析。其中建造費用、維護費用和人工費用采用2013某設計院向年黑龍江航道局遞交的《絞吸式挖泥船建造項目可行性研究報告》中提供的數(shù)據(jù)。

3.1.1 油耗費用

自航絞吸挖泥船可獨立前往作業(yè)水域。特別是在進行小工作量的疏浚作業(yè)時，自航絞吸挖泥船可靈活調(diào)動，提高作業(yè)效率的同時降低調(diào)遣費用。非自航絞吸挖泥船由于作業(yè)需要，需配備輔助船舶（一個完整的挖泥船船隊具體配置為挖泥船1艘，拖輪1艘，錨艇2艘）。自航絞吸挖泥船編隊配置為自航式絞吸挖泥船1艘，錨艇2艘。由于本文進行優(yōu)越性分析，兩艘錨艇的油耗不再進行計算。主要油耗指標見表1、表2。

一般而言，柴油機在轉(zhuǎn)速達到標定轉(zhuǎn)速的80%以上時，才能達到最佳油耗；當主機功率下降27.1%時，燃油消耗量只減少19%；當主機功率下降48.8%時，燃油消耗量只減少36%［7］。也就是說，柴油發(fā)電機輸出功率的減少額和用油的減少不成線型比例。當柴油機輸出功率為額定功率的70%時，燃油效率只能達到標定值的90%左右；當柴油機輸出功率為額定功率的40%～60%左右時，燃油效率只能達到標定值的80%左右。下文分三種狀態(tài)計算兩種船型的油耗。

3.1.1.1 全速行進狀態(tài)

此狀態(tài)下非自航絞吸挖泥船隊拖輪主機輸出功率2×220 kW；拖輪船上用電2×64 kW、挖泥船船上用電64 kW，均由生活電站供電。自航絞吸挖泥船隊挖泥船發(fā)電機為自身螺旋槳提供動力需要功率300 kW，挖泥船船上用電加生活用電共150 kW，啟動雙臺發(fā)電機，并機運行，負荷率64%。

表1 非自航編隊油耗統(tǒng)計表

表2 自航編隊油耗統(tǒng)計表

非自航絞吸挖泥船隊每小時油耗為：

自航絞吸挖泥船隊每小時油耗為：

3.1.1.2 低速行進狀態(tài)

此狀態(tài)下非自航絞吸挖泥船隊拖輪2臺主機50%負荷，輸出功率為220 kW；拖輪船上用電2×64 kW，挖泥船生活用電64 kW，均由生活電站供電。自航絞吸挖泥船隊挖泥船發(fā)電機為螺旋槳提供動力輸出功率為150 kW，挖泥船上用電與生活用電共150 kW，啟動雙臺發(fā)電機，并機運行，負荷率41.7%。

非自航絞吸挖泥船隊每小時油耗為：

自航絞吸挖泥船隊每小時油耗為：

3.1.1.3 工作狀態(tài)

此狀態(tài)下，非自航和自航的錨艇工作情況、油耗基本相同，不再進行計算。非自航挖泥船絞刀功率300 kW，液壓系統(tǒng)功率120 kW，船上生活用電及其他用電150 kW，主發(fā)電機負荷81.4%，泥泵功率1 100 kW；拖輪啟動一臺停泊發(fā)電機組，功率64 kW。自航挖泥船絞刀功率300 kW，液壓系統(tǒng)功率120 kW，船上生活用電及其他用電150 kW，啟動兩臺主發(fā)電機，并機運行，負荷率79.2%，泥泵功率1 100 kW。

非自航絞吸挖泥每小時油耗為：

自航絞吸挖泥每小時油耗為：

不同工況下船舶油耗估算情況如表3所示。

表3 船隊總油耗

黑龍江流域冬季寒冷漫長，一年中各主要航道的結(jié)冰期可達半年左右，適合挖泥船工作的時間一般為5個月左右。黑龍江流域一年中有兩次汛期，一次春汛、一次夏汛，其中夏汛為主要汛期，集中在6～9月份，汛期總天數(shù)一般為45天左右。

