（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452）

0 引言

船舶運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)量大、運(yùn)價(jià)低，因此成為大宗貨物運(yùn)輸中最受歡迎的一種運(yùn)輸方式。當(dāng)今國(guó)際貿(mào)易總運(yùn)量中的2/3以上、中國(guó)進(jìn)出口貨運(yùn)總量的約90%都依賴于船舶運(yùn)輸。據(jù)克拉克松統(tǒng)計(jì)，截至2016年 12月1日世界商船船隊(duì)保有量達(dá)到53 460艘之多。為保障如此龐大的船隊(duì)運(yùn)作，每年需要供給約 2億噸航運(yùn)燃料油，涉及到數(shù)百萬(wàn)的船員勞工為其服務(wù)。本文以降低燃料消耗、減少?gòu)U氣排放和減輕船舶操作人員的工作負(fù)荷為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合筆者的實(shí)船工作經(jīng)驗(yàn)，探討一種能夠?qū)崿F(xiàn)船舶定速航行功能的控制方式。針對(duì)不同推進(jìn)類型的船舶，該控制系統(tǒng)能有效降低主機(jī)燃油消耗，同時(shí)還能解放駕駛?cè)藛T的雙手，為廣大船舶駕駛?cè)藛T提供更為舒適的駕乘體驗(yàn)。

前些年航運(yùn)市場(chǎng)的異常火爆，直接導(dǎo)致世界各地競(jìng)相開辦航運(yùn)企業(yè)，添置新造船舶以增加運(yùn)力，由于未考慮到國(guó)際海運(yùn)市場(chǎng)的實(shí)際需求及周期變化，再鑒于當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)的疲軟，造成了航運(yùn)業(yè)運(yùn)力過(guò)剩、運(yùn)價(jià)低迷和競(jìng)爭(zhēng)激烈，使航運(yùn)業(yè)利潤(rùn)空間逐步壓縮，促進(jìn)了海運(yùn)企業(yè)優(yōu)勝劣汰、資源整合的步伐。在此背景下各航運(yùn)企業(yè)投入越來(lái)越多的精力來(lái)降低船舶的營(yíng)運(yùn)成本以追求利潤(rùn)。而船舶油料的消耗獨(dú)占營(yíng)運(yùn)成本的一半之多，主機(jī)燃油消耗又占到總耗油量的70%～90%。近年來(lái)，針對(duì)船舶主推進(jìn)系統(tǒng)節(jié)能的研究越來(lái)越多，但筆者注意到大部分科研人員主要圍繞高效發(fā)動(dòng)機(jī)、高效螺旋槳的研發(fā)，以及最佳營(yíng)運(yùn)航速的分析選擇，且都取得了相當(dāng)可喜的成果[1]，但同時(shí)也有相應(yīng)的限制。比如新型的先進(jìn)設(shè)備僅適用于新造船舶的配備，選擇最佳營(yíng)運(yùn)航速涉及十分繁瑣的計(jì)算和水池試驗(yàn)，不便于所有操作人員掌握。本文探討了一種便于實(shí)船應(yīng)用，且面向所有新老船舶的控制系統(tǒng)，這里稱其為船舶“巡航控制”，該系統(tǒng)能達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

1 船舶航速和油耗之間的關(guān)系

研究船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的節(jié)能降耗，首先需明確推進(jìn)功率、船舶航速和油耗之間的相互影響。

首先分析油耗和航速之間的聯(lián)系。根據(jù)《船舶原理》的介紹，推進(jìn)功率和艉軸轉(zhuǎn)速呈三次方正比關(guān)系，而航速和艉軸轉(zhuǎn)速之間是線性關(guān)聯(lián)。那么，不同航速下主機(jī)耗油量的多少可以用圖1來(lái)表示。根據(jù)圖1，以船舶增加、減少相同的速度來(lái)比較燃油消耗量的變化，可以明顯看到：相同航速的改變，當(dāng)速度偏向高值時(shí)燃油消耗的增加遠(yuǎn)大于航速偏向低值時(shí)燃油消耗的減少；相應(yīng)地，航速偏向低值所減少的燃油消耗遠(yuǎn)少于航速偏向高值時(shí)的燃油增加。

圖1 油耗-航速曲線

由此可見：在理想狀況下，以預(yù)定航速航行的船舶當(dāng)速度發(fā)生波動(dòng)時(shí)，其高于平均航速時(shí)所消耗的燃油增加量明顯大于其低于平均航速時(shí)的燃油節(jié)約量，這也就意味著船舶航速的波動(dòng)會(huì)使總耗油量增加。巡航功能可以用來(lái)控制船舶航行在一個(gè)選定的航速，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)嵌控制軟件以最佳算法精準(zhǔn)調(diào)節(jié)航速，以避免航速的波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)耗油量的節(jié)約。

