船舶定速巡航控制策略

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452）

0 引言

船舶運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)量大、運(yùn)價低，因此成為大宗貨物運(yùn)輸中最受歡迎的一種運(yùn)輸方式。當(dāng)今國際貿(mào)易總運(yùn)量中的2/3以上、中國進(jìn)出口貨運(yùn)總量的約90%都依賴于船舶運(yùn)輸。據(jù)克拉克松統(tǒng)計，截至2016年 12月1日世界商船船隊保有量達(dá)到53 460艘之多。為保障如此龐大的船隊運(yùn)作，每年需要供給約 2億噸航運(yùn)燃料油，涉及到數(shù)百萬的船員勞工為其服務(wù)。本文以降低燃料消耗、減少廢氣排放和減輕船舶操作人員的工作負(fù)荷為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合筆者的實(shí)船工作經(jīng)驗(yàn)，探討一種能夠?qū)崿F(xiàn)船舶定速航行功能的控制方式。針對不同推進(jìn)類型的船舶，該控制系統(tǒng)能有效降低主機(jī)燃油消耗，同時還能解放駕駛?cè)藛T的雙手，為廣大船舶駕駛?cè)藛T提供更為舒適的駕乘體驗(yàn)。

前些年航運(yùn)市場的異?；鸨苯訉?dǎo)致世界各地競相開辦航運(yùn)企業(yè)，添置新造船舶以增加運(yùn)力，由于未考慮到國際海運(yùn)市場的實(shí)際需求及周期變化，再鑒于當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)的疲軟，造成了航運(yùn)業(yè)運(yùn)力過剩、運(yùn)價低迷和競爭激烈，使航運(yùn)業(yè)利潤空間逐步壓縮，促進(jìn)了海運(yùn)企業(yè)優(yōu)勝劣汰、資源整合的步伐。在此背景下各航運(yùn)企業(yè)投入越來越多的精力來降低船舶的營運(yùn)成本以追求利潤。而船舶油料的消耗獨(dú)占營運(yùn)成本的一半之多，主機(jī)燃油消耗又占到總耗油量的70%～90%。近年來，針對船舶主推進(jìn)系統(tǒng)節(jié)能的研究越來越多，但筆者注意到大部分科研人員主要圍繞高效發(fā)動機(jī)、高效螺旋槳的研發(fā)，以及最佳營運(yùn)航速的分析選擇，且都取得了相當(dāng)可喜的成果[1]，但同時也有相應(yīng)的限制。比如新型的先進(jìn)設(shè)備僅適用于新造船舶的配備，選擇最佳營運(yùn)航速涉及十分繁瑣的計算和水池試驗(yàn)，不便于所有操作人員掌握。本文探討了一種便于實(shí)船應(yīng)用，且面向所有新老船舶的控制系統(tǒng)，這里稱其為船舶“巡航控制”，該系統(tǒng)能達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

1 船舶航速和油耗之間的關(guān)系

研究船舶動力推進(jìn)系統(tǒng)的節(jié)能降耗，首先需明確推進(jìn)功率、船舶航速和油耗之間的相互影響。

首先分析油耗和航速之間的聯(lián)系。根據(jù)《船舶原理》的介紹，推進(jìn)功率和艉軸轉(zhuǎn)速呈三次方正比關(guān)系，而航速和艉軸轉(zhuǎn)速之間是線性關(guān)聯(lián)。那么，不同航速下主機(jī)耗油量的多少可以用圖1來表示。根據(jù)圖1，以船舶增加、減少相同的速度來比較燃油消耗量的變化，可以明顯看到：相同航速的改變，當(dāng)速度偏向高值時燃油消耗的增加遠(yuǎn)大于航速偏向低值時燃油消耗的減少；相應(yīng)地，航速偏向低值所減少的燃油消耗遠(yuǎn)少于航速偏向高值時的燃油增加。

圖1 油耗-航速曲線

由此可見：在理想狀況下，以預(yù)定航速航行的船舶當(dāng)速度發(fā)生波動時，其高于平均航速時所消耗的燃油增加量明顯大于其低于平均航速時的燃油節(jié)約量，這也就意味著船舶航速的波動會使總耗油量增加。巡航功能可以用來控制船舶航行在一個選定的航速，通過系統(tǒng)內(nèi)嵌控制軟件以最佳算法精準(zhǔn)調(diào)節(jié)航速，以避免航速的波動，從而實(shí)現(xiàn)耗油量的節(jié)約。

