对存量船舶节能途径的探索
陈林
提要：针对存量船舶，船长及经营管理人员，在满足主机基本工况良好、保证航行安全的前提下，可从改变船舶的吃水状态、优化航线设计，选择最佳航速等各项措施，达到降低船舶营运的变动成本的目的。
关键词：动态吃水差 最佳航速 优化电力 利用潮汐
就目前的营运船舶而言，由于主机辅机造价昂贵，改造或更换动力系统是不可能的。可行的对策是：针对各自的机械特性和目前的运输情景，通过提高管理水平，使能源利用效率最大化，节约燃料成本。从长远的角度来考虑，针对我国沿海内贸运输的船舶，海事主管部门将来也会提出船舶能效的要求，以达到在环保方面减少碳排放、减少有害气体排放的目的;国际航线的船舶，达到和满足IMO关于 SEEMP（船舶能效管理计划）和EEDI（船舶能效设计指数）的强制规定的要求。提倡和实践绿色航运。
为实施船舶节能，能效利用函数f（x），变量n是“主机、辅机、航行态势、海况、吃水差”等关键数据。其能效用数学基本原理来表达， Σ41 ? ，对节能的4项基本变量的建议如下：
1 船体和吃水因数：优化动态吃水，减少船体阻力
船长所能理解和掌握的是静态吃水差。为便于船员操作，在装卸港的吃水要求不受限的前提下。建议静态吃水差为0.5～0.7米左右。
但在航行状态下，不同船体、不同船舶在不同航速下，前后的下沉量是有区别的，建议取在经济航速的条件下动态吃水差也为0.5米（静态吃水差≠动态吃水差）为宜。
值得提醒的是，建议的0.5米的动态吃水差，并不是实际航行中的最佳吃水差。各轮可通过（多个航次）实际对比，建议通过调整吃水差，优化能效节约潜力。
2 动态阻力因数：采用最佳航速，获取长效经济
从成本的“数学模型”中获得的经济航速与主机能效曲线的特性，在不赶船期的情况下可以优选船舶的最佳航速。
最佳航速通常不是最经济的航速，最佳航速除了考虑到成本以外，还得考虑到船舶主机的特性（能使主机长时间满足工况要求的转速）及航海实践（船舶操纵与避让的基本要求以及船员心理）。本文以华远星海运有限公司的华远星轮的参数，建立起来的总成本模型求取最佳航速。
2.1 船舶航行时的基本参数
航行距离980海里（天津港—可门港）;额定航速13节;油耗32吨/天;副机用柴油2.5吨/天;锅炉用柴油2.5吨/天，航行时不用燃油锅炉;船员工资、船舶折旧、修理及备件物料费用、财务费用等的固定成本为9万元/天;重油价格0.48万元/吨;柴油价格0.8万元/吨。
2.2 船舶营运成本的构成
营运成本=固定成本Cf ?+ 变动成本Co
固定成本=船员工资+修理+物料备件+保险+折旧+融资成本。
变动成本=燃油费用+港口使费
2，3 航行时间段的固定成本Cf ?（包含不变的发电机燃油费用）
固定成本Cf 的计算公式：
Cf =2（）
2.4 在额定航速下的航次总成本Ct
Ct = Cf ?+ Co
Cf =2（）= 69.1万元
Co = 2（）=96.5万元
额定航速下的总成本为：Ct = Cf ?+ Co =165.6万元
两港间航行时间为3.14天。
2.5 求最低营运的成本
Ct = Cf （固定） ?+ Co （燃油）-Cb（因延时少用锅炉成本）
其中的Co主要是主机使用燃油的成本，国内权威性教科书的观点是：主机耗油量与航速的3次方成正比。即： Q = a V3
船舶的总成本与航速直接的关系曲线为：
Ct
0 ? ? ? ?Vd ? ? ? ?V
2.6 求总成本Ct 的最小值，即一阶导数为零时的速度值Vd
Ct = Cf （固定） + Co -Cb（锅炉燃油费用）
= 2（）+ 2（）
-2（）
Q = a V3
a =0.01456 （ 从Q=32吨/天，V=13节中求出）
把Q和a 带入Ct的公式中
Ct= 2 3 -2
Ct=2 -
Ct的导数为：
-
+
经整理得：
= - 9×
Vd=
此航速为最经济航速，但没有考虑到主机的特性。在航速为8.62节的情况下，燃油燃烧的效率将会降低、主机的排烟温度将会增高，长期使用最经济航速，会给主机的维护带来不利，因此最经济航速还不是最佳盈利航速。
3 主机特性
通常当主机在额定转速的情况下，燃油燃烧的工况最好。但当转速低于或高于此额定转速，燃烧工况都会减低，主机会出现爆炸压力降低和排烟温度增高的不利因素。主机在额定转速Re的情况下，主机能效N达到最大值M。则不同转速条件下的能效曲线图如下：
N
M
0 ? ? ? ? ? ?Re ? ? ? ? ? ? ? ?R
