黃瑩，鄭佳玉

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前言

船舶在運(yùn)輸過程中會排放大量的二氧化碳［1］?！秶H防止船舶造成海洋污染公約》（《MARPOL 73/78 公約》）附則VI 實(shí)施之后，EEDI（船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)）和SEEMP（船舶能效管理計(jì)劃）成為旨在強(qiáng)制減少航運(yùn)業(yè)二氧化碳排放的兩項(xiàng)主要法規(guī)。 2011年7月IMO 正式將船舶能效規(guī)則納入MARPOL 公約附則VI， 首次將操作性減排措施SEEMP 作為強(qiáng)制要求納入公約，適用的船舶需持有經(jīng)主管機(jī)關(guān)或組織批準(zhǔn)的能效管理計(jì)劃［2-6］。2020年11月MEPC 75 次會議上通過了IMO 短期減排措施，即引入EEXI（現(xiàn)有船舶能效指數(shù)）及CII（碳排放強(qiáng)度指數(shù)），在技術(shù)和營運(yùn)上鼓勵(lì)與航運(yùn)業(yè)相關(guān)的各方共同努力，按時(shí)完成脫碳目標(biāo)［7］。

為應(yīng)對IMO 的碳減排要求，探索實(shí)船航行中變速航行與勻速航行即主機(jī)交替轉(zhuǎn)速與勻轉(zhuǎn)速對能效的影響，評估船舶營運(yùn)能效的優(yōu)化空間，以某航運(yùn)公司旗下的大型商船實(shí)船航行數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過均值模型擬合與數(shù)值計(jì)算方法，量化分析交替轉(zhuǎn)速運(yùn)行與勻轉(zhuǎn)速運(yùn)行的能效差別。

1 分析方法

在該大型商船的某個(gè)航次中，租家要求以較低的航速運(yùn)行，而低航速對應(yīng)的主機(jī)負(fù)荷較低，容易造成輔助鼓風(fēng)機(jī)的持續(xù)運(yùn)行或頻繁啟停，增加主機(jī)故障風(fēng)險(xiǎn)。 在此情況下，船員依據(jù)航運(yùn)公司的考核要求將設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)作為優(yōu)先考慮事項(xiàng)，在實(shí)際航行中采取了35 r/min 與52 r/min 交替運(yùn)行的轉(zhuǎn)速策略，其時(shí)域上的轉(zhuǎn)速變化如圖1 所示。

圖1 某大型商船交替轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)域圖譜

該轉(zhuǎn)速策略雖然保障了輔助鼓風(fēng)機(jī)的非持續(xù)運(yùn)行，降低了設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)，但卻忽略了對船舶運(yùn)行能效的影響。 造成這種忽略的主要原因是對船舶營運(yùn)能效的量化評估能力不足，致使船舶營運(yùn)管理過程中無法權(quán)衡設(shè)備安全保障的代價(jià)和能效提升潛力的收益。 根據(jù)船舶經(jīng)典理論，當(dāng)船舶線型、設(shè)計(jì)吃水、主機(jī)功率和螺旋槳確定后，船舶在靜水中以設(shè)計(jì)航速（通常在設(shè)計(jì)吃水）勻速航行的能效最高。然而，在船舶的實(shí)際使用過程中，營運(yùn)裝載量、航行姿態(tài)以及風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素所造成的影響都會造成船舶實(shí)際能耗與設(shè)計(jì)能耗的偏差，使得設(shè)計(jì)性能無法用于船舶實(shí)際營運(yùn)能效的評估。

實(shí)船采集數(shù)據(jù)通常存在噪聲， 無法直接基于實(shí)船營運(yùn)數(shù)據(jù)回歸分析得到船舶實(shí)際營運(yùn)性能圖譜。 Erol 等［9］提 出 了DFA（Detrended Fluctuation Analysis）的數(shù)據(jù)處理方法。 采用該方法可對實(shí)船數(shù)據(jù)做去趨勢化處理， 用于船舶性能和能效的評估。能效評估步驟如圖2 所示。

圖2 船舶能效評估分析步驟

1）營運(yùn)數(shù)據(jù)加載和預(yù)處理

提取受評航次的主機(jī)轉(zhuǎn)速、對水航速、主機(jī)油耗等數(shù)據(jù)，采用DFA 方法剔除非穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)清洗、歸一化、降采樣等處理，使得數(shù)據(jù)具備分析和運(yùn)算條件。

2）擬合對水航速-轉(zhuǎn)速曲線

基于數(shù)據(jù)擬合受評航次中船舶對水航速和轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。 根據(jù)經(jīng)典船舶原理，船舶對水航速和主機(jī)轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系。 因此，按1 次方關(guān)系繪制“對水航速-轉(zhuǎn)速”曲線。

