孫 星 嚴新平 尹奇志 陳前昆

(武漢理工大學能源與動力工程學院可靠性工程研究所1) 船舶動力工程技術交通行業(yè)重點實驗室2)國家水運安全工程技術研究中心3) 武漢 430063)

考慮通航環(huán)境要素的內(nèi)河船舶主機營運能效模型*

孫 星1,2,3)嚴新平1,2,3)尹奇志1,2,3)陳前昆1,2,3)

(武漢理工大學能源與動力工程學院可靠性工程研究所1)船舶動力工程技術交通行業(yè)重點實驗室2)國家水運安全工程技術研究中心3)武漢 430063)

引入EEOI為內(nèi)河船舶的營運能效評價工具，考慮不同通航要素對阻力影響特征和船機槳匹配關系，建立內(nèi)河船舶主機能效模型，用Matlab/Simulink進行模型仿真，利用實船測試的數(shù)據(jù)完成模型驗證.在此基礎上，對不同的通航環(huán)境要素進行了仿真分析，計算對象船舶的能效水平，分析了通航環(huán)境對船舶能效的影響.結果表明，內(nèi)河船舶的營運能效指數(shù)較海船小，隨主機轉(zhuǎn)速變化明顯，且受到通航環(huán)境的影響.

內(nèi)河船舶；營運能效；通航環(huán)境；模型

0 引 言

全球氣候變暖和CO2溫室氣體排放一直倍受關注，船舶作為溫室氣體排放大戶近年來面臨來自公眾和航運界的巨大的壓力，如何在保證船舶航行安全的前提下，實現(xiàn)運營船舶的節(jié)能減排目標，成為航運業(yè)必須要解決的現(xiàn)實而重大的課題.對于國際航行船舶，具有強制性的國際航行船舶溫室氣體減排措施，已經(jīng)于2011年7月15日在海洋環(huán)境保護委員會第62次會議上一致通過，新修訂的公約對新船和在航船舶能效指數(shù)提出了計算方法與要求[1].

就我國而言，隨著內(nèi)河航運的快速發(fā)展，內(nèi)河航運在綜合交通運輸體系和水資源利用中發(fā)揮了重要作用，同時資源、環(huán)境對內(nèi)河航運的約束日益加劇，發(fā)展可持續(xù)的內(nèi)河航運需要大力提倡“低碳航運”的概念[2].然而，一方面，我國尚未對內(nèi)河船舶的排放問題做出明確限制，內(nèi)河船舶能效問題的相關研究處于起步階段，亟須對內(nèi)河船舶的能效水平進行評估[3]，另一方面，目前內(nèi)河船舶節(jié)能的研究主要集中在“降速節(jié)能”[4-5]，其采取的思路和方法是：在假設功率確定性的前提下，將船舶航速視為可控變量[6].但是從船舶運動學角度來講，船舶航速是在船舶工況與外界條件綜合作用下的一種表現(xiàn)輸出，不同的通航條件下，實現(xiàn)同樣的航速要求，其主機轉(zhuǎn)速、油耗等工況指標并不一致.通航環(huán)境與船舶主機之間缺乏有機的結合，很少有研究把船體阻力與推進系統(tǒng)進行綜合考慮.

因此，本文引入EEOI為評價工具，針對某內(nèi)河集裝箱船，通過分析不同通航要素對船舶阻力的影響特征和船-機-槳匹配關系，建立環(huán)境-船舶-槳-軸-機一體化的內(nèi)河船舶主機營運能效模型，計算對象船舶的能效水平，研究通航環(huán)境對船舶營運能效的影響.

1 船舶營運能效與通航環(huán)境

根據(jù)國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)相關規(guī)則，船舶能效水平利用船舶營運能效指數(shù)(energy efficiency operational index, EEOI)進行評價，該指數(shù)表征了每單位運輸工作量下產(chǎn)生的CO2排放量，其計算公式為：

(1)

式中：FCi為第i個航次的燃油消耗量，包括主機、鍋爐和發(fā)電機等輔機設備燃油消耗；Ccarbon為所用燃油的碳系數(shù)；mcargo,i為第i個航次的貨運量；Di為該航次的航程.

EEOI的單位取決于運輸工作量的計量形式，可以是：CO2/[t·(t·n mile)-1]，CO2/[t·(TEU·n mile)-1]，CO2/[t·(人·n mile)-1].

進一步的，對于對象船舶而言，裝載條件為220 TEU，如果只考慮主機油耗，有

(2)

式中：燃油消耗量，L/h；V為船舶航速，m/s.由式(2)可見，EEOI最終計算結果的影響來自油耗率和航速.

