船舶降速航行的经济性和排放变化分析谢光明

2.2最佳航速的选择在具体的营运环境和经济条件下,采取不同的航速,船舶的营运经济效果是不一样的:过慢,则使船舶的周转慢而失去应有的收益;过快,虽然可以加速船舶的周转,增加营运收入,但由于燃油费用急剧上升,会得不偿失。船舶在设计时选定航速虽然也充分考虑了船舶的营运经济性,但通常只能在某个特定的营运环境及经济条件下考虑。而由于运输市场的不稳定性,船舶在实际使用过程中所处的营运环境和经济条件会经常变化,如航线的更改、货源充足程度的变化、港口装卸效率的提高、燃油价格的上涨等,这些都会影响船舶的营运经济性。这时就要通过改变船舶原有的航速来保证其营运经济性。因此,在实际营运过程中,要经常根据船舶的技术性能,结合当时的环境条件,研究其实际应该采用的最佳航速,以提高船舶的营运经济效果。2.2.1航速、主机功率、油耗量三者之间的关系船速、主机功率、油耗量三者之间的关系是在船舶设计时确定的船机浆之间的静态工况匹配关系基础上得出的一个重要关系式。他们间的参数式在推进装置船舶降速航行的经济性和排放变化分析工作时的运动学和功力学关系。并且船机浆三者在运行工况下的相互联系和相互制约,三者中任何一个特性变化,必然会影响其他两者的运转状态,从而引起配合工作特性的变化。船舶的正常航行是以螺旋桨推进特性进行的。螺旋桨吸收的功率与其转速的关系式是:𝑝𝑝=𝐶∙𝑛𝑝3(2.1)式中:𝑝𝑝一螺旋桨吸收功率;𝑛𝑝一螺旋桨转速。上式反映出螺旋桨运转特性,即浆的吸收功率弓与转速的三次方成正比。如果不计传动损失,螺旋桨的吸收功率就等于主机功率。这样,主机功率只与转速也是三次方关系,即:𝑝𝑒=𝑝𝑝=𝐶∙𝑛𝑝3(2.2)而从船舶营运的经济行角度分析,势必要将螺旋桨转速的特性转换成以船舶航速为变量的特性。船舶在稳定工况下正常航行时,螺旋桨产生的有效推𝑇𝑒(𝑇𝑒=𝐶𝑡∙𝑛𝑝2)和船舶航行阻力R(R=𝑎𝑅∙𝑉𝑠2)是相等的。故得:𝑎𝑅∙𝑉𝑠2=𝐶𝑡∙𝑛𝑝2(2.3)式中:𝑎𝑅一阻力系数;𝐶𝑡一推力系数;𝑉𝑠一船速。式中系数𝑎𝑅,𝐶𝑡之值是由船舶线型、尺度及航行状态决定,对己设计建造的船舶,其线型与尺度是已定的,当船舶的航行状态也保持一定时,此两系数可看作为常数。由此得出:𝑉𝑠=𝐶∙𝑛𝑝(2.4)(2.4)式说明,在一定条件下船舶航速与螺旋桨转速之间成直线关系。综合式(2.2)和式(2.4)可得知:以看出,在高速时,要增加一节航速比在低速时同样增加一节航速要求主机的功率要大的多。也就是说,高速性要花很大的功率代价,如图2.2中的曲线2。图2.2机浆特性配合图Fig.2.2Cooperationspecialitybetweenengineandpropeller曲线1为柴油机的外部工作特性曲线,曲线2为包含了某外界航行工况的船舶阻力特性曲线的螺旋桨推进特性曲线。因此,船机浆三者的特性配合变为了浆机两者的特性配合,特性曲线1与2的交点A既是机浆配合工作的平衡点,也是船浆机共同配合的平衡工作点。在该外界航行工况下,船舶工作在相当于A点的𝑝𝑅~𝑉𝑠,螺旋桨工作在相应于A点的𝑃𝑝~𝑛𝑝,而柴油机则工作在相当于A点的𝑃𝑒~𝑛𝑒[8,9]。通过上述推导主机功率与船速之间关系的过程,可以更深了解船舶航行时船机浆之间的内在联系。实际上,主机功率与船速之间存在下面的更确切关系等式:𝑃𝑒=∆23∙𝑉𝑠3𝐶𝑒(2.6)式中:𝑃𝑒一主机持续功率(kw)∆一船舶排水量(T)𝑉𝑠一船速(kn)𝐶𝑒一海军常数(远洋船舶约为200一300)当船型、主尺度和航速相近、机器类型相同、传动方式和螺旋桨的数目相同时,海军常数𝐶𝑒基本相同。同一艘船航速改变前后形状、大小、排水量相等,所以𝐶𝑒几乎是相等的。