基于油耗監(jiān)控系統(tǒng)的拖輪節(jié)油降耗管理研究

馬明軒

摘 要：當(dāng)前，拖輪動(dòng)力的能源形式仍以燃油為主，燃油成本也在拖輪運(yùn)行總成本中占據(jù)相當(dāng)大的比重，無(wú)論是為了企業(yè)降本增效，還是基于節(jié)能減排的環(huán)保要求，如何有效地降低拖輪燃油消耗，是企業(yè)管理的一項(xiàng)重要內(nèi)容。本文結(jié)合黃驊港煤炭港區(qū)拖輪設(shè)備及作業(yè)條件，通過(guò)研究設(shè)計(jì)油耗監(jiān)控系統(tǒng)，采集所需拖輪運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立一種油耗數(shù)據(jù)分析與單船節(jié)油考核的方法，并提出拖輪節(jié)油降耗措施，為港口拖輪企業(yè)管理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：拖輪;油耗監(jiān)控;節(jié)油降耗

中圖分類號(hào)：U676.3? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）10-0053-02

拖輪作為港口的重要組成部分，主要承擔(dān)著輔助貨船進(jìn)出港、護(hù)航、拖帶、搜救、消防等任務(wù)，進(jìn)而保障港口安全生產(chǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而拖輪航行離不開(kāi)充足的燃油供給。目前黃驊港煤炭港區(qū)共配備拖輪12艘，按馬力可分為3類：2艘3200HP、5艘4000HP、5艘5200HP，其中，兼消防功能8艘，兼溢油回收功能1艘。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近5年該港區(qū)拖輪年平均燃油消耗量2275噸，年均燃油成本約1365萬(wàn)元，折算排放CO2約7248噸。本文基于黃驊港煤炭港區(qū)作業(yè)環(huán)境和拖輪作業(yè)特點(diǎn)，對(duì)拖輪節(jié)油降耗管理進(jìn)行研究，在全面監(jiān)控運(yùn)行油耗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)梳理和分析，進(jìn)而提出合適的節(jié)油降耗措施。

1油耗監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為全面深入地研究拖輪節(jié)油降耗管理，需設(shè)計(jì)一套合適的油耗監(jiān)控系統(tǒng)，其基礎(chǔ)功能有兩個(gè)，一是采集拖輪各耗油設(shè)備的油耗數(shù)據(jù)，二是采集拖輪作業(yè)時(shí)航速、主機(jī)轉(zhuǎn)速等航行數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)不同作業(yè)工況下拖輪油耗情況進(jìn)行自動(dòng)分析^[1]。

首先，需對(duì)燃油管路進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)油耗數(shù)據(jù)的采集。拖輪上消耗燃油的設(shè)備有2臺(tái)主機(jī)、2臺(tái)副機(jī)和1臺(tái)鍋爐，每臺(tái)設(shè)備均有進(jìn)油和回油兩個(gè)油路，燃油自日用燃油儲(chǔ)存柜經(jīng)濾器過(guò)濾后進(jìn)入設(shè)備，一部分燃油被燃燒消耗掉，剩余部分燃油經(jīng)回油管回到日用燃油柜，因此每臺(tái)設(shè)備的瞬時(shí)油耗應(yīng)為進(jìn)油量與回油量的差值，各設(shè)備瞬時(shí)油耗的和即為拖輪當(dāng)前時(shí)刻油耗量。為實(shí)現(xiàn)拖輪燃油消耗情況的精準(zhǔn)計(jì)量和分析，應(yīng)對(duì)燃油管路進(jìn)行改造，合理選用和布置燃油流量計(jì)^[2]。經(jīng)研究，改造方案主要可分為兩種，一是所有設(shè)備統(tǒng)一測(cè)量進(jìn)、回油，二是對(duì)各個(gè)設(shè)備分別測(cè)量進(jìn)、回油。前者需要對(duì)日用燃油柜進(jìn)行改造，優(yōu)點(diǎn)是只需要兩個(gè)流量計(jì)，改造費(fèi)用相對(duì)低，缺點(diǎn)是無(wú)法對(duì)各設(shè)備油耗狀況進(jìn)行監(jiān)控;后者對(duì)多處管路進(jìn)行改造，優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)各設(shè)備油耗單獨(dú)計(jì)量，便于數(shù)據(jù)分析，缺點(diǎn)是需要多個(gè)流量計(jì)，改造費(fèi)用相對(duì)高。進(jìn)一步分析，從設(shè)備油耗量來(lái)看，由大到小依次是兩臺(tái)主機(jī)、二臺(tái)副機(jī)和一臺(tái)鍋爐，其中主機(jī)油耗對(duì)全船油耗起決定性作用，因此在監(jiān)控設(shè)備油耗時(shí)可以突出重點(diǎn)，選擇性進(jìn)行合并，具體改造方案如圖1所示。圖中虛線框內(nèi)為流量計(jì)組，具體包括1個(gè)流量計(jì)、1個(gè)濾器和3個(gè)截止閥，當(dāng)流量計(jì)維修或故障時(shí)可以通過(guò)開(kāi)關(guān)閥門進(jìn)行旁通。本方案共計(jì)布置6個(gè)流量計(jì)組，其中兩臺(tái)主機(jī)進(jìn)口各1個(gè)，兩臺(tái)主機(jī)回油合并用1個(gè)，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組進(jìn)油和回油分別合并用1個(gè)，鍋爐用1個(gè)。

