現代船舶能效管理

夏敬停

（上海市港航事業發展中心 ，上海 200002）

0 引言

隨著社會發展對低碳環保的重視，船舶運輸可持續海運已成為行業關注的焦點，而船舶能效管理則是降低船舶能耗和碳排放、推動海洋運輸可持續發展的重要途徑。

船舶能效管理，是指在船舶運營過程中，采取一系列措施和方法，以提高船舶的能源利用效率和環境保護效果。其背景和意義可以從以下3個方面進行解讀。

1）從環保的角度看，船舶能效管理是降低船舶碳排放和能源消耗的有效手段[1]。隨著全球氣候變化和環境問題的不斷加劇，減少碳排放和能源消耗已成為各行業的共同責任。海洋運輸行業作為全球碳排放和能源消耗的重要來源，采取船舶能效管理措施，對于減少碳排放和能源消耗具有重要意義。

2）從經濟的角度看，船舶能效管理可以提高船舶運營的經濟效益。通過優化船舶設計、使用節能設備、改進航行操作等措施，可以降低船舶運營成本，提高船舶運輸的競爭力和盈利能力。

3）從安全的角度看，船舶能效管理可以改善船舶的安全性能。通過排放控制技術和航行操作改進等措施，可以減少船舶事故的發生，提高船舶運輸的安全性和可靠性。

船舶能效管理的具體措施和方法主要有如下4點。

1）優化船舶設計。采用更加先進的設計理念，提高船舶的能源利用效率和環境保護效果。如，采用節能船型、優化船舶動力系統、使用環保材料等[2]。

2）使用節能設備。采用高效、低能耗的設備和系統，提高船舶的能源利用效率。如，使用節能燈具、空氣源熱泵等節能設備，以及廢氣中的能源回收。

3）改進航行操作。采用更加科學的航行策略和操作方法，降低船舶的能源消耗和碳排放。如優化航線規劃、減少不必要的停靠、提高航速控制等[3]。

4）排放控制技術。采用先進的排放控制設備和系統，減少碳排放。如使用洗滌塔、過濾器等設備以及采用碳捕獲和儲存技術等。

總之，船舶能效管理能夠迅速推動海洋運輸行業的可持續發展[4]。通過優化船舶設計、使用節能設備、改進航行操作和排放控制技術等具體措施和方法，可以降低船舶的能源消耗和碳排放，提高船舶運營的經濟效益和安全性能。同時，也可以為海洋運輸行業帶來更加清潔、可持續的發展模式，為全球環境保護事業作出更大的貢獻。

1 船舶能效管理總體設計

本文通過分析來調整和優化船舶航態，使用能效管理儀能夠顯著減少航行阻力，提高船舶能效，從而降低運營成本。其原理是利用一系列傳感器和測量設備對船舶速度、航向、水流動態等進行實時監測，根據這些數據計算出實際航態，并智能調整和優化，實現航行阻力的降低。能效管理儀因其價格低廉、操作簡單、效果顯著等優勢，將在未來的船舶運輸領域發揮越來越重要的作用。

1.1 船舶CFX 阻力模型

船舶在航行時，會受到水流的阻力，為了獲取船舶在各種吃水條件下的阻力，需要對其進行阻力模型計算（Computational Fluid Dynamics eXtreme，CFX）。CFX是一種計算流體力學軟件，能夠模擬流體在物體表面產生的效應。通過CFX阻力模型計算，可以得出船舶在不同航速下的阻力值，為船舶的設計提供重要參數[5]。船舶CFX阻力模型計算主要涉及2個方面的內容，即模型的建立和數值計算。通過對船舶CFX阻力模型進行計算，可以得出船舶在不同航速下的阻力值，并分析其與速度的關系。模型見圖1。

圖1 計算船舶船體模型

然而，以下是CFX模擬阻力的根據，根據動量定理：

則有：

由伯努利方程：

1.2 船舶CFX 阻力輸出

建模完成后，將所得到整船的阻力數據與船舶能效管理系統進行對接。

2 燃油情況實時監控

通過在油艙進口、主機進油口和輔機進油口安裝流量計，以實時監測加油量和燃油消耗狀況，建立燃油管理檔案，全面了解加油量和實時油耗、日油耗等狀況，為掌握船舶能效狀況提供數據支持[6]。

2.1 信號輸入需求分析

以船舶燃油系統、主推進柴油機的轉速、船舶的航速及船舶的四角吃水為研究對象，監測整船的動力系統以及動力系統，來分析船舶自身的阻力特性匹配情況。

2.2 信號基本屬性

根據信號來源不同，檢測燃油流量的有主機、發電機組、鍋爐等等燃油設備[7]；針對上述設備，結合常用的信號采集設備，如表1所示，將主推進系統的狀態監測信號分為脈沖信號和電壓信號。

表1 信號列表

主機轉速類信號通常是由安裝在推進軸或者飛輪等設備上的霍爾傳感器進行采集，設備運轉時，霍爾傳感器會輸出若干TTL 脈沖信號[8]。

2.3 信號通道統計

信號通道的數量和類型對于后面的硬件選型具有重要的影響，因此需要對整個系統的狀態監測信號通道進行統計[9]。結合研究對象的特點和傳感器信號的基本屬性可知，主推進系統的狀態監測傳感器信號根據信號類型可分為脈沖信號和電壓信號[10]，通道數量分別為18個和5個。信號通道統計見表2。

