船舶縱傾優(yōu)化節(jié)能策略

朱鵬飛　艾萬政　張亮

【摘 要】 為研究船舶縱傾優(yōu)化節(jié)能策略，應對能源、環(huán)境問題和低迷的航運市場，實現(xiàn)節(jié)能減排，以船舶縱傾優(yōu)化技術為研究對象，通過分析優(yōu)化原理和優(yōu)化方法，提出采取經(jīng)濟航速、合理設定船舶縱傾角度、在優(yōu)化狀態(tài)下合理操船等措施船舶縱傾優(yōu)化節(jié)能策略。

【關鍵詞】 水路運輸;節(jié)能減排;船舶縱傾;船舶阻力

0 引 言

近年來全球溫室效應日趨嚴重，二氧化碳是導致溫室效應的主要氣體。航運業(yè)二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物的排放量分別約占全球排放總量的3%、14%～15%、16%。為此，國際海事組織（IMO）已經(jīng)制定了以節(jié)能減排為重要內(nèi)容的技術性國際海運條例。隨著全球航運市場行情低迷、競爭日益激烈，航運公司為降低運營成本紛紛采取節(jié)能減排措施。

縱傾優(yōu)化是船舶節(jié)能減排的方法之一，IMO船舶能效管理計劃認為，船舶縱傾優(yōu)化是運營中的船舶最有效的節(jié)能減排方式。船舶縱傾優(yōu)化的節(jié)能效果受到船型、排水量、航速和吃水差等因素的影響，在實際應用中應采取相應的策略，不可盲目操作。本文分析縱傾優(yōu)化原理和方法，提出船舶縱傾優(yōu)化最佳策略，為船舶最佳縱傾操作提供依據(jù)，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

1 船舶縱傾優(yōu)化節(jié)能原理

船舶縱傾優(yōu)化節(jié)能技術是指在不改變船舶吃水深度和航速的情況下，通過調節(jié)船舶縱傾角度使船舶航行阻力最小，并通過調整船舶阻力與所需功率的比例，達到控制燃油消耗、節(jié)能減排的目的。

船舶縱傾優(yōu)化的重點在于調節(jié)船舶縱傾角度，使船舶處于艏傾或艉傾而無橫傾的漂浮狀態(tài)。船舶可以通過調節(jié)船舶吃水差來控制縱傾角度。影響船舶吃水差的因素主要有裝載的貨物、燃油、淡水和壓載水等在船舶縱向上的布置，因此可通過裝卸和移動船上的貨物，加載或排放壓載水，調節(jié)燃油、淡水的儲存位置，使船舶浮心偏離原來船舶正浮時的浮心位置，產(chǎn)生縱傾力矩，使船舶縱向轉動，從而產(chǎn)生吃水差。

船舶縱傾優(yōu)化可以減少船舶航行時產(chǎn)生的阻力，從而實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。船舶航行時產(chǎn)生的船體阻力主要包括摩擦阻力和剩余阻力。摩擦阻力主要是船舶在航行時由于水具有黏性而沿船舶濕表面產(chǎn)生的切應力。摩擦阻力的大小主要與船舶的濕表面積、船速和船體表面粗糙度等因素有關。剩余阻力分為渦流阻力和興波阻力，渦流阻力產(chǎn)生于船舶航行時黏性流體流經(jīng)船體表面時引起艏艉壓力差;興波阻力產(chǎn)生于航行中興起的波浪。船舶在低速航行時，剩余阻力較小，摩擦阻力占船體阻力80%以上;船舶高速航行時，剩余阻力增大，摩擦阻力占船體阻力的60%左右。

船體的縱傾改變對船舶的水線面形狀、水線長度和濕表面積有非常明顯的影響。根據(jù)國際拖曳水池協(xié)會（ITTC）的KCS集裝箱船（ 3 600 TEU，垂線間長230 m，型寬32.2 m，設計吃水10.8 m，設計航速24 kn）船模水池試驗的數(shù)據(jù)，縱傾角度變化對水線長度和濕表面積的影響見圖1（圖中艏傾時縱傾角度為負，艉傾時縱傾角度為正）。

由圖1可知，調節(jié)船舶縱傾角度可以改變船舶水線長度和濕表面積，以達到減少摩擦阻力的目的。

調節(jié)船舶縱傾角度，可調整球鼻艏入水角度和尾封板的入水程度。合理的縱傾角度，可以改善球鼻艏對興波的壓制效果，減小尾封板入水面積，減小興波，改善尾流場，從而降低剩余阻力。船舶縱傾角度直接影響船舶推進器和舵葉的入水深度，合理的縱傾角度可以提高推進器的效率，達到控制燃油消耗、提高能效的目的。

目前對于船舶縱傾優(yōu)化的研究方法主要有實船試驗、船模水池試驗和數(shù)值計算等方法。目前國內(nèi)外試驗數(shù)據(jù)和數(shù)值計算結果證明，合理使用船舶縱傾優(yōu)化技術可以起到明顯的節(jié)能減排效果。

