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一种船舶经济航速实测方法

摘要:通过推导燃油耗量与航速的数学关系,得出确定船舶经济航速的理论依据。针对理论计算中存在的困难和船舶实际航行中的不确定因素,提出确定燃油最低费用航速的实测方法。实船测量验证和结果对比分析表明,该测量方法操作简单,确定的经济航速节能效果明显,具有一定的实用性和推广价值。

关键词:船舶;节能减排;经济航速;实测方法

一、引言

为实现节能减排和绿色航运的目标,航运企业按照公约要求为所有船舶制订了符合本船实际并获得主管部门批准的船舶能效管理计划 ( SEEMP ),包括实现船舶营运燃油能效的最佳操作,以及计划、实施、监测、评估与改进等管理要求。在航运市场不景气时,船舶使用经济航速运行是一种普遍采用的节能方式。当前航运市场对时间要求不高,在不需要额外投入的情况下,如何利用现有条件进一步挖潜,找到更加合理的经济航速,是行业比较关注的问题。本文基于对经济航速的理论分析,结合实际航行经验对经济航速测量方法进行研究和分析。

二、燃油耗量与航速的关系

根据对船舶不同航速的评价要求,一般将运营船舶的经济航速分为最低油耗率航速、最低燃油费用航速和最高盈利航速等三种形式[1]。三种形式的营运船舶经济航速分别适用于不同的航运市场和航线要求,航运成本组成成分的侧重点不同。经济航速主要是指最低燃油费用航速,与船舶耗油量、航速和载重相关,常用“千克 ( 克 )/海里吨”为单位表示。最低燃油费用航速主要是通过控制主机燃油最低单位消耗量来实现的。船舶燃油消耗总量 ( Q总 ) 主要由主机消耗量 ( Q主 )、副机消耗量 ( Q副 ) 、锅炉和焚烧炉消耗量 ( Q炉 ) 组成。一般地,在定速航行时,副机 ( 发电机原动机 ) 主要提供保证船舶正常航行所需要的电能,每天的电力需求基本上是一个定值。因此副机每天的燃油消耗也是一个定值,并且每天消耗量不到船舶总消耗量的十分之一,占比较低。正常航行时主要使用废气锅炉,一般不使用辅锅炉;船舶污油焚烧需要消耗一些燃油,由于有些港口提供免费污油排岸服务,船舶可不焚烧污油,也就不因此消耗燃油。所以船舶燃油消耗主要是主机的燃油消耗。船舶航速与主机的转速成正比,主机的燃油消耗与负荷成正比,主机负荷与转速的三次方成正比[2]。燃油消耗总量的计算公式为

 从式 ( 7 ) 可以看出,燃油的单位航速消耗量是船舶航速的二次函数。根据函数的性质,Q单会有一个与航速对应的最低值,这个值就是经济航速。系数k不是主机设计时的理论数值,它是燃油发热值、主机工况和时间的函数,随着主机运行时间、维护保养程度、主机工作环境和燃油种类的影响而变化。参数L也不是常数,除随主机耗油系数k值变化外,还和滑失率ρ有关。滑失率ρ是变量,受船壳表面与水的摩擦系数、船舶方形系数、船舶载重吨、船舶吃水、风速风向以及潮流等多种因素的影响。任何一个因素的变化都会引起系数L的变化,而外部因素除了相互影响外,还随时间而变化,比如主机的工况、船壳表面的摩擦系数等随着时间的推移而变化。但在某一种特定条件下,L是一个定值。精确计算出L在某一个特定条件下的值,需要非常复杂的数学计算。因此,通过理论计算得出船舶每航次的经济航速比较困难。

三、确定燃油最低费用航速的方法探讨

确定燃油最低费用经济航速的一般方法有成本法和估算法。成本法是根据船舶航运市场先预估船舶每天的可能收益,用收益减去非燃油的船舶固定成本得出燃油成本。根据燃油市场价格算出相应燃油耗量,再参考主机厂家给出的耗油率,计算出主机转速和对应的船速。这种方法虽然比较简单,但是没有考虑到船舶外部环境因素的变化对航速的影响,计算出的经济航速不精准。估算法是根据船舶设计时给出的数据和主机燃油消耗率估算出主机转速及对应的航速,这种方法是将船舶设想成一种理想状态,没有考虑外界条件的变化对船舶的影响。这两种方法都未考虑实际情况。

