某化學(xué)品/油船航線性能分析

馬衛(wèi)星， 謝鳳偉， 李傳慶， 董國祥， 陳偉民

(上海船舶運輸科學(xué)研究所 航運技術(shù)與國家安全重點實驗室，上海 200135)

某化學(xué)品/油船航線性能分析

馬衛(wèi)星， 謝鳳偉， 李傳慶， 董國祥， 陳偉民

(上海船舶運輸科學(xué)研究所 航運技術(shù)與國家安全重點實驗室，上海 200135)

新船型開發(fā)和船型優(yōu)化是船舶工業(yè)永恒的主題，目前已由傳統(tǒng)的只針對靜水性能發(fā)展到計入海況的影響。因此，基于靜水和波浪條件下的船模試驗結(jié)果，考慮海況影響，對船舶航線性能進(jìn)行分析，既是船舶性能評估的重要組成部分，同時也是船舶線型優(yōu)化效果檢驗的重要手段，可為船舶所有人和班輪公司呈現(xiàn)出最直觀的線型優(yōu)化效果。以某化學(xué)品/油船的原型和改型方案為例，按照上述方法計算分析二者在靜水中和目標(biāo)航線上的耗油量，結(jié)果表明改型結(jié)果較為理想。

水路運輸； 典型航線； 模型試驗； 船舶性能； 船型優(yōu)化

Abstract: The major concern during development of new ship type and ship form optimization is shifting from the static water performance to that in real sea conditions for it is the latter reflects the actual operational energy consumption. An straightforward way is to perform the model tests both in static water and with waves, and determine the influence of sea conditions. This is convenient for evaluating a ship design and judging the effect of hull form optimization, and is also a good way of presentation for owners and liner companies to understand the advantage of a hull form. With the above method, the amounts of oil consumption of the prototype and the modification of a chemical/oil tanker on the typical routes are calculated, which proves that the performance of the modification is noticebally improved.

Keywords: waterway transportation; typical course; model tests; ship performance; hull form optimization

船舶在航行期間通常會受到風(fēng)浪影響，海上風(fēng)浪環(huán)境是影響船舶營運效能的最主要的外界因素。鑒于船舶在風(fēng)浪中的航行性能更能真實地反映船舶的營運效能，隨著國際航運節(jié)能減排工程不斷深入，國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)在有關(guān)船舶能效評估的總體理念中要求航運界和造船界必須重視船舶在實際海況下的安全和能耗。因此，針對船舶航行過程中實際可能遇到的風(fēng)浪環(huán)境進(jìn)行船型和推進(jìn)性能優(yōu)化，將成為提高船舶能源利用效率、減少船舶實際能耗的重要技術(shù)途徑，也將是造船業(yè)開發(fā)綠色船型的重要導(dǎo)向，同時對提高船舶遠(yuǎn)洋航行的安全性具有重要意義。[1-3]

這里以某化學(xué)品/油船的原型和改型方案為研究對象，在靜水和波浪中的船模水池試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過計算求出2種方案在目標(biāo)航線上的耗油量，并進(jìn)行分析和比較，以此作為船型優(yōu)劣評判標(biāo)準(zhǔn)，為船舶所有人和班輪公司呈現(xiàn)最直觀的線型優(yōu)化效果。[4]

1 評估方法

首先得到基于模型試驗的實船靜水快速性預(yù)報和風(fēng)浪中功率航速預(yù)報；然后假設(shè)船舶航行于某條實際航線；最后根據(jù)航行時間和功率等參數(shù)得出油耗。具體方法如下。

假設(shè)原型船以一定航速VB在靜水中航行，對應(yīng)主機(jī)功率為PS，其在波浪中航行時主機(jī)功率保持PS不變；改型船同樣在主機(jī)功率PS下航行，對應(yīng)靜水中的航速為VV，波浪中仍保持主機(jī)功率PS不變。

假設(shè)船舶在靜水中航行的時間為t，主機(jī)功率始終保持P，對應(yīng)油耗率為SFOC，則該船耗油量f為

f=10-6SFOCPt

(1)

風(fēng)浪中的油耗計算較為復(fù)雜，主要是因為海況復(fù)雜多變。對此，作以下簡化：對整條航線進(jìn)行航段劃分；各個航段的海況用長期統(tǒng)計資料來描述。