2 船舶縱傾優(yōu)化的優(yōu)點

船舶節(jié)能減排的措施主要有降低船舶阻力、提高推進效率、優(yōu)化系統(tǒng)配置、使用節(jié)能設備和使用新型能源等。對于營運中的船舶而言，進塢改裝船舶設備、加裝輔助設備、更改動力設備系統(tǒng)等將嚴重影響船舶營運周期，而采用船舶縱傾優(yōu)化技術則不需要改變船體結構，不需要安裝任何輔助設備，在不降低船舶載質量和船速的前提下，僅需調節(jié)貨物、燃油、淡水和壓載水的縱向布置，便可實現(xiàn)減小船舶阻力、提高推進效率，從而達到節(jié)能減排的目的。

可見，對于營運中的船舶而言，船舶縱傾優(yōu)化技術是一種最經(jīng)濟、便利的節(jié)能減排技術，具有成本低、易實現(xiàn)、效果佳的優(yōu)點。

3 船舶縱傾優(yōu)化策略

3.1 合理采用經(jīng)濟航速

過快的航速將導致船舶航行阻力增加和主機消耗功率過大，將消耗更多的燃料，增加營運成本和污染物排放，沒有縮短船期要求的船舶應采用合理經(jīng)濟航速航行。

在采用經(jīng)濟航速的基礎上應用船舶縱傾優(yōu)化技術，可以進一步降低航行阻力，提高推進器效率，不僅會適當增加航速，而且節(jié)能減排效果和經(jīng)濟效益更加明顯。

3.2 合理設定船舶縱傾角度

船舶縱傾角度不可僅憑操船經(jīng)驗設定，船舶縱傾優(yōu)化的效果與船型、船舶吃水深度、船速、裝載狀況等因素有關。縱傾角度的設定應有針對性，否則可能產(chǎn)生負面效果，無法達到節(jié)能減排的目的。船模試驗和數(shù)值計算結果顯示：狹長型和高速船舶（如KCS集裝箱船）在滿載狀況下保持艉傾約0.84笆弊萸閿嘔Ч羆眩淮笮禿統(tǒng)笮痛埃ㄈ繽螄浼都跋浯⑸⒒醮陀痛齲┍3忠歡ǖ聶記憬嵌仁弊萸閿嘔Ч羆選1]

對各種條件下的相同或相近船型應進行船模試驗或數(shù)值計算，將試驗數(shù)據(jù)與計算結果代入優(yōu)化算法，以最小阻力為目標，綜合考慮航線、穩(wěn)性、強度安全等因素作為實際操作中的參考值，或編寫船舶縱傾優(yōu)化軟件，這樣可以提高船舶縱傾優(yōu)化的效果。馬士基集團已經(jīng)建立了船舶運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，其中就包括船舶縱傾優(yōu)化工具。

3.3 合理調整船舶縱傾狀態(tài)

船舶縱傾狀態(tài)的調整方式包括靜態(tài)調整和動態(tài)調整。

靜態(tài)調整指在保證船舶有足夠強度和吃水深度的前提下，船舶裝載貨物和加裝燃油、淡水、壓載水時，根據(jù)船舶縱傾優(yōu)化計算結果調整船舶吃水差，使船舶處于最優(yōu)縱傾狀態(tài)。

動態(tài)調整指船舶航行過程中，在靜態(tài)調整的基礎上根據(jù)海況、燃料和淡水消耗情況、船舶航行時產(chǎn)生的下沉和縱傾角度變化，根據(jù)伯努利原理通過調整壓載水來調節(jié)船舶的縱傾角度，實現(xiàn)縱傾優(yōu)化。

在淺水區(qū)航行時船舶會受到淺水效應影響，降速明顯，下沉量和艏傾值增加，進行縱傾優(yōu)化動態(tài)調整會產(chǎn)生航行風險。因此，動態(tài)調整應避免在淺水區(qū)進行。

3.4 在優(yōu)化狀態(tài)下合理操船

船舶在進行轉向和旋回時重心和漂心將前移，若縱傾優(yōu)化后船舶處于艏傾狀態(tài)，將增加船舶的旋回縱距和旋回橫距，并對滯距和反移量產(chǎn)生影響，此時應提前操舵。根據(jù)萬箱級集裝箱實船試驗結果，在艏傾1 m后，船舶的旋回性能變差，應舵性變慢，操右舵10笆保？5 s后船舶開始有反應，后船舶開始轉動。可見，在船舶縱傾優(yōu)化后操縱船舶進行轉向和旋回時應早用舵，嚴格遵守“早、大、寬、清”的操船原則。

參考文獻：

[1] 杜建軍.萬箱船縱傾優(yōu)化與節(jié)能[J].航海技術，2016（2）：27-29.