基于能效管理的船舶航速系統(tǒng)優(yōu)化設計

蘇 一， 張倩墨

（中海網(wǎng)絡科技股份有限公司，上海200135）

0 引 言

船舶的速度性能是營運船舶的重要技術性能之一，船舶航行速度對船舶的航行安全、企業(yè)的營運效益以及節(jié)能降耗有著重大的影響。近年來，隨著國際油價不斷攀升，燃油成本已成為船舶運輸成本中最大的一項。在目前航運業(yè)市場低迷、運力過剩的境況下，控制成本是航運企業(yè)提高經(jīng)濟效益的必然選擇。為船舶制訂經(jīng)濟航速航行方案，獲得最佳綜合經(jīng)營效益，是航運企業(yè)急需解決的重要課題。

在此，介紹一種基于能效管理的船舶航速優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以計算船舶經(jīng)濟航速與船舶單位距離最低油耗航速，檢測當前主機轉(zhuǎn)速，并控制主機，使其運行于最準確的節(jié)能轉(zhuǎn)速下。通過對現(xiàn)有的船舶進行微小改進，達到了節(jié)能降耗的目的。

1 現(xiàn)有船舶航速優(yōu)化節(jié)能方法概述

現(xiàn)有船舶主要從運行中的船舶主機、船機槳、球鼻艏、船舶阻力、營運情況等方面進行營運航速的優(yōu)化，從而達到節(jié)能的效果。

1.1 船舶主機及系統(tǒng)對航速優(yōu)化節(jié)能的影響

船舶航行時，為其提供能量的主要設備是推進裝置、發(fā)電裝置和供氣裝置，這些裝置也是船舶耗能的主要來源。以柴油機船為例，直接耗用燃料的設備是柴油主機、發(fā)電柴油機和輔助鍋爐。其中，主機所消耗的能量占總輸入能量的70%～90%。

現(xiàn)行的降低主機燃油消耗的措施主要包括兩方面。

1）通過減少主機燃油消耗轉(zhuǎn)換從而降低燃料消耗率。

2）減少船舶所需的推進功率和營運功率等。例如采用經(jīng)濟航速和減速航速，在航行時利用風力、潮流縮短航行時間和降低主機功率，確定合理的航線和航速等。

結合船公司的實踐證明，采用“2）”中的措施可以有效地降低主機的燃料消耗量，提高船舶的營運效益。

1.2 船體對航速優(yōu)化節(jié)能的影響

除了對船上主機等機械設備進行優(yōu)化外，對船體進行改進也是提高船舶營運效益的一個重要方面。比如從船體線型入手，通過改進球鼻艏減小船舶拖拽阻力。在目前燃油成本居高不下、慢速航行的大趨勢下，部分船公司（如馬士基和現(xiàn)代商船）已于2013年縮小了旗下船舶球鼻艏的尺寸，從而減小了興波阻力，降低了航次的燃油成本（預估可綜合節(jié)約燃油成本約4%～6%）。另外，可以在螺旋槳外圍或前面安裝導流管、采用優(yōu)質(zhì)船體涂料，這些方式都可以顯著減小船體表面摩擦阻力，從而降低主機消耗的功率，最終實現(xiàn)節(jié)能。

1.3 運行管理對航速優(yōu)化節(jié)能的影響

在船舶運行中，機械設備的具體操作使用與日常管理對船舶節(jié)能也有著重要的影響。通過分析船舶氣象導航，利用風力和潮流，縮短航行時間和降低主機功率，達到節(jié)省燃料的效果。結合歷史航線的數(shù)據(jù)，歸納出航速與所遭遇風浪的關系，得出船舶失速曲線，對其進行擬合與預測，從而優(yōu)化航線。提高船員的綜合水平，制定節(jié)能制度，提高船員和管理人員的節(jié)能意識。

2 船舶營運航速優(yōu)化模型設計

基于能效管理的船舶航速優(yōu)化模型設計思路主要是通過船舶營運的參數(shù)計算得出船舶按照單位距離油耗最低時的航速和船舶營運成本最低時的航速。由于最低營運費用航速是以最低成本為導向的，最低單位距離油耗航速是以燃油油耗最優(yōu)為導向的，而一個航次要綜合考慮航次利潤、船舶準班率等綜合動態(tài)，因此需要結合航線航次歷史數(shù)據(jù)，比較與修正航速，指導船舶在這兩個航速間進行航行，從而達到節(jié)能效果。