假設(shè)船舶保持一定的主機(jī)功率P在某航段上航行，對應(yīng)的油耗率為SFOC，該航段的長度為L，對應(yīng)靜水中的航速為V。該航速可根據(jù)該航段的海況統(tǒng)計資料并結(jié)合風(fēng)浪中的功率航速預(yù)報求得：該航段的海況統(tǒng)計資料已知，即對應(yīng)一個有義波高Hi和一個平均跨零周期Tj出現(xiàn)的概率為ηij，根據(jù)功率點P插值出Vwij，并將ηij作為加權(quán)系數(shù)，則通過該航段需要的時間tij為

tij=L/Vwij

(2)

該航段、該海況下的耗油量fij為

fij=10-6SFOCPtij

(3)

將ηij作為加權(quán)系數(shù)，則該航段的耗油量f為

f=10-6SFOCP∑ηijtij

(4)

船舶經(jīng)過該航段的加權(quán)時間t為

t=∑ηijtij

(5)

計算波浪中的油耗時，需要用到波浪中的有效功率曲線，方法[5]如下。

(6)

不規(guī)則波中實船所受的總阻力為

(7)

實船螺旋槳的推力TS為

TS=RS/(1-t)

(8)

式(8)中：t為推力減額，可采用船模在靜水中的推力減額。

結(jié)合敞水試驗進(jìn)行考慮波浪效應(yīng)的自航因子分析。由實船螺旋槳的推力TS得到KT/J2的值為

(9)

式(9)中：VS為實船航速；wS為實船伴流份數(shù)；DPS為實槳直徑。由靜水自航試驗得到靜水中伴流份數(shù)w，進(jìn)而修正到實船在靜水中的伴流份數(shù)。

由式(9)得到KT/J2的值，再從螺旋槳敞水特性曲線KT/J2-J上查出進(jìn)速系數(shù)J的值。

2011年第26屆國際拖曳水池會議(International Towing Tank Conference, ITTC)上給出了RTIM推薦方法，得到進(jìn)速系數(shù)J的值后，在旋槳敞水特性曲線KP-J上查出功率系數(shù)KP。

KP=KQ/J3

(10)

不規(guī)則波中的功率Psea為

(11)

由此便得到波浪中的有效功率曲線。[6]

2 目標(biāo)船及航線的選定

2.1目標(biāo)船的選定

選擇某化學(xué)品/油船的原型和改型方案作為研究對象，分析計算2種方案的航線性能，并對后者的優(yōu)化效果進(jìn)行檢驗。

2.2目標(biāo)航線

選取地中海一線為目標(biāo)航線(見圖1)，航線上掛靠的港口依次為：青島—上?！獙幉ā呖凇蜕酶?西)—拉斯佩齊亞—熱那亞—福斯—巴塞羅那—瓦倫西亞—塞得港(東)—吉達(dá)—豪爾法坎—巴生—青島，由此可確定航程和航行海域。航線上各掛靠港口間的距離見表1。

圖1 某化學(xué)品/油船航線(地中海一線)

港口距離/nmile青島0上海321寧波110蛇口779巴生1627塞得港(西)4841拉斯佩齊亞1409熱那亞847福斯223巴塞羅那196瓦倫西亞165塞得港(東)1666吉達(dá)727豪爾法坎2030巴生3108青島2644總計20672

[7]得到航線上的海況統(tǒng)計資料，海域劃分見圖2。

圖2 海域劃分

從圖2中可看出，往返單次航線依次經(jīng)過區(qū)域13-21-25-31-30-23-19-12-19-23-30-31-25-21-13。

例如，地中海和福斯-巴塞羅那2個港口之間的航線所經(jīng)過的海域分別為12#和19#，對應(yīng)的海況統(tǒng)計資料見圖3。

a) 海域12#海況統(tǒng)計資料

b) 海域19#海況統(tǒng)計資料

圖3中，圓圈代表對應(yīng)有義波高和平均跨零周期的該海況出現(xiàn)的概率，可看出12#和19#海域在春季絕大多數(shù)情況下處于風(fēng)平浪靜狀態(tài)。

