夏明華 蘇玉馬

一、引言

為實現(xiàn)節(jié)能減排和綠色航運的目標，航運企業(yè)按照公約要求為所有船舶制訂了符合本船實際并獲得主管部門批準的船舶能效管理計劃（SEEMP），包括實現(xiàn)船舶營運燃油能效的最佳操作，以及計劃、實施、監(jiān)測、評估與改進等管理要求。在航運市場不景氣時，船舶使用經濟航速運行是一種普遍采用的節(jié)能方式。當前航運市場對時間要求不高，在不需要額外投入的情況下，如何利用現(xiàn)有條件進一步挖潛，找到更加合理的經濟航速，是行業(yè)比較關注的問題。本文基于對經濟航速的理論分析，結合實際航行經驗對經濟航速測量方法進行研究和分析。

二、燃油耗量與航速的關系

根據(jù)對船舶不同航速的評價要求，一般將運營船舶的經濟航速分為最低油耗率航速、最低燃油費用航速和最高盈利航速等三種形式[1]。三種形式的營運船舶經濟航速分別適用于不同的航運市場和航線要求，航運成本組成成分的側重點不同。經濟航速主要是指最低燃油費用航速，與船舶耗油量、航速和載重相關，常用“千克（克）/海里噸”為單位表示。最低燃油費用航速主要是通過控制主機燃油最低單位消耗量來實現(xiàn)的。船舶燃油消耗總量（Q總）主要由主機消耗量（Q主）、副機消耗量（Q副）、鍋爐和焚燒爐消耗量（Q爐）組成。一般地，在定速航行時，副機（發(fā)電機原動機）主要提供保證船舶正常航行所需要的電能，每天的電力需求基本上是一個定值。因此副機每天的燃油消耗也是一個定值，并且每天消耗量不到船舶總消耗量的十分之一，占比較低。正常航行時主要使用廢氣鍋爐，一般不使用輔鍋爐；船舶污油焚燒需要消耗一些燃油，由于有些港口提供免費污油排岸服務，船舶可不焚燒污油，也就不因此消耗燃油。所以船舶燃油消耗主要是主機的燃油消耗。船舶航速與主機的轉速成正比，主機的燃油消耗與負荷成正比，主機負荷與轉速的三次方成正比[2]。燃油消耗總量的計算公式為

在定速航行時，Q爐=0，Q副=b，且

其中：b為常數(shù)，是定值；k為系數(shù)；r為主機轉速。

其中：ρ為滑失率；P為螺旋槳螺距。

將式（1）根據(jù)上述內容進行整理可得：

將式（3）代入式（4）可得到船舶燃油消耗總量與航速的關系：

設L=29 408.25k/P3（1-ρ）3，則式（5）簡化為

對式（6）兩邊求導可得單位航速的燃油消耗計算公式為

即燃油單位航速消耗量與船速的平方成正比。另有：

其中：F（t）為航行油耗量；s為航程。式（7）與式（8）相一致。

從式（7）可以看出，燃油的單位航速消耗量是船舶航速的二次函數(shù)。根據(jù)函數(shù)的性質，Q單會有一個與航速對應的最低值，這個值就是經濟航速。系數(shù)k不是主機設計時的理論數(shù)值，它是燃油發(fā)熱值、主機工況和時間的函數(shù)，隨著主機運行時間、維護保養(yǎng)程度、主機工作環(huán)境和燃油種類的影響而變化。參數(shù)L也不是常數(shù)，除隨主機耗油系數(shù)k值變化外，還和滑失率ρ有關。滑失率ρ是變量，受船殼表面與水的摩擦系數(shù)、船舶方形系數(shù)、船舶載重噸、船舶吃水、風速風向以及潮流等多種因素的影響。任何一個因素的變化都會引起系數(shù)L的變化，而外部因素除了相互影響外，還隨時間而變化，比如主機的工況、船殼表面的摩擦系數(shù)等隨著時間的推移而變化。但在某一種特定條件下，L是一個定值。精確計算出L在某一個特定條件下的值，需要非常復雜的數(shù)學計算。因此，通過理論計算得出船舶每航次的經濟航速比較困難。