在分析船舶單位距離油耗最低時的航速時，主要根據(jù)船舶運行數(shù)據(jù)（如機艙監(jiān)測數(shù)據(jù)、主機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，液位，GPS、AIS等），對典型運輸船進行不同裝載狀態(tài)（滿載、壓載）、不同吃水差、不同航速條件下的模型試驗；根據(jù)船舶所在位置確定與目的港的距離和航行時間，通過與同航線其他航次的歷史信息進行對比不斷修正，得出最低單位距離油耗航速。

在最低營運費用航速的模型設計中，主要考慮船舶營運的經(jīng)濟成本，包括船舶固定費用、變動費用以及航次收入等費用，并結合主機功率等信息，計算其經(jīng)濟航速。

2.1 船舶單位距離最低油耗航速

船舶主機單位時間的有效功率為：

主機單位時間的耗油量

主機單位距離的耗油

船舶在航行過程中，船舶航速與主機轉(zhuǎn)速的關系為

式（1）～式（4）中：［CTS］A為船舶實際總的阻力系數(shù)；w為伴流分數(shù)；J為實槳進速系數(shù)。

式（5）中：ηS為軸系傳送效率；ρ為水密度；S為船體浸濕表面積，這些參數(shù)在船舶航速改變前后幾乎不變，可以視為常數(shù)。

由式（6）可知，船舶在航行過程中主機單位距離油耗量與船舶推進效率、耗油率以及螺旋槳進速系數(shù)、實船阻力系數(shù)有關。

在船舶柴油機ge—n特性曲線上取9個點，設船舶主機最高額定轉(zhuǎn)速為Ne，可以得到主機各轉(zhuǎn)速對應的耗油率。根據(jù)公式（6）計算得到主機在各個轉(zhuǎn)速下對應的單位距離耗油量和航速。

根據(jù)船舶實船性能曲線可以讀出船舶在不同航速下的J值，結合船舶航速變化前后伴流分數(shù)和船舶阻力系數(shù)的變化，可以計算出：

由此可以得出結論：在船舶降速航行過程中，船舶主機單位距離油耗量隨航速的降低而減少，并出現(xiàn)一個最小值。如果主機轉(zhuǎn)速低于最低單位距離油耗對應的主機轉(zhuǎn)速，此時降低航速，主機單位距離油耗量會增大。

在上述分析過程中，船舶最低單位距離油耗航速V指的是船舶與水的相對航速，而船舶最低單位距離油耗對應的相對于地面的航速應當是V1＝V＋U。U為水流速度，逆水航行時取“－”，順水航行時取“＋”。

事實上，當船舶主機轉(zhuǎn)速低于低限功率轉(zhuǎn)速時，降低主機轉(zhuǎn)速會引起主機單位距離油耗量增大。

主機低限功率

式（7）中：m為減功度；MCR為主機最大連續(xù)功率。

減速航行時，主機工況調(diào)整后的m值與不調(diào)整主機工況時的m值是不同的。m的具體數(shù)值要視每條船舶的主機性能，從實踐中確定。如以符號Vm表示主機在低限功率時的航速（相對水），則

式（8）中：V0為不減功時的船舶航速；Ne0為不減功時的主機功率。

2.2 最低營運費用航速

船舶最低營運費用航速是指在某一航次內(nèi)船舶營運費用最低時的航速；船舶的營運費用是該航次內(nèi)的燃油費用與其它費用的合計。

船舶航行時，每天的航行費用可以表示為

式（9）中：Cjm為每－天航行總費用；f為船舶固定費用，船舶每天分攤的利息、折舊費、保險費、管理費、船員工資、維護費（與航速無關）、潤滑油費、發(fā)電機用燃油費、全船的加熱采暖空調(diào)費等統(tǒng)稱為固定費用，與航速之間并無直接關系，單位為人民幣（或美元）；k為船舶功能系數(shù)，與船舶性能（螺旋槳、吃水、船體線型、航行狀態(tài)等）、主發(fā)動機和推進裝置型式以及燃油品種、價格等因素有關，k值一般是由實船在一定的水域進行實驗、測量某些數(shù)據(jù)，然后通過計算得到的。簡單地，一般根據(jù)下列算式確定。

