船舶纵倾优化节能策略

朱鹏飞　艾万政　张亮

【摘 要】 为研究船舶纵倾优化节能策略，应对能源、环境问题和低迷的航运市场，实现节能减排，以船舶纵倾优化技术为研究对象，通过分析优化原理和优化方法，提出采取经济航速、合理设定船舶纵倾角度、在优化状态下合理操船等措施船舶纵倾优化节能策略。

【关键词】 水路运输;节能减排;船舶纵倾;船舶阻力

0 引 言

近年来全球温室效应日趋严重，二氧化碳是导致温室效应的主要气体。航运业二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物的排放量分别约占全球排放总量的3%、14%～15%、16%。为此，国际海事组织（IMO）已经制定了以节能减排为重要内容的技术性国际海运条例。随着全球航运市场行情低迷、竞争日益激烈，航运公司为降低运营成本纷纷采取节能减排措施。

纵倾优化是船舶节能减排的方法之一，IMO船舶能效管理计划认为，船舶纵倾优化是运营中的船舶最有效的节能减排方式。船舶縱倾优化的节能效果受到船型、排水量、航速和吃水差等因素的影响，在实际应用中应采取相应的策略，不可盲目操作。本文分析纵倾优化原理和方法，提出船舶纵倾优化最佳策略，为船舶最佳纵倾操作提供依据，实现节能减排的目的。

1 船舶纵倾优化节能原理

船舶纵倾优化节能技术是指在不改变船舶吃水深度和航速的情况下，通过调节船舶纵倾角度使船舶航行阻力最小，并通过调整船舶阻力与所需功率的比例，达到控制燃油消耗、节能减排的目的。

船舶纵倾优化的重点在于调节船舶纵倾角度，使船舶处于艏倾或艉倾而无横倾的漂浮状态。船舶可以通过调节船舶吃水差来控制纵倾角度。影响船舶吃水差的因素主要有装载的货物、燃油、淡水和压载水等在船舶纵向上的布置，因此可通过装卸和移动船上的货物，加载或排放压载水，调节燃油、淡水的储存位置，使船舶浮心偏离原来船舶正浮时的浮心位置，产生纵倾力矩，使船舶纵向转动，从而产生吃水差。

船舶纵倾优化可以减少船舶航行时产生的阻力，从而实现节能减排的目的。船舶航行时产生的船体阻力主要包括摩擦阻力和剩余阻力。摩擦阻力主要是船舶在航行时由于水具有黏性而沿船舶湿表面产生的切应力。摩擦阻力的大小主要与船舶的湿表面积、船速和船体表面粗糙度等因素有关。剩余阻力分为涡流阻力和兴波阻力，涡流阻力产生于船舶航行时黏性流体流经船体表面时引起艏艉压力差;兴波阻力产生于航行中兴起的波浪。船舶在低速航行时，剩余阻力较小，摩擦阻力占船体阻力80%以上;船舶高速航行时，剩余阻力增大，摩擦阻力占船体阻力的60%左右。

船体的纵倾改变对船舶的水线面形状、水线长度和湿表面积有非常明显的影响。根据国际拖曳水池协会（ITTC）的KCS集装箱船（ 3 600 TEU，垂线间长230 m，型宽32.2 m，设计吃水10.8 m，设计航速24 kn）船模水池试验的数据，纵倾角度变化对水线长度和湿表面积的影响见图1（图中艏倾时纵倾角度为负，艉倾时纵倾角度为正）。

由图1可知，调节船舶纵倾角度可以改变船舶水线长度和湿表面积，以达到减少摩擦阻力的目的。

调节船舶纵倾角度，可调整球鼻艏入水角度和尾封板的入水程度。合理的纵倾角度，可以改善球鼻艏对兴波的压制效果，减小尾封板入水面积，减小兴波，改善尾流场，从而降低剩余阻力。船舶纵倾角度直接影响船舶推进器和舵叶的入水深度，合理的纵倾角度可以提高推进器的效率，达到控制燃油消耗、提高能效的目的。

