馬衛(wèi)星， 車霖源， 崔 健(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實驗室， 上海 200135)

浮態(tài)節(jié)能技術(shù)在某型集裝箱船上的應(yīng)用

馬衛(wèi)星， 車霖源， 崔 健
(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實驗室， 上海 200135)

為使集裝箱船能在保持或增加運(yùn)力的同時大幅減少燃油消耗，從而降低對環(huán)境的有害影響，針對營運(yùn)中的船舶，提出運(yùn)用浮態(tài)節(jié)能技術(shù)。以某型集裝箱船1 a的營運(yùn)航行資料為基礎(chǔ)，統(tǒng)計分析該型船實際運(yùn)營的航速范圍和載重范圍，并在該范圍內(nèi)開展一系列的船舶模型試驗。對試驗結(jié)果進(jìn)行計算分析，并以此開發(fā)應(yīng)用于實船的“浮態(tài)節(jié)能系統(tǒng)”，通過實船測試驗證浮態(tài)節(jié)能的效果。結(jié)果表明:浮態(tài)調(diào)整具有較好的節(jié)能效果,基于模型試驗開發(fā)的浮態(tài)節(jié)能系統(tǒng)可準(zhǔn)確評估船舶的性能,并能指導(dǎo)浮態(tài)調(diào)整達(dá)到節(jié)能的目的,具有較高的可靠性。

水路運(yùn)輸； 集裝箱船; 模型試驗; 浮態(tài)節(jié)能; 降耗; 實船驗證

當(dāng)前航運(yùn)公司面臨著航運(yùn)市場低迷和燃油價格上漲雙重壓力，減少燃油消耗、控制運(yùn)營成本成為當(dāng)務(wù)之急。船舶節(jié)能措施有多種，對于營運(yùn)中的船舶而言，通過調(diào)整縱傾浮態(tài)達(dá)到節(jié)能的目的是比較簡單、實用的方法。浮態(tài)調(diào)整僅通過調(diào)節(jié)壓載水來改變船舶的艏艉吃水差，進(jìn)而改變船舶的性能，無需對船舶進(jìn)行改造。[1-4]

浮態(tài)節(jié)能前期投入少、見效快，通常的方法是根據(jù)模型試驗或數(shù)值方法分析船舶收到功率與航速、吃水和浮態(tài)的關(guān)系，總結(jié)不同航速、不同吃水下的最佳縱傾位置，繪制成圖譜供實船使用。在20世紀(jì)八、九十年代，研究方法主要為模型試驗；近些年，隨著計算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，數(shù)值方法成為模型試驗有效的輔助手段。[5-8]

首先,統(tǒng)計分析某型集裝箱船實際運(yùn)營的航速范圍、載重范圍和浮態(tài)情況，據(jù)此制定方案進(jìn)行模型試驗；其次,以試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立收到功率與航速、吃水和浮態(tài)的關(guān)系，開發(fā)應(yīng)用于實船的“浮態(tài)節(jié)能系統(tǒng)”；最后,進(jìn)行實船測試、評估和驗證浮態(tài)節(jié)能的效果。

1 歷史營運(yùn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

對歷史營運(yùn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析的目的是了解船舶的航行特點(diǎn)，據(jù)此制定出模型試驗方案，通過模型試驗全面掌握船舶不同狀態(tài)下的性能特點(diǎn)，為實施浮態(tài)節(jié)能提供依據(jù)，并對其節(jié)能效果進(jìn)行評估。主要統(tǒng)計的內(nèi)容有航速分布情況、吃水分布情況和縱傾分布情況(見圖1～圖3)。[9]

圖1 航速分布情況

圖2 平均吃水分布情況

圖3 縱傾分布情況(艉傾為正)

由圖1～圖3可知，當(dāng)前船舶的航行狀態(tài)主要有3個特點(diǎn)：

1) 運(yùn)營航速相比設(shè)計航速大幅降低，集中在17.5 kn附近。

2) 裝載少、吃水小的狀態(tài)占較大比例。

3) 幾乎都以艉傾狀態(tài)航行。

2 模型試驗

應(yīng)用到的模型試驗包括阻力試驗和自航試驗，可全面評價浮態(tài)調(diào)整后船舶的阻力和推進(jìn)性能的變化情況。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果制定試驗方案為：航速16～20.5 kn;吃水9.5～14 m;浮態(tài)滿足螺旋槳不出水的情況下縱傾-2～4 m(艉傾為正)。

