某化学品/油船航线性能分析

马卫星， 谢凤伟， 李传庆， 董国祥， 陈伟民

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与国家安全重点实验室，上海 200135)

某化学品/油船航线性能分析

马卫星， 谢凤伟， 李传庆， 董国祥， 陈伟民

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与国家安全重点实验室，上海 200135)

新船型开发和船型优化是船舶工业永恒的主题，目前已由传统的只针对静水性能发展到计入海况的影响。因此，基于静水和波浪条件下的船模试验结果，考虑海况影响，对船舶航线性能进行分析，既是船舶性能评估的重要组成部分，同时也是船舶线型优化效果检验的重要手段，可为船舶所有人和班轮公司呈现出最直观的线型优化效果。以某化学品/油船的原型和改型方案为例，按照上述方法计算分析二者在静水中和目标航线上的耗油量，结果表明改型结果较为理想。

水路运输； 典型航线； 模型试验； 船舶性能； 船型优化

Abstract: The major concern during development of new ship type and ship form optimization is shifting from the static water performance to that in real sea conditions for it is the latter reflects the actual operational energy consumption. An straightforward way is to perform the model tests both in static water and with waves, and determine the influence of sea conditions. This is convenient for evaluating a ship design and judging the effect of hull form optimization, and is also a good way of presentation for owners and liner companies to understand the advantage of a hull form. With the above method, the amounts of oil consumption of the prototype and the modification of a chemical/oil tanker on the typical routes are calculated, which proves that the performance of the modification is noticebally improved.

Keywords: waterway transportation; typical course; model tests; ship performance; hull form optimization

船舶在航行期间通常会受到风浪影响，海上风浪环境是影响船舶营运效能的最主要的外界因素。鉴于船舶在风浪中的航行性能更能真实地反映船舶的营运效能，随着国际航运节能减排工程不断深入，国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)在有关船舶能效评估的总体理念中要求航运界和造船界必须重视船舶在实际海况下的安全和能耗。因此，针对船舶航行过程中实际可能遇到的风浪环境进行船型和推进性能优化，将成为提高船舶能源利用效率、减少船舶实际能耗的重要技术途径，也将是造船业开发绿色船型的重要导向，同时对提高船舶远洋航行的安全性具有重要意义。[1-3]

这里以某化学品/油船的原型和改型方案为研究对象，在静水和波浪中的船模水池试验结果的基础上，通过计算求出2种方案在目标航线上的耗油量，并进行分析和比较，以此作为船型优劣评判标准，为船舶所有人和班轮公司呈现最直观的线型优化效果。[4]

1 评估方法

首先得到基于模型试验的实船静水快速性预报和风浪中功率航速预报；然后假设船舶航行于某条实际航线；最后根据航行时间和功率等参数得出油耗。具体方法如下。

假设原型船以一定航速VB在静水中航行，对应主机功率为PS，其在波浪中航行时主机功率保持PS不变；改型船同样在主机功率PS下航行，对应静水中的航速为VV，波浪中仍保持主机功率PS不变。

假设船舶在静水中航行的时间为t，主机功率始终保持P，对应油耗率为SFOC，则该船耗油量f为

f=10-6SFOCPt

(1)

风浪中的油耗计算较为复杂，主要是因为海况复杂多变。对此，作以下简化：对整条航线进行航段划分；各个航段的海况用长期统计资料来描述。

假设船舶保持一定的主机功率P在某航段上航行，对应的油耗率为SFOC，该航段的长度为L，对应静水中的航速为V。该航速可根据该航段的海况统计资料并结合风浪中的功率航速预报求得：该航段的海况统计资料已知，即对应一个有义波高Hi和一个平均跨零周期Tj出现的概率为ηij，根据功率点P插值出Vwij，并将ηij作为加权系数，则通过该航段需要的时间tij为

tij=L/Vwij

(2)

该航段、该海况下的耗油量fij为

fij=10-6SFOCPtij

(3)

将ηij作为加权系数，则该航段的耗油量f为

f=10-6SFOCP∑ηijtij

(4)

船舶经过该航段的加权时间t为

t=∑ηijtij

(5)

计算波浪中的油耗时，需要用到波浪中的有效功率曲线，方法[5]如下。

(6)

不规则波中实船所受的总阻力为

(7)

实船螺旋桨的推力TS为

TS=RS/(1-t)

(8)

式(8)中：t为推力减额，可采用船模在静水中的推力减额。

结合敞水试验进行考虑波浪效应的自航因子分析。由实船螺旋桨的推力TS得到KT/J2的值为

(9)

式(9)中：VS为实船航速；wS为实船伴流份数；DPS为实桨直径。由静水自航试验得到静水中伴流份数w，进而修正到实船在静水中的伴流份数。

由式(9)得到KT/J2的值，再从螺旋桨敞水特性曲线KT/J2-J上查出进速系数J的值。

2011年第26届国际拖曳水池会议(International Towing Tank Conference, ITTC)上给出了RTIM推荐方法，得到进速系数J的值后，在旋桨敞水特性曲线KP-J上查出功率系数KP。

KP=KQ/J3

(10)

不规则波中的功率Psea为

(11)

