耙吸挖泥船在不同工況下的經濟航速

馮 晨，吳永彬

(1.中交天津航道局有限公司，天津 300461；2.中交海洋建設開發有限公司，天津 300456)

當今全世界的環保形勢嚴峻，限制了疏浚工程的拋填作業范圍，工程的納泥區也大多距離施工區較遠，需要耙吸挖泥船長距離航行至深遠海區域進行拋泥作業。同時隨著圍海造陸工程及建筑工程的推進，海砂采取將成為未來疏浚業的一項重要工程，如深遠海取砂工程。因此耙吸挖泥船將朝著遠海、深海方向發展，這將面臨的一大問題就是船舶航行時間將大幅增加，占整個疏浚周期的50%以上，帶來的就是航行成本的提升。

參照海船運營與經濟效益的分析，在船舶運輸過程中，燃油消耗占運輸成本的比例很大，占船舶營運總成本的25%～30%[1]。因此根據耙吸挖泥船未來施工的特點，展開針對長運距工程的耙吸挖泥船經濟航速研究，從客觀上分析耙吸挖泥船采用經濟航速的必要性。

1 船舶經濟航速的含義

從營運船舶經濟盈利角度看，船舶營運經濟航速分為兩類：完全不考慮機會成本的絕對經濟航速和充分考慮機會成本的相對經濟航速。其中絕對經濟航速[2]是指在不考慮其他成本的前提下，船舶航行相同里程，耗油量最少的航行速度；相對經濟航速，對于耙吸挖泥船是指完成一個施工周期，為保證經濟效益最大化而使用的輕載或重載航速。

2 經濟航速考慮因素

耙吸挖泥船施工時的主要成本為施工過程中的燃油費用、定期維護修理費用和固定費用(人工費、折舊費等)，其中定期維護修理費和固定費用作為船舶使用的基本費用，在本文分析中不以變量考慮[3]。

燃油費用與航速大小成正比關系，航速的選擇對燃油費用有直接關系。并且燃油費主要與燃油消耗量有關，降低航速能有效地降低燃油費用，降低船舶的營運支出，但降速航行會延長航行時間，加長施工周期，可能會延誤工期，耽誤下一工程的投入，損失一部分市場機會，得不償失。反之，航速提高勢必會提高燃油費用，增加施工成本。

因此，耙吸挖泥船在選擇最佳運載航速時，應當綜合考慮燃油成本、工程周期等多方面因素，建立合適的數學模型，從而得到更準確的決策信息。

3 耙吸挖泥船經濟航速的分析

耙吸挖泥船作為一種自航船舶，在功能上區別于海船，海船以貨物運輸為目的，船舶主要存在航行、停泊、錨泊等作業方式；而耙吸挖泥船則以疏浚施工為目的，船舶主要存在挖泥、航行、吹填(拋泥)、停泊、錨泊等作業方式。因此耙吸挖泥船作業形式更為復雜，而在經濟航速的分析方面，由于耙吸挖泥船在挖泥、吹填(拋泥)環節，航速一般在3 kn以下，暫不考慮燃油經濟性的問題。本文以耙吸挖泥船運載航行為研究對象展開分析，為達到工程效益的最大化，以船舶滿載和空載為條件，進行實船數據采集和分析。

“通途”輪是超大型耙吸挖泥船，船長為30 m，型深為15 m，空載吃水為6.3 m，滿載吃水為11.3 m，艙容2.1萬m3，裝載量2.8萬t，主機功率為2×8 700 kW，最大航速15.2 kn。該船舶動力系統為一拖二形式，即船舶主機帶動螺旋槳和軸帶發電機，船舶泥泵則由軸帶發電機的電力驅動。

3.1 船舶柴油機負荷與油耗率關系分析

船舶柴油機作為內燃機的一種，在不同工況下具備多項特性曲線關系，如負荷特性、速度特性、調速特性等。其中負荷特性是內燃機的基本特性，用以評價其工作的經濟性。由于柴油機的負荷特性相對容易測定，在性能調試過程，如選擇氣道和燃燒室結構、調整燃油噴射系統等，常用負荷特性作為比較標準。

柴油機負荷特性[4]是指柴油機轉速不變，其經濟性指標隨負荷而變化的關系，以曲線表示。當以一定的航速延阻力不斷變化的海面行駛時，船舶的柴油機負荷特性曲線見圖1，此時必須改變柴油機供油量來調整有效轉矩，與外界阻力矩的變化相適應，而柴油機轉速保持不變。

圖1 柴油機負荷特性曲線

根據負荷特性曲線測定的相關要求，參照出廠時船舶主機臺架的試驗數據(表1[5])可得出不同負荷對應的油耗率。通過油耗率與負荷曲線(圖2)可知，在負荷80%左右時，柴油機油耗率最低。

表1 “通途”輪主機臺架試驗數據

圖2 “通途”輪柴油機負荷與油耗率關系曲線

3.2 實船數據采集

由于柴油機在長期使用過程中存在磨損、船體腐蝕等影響因素，因此對船舶相關數據進行采集(表2)，得出航速與主機功率(推進功率+軸發功率+空載功率)、油耗量的關系，見圖3。