从上述的主机能效曲线图可以看出，当船舶降速航行时，能效随着主机的转速下降而跟着下降。假设航速每下降1节，效能也跟随下降1%时，航速下降2节，效能也跟随下降2%时可以得出如下：航行时间段内（重载和空载的航行时间的和）的总成本一览表。
“华远星”轮不同航速情况下的单航次成本 一览表
航速 航行天数 理论主机耗油/燃效比=实际主机耗油量（单位：吨） 辅机耗柴油量
14 5.83 （39.95/0.995.83=235.26 14.58
13 6.2 （32/1.00）6.28=201.0 15.70
12 6.81 （26.16/0.99）6.81=173.07 17.03
11 7.42 （19.38/0.98）7.42=143.80 18.55
10 8.17 （14.56/0.97）8.17=122.63 20.43
9 9.07 （10.61/0.96）9.07=100.20 22.67
8.62 9.47 （9.326/0.956）9.47=92.38 23.68
8 10.2 （7.45/0.94）10.21=80.97 25.53
燃料成本
（万元） 锅炉成本（万元） 固定成本（万元） 总成本
（万元）
124.58 0.9 53 178.48
109.05 0 56.54 165.56
96.63 -1.06 62.29 156.86
83.86 -2.28 66.78 148.36
75.20 -3.78 73.53 144.95
66.20 -5.58 81.63 142.20
63.50 -6.38 85.23 142.07
59.29 -7.86 91.89 143.34
当主机在额定转速和航速的情况下，燃油燃烧发出的功率最大，工况最好。当转速低于或高于此额定转速，燃烧功率都会减低，会出现爆炸压力降低和排烟温度增高的不利因素。
主机在额定转速Re（或航速）的情况下，主机能效N达到最大值M。则不同转速条件下的能效曲线图如下：
N
M
0 ? ? ? ? ? ?Re ? ? ? ? ? ? ? ?R
从上述的主机能效曲线图可以看出，当船舶降速航行时，能效随着主机的转速下降而跟着下降。建立最佳航速的计划，并可以根据最新的情况进行动态的航速管理，使航行成本在给定的航线下降至最低。
最盈利航速，需经实践去进一步的认证。通常情况下，主机的正常工作范围较为宽广，从最低的稳定转速到额定的转速都可以工作。但也有部分资深机务管理人员持怀疑态度。上述的最盈利航速，需要经过实践去进一步的论证。不赞成用最经济航速达到短期内的成本最小化。故提出最盈利航速的概念，意义在于长期稳定。从航海实践来看，航速达10节时，是安全可行的。
4 辅机耗能因数
原则：优化电力的生产和使用，提高余热利用。
通常情况下，船用发电机是根据负荷的大小来自动地调节供油量的大小。适时关闭不必要的用电负荷，启动余热利用设备来降低燃油的消耗，实时监控和分析电力消费，减少不必要的电力生产，提高辅助动力设备的能效，减少设备维护成本。如果单船所配备的辅机有大小之分，应选择与实际所需要的负荷相配备的辅机。
余热利用的项目很多，如辅机的出口冷却水的余热利用等。当船舶处在锚泊状态时，减少或停用燃油锅炉的利用，每天能够减少1吨燃油。辅机燃油日用柜的燃油温度可以通过电加热的途径得到有效的保证。冬季北方港口抛锚时，华远星轮锅炉的燃油消耗在0.3吨/天。
5 潮汐的合理利用
原则①：优化航线，适当选择顺流航行。
在中国沿海，不同的海区、不同的季节，潮汐是按照一定的规律变化的。在周围通航环境许可的前提下，要充分利用海流。如每年的7月黄海，以122°经线为界，经线西部，潮流是向南的;而123°经线以东，潮流向东北。船舶移动的总流向，基本是和通航分隔带相一致。因此当船舶南下时，为避开偏顶流，不应在123°经线以东航行。
原则②：水流区，顺流宜慢车，逆流应快车。
对地航速 VE ， 水流速度VW ， 船舶对水速度VS. 航迹线与水流的夹角为α，它们之间的数学关系式为：
VE =VS + VW cos
沿海的水流速度通常在1～2节左右。船舶的最佳盈利航速通常在9～11节左右。考虑到船舶操纵的安全性，在不违规的前提下，建议顺流航行时，用9节的对水航速，逆流航行时用11节的对水航速。
当获取了上述4项的船舶的基本运行变量差数后，由船长进行优化组合，同时公司管理部门监控航行能效，达到提高能效目的。
6 结束语
记住2个参考数据：0.5米吃水差;10节航速。
遵守2个参考法则：优化电力;利用潮流。
