一種船舶經(jīng)濟(jì)航速實(shí)測(cè)方法

夏明華 蘇玉馬

一、引言

為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和綠色航運(yùn)的目標(biāo)，航運(yùn)企業(yè)按照公約要求為所有船舶制訂了符合本船實(shí)際并獲得主管部門(mén)批準(zhǔn)的船舶能效管理計(jì)劃（SEEMP），包括實(shí)現(xiàn)船舶營(yíng)運(yùn)燃油能效的最佳操作，以及計(jì)劃、實(shí)施、監(jiān)測(cè)、評(píng)估與改進(jìn)等管理要求。在航運(yùn)市場(chǎng)不景氣時(shí)，船舶使用經(jīng)濟(jì)航速運(yùn)行是一種普遍采用的節(jié)能方式。當(dāng)前航運(yùn)市場(chǎng)對(duì)時(shí)間要求不高，在不需要額外投入的情況下，如何利用現(xiàn)有條件進(jìn)一步挖潛，找到更加合理的經(jīng)濟(jì)航速，是行業(yè)比較關(guān)注的問(wèn)題。本文基于對(duì)經(jīng)濟(jì)航速的理論分析，結(jié)合實(shí)際航行經(jīng)驗(yàn)對(duì)經(jīng)濟(jì)航速測(cè)量方法進(jìn)行研究和分析。

二、燃油耗量與航速的關(guān)系

根據(jù)對(duì)船舶不同航速的評(píng)價(jià)要求，一般將運(yùn)營(yíng)船舶的經(jīng)濟(jì)航速分為最低油耗率航速、最低燃油費(fèi)用航速和最高盈利航速等三種形式[1]。三種形式的營(yíng)運(yùn)船舶經(jīng)濟(jì)航速分別適用于不同的航運(yùn)市場(chǎng)和航線要求，航運(yùn)成本組成成分的側(cè)重點(diǎn)不同。經(jīng)濟(jì)航速主要是指最低燃油費(fèi)用航速，與船舶耗油量、航速和載重相關(guān)，常用“千克（克）/海里噸”為單位表示。最低燃油費(fèi)用航速主要是通過(guò)控制主機(jī)燃油最低單位消耗量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。船舶燃油消耗總量（Q總）主要由主機(jī)消耗量（Q主）、副機(jī)消耗量（Q副）、鍋爐和焚燒爐消耗量（Q爐）組成。一般地，在定速航行時(shí)，副機(jī)（發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)）主要提供保證船舶正常航行所需要的電能，每天的電力需求基本上是一個(gè)定值。因此副機(jī)每天的燃油消耗也是一個(gè)定值，并且每天消耗量不到船舶總消耗量的十分之一，占比較低。正常航行時(shí)主要使用廢氣鍋爐，一般不使用輔鍋爐；船舶污油焚燒需要消耗一些燃油，由于有些港口提供免費(fèi)污油排岸服務(wù)，船舶可不焚燒污油，也就不因此消耗燃油。所以船舶燃油消耗主要是主機(jī)的燃油消耗。船舶航速與主機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，主機(jī)的燃油消耗與負(fù)荷成正比，主機(jī)負(fù)荷與轉(zhuǎn)速的三次方成正比[2]。燃油消耗總量的計(jì)算公式為