通航環(huán)境作為船舶自身條件以外的客觀因素構成的一個系統(tǒng)，其水深、風、浪、流的強弱等要素，都會直接或間接地影響船舶的運動狀態(tài)，從而改變船舶營運能效.在船-機-槳能量傳遞特征分析的基礎上，通過將主機轉(zhuǎn)速作為可控變量，可以將主機油耗和船舶航速作為輸出變量，從而將通航環(huán)境要素對船舶航速的影響考慮在內(nèi)，建立主機營運能效模型，分析這些要素對主機營運能效的影響.

2 主機營運能效模型

2.1 模型結構

船舶主機作為最重要的耗能設備，通過傳動裝置帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)，螺旋槳產(chǎn)生推力，克服船體阻力帶動船舶運動.在正常航行狀態(tài)下，螺旋槳的轉(zhuǎn)力矩等于主機所提供的轉(zhuǎn)矩.船舶的實際航行行為較為復雜，風、浪、流、深等通航環(huán)境要素都在不斷發(fā)生變化，相應的，航速、螺旋槳、主機運行條件等都會隨之發(fā)生變化，從而引起油耗的變化，進而影響船舶能效.

營運能效的影響機理過程見圖1.

圖1 營運能效機理模型結構

2.2 模型模塊

為了建立考慮通航環(huán)境要素的船舶營運能效的機理模型，需要構建的典型模塊包括：

1) 船舶阻力 經(jīng)過對多種靜水阻力估計方法的比較分析，本文采用Holtrop-Mennen[7]方法計算船舶靜水阻力.

對于流的作用，可以認為均勻流對船舶運動的影響只是運動學上的，引起船舶運動的漂移而不改變其的速度和位置，使其偏離預定的航向和航跡.

船舶在波浪中航行時，由于縱搖、升沉、橫搖等運動，以及船體對波浪的反射作用，其阻力將比在靜水中大，本文采用了適用于內(nèi)河船舶的拉特涅爾方法[8]計算阻力增值.

風阻力的大小與船舶上層建筑形式，風對船舶的速度和風向與船舶縱中剖面的夾角有關，本文僅考慮沿船舶運動方向的風阻力，采用Isherwood計算風阻系數(shù).

2) 螺旋槳 螺旋槳利用旋轉(zhuǎn)運動吸收主機功率產(chǎn)生推力，推動船舶克服阻力前進.推力系數(shù)kt和轉(zhuǎn)矩系數(shù)kq通常用螺旋槳敞水特性曲線來表示.在船舶操縱運動研究中，可根據(jù)實船配置的螺旋槳類型，采用螺旋槳圖譜計算槳推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù).

3) 船舶運動 本文采用整體型船舶運動模型方法，僅討論船舶在前進方向上的運動方程，并考慮進粘性引起的附加質(zhì)量.

4) 主動力推進裝置 在研究和分析船舶營運能效過程中，對于主動力推進裝置部分，主要關注主機油耗率隨船舶運行工況的變化情況.柴油機作為推進動力來源時，其油耗率可以認為隨著主機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩變化，這種假設被諸多船舶排放的相關研究采用[9-10].基于對目標船舶的數(shù)據(jù)采集，得到左主機油耗率與轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩散點數(shù)據(jù).

2.3 模型建立

基于上述分析，選用MATLAB軟件，利用其Simulink仿真工具把數(shù)學表達式表示為仿真模型，實現(xiàn)系統(tǒng)和各子系統(tǒng)的功能，系統(tǒng)模型見圖2.

圖2 船舶主機營運能效模型

2.4 模型驗證

為了對該模型進行驗證，在相對靜水的環(huán)境中，實船采集了主機在400,460,550,600,700 r/min 5個不同轉(zhuǎn)速條件下的航速和油耗，實測的航速、油耗值與仿真結果比較見表1.

表1 模型驗證

作為船舶主機營運能效的影響因子，航速和油耗兩個指標的仿真結果誤差在分別在15%和20%以下，考慮到船舶阻力計算的復雜性，采取了較多的簡化以分析變化趨勢，因此誤差在可接受范圍內(nèi).

3 環(huán)境要素的影響仿真與分析

根據(jù)長江通航環(huán)境特征，利用上述模型進行了在不同環(huán)境條件下的仿真實驗.

實驗條件包括：(1) 靜水條件，主機轉(zhuǎn)速從400 r/min過渡到700 r/min；(2) 溫和條件，在4 m/s風速、1 m浪高、1 m/s水速下，主機轉(zhuǎn)速從400 r/min過渡到700 r/min；(3) 惡劣條件，在15 m/s風速、2.5 m浪高、-2 m/s水速下，主機轉(zhuǎn)速從400 r/min過渡到700 r/min；(4) 其他條件固定，在460 r/min轉(zhuǎn)速下，風速從0 m/s過渡到20 m/s；(5) 其他條件固定，在550 r/min轉(zhuǎn)速下，浪高從0 m過渡到3 m；(6) 其他條件固定，在650 r/min轉(zhuǎn)速下，水流速度從-2.5 m/s過渡到2.5 m/s.