式（10）中：U 為燃料價格，元／t；ge為主機有效耗油率，g／（k W·h）；Ne為主機有效功率，k W；V 為船舶凈水速度，k m／h。

船舶在一定的航速范圍內(nèi)航行時，其主機的燃油消耗量與船舶的推進功率成正比，因此船舶燃料的推進費用可以表示為k V3。

設船舶航行每海里的營運費用為Cn，則

式（11）中：U為水流速度，k m／h。船舶順水航行時取“＋”值，逆水航行時取“—”值。

如果不計船舶每天的固定費用，即f＝0，則Cn表示為航行時主機每公里燃料消耗費，即

如果船舶每天固定費用只包括發(fā)電機燃料消耗費，而不包括船舶折舊、修理提成、工資獎金津貼等費用，那么式（12）就成為船舶航行時每公里總的燃料消耗費用計算公式。

通過對式（12）求導，并令其等于零，就能得到船舶在航行過程中每公里費用最低時的航速，即

由式（13）化簡得：2k V3＋3UV2－f＝0。

方程有一個實根和兩個虛根，其實根為：

如果船舶按照該航速航行，那么其每公里航行費用最低或每公里總?cè)剂腺M用最省。此時，該航速就稱為最佳航速，用Vopt表示。與最佳航速相對應的最佳航速費用以Cn（opt）表示。

若U＝0，則式（6）為

這就是船舶在靜水中的最佳航速，也稱它為經(jīng)濟航速。

代入式（11），可求得每公里航行最低費用

由上述數(shù)學模型可知，在某段時期內(nèi)，當運力相對過剩時，對船舶快速性要求不高，這時明顯降低航速不會因為固定費用增加而對船舶營運的經(jīng)濟性造成較大影響。對于這種情況，可以使營運船舶在滿足航次時間要求的前提下，按照最低單位距離油耗航速和最低營運費用航速進行航行，以達到降低航次成本和提高經(jīng)濟效益的目的。

3 船舶航速優(yōu)化系統(tǒng)設計

船舶航速優(yōu)化系統(tǒng)的設計思路是經(jīng)過計算分析船舶營運航速優(yōu)化模型，得出船舶營運的最優(yōu)航速對應的主機轉(zhuǎn)速，通過船舶航速優(yōu)化系統(tǒng)控制主機轉(zhuǎn)速，使其與該航速在航行中同步。同時，在系統(tǒng)中增加知識庫的歷史記錄與分析功能，即在每個航次結束后，記錄整個航次的航線、航向、航速及每段航線的天氣、水文信息，對船舶營運航速的模型進行不斷的優(yōu)化調(diào)整，并進行比對分析，為船長及船岸操作提供決策支持。

另外，設計通過輸入／輸出接口模塊，對基于能效管理的船舶航速系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換進行標準化處理及轉(zhuǎn)換，依據(jù)參照系統(tǒng)及接口規(guī)范對數(shù)據(jù)進行分類及標準化處理，使系統(tǒng)按照標準化接口進行互聯(lián)。

系統(tǒng)總體結構見圖1，主要由船舶監(jiān)控、經(jīng)濟航速效益、船舶綜合性能、水文天氣研究等構成。

基于能效管理的船舶航速優(yōu)化系統(tǒng)功能模塊主要有：船舶監(jiān)測管理、經(jīng)濟航速效益管理、船舶綜合性能管理、能耗數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)管理（見圖2）。

圖1 基于能效管理的船舶航速優(yōu)化系統(tǒng)設計結構圖

圖2 基于能效管理的船舶航速優(yōu)化系統(tǒng)功能模塊

3.1 船舶監(jiān)控管理

船舶監(jiān)控管理模塊主要負責根據(jù)系統(tǒng)經(jīng)濟航速效益模塊中的歷史數(shù)據(jù)，確定主機轉(zhuǎn)速范圍；接收航區(qū)及航期指令，由其計算分析得出的最慢航速確定主機最低轉(zhuǎn)速，并結合船舶設定的主機轉(zhuǎn)速范圍，確定船舶航行時的主機轉(zhuǎn)速范圍。

綜合主機系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)監(jiān)測航速。當主機穩(wěn)定運行于最低油耗轉(zhuǎn)速以后，接收船舶航速信號，并判斷航速變化是否超過設定值。如果超過設定值，啟動航速修正模式；如果沒有超過設定值，則繼續(xù)接收船舶航速并判斷。

同時，進行數(shù)據(jù)的收集（如機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)、GPS或AIS等）工作，并將收集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理，存儲至數(shù)據(jù)庫中（見圖3）。

