耙吸挖泥船在不同工況下的經(jīng)濟航速

馮 晨，吳永彬

(1.中交天津航道局有限公司，天津 300461；2.中交海洋建設(shè)開發(fā)有限公司，天津 300456)

當今全世界的環(huán)保形勢嚴峻，限制了疏浚工程的拋填作業(yè)范圍，工程的納泥區(qū)也大多距離施工區(qū)較遠，需要耙吸挖泥船長距離航行至深遠海區(qū)域進行拋泥作業(yè)。同時隨著圍海造陸工程及建筑工程的推進，海砂采取將成為未來疏浚業(yè)的一項重要工程，如深遠海取砂工程。因此耙吸挖泥船將朝著遠海、深海方向發(fā)展，這將面臨的一大問題就是船舶航行時間將大幅增加，占整個疏浚周期的50%以上，帶來的就是航行成本的提升。

參照海船運營與經(jīng)濟效益的分析，在船舶運輸過程中，燃油消耗占運輸成本的比例很大，占船舶營運總成本的25%～30%[1]。因此根據(jù)耙吸挖泥船未來施工的特點，展開針對長運距工程的耙吸挖泥船經(jīng)濟航速研究，從客觀上分析耙吸挖泥船采用經(jīng)濟航速的必要性。

1 船舶經(jīng)濟航速的含義

從營運船舶經(jīng)濟盈利角度看，船舶營運經(jīng)濟航速分為兩類：完全不考慮機會成本的絕對經(jīng)濟航速和充分考慮機會成本的相對經(jīng)濟航速。其中絕對經(jīng)濟航速[2]是指在不考慮其他成本的前提下，船舶航行相同里程，耗油量最少的航行速度；相對經(jīng)濟航速，對于耙吸挖泥船是指完成一個施工周期，為保證經(jīng)濟效益最大化而使用的輕載或重載航速。

2 經(jīng)濟航速考慮因素

耙吸挖泥船施工時的主要成本為施工過程中的燃油費用、定期維護修理費用和固定費用(人工費、折舊費等)，其中定期維護修理費和固定費用作為船舶使用的基本費用，在本文分析中不以變量考慮[3]。

燃油費用與航速大小成正比關(guān)系，航速的選擇對燃油費用有直接關(guān)系。并且燃油費主要與燃油消耗量有關(guān)，降低航速能有效地降低燃油費用，降低船舶的營運支出，但降速航行會延長航行時間，加長施工周期，可能會延誤工期，耽誤下一工程的投入，損失一部分市場機會，得不償失。反之，航速提高勢必會提高燃油費用，增加施工成本。

因此，耙吸挖泥船在選擇最佳運載航速時，應(yīng)當綜合考慮燃油成本、工程周期等多方面因素，建立合適的數(shù)學(xué)模型，從而得到更準確的決策信息。

3 耙吸挖泥船經(jīng)濟航速的分析

耙吸挖泥船作為一種自航船舶，在功能上區(qū)別于海船，海船以貨物運輸為目的，船舶主要存在航行、停泊、錨泊等作業(yè)方式；而耙吸挖泥船則以疏浚施工為目的，船舶主要存在挖泥、航行、吹填(拋泥)、停泊、錨泊等作業(yè)方式。因此耙吸挖泥船作業(yè)形式更為復(fù)雜，而在經(jīng)濟航速的分析方面，由于耙吸挖泥船在挖泥、吹填(拋泥)環(huán)節(jié)，航速一般在3 kn以下，暫不考慮燃油經(jīng)濟性的問題。本文以耙吸挖泥船運載航行為研究對象展開分析，為達到工程效益的最大化，以船舶滿載和空載為條件，進行實船數(shù)據(jù)采集和分析。

“通途”輪是超大型耙吸挖泥船，船長為30 m，型深為15 m，空載吃水為6.3 m，滿載吃水為11.3 m，艙容2.1萬m3，裝載量2.8萬t，主機功率為2×8 700 kW，最大航速15.2 kn。該船舶動力系統(tǒng)為一拖二形式，即船舶主機帶動螺旋槳和軸帶發(fā)電機，船舶泥泵則由軸帶發(fā)電機的電力驅(qū)動。