提要：针对存量船舶，船长及经营管理人员，在满足主机基本工况良好、保证航行安全的前提下，可从改变船舶的吃水状态、优化航线设计，选择最佳航速等各项措施，达到降低船舶营运的变动成本的目的。
关键词：动态吃水差 最佳航速 优化电力 利用潮汐
就目前的营运船舶而言，由于主机辅机造价昂贵，改造或更换动力系统是不可能的。可行的对策是：针对各自的机械特性和目前的运输情景，通过提高管理水平，使能源利用效率最大化，节约燃料成本。从长远的角度来考虑，针对我国沿海内贸运输的船舶，海事主管部门将来也会提出船舶能效的要求，以达到在环保方面减少碳排放、减少有害气体排放的目的;国际航线的船舶，达到和满足IMO关于 SEEMP（船舶能效管理计划）和EEDI（船舶能效设计指数）的强制规定的要求。提倡和实践绿色航运。
为实施船舶节能，能效利用函数f（x），变量n是“主机、辅机、航行态势、海况、吃水差”等关键数据。其能效用数学基本原理来表达， Σ41 ? ，对节能的4项基本变量的建议如下：
1 船体和吃水因数：优化动态吃水，减少船体阻力
船长所能理解和掌握的是静态吃水差。为便于船员操作，在装卸港的吃水要求不受限的前提下。建议静态吃水差为0.5～0.7米左右。
但在航行状态下，不同船体、不同船舶在不同航速下，前后的下沉量是有区别的，建议取在经济航速的条件下动态吃水差也为0.5米（静态吃水差≠动态吃水差）为宜。
值得提醒的是，建议的0.5米的动态吃水差，并不是实际航行中的最佳吃水差。各轮可通过（多个航次）实际对比，建议通过调整吃水差，优化能效节约潜力。
2 动态阻力因数：采用最佳航速，获取长效经济
从成本的“数学模型”中获得的经济航速与主机能效曲线的特性，在不赶船期的情况下可以优选船舶的最佳航速。
最佳航速通常不是最经济的航速，最佳航速除了考虑到成本以外，还得考虑到船舶主机的特性（能使主机长时间满足工况要求的转速）及航海实践（船舶操纵与避让的基本要求以及船员心理）。本文以华远星海运有限公司的华远星轮的参数，建立起来的总成本模型求取最佳航速。
2.1 船舶航行时的基本参数
航行距离980海里（天津港—可门港）;额定航速13节;油耗32吨/天;副机用柴油2.5吨/天;锅炉用柴油2.5吨/天，航行时不用燃油锅炉;船员工资、船舶折旧、修理及备件物料费用、财务费用等的固定成本为9万元/天;重油价格0.48万元/吨;柴油价格0.8万元/吨。
2.2 船舶营运成本的构成
营运成本=固定成本Cf ?+ 变动成本Co
固定成本=船员工资+修理+物料备件+保险+折旧+融资成本。
变动成本=燃油费用+港口使费
2，3 航行时间段的固定成本Cf ?（包含不变的发电机燃油费用）
固定成本Cf 的计算公式：
Cf =2（）
2.4 在额定航速下的航次总成本Ct
Ct = Cf ?+ Co
Cf =2（）= 69.1万元
Co = 2（）=96.5万元
额定航速下的总成本为：Ct = Cf ?+ Co =165.6万元
两港间航行时间为3.14天。
2.5 求最低营运的成本
Ct = Cf （固定） ?+ Co （燃油）-Cb（因延时少用锅炉成本）
其中的Co主要是主机使用燃油的成本，国内权威性教科书的观点是：主机耗油量与航速的3次方成正比。即： Q = a V3
船舶的总成本与航速直接的关系曲线为：
Ct
0 ? ? ? ?Vd ? ? ? ?V
2.6 求总成本Ct 的最小值，即一阶导数为零时的速度值Vd
Ct = Cf （固定） + Co -Cb（锅炉燃油费用）
= 2（）+ 2（）
-2（）
Q = a V3
a =0.01456 （ 从Q=32吨/天，V=13节中求出）
把Q和a 带入Ct的公式中
Ct= 2 3 -2
Ct=2 -
Ct的导数为：
-
+
经整理得：
= - 9×
Vd=
此航速为最经济航速，但没有考虑到主机的特性。在航速为8.62节的情况下，燃油燃烧的效率将会降低、主机的排烟温度将会增高，长期使用最经济航速，会给主机的维护带来不利，因此最经济航速还不是最佳盈利航速。
3 主机特性
通常当主机在额定转速的情况下，燃油燃烧的工况最好。但当转速低于或高于此额定转速，燃烧工况都会减低，主机会出现爆炸压力降低和排烟温度增高的不利因素。主机在额定转速Re的情况下，主机能效N达到最大值M。则不同转速条件下的能效曲线图如下：
N
M
0 ? ? ? ? ? ?Re ? ? ? ? ? ? ? ?R