根據(jù)模型試驗數(shù)據(jù)，在滿足實用要求的前提下以最小功率消耗原則確定最佳縱傾浮態(tài)，繪制最佳縱傾曲線供實船使用。

圖4為不同吃水條件下船舶的最佳縱傾位置，不隨航速的改變而改變。由圖中的實際統(tǒng)計值曲線可知，船舶一直以性能較差的艉傾狀態(tài)航行，采用最佳浮態(tài)航行可提高船舶的性能，減少燃油消耗。

圖4 不同吃水條件下船舶的最佳縱傾位置

得到對應(yīng)航速、吃水時的最佳浮態(tài)和統(tǒng)計浮態(tài)后，可根據(jù)試驗結(jié)果得到二者對應(yīng)的螺旋槳收到功率。

圖5為17.5 kn航速、不同吃水情況下實際配載浮態(tài)與最佳縱傾浮態(tài)下的收到功率對比。在常用的11 m吃水和12 m吃水位置,采用最佳縱傾浮態(tài)航行的節(jié)能效果在11%以上。

圖5 17.5 kn航速、不同吃水情況下的收到功率曲線

為綜合評價最佳縱傾的節(jié)能效果，以吃水加權(quán)平均得到船舶不同航速下的收到功率曲線(見圖6)。

圖6 不同航速下的收到功率曲線

忽略由功率變化引起的油耗率變化的影響，直接通過功率減小百分比來衡量節(jié)能效果。采用浮態(tài)節(jié)能技術(shù)后，在16～20.5 kn航速內(nèi)，均能達(dá)到10%～13%的節(jié)能效果，說明采用浮態(tài)節(jié)能技術(shù)具有很好的節(jié)能效果。

3 浮態(tài)節(jié)能系統(tǒng)

船舶營運(yùn)過程中，浮態(tài)節(jié)能軟件能根據(jù)船舶載況和航速信息分析計算出適合當(dāng)前營運(yùn)條件的最佳船舶浮態(tài)，指導(dǎo)船員進(jìn)行相關(guān)配載調(diào)整，從而降低船舶營運(yùn)能耗，達(dá)到節(jié)能、降耗和減排的目的。[10]

針對船舶營運(yùn)過程中的不同航行狀態(tài)(不同航速、不同排水量等)，結(jié)合船模試驗數(shù)據(jù)，分析計算出適合當(dāng)前航行狀態(tài)的最佳船舶縱傾值，開發(fā)出適用于該船的浮態(tài)節(jié)能系統(tǒng)。系統(tǒng)主界面和部分功能顯示(最佳縱傾可視化“數(shù)據(jù)庫”窗口)見圖7和圖8。

圖7 浮態(tài)節(jié)能系統(tǒng)主界面

圖8 最佳縱傾可視化“數(shù)據(jù)庫”窗口

運(yùn)用該系統(tǒng)可評估出當(dāng)前航行狀態(tài)與最佳縱傾浮態(tài)及歷史浮態(tài)的性能差別；可根據(jù)當(dāng)前的吃水和航速信息計算出最佳浮態(tài)位置，并提供相應(yīng)的壓載水調(diào)節(jié)方案。系統(tǒng)融入了船舶能效管理理念，有數(shù)據(jù)庫實時記錄和監(jiān)管船舶營運(yùn)過程中最佳浮態(tài)節(jié)能的執(zhí)行情況，能提升航運(yùn)公司對船舶營運(yùn)能效管理的把控力度。

