基于實船試驗驗證的大型商船航行能效評估

黃瑩，鄭佳玉

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 前言

船舶在運輸過程中會排放大量的二氧化碳［1］?！秶H防止船舶造成海洋污染公約》（《MARPOL 73/78 公約》）附則VI 實施之后，EEDI（船舶能效設計指數(shù)）和SEEMP（船舶能效管理計劃）成為旨在強制減少航運業(yè)二氧化碳排放的兩項主要法規(guī)。 2011年7月IMO 正式將船舶能效規(guī)則納入MARPOL 公約附則VI， 首次將操作性減排措施SEEMP 作為強制要求納入公約，適用的船舶需持有經(jīng)主管機關或組織批準的能效管理計劃［2-6］。2020年11月MEPC 75 次會議上通過了IMO 短期減排措施，即引入EEXI（現(xiàn)有船舶能效指數(shù)）及CII（碳排放強度指數(shù)），在技術和營運上鼓勵與航運業(yè)相關的各方共同努力，按時完成脫碳目標［7］。

為應對IMO 的碳減排要求，探索實船航行中變速航行與勻速航行即主機交替轉速與勻轉速對能效的影響，評估船舶營運能效的優(yōu)化空間，以某航運公司旗下的大型商船實船航行數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過均值模型擬合與數(shù)值計算方法，量化分析交替轉速運行與勻轉速運行的能效差別。

1 分析方法

在該大型商船的某個航次中，租家要求以較低的航速運行，而低航速對應的主機負荷較低，容易造成輔助鼓風機的持續(xù)運行或頻繁啟停，增加主機故障風險。 在此情況下，船員依據(jù)航運公司的考核要求將設備故障風險作為優(yōu)先考慮事項，在實際航行中采取了35 r/min 與52 r/min 交替運行的轉速策略，其時域上的轉速變化如圖1 所示。

圖1 某大型商船交替轉速運行時域圖譜

該轉速策略雖然保障了輔助鼓風機的非持續(xù)運行，降低了設備故障風險，但卻忽略了對船舶運行能效的影響。 造成這種忽略的主要原因是對船舶營運能效的量化評估能力不足，致使船舶營運管理過程中無法權衡設備安全保障的代價和能效提升潛力的收益。 根據(jù)船舶經(jīng)典理論，當船舶線型、設計吃水、主機功率和螺旋槳確定后，船舶在靜水中以設計航速（通常在設計吃水）勻速航行的能效最高。然而，在船舶的實際使用過程中，營運裝載量、航行姿態(tài)以及風、浪、流等環(huán)境因素所造成的影響都會造成船舶實際能耗與設計能耗的偏差，使得設計性能無法用于船舶實際營運能效的評估。

實船采集數(shù)據(jù)通常存在噪聲， 無法直接基于實船營運數(shù)據(jù)回歸分析得到船舶實際營運性能圖譜。 Erol 等［9］提 出 了DFA（Detrended Fluctuation Analysis）的數(shù)據(jù)處理方法。 采用該方法可對實船數(shù)據(jù)做去趨勢化處理， 用于船舶性能和能效的評估。能效評估步驟如圖2 所示。

圖2 船舶能效評估分析步驟

1）營運數(shù)據(jù)加載和預處理

提取受評航次的主機轉速、對水航速、主機油耗等數(shù)據(jù)，采用DFA 方法剔除非穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)清洗、歸一化、降采樣等處理，使得數(shù)據(jù)具備分析和運算條件。

2）擬合對水航速-轉速曲線

基于數(shù)據(jù)擬合受評航次中船舶對水航速和轉速的關系曲線。 根據(jù)經(jīng)典船舶原理，船舶對水航速和主機轉速呈線性關系。 因此，按1 次方關系繪制“對水航速-轉速”曲線。

3）計算平均對水航速和對應轉速

基于航次的整體對水航程和航行時間計算平均對水航速，并通過“對水航速-轉速”曲線計算得到該平均對水航速下的轉速。 計算得到的轉速即可用于評估勻轉速運行能效。

4）擬合對水航速-主機油耗曲線

基于數(shù)據(jù)擬合受評航次中船舶對水航速和油耗的關系曲線。 根據(jù)經(jīng)典船舶原理，船舶對水航速和主機油耗呈3 次方關系。

5）計算每海里油耗

基于航次的主機總油耗和對水航程，計算得到大型商船的實船單位距離油耗，主機實測單位距離油耗的計算公式為同時，將航次平均對水航速代入“對水航速-主機油耗”曲線，得到勻轉速運行的單位距離油耗。

6）評估勻轉速運行和交替轉速運行的能效差異

比較實船交替轉速運行和勻轉速運行的單位距離油耗，即計算（實測主機單位距離油耗-平均航速下的主機計算單位距離油耗）/實測主機單位距離油耗，得到能效差異。

2 評估結果

圖3 為某大型商船在空載狀態(tài)受評航次航行過程實測數(shù)據(jù)，其中，散點表示實測轉速，對水航速取均值得到交替轉速運行的平均航速為10.9 kn。對數(shù)據(jù)作1 次方擬合得到“對水航速-轉速”關系曲線，以實線表示。將平均航速代入“對水航速-轉速”關系曲線，得到轉速為44.9 r/min，以該轉速運行，可保障船舶與交替轉速運行在同一時間抵達目的地。