圖3 船舶監(jiān)控管理示意圖

3.2 經(jīng)濟航速效益管理

自動更新歷史數(shù)據(jù)庫中該航線的歷史信息，錄入船舶航線收入、利潤、費用等綜合信息，計算船舶經(jīng)濟航速及主機最低油耗功率。船舶主機由已確定的主機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最低轉(zhuǎn)速開始運行，經(jīng)過設定的單位時間，接收船舶航速信號和油耗信號，由船舶的航速以及油耗量計算出單位距離油耗量，并記錄該單位距離油耗量對應的主機轉(zhuǎn)速及航速。系統(tǒng)錄入存儲航次的航行記錄，具體航次成本、利潤、航建、能耗等信息見圖4。

圖4 經(jīng)濟航速效益管理示意圖

3.3 能耗數(shù)據(jù)分析

通過此模塊，將實際已發(fā)生航次的結果與按照經(jīng)濟航速計算出來的理論結果進行對比：

（1）可以直觀地看出經(jīng)濟航速條件下的所獲得的最優(yōu)利潤、燃油成本等信息，對實際航行起到有效的指導；

（2）可以發(fā)現(xiàn)計算模型中存在的問題，從而對計算模型的參數(shù)因子進行調(diào)整，實現(xiàn)模型的調(diào)優(yōu)。

某船舶能耗數(shù)據(jù)分析展示示例見圖5。

圖5 能耗數(shù)據(jù)分析示意圖

3.4 船舶綜合性能管理

記錄船舶的船型、航線水文、天氣等信息狀況，以供系統(tǒng)今后進行模型優(yōu)化、分析和積累數(shù)據(jù)。

3.5 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理模塊主要針對系統(tǒng)基礎信息（包括權限、人員、接口、基礎信息）的管理而設計。

4 結 語

介紹了一種船舶最低單位距離油耗航速和船舶最低營運成本航速系統(tǒng)的設計，該控制系統(tǒng)可以通過實時、實地進行航行檢測的方式，找到最準確的主機節(jié)能轉(zhuǎn)速，并控制主機運行于該轉(zhuǎn)速下，從而在對現(xiàn)有的船舶進行微小改進的基礎上，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。該系統(tǒng)已經(jīng)在國內(nèi)某大型航運企業(yè)下屬分公司試用，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果表明，優(yōu)化后的航速對于靈便型和巴拿馬型散貨船舶運輸而言，平均每個航次基本可以節(jié)約10萬的燃油成本，平均每日的燃油總能耗可下降11.82 kg，一年燃油成本較原來可下降約10%～15%，節(jié)油效果十分顯著。

對船舶經(jīng)濟航速系統(tǒng)的研究尚處于初級階段 ，為了使控制系統(tǒng)更加智能化，還應在以下方面繼續(xù)努力：

（1）將油耗對應的主機轉(zhuǎn)速以及氣象信息（如水流、風向風速等）加入到船舶航速優(yōu)化模型中，通過對以上數(shù)據(jù)進行分析計算，得出船舶的經(jīng)濟航速；

（2）對系統(tǒng)和船舶航行中的航速進行實時、動態(tài)的優(yōu)化，可以及時根據(jù)船舶航速進行動態(tài)調(diào)整與反饋，增加系統(tǒng)反饋效率。

［1］ 任文江，施潤華.船舶動力裝置節(jié)能［M］.上海：上海交通大學出版社，1988.

［2］ 盛振邦，劉應中.船舶原理［M］.上海：上海交通大學出版社，2003.

［3］ 王月萍.使用經(jīng)濟航速節(jié)約能源減速航行技術研究［J］.山東交通科技，1987（3）：9－16.

［4］ 陳杰.淺議主機減速運行管理［J］.中國水運：學術版，2007，7（4）：23－24.

［5］ 黃邵竹.船舶柴油機［M］.北京：人民交通出版社，1989.

［6］ 毛衛(wèi)斌.關于船舶運行期間燃油成本的研究［D］.大連：大連海事大學，2001.

［7］ 張署.船舶營運航速的優(yōu)化分析［D］.上海：上海海事大學，2004.

［8］ 楊淑英.經(jīng)濟航速估算［J］.天津航海，1998（2）：9－12.

［9］ 高緒龍，王云煌，王建平.船舶最佳經(jīng)濟航速的論證與選擇［C］.中國航海學會海洋船舶駕駛專業(yè)委員會海浪與船舶航行安全及防抗臺風經(jīng)驗研討會論文集.北京：人民交通出版社，1998：26－31.

［10］ 徐天芳.船舶經(jīng)濟航速的計算［J］.世界海運，1995（1）：23.