浮態(tài)節(jié)能技術(shù)在某型集裝箱船上的應(yīng)用

馬衛(wèi)星， 車霖源， 崔 健(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135)

浮態(tài)節(jié)能技術(shù)在某型集裝箱船上的應(yīng)用

馬衛(wèi)星， 車霖源， 崔 健
(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135)

為使集裝箱船能在保持或增加運(yùn)力的同時(shí)大幅減少燃油消耗，從而降低對(duì)環(huán)境的有害影響，針對(duì)營(yíng)運(yùn)中的船舶，提出運(yùn)用浮態(tài)節(jié)能技術(shù)。以某型集裝箱船1 a的營(yíng)運(yùn)航行資料為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)分析該型船實(shí)際運(yùn)營(yíng)的航速范圍和載重范圍，并在該范圍內(nèi)開(kāi)展一系列的船舶模型試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，并以此開(kāi)發(fā)應(yīng)用于實(shí)船的“浮態(tài)節(jié)能系統(tǒng)”，通過(guò)實(shí)船測(cè)試驗(yàn)證浮態(tài)節(jié)能的效果。結(jié)果表明:浮態(tài)調(diào)整具有較好的節(jié)能效果,基于模型試驗(yàn)開(kāi)發(fā)的浮態(tài)節(jié)能系統(tǒng)可準(zhǔn)確評(píng)估船舶的性能,并能指導(dǎo)浮態(tài)調(diào)整達(dá)到節(jié)能的目的,具有較高的可靠性。

水路運(yùn)輸； 集裝箱船; 模型試驗(yàn); 浮態(tài)節(jié)能; 降耗; 實(shí)船驗(yàn)證

當(dāng)前航運(yùn)公司面臨著航運(yùn)市場(chǎng)低迷和燃油價(jià)格上漲雙重壓力，減少燃油消耗、控制運(yùn)營(yíng)成本成為當(dāng)務(wù)之急。船舶節(jié)能措施有多種，對(duì)于營(yíng)運(yùn)中的船舶而言，通過(guò)調(diào)整縱傾浮態(tài)達(dá)到節(jié)能的目的是比較簡(jiǎn)單、實(shí)用的方法。浮態(tài)調(diào)整僅通過(guò)調(diào)節(jié)壓載水來(lái)改變船舶的艏艉吃水差，進(jìn)而改變船舶的性能，無(wú)需對(duì)船舶進(jìn)行改造。[1-4]

浮態(tài)節(jié)能前期投入少、見(jiàn)效快，通常的方法是根據(jù)模型試驗(yàn)或數(shù)值方法分析船舶收到功率與航速、吃水和浮態(tài)的關(guān)系，總結(jié)不同航速、不同吃水下的最佳縱傾位置，繪制成圖譜供實(shí)船使用。在20世紀(jì)八、九十年代，研究方法主要為模型試驗(yàn)；近些年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，數(shù)值方法成為模型試驗(yàn)有效的輔助手段。[5-8]

首先,統(tǒng)計(jì)分析某型集裝箱船實(shí)際運(yùn)營(yíng)的航速范圍、載重范圍和浮態(tài)情況，據(jù)此制定方案進(jìn)行模型試驗(yàn)；其次,以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立收到功率與航速、吃水和浮態(tài)的關(guān)系，開(kāi)發(fā)應(yīng)用于實(shí)船的“浮態(tài)節(jié)能系統(tǒng)”；最后,進(jìn)行實(shí)船測(cè)試、評(píng)估和驗(yàn)證浮態(tài)節(jié)能的效果。

1 歷史營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)歷史營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的目的是了解船舶的航行特點(diǎn)，據(jù)此制定出模型試驗(yàn)方案，通過(guò)模型試驗(yàn)全面掌握船舶不同狀態(tài)下的性能特點(diǎn)，為實(shí)施浮態(tài)節(jié)能提供依據(jù)，并對(duì)其節(jié)能效果進(jìn)行評(píng)估。主要統(tǒng)計(jì)的內(nèi)容有航速分布情況、吃水分布情況和縱傾分布情況(見(jiàn)圖1～圖3)。[9]

圖1 航速分布情況

圖2 平均吃水分布情況

圖3 縱傾分布情況(艉傾為正)