由此便得到波浪中的有效功率曲线。[6]

2 目标船及航线的选定

2.1目标船的选定

选择某化学品/油船的原型和改型方案作为研究对象，分析计算2种方案的航线性能，并对后者的优化效果进行检验。

2.2目标航线

选取地中海一线为目标航线(见图1)，航线上挂靠的港口依次为：青岛—上海—宁波—蛇口—巴生—塞得港(西)—拉斯佩齐亚—热那亚—福斯—巴塞罗那—瓦伦西亚—塞得港(东)—吉达—豪尔法坎—巴生—青岛，由此可确定航程和航行海域。航线上各挂靠港口间的距离见表1。

图1 某化学品/油船航线(地中海一线)

港口距离/nmile青岛0上海321宁波110蛇口779巴生1627塞得港(西)4841拉斯佩齐亚1409热那亚847福斯223巴塞罗那196瓦伦西亚165塞得港(东)1666吉达727豪尔法坎2030巴生3108青岛2644总计20672

[7]得到航线上的海况统计资料，海域划分见图2。

图2 海域划分

从图2中可看出，往返单次航线依次经过区域13-21-25-31-30-23-19-12-19-23-30-31-25-21-13。

例如，地中海和福斯-巴塞罗那2个港口之间的航线所经过的海域分别为12#和19#，对应的海况统计资料见图3。

a) 海域12#海况统计资料

b) 海域19#海况统计资料

图3中，圆圈代表对应有义波高和平均跨零周期的该海况出现的概率，可看出12#和19#海域在春季绝大多数情况下处于风平浪静状态。

将航线分为若干段，每段内一个海域，根据统计资料得出该海域各种海况出现的概率。将一种海况(对应一个有义波高和一个平均跨零周期)出现的概率作为船舶在该海况下维持一定主机功率航行时所耗费时间的权重系数。

3 航线能效评估

假设营运过程中原型和改型方案均保持主机功率为6 604.95 kW。以静水中和波浪中的船模试验结果为依据进行实船静水快速性预报及风浪中功率航速预报，最后根据前述评估方法对油耗进行计算分析，结果见表2。

表2 某化学品/油船油耗对比

1) 静水中船舶油耗的计算结果与船舶实际航行情况相比是一种理想状态下的结果，对于原型方案和改型方案而言，此时的功率和油耗率一致，航速不同导致耗时不同，耗时少的耗油量相应也少。因此，相同功率下航速快的改型方案的油耗量要比原型方案少，一个航次节油19.66 t，占原型理想航线整体油耗量的1.2%。

2) 受波浪的影响，实际航线上往返一个航次需要的时间比理想航线上更长，增加的油耗量分别为47.4 t和36.56 t，占理想航线上整体油耗量的2.9%和2.3%。

3) 对比原型和改型方案实际航线下的相关数据可知，此时功率和油耗率一致，航速不同导致耗时不同，耗时少的油耗量也少。因此，相同功率下航速快的改型方案的油耗量要比原型方案少，一个航次节油30.5 t，占原型实际航线整体油耗量的1.8%。

4 结束语

以往返航线油耗量为依据评估船舶实际航行过程中的性能，通过对原型方案和改型方案的油耗量进行对比，发现对所选目标船进行的所有改型均比较成功。假设整个航线为静水状态，即理想状态下往返一个航次，则改型方案比原型方案节油1.2%；往返实际航线时，改型方案比原型方案节油1.8%。可见，无论是静水状态还是波浪状态，该船改型后的性能都要优于原型。同时需指出，由于海况和船舶实际营运情况复杂多变，风浪中的油耗计算较为复杂，这里进行最大化的简化，以便后续对船舶波浪中的性能进行精确的计算分析。此外，后续研究中还需考虑具体可信的海况资料和船舶营运过程中的装载变化等因素。

参考文献

[1] 王增全.渤海气象海况环境对客滚船航线的影响及对策研究[D].大连：大连海事大学,2012.

[2] 张永宁.航海气象学与海洋学[M].大连：大连海事大学出版社,2009.

[3] 中国船级社.Guidelines for Towage at Sea[S].

[4] 张宝吉.船体线型优化设计方法及最小阻力船型研究[D].大连：大连理工大学,2009.

[5] MEPC．MEPC 203(62), Amendments to the Annex of the Protocol of 1997 to Amend the Inernaternational Convention for the Prenention of Polltion from Ships, 1973, as Modified by Protocol of 1978 Relationg Thereto[S].

[6] 丁皓. 船舶在波浪中螺旋桨性能的变化和失速预报[D].上海：上海交通大学,1998.

[7] HOGBEN N, PH D, LUMB F E,etal. Ocean Wave Statistics[M]. London: Her Majesty's Stationery Office, 1967.

PerformanceAnalysisofChemicalTankersatSea

MAWeixing,XIEFengwei,LIChuanqing,DONGGuoxiang,CHENWeimin

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship and Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

2016-02-02

马卫星(1983—)，女, 山西太原人，助理研究员，硕士，从事船舶水动力性能研究。E-mail: maweixing@sssri.com

1000-4653(2016)01-0088-03

U661.7

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