1.1 穩(wěn)定航速和波動航速的運(yùn)營比較

理想工況（不考慮水流、風(fēng)速等自然因素，不考慮載貨量變化和海上波浪大?。r，船舶的對地航速與其對水航速一致，而對水航速與推進(jìn)功率直接關(guān)聯(lián)。使穩(wěn)定航速等同于波動航速時的平均值，如圖2所示，在一個給定的航程上，定速航行能有效地降低主機(jī)總耗油量。

引起圖2中油耗增加的因素可以分為以下幾個方面：1）天氣、海浪和洋流引起的速度波動；2）人為控制船速時操作不精確；3）航速明顯偏離后進(jìn)行調(diào)整而造成的反映遲鈍；4）為了確保到港時間，前期運(yùn)行較大航速，或者后期加大航速進(jìn)行彌補(bǔ)。使用巡航功能則可有效避免以上原因引起的油耗增加。

圖2 理想工況下穩(wěn)定航速與波動航速對比

1.2 恒定航速與恒定輸出功率的運(yùn)營比較

在實(shí)船航行過程中，所面臨的海上工況相對復(fù)雜且很難預(yù)測。面對突然的海浪沖擊，或者風(fēng)速、洋流的改變，巡航功能還能控制輸出功率，以保證船舶高效率的航行，同時避免由此引起的發(fā)動機(jī)功率峰值的出現(xiàn)。

圖3顯示了同一行程下恒定航速運(yùn)營跟恒定輸出功率運(yùn)營的區(qū)別。惡劣天氣或海況下行駛的船舶，如果選擇恒定航速航行，就需要在原有輸出功率上進(jìn)行補(bǔ)償，用以克服增加的船體阻力，也意味著主機(jī)輸出功率在波動，相應(yīng)的就會增加油耗。如果此時以恒定主機(jī)輸出功率航行，保持理想的主機(jī)油耗，雖航速變化，但可有效地避免主機(jī)出現(xiàn)輸出功率波動峰值。待通過惡劣海況海域，再選擇定速巡航模式，適當(dāng)增加設(shè)定航速以保證預(yù)定的到港時間。可以看到在恒功率模式介入以后，從A港到B港之間行程的總耗油量明顯降低。

圖3 恒定航速+補(bǔ)償與恒定輸出功率對比

1.3 巡航功能應(yīng)用于可調(diào)螺距螺旋槳船舶

對于采用可調(diào)槳推進(jìn)器的船舶，使用巡航功能保持推進(jìn)效率最佳，主機(jī)油耗降低更加明顯。

圖4為某船舶航行曲線圖，由主機(jī)輸出特性曲線、螺旋槳特性曲線、航速曲線、和主機(jī)油耗曲線組合而成?？梢钥吹剑和缓剿倏梢杂性S多種不同的n-P/D組合來實(shí)現(xiàn)，但不同的組合之間油耗相差甚遠(yuǎn)。以13.5 kn航速為例，運(yùn)行在C點(diǎn)時油耗最低，為202 kg/h；運(yùn)行在 A點(diǎn)時油耗最高，為 238 kg/h，高于最低值17.8%；而設(shè)計點(diǎn)B油耗為216 kg/h，也高出C點(diǎn)6.7%之多。根據(jù)該圖可以總結(jié)出：同一航速情況下，高轉(zhuǎn)速小螺距運(yùn)行時油耗較大，低速大螺距運(yùn)行時則油耗降低[2]。

圖4 航行曲線圖

圖5為可調(diào)槳效率曲線。不同螺距有不同的效率曲線，每個螺距在不同轉(zhuǎn)速時其效率曲線似拋物線狀，且最大效率點(diǎn)只對應(yīng)特定的轉(zhuǎn)速。只有當(dāng)可調(diào)槳工作在包絡(luò)線2上時其效率才能保持最佳。

圖5 可調(diào)槳效率曲線

當(dāng)前主流的可調(diào)槳控制模式分為恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行和變速變槳操縱兩種[3]。恒轉(zhuǎn)速時，主機(jī)保持最大轉(zhuǎn)速，通過改變螺旋槳的螺距角獲得不同的船速，其主機(jī)單位油耗曲線如圖6所示；變速變槳操縱時，主機(jī)轉(zhuǎn)速和螺距角一起改變來實(shí)現(xiàn)船速的改變，其主機(jī)單位油耗曲線如圖7所示。不難發(fā)現(xiàn)：在低功率區(qū)域即低航速時，恒轉(zhuǎn)速模式的油耗呈現(xiàn)倍數(shù)級的增長。從節(jié)能的角度來看，低航速或者低功率輸出時應(yīng)該選用變速變槳模式運(yùn)營。

