船舶燃油監控系統的研發應用

肖時駿

摘 要：船舶燃油消耗是航運企業最主要成本之一，而船舶燃油的管理是又一個十分復雜的課題。由于近年來世界原油市場價格上漲，燃油費用占企業的成本越來越大，因此企業也越來越關注越來越重視船舶燃油的管理，因為對企業來講意味著效益。從管理著手，挖掘能源節約的潛力是當前船舶航運企業節能發展的方向。

關鍵詞：船舶燃油消耗測量;自動化船舶燃油消耗監控系統;研發應用

中圖分類號：TH12 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）03-0059-02

通過近兩年的研發和公司分別對三航拖3003輪及三航拖3005輪進行的應用，并對系統進行了升級，修補了之前在使用過程中的漏洞及工作中的不完善點，同時為了實現科學化、精細化管理，我們將該系統與公司現有的岸基管理系統進行了對接。

1 項目節能減排技術原理

研發小組通過多年船舶的工作經驗和分析，機動船舶長航采取經濟轉速航行，因功率與航速、轉速的三次方互相成正比;即航速與轉速成正比，所以轉速減少，油耗與航速不是等比減少，而是呈開口向上曲線關系。對于拖輪每個航次所拖帶的負載不同所需的經濟轉速也是不同，每百海里油耗相差約0.5～1噸。因此船舶燃油監控系統基于集中顯示分散控制監控系統的網絡架構，通過對船舶日用油柜的進油量和出油量實時監測，實現對船舶的各種工況下油耗的實時監測，對異常油耗做出報警提示，并能夠得出經濟航行模式，自動提醒船舶駕駛員采用經濟航速，從而達到降低油耗，節約成本的目的。同時該系統能自動產生船舶在各種工況下的瞬時油耗報表，平均油耗報表及燃油消耗的總報表。其故障自診斷功能，能實時監控本系統內部的各個傳感器和采集模塊的工作狀態，并對異常狀態做出報警。

2 項目實施方案

2.1 系統功能及架構

HS2012型船舶燃油監控系統通過集中顯示分散控制監控系統的網絡架構，對船舶進油量和出油量實時監控，其主要功能有：（1）系統功能使用數字及曲線圖顯示各個主機和發電機的耗油量;（2）顯示所有報警及其參數;具有參數設置功能（必須登錄系統管理員賬號）;（3）具有查詢及打印耗油量日報表功能;（4）具有查詢及打印歷史耗油量曲線功能;（5）具有報警歷史查詢及打印功能;（6）通過北斗衛星或者3G模塊定時發送油報到公司;（7）公司管理層可以通過網頁瀏覽每條船的油報記錄;（8）能夠自動判別船舶處于何種工況，并計算相應的油耗;（9）能夠統計船舶的年利用率。

根據功能船舶燃油監控系統要求，項目組充分利用多種先進的信息技術，按照以需求為導向、經濟實用有效為原則，對系統的業務應用架構模型進行了認真研究和設計。該系統由船舶燃油智能化監控系統也就是俗稱的機關端、船舶燃油監控數據采集系統也就是俗稱的船舶端、3G網絡或北斗系統、以及岸基管理信息系統PMS組成。終端軟件安裝在船舶計算機上，負責數據采 集工作，并通過3G網絡或北斗系統、以標準格式式定時地傳送到岸基管理信息系統上，公司船舶管理人員通過岸基管理信息系統即可了解營運船舶的油耗狀態，并通過綜合分析，對船舶的油耗正?；虍惓＜皶r做出不同的判斷，并在生產調度、船舶狀態、海況情況等綜合數據支持下做出合理的航行修訂方案，指導船舶及時調整。

2.2 數據測量

HS2012型船舶燃油監控系統監測船舶以下參數：

2.2.1 耗油測量

通過燃油流量傳感器和壓力式液位傳感器可分別測出燃油日用柜的進油量和剩余油量，從而計算出實際耗油量。

理論計算公式如下：

V（h）—燃油日用柜艙容函數;P1—燃油日用柜液位壓力;S—進油管截面積;V—渦輪流量計測出進油管燃油流速;Q—燃油密度;g—重力加速度;H1—燃油日用柜殘留液位高度;H—燃油日用柜實時液位高度;Qin—進油總量;Qout—出油總量;Qt0—燃油日用柜殘留油量;Qt1—燃油日用柜當前油量;t—累計進油時間;

根據帕斯卡定律，得出：H1=P/（Q*g）;

計算出燃油日用柜殘留油量：Qt0=V（H1）;

燃油日用柜當前油量：Qt1=V（H）;

根據流量傳感器實測的流速，可以計算出進油總量：Qin=V*S*t;

因此，可以計算出單位時間t內消耗的燃油總量是：Qout=Qin+Qt0-Qt1。（按燃油體積計算）。如測重油，則須在沉淀油柜入口處增加燃油流量計。

2.2.2 主機轉速測量

從主機測速傳感器上取信號，經過F-V變換轉成0～10V信號。

2.2.3 主機運行時間統計

當主機轉速高于50轉時開始累加計時;當主機轉速低于50轉時，停止累加計時。

2.2.4 發電機組有功功率測量

通過電壓，電流互感器實時采集電網參數，經過功率變送單元計算得出發電機主的有功功率。

2.2.5 發電機組運行時間統計

當發電機組有功功率大于1000W時開始累加計時;當發電機組有功功率小于1000W時停止累加計時。

2.2.6 航程計算

通過RS422通訊，從GPS中讀取航行坐標，并計算出航行的海里數。

2.2.7 傳感器狀態檢測

從HS6810網絡服務器上讀取各個傳感器狀態。

2.2.8 DCS系統狀態檢測

通過船載客戶端軟件實時在線判斷得出。

2.2.9 經濟油耗輸入

通過岸基服務端軟件輸入，自動下載到船載客戶端軟件上。

2.3 數據處理

2.3.1 工況自動判別及工況工作時間統計

航行機動船：可分為3種工況：（1）航行工況：當主機轉速高于50轉時，判定該船處于航行工況;（2）港作工況：當主機轉速高于50轉時，船舶的當前位置與船舶的初始位置的距離小于10海里;（3）停泊工況：當主機轉速低于50轉時，判定該船處于停泊工況。

