劉伊凡, 張躍文, 孫培廷, 劉竹風(fēng)

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026)

船舶推進(jìn)系統(tǒng)能量耗散建模與分析

劉伊凡, 張躍文, 孫培廷, 劉竹風(fēng)

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026)

建立船舶推進(jìn)系統(tǒng)能量耗散分析模型，運(yùn)用仿真的方法對(duì)船舶推進(jìn)系統(tǒng)整個(gè)航次內(nèi)的能量耗散進(jìn)行研究。通過對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)能量傳遞過程進(jìn)行分析，將能量耗散因素分為固定能量消耗和額外能量消耗；分別對(duì)坐標(biāo)系、環(huán)境模型、船體運(yùn)動(dòng)和推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行研究，建立推進(jìn)系統(tǒng)能量分析模型；結(jié)合歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium Range Weather Forecasts, ECMWF)的氣象信息,對(duì)目標(biāo)船在新加坡—香港航線上的航行過程進(jìn)行仿真研究。計(jì)算實(shí)例顯示：在輕浪海況、主機(jī)設(shè)定負(fù)荷為70%時(shí)，推進(jìn)系統(tǒng)固定能量消耗所占比例為86.7%～89%，主要受航速影響；額外能量消耗占11%～13.3%，受海況、操舵及航線綜合影響。利用該模型對(duì)不同航線進(jìn)行分析，可預(yù)報(bào)航期，并對(duì)航線中導(dǎo)致能耗升高的因素進(jìn)行分析，為優(yōu)化航線設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

船舶推進(jìn)系統(tǒng)； 能量耗散； 航次仿真； 航線能效分析

Abstract: To analyze the energy consumption of a ship propulsion system on a voyage basis, a simulation method is proposed. The energy consumption is divided as the basic part and the extra part according to the energy transfer process analysis. The coordinate system, the environment model, the ship motion and the propulsion system are studied and the energy consumption model is built. The propulsion system behavior on the Singapore-HongKong route with application of meteorological information from European Centre for Medium Range Weather Forecasts (ECMWF) is simulated and analyzed with the model. The simulation shows that in smooth sea state and 70% engine load, the basic part of energy consumption ranges from 86.7% to 89% depending mainly on the speed, and the extra part of that varies between 11% and 13.3% according to the combination of the sea state, the ship maneuvering and the route design. This model can be used to analyze voyage routes, forecast the shipping date, and identify the factors that lead to higher energy consumption so as to find the way to optimize the route design.

Keywords: ship propulsion system； energy consumption； voyage simulation； energy efficiency analysis of route

船舶燃油消耗是能量消耗的過程，存在于船舶營運(yùn)的各個(gè)方面(如推進(jìn)系統(tǒng)、照明、供熱、通風(fēng)及空調(diào))，其中最主要的是船舶推進(jìn)系統(tǒng)消耗的能量。[1]為提高船舶能效，減少燃油消耗和CO2排放，相關(guān)企業(yè)及科研院所等已展開相關(guān)研究，通過對(duì)船舶能效狀態(tài)進(jìn)行分析，尋求提高船舶營運(yùn)效率的方法。

船舶實(shí)際航行過程中的能效狀態(tài)不僅受自身能效水平的影響，而且受環(huán)境干擾力、漂角及操縱等其他復(fù)雜因素的影響。[2]為研究船舶推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的能量耗散過程，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)、目標(biāo)船的設(shè)計(jì)參數(shù)(船體型線圖、主機(jī)型號(hào)、螺旋槳設(shè)計(jì)參數(shù)及舵設(shè)計(jì)參數(shù))、試驗(yàn)數(shù)據(jù)(船模試驗(yàn)、試航報(bào)告及螺旋槳敞水試驗(yàn))及目標(biāo)航線，在球面坐標(biāo)系下對(duì)船舶的整個(gè)營運(yùn)過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，并據(jù)此對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)能量消耗過程進(jìn)行研究。

1 船舶能量耗散影響因素

在船舶營運(yùn)過程中，為克服船體受到的阻力，主機(jī)在調(diào)速器的作用下輸出軸功率，經(jīng)過傳動(dòng)軸，由螺旋槳將旋轉(zhuǎn)的能量轉(zhuǎn)換為推進(jìn)的能量，推動(dòng)船舶前進(jìn)[3];同時(shí),操作舵機(jī)使船舶按照設(shè)定的航線航行。在此過程中，推進(jìn)系統(tǒng)能量耗散分為以下2部分：

