海洋石油支持船節(jié)油措施研究

蘇寶玉

（中石化海洋石油工程有限公司上海船舶分公司，上海 201206）

在海洋油田企業(yè)中，海洋石油支持船舶是其重要的生產(chǎn)設(shè)施，船舶燃油費(fèi)用在經(jīng)營成本中所占比重最大[1]，節(jié)能降耗已成為海洋油田企業(yè)降低成本的普遍共識(shí)。如何根據(jù)其生產(chǎn)特點(diǎn)來達(dá)到降耗增效的目的？筆者以對(duì)海洋石油支持船舶能耗數(shù)據(jù)超過一年時(shí)間的跟蹤和分析為基礎(chǔ)，通過分析影響船舶能耗的一系列因素和應(yīng)對(duì)節(jié)能措施，結(jié)合日常管理和實(shí)際操作兩方面的經(jīng)驗(yàn)，提出船舶節(jié)能降耗的相關(guān)建議并得出結(jié)論。

1 影響船舶能耗的主要因素分析及各可控階段的節(jié)能措施

影響船舶油耗因素分析和相關(guān)措施見表1。

由表1可見，影響海洋石油支持船能耗的各種因素中，其可控階段分為設(shè)計(jì)建造和使用兩個(gè)部分。設(shè)計(jì)建造大多是硬件設(shè)施原因，需要在初始設(shè)計(jì)建造過程中規(guī)劃解決，在使用時(shí)為不可控因素，本文不做論述。本文重點(diǎn)探討使用過程中的操作節(jié)能和管理節(jié)能措施，即在使用過程中，如何通過管理優(yōu)化、技術(shù)優(yōu)化及運(yùn)行優(yōu)化等方式，從而達(dá)到大大降低海洋石油支持船的油耗和節(jié)能降耗的目的。

表1 影響船舶油耗的主要因素分析及相關(guān)措施Table 1 Analysis of main factors affecting vessel fuel consumption and related measures

2 船舶使用過程中的油耗管理

經(jīng)過長時(shí)間對(duì)海洋石油支持船油耗運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析來看，節(jié)能降耗的具體措施主要體現(xiàn)在進(jìn)出港控制、船速控制、靠泊控制等幾個(gè)方面[2]。

2.1 船舶進(jìn)出港控制

2.1.1 借潮進(jìn)出港

由于潮汐具有周期性的變化規(guī)律，經(jīng)驗(yàn)表明，在合理的時(shí)間選擇船舶的進(jìn)出港時(shí)間，盡最大可能地保證船舶全程或部分航程順流進(jìn)出航道，可以有效降低船舶進(jìn)出港過程的單位里程油耗。

下面以某6 000 HP海洋石油支持船為例，進(jìn)行散點(diǎn)圖分析。

港口潮汐表見圖1，一天24小時(shí)中有2個(gè)高潮點(diǎn)及2個(gè)低潮點(diǎn)，從潮水最高到最低（基本）要經(jīng)過8 h左右。該航道長55.8 nmi（海里，下同），船進(jìn)出航道，頂流預(yù)計(jì)需要6.5 h，順流預(yù)計(jì)需要4.5 h。如果在最高潮位點(diǎn)時(shí)出港，可以保證整個(gè)航道內(nèi)都順流出海。

圖1 某港口單日潮汐表曲線圖Fig. 1 Diagram of a single day tide table at a port

通過對(duì)該船舶進(jìn)出航道實(shí)測10次的結(jié)果進(jìn)行散點(diǎn)圖統(tǒng)計(jì)分析（圖2），幾個(gè)標(biāo)注的流速在2節(jié)以上油耗差別較大，其它在1節(jié)流速左右點(diǎn)分布幅度明顯比2節(jié)流速以上要平緩。

圖2 6 000 HP船舶航道內(nèi)的測試散點(diǎn)圖Fig. 2 Scatter diagram of test in channel of 6 000 HP vessel

現(xiàn)把進(jìn)出航道最大頂流和順流（3節(jié)頂流和2.7節(jié)順流）的兩個(gè)極端情況做了一下比較。3節(jié)頂流油耗為0.099 4 t/nmi，2.7節(jié)順流油耗為0.042 0 t/nmi，單程可節(jié)省燃油量L計(jì)算如下：

L=(0.099 4-0.042 0)*55.8=3.2 t

即單程出港或進(jìn)港理論上通過利用潮水最優(yōu)可節(jié)省3.2 t燃油。

2.1.2 實(shí)際應(yīng)用情況

借潮進(jìn)出港船舶油耗在實(shí)際測定時(shí)，以船舶進(jìn)出航道內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄統(tǒng)計(jì)（圖3），其中出航道內(nèi)是指碼頭至出港下線，進(jìn)航道指進(jìn)港上線至碼頭，進(jìn)/出航道各填一次。