3.1 船舶柴油機負荷與油耗率關(guān)系分析

船舶柴油機作為內(nèi)燃機的一種，在不同工況下具備多項特性曲線關(guān)系，如負荷特性、速度特性、調(diào)速特性等。其中負荷特性是內(nèi)燃機的基本特性，用以評價其工作的經(jīng)濟性。由于柴油機的負荷特性相對容易測定，在性能調(diào)試過程，如選擇氣道和燃燒室結(jié)構(gòu)、調(diào)整燃油噴射系統(tǒng)等，常用負荷特性作為比較標準。

柴油機負荷特性[4]是指柴油機轉(zhuǎn)速不變，其經(jīng)濟性指標隨負荷而變化的關(guān)系，以曲線表示。當以一定的航速延阻力不斷變化的海面行駛時，船舶的柴油機負荷特性曲線見圖1，此時必須改變柴油機供油量來調(diào)整有效轉(zhuǎn)矩，與外界阻力矩的變化相適應(yīng)，而柴油機轉(zhuǎn)速保持不變。

圖1 柴油機負荷特性曲線

根據(jù)負荷特性曲線測定的相關(guān)要求，參照出廠時船舶主機臺架的試驗數(shù)據(jù)(表1[5])可得出不同負荷對應(yīng)的油耗率。通過油耗率與負荷曲線(圖2)可知，在負荷80%左右時，柴油機油耗率最低。

表1 “通途”輪主機臺架試驗數(shù)據(jù)

圖2 “通途”輪柴油機負荷與油耗率關(guān)系曲線

3.2 實船數(shù)據(jù)采集

由于柴油機在長期使用過程中存在磨損、船體腐蝕等影響因素，因此對船舶相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集(表2)，得出航速與主機功率(推進功率+軸發(fā)功率+空載功率)、油耗量的關(guān)系，見圖3。

圖3 “通途”輪航速與主機功率、油耗量的關(guān)系

表2 “通途”輪實船采集數(shù)據(jù)

通過船舶施工時大量的數(shù)據(jù)，分析重載(輕載)航行期間，船舶加速、減速時，航速與時間、平均航速及油耗量之間的關(guān)系。重載航行期間，船舶不同航速對應(yīng)的油耗量、所用時間、所用里程見圖4。

圖4 航速與時間、平均航速、油耗量的關(guān)系

3.3 耙吸船盈利分析

耙吸挖泥船作為施工船舶，是工程的一部分，其施工生產(chǎn)以盈利為目的，施工生產(chǎn)率、施工成本、施工所創(chuàng)造的產(chǎn)值都在一定程度上影響著整個工程的效益。當船舶所創(chuàng)造的產(chǎn)值大于船舶施工所發(fā)生成本時，則船舶可以盈利，即：

ΔQ=S產(chǎn)值-S成本=aT裝載量-(Q人工+Q折舊+

Q維修+Q備件+Q燃油+Q潤油+Q保險+…+Q其他)

(1)

式中：ΔQ為耙吸船船舶盈利(元)；S產(chǎn)值、S成本分別為船舶產(chǎn)值(元)、船舶成本(元)；T裝載量為船舶裝載量(m3)；a為土石方單價(元/m3)；Q人工、Q折舊、Q維修、Q備件、Q燃油、Q潤油、Q保險、Q其他分別為人工費(元)、折舊費(元)、船舶維修費(元)、船舶備配件費用(元)、燃油費(元)、潤滑油費(元)、船舶保險費(元)、其他費用(元)。

式(1)除了燃油成本隨船舶航速變化波動較大以外，其他船舶成本基本保持穩(wěn)定，即：

Q燃油=(q挖泥+q重載+q輕載+q拋吹)b

(2)

式中：q挖泥、q重載、q輕載、q拋吹分別為挖泥期間油耗量(t)、重載航行期間油耗量(t)、輕載航行期間油耗量(t)、拋泥或吹填期間油耗量(t)；b為燃油單價(元/t)。