在定速航行時(shí)，Q爐=0，Q副=b，且

其中：b為常數(shù)，是定值；k為系數(shù)；r為主機(jī)轉(zhuǎn)速。

其中：ρ為滑失率；P為螺旋槳螺距。

將式（1）根據(jù)上述內(nèi)容進(jìn)行整理可得：

將式（3）代入式（4）可得到船舶燃油消耗總量與航速的關(guān)系：

設(shè)L=29 408.25k/P3（1-ρ）3，則式（5）簡(jiǎn)化為

對(duì)式（6）兩邊求導(dǎo)可得單位航速的燃油消耗計(jì)算公式為

即燃油單位航速消耗量與船速的平方成正比。另有：

其中：F（t）為航行油耗量；s為航程。式（7）與式（8）相一致。

從式（7）可以看出，燃油的單位航速消耗量是船舶航速的二次函數(shù)。根據(jù)函數(shù)的性質(zhì)，Q單會(huì)有一個(gè)與航速對(duì)應(yīng)的最低值，這個(gè)值就是經(jīng)濟(jì)航速。系數(shù)k不是主機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的理論數(shù)值，它是燃油發(fā)熱值、主機(jī)工況和時(shí)間的函數(shù)，隨著主機(jī)運(yùn)行時(shí)間、維護(hù)保養(yǎng)程度、主機(jī)工作環(huán)境和燃油種類(lèi)的影響而變化。參數(shù)L也不是常數(shù)，除隨主機(jī)耗油系數(shù)k值變化外，還和滑失率ρ有關(guān)?；师咽亲兞?，受船殼表面與水的摩擦系數(shù)、船舶方形系數(shù)、船舶載重噸、船舶吃水、風(fēng)速風(fēng)向以及潮流等多種因素的影響。任何一個(gè)因素的變化都會(huì)引起系數(shù)L的變化，而外部因素除了相互影響外，還隨時(shí)間而變化，比如主機(jī)的工況、船殼表面的摩擦系數(shù)等隨著時(shí)間的推移而變化。但在某一種特定條件下，L是一個(gè)定值。精確計(jì)算出L在某一個(gè)特定條件下的值，需要非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算。因此，通過(guò)理論計(jì)算得出船舶每航次的經(jīng)濟(jì)航速比較困難。

三、確定燃油最低費(fèi)用航速的方法探討

確定燃油最低費(fèi)用經(jīng)濟(jì)航速的一般方法有成本法和估算法。成本法是根據(jù)船舶航運(yùn)市場(chǎng)先預(yù)估船舶每天的可能收益，用收益減去非燃油的船舶固定成本得出燃油成本。根據(jù)燃油市場(chǎng)價(jià)格算出相應(yīng)燃油耗量，再參考主機(jī)廠家給出的耗油率，計(jì)算出主機(jī)轉(zhuǎn)速和對(duì)應(yīng)的船速。這種方法雖然比較簡(jiǎn)單，但是沒(méi)有考慮到船舶外部環(huán)境因素的變化對(duì)航速的影響，計(jì)算出的經(jīng)濟(jì)航速不精準(zhǔn)。估算法是根據(jù)船舶設(shè)計(jì)時(shí)給出的數(shù)據(jù)和主機(jī)燃油消耗率估算出主機(jī)轉(zhuǎn)速及對(duì)應(yīng)的航速，這種方法是將船舶設(shè)想成一種理想狀態(tài)，沒(méi)有考慮外界條件的變化對(duì)船舶的影響。這兩種方法都未考慮實(shí)際情況。

經(jīng)濟(jì)航速所涉及的變量都可以直接或間接測(cè)取。主機(jī)的負(fù)荷可用主機(jī)的油門(mén)刻度來(lái)代替，定時(shí)測(cè)量燃油柜里燃油減少量可算出燃油的單位時(shí)間消耗量。轉(zhuǎn)速可直接讀取，船舶航速可從船舶計(jì)程儀或GPS中讀取，也可通過(guò)轉(zhuǎn)速和螺距計(jì)算出理論航速。為了更為直觀地反映多組數(shù)據(jù)的測(cè)量結(jié)果，可使用EXCEL的圖表功能做出曲線圖。主機(jī)負(fù)荷與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，曲線的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的航速就是經(jīng)濟(jì)航速。單位時(shí)間耗油率與航速的平方成正比，其數(shù)學(xué)圖形是一條拋物線，最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的航速就是經(jīng)濟(jì)航速。這種方法被稱(chēng)為曲線法。

曲線法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果比較符合實(shí)際情況；由于缺少專(zhuān)用測(cè)量設(shè)備或儀器，需重點(diǎn)考慮測(cè)量精度，盡量降低人為讀數(shù)誤差。船舶在航行時(shí)，需要讀取的數(shù)值都是變化的。為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，減少誤差，應(yīng)在海況較好時(shí)測(cè)量。滑失率比較固定，主機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)比較穩(wěn)定，測(cè)取的數(shù)據(jù)就更準(zhǔn)確。對(duì)于燃油消耗量，如果使用流量表進(jìn)行測(cè)定，要先確定流量表的準(zhǔn)確性，另外主機(jī)油頭一部分回油量不能回到日用柜；使用油柜測(cè)量法，測(cè)量期間不能進(jìn)行燃油的駁運(yùn)和分離工作。油柜一般較大，短時(shí)間變化量較小，測(cè)量時(shí)間間隔越長(zhǎng)越好，至少應(yīng)為單位時(shí)間的2到3倍，具體可根據(jù)船舶自身的實(shí)際情況來(lái)確定。再用除法得出單位時(shí)間的消耗量，盡量不用乘法，以減少誤差。

