勘探船舶吃水及姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)研究

賈旭東 李志雨 張楚銀

摘要：勘探船舶在營運過程中由于油水消耗、固定裝載變動以及結(jié)冰等情況導(dǎo)致船舶吃水和傾角發(fā)生變化，而這些變化會對船舶安全性、操縱性和經(jīng)濟性產(chǎn)生不利的影響。該文在深入分析這些不利影響的基礎(chǔ)上，提出一種充分利用勘探船現(xiàn)有裝置并加裝一個中央控制單元形成一套適合勘探船舶使用的吃水及姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)，對船舶進行壓載水的壓、排，燃油艙及淡水艙的動態(tài)調(diào)配，保證船舶姿態(tài)及吃水保持在適合的狀態(tài)，從而保證船舶運營的經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：勘探船舶 ?吃水 ?姿態(tài) ?調(diào)整系統(tǒng)

中圖分類號：U663文獻標識碼：A???文章編號：1672-3791（2021）05（b）-0000-00

作者簡介：賈旭東（1972—），男，學(xué)歷，工程師，研究方向為船舶裝備管理。

船舶吃水和姿態(tài)對船舶的操控性、安全性、經(jīng)濟性及舒適性影響重大。良好的船舶吃水狀態(tài)和船舶姿態(tài)能夠有效提高船舶操控性能、降低運營能耗、提高船舶運營經(jīng)濟效益。

勘探船舶作為海上勘探作業(yè)的工作平臺，其高效節(jié)能的運行，對于降低勘探成本、保護海洋環(huán)境，意義重大。

1 ?勘探船舶營運特點

勘探船舶是指從事海洋工程物探與測繪、工程地質(zhì)取樣（芯）與原位測試的專業(yè)船舶，包括工程物探、工程地質(zhì)鉆探船和綜合勘察船。

勘探船舶的特點有：（1）船舶上專業(yè)設(shè)備較多，船體結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，其壓載水艙、燃油艙和生活淡水艙較多且分布較廣;（2）船舶重心較高，初穩(wěn)性高余量相對較小;（3）勘探船舶的載重主要是可變甲板載荷（專業(yè)設(shè)備）、燃油、淡水及生活物資等;（4）海上勘探作業(yè)時，其船舶載重的變化較為規(guī)律。

2 船舶吃水及姿態(tài)對勘探船舶性能的影響

2.1對操控性的影響

2.1.1 船舶吃水對操控性的影響

船舶吃水增加時，舵力的旋回阻距增加，船舵的轉(zhuǎn)船力矩降低，通過重心豎軸的轉(zhuǎn)動慣量增加，致使初始旋回減慢，船舶縱距、橫距及旋回初徑均增加;船舶吃水過淺，會使舵力降低，致使船舵的轉(zhuǎn)船力矩減小，船舶的旋回性能降低，旋回初徑增加;同時，過淺的吃水，會使船舶浮心降低，船舶穩(wěn)性變差，影響船舶舒適度及船舶安全。

2.1.2 船舶姿態(tài)對操控性的影響

（1）船舶橫傾：船舶在起航和低速航行時，因船舶兩側(cè)浸水面積不等，受到水的摩擦阻力不同，浸水面積大的一側(cè)（即船舷低的一側(cè)）水阻力大，在阻力-推力轉(zhuǎn)矩的作用下，船舶向低舷側(cè)轉(zhuǎn)回。

船舶高速航行時，因低舷側(cè)吃水較高，形成的船艏興波大于高舷側(cè)，兩舷壓力差指向高舷側(cè)，此時，首波峰壓力轉(zhuǎn)矩起主要作用，船艏會向高舷側(cè)偏移。

（2）船舶縱傾：一般當船舶艏傾時，船舶的旋回初徑減小;船舶艉傾時，船舶旋回初徑增大。

2.2 對安全性的影響

船舶吃水及姿態(tài)對船舶安全性影響主要體現(xiàn)在對船舶穩(wěn)性方面。另外，船舶操控性能的優(yōu)劣，直接影響船舶航行安全。特別是在惡劣天氣、復(fù)雜海域航行及避碰時尤為重要。

船舶在營運過程中油水的消耗導(dǎo)致船舶吃水減小，且重心通常升高，導(dǎo)致船舶受風面積增加，初穩(wěn)性高降低，穩(wěn)性性能變差。當船舶產(chǎn)生較大初始橫傾角時，船舶的穩(wěn)性力臂曲線下面積減少，船舶靜穩(wěn)性和動穩(wěn)性性能變差。

2.3 對經(jīng)濟性的影響

船舶的經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在燃油消耗量上。船舶的燃油大部分是用來克服船舶阻力，推動船舶航行所消耗掉的。