2.3.2 油耗計算

（1）航行工況：油耗=（本航次當前耗油總量）/（本航次當前航行海里數）*100。該計算值為每100海里航程的耗油量。（2）停泊工況：油耗1=（當前工況下耗油總量）/（發電機組當前發出有功總量）。該計算值為發電機組產生每千瓦時有功時的耗油量。油耗2=（當前工況下耗油總量）/（當前工況累計時間）。該計算值為發電機組每小時耗油量。（3）港作工況：油耗=（本航次當前耗油總量）/（本航次當前航行海里數）*100。該計算值為每100海里航程的耗油量。

2.3.3 油耗測試模式

當主機轉速高于50轉時，工作模式設置為油耗測試模式時，測試模式下，需要設定5檔主機轉速，每一檔主機轉速1小時，自動計算出當前航速百海里油耗;同時，系統自動保存經濟油耗航速值，并繪制出經濟油耗曲線。根據上述工況自動判定邏輯，船載客戶端軟件可以自動統計出每個工況的工作時間，并產生相應的報表。

2.4 HS2012型船載數據測量箱

HS2012型船載數據測量箱由HS系列數據測量模塊，輸出邏輯控制模塊，網絡分配器以及HS6810網絡服務器等組成，將傳感器測量信號轉換成對應的數字信號，并將該數字信號經過以太網發送到船載顯示終端計算機上。

HS2012型船載數據測量箱也可以接受來自船載終端計算機上的輸出命令，實現邏輯控制輸出及儀表顯示信號還原等功能。

HS2012型船載數據測量箱由2層網絡組成：雙以太網+雙CAN通訊。

2.5 HS2012型船舶燃油監控系統船載客戶端

主要功能如下：（1）實時監測系統的各部件的工作狀態，一旦異常，立即觸發報警提示，并記錄保存;（2）實時監測船舶油耗，并自動繪制出各種工況下的燃油使用的歷史趨勢圖;同時，對異常油耗做出報警提醒，并記錄保存;（3）歷史平均油耗計算功能;可以自動計算出歷史平均油耗，分2種：1）平均百海里油耗;2）平均千瓦時油耗;并以趨勢圖的形式顯示出來;（4）報警記錄及事件查詢功能;（5）參數設置功能;（6）數據遠傳功能;HS2012型船舶燃油監控系統船載客戶端可以定時將監控的歷史記錄和當前測量值寫入到第三方數據庫里面;通過第三方軟件訪問該數據庫，并將數據經3G網絡或北斗衛通發送到岸基

2.6 HS2012型船舶燃油監控系統岸基船載服務端軟件

HS2012型船舶燃油監控系統岸基船載服務端軟件的主要功能是從標準數據庫中讀取船載客戶端軟件發送出來的數據，并以報表或圖形的形式顯示出來。管理層可以通過HS2012型船舶燃油監控系統岸基船載服務端軟件實時了解船舶能耗情況。

HS2012型船舶燃油監控系統岸基船載服務端軟件具體功能如下：（1）船舶查詢輸入;輸入船名即可查詢該船的燃油使用記錄和設備狀態;（2）參數設置界面：設置每條船的經濟油耗曲線;（3）報表產生設置：設置報表產生的方式;（4）報表查詢;（5）打印功能;（6）組網功能：允許局域網內所有客戶端機器訪問;

3 推廣應用條件

船舶燃油監控系統的研發是通過不斷的對船舶燃油消耗歷史數據的分析、評估以及船舶油耗的實時監控檢查，以及相同類型船舶航次的比照得出。相對于現在行業內的其他同類系統的安裝在發動機的總進油管上安裝流量計，來采集發動機的實時消耗量而言，該系統采用在燃油日用柜上安裝渦輪流量傳感器和壓力式液位傳感器測得進油量和剩余油量，從而計算出實際耗油量，在行業內具有較為領先的地位。該系統在設計初期和更新過程中充分的考慮了人性化的概念，目前可以通過對船員進行使用介紹學習和充分的使用來達到系統效果。在資金方面近年主要資金花費主要有先期研發設備購置安裝費用和由燃油監控的軟件更新、感應探頭的更換、處理器及數據傳送方式的維修等。目前設備性能趨于穩定，目前適用范圍已嘗試不斷的推廣到了三航樁16等工程船舶上進行應用。

4 項目成效

4.1 社會效益

船舶燃油智能化監控系統的成功實施，有效地降低了港航行業船舶燃油的消耗量，為國家和企業節約了大量能源，保護了環境，體現了中交三航作為一個大型的央企對社會負責任的態度。船舶燃油監控系統”集多種信息技術應用于一體，是利用信息技術達到管理節能的成功嘗試，走出了一條確保企業與社會利益雙贏的可持續發展道路，為企業的節能減排提供了一個切實有效的實例。

4.2 經濟效益

系統的成功使用，實現了管理人員對燃油的跟蹤和科學監控。達到了預期節能目標，項目實施后以三航拖3003為例，情況如表1：