圖3 某大型商船受評航次實測數(shù)據(jù)和“對水航速-轉速”關系

圖4 為某大型商船在空載狀態(tài)下受評航次運行過程實測數(shù)據(jù)， 其中散點表示主機單位距離油耗，取均值得到交替轉速運行的平均單位距離油耗0.114 t/n mile。 對數(shù)據(jù)作3 次方擬合得到 “對水航速-主機油耗”關系，以實線表示。 將平均航速10.9 kn代入該擬合曲線，得到勻轉速運行的主機單位距離油耗0.0973 t/n mile。

圖4 某大型商船受評航次實測數(shù)據(jù)和“對水航速-主機油耗”關系

計算結果如表1 所示，由結果可見：

表1 某大型商船受評航次評估結果

1） 由于平均對水航速為10.9 kn，由對水航速-轉速曲線可知，預測轉速為44.9 r/min，即在平均航速下可按時到達目的地；

2）在平均航速下，主機擬合單位距離油耗約為0.0973 t/n mile， 主機實測單位距離油耗為0.114 t/n mile，能耗節(jié)省空間在14.6%。

3 評估結果驗證

根據(jù)上述能效分析結果， 能耗節(jié)省比例在14.6%左右，但考慮到航次的偶然性，需要對能效評估結果進行驗證。 分別采用與姐妹船對比驗證和實船測試驗證的方法驗證評估結果的準確性與方法的可行性。

3.1 與姐妹船的對比驗證

為了保證所選姐妹船航次數(shù)據(jù)進行對比驗證的可行性，首先進行數(shù)據(jù)可比性分析。 表2 為某大型商船的受評航次與姐妹船對比航次的航行狀態(tài)參數(shù)，圖5 為對比航次的航速分布。 該兩艘船對比航次的平均對水航速、平均吃水和縱傾數(shù)值都很接近， 姐妹船對比航次的對水航速集中于11.0 kn 左右， 與某大型商船受評航次的平均航速10.9 kn 也很接近，有利于開展能效評估計算。

圖5 某大型商船受評航次和姐妹船對比航次的對水航速分布

表2 某大型商船受評航次與姐妹船主要航行狀態(tài)參數(shù)

基于姐妹船數(shù)據(jù)擬合分別得到姐妹船的“對水航速-轉速”和“對水航速-主機油耗”關系，如圖6與圖7 所示。 將10.9 kn 的平均航速代入姐妹船“對水航速-轉速”關系，得到轉速44.9 r/min，與某大型商船受評航次的計算值一致。 再將10.9 kn 的平均航速代入“對水航速-主機油耗”關系，得到平均海里油耗0.100 t/n mile， 相比某大型商船受評航次的實測油耗0.114 t/n mile，能效提升潛力為12.3%。

圖6 姐妹船對比航次實測數(shù)據(jù)和“對水航速-轉速”關系

圖7 姐妹船對比航次實測數(shù)據(jù)和“對水航速-主機油耗”關系

3.2 實船試驗驗證

由于能效提升潛力超過10%， 在船東的支持下，在某大型商船上進行實船試驗驗證。 試驗過程分為“低轉速-中轉速-高轉速-中轉速-低轉速”5 個階段， 每個階段的正常航行過程不少于30 min，試驗過程中實時記錄航速和油耗等船舶數(shù)據(jù)。 試驗結果如表3 所示。

表3 某大型商船實船交替轉速試驗數(shù)據(jù)記錄

根據(jù)測試航段記錄數(shù)據(jù)，要達到45.00 r/min 的航速（11.27 kn），該大型商船需以36% 的時間運行在35.00 r/min （9.24 kn）， 以64% 的 時 間 運 行 在52.00 r/min（12.4 kn）。 由此計算可得變轉速運行的優(yōu)化空間為10.8%，如表4 所示。

表4 基于試驗數(shù)據(jù)的能效評估表

4 結語

船舶營運能效量化評估及主推進發(fā)動機轉速決策優(yōu)化一直以來是航運精細化管理的難點。 為解決該問題，本文依托某大型商船的實船數(shù)據(jù)，采用均值模型擬合與數(shù)值計算方法，建立了“對水航速-轉速”模型和“對水航速-主機油耗”模型，能夠準確評估不同轉速策略的能效結果，為船舶制定轉速策略與船舶能效提升提供基礎支撐。 通過與姐妹船營運數(shù)據(jù)對比和實船試驗驗證的方式證明了該評估方法的有效性。 評估結果表明，相比于交替轉速運行，勻轉速運行將為該大型商船帶來10%以上的能效優(yōu)化收益。

隨著船舶碳排放監(jiān)管要求日趨嚴格，從設計指標監(jiān)管逐漸轉向營運階段的碳排放管理。 為了應對碳排放監(jiān)管要求， 一些船舶采取了降速運行方式，在低負荷運行情況下為避免輔助鼓風機長期運行又產(chǎn)生交替轉速運行的方式。 根據(jù)本文量化評估結果，交替轉速運行模式的實際運輸能效較低，但可以從設計層面或使用層面尋求其他解決方案來降低輔助鼓風機長期運行的故障風險，例如對輔助鼓風機的電機做設計備份，在實際運行時對輔助鼓風機的健康狀態(tài)實時監(jiān)管并開展預測性維護，從而保障船舶維持在高能效的運行模式。