由圖1～圖3可知，當(dāng)前船舶的航行狀態(tài)主要有3個(gè)特點(diǎn)：

1) 運(yùn)營(yíng)航速相比設(shè)計(jì)航速大幅降低，集中在17.5 kn附近。

2) 裝載少、吃水小的狀態(tài)占較大比例。

3) 幾乎都以艉傾狀態(tài)航行。

2 模型試驗(yàn)

應(yīng)用到的模型試驗(yàn)包括阻力試驗(yàn)和自航試驗(yàn)，可全面評(píng)價(jià)浮態(tài)調(diào)整后船舶的阻力和推進(jìn)性能的變化情況。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果制定試驗(yàn)方案為：航速16～20.5 kn;吃水9.5～14 m;浮態(tài)滿足螺旋槳不出水的情況下縱傾-2～4 m(艉傾為正)。

根據(jù)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在滿足實(shí)用要求的前提下以最小功率消耗原則確定最佳縱傾浮態(tài)，繪制最佳縱傾曲線供實(shí)船使用。

圖4為不同吃水條件下船舶的最佳縱傾位置，不隨航速的改變而改變。由圖中的實(shí)際統(tǒng)計(jì)值曲線可知，船舶一直以性能較差的艉傾狀態(tài)航行，采用最佳浮態(tài)航行可提高船舶的性能，減少燃油消耗。

圖4 不同吃水條件下船舶的最佳縱傾位置

得到對(duì)應(yīng)航速、吃水時(shí)的最佳浮態(tài)和統(tǒng)計(jì)浮態(tài)后，可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到二者對(duì)應(yīng)的螺旋槳收到功率。

圖5為17.5 kn航速、不同吃水情況下實(shí)際配載浮態(tài)與最佳縱傾浮態(tài)下的收到功率對(duì)比。在常用的11 m吃水和12 m吃水位置,采用最佳縱傾浮態(tài)航行的節(jié)能效果在11%以上。

圖5 17.5 kn航速、不同吃水情況下的收到功率曲線

為綜合評(píng)價(jià)最佳縱傾的節(jié)能效果，以吃水加權(quán)平均得到船舶不同航速下的收到功率曲線(見(jiàn)圖6)。

圖6 不同航速下的收到功率曲線

忽略由功率變化引起的油耗率變化的影響，直接通過(guò)功率減小百分比來(lái)衡量節(jié)能效果。采用浮態(tài)節(jié)能技術(shù)后，在16～20.5 kn航速內(nèi)，均能達(dá)到10%～13%的節(jié)能效果，說(shuō)明采用浮態(tài)節(jié)能技術(shù)具有很好的節(jié)能效果。

3 浮態(tài)節(jié)能系統(tǒng)

船舶營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，浮態(tài)節(jié)能軟件能根據(jù)船舶載況和航速信息分析計(jì)算出適合當(dāng)前營(yíng)運(yùn)條件的最佳船舶浮態(tài)，指導(dǎo)船員進(jìn)行相關(guān)配載調(diào)整，從而降低船舶營(yíng)運(yùn)能耗，達(dá)到節(jié)能、降耗和減排的目的。[10]

針對(duì)船舶營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的不同航行狀態(tài)(不同航速、不同排水量等)，結(jié)合船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析計(jì)算出適合當(dāng)前航行狀態(tài)的最佳船舶縱傾值，開(kāi)發(fā)出適用于該船的浮態(tài)節(jié)能系統(tǒng)。系統(tǒng)主界面和部分功能顯示(最佳縱傾可視化“數(shù)據(jù)庫(kù)”窗口)見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 浮態(tài)節(jié)能系統(tǒng)主界面

圖8 最佳縱傾可視化“數(shù)據(jù)庫(kù)”窗口

運(yùn)用該系統(tǒng)可評(píng)估出當(dāng)前航行狀態(tài)與最佳縱傾浮態(tài)及歷史浮態(tài)的性能差別；可根據(jù)當(dāng)前的吃水和航速信息計(jì)算出最佳浮態(tài)位置，并提供相應(yīng)的壓載水調(diào)節(jié)方案。系統(tǒng)融入了船舶能效管理理念，有數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)記錄和監(jiān)管船舶營(yíng)運(yùn)過(guò)程中最佳浮態(tài)節(jié)能的執(zhí)行情況，能提升航運(yùn)公司對(duì)船舶營(yíng)運(yùn)能效管理的把控力度。