本挖泥船主要針對黑龍江中游黑河至伯力（哈巴羅夫斯克）河段，整個航段內(nèi)有淺灘23處之多，航道狀況復雜。根據(jù)黑龍江航道局挖泥船的使用情況，挖泥船有十分之一的時間都處于調(diào)遣狀態(tài)，即每月平均調(diào)遣時間為3天。

據(jù)此估算挖泥船的有效施工時間如下：

式中：m為施工的月份數(shù)，每年5個月，每月按30天計；Th為洪水期天數(shù)，取年平均45天；Tw為修理時間天數(shù)，按每月需要1天計；Tq為調(diào)遣時間天數(shù)，按每月3天計。

挖泥船年有效施工時間為85天。

根據(jù)黑龍江流域挖泥船的人員配置，挖泥作業(yè)一般為兩班倒，每班每天作業(yè)時間為8小時；由于工作區(qū)域淺灘，急轉(zhuǎn)彎多，低航速狀態(tài)時間按航行時間的20%計算，則每年節(jié)省的油耗約合28 319 L，按照2014年1月份本地柴油報價7.08元/升，每年能節(jié)省資金20萬元。

3.1.2 人工費用

根據(jù)黑龍江航道局目前情況，一支非自航挖泥船隊共有34人（挖泥船16人，拖輪10人，2艘錨艇各4人）。據(jù)此推算自航挖泥船隊約為24人（挖泥船16人，2艘錨艇各4人）。非自航船隊拖輪中有船長1名，輪機長1名，普通船員8人。根據(jù)黑龍江地區(qū)的工資水平，一艘拖輪人均年薪為7.5萬元（包括工資、獎金、保險等所有費用）。根據(jù)職位不同實行階梯年薪，船長月均工資約為10 000元、輪機長月均工資約為8 000元、普通工人月均工資約為5 500元計算，則每年節(jié)省的人員費用74.40（萬元），即：

3.1.3 建造費用

自航絞吸挖泥船可以省去拖輪的建造資金，但是自航絞吸挖泥船的設備費、人工費、設計費等費用都會增加。本文在估算自航挖泥船的建造費用時，參考非自航挖泥船的建造成本進行估算，但就挖泥船本身來講，其建造和維護費用將比非自航挖泥船高20%左右。表4給出了2013可行性報告給出的非自航挖泥船隊的報價。

表4 非自航挖泥船隊建造投資費用表

根據(jù)表4，本文估算出自航挖泥船的建造成本，并在表5與非自航船隊進行比較。

表5 建造投資費用比較

3.1.4 維護費用

在挖泥船使用的過程中，要定時維護檢修，所需要的費用包括燃滑油料費、年均修理費、塢檢修理費（每3年一次）、特檢修理費（每6年一次）、施工中材物料費等費用。自航絞式吸挖泥船由于加裝了推進設備，故維護要求較高。具體數(shù)據(jù)見表6。

表6 單船維護費用表

3.1.5 綜合經(jīng)濟性評估

本文對船舶經(jīng)濟性評估的考量時間為18年，期間建造費用節(jié)省168.58萬元，維護費用增加203.4萬元，人工費用節(jié)省1 339.2萬元，燃油費用節(jié)省360萬元，綜合總計自航絞吸挖泥船節(jié)省費用1 664.38萬元。

3.2 其他性能評估

3.2.1 航道需求

在航道需求方面，非自航絞吸挖泥船以編隊形式行進，編隊航行水域受制于編隊中吃水最大的船舶。原編隊中吃水最大的為拖輪，達到1.35 m。而自航絞吸挖泥船設計吃水僅為1.15 m，其航行和作業(yè)水域更廣，適航性得到較大提高。