三、確定燃油最低費用航速的方法探討

確定燃油最低費用經濟航速的一般方法有成本法和估算法。成本法是根據(jù)船舶航運市場先預估船舶每天的可能收益，用收益減去非燃油的船舶固定成本得出燃油成本。根據(jù)燃油市場價格算出相應燃油耗量，再參考主機廠家給出的耗油率，計算出主機轉速和對應的船速。這種方法雖然比較簡單，但是沒有考慮到船舶外部環(huán)境因素的變化對航速的影響，計算出的經濟航速不精準。估算法是根據(jù)船舶設計時給出的數(shù)據(jù)和主機燃油消耗率估算出主機轉速及對應的航速，這種方法是將船舶設想成一種理想狀態(tài)，沒有考慮外界條件的變化對船舶的影響。這兩種方法都未考慮實際情況。

經濟航速所涉及的變量都可以直接或間接測取。主機的負荷可用主機的油門刻度來代替，定時測量燃油柜里燃油減少量可算出燃油的單位時間消耗量。轉速可直接讀取，船舶航速可從船舶計程儀或GPS中讀取，也可通過轉速和螺距計算出理論航速。為了更為直觀地反映多組數(shù)據(jù)的測量結果，可使用EXCEL的圖表功能做出曲線圖。主機負荷與轉速的三次方成正比，曲線的拐點對應的航速就是經濟航速。單位時間耗油率與航速的平方成正比，其數(shù)學圖形是一條拋物線，最低點對應的航速就是經濟航速。這種方法被稱為曲線法。

曲線法的優(yōu)點是測量結果比較符合實際情況；由于缺少專用測量設備或儀器，需重點考慮測量精度，盡量降低人為讀數(shù)誤差。船舶在航行時，需要讀取的數(shù)值都是變化的。為了確保測量的準確性，減少誤差，應在海況較好時測量?；时容^固定，主機轉速等參數(shù)比較穩(wěn)定，測取的數(shù)據(jù)就更準確。對于燃油消耗量，如果使用流量表進行測定，要先確定流量表的準確性，另外主機油頭一部分回油量不能回到日用柜；使用油柜測量法，測量期間不能進行燃油的駁運和分離工作。油柜一般較大，短時間變化量較小，測量時間間隔越長越好，至少應為單位時間的2到3倍，具體可根據(jù)船舶自身的實際情況來確定。再用除法得出單位時間的消耗量，盡量不用乘法，以減少誤差。

四、實船測量操作

實測船舶是一艘1993年出廠的多用途船舶，設計載重量22 000噸。該航次（105航次）計劃裝載18507噸雜貨，于2014年7月20日從韓國馬山港（MASAN）過太平洋，經巴拿馬運河到科隆港和美國港口卸貨。主機最大持續(xù)轉速是109轉/分，公司告知船舶主機以88轉/分的經濟航速運轉，但沒有告知理論依據(jù)。在船舶離港引航員離船后開始測量工作，此時船舶一般航行于港口外海，水域比較開闊，水深比較大，興波阻力等因素對船舶的影響比較小，基本上和船舶在大洋中航行的環(huán)境一致。船舶會由港速慢慢加速至海速，利用加速過程進行數(shù)據(jù)的測取不影響船舶的正常營運。船舶在加速和航行過程中實際航速總是變化的，為了有效降低航速測取的誤差，直接使用理論航速代替實際航速。因為在外界條件不變的情況下，滑失率是一個定值，理論航速與實際航速成正比，也就是“實際航速=理論航速×（1-滑失率）”。隨著船舶慢慢加速，主機轉速達到85轉/分左右時主機輔助鼓風機自動停止，此時開始正式測量程序。油門刻度值變化大些便于讀取，為節(jié)省時間并減少人為讀數(shù)誤差，按每次兩轉或三轉加速，從86轉/分逐步加到103轉/分。轉速穩(wěn)定后，記錄下主機轉速對應的油門指示刻度，用EXCEL的圖表功能繪出負荷指示曲線（如圖1所示）。從中可以直觀看出主機在轉速90到92區(qū)間負荷變化比較平緩，船舶此航次的最低燃油費用轉速應在92轉/分左右。具體值需進一步測量才能確定，先暫時將主機加速到90轉/分。

圖1 主機負荷指示曲線

為了提高精確度，停止了燃油的轉駁操作，將不使用的油柜速閉閥關閉，只使用一個沉淀柜和日用柜；每個轉速都穩(wěn)定運行4小時左右，測量時間精確到分鐘。測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實際測量數(shù)據(jù)

