现代船舶能效管理

夏敬停

（上海市港航事业发展中心 ，上海 200002）

0 引言

随着社会发展对低碳环保的重视，船舶运输可持续海运已成为行业关注的焦点，而船舶能效管理则是降低船舶能耗和碳排放、推动海洋运输可持续发展的重要途径。

船舶能效管理，是指在船舶运营过程中，采取一系列措施和方法，以提高船舶的能源利用效率和环境保护效果。其背景和意义可以从以下3个方面进行解读。

1）从环保的角度看，船舶能效管理是降低船舶碳排放和能源消耗的有效手段[1]。随着全球气候变化和环境问题的不断加剧，减少碳排放和能源消耗已成为各行业的共同责任。海洋运输行业作为全球碳排放和能源消耗的重要来源，采取船舶能效管理措施，对于减少碳排放和能源消耗具有重要意义。

2）从经济的角度看，船舶能效管理可以提高船舶运营的经济效益。通过优化船舶设计、使用节能设备、改进航行操作等措施，可以降低船舶运营成本，提高船舶运输的竞争力和盈利能力。

3）从安全的角度看，船舶能效管理可以改善船舶的安全性能。通过排放控制技术和航行操作改进等措施，可以减少船舶事故的发生，提高船舶运输的安全性和可靠性。

船舶能效管理的具体措施和方法主要有如下4点。

1）优化船舶设计。采用更加先进的设计理念，提高船舶的能源利用效率和环境保护效果。如，采用节能船型、优化船舶动力系统、使用环保材料等[2]。

2）使用节能设备。采用高效、低能耗的设备和系统，提高船舶的能源利用效率。如，使用节能灯具、空气源热泵等节能设备，以及废气中的能源回收。

3）改进航行操作。采用更加科学的航行策略和操作方法，降低船舶的能源消耗和碳排放。如优化航线规划、减少不必要的停靠、提高航速控制等[3]。

4）排放控制技术。采用先进的排放控制设备和系统，减少碳排放。如使用洗涤塔、过滤器等设备以及采用碳捕获和储存技术等。

总之，船舶能效管理能够迅速推动海洋运输行业的可持续发展[4]。通过优化船舶设计、使用节能设备、改进航行操作和排放控制技术等具体措施和方法，可以降低船舶的能源消耗和碳排放，提高船舶运营的经济效益和安全性能。同时，也可以为海洋运输行业带来更加清洁、可持续的发展模式，为全球环境保护事业作出更大的贡献。

1 船舶能效管理总体设计

本文通过分析来调整和优化船舶航态，使用能效管理仪能够显著减少航行阻力，提高船舶能效，从而降低运营成本。其原理是利用一系列传感器和测量设备对船舶速度、航向、水流动态等进行实时监测，根据这些数据计算出实际航态，并智能调整和优化，实现航行阻力的降低。能效管理仪因其价格低廉、操作简单、效果显著等优势，将在未来的船舶运输领域发挥越来越重要的作用。

1.1 船舶CFX 阻力模型

船舶在航行时，会受到水流的阻力，为了获取船舶在各种吃水条件下的阻力，需要对其进行阻力模型计算（Computational Fluid Dynamics eXtreme，CFX）。CFX是一种计算流体力学软件，能够模拟流体在物体表面产生的效应。通过CFX阻力模型计算，可以得出船舶在不同航速下的阻力值，为船舶的设计提供重要参数[5]。船舶CFX阻力模型计算主要涉及2个方面的内容，即模型的建立和数值计算。通过对船舶CFX阻力模型进行计算，可以得出船舶在不同航速下的阻力值，并分析其与速度的关系。模型见图1。

图1 计算船舶船体模型

然而，以下是CFX模拟阻力的根据，根据动量定理：

则有：

由伯努利方程：

1.2 船舶CFX 阻力输出

建模完成后，将所得到整船的阻力数据与船舶能效管理系统进行对接。

2 燃油情况实时监控

通过在油舱进口、主机进油口和辅机进油口安装流量计，以实时监测加油量和燃油消耗状况，建立燃油管理档案，全面了解加油量和实时油耗、日油耗等状况，为掌握船舶能效状况提供数据支持[6]。

2.1 信号输入需求分析

以船舶燃油系统、主推进柴油机的转速、船舶的航速及船舶的四角吃水为研究对象，监测整船的动力系统以及动力系统，来分析船舶自身的阻力特性匹配情况。

2.2 信号基本属性

根据信号来源不同，检测燃油流量的有主机、发电机组、锅炉等等燃油设备[7]；针对上述设备，结合常用的信号采集设备，如表1所示，将主推进系统的状态监测信号分为脉冲信号和电压信号。

表1 信号列表

主机转速类信号通常是由安装在推进轴或者飞轮等设备上的霍尔传感器进行采集，设备运转时，霍尔传感器会输出若干TTL 脉冲信号[8]。

2.3 信号通道统计

信号通道的数量和类型对于后面的硬件选型具有重要的影响，因此需要对整个系统的状态监测信号通道进行统计[9]。结合研究对象的特点和传感器信号的基本属性可知，主推进系统的状态监测传感器信号根据信号类型可分为脉冲信号和电压信号[10]，通道数量分别为18个和5个。信号通道统计见表2。

