内河船舶营运航速选择的探讨

    杜亮

    

    摘要：面对日益高涨的燃料成本，船舶企业纷纷想尽办法降低运营成本，提高企业效益。文章对几种船舶运营航速进行了介绍，并对它们与船舶油耗之间的关系做了分析。结合船舶单次运输任务的情况，通过理论公式的推理，找出了船舶最低耗油量与最优主机转速的优化方法。通过对船舶营运航速选择的探讨，希望对航运企业降低油耗量有所帮助。

    关键词：船舶 航速 耗油量 航段

    引言

    一般船舶为节约燃料，会通过降低主机转速，进而减少主机燃料消耗来达到目的。对于企业来说，船舶担负着运输货物的职能，一味的降低航速会使船舶航行时间延长，进而影响船舶运输效率。虽然船舶燃料的使用量减少了，但综合考虑其它因素，企业并未获得真正的效益。有研究显示，船舶的航速随着主机转速的降低，主机的工况点会偏离设计工况，其油耗量反而会上升，不利于船舶的节能减排。由此，要想达到船舶效益的最大化，不能一味的靠降低船舶主机转速进而降低船舶航行速度来实现。通过系统科学的分析和比较，综合选择船舶航速是至关重要的。

    船舶航速的分析

    船舶燃料的消耗与船舶主机的转速变化有着很大关系。如何在船舶燃料消耗较低又能保证船舶航程时间要求的前提下，达到船舶燃料消耗最少，是一门系统工程，需要综合比较与分析。

    1、最低耗油率航速

    船舶柴油机在正常工作时，主机功率的变化使燃油消耗率产生变化。船舶在稳定航行时，主机功率与主机转速的三次方成正比关系。理论上，船速与主机转速也成正比关系。由此，可以用下列公式表示耗油率。

    （1）

    其中，gc为动力装置的耗油率，单位为kg/h.kw;G为动力装置每小时的耗油量，单位为kg/h;P为主机有效功率，单位为kw。

    船舶在航行中会受到很多因素的影响，使船舶在不同航段不同时间段里所消耗的燃料产生变化，燃油消耗率gc也随之变化。当主机在耗油率最低的功率时，与之对应的船舶航速被称为最低耗油率航速。在最低耗油率航速下，船舶航行的经济性最好。

    2、最低燃油费用航速

    船舶在航行中，单位里程消耗的燃油量最小时，对应的燃油费用最小。此时船舶航速称为最低燃油费用航速，用公式可以表示为：

    （2）

    式中，gm为每海里燃油消耗量，单位为kg/n mile;G为动力装置每小时的耗油量，单位为kg/h; Vs为船舶航速，单位为n mile/h。

    理论状态下，主机的有效功率Pc与船舶航速Vs的三次方成正比关系，则主机功率可以用公式表示为：

    （3）

    式中A是常数。

    综合公式（1）（2）（3）可以得到油耗率、船舶航速以及单位里程耗油量之间的关系，如图1。

    图1 ?gc、gm随船舶航速Vs的变化曲线

    由图1可以看出gc、gm随着船舶航速呈现不同的曲线变化，两条曲线的最低点在不同的位置。由图1可以看出，船舶的耗油量并不是随船速变小而变小。图1中，存在着两个不同的速度使单位里程耗油量与耗油率最小。

    3、最高盈利航速

    船舶最高盈利航速是指船舶在进行运输任务中，产生营运费用最低的船舶航速。最高盈利航速需要考虑的因素很多，如船舶的燃料费用、船舶的运输成本、船舶每天分摊的利息、货物周转量等，应根据船舶大小、燃油价格、航线长度等综合考虑确定。

    上面几种航速根据侧重点的选择不同分别只实现了一个目标。船舶在营运中，影响成本的因素很多，本文仅从油耗量的控制上研究船舶节能航速。首先根据船舶实际执行的运输任务，定出船舶的约束条件，再确定出船舶航速的优化方案。通过船舶自身的试验，得出其性能参数，按照确定的方案，分析出船舶的最优主机转速或航速。

    节能航速的优化

    船舶在接到运输任务后，根据合同或具体时间要求，得出本次航运的计划时间。设定船舶航运时间不大于计划时间的前提下，优化船舶航行全程各航段的主机转速来调整船舶在该航段的船舶航速，达到每个航段油耗量最少，实现本次航程中船舶总体油耗量最少的目的。

    1、节能航速的优化方案

    由于航道的水流速度会给航速造成较大影响，因此将船舶整个航程按照不同航段的水流速度划分成若干个航段。通过调整船舶在各航段的主机转速来调节其在各航段的航速，使船舶所用的总时间不大于计划时间，又能保证在各航段内以此航速航行油耗量相对最少，达到船舶在整个航程里的总耗油量最少。

    根据航段水流速度将整个航程分为M段，每个航段的水流速度和航程分别用公式表示为D（i）和F（i），其中i在1到M间取值。

    每段航程可以用主机转速n（i）与航速S（i）以函数表示为：

    （4）

    每段航程的主机转速n（i）与单位时间的油耗量F（i）可以用函数表示为：

    （5）

    船舶在航行时的航速Sa（i）为船舶在静水中的航速S（i）加上或减去水流速度F（i），用公式可以表示为：

    （6）

    由（4）、（5）、（6）式可以将各航段的油耗量用公式表示为：

    （7）

    从而得到船舶在整个航程里的油耗量，表达式为：

    （8）

    上述公式油耗量的确定在以下三个条件下得出：（1）船舶总航程的时间不能超过合同或具体运输任务的时间要求;（2）船舶主机运行转速应在主机最高转速与最低稳定转速之间确定;（3）每段航程的航速应在整个航程的平均航速与船舶的最大速度间确定。

    2、节能航速的实现过程

    （1）通过对实船在不同转速下的单位时间油耗量和船舶静水航速值的研究，分析出它们之间的规律，从而得出它们之间的函数关系 f（n（i））与g（n（i））。

    （2）依据总航程中各航段水流情况，划分出若干航段，进行计算。对于划分的航段数，不宜过多也不宜过少。航段数过多，虽能更准确计算出所要结果，但工程量较大，操作起来相对麻烦;航段数过少，虽然操作起来较快，但不能达到理想的效果。航段数应结合具体实际情况进行划分。

    （3）对于航道中的水流速度，可以通过GPS或其它定位装置测得船舶在航道中的实际船速，再通过相同船舶指标情况下测得船舶在静水条件下的船速，两者进行计算得出航道中的水流速。

    （4）各航段内，船舶按不同主机转速工况在相应约束条件下得出耗油量和航行所需时间，分析得出各航段内的最优主机转速和最低耗油量。

    总结

    面对成本的升高，特别是燃料价格的攀升，航运企业纷纷想尽办法降低油耗，节省成本。在试验获得船舶自身性能的前提下，结合运输任务要求，综合考虑各种约束条件，通过上述合理的船舶航速优化方法，得出最优数据，应用到实船上，可以得到较理想的效果，对船舶耗油量的降低起到帮助。

    （作者单位：江西省庐山区地方海事处）