经济航速所涉及的变量都可以直接或间接测取。主机的负荷可用主机的油门刻度来代替,定时测量燃油柜里燃油减少量可算出燃油的单位时间消耗量。转速可直接读取,船舶航速可从船舶计程仪或GPS中读取,也可通过转速和螺距计算出理论航速。为了更为直观地反映多组数据的测量结果,可使用EXCEL的图表功能做出曲线图。主机负荷与转速的三次方成正比,曲线的拐点对应的航速就是经济航速。单位时间耗油率与航速的平方成正比,其数学图形是一条抛物线,最低点对应的航速就是经济航速。这种方法被称为曲线法。

曲线法的优点是测量结果比较符合实际情况;由于缺少专用测量设备或仪器,需重点考虑测量精度,尽量降低人为读数误差。船舶在航行时,需要读取的数值都是变化的。为了确保测量的准确性,减少误差,应在海况较好时测量。滑失率比较固定,主机转速等参数比较稳定,测取的数据就更准确。对于燃油消耗量,如果使用流量表进行测定,要先确定流量表的准确性,另外主机油头一部分回油量不能回到日用柜;使用油柜测量法,测量期间不能进行燃油的驳运和分离工作。油柜一般较大,短时间变化量较小,测量时间间隔越长越好,至少应为单位时间的2到3倍,具体可根据船舶自身的实际情况来确定。再用除法得出单位时间的消耗量,尽量不用乘法,以减少误差。

四、实船测量操作

实测船舶是一艘1993年出厂的多用途船舶,设计载重量22 000吨。该航次 ( 105航次 ) 计划装载18 507吨杂货,于2014年7月20日从韩国马山港 ( MASAN ) 过太平洋,经巴拿马运河到科隆港和美国港口卸货。主机最大持续转速是109转/分,公司告知船舶主机以88转/分的经济航速运转,但没有告知理论依据。在船舶离港引航员离船后开始测量工作,此时船舶一般航行于港口外海,水域比较开阔,水深比较大,兴波阻力等因素对船舶的影响比较小,基本上和船舶在大洋中航行的环境一致。船舶会由港速慢慢加速至海速,利用加速过程进行数据的测取不影响船舶的正常营运。船舶在加速和航行过程中实际航速总是变化的,为了有效降低航速测取的误差,直接使用理论航速代替实际航速。因为在外界条件不变的情况下,滑失率是一个定值,理论航速与实际航速成正比,也就是“实际航速=理论航速× ( 1-滑失率 )”。随着船舶慢慢加速,主机转速达到85转/分左右时主机辅助鼓风机自动停止,此时开始正式测量程序。油门刻度值变化大些便于读取,为节省时间并减少人为读数误差,按每次两转或三转加速,从86转/分逐步加到103转/分。转速稳定后,记录下主机转速对应的油门指示刻度,用EXCEL的图表功能绘出负荷指示曲线 ( 如图1所示 )。从中可以直观看出主机在转速90到92区间负荷变化比较平缓,船舶此航次的最低燃油费用转速应在92转/分左右。具体值需进一步测量才能确定,先暂时将主机加速到90转/分。

图1 主机负荷指示曲线

为了提高精确度,停止了燃油的转驳操作,将不使用的油柜速闭阀关闭,只使用一个沉淀柜和日用柜;每个转速都稳定运行4小时左右,测量时间精确到分钟。测量数据如表1所示。

表1 实际测量数据

根据第一次测量的结果做出了油耗率曲线,如图2所示,主机转速在92转/分时油耗率最低。后来由于天气原因暂时停止了测量工作,将主机转速设定在92转/分运转。天气变好后继续分别测量了主机在90、98和103转/分的实际油耗,然后将所有的测量结果再次做出完整的耗油率曲线,如图3所示。曲线趋势没有大的变化,最低油耗率处于91转/分和92转/分之间。

