基于能效管理的船舶航速系统优化设计

苏 一， 张倩墨

（中海网络科技股份有限公司，上海200135）

0 引 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。

在此，介绍一种基于能效管理的船舶航速优化系统，该系统可以计算船舶经济航速与船舶单位距离最低油耗航速，检测当前主机转速，并控制主机，使其运行于最准确的节能转速下。通过对现有的船舶进行微小改进，达到了节能降耗的目的。

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。

1.3 运行管理对航速优化节能的影响

在船舶运行中，机械设备的具体操作使用与日常管理对船舶节能也有着重要的影响。通过分析船舶气象导航，利用风力和潮流，缩短航行时间和降低主机功率，达到节省燃料的效果。结合历史航线的数据，归纳出航速与所遭遇风浪的关系，得出船舶失速曲线，对其进行拟合与预测，从而优化航线。提高船员的综合水平，制定节能制度，提高船员和管理人员的节能意识。

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。

2.1 船舶单位距离最低油耗航速

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。

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。

由式（6）可知，船舶在航行过程中主机单位距离油耗量与船舶推进效率、耗油率以及螺旋桨进速系数、实船阻力系数有关。

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：

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。

主机低限功率

式（7）中：m为减功度；MCR为主机最大连续功率。

减速航行时，主机工况调整后的m值与不调整主机工况时的m值是不同的。m的具体数值要视每条船舶的主机性能，从实践中确定。如以符号Vm表示主机在低限功率时的航速（相对水），则

式（8）中：V0为不减功时的船舶航速；Ne0为不减功时的主机功率。

2.2 最低营运费用航速

船舶最低营运费用航速是指在某一航次内船舶营运费用最低时的航速；船舶的营运费用是该航次内的燃油费用与其它费用的合计。

船舶航行时，每天的航行费用可以表示为

式（9）中：Cjm为每－天航行总费用；f为船舶固定费用，船舶每天分摊的利息、折旧费、保险费、管理费、船员工资、维护费（与航速无关）、润滑油费、发电机用燃油费、全船的加热采暖空调费等统称为固定费用，与航速之间并无直接关系，单位为人民币（或美元）；k为船舶功能系数，与船舶性能（螺旋桨、吃水、船体线型、航行状态等）、主发动机和推进装置型式以及燃油品种、价格等因素有关，k值一般是由实船在一定的水域进行实验、测量某些数据，然后通过计算得到的。简单地，一般根据下列算式确定。

式（10）中：U 为燃料价格，元／t；ge为主机有效耗油率，g／（k W·h）；Ne为主机有效功率，k W；V 为船舶净水速度，k m／h。

船舶在一定的航速范围内航行时，其主机的燃油消耗量与船舶的推进功率成正比，因此船舶燃料的推进费用可以表示为k V3。

设船舶航行每海里的营运费用为Cn，则

式（11）中：U为水流速度，k m／h。船舶顺水航行时取“＋”值，逆水航行时取“—”值。

如果不计船舶每天的固定费用，即f＝0，则Cn表示为航行时主机每公里燃料消耗费，即

如果船舶每天固定费用只包括发电机燃料消耗费，而不包括船舶折旧、修理提成、工资奖金津贴等费用，那么式（12）就成为船舶航行时每公里总的燃料消耗费用计算公式。

通过对式（12）求导，并令其等于零，就能得到船舶在航行过程中每公里费用最低时的航速，即

由式（13）化简得：2k V3＋3UV2－f＝0。

方程有一个实根和两个虚根，其实根为：

如果船舶按照该航速航行，那么其每公里航行费用最低或每公里总燃料费用最省。此时，该航速就称为最佳航速，用Vopt表示。与最佳航速相对应的最佳航速费用以Cn（opt）表示。

若U＝0，则式（6）为

这就是船舶在静水中的最佳航速，也称它为经济航速。

代入式（11），可求得每公里航行最低费用

由上述数学模型可知，在某段时期内，当运力相对过剩时，对船舶快速性要求不高，这时明显降低航速不会因为固定费用增加而对船舶营运的经济性造成较大影响。对于这种情况，可以使营运船舶在满足航次时间要求的前提下，按照最低单位距离油耗航速和最低营运费用航速进行航行，以达到降低航次成本和提高经济效益的目的。

3 船舶航速优化系统设计

船舶航速优化系统的设计思路是经过计算分析船舶营运航速优化模型，得出船舶营运的最优航速对应的主机转速，通过船舶航速优化系统控制主机转速，使其与该航速在航行中同步。同时，在系统中增加知识库的历史记录与分析功能，即在每个航次结束后，记录整个航次的航线、航向、航速及每段航线的天气、水文信息，对船舶营运航速的模型进行不断的优化调整，并进行比对分析，为船长及船岸操作提供决策支持。

另外，设计通过输入／输出接口模块，对基于能效管理的船舶航速系统与其他系统之间的数据交换进行标准化处理及转换，依据参照系统及接口规范对数据进行分类及标准化处理，使系统按照标准化接口进行互联。

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（见图2）。

图1 基于能效管理的船舶航速优化系统设计结构图

图2 基于能效管理的船舶航速优化系统功能模块

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（见图3）。

图3 船舶监控管理示意图

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。系统录入存储航次的航行记录，具体航次成本、利润、航建、能耗等信息见图4。

图4 经济航速效益管理示意图

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。

某船舶能耗数据分析展示示例见图5。

图5 能耗数据分析示意图

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。该系统已经在国内某大型航运企业下属分公司试用，数据统计结果表明，优化后的航速对于灵便型和巴拿马型散货船舶运输而言，平均每个航次基本可以节约10万的燃油成本，平均每日的燃油总能耗可下降11.82 kg，一年燃油成本较原来可下降约10%～15%，节油效果十分显著。

对船舶经济航速系统的研究尚处于初级阶段 ，为了使控制系统更加智能化，还应在以下方面继续努力：

（1）将油耗对应的主机转速以及气象信息（如水流、风向风速等）加入到船舶航速优化模型中，通过对以上数据进行分析计算，得出船舶的经济航速；

（2）对系统和船舶航行中的航速进行实时、动态的优化，可以及时根据船舶航速进行动态调整与反馈，增加系统反馈效率。

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