基于实船试验验证的大型商船航行能效评估

黄莹，郑佳玉

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

船舶在运输过程中会排放大量的二氧化碳［1］。《国际防止船舶造成海洋污染公约》（《MARPOL 73/78 公约》）附则VI 实施之后，EEDI（船舶能效设计指数）和SEEMP（船舶能效管理计划）成为旨在强制减少航运业二氧化碳排放的两项主要法规。 2011年7月IMO 正式将船舶能效规则纳入MARPOL 公约附则VI， 首次将操作性减排措施SEEMP 作为强制要求纳入公约，适用的船舶需持有经主管机关或组织批准的能效管理计划［2-6］。2020年11月MEPC 75 次会议上通过了IMO 短期减排措施，即引入EEXI（现有船舶能效指数）及CII（碳排放强度指数），在技术和营运上鼓励与航运业相关的各方共同努力，按时完成脱碳目标［7］。

为应对IMO 的碳减排要求，探索实船航行中变速航行与匀速航行即主机交替转速与匀转速对能效的影响，评估船舶营运能效的优化空间，以某航运公司旗下的大型商船实船航行数据为依据，通过均值模型拟合与数值计算方法，量化分析交替转速运行与匀转速运行的能效差别。

1 分析方法

在该大型商船的某个航次中，租家要求以较低的航速运行，而低航速对应的主机负荷较低，容易造成辅助鼓风机的持续运行或频繁启停，增加主机故障风险。 在此情况下，船员依据航运公司的考核要求将设备故障风险作为优先考虑事项，在实际航行中采取了35 r/min 与52 r/min 交替运行的转速策略，其时域上的转速变化如图1 所示。

图1 某大型商船交替转速运行时域图谱

该转速策略虽然保障了辅助鼓风机的非持续运行，降低了设备故障风险，但却忽略了对船舶运行能效的影响。 造成这种忽略的主要原因是对船舶营运能效的量化评估能力不足，致使船舶营运管理过程中无法权衡设备安全保障的代价和能效提升潜力的收益。 根据船舶经典理论，当船舶线型、设计吃水、主机功率和螺旋桨确定后，船舶在静水中以设计航速（通常在设计吃水）匀速航行的能效最高。然而，在船舶的实际使用过程中，营运装载量、航行姿态以及风、浪、流等环境因素所造成的影响都会造成船舶实际能耗与设计能耗的偏差，使得设计性能无法用于船舶实际营运能效的评估。

实船采集数据通常存在噪声， 无法直接基于实船营运数据回归分析得到船舶实际营运性能图谱。 Erol 等［9］提 出 了DFA（Detrended Fluctuation Analysis）的数据处理方法。 采用该方法可对实船数据做去趋势化处理， 用于船舶性能和能效的评估。能效评估步骤如图2 所示。

图2 船舶能效评估分析步骤

1）营运数据加载和预处理

提取受评航次的主机转速、对水航速、主机油耗等数据，采用DFA 方法剔除非稳态数据，完成数据清洗、归一化、降采样等处理，使得数据具备分析和运算条件。

2）拟合对水航速-转速曲线

基于数据拟合受评航次中船舶对水航速和转速的关系曲线。 根据经典船舶原理，船舶对水航速和主机转速呈线性关系。 因此，按1 次方关系绘制“对水航速-转速”曲线。

3）计算平均对水航速和对应转速

基于航次的整体对水航程和航行时间计算平均对水航速，并通过“对水航速-转速”曲线计算得到该平均对水航速下的转速。 计算得到的转速即可用于评估匀转速运行能效。

4）拟合对水航速-主机油耗曲线

基于数据拟合受评航次中船舶对水航速和油耗的关系曲线。 根据经典船舶原理，船舶对水航速和主机油耗呈3 次方关系。

5）计算每海里油耗

基于航次的主机总油耗和对水航程，计算得到大型商船的实船单位距离油耗，主机实测单位距离油耗的计算公式为同时，将航次平均对水航速代入“对水航速-主机油耗”曲线，得到匀转速运行的单位距离油耗。

6）评估匀转速运行和交替转速运行的能效差异

比较实船交替转速运行和匀转速运行的单位距离油耗，即计算（实测主机单位距离油耗-平均航速下的主机计算单位距离油耗）/实测主机单位距离油耗，得到能效差异。

2 评估结果

图3 为某大型商船在空载状态受评航次航行过程实测数据，其中，散点表示实测转速，对水航速取均值得到交替转速运行的平均航速为10.9 kn。对数据作1 次方拟合得到“对水航速-转速”关系曲线，以实线表示。将平均航速代入“对水航速-转速”关系曲线，得到转速为44.9 r/min，以该转速运行，可保障船舶与交替转速运行在同一时间抵达目的地。

