船舶定速巡航控制策略

（中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，天津 300452）

0 引言

船舶運輸的運量大、運價低，因此成為大宗貨物運輸中最受歡迎的一種運輸方式。當今國際貿易總運量中的2/3以上、中國進出口貨運總量的約90%都依賴于船舶運輸。據克拉克松統計，截至2016年 12月1日世界商船船隊保有量達到53 460艘之多。為保障如此龐大的船隊運作，每年需要供給約 2億噸航運燃料油，涉及到數百萬的船員勞工為其服務。本文以降低燃料消耗、減少廢氣排放和減輕船舶操作人員的工作負荷為出發點，結合筆者的實船工作經驗，探討一種能夠實現船舶定速航行功能的控制方式。針對不同推進類型的船舶，該控制系統能有效降低主機燃油消耗，同時還能解放駕駛人員的雙手，為廣大船舶駕駛人員提供更為舒適的駕乘體驗。

前些年航運市場的異常火爆，直接導致世界各地競相開辦航運企業，添置新造船舶以增加運力，由于未考慮到國際海運市場的實際需求及周期變化，再鑒于當前全球經濟的疲軟，造成了航運業運力過剩、運價低迷和競爭激烈，使航運業利潤空間逐步壓縮，促進了海運企業優勝劣汰、資源整合的步伐。在此背景下各航運企業投入越來越多的精力來降低船舶的營運成本以追求利潤。而船舶油料的消耗獨占營運成本的一半之多，主機燃油消耗又占到總耗油量的70%～90%。近年來，針對船舶主推進系統節能的研究越來越多，但筆者注意到大部分科研人員主要圍繞高效發動機、高效螺旋槳的研發，以及最佳營運航速的分析選擇，且都取得了相當可喜的成果[1]，但同時也有相應的限制。比如新型的先進設備僅適用于新造船舶的配備，選擇最佳營運航速涉及十分繁瑣的計算和水池試驗，不便于所有操作人員掌握。本文探討了一種便于實船應用，且面向所有新老船舶的控制系統，這里稱其為船舶“巡航控制”，該系統能達到節能降耗的效果。

1 船舶航速和油耗之間的關系

研究船舶動力推進系統的節能降耗，首先需明確推進功率、船舶航速和油耗之間的相互影響。

首先分析油耗和航速之間的聯系。根據《船舶原理》的介紹，推進功率和艉軸轉速呈三次方正比關系，而航速和艉軸轉速之間是線性關聯。那么，不同航速下主機耗油量的多少可以用圖1來表示。根據圖1，以船舶增加、減少相同的速度來比較燃油消耗量的變化，可以明顯看到：相同航速的改變，當速度偏向高值時燃油消耗的增加遠大于航速偏向低值時燃油消耗的減少；相應地，航速偏向低值所減少的燃油消耗遠少于航速偏向高值時的燃油增加。

圖1 油耗-航速曲線

由此可見：在理想狀況下，以預定航速航行的船舶當速度發生波動時，其高于平均航速時所消耗的燃油增加量明顯大于其低于平均航速時的燃油節約量，這也就意味著船舶航速的波動會使總耗油量增加。巡航功能可以用來控制船舶航行在一個選定的航速，通過系統內嵌控制軟件以最佳算法精準調節航速，以避免航速的波動，從而實現耗油量的節約。

1.1 穩定航速和波動航速的運營比較

理想工況（不考慮水流、風速等自然因素，不考慮載貨量變化和海上波浪大小）時，船舶的對地航速與其對水航速一致，而對水航速與推進功率直接關聯。使穩定航速等同于波動航速時的平均值，如圖2所示，在一個給定的航程上，定速航行能有效地降低主機總耗油量。

引起圖2中油耗增加的因素可以分為以下幾個方面：1）天氣、海浪和洋流引起的速度波動；2）人為控制船速時操作不精確；3）航速明顯偏離后進行調整而造成的反映遲鈍；4）為了確保到港時間，前期運行較大航速，或者后期加大航速進行彌補。使用巡航功能則可有效避免以上原因引起的油耗增加。

圖2 理想工況下穩定航速與波動航速對比

1.2 恒定航速與恒定輸出功率的運營比較

在實船航行過程中，所面臨的海上工況相對復雜且很難預測。面對突然的海浪沖擊，或者風速、洋流的改變，巡航功能還能控制輸出功率，以保證船舶高效率的航行，同時避免由此引起的發動機功率峰值的出現。

圖3顯示了同一行程下恒定航速運營跟恒定輸出功率運營的區別。惡劣天氣或海況下行駛的船舶，如果選擇恒定航速航行，就需要在原有輸出功率上進行補償，用以克服增加的船體阻力，也意味著主機輸出功率在波動，相應的就會增加油耗。如果此時以恒定主機輸出功率航行，保持理想的主機油耗，雖航速變化，但可有效地避免主機出現輸出功率波動峰值。待通過惡劣海況海域，再選擇定速巡航模式，適當增加設定航速以保證預定的到港時間。可以看到在恒功率模式介入以后，從A港到B港之間行程的總耗油量明顯降低。

