船舶燃油監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用

肖時(shí)駿

摘 要：船舶燃油消耗是航運(yùn)企業(yè)最主要成本之一，而船舶燃油的管理是又一個(gè)十分復(fù)雜的課題。由于近年來世界原油市場(chǎng)價(jià)格上漲，燃油費(fèi)用占企業(yè)的成本越來越大，因此企業(yè)也越來越關(guān)注越來越重視船舶燃油的管理，因?yàn)閷?duì)企業(yè)來講意味著效益。從管理著手，挖掘能源節(jié)約的潛力是當(dāng)前船舶航運(yùn)企業(yè)節(jié)能發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：船舶燃油消耗測(cè)量;自動(dòng)化船舶燃油消耗監(jiān)控系統(tǒng);研發(fā)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TH12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）03-0059-02

通過近兩年的研發(fā)和公司分別對(duì)三航拖3003輪及三航拖3005輪進(jìn)行的應(yīng)用，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)，修補(bǔ)了之前在使用過程中的漏洞及工作中的不完善點(diǎn)，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)科學(xué)化、精細(xì)化管理，我們將該系統(tǒng)與公司現(xiàn)有的岸基管理系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)接。

1 項(xiàng)目節(jié)能減排技術(shù)原理

研發(fā)小組通過多年船舶的工作經(jīng)驗(yàn)和分析，機(jī)動(dòng)船舶長(zhǎng)航采取經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速航行，因功率與航速、轉(zhuǎn)速的三次方互相成正比;即航速與轉(zhuǎn)速成正比，所以轉(zhuǎn)速減少，油耗與航速不是等比減少，而是呈開口向上曲線關(guān)系。對(duì)于拖輪每個(gè)航次所拖帶的負(fù)載不同所需的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速也是不同，每百海里油耗相差約0.5～1噸。因此船舶燃油監(jiān)控系統(tǒng)基于集中顯示分散控制監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過對(duì)船舶日用油柜的進(jìn)油量和出油量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的各種工況下油耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)異常油耗做出報(bào)警提示，并能夠得出經(jīng)濟(jì)航行模式，自動(dòng)提醒船舶駕駛員采用經(jīng)濟(jì)航速，從而達(dá)到降低油耗，節(jié)約成本的目的。同時(shí)該系統(tǒng)能自動(dòng)產(chǎn)生船舶在各種工況下的瞬時(shí)油耗報(bào)表，平均油耗報(bào)表及燃油消耗的總報(bào)表。其故障自診斷功能，能實(shí)時(shí)監(jiān)控本系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)傳感器和采集模塊的工作狀態(tài)，并對(duì)異常狀態(tài)做出報(bào)警。

2 項(xiàng)目實(shí)施方案

2.1 系統(tǒng)功能及架構(gòu)

HS2012型船舶燃油監(jiān)控系統(tǒng)通過集中顯示分散控制監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)船舶進(jìn)油量和出油量實(shí)時(shí)監(jiān)控，其主要功能有：（1）系統(tǒng)功能使用數(shù)字及曲線圖顯示各個(gè)主機(jī)和發(fā)電機(jī)的耗油量;（2）顯示所有報(bào)警及其參數(shù);具有參數(shù)設(shè)置功能（必須登錄系統(tǒng)管理員賬號(hào)）;（3）具有查詢及打印耗油量日?qǐng)?bào)表功能;（4）具有查詢及打印歷史耗油量曲線功能;（5）具有報(bào)警歷史查詢及打印功能;（6）通過北斗衛(wèi)星或者3G模塊定時(shí)發(fā)送油報(bào)到公司;（7）公司管理層可以通過網(wǎng)頁瀏覽每條船的油報(bào)記錄;（8）能夠自動(dòng)判別船舶處于何種工況，并計(jì)算相應(yīng)的油耗;（9）能夠統(tǒng)計(jì)船舶的年利用率。