1) 螺旋槳及軸系的能量傳遞損耗、靜水阻力造成的固定能量消耗。

2) 環(huán)境風(fēng)和浪干擾導(dǎo)致的阻力、偏移力及為保持航線造成的額外能量消耗。

影響推進(jìn)系統(tǒng)固定能量消耗的因素包括：主機(jī)效率、傳動(dòng)效率、推進(jìn)效率及船體和螺旋槳的清潔情況等。當(dāng)船舶推進(jìn)系統(tǒng)的能效水平一定時(shí)，航速設(shè)計(jì)直接影響推進(jìn)系統(tǒng)固定能量的消耗。影響額外能量消耗的因素有：風(fēng)、浪、流等對(duì)船體受力的影響、船舶操縱及漂角導(dǎo)致的水動(dòng)力等。由于這些力的大小與船舶的幾何形狀、操縱性、耐波性等諸多因素相關(guān)，因此在分析推進(jìn)系統(tǒng)的能量消耗過程時(shí)，需對(duì)不同因素的能量消耗進(jìn)行計(jì)算，通過對(duì)比和定性分析，找出降低船舶能效水平的主要因素。

2 能量耗散模型的建立

2.1坐標(biāo)系和環(huán)境模型

船舶的能量消耗分析模型主要應(yīng)用隨船坐標(biāo)系和球面坐標(biāo)系(見圖1)。船舶在海面航行時(shí)，圍繞3個(gè)坐標(biāo)軸作6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。由于垂蕩、橫搖及縱搖對(duì)船舶推進(jìn)裝置功率增大的影響較小，因此只考慮船舶的橫蕩u、縱蕩v和艏搖r(具體見圖1a)。[4]地球?yàn)榍蝮w，當(dāng)從船舶營運(yùn)的角度考慮船體運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須將隨船坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為地球球面的經(jīng)緯度(見圖1b)。

圖1 隨船坐標(biāo)系和球面坐標(biāo)系

在建模過程中，需獲得實(shí)時(shí)或預(yù)報(bào)的海洋氣象數(shù)據(jù)。海洋氣象數(shù)據(jù)可通過多種渠道[5]獲得，這里選取GRIB格式文件作為天氣模型的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。GRIB文件中的數(shù)據(jù)是以格點(diǎn)的格式存儲(chǔ)的，而在實(shí)際仿真過程中，船舶的位置不會(huì)精確地處于網(wǎng)格點(diǎn)上；同時(shí)，GRIB數(shù)據(jù)連成的網(wǎng)格并不是規(guī)則的矩形網(wǎng)格，而是近似為梯形。[6]因此，為在建模過程中獲得目標(biāo)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的物理量，首先根據(jù)目標(biāo)坐標(biāo)確定其所在網(wǎng)格，然后根據(jù)網(wǎng)格4個(gè)角的物理量和經(jīng)緯度值進(jìn)行曲面差值。圖2為GRIB文件數(shù)據(jù)讀取示意，o(io,jo,t)為船舶在時(shí)間t時(shí)球面坐標(biāo)(io，jo)處的物理量。根據(jù)GRIB文件所讀取的oi,j，oi+1,j，oi,j+1，oi+1,j+1及o點(diǎn)相對(duì)網(wǎng)格4個(gè)點(diǎn)的位置，通過曲面差值來實(shí)現(xiàn)。

圖2 GRIB文件數(shù)據(jù)讀取示意

2.2環(huán)境-船體運(yùn)動(dòng)-推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

在“2.1”節(jié)的基礎(chǔ)上，結(jié)合船舶MMG(Manoeuvring Mathematical Model Group)運(yùn)動(dòng)模型和推進(jìn)系統(tǒng)模型，可建立環(huán)境-船體運(yùn)動(dòng)-推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(見圖3)。

圖3 環(huán)境-船體運(yùn)動(dòng)-推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