3.4 計算結(jié)果

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析的航速與多個參數(shù)的關(guān)系曲線，假設(shè)燃油價格為5 000元/t，工程施工運距為30 n mile，挖泥時間為2 h，拋泥或吹填時間為0.3 h，土方價格為26元/m3進行模擬經(jīng)濟性計算分析。

3.4.1耙吸船絕對經(jīng)濟航速

耙吸船航速與每海里油耗量關(guān)系見圖5?？梢钥闯?，在不考慮其他成本的前提下，耙吸船絕對經(jīng)濟航速控制在10～12 kn，可有效節(jié)省燃油消耗。

圖5 耙吸船航速與每海里油耗量關(guān)系

以耙吸船遠距離調(diào)遣為例，耙吸船航速與油耗量關(guān)系見圖6。此時采用經(jīng)濟航速12 kn連續(xù)航行24 h，計算航行里程為288 n mile，較航速15 kn時每日節(jié)省燃油4.43 t，日節(jié)省燃油成本2.22萬元。

圖6 耙吸船航速與每日油耗量關(guān)系

3.4.2耙吸船相對經(jīng)濟航速

在設(shè)計航速范圍內(nèi)，經(jīng)濟效益隨航速增加而提高。當單價或工況發(fā)生變化時應(yīng)重新進行計算，且隨運距增加航速對經(jīng)濟性的影響權(quán)重將會增加。航速與燃油成本、單船每小時效益關(guān)系見圖7。

圖7 航速與燃油成本、單船每小時效益關(guān)系

以“通途”輪施工為例，土方單價26元/m3，運距在30～600 n mile，船舶滿載，計算不同運距、不同航速下的單艙每小時盈利效益，形成航速與單艙每小時盈利效益關(guān)系曲線，見圖8。可以看出，運距在120 n mile以下時，單艙每小時盈利效益隨航速的增加而提高；運距在400 n mile以上時，單艙每小時盈利效益隨航速的增加而降低；運距在120～400 n mile，單艙每小時盈利效益則存在峰值，其會存在相對經(jīng)濟航速點，見圖9。

圖8 航速與每小時單艙效益關(guān)系

圖9 航速與運距關(guān)系

通過將航速與單艙每小時盈利效益曲線的峰值進行連線，形成相對經(jīng)濟航速-運距曲線。可以看出，“通途”輪在120 n mile運距以下，可采用最大航速進行運載航行，盡量多地創(chuàng)造工程效益；在400 n mile運距以上，如不受工期或其他因素限制，則可采用絕對經(jīng)濟航速，以降低燃油成本，起到工程效益最大化的目標；運距在120～400 n mile，“通途”輪可依據(jù)自身需要，采用相對經(jīng)濟航速進行運載航行，節(jié)能減排。

4 結(jié)論

1)耙吸挖泥船相較于傳統(tǒng)的海上貨運船舶，其作業(yè)形式復(fù)雜，僅可在運載航行期間討論經(jīng)濟航速，由于挖泥施工期間的航速較低(小于3 kn)，暫不考慮經(jīng)濟航速。因此在工期有要求或短運距的工況下宜采用效益優(yōu)先原則，以“多挖快跑”的航速進行施工生產(chǎn)，爭取工程效益最優(yōu)化。

2)運距在一定范圍內(nèi)，耙吸挖泥船可以采用相對經(jīng)濟航速進行運載航行，在不影響工程效益和工期的同時，節(jié)能減排。

3)在長距離調(diào)遣且抵港時間要求寬松、施工過程中存在長時間候潮、待航影響等工況下，耙吸挖泥船宜采用船舶絕對經(jīng)濟航速航行，降低燃油成本。

4)以“通途”輪為例，形成了一套耙吸挖泥船施工期間運載航行經(jīng)濟航速分析的模型，可有效應(yīng)用于其他耙吸挖泥船，在船舶施工期間根據(jù)工況進行選擇使用。