3.2.2 作業(yè)時長

在作業(yè)時長方面，自航絞吸挖泥船由于省去了拖輪，只要保障自身設備運行良好，就能夠較高效率的發(fā)揮自身的作業(yè)能力。在遭遇危險警報時，可及時駛離作業(yè)地點，并能夠及時恢復作業(yè)，減少了停工時間，提高了挖泥船的利用率和經(jīng)濟性。

3.2.3 環(huán)保性能

在環(huán)保性能方面，自航絞吸挖泥船的設計響應國家綠色造船、節(jié)能減排的方針政策，迎合了世界船舶業(yè)的發(fā)展潮流。近年來國際海事組織對船舶的排放方面做出了越來越嚴格的規(guī)定，加上石油資源日益枯竭，船舶環(huán)保性顯得尤為重要。傳統(tǒng)的推進方式中，柴油機要時刻維持運轉(zhuǎn)提供動力，在低載荷的情況下十分浪費。而電力推進系統(tǒng)可以根據(jù)船舶實際需要選擇啟動的發(fā)電機組，合理分配電力，節(jié)省了大量能源，減少了廢氣排放。自航式絞吸挖泥船由于采用全電力推進系統(tǒng)，省去了柴油機與軸系的連接機構(gòu)，降低噪聲污染、改善了船員工作環(huán)境。

4 結(jié) 論

中小型自航絞吸挖泥船靈活性較高：

（1）由于不再需要拖輪的協(xié)助，作業(yè)船舶的數(shù)量減少，獨立完成作業(yè)任務的能力得到加強。

（2）作業(yè)時更加機動靈活，能夠較快的到達作業(yè)水域，縮短出工時間，增加作業(yè)時長和作業(yè)量。

（3）在遇到狀況時，能夠靈活撤回或返航，減輕危險情況對于船舶作業(yè)的影響。

（4）獨立性更高，不需要拖輪協(xié)助對于航行水域的要求降低，水域更廣、適用范圍擴大。

電力推進中小型自航絞吸挖泥船經(jīng)濟性較好：

（1）采用電力推進系統(tǒng)，船舶的油耗大大降低。全速航行狀態(tài)下油耗可以降低13.88%，低速航行狀態(tài)下降低21.97%，工作狀態(tài)下降低3.66%，更為經(jīng)濟環(huán)保。

（2）船隊總體造價和維護費用有所降低。雖然單項來看自航絞吸挖泥船比非自航絞吸挖泥船造價高出20%，但是由于省去了拖輪的建造費用，船隊整體造價卻比原來低2.23%。另外每年還可節(jié)省74.40萬元的船員人工費用，經(jīng)濟性有所改善。

5 應注意的問題

在論證電力推進中小型自航挖泥船經(jīng)濟性時應注意以下問題。

（1）在進行電力推進設計時應充分考慮設計對象的功率分配問題。電力推進的優(yōu)勢在于能夠整合船舶使用功率，合理選擇發(fā)電機組的運行臺數(shù)，使發(fā)電機組的輸出功率與額定功率之差盡可能小，從而保證動力裝置單位輸出功率的油耗維持在最佳值附近。如果不能保證此種情況，則電力推進相對于常規(guī)推進方式就未必具有優(yōu)勢。

（2）自航挖泥船相對于非自航挖泥船是否具有經(jīng)濟優(yōu)勢取決于很多因素，其中很重要的一點就是其調(diào)動是否頻繁。不少中小型絞吸挖泥船頻繁調(diào)動的情況并不經(jīng)常出現(xiàn)，因此盲目的將非自航挖泥船改為自航挖泥船有很大風險。而本文論證的對象主要用途在于疏通黑龍江流域的航道，因為其工作區(qū)域廣闊且任務量相對較重，因此需要頻繁調(diào)動。這就為本船的設計提供了有利的前提條件。

（3）在未來的研究中，中小型自航絞吸挖泥船作為內(nèi)河淺吃水肥大型船舶，在設計中除了要盡可能減少初始投資、提高船舶性能和挖泥作業(yè)能力，還要在設計時充分考慮淺水效應的影響，保證船舶的快速性要求。

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