3）計(jì)算平均對水航速和對應(yīng)轉(zhuǎn)速

基于航次的整體對水航程和航行時(shí)間計(jì)算平均對水航速，并通過“對水航速-轉(zhuǎn)速”曲線計(jì)算得到該平均對水航速下的轉(zhuǎn)速。 計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速即可用于評估勻轉(zhuǎn)速運(yùn)行能效。

4）擬合對水航速-主機(jī)油耗曲線

基于數(shù)據(jù)擬合受評航次中船舶對水航速和油耗的關(guān)系曲線。 根據(jù)經(jīng)典船舶原理，船舶對水航速和主機(jī)油耗呈3 次方關(guān)系。

5）計(jì)算每海里油耗

基于航次的主機(jī)總油耗和對水航程，計(jì)算得到大型商船的實(shí)船單位距離油耗，主機(jī)實(shí)測單位距離油耗的計(jì)算公式為同時(shí)，將航次平均對水航速代入“對水航速-主機(jī)油耗”曲線，得到勻轉(zhuǎn)速運(yùn)行的單位距離油耗。

6）評估勻轉(zhuǎn)速運(yùn)行和交替轉(zhuǎn)速運(yùn)行的能效差異

比較實(shí)船交替轉(zhuǎn)速運(yùn)行和勻轉(zhuǎn)速運(yùn)行的單位距離油耗，即計(jì)算（實(shí)測主機(jī)單位距離油耗-平均航速下的主機(jī)計(jì)算單位距離油耗）/實(shí)測主機(jī)單位距離油耗，得到能效差異。

2 評估結(jié)果

圖3 為某大型商船在空載狀態(tài)受評航次航行過程實(shí)測數(shù)據(jù)，其中，散點(diǎn)表示實(shí)測轉(zhuǎn)速，對水航速取均值得到交替轉(zhuǎn)速運(yùn)行的平均航速為10.9 kn。對數(shù)據(jù)作1 次方擬合得到“對水航速-轉(zhuǎn)速”關(guān)系曲線，以實(shí)線表示。將平均航速代入“對水航速-轉(zhuǎn)速”關(guān)系曲線，得到轉(zhuǎn)速為44.9 r/min，以該轉(zhuǎn)速運(yùn)行，可保障船舶與交替轉(zhuǎn)速運(yùn)行在同一時(shí)間抵達(dá)目的地。

圖3 某大型商船受評航次實(shí)測數(shù)據(jù)和“對水航速-轉(zhuǎn)速”關(guān)系

圖4 為某大型商船在空載狀態(tài)下受評航次運(yùn)行過程實(shí)測數(shù)據(jù)， 其中散點(diǎn)表示主機(jī)單位距離油耗，取均值得到交替轉(zhuǎn)速運(yùn)行的平均單位距離油耗0.114 t/n mile。 對數(shù)據(jù)作3 次方擬合得到 “對水航速-主機(jī)油耗”關(guān)系，以實(shí)線表示。 將平均航速10.9 kn代入該擬合曲線，得到勻轉(zhuǎn)速運(yùn)行的主機(jī)單位距離油耗0.0973 t/n mile。

圖4 某大型商船受評航次實(shí)測數(shù)據(jù)和“對水航速-主機(jī)油耗”關(guān)系

計(jì)算結(jié)果如表1 所示，由結(jié)果可見：

表1 某大型商船受評航次評估結(jié)果

1） 由于平均對水航速為10.9 kn，由對水航速-轉(zhuǎn)速曲線可知，預(yù)測轉(zhuǎn)速為44.9 r/min，即在平均航速下可按時(shí)到達(dá)目的地；

2）在平均航速下，主機(jī)擬合單位距離油耗約為0.0973 t/n mile， 主機(jī)實(shí)測單位距離油耗為0.114 t/n mile，能耗節(jié)省空間在14.6%。

3 評估結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)上述能效分析結(jié)果， 能耗節(jié)省比例在14.6%左右，但考慮到航次的偶然性，需要對能效評估結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。 分別采用與姐妹船對比驗(yàn)證和實(shí)船測試驗(yàn)證的方法驗(yàn)證評估結(jié)果的準(zhǔn)確性與方法的可行性。