其次，關(guān)于燃油流量計(jì)選用，為確保測(cè)量精度，通常可選用質(zhì)量式或容積式流量計(jì)。經(jīng)研究本文選取兩種流量計(jì)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)：一種是質(zhì)量流量計(jì)，品牌E+H，型號(hào)DMF-1-5B，它是利用流體在振動(dòng)管中流動(dòng)而產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科氏力的原理來(lái)直接測(cè)量質(zhì)量流量，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度較高，能夠直接輸出質(zhì)量流量數(shù)據(jù)，但其對(duì)安裝環(huán)境要求較高，應(yīng)安裝穩(wěn)固，避免振動(dòng)，遠(yuǎn)離熱源、磁場(chǎng)、泵出口等;另一種是容積流量計(jì)，品牌Aquametro，型號(hào)VZF（A）-II，它是利用流體壓差驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)計(jì)量流體經(jīng)過(guò)內(nèi)部恒定容積的腔室次數(shù)，來(lái)測(cè)量體積流量，其優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)單，對(duì)安裝環(huán)境要求相對(duì)較低，但其低流量時(shí)測(cè)量精度不穩(wěn)定。結(jié)合拖輪作業(yè)性質(zhì)和特點(diǎn)，機(jī)艙環(huán)境通常振動(dòng)較大，空間較為狹小，設(shè)備及管路布置緊湊，主副機(jī)怠速時(shí)燃油流量較穩(wěn)定。綜上，流量計(jì)選用VZF（A）-II型容積式流量計(jì)，流量計(jì)口徑應(yīng)能滿足設(shè)備最大供油量。

再次，為分析拖輪油耗與拖輪航行狀態(tài)的關(guān)系，還需測(cè)量拖輪船位、航速、航程、主機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。拖輪船位信息可通過(guò)接入船載GPS或北斗定位數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算可獲取拖輪航速及航程數(shù)據(jù)。主機(jī)轉(zhuǎn)速可通過(guò)在主機(jī)輸出軸系合適位置安裝轉(zhuǎn)速探頭，將信息傳輸至智能油耗監(jiān)控終端。此外，為確保系統(tǒng)完整性，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)聯(lián)通運(yùn)行，還應(yīng)配備數(shù)據(jù)采集模塊、監(jiān)控顯示模塊、無(wú)線傳輸模塊、電源模塊、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、平臺(tái)軟件系統(tǒng)等。

2 拖輪油耗影響因素分析

油耗監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)實(shí)施完畢后，在運(yùn)行中會(huì)積累大量油耗相關(guān)的數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)分析，為拖輪節(jié)油降耗管理提供幫助，下面以某拖輪一段時(shí)間的油耗相關(guān)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析說(shuō)明。

某拖輪一次作業(yè)任務(wù)為協(xié)助2艘貨船進(jìn)港靠泊、1艘貨船出港離泊，作業(yè)自2300拖輪離開(kāi)碼頭開(kāi)始，至0200拖輪停靠碼頭結(jié)束，總共歷時(shí)約3小時(shí)，其簡(jiǎn)化航跡如圖2所示。

圖中帶箭頭實(shí)線為拖輪示意航行軌跡，為便于分析，將整個(gè)作業(yè)過(guò)程拖輪的工作狀態(tài)分為四類，分別是航行、伴航、頂推、拖拽。結(jié)合圖中線號(hào)，對(duì)應(yīng)每段作業(yè)內(nèi)容及工作狀態(tài)，見(jiàn)表1。

經(jīng)油耗監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)出，本次作業(yè)拖輪航速、油耗率、主機(jī)轉(zhuǎn)速與時(shí)間和工作狀態(tài)關(guān)系如圖3所示。

