浮态节能技术在某型集装箱船上的应用

马卫星， 车霖源， 崔 健(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室， 上海 200135)

浮态节能技术在某型集装箱船上的应用

马卫星， 车霖源， 崔 健
(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室， 上海 200135)

为使集装箱船能在保持或增加运力的同时大幅减少燃油消耗，从而降低对环境的有害影响，针对营运中的船舶，提出运用浮态节能技术。以某型集装箱船1 a的营运航行资料为基础，统计分析该型船实际运营的航速范围和载重范围，并在该范围内开展一系列的船舶模型试验。对试验结果进行计算分析，并以此开发应用于实船的“浮态节能系统”，通过实船测试验证浮态节能的效果。结果表明:浮态调整具有较好的节能效果,基于模型试验开发的浮态节能系统可准确评估船舶的性能,并能指导浮态调整达到节能的目的,具有较高的可靠性。

水路运输； 集装箱船; 模型试验; 浮态节能; 降耗; 实船验证

当前航运公司面临着航运市场低迷和燃油价格上涨双重压力，减少燃油消耗、控制运营成本成为当务之急。船舶节能措施有多种，对于营运中的船舶而言，通过调整纵倾浮态达到节能的目的是比较简单、实用的方法。浮态调整仅通过调节压载水来改变船舶的艏艉吃水差，进而改变船舶的性能，无需对船舶进行改造。[1-4]

浮态节能前期投入少、见效快，通常的方法是根据模型试验或数值方法分析船舶收到功率与航速、吃水和浮态的关系，总结不同航速、不同吃水下的最佳纵倾位置，绘制成图谱供实船使用。在20世纪八、九十年代，研究方法主要为模型试验；近些年，随着计算机技术迅猛发展，数值方法成为模型试验有效的辅助手段。[5-8]

首先,统计分析某型集装箱船实际运营的航速范围、载重范围和浮态情况，据此制定方案进行模型试验；其次,以试验数据为基础建立收到功率与航速、吃水和浮态的关系，开发应用于实船的“浮态节能系统”；最后,进行实船测试、评估和验证浮态节能的效果。

1 历史营运数据统计分析

对历史营运数据进行统计分析的目的是了解船舶的航行特点，据此制定出模型试验方案，通过模型试验全面掌握船舶不同状态下的性能特点，为实施浮态节能提供依据，并对其节能效果进行评估。主要统计的内容有航速分布情况、吃水分布情况和纵倾分布情况(见图1～图3)。[9]

图1 航速分布情况

图2 平均吃水分布情况

图3 纵倾分布情况(艉倾为正)

由图1～图3可知，当前船舶的航行状态主要有3个特点：

1) 运营航速相比设计航速大幅降低，集中在17.5 kn附近。

2) 装载少、吃水小的状态占较大比例。

3) 几乎都以艉倾状态航行。

2 模型试验

应用到的模型试验包括阻力试验和自航试验，可全面评价浮态调整后船舶的阻力和推进性能的变化情况。根据统计结果制定试验方案为：航速16～20.5 kn;吃水9.5～14 m;浮态满足螺旋桨不出水的情况下纵倾-2～4 m(艉倾为正)。

根据模型试验数据，在满足实用要求的前提下以最小功率消耗原则确定最佳纵倾浮态，绘制最佳纵倾曲线供实船使用。

图4为不同吃水条件下船舶的最佳纵倾位置，不随航速的改变而改变。由图中的实际统计值曲线可知，船舶一直以性能较差的艉倾状态航行，采用最佳浮态航行可提高船舶的性能，减少燃油消耗。

图4 不同吃水条件下船舶的最佳纵倾位置

得到对应航速、吃水时的最佳浮态和统计浮态后，可根据试验结果得到二者对应的螺旋桨收到功率。

图5为17.5 kn航速、不同吃水情况下实际配载浮态与最佳纵倾浮态下的收到功率对比。在常用的11 m吃水和12 m吃水位置,采用最佳纵倾浮态航行的节能效果在11%以上。

图5 17.5 kn航速、不同吃水情况下的收到功率曲线

为综合评价最佳纵倾的节能效果，以吃水加权平均得到船舶不同航速下的收到功率曲线(见图6)。

图6 不同航速下的收到功率曲线

忽略由功率变化引起的油耗率变化的影响，直接通过功率减小百分比来衡量节能效果。采用浮态节能技术后，在16～20.5 kn航速内，均能达到10%～13%的节能效果，说明采用浮态节能技术具有很好的节能效果。