从上述的主机能效曲线图可以看出，当船舶降速航行时，能效随着主机的转速下降而跟着下降。假设航速每下降1节，效能也跟随下降1%时，航速下降2节，效能也跟随下降2%时可以得出如下：航行时间段内（重载和空载的航行时间的和）的总成本一览表。
“华远星”轮不同航速情况下的单航次成本 一览表
航速 航行天数 理论主机耗油/燃效比=实际主机耗油量（单位：吨） 辅机耗柴油量
14 5.83 （39.95/0.995.83=235.26 14.58
13 6.2 （32/1.00）6.28=201.0 15.70
12 6.81 （26.16/0.99）6.81=173.07 17.03
11 7.42 （19.38/0.98）7.42=143.80 18.55
10 8.17 （14.56/0.97）8.17=122.63 20.43
9 9.07 （10.61/0.96）9.07=100.20 22.67
8.62 9.47 （9.326/0.956）9.47=92.38 23.68
8 10.2 （7.45/0.94）10.21=80.97 25.53
燃料成本
（万元） 锅炉成本（万元） 固定成本（万元） 总成本
（万元）
124.58 0.9 53 178.48
109.05 0 56.54 165.56
96.63 -1.06 62.29 156.86
83.86 -2.28 66.78 148.36
75.20 -3.78 73.53 144.95
66.20 -5.58 81.63 142.20
63.50 -6.38 85.23 142.07
59.29 -7.86 91.89 143.34
当主机在额定转速和航速的情况下，燃油燃烧发出的功率最大，工况最好。当转速低于或高于此额定转速，燃烧功率都会减低，会出现爆炸压力降低和排烟温度增高的不利因素。
主机在额定转速Re（或航速）的情况下，主机能效N达到最大值M。则不同转速条件下的能效曲线图如下：
N
M
0 ? ? ? ? ? ?Re ? ? ? ? ? ? ? ?R
从上述的主机能效曲线图可以看出，当船舶降速航行时，能效随着主机的转速下降而跟着下降。建立最佳航速的计划，并可以根据最新的情况进行动态的航速管理，使航行成本在给定的航线下降至最低。
最盈利航速，需经实践去进一步的认证。通常情况下，主机的正常工作范围较为宽广，从最低的稳定转速到额定的转速都可以工作。但也有部分资深机务管理人员持怀疑态度。上述的最盈利航速，需要经过实践去进一步的论证。不赞成用最经济航速达到短期内的成本最小化。故提出最盈利航速的概念，意义在于长期稳定。从航海实践来看，航速达10节时，是安全可行的。
4 辅机耗能因数
原则：优化电力的生产和使用，提高余热利用。
通常情况下，船用发电机是根据负荷的大小来自动地调节供油量的大小。适时关闭不必要的用电负荷，启动余热利用设备来降低燃油的消耗，实时监控和分析电力消费，减少不必要的电力生产，提高辅助动力设备的能效，减少设备维护成本。如果单船所配备的辅机有大小之分，应选择与实际所需要的负荷相配备的辅机。
余热利用的项目很多，如辅机的出口冷却水的余热利用等。当船舶处在锚泊状态时，减少或停用燃油锅炉的利用，每天能够减少1吨燃油。辅机燃油日用柜的燃油温度可以通过电加热的途径得到有效的保证。冬季北方港口抛锚时，华远星轮锅炉的燃油消耗在0.3吨/天。
5 潮汐的合理利用
原则①：优化航线，适当选择顺流航行。
在中国沿海，不同的海区、不同的季节，潮汐是按照一定的规律变化的。在周围通航环境许可的前提下，要充分利用海流。如每年的7月黄海，以122°经线为界，经线西部，潮流是向南的;而123°经线以东，潮流向东北。船舶移动的总流向，基本是和通航分隔带相一致。因此当船舶南下时，为避开偏顶流，不应在123°经线以东航行。
原则②：水流区，顺流宜慢车，逆流应快车。
对地航速 VE ， 水流速度VW ， 船舶对水速度VS. 航迹线与水流的夹角为α，它们之间的数学关系式为：
VE =VS + VW cos
沿海的水流速度通常在1～2节左右。船舶的最佳盈利航速通常在9～11节左右。考虑到船舶操纵的安全性，在不违规的前提下，建议顺流航行时，用9节的对水航速，逆流航行时用11节的对水航速。
当获取了上述4项的船舶的基本运行变量差数后，由船长进行优化组合，同时公司管理部门监控航行能效，达到提高能效目的。
6 结束语
记住2个参考数据：0.5米吃水差;10节航速。
遵守2个参考法则：优化电力;利用潮流。