表2 信号通道统计

2.4 数据采集硬件选型

通过对虚拟能效管理系统的需求分析，要完成对整个能效系统的信号进行输出一共需要23个通道，其中18个数字输出通道和5个模拟输出通道[11]。经过大量的文献查阅和设备调研，选用表3所示的硬件开发虚拟能效管理，下面将对各个模块逐一进行介绍和可行性论证。

表3 虚拟机舱硬件

2.5 信号输出控制模块

2.5.1 CompactRIO简介

CompactRIO开发平台可通过图形化编程语言LabVIEW的驱动[12]，CompactRIO可以实现一系列功能，可采集数据。NI CompactRIO系统整体构见图2。

图2 CompactRIO 系统架构

2.5.2 实时控制器

实时控制器（Real-Time Cotrol，RT）以其强大的双核处理器和智能优化的能力，成为LabVIEW 实时应用程序的理想选择[13]。凭借1.3 GHz的主频，RT能够高效地处理各种复杂任务，确保系统的稳定性和精确性。其内置的实时操作系统（Real-Time Operating System，RTOS）将计算机的硬件资源管理分配得非常合理，不仅拥有高精确的定时功能，还具有极强稳定可靠性[14]。

其基本构造见图3。

图3 实时控制器

2.5.3 可重配置FPGA机箱

可重构的FPGA机箱是CompactRIO系统的核心结构[15]。FPGA凭借着40 MHz的板载时钟，可以完成精确的定时运算[16]。此外，机箱提供了大容量可编程逻辑阵列，让您可以根据需求自由地重构系统。FPGA机箱见图4。

图4 可重配置FPGA 机箱

2.5.4 I/O模块

CompactRIO机箱的I/O模块样式繁多[17]，包括热电阻电容模块；±10 V同步采样模块；24 V数字差分模块；TTL数字输入模块；IEPE加速度计模块；RTD测量模块以及功率测量模块等[18]。I/O模块见图5。

图5 I/O 模块

3 能效管理系统数值计算

3.1 船舶能效管理系统登录及主控界面

依托前述建立的船舶油耗关于航速、航态（或压载载况）的数学模型，通过相关优化算法集成该数学模型，基于单航次求解油耗最低的浮态与航速；同时借助船舶姿态传感器[19]，实时调整及检测船舶姿态；借助流量传感技术建立船舶燃油管理数据系统，实时监测、统计营运过程中的油量，便于形成航次油耗数据统计与燃油管理。将上述各功能集成于能效管理仪中，并在驾控台实时显示。控制系统集成在控制柜中，在控制柜的上方，设有一块触摸屏，可输入必要的参数，同时显示实时船舶状况、油耗情况等[20]。能效管理仪主要界面见图6和图7。

图6 登录界面

图7 主控界面

3.2 数值计算结果

在不同纵倾值和螺旋桨的转速条件下来计算船舶阻力[21]，同时对其进行组合式计算，得到下表4及图8。

表4 不同工况的船舶推力

图8 不同航速与纵倾角下船舶总阻力系数

4 实船验证

为了进一步验证效果，在“集海之明”轮上安装的主机进油口和辅机进油口加装流量计作为试验[22]。构建数值计算分析平台，模拟船舶快速性与营运能耗，建立能耗与航速及航态的数学模型[23]，确定目标船舶航次最佳航态；安装能效管理仪，营运时船舶以最佳纵倾航行，阻力减小，从而实现燃油消耗的降低[24]。通过能效管理仪指导日常营运，可实现航次燃油消耗至少降低3%。2018年11月19日初步完成船上安装调试，调配高精度流量计，优化能效管理仪，进入试运行。2019年3月14日至3月16日，“集海之明”船航行南京到洋山，航次油耗4.895 t，2019年3月17日洋山港出发时，航速一度达到12.4 kn（之前该船历史航速从未突破12.0 kn）。通过能效管理仪，调整最佳航态，有效减少航行阻力，效果明显。试运行首航次燃油消耗跟历史油耗数据相比，可实现节油8%以上。首航次燃油消耗与历史油耗数据比较见表1。“集海之明”船能效仪项目研发及设备投入共30.5万元，月耗油量按60 t计，全年耗油按700 t计，1年节油35 t，合金额22.75万元，基本在16个月就能收回成本。年减少碳排放111.47 t的CO2。按5年周期算，节约油料175 t，合金额113.75万元，减少的碳排放量为557 t的CO2。按10年周期算，节约油料350 t，合金额227.5万元，减少的碳排放量为1 114.7 t的CO2，有效实现船舶节能减排。

5 结论

本文通过对船舶能效提升技术的研究，并系统化集成，无需更改船体结构，不会带来任何安全隐患；通过关键技术研发，并应用到船舶营运实践中，有效实现能效提升，节省燃油，增强船舶盈利能力。项目投资少，见效快，节能环保，符合时代发展主题，应用前景十分广阔。项目具有可复制、可推广的示范性，值得业内借鉴和推广运用。