圖3 船舶進(jìn)出航道燃油消耗記錄表Fig. 3 Fuel consumption record of vessel in and out channel

通過對(duì)三種船型的船舶在進(jìn)出航道時(shí)不同航速下頂流/順流油耗的測定，為船舶管理者確定船舶進(jìn)出航道的時(shí)間及船舶航速的提供了技術(shù)指導(dǎo)[3]。但由于船舶出海時(shí)間受裝船時(shí)間及海上作業(yè)需求時(shí)間的雙重限制，在實(shí)際運(yùn)行中不能完全做到整個(gè)航道均為順流的情況下進(jìn)出航道，只能在保證作業(yè)的情況下最大限度地確保船舶在航道內(nèi)順流航行的時(shí)間，通過對(duì)三個(gè)船型10個(gè)航次的油耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2。

表2

2.2 船舶航速控制管理

2.2.1 經(jīng)濟(jì)航速

經(jīng)濟(jì)航速即指船舶單位里程消耗燃油最少的航速，一般來說每條船在出廠時(shí)均有一個(gè)理論上的經(jīng)濟(jì)航速，即在此航速下船舶油耗最低，然而在船舶實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)：

（1）船舶理論經(jīng)濟(jì)航速概念與我們所要的經(jīng)濟(jì)航速不一定一致；

（2）船舶理論經(jīng)濟(jì)航速是通過模擬實(shí)驗(yàn)或計(jì)算得出的，與實(shí)際存在偏差；

（3）理論經(jīng)濟(jì)航速是理想環(huán)境下的靜水航速，在風(fēng)流涌浪及不同的裝載等影響下，明顯偏低，但具體應(yīng)該低多少？有待具體分析；

（4）理論經(jīng)濟(jì)航速在現(xiàn)實(shí)具體環(huán)境（海況、吃水等）下，可操作性不強(qiáng)。

由此可見，船舶理論經(jīng)濟(jì)航速不能作為船舶日常航行的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)濟(jì)航速。鑒于此，在日常船舶運(yùn)營中，為尋求船舶運(yùn)行的低油耗，通過對(duì)各種運(yùn)行模式的大量數(shù)據(jù)監(jiān)控，最終提出了經(jīng)濟(jì)負(fù)荷的概念。

2.2.2 船舶經(jīng)濟(jì)負(fù)荷內(nèi)涵測定方法

2.2.2.1 船舶經(jīng)濟(jì)負(fù)荷內(nèi)涵

因經(jīng)濟(jì)航速在實(shí)際工作中指導(dǎo)意義不強(qiáng)。為找到船舶在日常條件下生產(chǎn)作業(yè)能耗與航速及負(fù)荷的最優(yōu)平衡點(diǎn)，通過選取不同功率的船舶為研究對(duì)象，具體就是在現(xiàn)實(shí)海況條件下，通過不斷改變螺距范圍來測定船舶最經(jīng)濟(jì)的負(fù)荷，從而找到通常海況條件下的該船舶航行最優(yōu)的功率，并以此作為經(jīng)濟(jì)負(fù)荷指導(dǎo)船舶航行，達(dá)到節(jié)能增效的目的。

2.2.2.2 經(jīng)濟(jì)負(fù)荷的測定

經(jīng)濟(jì)負(fù)荷數(shù)據(jù)測定思路如下：

（1）岸基負(fù)責(zé)制定方案和記錄表，分析測得的數(shù)據(jù)，船員負(fù)責(zé)測試并記錄數(shù)據(jù)；

（2）以船舶理論上的經(jīng)濟(jì)航速為依據(jù)，根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)調(diào)整航速測試，以求盡快找出該船的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷；

（3）簡化測試，盡量少地選擇典型環(huán)境條件和船舶狀態(tài)進(jìn)行測試。在以后的運(yùn)行中，逐漸增加必要的變量，再細(xì)化測試；

（4）以60%螺距為基準(zhǔn)螺距，在此基礎(chǔ)以上下浮動(dòng)5%的幅度進(jìn)行連續(xù)測定和跟蹤，并確保船舶測試數(shù)據(jù)的真實(shí)有效。

通過對(duì)某6 000 HP及8 000 HP支持船10個(gè)月的油耗數(shù)據(jù)監(jiān)控，分析在不同螺距下燃油消耗（不考慮海況、裝載等因素），然后利用所有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)做散點(diǎn)圖，直至散點(diǎn)圖中明顯顯示各負(fù)荷下的油耗大小傾向。