根據(jù)功能船舶燃油監(jiān)控系統(tǒng)要求，項(xiàng)目組充分利用多種先進(jìn)的信息技術(shù)，按照以需求為導(dǎo)向、經(jīng)濟(jì)實(shí)用有效為原則，對(duì)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用架構(gòu)模型進(jìn)行了認(rèn)真研究和設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由船舶燃油智能化監(jiān)控系統(tǒng)也就是俗稱的機(jī)關(guān)端、船舶燃油監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)也就是俗稱的船舶端、3G網(wǎng)絡(luò)或北斗系統(tǒng)、以及岸基管理信息系統(tǒng)PMS組成。終端軟件安裝在船舶計(jì)算機(jī)上，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采 集工作，并通過3G網(wǎng)絡(luò)或北斗系統(tǒng)、以標(biāo)準(zhǔn)格式式定時(shí)地傳送到岸基管理信息系統(tǒng)上，公司船舶管理人員通過岸基管理信息系統(tǒng)即可了解營運(yùn)船舶的油耗狀態(tài)，并通過綜合分析，對(duì)船舶的油耗正?；虍惓＜皶r(shí)做出不同的判斷，并在生產(chǎn)調(diào)度、船舶狀態(tài)、海況情況等綜合數(shù)據(jù)支持下做出合理的航行修訂方案，指導(dǎo)船舶及時(shí)調(diào)整。

2.2 數(shù)據(jù)測(cè)量

HS2012型船舶燃油監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)船舶以下參數(shù)：

2.2.1 耗油測(cè)量

通過燃油流量傳感器和壓力式液位傳感器可分別測(cè)出燃油日用柜的進(jìn)油量和剩余油量，從而計(jì)算出實(shí)際耗油量。

理論計(jì)算公式如下：

V（h）—燃油日用柜艙容函數(shù);P1—燃油日用柜液位壓力;S—進(jìn)油管截面積;V—渦輪流量計(jì)測(cè)出進(jìn)油管燃油流速;Q—燃油密度;g—重力加速度;H1—燃油日用柜殘留液位高度;H—燃油日用柜實(shí)時(shí)液位高度;Qin—進(jìn)油總量;Qout—出油總量;Qt0—燃油日用柜殘留油量;Qt1—燃油日用柜當(dāng)前油量;t—累計(jì)進(jìn)油時(shí)間;

根據(jù)帕斯卡定律，得出：H1=P/（Q*g）;

計(jì)算出燃油日用柜殘留油量：Qt0=V（H1）;

燃油日用柜當(dāng)前油量：Qt1=V（H）;

根據(jù)流量傳感器實(shí)測(cè)的流速，可以計(jì)算出進(jìn)油總量：Qin=V*S*t;

因此，可以計(jì)算出單位時(shí)間t內(nèi)消耗的燃油總量是：Qout=Qin+Qt0-Qt1。（按燃油體積計(jì)算）。如測(cè)重油，則須在沉淀油柜入口處增加燃油流量計(jì)。

2.2.2 主機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量

從主機(jī)測(cè)速傳感器上取信號(hào)，經(jīng)過F-V變換轉(zhuǎn)成0～10V信號(hào)。

2.2.3 主機(jī)運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)

當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速高于50轉(zhuǎn)時(shí)開始累加計(jì)時(shí);當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速低于50轉(zhuǎn)時(shí)，停止累加計(jì)時(shí)。

2.2.4 發(fā)電機(jī)組有功功率測(cè)量

通過電壓，電流互感器實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)參數(shù)，經(jīng)過功率變送單元計(jì)算得出發(fā)電機(jī)主的有功功率。

2.2.5 發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)

當(dāng)發(fā)電機(jī)組有功功率大于1000W時(shí)開始累加計(jì)時(shí);當(dāng)發(fā)電機(jī)組有功功率小于1000W時(shí)停止累加計(jì)時(shí)。

2.2.6 航程計(jì)算

通過RS422通訊，從GPS中讀取航行坐標(biāo)，并計(jì)算出航行的海里數(shù)。

2.2.7 傳感器狀態(tài)檢測(cè)

從HS6810網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上讀取各個(gè)傳感器狀態(tài)。