在圖3所示的模型中，使用調(diào)速器對(duì)主機(jī)轉(zhuǎn)速的控制[9]和自動(dòng)舵保持航線的控制[10-11]2個(gè)PID控制。環(huán)境-船體運(yùn)動(dòng)-推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型將營運(yùn)中的船舶作為一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，通過對(duì)船舶的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行循環(huán)迭代，計(jì)算出航次過程中能量消耗的連續(xù)變化。船舶任一時(shí)刻的狀態(tài)參數(shù)都是用縱向速度u、橫向速度v、艏搖速度r、經(jīng)度坐標(biāo)x、緯度坐標(biāo)y、船舶航向ψ、主機(jī)轉(zhuǎn)速n和舵角θ等8個(gè)變量表示的。

2.3能量耗散仿真模型

在建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型后，還需對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的各能量耗散因素進(jìn)行計(jì)算分析。除了螺旋槳的效率造成的能量損失以外，其他能量損耗主要是由增阻造成的，這部分因素根據(jù)式(1)計(jì)算。

(1)

式(1)中:ERi為克服第i項(xiàng)阻力所消耗的能量;Ri為第i項(xiàng)阻力;θT為第i項(xiàng)阻力的方向與船舶運(yùn)動(dòng)方向的夾角；RT為船舶航行時(shí)受到的除螺旋槳推力以外的合力，包括靜水阻力Rcalm、舵力Frudd和船舶漂角產(chǎn)生的水動(dòng)力Fhydro；Fwind和Fwave[7-8]為因海況影響產(chǎn)生的環(huán)境干擾力;θT為作用于船體的總阻力與船舶運(yùn)動(dòng)方向的夾角；Eeff為船體受到的用來推動(dòng)船體的能量。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)模型和能耗分析公式，通過MATLAB/Simulink建立船舶推進(jìn)系統(tǒng)的能量耗散仿真模型(見圖4)。

3 實(shí)例分析

3.1實(shí)例數(shù)據(jù)

圖4 船舶推進(jìn)系統(tǒng)能量耗散仿真模型

選取載重量為46 000 t的原油/成品油船作為目標(biāo)船，其總長182 m，型深17.8 m，型寬32.2 m，設(shè)計(jì)吃水10.5 m，主機(jī)型號(hào)6S50MC，額定功率9 840 kW,目標(biāo)航線為香港—新加坡航線。

天氣數(shù)據(jù)為ECMWF發(fā)布的再分析數(shù)據(jù)集中的ERA-Interim數(shù)據(jù)集。這里采用的海洋氣象數(shù)據(jù)為2013年5月3日至5月8日18時(shí)的海面10 m處風(fēng)場及波浪數(shù)據(jù)，每天有4組數(shù)據(jù)，網(wǎng)格精度為0.25°×0.25°。仿真時(shí)間內(nèi)該海域的海況信息及航線見圖5。

圖5 仿真時(shí)間內(nèi)該海域的海況信息及航線

3.2過程分析

在航線A整個(gè)仿真過程結(jié)束之后，可獲得主機(jī)軸功率、各個(gè)能量耗散因素及航跡的歷時(shí)曲線。對(duì)能量數(shù)據(jù)取0.5 h平均值，獲得各因素能量耗散的歷時(shí)值(見圖6)。

1) 在仿真的1～18 h內(nèi)，船舶處于較平靜的海況下；同時(shí)風(fēng)場方向和船舶航向基本相同。在該階段，風(fēng)浪對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)能量消耗的影響較小，Ewind為1.05%，Esea為0.22%；而固定能量消耗Ecalm和Eprop分別為56.44%及38.52%，占總能量消耗的94.96%；Erudd和Ehydro分別為1.57%及2.20%，且保持穩(wěn)定。

圖6 航線A能耗分析歷時(shí)曲線

2) 在仿真的19～48 h內(nèi)，風(fēng)速和波浪逐漸升高。在該階段，由于風(fēng)、浪所耗散的能量處于逐步增加的態(tài)勢且風(fēng)浪導(dǎo)致的偏移力增大，導(dǎo)致航行漂角增大，船舶操舵更頻繁，固定能量消耗從95%逐步下降至89.2%，Erudd上升20%，Ehydro上升33%，而Ewind大幅增加400%，Esea增加500%。

3) 在仿真的48～100 h內(nèi)，船舶處于輕浪海況下。在該階段，各類能量消耗所占比例基本保持穩(wěn)定，Ecalm占41.53%，Eprop占46.84%，Erudd占1.51%，Ehydro占2.68%，Ewind占5.05%，Esea占2.38%。相比其他海況，該海況下固定能量消耗所占比例進(jìn)一步降低，額外能量消耗上升至11.63%，這其中Erudd的比例不但沒有上升，反而略有下降。