具體做法是，先以該條船的理論經(jīng)濟(jì)航速下的負(fù)荷（65%螺距）為基礎(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，5個(gè)航次后，再增加和減少5%螺距負(fù)荷運(yùn)行，對(duì)各螺距負(fù)荷下的船舶燃油消耗進(jìn)行對(duì)比，從而得出最佳的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷。

圖4是某6 000 HP船舶航行測得數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖，縱軸是螺距，橫軸是單位里程油耗（m3/nmi）。不同螺距下油耗傾向比較明顯。由圖4可見，各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)大致呈V形分布，50%～55%螺距區(qū)域?yàn)閂形下凹部分。

圖4 6 000 HP船舶航行燃油消耗散點(diǎn)圖Fig. 4 Scatter diagram of 6 000 HP vessel navigation fuel consumption

結(jié)論：該船在50%～55%螺距區(qū)間內(nèi)單位里程油耗最低。

由圖5可見，各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)大致呈V形分布，50%～60%螺距區(qū)域?yàn)閂形下凹部分。

圖5 8 000 HP船舶航行燃油消耗散點(diǎn)圖Fig. 5 Scatter diagram of 8 000 HP vessel navigation fuel consumption

結(jié)論：該船在50%～60%螺距區(qū)間內(nèi)單位里程油耗最低。

2.2.2.3 實(shí)際應(yīng)用

經(jīng)濟(jì)負(fù)荷的測定主要是選取船舶出港后至目的地之間往返的航行數(shù)據(jù)，即出港下線至第一個(gè)海上生產(chǎn)（作業(yè)）設(shè)施；返港：離開最后一個(gè)海上生產(chǎn)（作業(yè)）設(shè)施至進(jìn)港上線。當(dāng)負(fù)荷、航速發(fā)生變化后，及時(shí)記錄負(fù)荷及航速變化時(shí)間、 “日用柜P、S存量”等數(shù)據(jù)（圖6）。并用下一張表格記錄新的航速、負(fù)荷下各參數(shù)。

圖6 船舶航行燃油消耗記錄表Fig. 6 Fuel consumption record of vessel navigation

由于船舶在海上運(yùn)行期間，航行時(shí)油耗在船舶航次油耗中占較大比重（60%以上），因此對(duì)船舶經(jīng)濟(jì)負(fù)荷的測定對(duì)于指導(dǎo)船舶運(yùn)行有著重大意義。通過對(duì)三種船型經(jīng)濟(jì)負(fù)荷測定后，選出油耗較低的螺距范圍，并要求船舶在航行過程中按照測定的螺距范圍運(yùn)行，經(jīng)過8個(gè)月的油耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比跟蹤，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表3。

表3

3 其它管理節(jié)能措施

由于海洋石油支持船運(yùn)行的特殊性，除以上在技術(shù)及船舶操控上的節(jié)能措施外，在船舶的運(yùn)行管理上如措施得力也會(huì)產(chǎn)生明顯效果，如航線設(shè)計(jì)、靠泊管理、守護(hù)管理及吃水差等[4]。

3.1 航線設(shè)計(jì)

船舶開航前制定一個(gè)最佳航線對(duì)船舶的節(jié)能降耗有明顯作用。航線設(shè)計(jì)應(yīng)該包括船舶從港口到港口的全部航程。

開航前，仔細(xì)研究出發(fā)港和航路上一些重要區(qū)域的潮汐和整體洋流情況，確定最佳轉(zhuǎn)向點(diǎn)，利用潮汐變化和洋流規(guī)律全程或分航程順流航行，全程盡最大程度保持適合本船經(jīng)濟(jì)航速行駛，從而達(dá)到船舶節(jié)能降耗的目的[5]。通常航線設(shè)計(jì)是近海（包括港內(nèi)）航行利用潮水的漲落（本文2.1節(jié)已舉例說明），遠(yuǎn)洋航行重點(diǎn)利用洋流。

3.2 靠離海上設(shè)施管理

船舶日常作業(yè)過程中，在靠泊平臺(tái)時(shí)由于需要主機(jī)負(fù)荷較大（80%以上），因此靠泊平臺(tái)時(shí)的船舶油耗遠(yuǎn)高于巡航守護(hù)時(shí)的船舶油耗[6]，且海況越差，其負(fù)荷越大。根據(jù)船舶的航線計(jì)劃合理安排船舶靠泊海上設(shè)施的作業(yè)計(jì)劃。在無緊急任務(wù)狀態(tài)下，盡量選擇在海況良好的情況下靠泊海上設(shè)施，進(jìn)行吊裝作業(yè)與其他如海上供油、供水、吹灰等可同時(shí)進(jìn)行，盡量減少支持船靠離海上設(shè)施的次數(shù)和機(jī)動(dòng)?？砍掷m(xù)時(shí)間。