2.2.8 DCS系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)

通過船載客戶端軟件實(shí)時(shí)在線判斷得出。

2.2.9 經(jīng)濟(jì)油耗輸入

通過岸基服務(wù)端軟件輸入，自動(dòng)下載到船載客戶端軟件上。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 工況自動(dòng)判別及工況工作時(shí)間統(tǒng)計(jì)

航行機(jī)動(dòng)船：可分為3種工況：（1）航行工況：當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速高于50轉(zhuǎn)時(shí)，判定該船處于航行工況;（2）港作工況：當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速高于50轉(zhuǎn)時(shí)，船舶的當(dāng)前位置與船舶的初始位置的距離小于10海里;（3）停泊工況：當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速低于50轉(zhuǎn)時(shí)，判定該船處于停泊工況。

2.3.2 油耗計(jì)算

（1）航行工況：油耗=（本航次當(dāng)前耗油總量）/（本航次當(dāng)前航行海里數(shù)）*100。該計(jì)算值為每100海里航程的耗油量。（2）停泊工況：油耗1=（當(dāng)前工況下耗油總量）/（發(fā)電機(jī)組當(dāng)前發(fā)出有功總量）。該計(jì)算值為發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生每千瓦時(shí)有功時(shí)的耗油量。油耗2=（當(dāng)前工況下耗油總量）/（當(dāng)前工況累計(jì)時(shí)間）。該計(jì)算值為發(fā)電機(jī)組每小時(shí)耗油量。（3）港作工況：油耗=（本航次當(dāng)前耗油總量）/（本航次當(dāng)前航行海里數(shù)）*100。該計(jì)算值為每100海里航程的耗油量。

2.3.3 油耗測(cè)試模式

當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速高于50轉(zhuǎn)時(shí)，工作模式設(shè)置為油耗測(cè)試模式時(shí)，測(cè)試模式下，需要設(shè)定5檔主機(jī)轉(zhuǎn)速，每一檔主機(jī)轉(zhuǎn)速1小時(shí)，自動(dòng)計(jì)算出當(dāng)前航速百海里油耗;同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)保存經(jīng)濟(jì)油耗航速值，并繪制出經(jīng)濟(jì)油耗曲線。根據(jù)上述工況自動(dòng)判定邏輯，船載客戶端軟件可以自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出每個(gè)工況的工作時(shí)間，并產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)表。

2.4 HS2012型船載數(shù)據(jù)測(cè)量箱

HS2012型船載數(shù)據(jù)測(cè)量箱由HS系列數(shù)據(jù)測(cè)量模塊，輸出邏輯控制模塊，網(wǎng)絡(luò)分配器以及HS6810網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等組成，將傳感器測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并將該數(shù)字信號(hào)經(jīng)過以太網(wǎng)發(fā)送到船載顯示終端計(jì)算機(jī)上。

HS2012型船載數(shù)據(jù)測(cè)量箱也可以接受來自船載終端計(jì)算機(jī)上的輸出命令，實(shí)現(xiàn)邏輯控制輸出及儀表顯示信號(hào)還原等功能。

HS2012型船載數(shù)據(jù)測(cè)量箱由2層網(wǎng)絡(luò)組成：雙以太網(wǎng)+雙CAN通訊。

2.5 HS2012型船舶燃油監(jiān)控系統(tǒng)船載客戶端

主要功能如下：（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各部件的工作狀態(tài)，一旦異常，立即觸發(fā)報(bào)警提示，并記錄保存;（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船舶油耗，并自動(dòng)繪制出各種工況下的燃油使用的歷史趨勢(shì)圖;同時(shí)，對(duì)異常油耗做出報(bào)警提醒，并記錄保存;（3）歷史平均油耗計(jì)算功能;可以自動(dòng)計(jì)算出歷史平均油耗，分2種：1）平均百海里油耗;2）平均千瓦時(shí)油耗;并以趨勢(shì)圖的形式顯示出來;（4）報(bào)警記錄及事件查詢功能;（5）參數(shù)設(shè)置功能;（6）數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能;HS2012型船舶燃油監(jiān)控系統(tǒng)船載客戶端可以定時(shí)將監(jiān)控的歷史記錄和當(dāng)前測(cè)量值寫入到第三方數(shù)據(jù)庫里面;通過第三方軟件訪問該數(shù)據(jù)庫，并將數(shù)據(jù)經(jīng)3G網(wǎng)絡(luò)或北斗衛(wèi)通發(fā)送到岸基