四、實(shí)船測(cè)量操作

實(shí)測(cè)船舶是一艘1993年出廠的多用途船舶，設(shè)計(jì)載重量22 000噸。該航次（105航次）計(jì)劃裝載18507噸雜貨，于2014年7月20日從韓國(guó)馬山港（MASAN）過(guò)太平洋，經(jīng)巴拿馬運(yùn)河到科隆港和美國(guó)港口卸貨。主機(jī)最大持續(xù)轉(zhuǎn)速是109轉(zhuǎn)/分，公司告知船舶主機(jī)以88轉(zhuǎn)/分的經(jīng)濟(jì)航速運(yùn)轉(zhuǎn)，但沒(méi)有告知理論依據(jù)。在船舶離港引航員離船后開(kāi)始測(cè)量工作，此時(shí)船舶一般航行于港口外海，水域比較開(kāi)闊，水深比較大，興波阻力等因素對(duì)船舶的影響比較小，基本上和船舶在大洋中航行的環(huán)境一致。船舶會(huì)由港速慢慢加速至海速，利用加速過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)取不影響船舶的正常營(yíng)運(yùn)。船舶在加速和航行過(guò)程中實(shí)際航速總是變化的，為了有效降低航速測(cè)取的誤差，直接使用理論航速代替實(shí)際航速。因?yàn)樵谕饨鐥l件不變的情況下，滑失率是一個(gè)定值，理論航速與實(shí)際航速成正比，也就是“實(shí)際航速=理論航速×（1-滑失率）”。隨著船舶慢慢加速，主機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到85轉(zhuǎn)/分左右時(shí)主機(jī)輔助鼓風(fēng)機(jī)自動(dòng)停止，此時(shí)開(kāi)始正式測(cè)量程序。油門(mén)刻度值變化大些便于讀取，為節(jié)省時(shí)間并減少人為讀數(shù)誤差，按每次兩轉(zhuǎn)或三轉(zhuǎn)加速，從86轉(zhuǎn)/分逐步加到103轉(zhuǎn)/分。轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，記錄下主機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的油門(mén)指示刻度，用EXCEL的圖表功能繪出負(fù)荷指示曲線（如圖1所示）。從中可以直觀看出主機(jī)在轉(zhuǎn)速90到92區(qū)間負(fù)荷變化比較平緩，船舶此航次的最低燃油費(fèi)用轉(zhuǎn)速應(yīng)在92轉(zhuǎn)/分左右。具體值需進(jìn)一步測(cè)量才能確定，先暫時(shí)將主機(jī)加速到90轉(zhuǎn)/分。

圖1 主機(jī)負(fù)荷指示曲線

為了提高精確度，停止了燃油的轉(zhuǎn)駁操作，將不使用的油柜速閉閥關(guān)閉，只使用一個(gè)沉淀柜和日用柜；每個(gè)轉(zhuǎn)速都穩(wěn)定運(yùn)行4小時(shí)左右，測(cè)量時(shí)間精確到分鐘。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)

根據(jù)第一次測(cè)量的結(jié)果做出了油耗率曲線，如圖2所示，主機(jī)轉(zhuǎn)速在92轉(zhuǎn)/分時(shí)油耗率最低。后來(lái)由于天氣原因暫時(shí)停止了測(cè)量工作，將主機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定在92轉(zhuǎn)/分運(yùn)轉(zhuǎn)。天氣變好后繼續(xù)分別測(cè)量了主機(jī)在90、98和103轉(zhuǎn)/分的實(shí)際油耗，然后將所有的測(cè)量結(jié)果再次做出完整的耗油率曲線，如圖3所示。曲線趨勢(shì)沒(méi)有大的變化，最低油耗率處于91轉(zhuǎn)/分和92轉(zhuǎn)/分之間。

在第一次測(cè)量時(shí)不測(cè)量90轉(zhuǎn)/分和98轉(zhuǎn)/分時(shí)的數(shù)據(jù)，除了要快速得到最低燃油消耗的轉(zhuǎn)速外，還可通過(guò)觀察曲線變化的趨勢(shì)是否連續(xù)來(lái)驗(yàn)證測(cè)量方法的正確性。圖3表明該輪主機(jī)在91轉(zhuǎn)/分或92轉(zhuǎn)/分時(shí)的航速是本航次的經(jīng)濟(jì)航速，故將主機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定在92轉(zhuǎn)/分運(yùn)轉(zhuǎn)。如果主機(jī)負(fù)荷偏大，可將主機(jī)轉(zhuǎn)速減到91轉(zhuǎn)/分。

