內(nèi)河船舶營運(yùn)航速選擇的探討

杜亮

摘要：面對日益高漲的燃料成本，船舶企業(yè)紛紛想盡辦法降低運(yùn)營成本，提高企業(yè)效益。文章對幾種船舶運(yùn)營航速進(jìn)行了介紹，并對它們與船舶油耗之間的關(guān)系做了分析。結(jié)合船舶單次運(yùn)輸任務(wù)的情況，通過理論公式的推理，找出了船舶最低耗油量與最優(yōu)主機(jī)轉(zhuǎn)速的優(yōu)化方法。通過對船舶營運(yùn)航速選擇的探討，希望對航運(yùn)企業(yè)降低油耗量有所幫助。

關(guān)鍵詞：船舶 航速 耗油量 航段

引言

一般船舶為節(jié)約燃料，會通過降低主機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而減少主機(jī)燃料消耗來達(dá)到目的。對于企業(yè)來說，船舶擔(dān)負(fù)著運(yùn)輸貨物的職能，一味的降低航速會使船舶航行時間延長，進(jìn)而影響船舶運(yùn)輸效率。雖然船舶燃料的使用量減少了，但綜合考慮其它因素，企業(yè)并未獲得真正的效益。有研究顯示，船舶的航速隨著主機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，主機(jī)的工況點(diǎn)會偏離設(shè)計(jì)工況，其油耗量反而會上升，不利于船舶的節(jié)能減排。由此，要想達(dá)到船舶效益的最大化，不能一味的靠降低船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而降低船舶航行速度來實(shí)現(xiàn)。通過系統(tǒng)科學(xué)的分析和比較，綜合選擇船舶航速是至關(guān)重要的。

船舶航速的分析

船舶燃料的消耗與船舶主機(jī)的轉(zhuǎn)速變化有著很大關(guān)系。如何在船舶燃料消耗較低又能保證船舶航程時間要求的前提下，達(dá)到船舶燃料消耗最少，是一門系統(tǒng)工程，需要綜合比較與分析。

1、最低耗油率航速

船舶柴油機(jī)在正常工作時，主機(jī)功率的變化使燃油消耗率產(chǎn)生變化。船舶在穩(wěn)定航行時，主機(jī)功率與主機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比關(guān)系。理論上，船速與主機(jī)轉(zhuǎn)速也成正比關(guān)系。由此，可以用下列公式表示耗油率。

（1）

其中，gc為動力裝置的耗油率，單位為kg/h.kw;G為動力裝置每小時的耗油量，單位為kg/h;P為主機(jī)有效功率，單位為kw。

船舶在航行中會受到很多因素的影響，使船舶在不同航段不同時間段里所消耗的燃料產(chǎn)生變化，燃油消耗率gc也隨之變化。當(dāng)主機(jī)在耗油率最低的功率時，與之對應(yīng)的船舶航速被稱為最低耗油率航速。在最低耗油率航速下，船舶航行的經(jīng)濟(jì)性最好。

2、最低燃油費(fèi)用航速

船舶在航行中，單位里程消耗的燃油量最小時，對應(yīng)的燃油費(fèi)用最小。此時船舶航速稱為最低燃油費(fèi)用航速，用公式可以表示為：

（2）

式中，gm為每海里燃油消耗量，單位為kg/n mile;G為動力裝置每小時的耗油量，單位為kg/h; Vs為船舶航速，單位為n mile/h。

理論狀態(tài)下，主機(jī)的有效功率Pc與船舶航速Vs的三次方成正比關(guān)系，則主機(jī)功率可以用公式表示為：

（3）

式中A是常數(shù)。

綜合公式（1）（2）（3）可以得到油耗率、船舶航速以及單位里程耗油量之間的關(guān)系，如圖1。

圖1 ?gc、gm隨船舶航速Vs的變化曲線

由圖1可以看出gc、gm隨著船舶航速呈現(xiàn)不同的曲線變化，兩條曲線的最低點(diǎn)在不同的位置。由圖1可以看出，船舶的耗油量并不是隨船速變小而變小。圖1中，存在著兩個不同的速度使單位里程耗油量與耗油率最小。

3、最高盈利航速

船舶最高盈利航速是指船舶在進(jìn)行運(yùn)輸任務(wù)中，產(chǎn)生營運(yùn)費(fèi)用最低的船舶航速。最高盈利航速需要考慮的因素很多，如船舶的燃料費(fèi)用、船舶的運(yùn)輸成本、船舶每天分?jǐn)偟睦?、貨物周轉(zhuǎn)量等，應(yīng)根據(jù)船舶大小、燃油價(jià)格、航線長度等綜合考慮確定。