仿真結果見圖3.

圖3 通航環(huán)境對營運能效影響仿真

從上述仿真結果可以看出：

1) 同樣作為集裝箱船，對象船舶(內(nèi)河集裝箱船)的營運能效指數(shù)小于海船，后者的營運能效指數(shù)在200×10-6左右[11].

2) 采取不同的船舶主機轉(zhuǎn)速航行，船舶的營運能效指數(shù)出現(xiàn)較大波動，在一般范圍內(nèi)，降速航行不僅能夠起到節(jié)能的效果，而且可以提高船舶營運能效.

3) 通航環(huán)境對船舶能效指數(shù)產(chǎn)生影響，水流速度通過改變船舶航速，影響顯著，浪高和風速都是通過改變船舶航行阻力影響了船舶營運能效，風速的影響較浪高要小.

4 結束語

針對內(nèi)河船舶的營運能效問題，本文引入IMO提出的EEOI為評價工具，以某內(nèi)河集裝箱船為研究對象，建立了內(nèi)河船舶主機營運能效模型，該模型通過將船舶航速設定為輸出變量，從而將通航環(huán)境要素考慮在內(nèi)的前提下，計算對象船舶的能效水平，定量地研究了通航環(huán)境對船舶營運能效的影響.

[1]Marine Environment Protection Committee.Amendments to the annex of the protocol of 1997 to amend the international convention for the prevention of pollution from ships,1973,as modified by the protocol of 1978 relating thereto[R].MEPC 62/24/Add.1.London:IMO,2011.[2]嚴忠貞,嚴新平,馬 楓,等.綠色長江航運智能化信息服務系統(tǒng)及其關鍵技術研究[J].交通信息與安全，2010,29(6):76-81.

[3]SUN Xing,YAN Xinping,WU Bing,et al.Analysis on the operation energy efficiency for inland river ships [J].Transportation Research Part D:Transport and Environment,2013,22:34-39.

[4]李 勝.船舶主機降速節(jié)能研究[D].大連：大連海事大學，2011.

[5]沈文勝.長江船舶經(jīng)濟航速研究[D].武漢：武漢理工大學，2010.

[6]LIN Yuhsien，F(xiàn)ANG Mingchung，YEUNG R W.The optimization of ship weather-routing algorithm based on the composite influence of multi-dynamic elements [J].Applied Ocean Research，2013,43:184-194.

[7]HOLTROP J,MENNEN G G J.An approximate power prediction method [J].International Shipbuilding Progress，1982:29(7):166-170.

[8]應業(yè)炬.船舶快速性[M].北京:人民交通出版社，2007.

[9]SHI W.Simulation of the influence of ship voyage profiles on exhaust emissions [C].2008 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition.Boston,Massachusetts,USA:ASME,2008:1-10.

[10]BRUSSEN P.2006.CO2-emissions of various ship types, simulated on an operational year profile [R].TNO Report,2006-D-R0262.

[11]倪駿愷,趙一飛.集裝箱船能效運營指數(shù)研究[J].船海工程，2010,39(5):140-143.

Modeling of Main Engine Operational Energy Efficiency for an Inland Waterway Ship with the Consideration of Navigation Environment

SUN Xing1,2,3)YAN Xinping1,2,3)YIN Qizhi1,2,3)CHEN Qiankun1,2,3)

(ReliabilityEngineeringInstitute,SchoolofEnergyandPowerEngineering,WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430063,China)1)(KeyLaboratoryofMarinePowerEngineering&Technology(MinistryofTransportation),Wuhan430063,China)2)(NationalResearchEngineeringCenterforWaterTransportSafety(WTSCenter),MOST,Wuhan430063,China)3)

Based on the resistance characteristics of different navigation environment factors, a main engine operational energy efficiency model was developed with EEOI as the evaluation tool, the modeling and simulation, taking advantage of Matlab/Simulink, were verified by the data onboard. The operational energy efficiency indexes were calculated with the consideration of navigation environment factors. The result showed that the EEOI of this ship is lower than ocean ships, it varied with main engine speed significantly, and influenced by navigation environment.

inland waterway ships; operational energy efficiency; navigation environment; model

2015-01-09

*國家自然科學基金項目 (批準號：51279149)、高等學校博士學科點專項科研基金優(yōu)先發(fā)展領域課題(批準號：20120143130002)、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目(批準號：2012-YB-12)資助

U664.121

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.008

孫 星(1987- )：男，博士生，主要研究領域為船舶能效