4 實(shí)船驗(yàn)證

為驗(yàn)證浮態(tài)節(jié)能技術(shù)的節(jié)能效果，選擇某船進(jìn)行實(shí)船測(cè)試。待船舶航行至適合測(cè)試的水域后，實(shí)時(shí)記錄天氣情況和海況，將船舶航速依次調(diào)至16 kn，17.5 kn和19 kn附近。待航速穩(wěn)定后，保持主機(jī)轉(zhuǎn)速和航向不變，由測(cè)試組分別進(jìn)行3次航速功率測(cè)試，每次時(shí)間控制在5～10 min。3次測(cè)試完成后，沿原航線相反的航向進(jìn)行相同的測(cè)試，完成往返各3個(gè)航速功率共6個(gè)航次的測(cè)試。最后采用相關(guān)實(shí)船快速性試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正方法進(jìn)行風(fēng)、浪和水溫等參數(shù)的修正，得到最終結(jié)果。實(shí)船測(cè)試功率與模型試驗(yàn)預(yù)報(bào)功率對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖9。

a) 歷史統(tǒng)計(jì)浮態(tài)

b) 最佳浮態(tài)

由圖9可知，模型試驗(yàn)預(yù)報(bào)功率與實(shí)船測(cè)試功率基本一致。將實(shí)船測(cè)試得到的節(jié)能效果與模型試驗(yàn)得到的浮態(tài)節(jié)能效果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1實(shí)船測(cè)試與模型試驗(yàn)浮態(tài)節(jié)能效果對(duì)比(平均吃水12.5m)

序號(hào)航速Vs/kn浮態(tài)節(jié)能/%實(shí)船測(cè)試模型預(yù)報(bào)116．012．5711．62217．510．8111．52319．08．0210．77

由表1可知,經(jīng)實(shí)船測(cè)試驗(yàn)證,浮態(tài)節(jié)能具有較好的節(jié)能效果，與模型試驗(yàn)結(jié)論一致。應(yīng)用浮態(tài)節(jié)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)船舶浮態(tài)能減少燃油消耗，取得較好的經(jīng)濟(jì)收益。

5 結(jié)束語(yǔ)

在諸多節(jié)能途徑中，浮態(tài)節(jié)能方式比較靈活實(shí)用，不影響船舶的正常營(yíng)運(yùn)，無(wú)須對(duì)船舶的結(jié)構(gòu)和設(shè)備作任何改動(dòng)，前期投入少，能很快收回成本。在對(duì)歷史營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算和分析模型試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出收到功率與航速、吃水和浮態(tài)的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明:最佳縱傾位置集中在艏傾狀態(tài)，改變以往的裝載習(xí)慣十分必要。

在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用于實(shí)船的浮態(tài)節(jié)能系統(tǒng)，指導(dǎo)船員進(jìn)行相關(guān)配載的調(diào)整，并將相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中,以便進(jìn)行能效管理。

實(shí)船測(cè)試結(jié)果表明:浮態(tài)調(diào)整具有較好的節(jié)能效果，基于模型試驗(yàn)開(kāi)發(fā)的浮態(tài)節(jié)能系統(tǒng)可準(zhǔn)確評(píng)估船舶的性能，并能指導(dǎo)浮態(tài)調(diào)整達(dá)到節(jié)能的目的，具有較高的可靠性。目前節(jié)能系統(tǒng)已在多艘船上應(yīng)用，取得了良好的效果。

[1] 彭斌.船舶節(jié)能技術(shù)綜述[J].船舶科學(xué)技術(shù),2005,27(Z1):3-6.

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TrimOptimizationTechnologyforaTypeofContainerShips

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

For container ships to maintain and increase capacity while greatly reducing the fuel consumption, thus reducing the harmful effects to the environment, the industry has made various attempts and efforts. For the operating ships, the most simple and effective method is trim optimization. Based on navigation information of several ships during the period of one year, actual variations of operating speed and load are obtained. A series of ship model tests according to the actual operation conditions are performed. The software named the ‘floating state energy saving system’ is developed based on the analysis of the data. Full scale sea trials has been carried on the objective container ships, which prove that the software gives reliable performance estimate of the ship at various floating conditions and the satisfactory guidance for energy saving.

waterway transportation; container ship; model tests; trim optimization; energy consumption reducing; full scale trial

2015-07-19

馬衛(wèi)星(1983—)，女，山西太原人，助理研究員，碩士，從事船舶水動(dòng)力性能研究。E-mail: maweixingheu@126.com

1000-4653(2015)03-0112-04

U662

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