图3 某大型商船受评航次实测数据和“对水航速-转速”关系

图4 为某大型商船在空载状态下受评航次运行过程实测数据， 其中散点表示主机单位距离油耗，取均值得到交替转速运行的平均单位距离油耗0.114 t/n mile。 对数据作3 次方拟合得到 “对水航速-主机油耗”关系，以实线表示。 将平均航速10.9 kn代入该拟合曲线，得到匀转速运行的主机单位距离油耗0.0973 t/n mile。

图4 某大型商船受评航次实测数据和“对水航速-主机油耗”关系

计算结果如表1 所示，由结果可见：

表1 某大型商船受评航次评估结果

1） 由于平均对水航速为10.9 kn，由对水航速-转速曲线可知，预测转速为44.9 r/min，即在平均航速下可按时到达目的地；

2）在平均航速下，主机拟合单位距离油耗约为0.0973 t/n mile， 主机实测单位距离油耗为0.114 t/n mile，能耗节省空间在14.6%。

3 评估结果验证

根据上述能效分析结果， 能耗节省比例在14.6%左右，但考虑到航次的偶然性，需要对能效评估结果进行验证。 分别采用与姐妹船对比验证和实船测试验证的方法验证评估结果的准确性与方法的可行性。

3.1 与姐妹船的对比验证

为了保证所选姐妹船航次数据进行对比验证的可行性，首先进行数据可比性分析。 表2 为某大型商船的受评航次与姐妹船对比航次的航行状态参数，图5 为对比航次的航速分布。 该两艘船对比航次的平均对水航速、平均吃水和纵倾数值都很接近， 姐妹船对比航次的对水航速集中于11.0 kn 左右， 与某大型商船受评航次的平均航速10.9 kn 也很接近，有利于开展能效评估计算。

图5 某大型商船受评航次和姐妹船对比航次的对水航速分布

表2 某大型商船受评航次与姐妹船主要航行状态参数

基于姐妹船数据拟合分别得到姐妹船的“对水航速-转速”和“对水航速-主机油耗”关系，如图6与图7 所示。 将10.9 kn 的平均航速代入姐妹船“对水航速-转速”关系，得到转速44.9 r/min，与某大型商船受评航次的计算值一致。 再将10.9 kn 的平均航速代入“对水航速-主机油耗”关系，得到平均海里油耗0.100 t/n mile， 相比某大型商船受评航次的实测油耗0.114 t/n mile，能效提升潜力为12.3%。

图6 姐妹船对比航次实测数据和“对水航速-转速”关系

图7 姐妹船对比航次实测数据和“对水航速-主机油耗”关系

3.2 实船试验验证

由于能效提升潜力超过10%， 在船东的支持下，在某大型商船上进行实船试验验证。 试验过程分为“低转速-中转速-高转速-中转速-低转速”5 个阶段， 每个阶段的正常航行过程不少于30 min，试验过程中实时记录航速和油耗等船舶数据。 试验结果如表3 所示。

表3 某大型商船实船交替转速试验数据记录

根据测试航段记录数据，要达到45.00 r/min 的航速（11.27 kn），该大型商船需以36% 的时间运行在35.00 r/min （9.24 kn）， 以64% 的 时 间 运 行 在52.00 r/min（12.4 kn）。 由此计算可得变转速运行的优化空间为10.8%，如表4 所示。

表4 基于试验数据的能效评估表

4 结语

船舶营运能效量化评估及主推进发动机转速决策优化一直以来是航运精细化管理的难点。 为解决该问题，本文依托某大型商船的实船数据，采用均值模型拟合与数值计算方法，建立了“对水航速-转速”模型和“对水航速-主机油耗”模型，能够准确评估不同转速策略的能效结果，为船舶制定转速策略与船舶能效提升提供基础支撑。 通过与姐妹船营运数据对比和实船试验验证的方式证明了该评估方法的有效性。 评估结果表明，相比于交替转速运行，匀转速运行将为该大型商船带来10%以上的能效优化收益。

随着船舶碳排放监管要求日趋严格，从设计指标监管逐渐转向营运阶段的碳排放管理。 为了应对碳排放监管要求， 一些船舶采取了降速运行方式，在低负荷运行情况下为避免辅助鼓风机长期运行又产生交替转速运行的方式。 根据本文量化评估结果，交替转速运行模式的实际运输能效较低，但可以从设计层面或使用层面寻求其他解决方案来降低辅助鼓风机长期运行的故障风险，例如对辅助鼓风机的电机做设计备份，在实际运行时对辅助鼓风机的健康状态实时监管并开展预测性维护，从而保障船舶维持在高能效的运行模式。