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摘要：就船用设备而言，主机的燃油消耗占据了船舶营运成本的很大一部分，因此船舶主机的节能尤为重要。船舶在航行时，必须的能量形式是动能、电能和热能。供应这些能量的装置是推进装置、发电装置和供气装置，这三个装置都直接消耗燃料。以柴油机船为例，直接耗用燃料的设备是柴油主机、发电柴油机和辅助锅炉。其中，船舶主机所消耗的能量占总能量的70～90％。基于此，本文主要对船舶最低单位距离油耗航速及控制系统进行分析探讨。
关键词：船舶；最低单位距离；油耗航速；控制系统
前言
船舶的速度性能是营运船舶的重要技术性能之一，船舶航行速度对船舶的航行安全、企业的营运效益以及节能降耗有着重大的影响。近年来，随着国际油价不断攀升，燃油成本已成为船舶运输成本中最大的一项。在目前航运业市场低迷、运力过剩的境况下，控制成本是航运企业提高经济效益的必然选择。为船舶制订经济航速航行方案，获得最佳综合经营效益，是航运企业急需解决的重要课题。
１、现有船舶航速优化节能方法概述
现有船舶主要从运行中的船舶主机、船机桨、球鼻艏、船舶阻力、营运情况等方面进行营运航速的优化，从而达到节能的效果。
１．１船舶主机及系统对航速优化节能的影响
船舶航行时，为其提供能量的主要设备是推进装置、发电装置和供气装置，这些装置也是船舶耗能的主要来源。以柴油机船为例，直接耗用燃料的设备是柴油主机、发电柴油机和辅助锅炉。其中，主机所消耗的能量占总输入能量的７０％～９０％。现行的降低主机燃油消耗的措施主要包括两方面。
１）通过减少主机燃油消耗转换从而降低燃料消耗率。
２）减少船舶所需的推进功率和营运功率等。例如采用经济航速和减速航速，在航行时利用风力、潮流缩短航行时间和降低主机功率，确定合理的航线和航速等。结合船公司的实践证明，采用“２）”中的措施可以有效地降低主机的燃料消耗量，提高船舶的营运效益。
１．２船体对航速优化节能的影响
除了对船上主机等机械设备进行优化外，对船体进行改进也是提高船舶营运效益的一个重要方面。比如从船体线型入手，通过改进球鼻艏减小船舶拖拽阻力。在目前燃油成本居高不下、慢速航行的大趋势下，部分船公司（如马士基和现代商船）已于２０１３年缩小了旗下船舶球鼻艏的尺寸，从而减小了兴波阻力，降低了航次的燃油成本（预估可综合节约燃油成本约４％～６％）。另外，可以在螺旋桨外围或前面安装导流管、采用优质船体涂料，这些方式都可以显著减小船体表面摩擦阻力，从而降低主机消耗的功率，最终实现节能。
２、船舶营运航速优化模型设计
基于能效管理的船舶航速优化模型设计思路主要是通过船舶营运的参数计算得出船舶按照单位距离油耗最低时的航速和船舶营运成本最低时的航速。由于最低营运费用航速是以最低成本为导向的，最低单位距离油耗航速是以燃油油耗最优为导向的，而一个航次要综合考虑航次利润、船舶准班率等综合动态，因此需要结合航线航次历史数据，比较与修正航速，指导船舶在这两个航速间进行航行，从而达到节能效果。在分析船舶单位距离油耗最低时的航速时，主要根据船舶运行数据（如机舱监测数据、主机转速数据，液位，ＧＰＳ、ＡＩＳ等），对典型运输船进行不同装载状态（满载、压载）、不同吃水差、不同航速条件下的模型试验；根据船舶所在位置确定与目的港的距离和航行时间，通过与同航线其他航次的历史信息进行对比不断修正，得出最低单位距离油耗航速。
在最低营运费用航速的模型设计中，主要考虑船舶营运的经济成本，包括船舶固定费用、变动费用以及航次收入等费用，并结合主机功率等信息，计算其经济航速。
船舶主机单位时间的有效功率为：
主机单位时间的耗油量
主机单位距离的耗油
船舶在航行过程中，船舶航速与主机转速的关系为
式（１）～式（４）中：［ＣＴＳ］Ａ为船舶实际总的阻力系数；ｗ为伴流分数；Ｊ为实桨进速系数。
则
式（５）中：ηＳ为轴系传送效率；ρ为水密度；Ｓ为船体浸湿表面积，这些参数在船舶航速改变前后几乎不变，可以视为常数。