圖3 “通途”輪航速與主機功率、油耗量的關系

表2 “通途”輪實船采集數據

通過船舶施工時大量的數據，分析重載(輕載)航行期間，船舶加速、減速時，航速與時間、平均航速及油耗量之間的關系。重載航行期間，船舶不同航速對應的油耗量、所用時間、所用里程見圖4。

圖4 航速與時間、平均航速、油耗量的關系

3.3 耙吸船盈利分析

耙吸挖泥船作為施工船舶，是工程的一部分，其施工生產以盈利為目的，施工生產率、施工成本、施工所創造的產值都在一定程度上影響著整個工程的效益。當船舶所創造的產值大于船舶施工所發生成本時，則船舶可以盈利，即：

ΔQ=S產值-S成本=aT裝載量-(Q人工+Q折舊+

Q維修+Q備件+Q燃油+Q潤油+Q保險+…+Q其他)

(1)

式中：ΔQ為耙吸船船舶盈利(元)；S產值、S成本分別為船舶產值(元)、船舶成本(元)；T裝載量為船舶裝載量(m3)；a為土石方單價(元/m3)；Q人工、Q折舊、Q維修、Q備件、Q燃油、Q潤油、Q保險、Q其他分別為人工費(元)、折舊費(元)、船舶維修費(元)、船舶備配件費用(元)、燃油費(元)、潤滑油費(元)、船舶保險費(元)、其他費用(元)。

式(1)除了燃油成本隨船舶航速變化波動較大以外，其他船舶成本基本保持穩定，即：

Q燃油=(q挖泥+q重載+q輕載+q拋吹)b

(2)

式中：q挖泥、q重載、q輕載、q拋吹分別為挖泥期間油耗量(t)、重載航行期間油耗量(t)、輕載航行期間油耗量(t)、拋泥或吹填期間油耗量(t)；b為燃油單價(元/t)。

3.4 計算結果

根據以上數據分析的航速與多個參數的關系曲線，假設燃油價格為5 000元/t，工程施工運距為30 n mile，挖泥時間為2 h，拋泥或吹填時間為0.3 h，土方價格為26元/m3進行模擬經濟性計算分析。

3.4.1耙吸船絕對經濟航速

耙吸船航速與每海里油耗量關系見圖5。可以看出，在不考慮其他成本的前提下，耙吸船絕對經濟航速控制在10～12 kn，可有效節省燃油消耗。

圖5 耙吸船航速與每海里油耗量關系

以耙吸船遠距離調遣為例，耙吸船航速與油耗量關系見圖6。此時采用經濟航速12 kn連續航行24 h，計算航行里程為288 n mile，較航速15 kn時每日節省燃油4.43 t，日節省燃油成本2.22萬元。

圖6 耙吸船航速與每日油耗量關系

3.4.2耙吸船相對經濟航速

在設計航速范圍內，經濟效益隨航速增加而提高。當單價或工況發生變化時應重新進行計算，且隨運距增加航速對經濟性的影響權重將會增加。航速與燃油成本、單船每小時效益關系見圖7。

圖7 航速與燃油成本、單船每小時效益關系

以“通途”輪施工為例，土方單價26元/m3，運距在30～600 n mile，船舶滿載，計算不同運距、不同航速下的單艙每小時盈利效益，形成航速與單艙每小時盈利效益關系曲線，見圖8。可以看出，運距在120 n mile以下時，單艙每小時盈利效益隨航速的增加而提高；運距在400 n mile以上時，單艙每小時盈利效益隨航速的增加而降低；運距在120～400 n mile，單艙每小時盈利效益則存在峰值，其會存在相對經濟航速點，見圖9。

圖8 航速與每小時單艙效益關系

圖9 航速與運距關系

通過將航速與單艙每小時盈利效益曲線的峰值進行連線，形成相對經濟航速-運距曲線。可以看出，“通途”輪在120 n mile運距以下，可采用最大航速進行運載航行，盡量多地創造工程效益；在400 n mile運距以上，如不受工期或其他因素限制，則可采用絕對經濟航速，以降低燃油成本，起到工程效益最大化的目標；運距在120～400 n mile，“通途”輪可依據自身需要，采用相對經濟航速進行運載航行，節能減排。

4 結論

1)耙吸挖泥船相較于傳統的海上貨運船舶，其作業形式復雜，僅可在運載航行期間討論經濟航速，由于挖泥施工期間的航速較低(小于3 kn)，暫不考慮經濟航速。因此在工期有要求或短運距的工況下宜采用效益優先原則，以“多挖快跑”的航速進行施工生產，爭取工程效益最優化。

2)運距在一定范圍內，耙吸挖泥船可以采用相對經濟航速進行運載航行，在不影響工程效益和工期的同時，節能減排。

3)在長距離調遣且抵港時間要求寬松、施工過程中存在長時間候潮、待航影響等工況下，耙吸挖泥船宜采用船舶絕對經濟航速航行，降低燃油成本。

4)以“通途”輪為例，形成了一套耙吸挖泥船施工期間運載航行經濟航速分析的模型，可有效應用于其他耙吸挖泥船，在船舶施工期間根據工況進行選擇使用。