3 浮态节能系统

船舶营运过程中，浮态节能软件能根据船舶载况和航速信息分析计算出适合当前营运条件的最佳船舶浮态，指导船员进行相关配载调整，从而降低船舶营运能耗，达到节能、降耗和减排的目的。[10]

针对船舶营运过程中的不同航行状态(不同航速、不同排水量等)，结合船模试验数据，分析计算出适合当前航行状态的最佳船舶纵倾值，开发出适用于该船的浮态节能系统。系统主界面和部分功能显示(最佳纵倾可视化“数据库”窗口)见图7和图8。

图7 浮态节能系统主界面

图8 最佳纵倾可视化“数据库”窗口

运用该系统可评估出当前航行状态与最佳纵倾浮态及历史浮态的性能差别；可根据当前的吃水和航速信息计算出最佳浮态位置，并提供相应的压载水调节方案。系统融入了船舶能效管理理念，有数据库实时记录和监管船舶营运过程中最佳浮态节能的执行情况，能提升航运公司对船舶营运能效管理的把控力度。

4 实船验证

为验证浮态节能技术的节能效果，选择某船进行实船测试。待船舶航行至适合测试的水域后，实时记录天气情况和海况，将船舶航速依次调至16 kn，17.5 kn和19 kn附近。待航速稳定后，保持主机转速和航向不变，由测试组分别进行3次航速功率测试，每次时间控制在5～10 min。3次测试完成后，沿原航线相反的航向进行相同的测试，完成往返各3个航速功率共6个航次的测试。最后采用相关实船快速性试验数据修正方法进行风、浪和水温等参数的修正，得到最终结果。实船测试功率与模型试验预报功率对比结果见图9。

a) 历史统计浮态

b) 最佳浮态

由图9可知，模型试验预报功率与实船测试功率基本一致。将实船测试得到的节能效果与模型试验得到的浮态节能效果进行对比，结果见表1。

表1实船测试与模型试验浮态节能效果对比(平均吃水12.5m)

序号航速Vs/kn浮态节能/%实船测试模型预报116．012．5711．62217．510．8111．52319．08．0210．77

由表1可知,经实船测试验证,浮态节能具有较好的节能效果，与模型试验结论一致。应用浮态节能系统调节船舶浮态能减少燃油消耗，取得较好的经济收益。

5 结束语

在诸多节能途径中，浮态节能方式比较灵活实用，不影响船舶的正常营运，无须对船舶的结构和设备作任何改动，前期投入少，能很快收回成本。在对历史营运数据进行统计的基础上，通过计算和分析模型试验结果，总结出收到功率与航速、吃水和浮态的关系。试验结果表明:最佳纵倾位置集中在艏倾状态，改变以往的装载习惯十分必要。

在试验数据的基础上开发应用于实船的浮态节能系统，指导船员进行相关配载的调整，并将相关数据实时存储到数据库中,以便进行能效管理。

实船测试结果表明:浮态调整具有较好的节能效果，基于模型试验开发的浮态节能系统可准确评估船舶的性能，并能指导浮态调整达到节能的目的，具有较高的可靠性。目前节能系统已在多艘船上应用，取得了良好的效果。

[1] 彭斌.船舶节能技术综述[J].船舶科学技术,2005,27(Z1):3-6.

[2] 陈文芝.现代船舶节能技术综述[J].武汉造船,1996(3):48-50.

[3] 徐立华.船舶节能措施概述[J].造船技术,2000(4):19-20.

[4] 曹关桐.近几年来船舶节能技术的开发与应用[J].上海船舶运输科学研究所学报,2003,26(2):101-113.

[5] 侯立平.节能型集装箱船型研究[J].船舶与海洋工程,2013(3):27-29.

[6] 黄炜.船舶节能减排的建议及思考[J].中国水运,2009,9(11):64-65.

[7] 陈爱玲.船舶节能减排动态研究[J].青岛远洋船员学院学报,2008,29(4):33-35.

[8] 王维宇，林洪波，何惠明. 纵倾船舶浮态计算的新方法——三参数迭代法[J].上海船舶运输科学研究所学报,1984(2):11-22.

[9] 陈宝忠,傅爱庆,孙永明.船舶减速航行与主机减额输出节能技术的分析研究[J].中国航海,2005(1):82-86.

[10] 顾家骏.燃油价格与船舶航速(下)[J].船舶节能,2000(3):8-12.

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

马卫星(1983—)，女，山西太原人，助理研究员，硕士，从事船舶水动力性能研究。E-mail: maweixingheu@126.com

1000-4653(2015)03-0112-04

U662

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