在船舶柴油机ｇｅ—ｎ特性曲线上取９个点，设船舶主机最高额定转速为Ｎｅ，可以得到主机各转速对应的耗油率。根据公式（６）计算得到主机在各个转速下对应的单位距离耗油量和航速。
根据船舶实船性能曲线可以读出船舶在不同航速下的Ｊ值，结合船舶航速变化前后伴流分数和船舶阻力系数的变化，可以计算出：
Ｑａ＝１１４．８ＫＮ２ｅ，Ｑｂ＝９８ＫＮ２ｅ，Ｑｃ＝９３．６ＫＮ２ｅ，Ｑｄ＝５１．１ＫＮ２ｅ，Ｑｅ＝４３．６ＫＮ２ｅ，Ｑｆ＝４１ＫＮ２ｅ，Ｑｇ＝２１．６ＫＮ２ｅ，Ｑｈ＝１８．９ＫＮ２ｅ，Ｑｉ＝２２．４ＫＮ２ｅ
由此可以得出结论：在船舶降速航行过程中，船舶主机单位距离油耗量随航速的降低而减少，并出现一个最小值。如果主机转速低于最低单位距离油耗对应的主机转速，此时降低航速，主机单位距离油耗量会增大。
在上述分析过程中，船舶最低单位距离油耗航速Ｖ指的是船舶与水的相对航速，而船舶最低单位距离油耗对应的相对于地面的航速应当是Ｖ１＝Ｖ＋Ｕ。Ｕ为水流速度，逆水航行时取“－”，顺水航行时取“＋”。事实上，当船舶主机转速低于低限功率转速时，降低主机转速会引起主机单位距离油耗量增大。
３、船舶航速优化系统设计
系统总体结构见图１，主要由船舶监控、经济航速效益、船舶综合性能、水文天气研究等构成。基于能效管理的船舶航速优化系统功能模块主要有：船舶监测管理、经济航速效益管理、船舶综合性能管理、能耗数据分析、系统管理。
图1
３．１船舶监控管理
船舶监控管理模块主要负责根据系统经济航速效益模块中的历史数据，确定主机转速范围；接收航区及航期指令，由其计算分析得出的最慢航速确定主机最低转速，并结合船舶设定的主机转速范围，确定船舶航行时的主机转速范围。
综合主机系统、滑油系统、燃油系统监测航速。当主机稳定运行于最低油耗转速以后，接收船舶航速信号，并判断航速变化是否超过设定值。如果超过设定值，启动航速修正模式；如果没有超过设定值，则继续接收船舶航速并判断。同时，进行数据的收集（如机舱监测报警系统、ＧＰＳ或ＡＩＳ等）工作，并将收集的数据进行统一处理，存储至数据库中。
３．２经济航速效益管理
自动更新历史数据库中该航线的历史信息，录入船舶航线收入、利润、费用等综合信息，计算船舶经济航速及主机最低油耗功率。船舶主机由已确定的主机转速范围内的最低转速开始运行，经过设定的单位时间，接收船舶航速信号和油耗信号，由船舶的航速以及油耗量计算出单位距离油耗量，并记录该单位距离油耗量对应的主机转速及航速。
３．３能耗数据分析
通过此模块，将实际已发生航次的结果与按照经济航速计算出来的理论结果进行对比：
（１）可以直观地看出经济航速条件下的所获得的最优利润、燃油成本等信息，对实际航行起到有效的指导；
（２）可以发现计算模型中存在的问题，从而对计算模型的参数因子进行调整，实现模型的调优。
３．４船舶综合性能管理
记录船舶的船型、航线水文、天气等信息状况，以供系统今后进行模型优化、分析和积累数据。
３．５系统管理
系统管理模块主要针对系统基础信息（包括权限、人员、接口、基础信息）的管理而设计。
４、结语
介绍了一种船舶最低单位距离油耗航速和船舶最低营运成本航速系统的设计，该控制系统可以通过实时、实地进行航行检测的方式，找到最准确的主机节能转速，并控制主机运行于该转速下，从而在对现有的船舶进行微小改进的基础上，实现节能降耗的目的。
参考文献：
[1]马宁，秦珩.基于PLC的调距桨控制系统的设计[J].船电技术，2015（8）：61-65.
[2]王国近，王炅，戴金鹏，等.船舶可调桨螺距模糊PID控制器设计[J].舰船科学技术，2017（7）：100-105.
论文作者:雷陪1,龙洁2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/7/30
标签：航速论文; 船舶论文; 主机论文; 油耗论文; 转速论文; 单位论文; 最低论文; 《基层建设》2019年第11期论文;