對存量船舶節(jié)能途徑的探索

陳林

提要：針對存量船舶，船長及經(jīng)營管理人員，在滿足主機基本工況良好、保證航行安全的前提下，可從改變船舶的吃水狀態(tài)、優(yōu)化航線設(shè)計，選擇最佳航速等各項措施，達(dá)到降低船舶營運的變動成本的目的。

關(guān)鍵詞：動態(tài)吃水差 最佳航速 優(yōu)化電力 利用潮汐

就目前的營運船舶而言，由于主機輔機造價昂貴，改造或更換動力系統(tǒng)是不可能的?？尚械膶Σ呤牵横槍Ω髯缘臋C械特性和目前的運輸情景，通過提高管理水平，使能源利用效率最大化，節(jié)約燃料成本。從長遠(yuǎn)的角度來考慮，針對我國沿海內(nèi)貿(mào)運輸?shù)拇埃Ｊ轮鞴懿块T將來也會提出船舶能效的要求，以達(dá)到在環(huán)保方面減少碳排放、減少有害氣體排放的目的;國際航線的船舶，達(dá)到和滿足IMO關(guān)于 SEEMP（船舶能效管理計劃）和EEDI（船舶能效設(shè)計指數(shù)）的強制規(guī)定的要求。提倡和實踐綠色航運。

為實施船舶節(jié)能，能效利用函數(shù)f（x），變量n是“主機、輔機、航行態(tài)勢、海況、吃水差”等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。其能效用數(shù)學(xué)基本原理來表達(dá)， Σ41 ? ，對節(jié)能的4項基本變量的建議如下：

1 船體和吃水因數(shù)：優(yōu)化動態(tài)吃水，減少船體阻力

船長所能理解和掌握的是靜態(tài)吃水差。為便于船員操作，在裝卸港的吃水要求不受限的前提下。建議靜態(tài)吃水差為0.5～0.7米左右。

但在航行狀態(tài)下，不同船體、不同船舶在不同航速下，前后的下沉量是有區(qū)別的，建議取在經(jīng)濟(jì)航速的條件下動態(tài)吃水差也為0.5米（靜態(tài)吃水差≠動態(tài)吃水差）為宜。

值得提醒的是，建議的0.5米的動態(tài)吃水差，并不是實際航行中的最佳吃水差。各輪可通過（多個航次）實際對比，建議通過調(diào)整吃水差，優(yōu)化能效節(jié)約潛力。

2 動態(tài)阻力因數(shù)：采用最佳航速，獲取長效經(jīng)濟(jì)

從成本的“數(shù)學(xué)模型”中獲得的經(jīng)濟(jì)航速與主機能效曲線的特性，在不趕船期的情況下可以優(yōu)選船舶的最佳航速。

最佳航速通常不是最經(jīng)濟(jì)的航速，最佳航速除了考慮到成本以外，還得考慮到船舶主機的特性（能使主機長時間滿足工況要求的轉(zhuǎn)速）及航海實踐（船舶操縱與避讓的基本要求以及船員心理）。本文以華遠(yuǎn)星海運有限公司的華遠(yuǎn)星輪的參數(shù)，建立起來的總成本模型求取最佳航速。

2.1 船舶航行時的基本參數(shù)

航行距離980海里（天津港—可門港）;額定航速13節(jié);油耗32噸/天;副機用柴油2.5噸/天;鍋爐用柴油2.5噸/天，航行時不用燃油鍋爐;船員工資、船舶折舊、修理及備件物料費用、財務(wù)費用等的固定成本為9萬元/天;重油價格0.48萬元/噸;柴油價格0.8萬元/噸。