4) 在仿真的100 h之后，風(fēng)力逐步減小，但此時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)航線，出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)向。在105 h之后出現(xiàn)順風(fēng)順浪的情況，能量消耗大幅降低，Erudd和Ehydro基本消失;同時(shí),由于速度的增加，Ecalm上升，Eprop下降。

靜水阻力的大小受船體濕面積和船舶航速的影響，當(dāng)船舶吃水一定時(shí)，Ecalm的大小由航速Vs決定。Eprop的影響因素主要是主機(jī)的輸出功率和螺旋槳的推進(jìn)效率，其中推進(jìn)效率在實(shí)際計(jì)算過程中是根據(jù)進(jìn)速系數(shù)J=Vs(1-w)/nD計(jì)算的。船舶航行時(shí)采用的是主機(jī)定轉(zhuǎn)速的模式，因此航速對(duì)能量的總消耗和分布有最直接的影響。

在額外的能量消耗中，Erudd和Ehydro是船舶操縱及漂角導(dǎo)致的阻力增加，這2個(gè)因素不僅受海況影響，還與船舶操縱性及設(shè)計(jì)的航線對(duì)海況的適應(yīng)程度有關(guān)；而Ewind和Esea則是由船舶自身的參數(shù)、海況及航線決定的。由于目標(biāo)船為油船，因此其上層建筑的投影面積較??；對(duì)于其他類型的船舶而言，額外能量消耗的比例會(huì)進(jìn)一步增加。

3.3航線分析

對(duì)航線A和航線B分別進(jìn)行仿真，得到不同航線推進(jìn)系統(tǒng)能量消耗統(tǒng)計(jì)見表1。

由表1可知：航線B的航程比航線A長，用時(shí)久；航線B的平均速度比航線A小1.3%，能量總消耗比航線A多2.8%。對(duì)比能量耗散的各個(gè)因素發(fā)現(xiàn)：由于航線A的主機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置與航線B相同，因此固定能量消耗的平均值基本相同。風(fēng)浪對(duì)航線A的影響主要是增加船舶阻力，造成推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生額外的能量消耗；對(duì)航線B的影響則是由其帶來的偏移力、船舶漂角及為維持航線而進(jìn)行的操舵動(dòng)作導(dǎo)致產(chǎn)生能量消耗。

表1 不同航線推進(jìn)系統(tǒng)能量消耗統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語

結(jié)合船舶推進(jìn)系統(tǒng)、船體運(yùn)動(dòng)和天氣信息，在球面坐標(biāo)系下建立船舶推進(jìn)系統(tǒng)能量耗散模型。該模型可對(duì)整個(gè)航線進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得各類耗散因素在推進(jìn)系統(tǒng)輸出能量中所占的比例。

由一個(gè)航次的完整仿真結(jié)果可知，對(duì)船舶能耗影響最大的是船舶航速，占86%～95%的能量消耗。風(fēng)浪作為額外能量消耗因素，應(yīng)在設(shè)計(jì)航線時(shí)盡可能地給予考慮，使船舶處于順風(fēng)順浪狀態(tài)。同時(shí)，操舵時(shí)應(yīng)能保持船舶在小漂角下航行，在所使用的PID航線保持策略中，漂角和操舵導(dǎo)致的能量消耗占3.8%～4.2%。

采用推進(jìn)系統(tǒng)能量耗散模型對(duì)航線設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，能預(yù)報(bào)航期及能量總消耗量。對(duì)航線中導(dǎo)致能量消耗增加的部分進(jìn)行詳細(xì)分析，可找到導(dǎo)致額外能量消耗增加的因素，從能量耗散的角度為航線優(yōu)化提供理論依據(jù)。

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ModelingandAnalysisofEnergyConsumptionofShipPropulsionSystem

LIUYifan，ZHANGYuewen，SUNPeiting，LIUZhufeng

(Marine Engineering College, Dalian Marinetime University, Dalian 116026, China)

U664.14

A

2016-04-11

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“八六三”計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012AA112702)

劉伊凡(1988—)，男，安徽太和人，博士生，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代輪機(jī)管理。 E-mail: dayongdmu@163.com

1000-4653(2016)03-0031-04