將航線分為若干段，每段內(nèi)一個海域，根據(jù)統(tǒng)計資料得出該海域各種海況出現(xiàn)的概率。將一種海況(對應(yīng)一個有義波高和一個平均跨零周期)出現(xiàn)的概率作為船舶在該海況下維持一定主機(jī)功率航行時所耗費時間的權(quán)重系數(shù)。

3 航線能效評估

假設(shè)營運過程中原型和改型方案均保持主機(jī)功率為6 604.95 kW。以靜水中和波浪中的船模試驗結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行實船靜水快速性預(yù)報及風(fēng)浪中功率航速預(yù)報，最后根據(jù)前述評估方法對油耗進(jìn)行計算分析，結(jié)果見表2。

表2 某化學(xué)品/油船油耗對比

1) 靜水中船舶油耗的計算結(jié)果與船舶實際航行情況相比是一種理想狀態(tài)下的結(jié)果，對于原型方案和改型方案而言，此時的功率和油耗率一致，航速不同導(dǎo)致耗時不同，耗時少的耗油量相應(yīng)也少。因此，相同功率下航速快的改型方案的油耗量要比原型方案少，一個航次節(jié)油19.66 t，占原型理想航線整體油耗量的1.2%。

2) 受波浪的影響，實際航線上往返一個航次需要的時間比理想航線上更長，增加的油耗量分別為47.4 t和36.56 t，占理想航線上整體油耗量的2.9%和2.3%。

3) 對比原型和改型方案實際航線下的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，此時功率和油耗率一致，航速不同導(dǎo)致耗時不同，耗時少的油耗量也少。因此，相同功率下航速快的改型方案的油耗量要比原型方案少，一個航次節(jié)油30.5 t，占原型實際航線整體油耗量的1.8%。

4 結(jié)束語

以往返航線油耗量為依據(jù)評估船舶實際航行過程中的性能，通過對原型方案和改型方案的油耗量進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)對所選目標(biāo)船進(jìn)行的所有改型均比較成功。假設(shè)整個航線為靜水狀態(tài)，即理想狀態(tài)下往返一個航次，則改型方案比原型方案節(jié)油1.2%；往返實際航線時，改型方案比原型方案節(jié)油1.8%?？梢?，無論是靜水狀態(tài)還是波浪狀態(tài)，該船改型后的性能都要優(yōu)于原型。同時需指出，由于海況和船舶實際營運情況復(fù)雜多變，風(fēng)浪中的油耗計算較為復(fù)雜，這里進(jìn)行最大化的簡化，以便后續(xù)對船舶波浪中的性能進(jìn)行精確的計算分析。此外，后續(xù)研究中還需考慮具體可信的海況資料和船舶營運過程中的裝載變化等因素。

參考文獻(xiàn)

[1] 王增全.渤海氣象海況環(huán)境對客滾船航線的影響及對策研究[D].大連：大連海事大學(xué),2012.

[2] 張永寧.航海氣象學(xué)與海洋學(xué)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社,2009.

[3] 中國船級社.Guidelines for Towage at Sea[S].

[4] 張寶吉.船體線型優(yōu)化設(shè)計方法及最小阻力船型研究[D].大連：大連理工大學(xué),2009.

[5] MEPC．MEPC 203(62), Amendments to the Annex of the Protocol of 1997 to Amend the Inernaternational Convention for the Prenention of Polltion from Ships, 1973, as Modified by Protocol of 1978 Relationg Thereto[S].

[6] 丁皓. 船舶在波浪中螺旋槳性能的變化和失速預(yù)報[D].上海：上海交通大學(xué),1998.

[7] HOGBEN N, PH D, LUMB F E,etal. Ocean Wave Statistics[M]. London: Her Majesty's Stationery Office, 1967.

PerformanceAnalysisofChemicalTankersatSea

MAWeixing,XIEFengwei,LIChuanqing,DONGGuoxiang,CHENWeimin

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship and Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

2016-02-02

馬衛(wèi)星(1983—)，女, 山西太原人，助理研究員，碩士，從事船舶水動力性能研究。E-mail: maweixing@sssri.com

1000-4653(2016)01-0088-03

U661.7

A