2.2 船舶營運成本的構(gòu)成

營運成本=固定成本Cf ?+ 變動成本Co

固定成本=船員工資+修理+物料備件+保險+折舊+融資成本。

變動成本=燃油費用+港口使費

2，3 航行時間段的固定成本Cf ?（包含不變的發(fā)電機燃油費用）

固定成本Cf 的計算公式：

Cf =2（）

2.4 在額定航速下的航次總成本Ct

Ct = Cf ?+ Co

Cf =2（）= 69.1萬元

Co = 2（）=96.5萬元

額定航速下的總成本為：Ct = Cf ?+ Co =165.6萬元

兩港間航行時間為3.14天。

2.5 求最低營運的成本

Ct = Cf （固定） ?+ Co （燃油）-Cb（因延時少用鍋爐成本）

其中的Co主要是主機使用燃油的成本，國內(nèi)權(quán)威性教科書的觀點是：主機耗油量與航速的3次方成正比。即： Q = a V3

船舶的總成本與航速直接的關(guān)系曲線為：

Ct

0 ? ? ? ?Vd ? ? ? ?V

2.6 求總成本Ct 的最小值，即一階導(dǎo)數(shù)為零時的速度值Vd

Ct = Cf （固定） + Co -Cb（鍋爐燃油費用）

= 2（）+ 2（）

-2（）

Q = a V3

a =0.01456 （ 從Q=32噸/天，V=13節(jié)中求出）

把Q和a 帶入Ct的公式中

Ct= 2 3 -2

Ct=2 -

Ct的導(dǎo)數(shù)為：

-

+

經(jīng)整理得：

= - 9×

Vd=

此航速為最經(jīng)濟(jì)航速，但沒有考慮到主機的特性。在航速為8.62節(jié)的情況下，燃油燃燒的效率將會降低、主機的排煙溫度將會增高，長期使用最經(jīng)濟(jì)航速，會給主機的維護(hù)帶來不利，因此最經(jīng)濟(jì)航速還不是最佳盈利航速。

3 主機特性

通常當(dāng)主機在額定轉(zhuǎn)速的情況下，燃油燃燒的工況最好。但當(dāng)轉(zhuǎn)速低于或高于此額定轉(zhuǎn)速，燃燒工況都會減低，主機會出現(xiàn)爆炸壓力降低和排煙溫度增高的不利因素。主機在額定轉(zhuǎn)速Re的情況下，主機能效N達(dá)到最大值M。則不同轉(zhuǎn)速條件下的能效曲線圖如下：

N

M

0 ? ? ? ? ? ?Re ? ? ? ? ? ? ? ?R

從上述的主機能效曲線圖可以看出，當(dāng)船舶降速航行時，能效隨著主機的轉(zhuǎn)速下降而跟著下降。假設(shè)航速每下降1節(jié)，效能也跟隨下降1%時，航速下降2節(jié)，效能也跟隨下降2%時可以得出如下：航行時間段內(nèi)（重載和空載的航行時間的和）的總成本一覽表。endprint

“華遠(yuǎn)星”輪不同航速情況下的單航次成本 一覽表

航速 航行天數(shù) 理論主機耗油/燃效比=實際主機耗油量（單位：噸） 輔機耗柴油量

14 5.83 （39.95/0.995.83=235.26 14.58

13 6.2 （32/1.00）6.28=201.0 15.70

12 6.81 （26.16/0.99）6.81=173.07 17.03

11 7.42 （19.38/0.98）7.42=143.80 18.55

10 8.17 （14.56/0.97）8.17=122.63 20.43

9 9.07 （10.61/0.96）9.07=100.20 22.67

8.62 9.47 （9.326/0.956）9.47=92.38 23.68

8 10.2 （7.45/0.94）10.21=80.97 25.53

燃料成本

（萬元） 鍋爐成本（萬元） 固定成本（萬元） 總成本

（萬元）

124.58 0.9 53 178.48

109.05 0 56.54 165.56

96.63 -1.06 62.29 156.86

83.86 -2.28 66.78 148.36

75.20 -3.78 73.53 144.95

66.20 -5.58 81.63 142.20

63.50 -6.38 85.23 142.07

59.29 -7.86 91.89 143.34

當(dāng)主機在額定轉(zhuǎn)速和航速的情況下，燃油燃燒發(fā)出的功率最大，工況最好。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于或高于此額定轉(zhuǎn)速，燃燒功率都會減低，會出現(xiàn)爆炸壓力降低和排煙溫度增高的不利因素。