圖中，上方虛線為主機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)線為拖輪航速，點(diǎn)劃線為拖輪瞬時(shí)油耗率?？梢钥闯觯陷営秃拇蠓龃蟪霈F(xiàn)在A、B、C、D四個(gè)時(shí)間段，其中A、C為進(jìn)港貨船靠泊頂推工作狀態(tài)，D為出港貨船離泊拖拽工作狀態(tài)，B為航行狀態(tài)。經(jīng)分析，A、C、D段，拖輪處于頂推或拖拽狀態(tài)，此時(shí)拖輪對(duì)貨船出力做功，主機(jī)轉(zhuǎn)速升高，但由于貨船移動(dòng)緩慢，拖輪航速較低，且由于該港貨船均為空載進(jìn)港、滿載離港，導(dǎo)致D段較A、C段主機(jī)轉(zhuǎn)速和油耗都偏高，此外貨船噸位也與拖輪油耗成正相關(guān)。B段，拖輪處于航行狀態(tài)，但較其他時(shí)間段航行狀態(tài)油耗明顯增高，觀察得知，該段主機(jī)轉(zhuǎn)速和拖輪航速均大幅升高，經(jīng)分析，該段拖輪協(xié)助第一艘進(jìn)港船靠泊完畢，在前往第二艘貨船途中，拖輪為保證貨船進(jìn)港連續(xù)，采取了加速航行措施，導(dǎo)致油耗升高。

綜上，影響拖輪油耗的主要指標(biāo)有兩個(gè)，一是拖輪航速，二是主機(jī)轉(zhuǎn)速，其數(shù)值反映在拖輪的不同工作狀態(tài)中。此外，根據(jù)實(shí)際分析，還有其他輔助影響因素，一是作業(yè)實(shí)際中，水文氣象環(huán)境等客觀因素，如風(fēng)速、風(fēng)向、潮流、冰況等;二是主機(jī)等設(shè)備狀態(tài)，如高壓油泵、噴油器性能等^[3]。

3 節(jié)油降耗措施制定

為加強(qiáng)拖輪節(jié)油降耗管理，應(yīng)結(jié)合油耗影響因素研究制定相應(yīng)措施，具體有如下幾點(diǎn)：

一是規(guī)范拖輪航速管理。航速是影響油耗的關(guān)鍵因素之一，據(jù)研究船舶勻速直線航行時(shí)，油耗與航速立方成正比，而航速直接由駕駛員操縱控制，屬人為因素，合理限制航速可大幅降低油耗。例如規(guī)定在確保生產(chǎn)和安全前提下，港池內(nèi)航速不超8Kn，航道上航速不超11Kn，作業(yè)結(jié)束返回碼頭時(shí)不超7Kn等^[4]。

二是規(guī)劃好拖輪調(diào)派。生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，通常是多艘貨船同時(shí)進(jìn)出港，且每艘貨船一般都至少需要兩艘拖輪，因此多艘拖輪共同作業(yè)是常態(tài)。合理調(diào)派拖輪，例如應(yīng)避免拖輪長(zhǎng)時(shí)間等靠，拖輪作業(yè)就近的優(yōu)先選用，同一艘貨船優(yōu)先選用相同馬力拖輪，貨船噸位大宜選用大馬力拖輪，接送引航員宜選用小馬力拖輪等。

三是合理控制主機(jī)轉(zhuǎn)速。在拖輪頂推和拖拽作業(yè)狀態(tài)時(shí)，拖輪須根據(jù)貨船駕駛員指令調(diào)整出力大小，此時(shí)主機(jī)轉(zhuǎn)速是直接影響因素，不合理地提高主機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)增加油耗，也會(huì)對(duì)作業(yè)造成安全風(fēng)險(xiǎn)，駕駛員應(yīng)熟知拖輪性能，根據(jù)作業(yè)狀態(tài)調(diào)整主機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)于額定轉(zhuǎn)速為750rpm的主機(jī)，一般要求主機(jī)轉(zhuǎn)速控制在600rpm以下，能夠滿足絕大部分作業(yè)要求。

四是加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)。應(yīng)根據(jù)船舶運(yùn)行狀況，合理安排拖輪日常保養(yǎng)和航修工作，及時(shí)解決設(shè)備故障，確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，避免因機(jī)械故障導(dǎo)致油耗異常偏高。輪機(jī)長(zhǎng)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)備維修保養(yǎng)計(jì)劃，定期對(duì)主機(jī)、輔機(jī)、鍋爐等設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，保證設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳章林，王國(guó)強(qiáng). 港作船舶燃油消耗實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J]. 港口科技，2013（1）：22-24，41.

[2]魏小星， 徐軼群， 郭濤. 船舶油耗遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 船電技術(shù)， 2015， 35（010）：45-49.

[3]肖慶功，劉海濤，柴垠潔. 港作拖輪油耗測(cè)試與降耗措施——以錦州港輪舶公司為例[J]. 遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，38（1）：61-63.

[4]黃斌華. 淺析全回轉(zhuǎn)拖輪節(jié)能降耗措施[J]. 天津航海，2020（2）：58-59.