根據(jù)第一次測量的結果做出了油耗率曲線，如圖2所示，主機轉速在92轉/分時油耗率最低。后來由于天氣原因暫時停止了測量工作，將主機轉速設定在92轉/分運轉。天氣變好后繼續(xù)分別測量了主機在90、98和103轉/分的實際油耗，然后將所有的測量結果再次做出完整的耗油率曲線，如圖3所示。曲線趨勢沒有大的變化，最低油耗率處于91轉/分和92轉/分之間。

在第一次測量時不測量90轉/分和98轉/分時的數(shù)據(jù)，除了要快速得到最低燃油消耗的轉速外，還可通過觀察曲線變化的趨勢是否連續(xù)來驗證測量方法的正確性。圖3表明該輪主機在91轉/分或92轉/分時的航速是本航次的經濟航速，故將主機的轉速設定在92轉/分運轉。如果主機負荷偏大，可將主機轉速減到91轉/分。

圖2 第一次測量的油耗率曲線

圖3 完整的油耗率曲線

五、實船航次耗油結果比較

該航次橫跨太平洋航行，整個航程主機基本上都以92轉/分運轉。船舶于2014年8月14日下午到達巴拿馬錨地備車，從離開韓國馬山港定速航行到抵達巴拿馬備車為止，主機平均轉速是91.6轉/分，總距離是8 170海里，船舶載重噸是18 507噸，主副機總耗油為633噸；計算實際耗油結果是 4.186 4克/噸海里。查閱該輪103航次報告，其航程是從中國泰州港橫跨太平洋到巴拿馬，同樣走大圓航線，總距離是8 860海里，載重噸是14 876噸，整個航程主機平均轉速是88.9轉/分，主副機總耗油是693.1噸，計算實際油耗結果是5.258 6克/噸海里。105航次的油耗要低很多，如果按照103航次的實際耗油率，105航次總的實際油耗是795.1噸，節(jié)省燃油162.1噸，效果明顯。如果忽略載重噸位這個影響船舶成本較大的因素，只考慮油耗率和里程，105航次的實際油耗率是77.478 5千克/海里，103航次的實際油耗率是78.227 9千克/海里。按照103航次的油耗率，105航次的實際油耗應為639.1噸。這樣粗略的計算也可表明105航次節(jié)省了6.1噸燃油。

六、曲線法適用性和自動測量方法探討

實船驗證表明，用曲線法確定船舶經濟航速是有效的，整個航次對經濟航速的把控也是成功的。經濟航速的確定方法并不是針對某一特定船型，而是基于船舶柴油機的特性和遠洋船舶本身的性能結合數(shù)學函數(shù)關系推導得出，具有普適性。只需要測出負荷轉速曲線，操作簡單易行，直接利用船舶航行正常加速過程就能得出結果。如果能進一步測量耗油轉速曲線來確定經濟航速就更好了。在不影響船舶正常營運前提下，可以根據(jù)實際情況靈活運用。

當前，船舶科技突飛猛進，自動化程度越來越高，所需數(shù)據(jù)可以直接從系統(tǒng)中讀取。比如瓦錫蘭柴油機控制系統(tǒng)WECS9520或者B&W機型的MOP中都有主機負荷顯示。為了更精確地找到船舶航次的經濟航速，實現(xiàn)精準控制，可以編制程序自動采集相關參數(shù)。程序從主機流量表中采集燃油流量數(shù)據(jù)，讀取計程儀或GPS中的船舶航速，采集副機燃油流量表和船舶載重量，以“克/噸·海里”為單位自動計算船舶的耗油率，并對耗油率的變化進行微積分運算。耗油率最低時對應的轉速，就是當前航次的經濟轉速。再將此轉速指令通過遙控系統(tǒng)發(fā)送到主機調速器控制主機轉速，能夠做到精準自動控制，保持經濟航速運行。

七、結語

本文提出的測量船舶經濟航速的曲線法，沒有煩瑣的計算。獲得初次測量結果以后，直接測量前次結果附近兩三個轉速點就可以更快捷地找到當前航次的經濟航速。通過實船驗證，該方法容易操作且很有實效。從實際出發(fā)、實事求是是一種科學的經營管理態(tài)度和思維方式。在實際操作中不一定要按照本文介紹的曲線法教條地進行，應根據(jù)實際情況做出調整。當前航運市場不景氣，最大限度地節(jié)省成本、為公司爭取最大效益，是每一個航運從業(yè)者的責任和義務。鑒此，提出一種船舶經濟航速實測方法供同行參考。