由式(2.6)可改为:𝑉03𝑃𝑒0=𝑉𝑠3𝑃𝑒(2.7)式中:𝑉0一改变前航速𝑃𝑒0一改变前功率𝑉𝑠一改变后航速𝑃𝑒一改变后功率改变航速后的主机功率为:𝑃𝑒=𝑃𝑒0(𝑉𝑠𝑉0)3(Kw)(2.8)改变主机功率后的航速为:𝑉𝑠=𝑉0∙√𝑃𝐸𝑃𝑒0(kn)(2.9)改变航速后航距S(海里)的燃油消耗量为:𝐺2=𝑔𝑒∙𝑃𝑒∙𝑆𝑉𝑠×10−3(kg)(2.10)式中:𝐺2一改变航速后的耗油量(kg);𝑔𝑒一燃油消耗率(𝑔𝑘𝑤∙ℎ⁄);S一航行距离(nmile)。2.2.2船舶航速由于螺旋桨所消耗的功率约与转速的立方成正比,故航速的少量降低便可节省大量的燃油消耗。但是并非航速越小越经济,因为船舶的运输费用除了燃料费用外还有其它费用。而且对于一定航线的船舶由于航速降低,航行时间增加,运输效率下降,可能使经济效益减少。所以应根据具体情况确定某船舶的最佳航速。从不同角度考虑,可得到满足不同要求的相应航速。所以如何选择最佳航速是关键。而船舶的航速有一下三种:1、设计航速船舶设计时,由设计任务书确定船舶主尺度和航速。这时设计工程师面临两类问题:一类是航速已确定,要求选择螺旋桨的基本参数要能达到任务书对航速的规定而消耗的主机功率最小,从而选定主机功率和转速;另一类型是主机型号已经选定,要求设计螺旋桨的基本要素,当耗去主机全部功率与满足主机转速条件下,使船舶达到最大航速船舶设计航速要通过航速试验加以验证。如果试航的实际航速达到设计航速,主机达到额定功率与额定转速,说明螺旋桨与主机匹配良好,主机可以在额定工况下长期运转,否则对螺旋桨基本参数或主机运行转速作某些修正。一般记录在船舶试航技术文件中,作为轮机管理的依据。2、经济航速所谓营运船舶的经济航速,是指船舶在营运中有利于降低成本提高收益的航速,常用以下2种概念:l)最低耗油率航速主机工作在推进特性下,其耗油率ge随转速而变化,如下图2.3所示。图2.3ge随主机功率变化的特性曲线Fig.2.3Thecharacteristiccurveabout𝑔𝑒.WiththechangeofthemainenginePower耗油率g。最低时所对应的航速,称为最低耗油率航速。显然柴油机在最低耗油率时运行其经济性最好,所以最低耗油率航速是经济航速。若柴油机在航行时经常处于较高负荷工作,应尽量使用最低耗油率航速。2)最低燃油费用航速船舶每航行一海里动力装置消耗的燃料,称为每海里航程燃油消耗量,即𝑔𝑚=𝐺𝑉𝑠(2.11)式中:𝑔𝑚一每海里燃油消耗量(𝑘𝑔𝑛⁄mile)G一动力装置每小时燃油消耗量(𝑘𝑔ℎ⁄)𝑉𝑠一船速(kn)𝑔𝑚随航速变化的曲线如图2.4所示:图2.4𝑔𝑚𝑔𝑒随转速变化Fig.2.4thecurveaboutthechangeof𝑔𝑚𝑔𝑒withthespeed𝑔𝑚最小时所对应的航速,称为最低燃油费用航速。对一定的航程其燃油费用最少,所以亦称为经济航速。进一步分析,当船舶负荷一定时,主机的有效功率P。与船速v,的三次方成正比,即:(2.12)又因为故:式中:𝑃𝑒一主机有效功率(kW),A一常数由式2.13可知,每海里燃油消耗量与航速的平方成正比,在低速航行时虽然𝑔𝑒会增大,而𝑔𝑚则降低。船舶保持𝑔𝑚为最小时的航速成为经济航速。在不受货期约束时,按经济航速航行可以降低货运成本。但应注意,这里的经济航速并非时最大盈利航速,欲获得船舶的最大盈利航速,还需要考虑船的折旧费、客货的周转量、运输成本及利润等因素。不同的航区和不同的船种将有其相应的最大盈利航速,需要通过调研统计加以分析才能确定。式2.12表明:当船舶负荷不变时,主机功率与航速三次方成正比,主机燃油消耗与航速的关系亦按比例变化,即航速的小幅减小可以大幅度降低主机功率与燃油消耗量。目前国内外航运、造船界,对高航速的追求不再象传统的那样热衷了,而主张适当降低航速,使相同装载量的船舶主机功率大幅度降低,达到节油的目的。3、盈利航速盈利航速是指使船舶获得最佳盈利效果的运营航速。