圖2 第一次測(cè)量的油耗率曲線

圖3 完整的油耗率曲線

五、實(shí)船航次耗油結(jié)果比較

該航次橫跨太平洋航行，整個(gè)航程主機(jī)基本上都以92轉(zhuǎn)/分運(yùn)轉(zhuǎn)。船舶于2014年8月14日下午到達(dá)巴拿馬錨地備車(chē)，從離開(kāi)韓國(guó)馬山港定速航行到抵達(dá)巴拿馬備車(chē)為止，主機(jī)平均轉(zhuǎn)速是91.6轉(zhuǎn)/分，總距離是8 170海里，船舶載重噸是18 507噸，主副機(jī)總耗油為633噸；計(jì)算實(shí)際耗油結(jié)果是 4.186 4克/噸海里。查閱該輪103航次報(bào)告，其航程是從中國(guó)泰州港橫跨太平洋到巴拿馬，同樣走大圓航線，總距離是8 860海里，載重噸是14 876噸，整個(gè)航程主機(jī)平均轉(zhuǎn)速是88.9轉(zhuǎn)/分，主副機(jī)總耗油是693.1噸，計(jì)算實(shí)際油耗結(jié)果是5.258 6克/噸海里。105航次的油耗要低很多，如果按照103航次的實(shí)際耗油率，105航次總的實(shí)際油耗是795.1噸，節(jié)省燃油162.1噸，效果明顯。如果忽略載重噸位這個(gè)影響船舶成本較大的因素，只考慮油耗率和里程，105航次的實(shí)際油耗率是77.478 5千克/海里，103航次的實(shí)際油耗率是78.227 9千克/海里。按照103航次的油耗率，105航次的實(shí)際油耗應(yīng)為639.1噸。這樣粗略的計(jì)算也可表明105航次節(jié)省了6.1噸燃油。

六、曲線法適用性和自動(dòng)測(cè)量方法探討

實(shí)船驗(yàn)證表明，用曲線法確定船舶經(jīng)濟(jì)航速是有效的，整個(gè)航次對(duì)經(jīng)濟(jì)航速的把控也是成功的。經(jīng)濟(jì)航速的確定方法并不是針對(duì)某一特定船型，而是基于船舶柴油機(jī)的特性和遠(yuǎn)洋船舶本身的性能結(jié)合數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)得出，具有普適性。只需要測(cè)出負(fù)荷轉(zhuǎn)速曲線，操作簡(jiǎn)單易行，直接利用船舶航行正常加速過(guò)程就能得出結(jié)果。如果能進(jìn)一步測(cè)量耗油轉(zhuǎn)速曲線來(lái)確定經(jīng)濟(jì)航速就更好了。在不影響船舶正常營(yíng)運(yùn)前提下，可以根據(jù)實(shí)際情況靈活運(yùn)用。

當(dāng)前，船舶科技突飛猛進(jìn)，自動(dòng)化程度越來(lái)越高，所需數(shù)據(jù)可以直接從系統(tǒng)中讀取。比如瓦錫蘭柴油機(jī)控制系統(tǒng)WECS9520或者B&W機(jī)型的MOP中都有主機(jī)負(fù)荷顯示。為了更精確地找到船舶航次的經(jīng)濟(jì)航速，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，可以編制程序自動(dòng)采集相關(guān)參數(shù)。程序從主機(jī)流量表中采集燃油流量數(shù)據(jù)，讀取計(jì)程儀或GPS中的船舶航速，采集副機(jī)燃油流量表和船舶載重量，以“克/噸·海里”為單位自動(dòng)計(jì)算船舶的耗油率，并對(duì)耗油率的變化進(jìn)行微積分運(yùn)算。耗油率最低時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，就是當(dāng)前航次的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速。再將此轉(zhuǎn)速指令通過(guò)遙控系統(tǒng)發(fā)送到主機(jī)調(diào)速器控制主機(jī)轉(zhuǎn)速，能夠做到精準(zhǔn)自動(dòng)控制，保持經(jīng)濟(jì)航速運(yùn)行。

七、結(jié)語(yǔ)

本文提出的測(cè)量船舶經(jīng)濟(jì)航速的曲線法，沒(méi)有煩瑣的計(jì)算。獲得初次測(cè)量結(jié)果以后，直接測(cè)量前次結(jié)果附近兩三個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)就可以更快捷地找到當(dāng)前航次的經(jīng)濟(jì)航速。通過(guò)實(shí)船驗(yàn)證，該方法容易操作且很有實(shí)效。從實(shí)際出發(fā)、實(shí)事求是是一種科學(xué)的經(jīng)營(yíng)管理態(tài)度和思維方式。在實(shí)際操作中不一定要按照本文介紹的曲線法教條地進(jìn)行，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況做出調(diào)整。當(dāng)前航運(yùn)市場(chǎng)不景氣，最大限度地節(jié)省成本、為公司爭(zhēng)取最大效益，是每一個(gè)航運(yùn)從業(yè)者的責(zé)任和義務(wù)。鑒此，提出一種船舶經(jīng)濟(jì)航速實(shí)測(cè)方法供同行參考。