圖6 恒轉(zhuǎn)速油耗曲線

圖7 變轉(zhuǎn)速油耗曲線

從可調(diào)螺距螺旋槳選型設(shè)計來講，其設(shè)計點(diǎn)只有一個。在設(shè)計點(diǎn)對應(yīng)的螺距和轉(zhuǎn)速時，螺旋槳產(chǎn)生100%的正推力，其槳效最大。船舶運(yùn)營時，由于船舶污底，螺旋槳附著海洋生物，風(fēng)浪、洋流改變或偏離設(shè)計航速，所以船舶航行無法避免偏離設(shè)計點(diǎn)。在恒速模式下，改變螺旋槳螺距角改變航速，但可調(diào)螺距螺旋槳會出現(xiàn)反向推力，如圖8所示。負(fù)推力即代表發(fā)動機(jī)做了無用功，或者說浪費(fèi)了燃油。巡航控制的思路就是以一種模糊控制的方式[4]，根據(jù)實(shí)際航速輸出最佳的n-P/D組合，同時根據(jù)相應(yīng)輸出功率及時調(diào)整，以保證槳上只承受正向推力，用以消除不必要的無用功，如圖9所示。

圖8 常規(guī)推力矢量

圖9 優(yōu)化的推力矢量

2 巡航系統(tǒng)及控制邏輯

根據(jù)以上分析，滿足以下幾個條件，船舶運(yùn)行就能實(shí)現(xiàn)最大限度的低油耗，從而節(jié)能降排：1）在到港時間充沛的情況下低速航行；2）航行時避免頻繁的人為干預(yù)，確保航速穩(wěn)定；3）惡劣工況時保證主機(jī)輸出功率恒定，避免主機(jī)輸出負(fù)荷峰值；4）各種工況、海況時，螺旋槳螺距和轉(zhuǎn)速最佳組合使槳效最優(yōu)。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，提出“巡航”這種控制方式，該控制基本組成如圖10所示系統(tǒng)框圖，包含駕駛臺模塊、中央控制單元和集控室模塊及相關(guān)的一些接口信號。屬于主機(jī)或可調(diào)槳遙控系統(tǒng)的補(bǔ)充部分，可以在新建造船時進(jìn)行配置，也可以對已運(yùn)營船舶進(jìn)行加裝。在巡航控制功能不介入時，所有控制模式與先前相同，不影響船舶的正常運(yùn)營。

控制邏輯如圖11所示。使用巡航功能時，通過駕駛臺操作面板選擇巡航模式。海況良好時通過設(shè)定船舶的航速，不僅可保證準(zhǔn)確的到港時間及整個航段的最低油耗，更能避免人工通過控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和螺距方式，時時調(diào)整以獲得預(yù)定航速帶來的極大工作量。在通過惡劣海況海域時，選擇恒功率模式，此時鎖定主機(jī)負(fù)荷進(jìn)行工作，船速相應(yīng)變化，在船舶駛出此海域后取消恒功率模式，進(jìn)入巡航模式，從而降低整個航程的主機(jī)燃油消耗總量。

圖10 巡航系統(tǒng)框圖

圖11 控制邏輯圖

另一方面，隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展及汽車智能無人駕駛的出現(xiàn)，船舶智能無人駕駛試驗(yàn)也不斷涌現(xiàn)。智能駕駛首先需要實(shí)現(xiàn)對船舶航速的自動控制，而該巡航控制功能恰好切合了這一主題。

3 結(jié)論

通過對船舶各種航速下運(yùn)營時油耗的比較，以及一般船舶航行曲線圖的分析，結(jié)合筆者的實(shí)船工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一種方便、實(shí)用的推進(jìn)系統(tǒng)控制方式——巡航控制，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，減輕了駕駛?cè)藛T工作負(fù)荷，同時確保了更加準(zhǔn)時的到港時間，為實(shí)現(xiàn)船舶智能駕駛做鋪墊。

[1] 張署.船舶營運(yùn)航速的優(yōu)化分析[D].上海： 上海海事大學(xué), 2004.

[2] 魏應(yīng)三, 王永生.船舶航速優(yōu)化原理研究[J].中國造船, 2008(s1)： 75-82.

[3] 馬寧, 秦珩.基于 PLC的調(diào)距槳控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].船電技術(shù), 2015(8)： 61-65.

[4] 王國近, 王炅, 戴金鵬, 等.船舶可調(diào)槳螺距模糊PID 控制器設(shè)計[J].艦船科學(xué)技術(shù), 2017(7)：100-105.