上面幾種航速根據(jù)側(cè)重點(diǎn)的選擇不同分別只實(shí)現(xiàn)了一個目標(biāo)。船舶在營運(yùn)中，影響成本的因素很多，本文僅從油耗量的控制上研究船舶節(jié)能航速。首先根據(jù)船舶實(shí)際執(zhí)行的運(yùn)輸任務(wù)，定出船舶的約束條件，再確定出船舶航速的優(yōu)化方案。通過船舶自身的試驗(yàn)，得出其性能參數(shù)，按照確定的方案，分析出船舶的最優(yōu)主機(jī)轉(zhuǎn)速或航速。

節(jié)能航速的優(yōu)化

船舶在接到運(yùn)輸任務(wù)后，根據(jù)合同或具體時間要求，得出本次航運(yùn)的計(jì)劃時間。設(shè)定船舶航運(yùn)時間不大于計(jì)劃時間的前提下，優(yōu)化船舶航行全程各航段的主機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整船舶在該航段的船舶航速，達(dá)到每個航段油耗量最少，實(shí)現(xiàn)本次航程中船舶總體油耗量最少的目的。

1、節(jié)能航速的優(yōu)化方案

由于航道的水流速度會給航速造成較大影響，因此將船舶整個航程按照不同航段的水流速度劃分成若干個航段。通過調(diào)整船舶在各航段的主機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)其在各航段的航速，使船舶所用的總時間不大于計(jì)劃時間，又能保證在各航段內(nèi)以此航速航行油耗量相對最少，達(dá)到船舶在整個航程里的總耗油量最少。

根據(jù)航段水流速度將整個航程分為M段，每個航段的水流速度和航程分別用公式表示為D（i）和F（i），其中i在1到M間取值。

每段航程可以用主機(jī)轉(zhuǎn)速n（i）與航速S（i）以函數(shù)表示為：

（4）

每段航程的主機(jī)轉(zhuǎn)速n（i）與單位時間的油耗量F（i）可以用函數(shù)表示為：endprint

（5）

船舶在航行時的航速Sa（i）為船舶在靜水中的航速S（i）加上或減去水流速度F（i），用公式可以表示為：

（6）

由（4）、（5）、（6）式可以將各航段的油耗量用公式表示為：

（7）

從而得到船舶在整個航程里的油耗量，表達(dá)式為：

（8）

上述公式油耗量的確定在以下三個條件下得出：（1）船舶總航程的時間不能超過合同或具體運(yùn)輸任務(wù)的時間要求;（2）船舶主機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速應(yīng)在主機(jī)最高轉(zhuǎn)速與最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之間確定;（3）每段航程的航速應(yīng)在整個航程的平均航速與船舶的最大速度間確定。

2、節(jié)能航速的實(shí)現(xiàn)過程

（1）通過對實(shí)船在不同轉(zhuǎn)速下的單位時間油耗量和船舶靜水航速值的研究，分析出它們之間的規(guī)律，從而得出它們之間的函數(shù)關(guān)系 f（n（i））與g（n（i））。

（2）依據(jù)總航程中各航段水流情況，劃分出若干航段，進(jìn)行計(jì)算。對于劃分的航段數(shù)，不宜過多也不宜過少。航段數(shù)過多，雖能更準(zhǔn)確計(jì)算出所要結(jié)果，但工程量較大，操作起來相對麻煩;航段數(shù)過少，雖然操作起來較快，但不能達(dá)到理想的效果。航段數(shù)應(yīng)結(jié)合具體實(shí)際情況進(jìn)行劃分。

（3）對于航道中的水流速度，可以通過GPS或其它定位裝置測得船舶在航道中的實(shí)際船速，再通過相同船舶指標(biāo)情況下測得船舶在靜水條件下的船速，兩者進(jìn)行計(jì)算得出航道中的水流速。

（4）各航段內(nèi)，船舶按不同主機(jī)轉(zhuǎn)速工況在相應(yīng)約束條件下得出耗油量和航行所需時間，分析得出各航段內(nèi)的最優(yōu)主機(jī)轉(zhuǎn)速和最低耗油量。

總結(jié)

面對成本的升高，特別是燃料價(jià)格的攀升，航運(yùn)企業(yè)紛紛想盡辦法降低油耗，節(jié)省成本。在試驗(yàn)獲得船舶自身性能的前提下，結(jié)合運(yùn)輸任務(wù)要求，綜合考慮各種約束條件，通過上述合理的船舶航速優(yōu)化方法，得出最優(yōu)數(shù)據(jù)，應(yīng)用到實(shí)船上，可以得到較理想的效果，對船舶耗油量的降低起到幫助。

（作者單位：江西省廬山區(qū)地方海事處）endprint