图2 第一次测量的油耗率曲线

图3 完整的油耗率曲线

在第一次测量时不测量90转/分和98转/分时的数据,除了要快速得到最低燃油消耗的转速外,还可通过观察曲线变化的趋势是否连续来验证测量方法的正确性。图3表明该轮主机在91转/分或92转/分时的航速是本航次的经济航速,故将主机的转速设定在92转/分运转。如果主机负荷偏大,可将主机转速减到91转/分。

 五、实船航次耗油结果比较

该航次横跨太平洋航行,整个航程主机基本上都以92转/分运转。船舶于2014年8月14日下午到达巴拿马锚地备车,从离开韩国马山港定速航行到抵达巴拿马备车为止,主机平均转速是91.6转/分,总距离是8 170海里,船舶载重吨是18 507吨,主副机总耗油为633吨;计算实际耗油结果是 4.186 4克/吨海里。查阅该轮103航次报告,其航程是从中国泰州港横跨太平洋到巴拿马,同样走大圆航线,总距离是8 860海里,载重吨是14 876吨,整个航程主机平均转速是88.9转/分,主副机总耗油是693.1吨,计算实际油耗结果是5.258 6克/吨海里。105航次的油耗要低很多,如果按照103航次的实际耗油率,105航次总的实际油耗是795.1吨,节省燃油162.1吨,效果明显。如果忽略载重吨位这个影响船舶成本较大的因素,只考虑油耗率和里程,105航次的实际油耗率是77.478 5千克/海里,103航次的实际油耗率是78.227 9千克/海里。按照103航次的油耗率,105航次的实际油耗应为639.1吨。这样粗略的计算也可表明105航次节省了6.1吨燃油。

六、曲线法适用性和自动测量方法探讨

实船验证表明,用曲线法确定船舶经济航速是有效的,整个航次对经济航速的把控也是成功的。经济航速的确定方法并不是针对某一特定船型,而是基于船舶柴油机的特性和远洋船舶本身的性能结合数学函数关系推导得出,具有普适性。只需要测出负荷转速曲线,操作简单易行,直接利用船舶航行正常加速过程就能得出结果。如果能进一步测量耗油转速曲线来确定经济航速就更好了。在不影响船舶正常营运前提下,可以根据实际情况灵活运用。

当前,船舶科技突飞猛进,自动化程度越来越高,所需数据可以直接从系统中读取。比如瓦锡兰柴油机控制系统WECS9520或者B&W机型的MOP中都有主机负荷显示。为了更精确地找到船舶航次的经济航速,实现精准控制,可以编制程序自动采集相关参数。程序从主机流量表中采集燃油流量数据,读取计程仪或GPS中的船舶航速,采集副机燃油流量表和船舶载重量,以“克/吨·海里”为单位自动计算船舶的耗油率,并对耗油率的变化进行微积分运算。耗油率最低时对应的转速,就是当前航次的经济转速。再将此转速指令通过遥控系统发送到主机调速器控制主机转速,能够做到精准自动控制,保持经济航速运行。

七、结语

本文提出的测量船舶经济航速的曲线法,没有烦琐的计算。获得初次测量结果以后,直接测量前次结果附近两三个转速点就可以更快捷地找到当前航次的经济航速。通过实船验证,该方法容易操作且很有实效。从实际出发、实事求是是一种科学的经营管理态度和思维方式。在实际操作中不一定要按照本文介绍的曲线法教条地进行,应根据实际情况做出调整。当前航运市场不景气,最大限度地节省成本、为公司争取最大效益,是每一个航运从业者的责任和义务。鉴此,提出一种船舶经济航速实测方法供同行参考。

参考文献:

[1]詹玉龙,张兴芝.轮机长业务[M].上海:上海海事大学出版社,2007.

[2]李斌.船舶柴油机[M].大连:大连海事大学出版社,2011.

[3]郭禹.航海学[M].大连:大连海事大学出版社,2009.

作者简介:

夏明华,中波轮船股份公司,高级轮机长。

苏玉马,中海油田服务股份有限公司船舶事业部湛江作业公司,轮机长。

本文刊发于《世界海运》2020年第5期,转发须注明作者和原文出处。

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