1.1 穩(wěn)定航速和波動(dòng)航速的運(yùn)營(yíng)比較

理想工況（不考慮水流、風(fēng)速等自然因素，不考慮載貨量變化和海上波浪大?。r(shí)，船舶的對(duì)地航速與其對(duì)水航速一致，而對(duì)水航速與推進(jìn)功率直接關(guān)聯(lián)。使穩(wěn)定航速等同于波動(dòng)航速時(shí)的平均值，如圖2所示，在一個(gè)給定的航程上，定速航行能有效地降低主機(jī)總耗油量。

引起圖2中油耗增加的因素可以分為以下幾個(gè)方面：1）天氣、海浪和洋流引起的速度波動(dòng)；2）人為控制船速時(shí)操作不精確；3）航速明顯偏離后進(jìn)行調(diào)整而造成的反映遲鈍；4）為了確保到港時(shí)間，前期運(yùn)行較大航速，或者后期加大航速進(jìn)行彌補(bǔ)。使用巡航功能則可有效避免以上原因引起的油耗增加。

圖2 理想工況下穩(wěn)定航速與波動(dòng)航速對(duì)比

1.2 恒定航速與恒定輸出功率的運(yùn)營(yíng)比較

在實(shí)船航行過(guò)程中，所面臨的海上工況相對(duì)復(fù)雜且很難預(yù)測(cè)。面對(duì)突然的海浪沖擊，或者風(fēng)速、洋流的改變，巡航功能還能控制輸出功率，以保證船舶高效率的航行，同時(shí)避免由此引起的發(fā)動(dòng)機(jī)功率峰值的出現(xiàn)。

圖3顯示了同一行程下恒定航速運(yùn)營(yíng)跟恒定輸出功率運(yùn)營(yíng)的區(qū)別。惡劣天氣或海況下行駛的船舶，如果選擇恒定航速航行，就需要在原有輸出功率上進(jìn)行補(bǔ)償，用以克服增加的船體阻力，也意味著主機(jī)輸出功率在波動(dòng)，相應(yīng)的就會(huì)增加油耗。如果此時(shí)以恒定主機(jī)輸出功率航行，保持理想的主機(jī)油耗，雖航速變化，但可有效地避免主機(jī)出現(xiàn)輸出功率波動(dòng)峰值。待通過(guò)惡劣海況海域，再選擇定速巡航模式，適當(dāng)增加設(shè)定航速以保證預(yù)定的到港時(shí)間。可以看到在恒功率模式介入以后，從A港到B港之間行程的總耗油量明顯降低。

圖3 恒定航速+補(bǔ)償與恒定輸出功率對(duì)比

1.3 巡航功能應(yīng)用于可調(diào)螺距螺旋槳船舶

對(duì)于采用可調(diào)槳推進(jìn)器的船舶，使用巡航功能保持推進(jìn)效率最佳，主機(jī)油耗降低更加明顯。

圖4為某船舶航行曲線圖，由主機(jī)輸出特性曲線、螺旋槳特性曲線、航速曲線、和主機(jī)油耗曲線組合而成?？梢钥吹剑和缓剿倏梢杂性S多種不同的n-P/D組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，但不同的組合之間油耗相差甚遠(yuǎn)。以13.5 kn航速為例，運(yùn)行在C點(diǎn)時(shí)油耗最低，為202 kg/h；運(yùn)行在 A點(diǎn)時(shí)油耗最高，為 238 kg/h，高于最低值17.8%；而設(shè)計(jì)點(diǎn)B油耗為216 kg/h，也高出C點(diǎn)6.7%之多。根據(jù)該圖可以總結(jié)出：同一航速情況下，高轉(zhuǎn)速小螺距運(yùn)行時(shí)油耗較大，低速大螺距運(yùn)行時(shí)則油耗降低[2]。

圖4 航行曲線圖

圖5為可調(diào)槳效率曲線。不同螺距有不同的效率曲線，每個(gè)螺距在不同轉(zhuǎn)速時(shí)其效率曲線似拋物線狀，且最大效率點(diǎn)只對(duì)應(yīng)特定的轉(zhuǎn)速。只有當(dāng)可調(diào)槳工作在包絡(luò)線2上時(shí)其效率才能保持最佳。

圖5 可調(diào)槳效率曲線

當(dāng)前主流的可調(diào)槳控制模式分為恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行和變速變槳操縱兩種[3]。恒轉(zhuǎn)速時(shí)，主機(jī)保持最大轉(zhuǎn)速，通過(guò)改變螺旋槳的螺距角獲得不同的船速，其主機(jī)單位油耗曲線如圖6所示；變速變槳操縱時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速和螺距角一起改變來(lái)實(shí)現(xiàn)船速的改變，其主機(jī)單位油耗曲線如圖7所示。不難發(fā)現(xiàn)：在低功率區(qū)域即低航速時(shí)，恒轉(zhuǎn)速模式的油耗呈現(xiàn)倍數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)。從節(jié)能的角度來(lái)看，低航速或者低功率輸出時(shí)應(yīng)該選用變速變槳模式運(yùn)營(yíng)。