3.3 守護(hù)管理

海洋石油支持船守護(hù)作業(yè)一般分為警戒（特殊）守護(hù)和常態(tài)守護(hù)，警戒（特殊）守護(hù)是指在海上生產(chǎn)設(shè)施如海上石油平臺(tái)因正進(jìn)行（包括但不限于）下列某種作業(yè)時(shí)，為防范某種突發(fā)情況而須保持警戒狀態(tài)：

（1）直升飛機(jī)在海上設(shè)施的降落或起飛；

（2）工作人員在舷外或甲板外側(cè)作業(yè)；

（3）工作人員在接近水面或水下作業(yè)；

（4）生產(chǎn)設(shè)施、作業(yè)設(shè)施進(jìn)行重大施工作業(yè)；

（5）生產(chǎn)設(shè)施、作業(yè)設(shè)施負(fù)責(zé)人認(rèn)為必要的其他作業(yè)。

警戒（特殊）守護(hù)要求船舶保持隨時(shí)航行和應(yīng)急救援狀態(tài)。此時(shí)，主機(jī)須保持備車及可隨時(shí)運(yùn)行、各種相應(yīng)設(shè)備如側(cè)推、消防水炮須保持備用狀態(tài)[7]。此時(shí)，如海況條件許可，可備車讓螺距歸零的漂航，以盡量降低船舶主機(jī)負(fù)荷。也可采取單車、單機(jī)、副機(jī)等節(jié)能模式進(jìn)行巡航守護(hù)。這都會(huì)起到明顯的節(jié)省燃油效果。

3.4 吃水差調(diào)節(jié)

吃水差主要影響船舶的操縱性、快速性和耐波性。在同等條件下，適當(dāng)?shù)某运羁商岣叽暗暮剿俸透纳拼暗牟倏v性能[8]。一般船舶艏傾時(shí)，船舶阻力會(huì)變大，船舶回旋半徑減少，舵效、航向穩(wěn)定性變差，船速下降。船舶艉傾時(shí)舵效、航向穩(wěn)定性、航速都有所提高，因此在船舶航線和排水量不變時(shí)，可以通過調(diào)整吃水差提高船舶穩(wěn)定性和提升航速，船舶在海上行駛時(shí)也會(huì)因操作性和穩(wěn)定性好而減少偏離計(jì)劃航線的幅度，從而減少單位航程的時(shí)間和油耗[9]。經(jīng)驗(yàn)表明，船舶吃水差在30～50 cm時(shí)，船舶舵效和操縱性能達(dá)到最優(yōu)。

4 建議

良好的船藝也對(duì)船舶燃油消耗有著一定的影響，良好的操船技術(shù)和習(xí)慣能很大程度上減少燃油消耗。如在操車時(shí)盡量減少過猛加車，機(jī)動(dòng)?？吭O(shè)施時(shí)應(yīng)保持緩慢用車、舵及側(cè)推等設(shè)施，充分利用風(fēng)流的作用，減少車舵的頻繁使用，做到以最小的車發(fā)揮最大的作用。

實(shí)驗(yàn)表明：相同條件下，使用與不使用燃油添加劑相比，其結(jié)果是使用燃油添加劑能效更高。燃油添加劑的作用主要是使燃油燃燒更充分，同時(shí)減少油泥生成，從而提升燃油利用率、降低設(shè)備故障率，減少設(shè)備故障的風(fēng)險(xiǎn)[10]，提高安全程度，延長設(shè)備維護(hù)周期，節(jié)省人工、備件、物料、修理費(fèi)用等。

5 結(jié)論

通過對(duì)三種不同功率的船舶進(jìn)行研究，為海洋石油支持船如何節(jié)能降耗找到了切實(shí)可行的研究方向。海洋石油支持船由于作業(yè)的特殊性，船舶燃油消耗受外界因素如海況、裝載量、作業(yè)內(nèi)容等影響較大，需要更長時(shí)間對(duì)船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測后，制定每條船的最佳運(yùn)行方案，這樣才能對(duì)海洋石油支持船的節(jié)能降耗更具指導(dǎo)意義。隨著北斗定位、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，未來可以考慮在船舶加裝油料實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，通過電腦對(duì)船舶油耗進(jìn)行記錄、傳輸，同時(shí)將實(shí)時(shí)油耗數(shù)據(jù)傳輸?shù)今{駛臺(tái)，指導(dǎo)船長以更加節(jié)能的方式操縱船舶。