3.1 與姐妹船的對比驗(yàn)證

為了保證所選姐妹船航次數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證的可行性，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)可比性分析。 表2 為某大型商船的受評航次與姐妹船對比航次的航行狀態(tài)參數(shù)，圖5 為對比航次的航速分布。 該兩艘船對比航次的平均對水航速、平均吃水和縱傾數(shù)值都很接近， 姐妹船對比航次的對水航速集中于11.0 kn 左右， 與某大型商船受評航次的平均航速10.9 kn 也很接近，有利于開展能效評估計(jì)算。

圖5 某大型商船受評航次和姐妹船對比航次的對水航速分布

表2 某大型商船受評航次與姐妹船主要航行狀態(tài)參數(shù)

基于姐妹船數(shù)據(jù)擬合分別得到姐妹船的“對水航速-轉(zhuǎn)速”和“對水航速-主機(jī)油耗”關(guān)系，如圖6與圖7 所示。 將10.9 kn 的平均航速代入姐妹船“對水航速-轉(zhuǎn)速”關(guān)系，得到轉(zhuǎn)速44.9 r/min，與某大型商船受評航次的計(jì)算值一致。 再將10.9 kn 的平均航速代入“對水航速-主機(jī)油耗”關(guān)系，得到平均海里油耗0.100 t/n mile， 相比某大型商船受評航次的實(shí)測油耗0.114 t/n mile，能效提升潛力為12.3%。

圖6 姐妹船對比航次實(shí)測數(shù)據(jù)和“對水航速-轉(zhuǎn)速”關(guān)系

圖7 姐妹船對比航次實(shí)測數(shù)據(jù)和“對水航速-主機(jī)油耗”關(guān)系

3.2 實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證

由于能效提升潛力超過10%， 在船東的支持下，在某大型商船上進(jìn)行實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證。 試驗(yàn)過程分為“低轉(zhuǎn)速-中轉(zhuǎn)速-高轉(zhuǎn)速-中轉(zhuǎn)速-低轉(zhuǎn)速”5 個(gè)階段， 每個(gè)階段的正常航行過程不少于30 min，試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)記錄航速和油耗等船舶數(shù)據(jù)。 試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 某大型商船實(shí)船交替轉(zhuǎn)速試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

根據(jù)測試航段記錄數(shù)據(jù)，要達(dá)到45.00 r/min 的航速（11.27 kn），該大型商船需以36% 的時(shí)間運(yùn)行在35.00 r/min （9.24 kn）， 以64% 的 時(shí) 間 運(yùn) 行 在52.00 r/min（12.4 kn）。 由此計(jì)算可得變轉(zhuǎn)速運(yùn)行的優(yōu)化空間為10.8%，如表4 所示。

表4 基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的能效評估表

4 結(jié)語

船舶營運(yùn)能效量化評估及主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速決策優(yōu)化一直以來是航運(yùn)精細(xì)化管理的難點(diǎn)。 為解決該問題，本文依托某大型商船的實(shí)船數(shù)據(jù)，采用均值模型擬合與數(shù)值計(jì)算方法，建立了“對水航速-轉(zhuǎn)速”模型和“對水航速-主機(jī)油耗”模型，能夠準(zhǔn)確評估不同轉(zhuǎn)速策略的能效結(jié)果，為船舶制定轉(zhuǎn)速策略與船舶能效提升提供基礎(chǔ)支撐。 通過與姐妹船營運(yùn)數(shù)據(jù)對比和實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證的方式證明了該評估方法的有效性。 評估結(jié)果表明，相比于交替轉(zhuǎn)速運(yùn)行，勻轉(zhuǎn)速運(yùn)行將為該大型商船帶來10%以上的能效優(yōu)化收益。

隨著船舶碳排放監(jiān)管要求日趨嚴(yán)格，從設(shè)計(jì)指標(biāo)監(jiān)管逐漸轉(zhuǎn)向營運(yùn)階段的碳排放管理。 為了應(yīng)對碳排放監(jiān)管要求， 一些船舶采取了降速運(yùn)行方式，在低負(fù)荷運(yùn)行情況下為避免輔助鼓風(fēng)機(jī)長期運(yùn)行又產(chǎn)生交替轉(zhuǎn)速運(yùn)行的方式。 根據(jù)本文量化評估結(jié)果，交替轉(zhuǎn)速運(yùn)行模式的實(shí)際運(yùn)輸能效較低，但可以從設(shè)計(jì)層面或使用層面尋求其他解決方案來降低輔助鼓風(fēng)機(jī)長期運(yùn)行的故障風(fēng)險(xiǎn)，例如對輔助鼓風(fēng)機(jī)的電機(jī)做設(shè)計(jì)備份，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)對輔助鼓風(fēng)機(jī)的健康狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)管并開展預(yù)測性維護(hù)，從而保障船舶維持在高能效的運(yùn)行模式。