圖6 恒轉(zhuǎn)速油耗曲線

圖7 變轉(zhuǎn)速油耗曲線

從可調(diào)螺距螺旋槳選型設(shè)計(jì)來(lái)講，其設(shè)計(jì)點(diǎn)只有一個(gè)。在設(shè)計(jì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的螺距和轉(zhuǎn)速時(shí)，螺旋槳產(chǎn)生100%的正推力，其槳效最大。船舶運(yùn)營(yíng)時(shí)，由于船舶污底，螺旋槳附著海洋生物，風(fēng)浪、洋流改變或偏離設(shè)計(jì)航速，所以船舶航行無(wú)法避免偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)。在恒速模式下，改變螺旋槳螺距角改變航速，但可調(diào)螺距螺旋槳會(huì)出現(xiàn)反向推力，如圖8所示。負(fù)推力即代表發(fā)動(dòng)機(jī)做了無(wú)用功，或者說(shuō)浪費(fèi)了燃油。巡航控制的思路就是以一種模糊控制的方式[4]，根據(jù)實(shí)際航速輸出最佳的n-P/D組合，同時(shí)根據(jù)相應(yīng)輸出功率及時(shí)調(diào)整，以保證槳上只承受正向推力，用以消除不必要的無(wú)用功，如圖9所示。

圖8 常規(guī)推力矢量

圖9 優(yōu)化的推力矢量

2 巡航系統(tǒng)及控制邏輯

根據(jù)以上分析，滿足以下幾個(gè)條件，船舶運(yùn)行就能實(shí)現(xiàn)最大限度的低油耗，從而節(jié)能降排：1）在到港時(shí)間充沛的情況下低速航行；2）航行時(shí)避免頻繁的人為干預(yù)，確保航速穩(wěn)定；3）惡劣工況時(shí)保證主機(jī)輸出功率恒定，避免主機(jī)輸出負(fù)荷峰值；4）各種工況、海況時(shí)，螺旋槳螺距和轉(zhuǎn)速最佳組合使槳效最優(yōu)。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，提出“巡航”這種控制方式，該控制基本組成如圖10所示系統(tǒng)框圖，包含駕駛臺(tái)模塊、中央控制單元和集控室模塊及相關(guān)的一些接口信號(hào)。屬于主機(jī)或可調(diào)槳遙控系統(tǒng)的補(bǔ)充部分，可以在新建造船時(shí)進(jìn)行配置，也可以對(duì)已運(yùn)營(yíng)船舶進(jìn)行加裝。在巡航控制功能不介入時(shí)，所有控制模式與先前相同，不影響船舶的正常運(yùn)營(yíng)。

控制邏輯如圖11所示。使用巡航功能時(shí)，通過(guò)駕駛臺(tái)操作面板選擇巡航模式。海況良好時(shí)通過(guò)設(shè)定船舶的航速，不僅可保證準(zhǔn)確的到港時(shí)間及整個(gè)航段的最低油耗，更能避免人工通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和螺距方式，時(shí)時(shí)調(diào)整以獲得預(yù)定航速帶來(lái)的極大工作量。在通過(guò)惡劣海況海域時(shí)，選擇恒功率模式，此時(shí)鎖定主機(jī)負(fù)荷進(jìn)行工作，船速相應(yīng)變化，在船舶駛出此海域后取消恒功率模式，進(jìn)入巡航模式，從而降低整個(gè)航程的主機(jī)燃油消耗總量。

圖10 巡航系統(tǒng)框圖

圖11 控制邏輯圖

另一方面，隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展及汽車智能無(wú)人駕駛的出現(xiàn)，船舶智能無(wú)人駕駛試驗(yàn)也不斷涌現(xiàn)。智能駕駛首先需要實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶航速的自動(dòng)控制，而該巡航控制功能恰好切合了這一主題。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)船舶各種航速下運(yùn)營(yíng)時(shí)油耗的比較，以及一般船舶航行曲線圖的分析，結(jié)合筆者的實(shí)船工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一種方便、實(shí)用的推進(jìn)系統(tǒng)控制方式——巡航控制，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，減輕了駕駛?cè)藛T工作負(fù)荷，同時(shí)確保了更加準(zhǔn)時(shí)的到港時(shí)間，為實(shí)現(xiàn)船舶智能駕駛做鋪墊。

[1] 張署.船舶營(yíng)運(yùn)航速的優(yōu)化分析[D].上海： 上海海事大學(xué), 2004.

[2] 魏應(yīng)三, 王永生.船舶航速優(yōu)化原理研究[J].中國(guó)造船, 2008(s1)： 75-82.

[3] 馬寧, 秦珩.基于 PLC的調(diào)距槳控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù), 2015(8)： 61-65.

[4] 王國(guó)近, 王炅, 戴金鵬, 等.船舶可調(diào)槳螺距模糊PID 控制器設(shè)計(jì)[J].艦船科學(xué)技術(shù), 2017(7)：100-105.