2.6 HS2012型船舶燃油監(jiān)控系統(tǒng)岸基船載服務(wù)端軟件

HS2012型船舶燃油監(jiān)控系統(tǒng)岸基船載服務(wù)端軟件的主要功能是從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中讀取船載客戶端軟件發(fā)送出來的數(shù)據(jù)，并以報(bào)表或圖形的形式顯示出來。管理層可以通過HS2012型船舶燃油監(jiān)控系統(tǒng)岸基船載服務(wù)端軟件實(shí)時(shí)了解船舶能耗情況。

HS2012型船舶燃油監(jiān)控系統(tǒng)岸基船載服務(wù)端軟件具體功能如下：（1）船舶查詢輸入;輸入船名即可查詢?cè)摯娜加褪褂糜涗浐驮O(shè)備狀態(tài);（2）參數(shù)設(shè)置界面：設(shè)置每條船的經(jīng)濟(jì)油耗曲線;（3）報(bào)表產(chǎn)生設(shè)置：設(shè)置報(bào)表產(chǎn)生的方式;（4）報(bào)表查詢;（5）打印功能;（6）組網(wǎng)功能：允許局域網(wǎng)內(nèi)所有客戶端機(jī)器訪問;

3 推廣應(yīng)用條件

船舶燃油監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)是通過不斷的對(duì)船舶燃油消耗歷史數(shù)據(jù)的分析、評(píng)估以及船舶油耗的實(shí)時(shí)監(jiān)控檢查，以及相同類型船舶航次的比照得出。相對(duì)于現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)的其他同類系統(tǒng)的安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的總進(jìn)油管上安裝流量計(jì)，來采集發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)消耗量而言，該系統(tǒng)采用在燃油日用柜上安裝渦輪流量傳感器和壓力式液位傳感器測(cè)得進(jìn)油量和剩余油量，從而計(jì)算出實(shí)際耗油量，在行業(yè)內(nèi)具有較為領(lǐng)先的地位。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初期和更新過程中充分的考慮了人性化的概念，目前可以通過對(duì)船員進(jìn)行使用介紹學(xué)習(xí)和充分的使用來達(dá)到系統(tǒng)效果。在資金方面近年主要資金花費(fèi)主要有先期研發(fā)設(shè)備購置安裝費(fèi)用和由燃油監(jiān)控的軟件更新、感應(yīng)探頭的更換、處理器及數(shù)據(jù)傳送方式的維修等。目前設(shè)備性能趨于穩(wěn)定，目前適用范圍已嘗試不斷的推廣到了三航樁16等工程船舶上進(jìn)行應(yīng)用。

4 項(xiàng)目成效

4.1 社會(huì)效益

船舶燃油智能化監(jiān)控系統(tǒng)的成功實(shí)施，有效地降低了港航行業(yè)船舶燃油的消耗量，為國家和企業(yè)節(jié)約了大量能源，保護(hù)了環(huán)境，體現(xiàn)了中交三航作為一個(gè)大型的央企對(duì)社會(huì)負(fù)責(zé)任的態(tài)度。船舶燃油監(jiān)控系統(tǒng)”集多種信息技術(shù)應(yīng)用于一體，是利用信息技術(shù)達(dá)到管理節(jié)能的成功嘗試，走出了一條確保企業(yè)與社會(huì)利益雙贏的可持續(xù)發(fā)展道路，為企業(yè)的節(jié)能減排提供了一個(gè)切實(shí)有效的實(shí)例。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

系統(tǒng)的成功使用，實(shí)現(xiàn)了管理人員對(duì)燃油的跟蹤和科學(xué)監(jiān)控。達(dá)到了預(yù)期節(jié)能目標(biāo)，項(xiàng)目實(shí)施后以三航拖3003為例，情況如表1：