主機在額定轉(zhuǎn)速Re（或航速）的情況下，主機能效N達(dá)到最大值M。則不同轉(zhuǎn)速條件下的能效曲線圖如下：

N

M

0 ? ? ? ? ? ?Re ? ? ? ? ? ? ? ?R

從上述的主機能效曲線圖可以看出，當(dāng)船舶降速航行時，能效隨著主機的轉(zhuǎn)速下降而跟著下降。建立最佳航速的計劃，并可以根據(jù)最新的情況進(jìn)行動態(tài)的航速管理，使航行成本在給定的航線下降至最低。

最盈利航速，需經(jīng)實踐去進(jìn)一步的認(rèn)證。通常情況下，主機的正常工作范圍較為寬廣，從最低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速到額定的轉(zhuǎn)速都可以工作。但也有部分資深機務(wù)管理人員持懷疑態(tài)度。上述的最盈利航速，需要經(jīng)過實踐去進(jìn)一步的論證。不贊成用最經(jīng)濟(jì)航速達(dá)到短期內(nèi)的成本最小化。故提出最盈利航速的概念，意義在于長期穩(wěn)定。從航海實踐來看，航速達(dá)10節(jié)時，是安全可行的。

4 輔機耗能因數(shù)

原則：優(yōu)化電力的生產(chǎn)和使用，提高余熱利用。

通常情況下，船用發(fā)電機是根據(jù)負(fù)荷的大小來自動地調(diào)節(jié)供油量的大小。適時關(guān)閉不必要的用電負(fù)荷，啟動余熱利用設(shè)備來降低燃油的消耗，實時監(jiān)控和分析電力消費，減少不必要的電力生產(chǎn)，提高輔助動力設(shè)備的能效，減少設(shè)備維護(hù)成本。如果單船所配備的輔機有大小之分，應(yīng)選擇與實際所需要的負(fù)荷相配備的輔機。

余熱利用的項目很多，如輔機的出口冷卻水的余熱利用等。當(dāng)船舶處在錨泊狀態(tài)時，減少或停用燃油鍋爐的利用，每天能夠減少1噸燃油。輔機燃油日用柜的燃油溫度可以通過電加熱的途徑得到有效的保證。冬季北方港口拋錨時，華遠(yuǎn)星輪鍋爐的燃油消耗在0.3噸/天。

5 潮汐的合理利用

原則①：優(yōu)化航線，適當(dāng)選擇順流航行。

在中國沿海，不同的海區(qū)、不同的季節(jié)，潮汐是按照一定的規(guī)律變化的。在周圍通航環(huán)境許可的前提下，要充分利用海流。如每年的7月黃海，以122°經(jīng)線為界，經(jīng)線西部，潮流是向南的;而123°經(jīng)線以東，潮流向東北。船舶移動的總流向，基本是和通航分隔帶相一致。因此當(dāng)船舶南下時，為避開偏頂流，不應(yīng)在123°經(jīng)線以東航行。

原則②：水流區(qū)，順流宜慢車，逆流應(yīng)快車。

對地航速 VE ， 水流速度VW ， 船舶對水速度VS. 航跡線與水流的夾角為α，它們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

VE =VS + VW cos

沿海的水流速度通常在1～2節(jié)左右。船舶的最佳盈利航速通常在9～11節(jié)左右。考慮到船舶操縱的安全性，在不違規(guī)的前提下，建議順流航行時，用9節(jié)的對水航速，逆流航行時用11節(jié)的對水航速。

當(dāng)獲取了上述4項的船舶的基本運行變量差數(shù)后，由船長進(jìn)行優(yōu)化組合，同時公司管理部門監(jiān)控航行能效，達(dá)到提高能效目的。

6 結(jié)束語

記住2個參考數(shù)據(jù)：0.5米吃水差;10節(jié)航速。

遵守2個參考法則：優(yōu)化電力;利用潮流。endprint