圖3 恒定航速+補償與恒定輸出功率對比

1.3 巡航功能應用于可調螺距螺旋槳船舶

對于采用可調槳推進器的船舶，使用巡航功能保持推進效率最佳，主機油耗降低更加明顯。

圖4為某船舶航行曲線圖，由主機輸出特性曲線、螺旋槳特性曲線、航速曲線、和主機油耗曲線組合而成。可以看到：同一航速可以有許多種不同的n-P/D組合來實現，但不同的組合之間油耗相差甚遠。以13.5 kn航速為例，運行在C點時油耗最低，為202 kg/h；運行在 A點時油耗最高，為 238 kg/h，高于最低值17.8%；而設計點B油耗為216 kg/h，也高出C點6.7%之多。根據該圖可以總結出：同一航速情況下，高轉速小螺距運行時油耗較大，低速大螺距運行時則油耗降低[2]。

圖4 航行曲線圖

圖5為可調槳效率曲線。不同螺距有不同的效率曲線，每個螺距在不同轉速時其效率曲線似拋物線狀，且最大效率點只對應特定的轉速。只有當可調槳工作在包絡線2上時其效率才能保持最佳。

圖5 可調槳效率曲線

當前主流的可調槳控制模式分為恒轉速運行和變速變槳操縱兩種[3]。恒轉速時，主機保持最大轉速，通過改變螺旋槳的螺距角獲得不同的船速，其主機單位油耗曲線如圖6所示；變速變槳操縱時，主機轉速和螺距角一起改變來實現船速的改變，其主機單位油耗曲線如圖7所示。不難發現：在低功率區域即低航速時，恒轉速模式的油耗呈現倍數級的增長。從節能的角度來看，低航速或者低功率輸出時應該選用變速變槳模式運營。

圖6 恒轉速油耗曲線

圖7 變轉速油耗曲線

從可調螺距螺旋槳選型設計來講，其設計點只有一個。在設計點對應的螺距和轉速時，螺旋槳產生100%的正推力，其槳效最大。船舶運營時，由于船舶污底，螺旋槳附著海洋生物，風浪、洋流改變或偏離設計航速，所以船舶航行無法避免偏離設計點。在恒速模式下，改變螺旋槳螺距角改變航速，但可調螺距螺旋槳會出現反向推力，如圖8所示。負推力即代表發動機做了無用功，或者說浪費了燃油。巡航控制的思路就是以一種模糊控制的方式[4]，根據實際航速輸出最佳的n-P/D組合，同時根據相應輸出功率及時調整，以保證槳上只承受正向推力，用以消除不必要的無用功，如圖9所示。

圖8 常規推力矢量

圖9 優化的推力矢量

2 巡航系統及控制邏輯

根據以上分析，滿足以下幾個條件，船舶運行就能實現最大限度的低油耗，從而節能降排：1）在到港時間充沛的情況下低速航行；2）航行時避免頻繁的人為干預，確保航速穩定；3）惡劣工況時保證主機輸出功率恒定，避免主機輸出負荷峰值；4）各種工況、海況時，螺旋槳螺距和轉速最佳組合使槳效最優。

為實現上述功能，提出“巡航”這種控制方式，該控制基本組成如圖10所示系統框圖，包含駕駛臺模塊、中央控制單元和集控室模塊及相關的一些接口信號。屬于主機或可調槳遙控系統的補充部分，可以在新建造船時進行配置，也可以對已運營船舶進行加裝。在巡航控制功能不介入時，所有控制模式與先前相同，不影響船舶的正常運營。

控制邏輯如圖11所示。使用巡航功能時，通過駕駛臺操作面板選擇巡航模式。海況良好時通過設定船舶的航速，不僅可保證準確的到港時間及整個航段的最低油耗，更能避免人工通過控制發動機轉速和螺距方式，時時調整以獲得預定航速帶來的極大工作量。在通過惡劣海況海域時，選擇恒功率模式，此時鎖定主機負荷進行工作，船速相應變化，在船舶駛出此海域后取消恒功率模式，進入巡航模式，從而降低整個航程的主機燃油消耗總量。

圖10 巡航系統框圖

圖11 控制邏輯圖

另一方面，隨著現代科技的高速發展及汽車智能無人駕駛的出現，船舶智能無人駕駛試驗也不斷涌現。智能駕駛首先需要實現對船舶航速的自動控制，而該巡航控制功能恰好切合了這一主題。

3 結論

通過對船舶各種航速下運營時油耗的比較，以及一般船舶航行曲線圖的分析，結合筆者的實船工作經驗，總結出一種方便、實用的推進系統控制方式——巡航控制，實現了節能減排，減輕了駕駛人員工作負荷，同時確保了更加準時的到港時間，為實現船舶智能駕駛做鋪墊。

[1] 張署.船舶營運航速的優化分析[D].上海： 上海海事大學, 2004.

[2] 魏應三, 王永生.船舶航速優化原理研究[J].中國造船, 2008(s1)： 75-82.

[3] 馬寧, 秦珩.基于 PLC的調距槳控制系統的設計[J].船電技術, 2015(8)： 61-65.

[4] 王國近, 王炅, 戴金鵬, 等.船舶可調槳螺距模糊PID 控制器設計[J].艦船科學技術, 2017(7)：100-105.