2.3.1 ?吃水對經(jīng)濟性的影響

船舶阻力由摩擦阻力、粘壓阻力和行波阻力組成，低速船（傅汝德數(shù)r<0.18），船舶的阻力主要是摩擦阻力，占70%～80%，粘壓阻力占10%以上，而興波阻力很小。而高速船（傅汝德數(shù)r>0.3）， 興波阻力所占比重明顯提高，占40%～50%，摩擦阻力占到50%，而粘壓阻力所占的比例為5%。民用船大部分屬于中、低速船舶。

根據(jù)傅汝德數(shù)的計算公式：

中海油服某型二維勘探船，其最高船速為15節(jié);船長為84.6 m，其傅汝德數(shù)為：

是一艘低速的船舶，其船舶阻力主要來自于摩擦阻力。

船舶的摩擦阻力主要取決于船體的浸水面積，即船舶吃水。吃水過深，船舶摩擦阻力增大，導(dǎo)致船舶油耗增加，船舶運行經(jīng)濟性降低。

2.3.2 ?縱橫傾對船舶經(jīng)濟性的影響

船舶縱橫傾時導(dǎo)致船舶能耗損失的情況主要包含兩個方面：一是船舶縱橫傾會在一定程度上增加船舶的航行阻力，導(dǎo)致所需要的推進功率增加;二是船舶縱橫傾會影響船舶的操縱性和舵效，增加航行過程中人為操縱干預(yù)，從而增加船舶能耗消耗。

海軍大連艦艇學(xué)院吳明等采用數(shù)值計算和模型試驗的手段對船舶幾種浮態(tài)下的阻力規(guī)律進行了研究，表明船舶在不同程度的艏傾、艉傾和橫傾下，船舶阻力均有一定程度的增加，且傾角越大，阻力增加越大，在高航速下更加明顯。

船舶艏傾時，船艉舵和推進器入水過淺，舵效降低，船艏受阻力增加， 操縱性能差，增加船舶能耗。

船舶平吃水時，空載船舶整體吃水小，船舵和推進器入水淺，致使船身受風面積增大，船舶航行阻力增加，船舶操縱性和快速性差，增加船舶能耗。

船舶艉傾時，船艉吃水較大，船艏上翹，受風面積增大，尤其在船舶受橫風時，船艏受風影響較大，船舶的舵效減弱，船舶操縱性變差，且過大時會增加船艏盲區(qū)，影響船舶安全。

3 勘探船舶吃水及姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)

3.1 設(shè)計思路

勘探船舶的姿態(tài)及吃水的改變主要是因燃油的駁運、消耗、淡水的使用所引起，如在冰區(qū)航行時不對稱結(jié)冰也會對船舶姿態(tài)產(chǎn)生較大的影響。通常，調(diào)整船舶姿態(tài)及吃水的是通過人工對壓載艙進行壓載來實現(xiàn)的。當壓載艙壓滿后（此時船舶吃水只能慢慢減少），則采用調(diào)換使用不同區(qū)域的油艙、淡水艙;或進行不同油、水艙間的調(diào)撥來實現(xiàn)船舶的姿態(tài)調(diào)整。但是受操船人員的意識及工作態(tài)度的影響，船舶吃水及姿態(tài)沒有特別明顯的偏差時，往往操作人員不會主動進行調(diào)整。這樣無形中會增加船舶能耗，進而增加海上勘探成本。

國內(nèi)近幾年新建造的勘探船舶油水艙均安裝有液位遙測裝置，相應(yīng)的管路上安裝有閥門遙控裝置，可以實現(xiàn)液位的遠程時事監(jiān)測，液艙使用及轉(zhuǎn)換可以通過閥門遙控系統(tǒng)實現(xiàn)遠程遙控操作，非常便捷。為了方便檢查船舶吃水狀況，在船舶左右舷側(cè)及艏艉部均安裝有吃水測量裝置。

結(jié)合上述兩方面綜合考慮，勘探船舶上可在充分利用現(xiàn)有裝置、不增加太大投入的前提下進行集成優(yōu)化，通過加裝一個中央控制單元便可形成一套適合勘探船舶使用的吃水及姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)。該裝置可根據(jù)船舶艏、艉及舷側(cè)安裝的吃水測量裝置感知船舶吃水及船舶姿態(tài)，據(jù)此并按照內(nèi)置的算法對船舶進行壓載水的壓、排操作，燃油艙及淡水艙的調(diào)配使用，保證船舶姿態(tài)及吃水保持在適合的狀態(tài)，從而保證船舶運營的經(jīng)濟性，降低生產(chǎn)成本。