4 實船驗證

為驗證浮態(tài)節(jié)能技術(shù)的節(jié)能效果，選擇某船進(jìn)行實船測試。待船舶航行至適合測試的水域后，實時記錄天氣情況和海況，將船舶航速依次調(diào)至16 kn，17.5 kn和19 kn附近。待航速穩(wěn)定后，保持主機(jī)轉(zhuǎn)速和航向不變，由測試組分別進(jìn)行3次航速功率測試，每次時間控制在5～10 min。3次測試完成后，沿原航線相反的航向進(jìn)行相同的測試，完成往返各3個航速功率共6個航次的測試。最后采用相關(guān)實船快速性試驗數(shù)據(jù)修正方法進(jìn)行風(fēng)、浪和水溫等參數(shù)的修正，得到最終結(jié)果。實船測試功率與模型試驗預(yù)報功率對比結(jié)果見圖9。

a) 歷史統(tǒng)計浮態(tài)

b) 最佳浮態(tài)

由圖9可知，模型試驗預(yù)報功率與實船測試功率基本一致。將實船測試得到的節(jié)能效果與模型試驗得到的浮態(tài)節(jié)能效果進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。

表1實船測試與模型試驗浮態(tài)節(jié)能效果對比(平均吃水12.5m)

序號航速Vs/kn浮態(tài)節(jié)能/%實船測試模型預(yù)報116．012．5711．62217．510．8111．52319．08．0210．77

由表1可知,經(jīng)實船測試驗證,浮態(tài)節(jié)能具有較好的節(jié)能效果，與模型試驗結(jié)論一致。應(yīng)用浮態(tài)節(jié)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)船舶浮態(tài)能減少燃油消耗，取得較好的經(jīng)濟(jì)收益。

5 結(jié)束語

在諸多節(jié)能途徑中，浮態(tài)節(jié)能方式比較靈活實用，不影響船舶的正常營運(yùn)，無須對船舶的結(jié)構(gòu)和設(shè)備作任何改動，前期投入少，能很快收回成本。在對歷史營運(yùn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，通過計算和分析模型試驗結(jié)果，總結(jié)出收到功率與航速、吃水和浮態(tài)的關(guān)系。試驗結(jié)果表明:最佳縱傾位置集中在艏傾狀態(tài)，改變以往的裝載習(xí)慣十分必要。

在試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上開發(fā)應(yīng)用于實船的浮態(tài)節(jié)能系統(tǒng)，指導(dǎo)船員進(jìn)行相關(guān)配載的調(diào)整，并將相關(guān)數(shù)據(jù)實時存儲到數(shù)據(jù)庫中,以便進(jìn)行能效管理。

實船測試結(jié)果表明:浮態(tài)調(diào)整具有較好的節(jié)能效果，基于模型試驗開發(fā)的浮態(tài)節(jié)能系統(tǒng)可準(zhǔn)確評估船舶的性能，并能指導(dǎo)浮態(tài)調(diào)整達(dá)到節(jié)能的目的，具有較高的可靠性。目前節(jié)能系統(tǒng)已在多艘船上應(yīng)用，取得了良好的效果。

[1] 彭斌.船舶節(jié)能技術(shù)綜述[J].船舶科學(xué)技術(shù),2005,27(Z1):3-6.

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TrimOptimizationTechnologyforaTypeofContainerShips

MAWeixing,CHELinyuan,CUIJian
(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship and Shipping Research Institute, Shanghai 200135， China)

For container ships to maintain and increase capacity while greatly reducing the fuel consumption, thus reducing the harmful effects to the environment, the industry has made various attempts and efforts. For the operating ships, the most simple and effective method is trim optimization. Based on navigation information of several ships during the period of one year, actual variations of operating speed and load are obtained. A series of ship model tests according to the actual operation conditions are performed. The software named the ‘floating state energy saving system’ is developed based on the analysis of the data. Full scale sea trials has been carried on the objective container ships, which prove that the software gives reliable performance estimate of the ship at various floating conditions and the satisfactory guidance for energy saving.

waterway transportation; container ship; model tests; trim optimization; energy consumption reducing; full scale trial

2015-07-19

馬衛(wèi)星(1983—)，女，山西太原人，助理研究員，碩士，從事船舶水動力性能研究。E-mail: maweixingheu@126.com

1000-4653(2015)03-0112-04

U662

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