表2 信號通道統計

2.4 數據采集硬件選型

通過對虛擬能效管理系統的需求分析，要完成對整個能效系統的信號進行輸出一共需要23個通道，其中18個數字輸出通道和5個模擬輸出通道[11]。經過大量的文獻查閱和設備調研，選用表3所示的硬件開發虛擬能效管理，下面將對各個模塊逐一進行介紹和可行性論證。

表3 虛擬機艙硬件

2.5 信號輸出控制模塊

2.5.1 CompactRIO簡介

CompactRIO開發平臺可通過圖形化編程語言LabVIEW的驅動[12]，CompactRIO可以實現一系列功能，可采集數據。NI CompactRIO系統整體構見圖2。

圖2 CompactRIO 系統架構

2.5.2 實時控制器

實時控制器（Real-Time Cotrol，RT）以其強大的雙核處理器和智能優化的能力，成為LabVIEW 實時應用程序的理想選擇[13]。憑借1.3 GHz的主頻，RT能夠高效地處理各種復雜任務，確保系統的穩定性和精確性。其內置的實時操作系統（Real-Time Operating System，RTOS）將計算機的硬件資源管理分配得非常合理，不僅擁有高精確的定時功能，還具有極強穩定可靠性[14]。

其基本構造見圖3。

圖3 實時控制器

2.5.3 可重配置FPGA機箱

可重構的FPGA機箱是CompactRIO系統的核心結構[15]。FPGA憑借著40 MHz的板載時鐘，可以完成精確的定時運算[16]。此外，機箱提供了大容量可編程邏輯陣列，讓您可以根據需求自由地重構系統。FPGA機箱見圖4。

圖4 可重配置FPGA 機箱

2.5.4 I/O模塊

CompactRIO機箱的I/O模塊樣式繁多[17]，包括熱電阻電容模塊；±10 V同步采樣模塊；24 V數字差分模塊；TTL數字輸入模塊；IEPE加速度計模塊；RTD測量模塊以及功率測量模塊等[18]。I/O模塊見圖5。

圖5 I/O 模塊

3 能效管理系統數值計算

3.1 船舶能效管理系統登錄及主控界面

依托前述建立的船舶油耗關于航速、航態（或壓載載況）的數學模型，通過相關優化算法集成該數學模型，基于單航次求解油耗最低的浮態與航速；同時借助船舶姿態傳感器[19]，實時調整及檢測船舶姿態；借助流量傳感技術建立船舶燃油管理數據系統，實時監測、統計營運過程中的油量，便于形成航次油耗數據統計與燃油管理。將上述各功能集成于能效管理儀中，并在駕控臺實時顯示。控制系統集成在控制柜中，在控制柜的上方，設有一塊觸摸屏，可輸入必要的參數，同時顯示實時船舶狀況、油耗情況等[20]。能效管理儀主要界面見圖6和圖7。

圖6 登錄界面

圖7 主控界面

3.2 數值計算結果

在不同縱傾值和螺旋槳的轉速條件下來計算船舶阻力[21]，同時對其進行組合式計算，得到下表4及圖8。

表4 不同工況的船舶推力

圖8 不同航速與縱傾角下船舶總阻力系數

4 實船驗證

為了進一步驗證效果，在“集海之明”輪上安裝的主機進油口和輔機進油口加裝流量計作為試驗[22]。構建數值計算分析平臺，模擬船舶快速性與營運能耗，建立能耗與航速及航態的數學模型[23]，確定目標船舶航次最佳航態；安裝能效管理儀，營運時船舶以最佳縱傾航行，阻力減小，從而實現燃油消耗的降低[24]。通過能效管理儀指導日常營運，可實現航次燃油消耗至少降低3%。2018年11月19日初步完成船上安裝調試，調配高精度流量計，優化能效管理儀，進入試運行。2019年3月14日至3月16日，“集海之明”船航行南京到洋山，航次油耗4.895 t，2019年3月17日洋山港出發時，航速一度達到12.4 kn（之前該船歷史航速從未突破12.0 kn）。通過能效管理儀，調整最佳航態，有效減少航行阻力，效果明顯。試運行首航次燃油消耗跟歷史油耗數據相比，可實現節油8%以上。首航次燃油消耗與歷史油耗數據比較見表1。“集海之明”船能效儀項目研發及設備投入共30.5萬元，月耗油量按60 t計，全年耗油按700 t計，1年節油35 t，合金額22.75萬元，基本在16個月就能收回成本。年減少碳排放111.47 t的CO2。按5年周期算，節約油料175 t，合金額113.75萬元，減少的碳排放量為557 t的CO2。按10年周期算，節約油料350 t，合金額227.5萬元，減少的碳排放量為1 114.7 t的CO2，有效實現船舶節能減排。

5 結論

本文通過對船舶能效提升技術的研究，并系統化集成，無需更改船體結構，不會帶來任何安全隱患；通過關鍵技術研發，并應用到船舶營運實踐中，有效實現能效提升，節省燃油，增強船舶盈利能力。項目投資少，見效快，節能環保，符合時代發展主題，應用前景十分廣闊。項目具有可復制、可推廣的示范性，值得業內借鑒和推廣運用。