在实际营运中,船舶不仅要降低每日营运成本,而且需要提高每日的盈利水平。如果只考虑降速节省燃油费用的支出,结果会使船舶延长航次时间,错过市场获利机会,使相同时间内减少航次数,影响盈利水平。但是,如果置燃油费用上涨而不顾,始终以尽可能高的航速去运载货物,结果盈利水平不一定理想。所以根据燃油价格和货运市场状况。存在着使用不同航速以获得盈利的情况。其中,能使船舶获得最大盈利的航速就是盈利航速,也就是船舶的最佳航速。提高平均航速,有助于提高船舶运输生产效率,处理好经济航速和盈利航速之间的关系,将有助于提高船舶运输生产的经济效益。船舶航速的选择是有界限的,上限不能超过主机额定功率所达到的最高航速,下限不能低于主机最低稳定转速下的航速。中间还存在主机临界转速范围,任何情况下都不得长时间运行在临界转速范围内,该转速范围内会引起主机和船体的强烈振动,并对主机造成恶劣得损伤。2.2.3经济航速和盈利航速的计算和分析航速的变化涉及燃油费用和载货能力利用程度的变化,对成本和收益产生直接的影响。但是,由于船舶运营的航次成本与收益同众多的具体内容相关,所以要精确地运用数学方法去计算经济航速和盈利航速还是有相当困难的,下述方法可供参考。2.2.3.1经济航速的计算及分析1)如以节省燃油费用为目的,运用航速与主机功率、耗油率之间的相关关系资料确定单位航行距离油耗量最小的经济航速。当运力过剩,且不管船舶营运船舶降速航行的经济性和排放变化分析与否,其固定成本都无法降低时,只能采用节省燃油费用来降低航次成本的措施来提高营运效果I'0j。此经济航速,亦称最低耗油率航速。2)如以船舶每航行天维持成本最低为目标,确定经济航速,方法如下:(2.14)式中:𝐾𝐻一船舶每航运天维持成本'(元/天)f一船舶每航行天固定成本(元/天)𝐹𝑠𝑑一船舶每航行天燃油费用(元/天)设船舶柴油机的有效功率为𝑃𝑒(kw),把润滑油消耗折合进去的柴油机单位耗油率为𝑔𝑒(𝑔𝑘𝑤⁄∙ℎ),当时的燃油价格为𝐶𝑓(元/吨),则𝐹𝑠𝑑为:(2.15)利用海军常数公式:(2.16)可得:(2.17)代入式（2.15），得：（2.18）令：（2.19）k称为船舶机能系数。利用船舶机能系数k,船舶每航运天维持成本偏可表示为:𝐾𝐻=𝑓+𝑘𝑉𝑠3(2.20)若航船以航速𝑉𝑠(nmile/h)航行,速度增减值为c(损失取负值,增加取正值),则一天的航行距离为24(Vs+c)(nmile)。结合式(2.20),可得船舶航行一海里所需要得费用𝑆𝑛;(2.21)就上式(2.21)对Vs求导:(2.22)令，使得经济航速𝑉𝑒满足：（2.23）如果不考虑速度得增减值(即假定c=0),则经济航速公式可简化为:(2.24)从式(2.24)可以看出,经济航速代主要取决于船舶机能系数k和船舶每天得固定费用。k值越大,𝑉𝑒值越低;k值越小,𝑉𝑒值也越低。而k值又取决于燃油价格𝐶𝑓、船舶排水量∆和柴油机单位耗油率𝑔𝑒等,其中可变得主要是𝐶𝑓。f则取决于船舶造价、折旧年限、修理费用和船员工资等。Ve也受速度增减值c的影响。如果C为正值,𝑉𝑒值则可低些,如果c为负值,𝑉𝑒值要高些。和国外相比,由于我国船舶的折旧年限较长,年折旧率较低,且船员工资较低,故f值相对要小,从决定了我国船舶的经济航速要比国外船舶要低。另外,根据式(2.24)可以得出.,采用经济航速时,每天的燃油费用,即每天的燃油费用等于每天固定费用之半,由此可见,如果油价提高,每天的燃油费用超过固定费用之半,经济航速就要降低;如果油价降低,经济航速便应提高,这样才能取得最低的航行费用。因此,经济航速𝑉𝑒的经济意义就在于:在一定的油价(决定燃油费用)和一定的固定费用下,有一个成本最低的经济航速,而不是速度越慢越经济。从经济航速的实际含义及确定方法的推导过程中,我们假定的是,若采用经济航速而延长航次时间造成航行天数的增加,仅影响到航次固