目前对于船舶纵倾优化的研究方法主要有实船试验、船模水池试验和数值计算等方法。目前国内外试验数据和数值计算结果证明，合理使用船舶纵倾优化技术可以起到明显的节能减排效果。

2 船舶纵倾优化的优点

船舶节能减排的措施主要有降低船舶阻力、提高推进效率、优化系统配置、使用节能设备和使用新型能源等。对于营运中的船舶而言，进坞改装船舶设备、加装辅助设备、更改动力设备系统等将严重影响船舶营运周期，而采用船舶纵倾优化技术则不需要改变船体结构，不需要安装任何辅助设备，在不降低船舶载质量和船速的前提下，仅需调节货物、燃油、淡水和压载水的纵向布置，便可实现减小船舶阻力、提高推进效率，从而达到节能减排的目的。

可见，对于营运中的船舶而言，船舶纵倾优化技术是一种最经济、便利的节能减排技术，具有成本低、易实现、效果佳的优点。

3 船舶纵倾优化策略

3.1 合理采用经济航速

过快的航速将导致船舶航行阻力增加和主机消耗功率过大，将消耗更多的燃料，增加营运成本和污染物排放，没有缩短船期要求的船舶应采用合理经济航速航行。

在采用经济航速的基础上应用船舶纵倾优化技术，可以进一步降低航行阻力，提高推进器效率，不仅会适当增加航速，而且节能减排效果和经济效益更加明显。

3.2 合理设定船舶纵倾角度

船舶纵倾角度不可仅凭操船经验设定，船舶纵倾优化的效果与船型、船舶吃水深度、船速、装载状况等因素有关。纵倾角度的设定应有针对性，否则可能产生负面效果，无法达到节能减排的目的。船模试验和数值计算结果显示：狭长型和高速船舶（如KCS集装箱船）在满载状况下保持艉倾约0.84笆弊萸阌呕Ч罴眩淮笮秃统笮痛埃ㄈ缤蛳浼都跋浯⑸⒒醮陀痛龋┍3忠欢ǖ聂记憬嵌仁弊萸阌呕Ч罴选1]

对各种条件下的相同或相近船型应进行船模试验或数值计算，将试验数据与计算结果代入优化算法，以最小阻力为目标，综合考虑航线、稳性、强度安全等因素作为实际操作中的参考值，或编写船舶纵倾优化软件，这样可以提高船舶纵倾优化的效果。马士基集团已经建立了船舶运行状态监控系统，其中就包括船舶纵倾优化工具。

3.3 合理调整船舶纵倾状态

船舶纵倾状态的调整方式包括静态调整和动态调整。

静态调整指在保证船舶有足够强度和吃水深度的前提下，船舶装载货物和加装燃油、淡水、压载水时，根据船舶纵倾优化计算结果调整船舶吃水差，使船舶处于最优纵倾状态。

动态调整指船舶航行过程中，在静态调整的基础上根据海况、燃料和淡水消耗情况、船舶航行时产生的下沉和纵倾角度变化，根据伯努利原理通过调整压载水来调节船舶的纵倾角度，实现纵倾优化。

在浅水区航行时船舶会受到浅水效应影响，降速明显，下沉量和艏倾值增加，进行纵倾优化动态调整会产生航行风险。因此，动态调整应避免在浅水区进行。

3.4 在优化状态下合理操船

船舶在进行转向和旋回时重心和漂心将前移，若纵倾优化后船舶处于艏倾状态，将增加船舶的旋回纵距和旋回横距，并对滞距和反移量产生影响，此时应提前操舵。根据万箱级集装箱实船试验结果，在艏倾1 m后，船舶的旋回性能变差，应舵性变慢，操右舵10笆保？5 s后船舶开始有反应，后船舶开始转动。可见，在船舶纵倾优化后操纵船舶进行转向和旋回时应早用舵，严格遵守“早、大、宽、清”的操船原则。

参考文献：

[1] 杜建军.万箱船纵倾优化与节能[J].航海技术，2016（2）：27-29.