3.2 吃水及姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的組成

圖1為吃水及姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)組成。

其具體內(nèi)容如下：（1）中央處理裝置：包括控制、顯示、報警等單元，用于控制、監(jiān)測和顯示系統(tǒng)的運行;（2）船舶吃水檢測裝置：用于檢測船舶吃水狀態(tài);（3）壓載水系統(tǒng)：設(shè)置有回流或旁通管路，管路上安裝有可控制開度的遙控閥門;用于向壓載艙壓、排壓載水;（4）燃油駁運系統(tǒng)：設(shè)置有回流或旁通管路，管路上安裝有可控制開度的遙控閥門;用于不同燃油油艙間的燃油駁運;（5）閥門遙控系統(tǒng)：用于控制各液艙注入、排出。旁通管路開啟和閉合用于控制液艙的轉(zhuǎn)換及控制壓載水、燃油和淡水打入和排出的速度;（6）液位遙測系統(tǒng)：用于檢測各液艙的實際裝載情況;（7）船舶姿態(tài)檢測裝置：用于檢測船舶姿態(tài)，即船舶橫傾和縱傾狀況，可使用姿態(tài)傳感器和傾角傳感器。

3.3 工作原理及工作過程

3.3.1 工作原理

中央處理裝置內(nèi)的存儲單元內(nèi)存入正常運營中較為經(jīng)濟的吃水和姿態(tài)的數(shù)值，其是在保證船舶穩(wěn)性、舒適性及作業(yè)安全的前提下得到的一個吃水范圍值，是在船舶設(shè)計時規(guī)定/設(shè)定的。

橫傾設(shè)定值為：?±1°進行油水艙轉(zhuǎn)換使用;±1.5°系統(tǒng)進行壓載或油水調(diào)駁操作。

縱傾設(shè)定值為：等于30或50cm時，進行油水艙轉(zhuǎn)換使用;小于25或大于55cm時，系統(tǒng)進行壓載或油水調(diào)駁操作。

根據(jù)各液體艙的容積和容積形心隨液面高度變化的計算表（或艙容要素曲線圖），包括液面不同高度時的體積及其形心坐標、及邊艙的。將該艙容形心計算表中的不同艙容對應(yīng)的形心距離縱軸距離和距離橫軸距離提取出來，單獨形成一形心力臂表，并將此表存儲在中央處理裝置的存儲單元內(nèi)。

船舶每次補給完成后，在船舶姿態(tài)正常時，中央處理裝置會根據(jù)液艙的液位、密度及形心力臂表計算出船舶中縱線左、右液艙對船舶中縱線的力矩，以及船中前、后液艙對船中的力矩，即：

隨著油水消耗，船舶姿態(tài)出現(xiàn)超過或等于設(shè)定值的偏差時，系統(tǒng)會根據(jù)液艙的液位變化，計算出此時液艙的力矩差值與正常姿態(tài)時的力矩差值的變化量。結(jié)合各艙的液位、密度及形心力臂表計算，系統(tǒng)會按照3.3.2節(jié)中所述的調(diào)整邏輯規(guī)劃出最佳的調(diào)整方案并據(jù)此方案進行調(diào)整。系統(tǒng)會依據(jù)調(diào)整方案所涉及的水泵、油泵排量，計算出調(diào)整所需的時間并顯示在顯示單元上。船舶姿態(tài)傳感器和船舶吃水傳感器會實時將測量數(shù)據(jù)反饋給中央處理裝置，控制系統(tǒng)的啟停。

勘探船舶的壓載水系統(tǒng)和燃油駁運系統(tǒng)、船舶吃水檢測裝置、各液艙的液位遙測裝置、閥控系統(tǒng)和船舶姿態(tài)傳感器電連接到中央處理裝置上，使其集成為一個自動控制系統(tǒng)，通過壓載艙的壓載和排出并輔以船舶油水液艙合理的調(diào)配使用，從而實現(xiàn)船舶吃水和船舶姿態(tài)的調(diào)整，保證船舶具有良好的船舶吃水及船舶姿態(tài)，是船舶具有良好操控性、舒適性的前提下，有效降低船舶能耗，節(jié)約勘探成本。

4 結(jié)語

隨著科技的進步，船舶信息化、智能化水平大幅度提高是大勢所趨，精細化管理要求我們要著眼于船舶的各個環(huán)節(jié)，找到能夠降本增效、節(jié)能環(huán)保的好舉措、好方法。

勘探船舶吃水及姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)考慮到勘探船舶現(xiàn)狀，在不增加太大投入的前提下上，對船舶現(xiàn)有系統(tǒng)進行了有機的整合，實現(xiàn)了船舶吃水及姿態(tài)的自動控制和調(diào)整，有效地提高了船舶運行的經(jīng)濟性，燃油消耗量的降低對于海洋環(huán)境的保護也有重大意義。

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