朱鵬飛　艾萬政　張亮

【摘 要】 為研究船舶縱傾優(yōu)化節(jié)能策略，應對能源、環(huán)境問題和低迷的航運市場，實現節(jié)能減排，以船舶縱傾優(yōu)化技術為研究對象，通過分析優(yōu)化原理和優(yōu)化方法，提出采取經濟航速、合理設定船舶縱傾角度、在優(yōu)化狀態(tài)下合理操船等措施船舶縱傾優(yōu)化節(jié)能策略。

【關鍵詞】 水路運輸;節(jié)能減排;船舶縱傾;船舶阻力

0 引 言

近年來全球溫室效應日趨嚴重，二氧化碳是導致溫室效應的主要氣體。航運業(yè)二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物的排放量分別約占全球排放總量的3%、14%～15%、16%。為此，國際海事組織（IMO）已經制定了以節(jié)能減排為重要內容的技術性國際海運條例。隨著全球航運市場行情低迷、競爭日益激烈，航運公司為降低運營成本紛紛采取節(jié)能減排措施。

縱傾優(yōu)化是船舶節(jié)能減排的方法之一，IMO船舶能效管理計劃認為，船舶縱傾優(yōu)化是運營中的船舶最有效的節(jié)能減排方式。船舶縱傾優(yōu)化的節(jié)能效果受到船型、排水量、航速和吃水差等因素的影響，在實際應用中應采取相應的策略，不可盲目操作。本文分析縱傾優(yōu)化原理和方法，提出船舶縱傾優(yōu)化最佳策略，為船舶最佳縱傾操作提供依據，實現節(jié)能減排的目的。

1 船舶縱傾優(yōu)化節(jié)能原理

船舶縱傾優(yōu)化節(jié)能技術是指在不改變船舶吃水深度和航速的情況下，通過調節(jié)船舶縱傾角度使船舶航行阻力最小，并通過調整船舶阻力與所需功率的比例，達到控制燃油消耗、節(jié)能減排的目的。

船舶縱傾優(yōu)化的重點在于調節(jié)船舶縱傾角度，使船舶處于艏傾或艉傾而無橫傾的漂浮狀態(tài)。船舶可以通過調節(jié)船舶吃水差來控制縱傾角度。影響船舶吃水差的因素主要有裝載的貨物、燃油、淡水和壓載水等在船舶縱向上的布置，因此可通過裝卸和移動船上的貨物，加載或排放壓載水，調節(jié)燃油、淡水的儲存位置，使船舶浮心偏離原來船舶正浮時的浮心位置，產生縱傾力矩，使船舶縱向轉動，從而產生吃水差。

船舶縱傾優(yōu)化可以減少船舶航行時產生的阻力，從而實現節(jié)能減排的目的。船舶航行時產生的船體阻力主要包括摩擦阻力和剩余阻力。摩擦阻力主要是船舶在航行時由于水具有黏性而沿船舶濕表面產生的切應力。摩擦阻力的大小主要與船舶的濕表面積、船速和船體表面粗糙度等因素有關。剩余阻力分為渦流阻力和興波阻力，渦流阻力產生于船舶航行時黏性流體流經船體表面時引起艏艉壓力差;興波阻力產生于航行中興起的波浪。船舶在低速航行時，剩余阻力較小，摩擦阻力占船體阻力80%以上;船舶高速航行時，剩余阻力增大，摩擦阻力占船體阻力的60%左右。

船體的縱傾改變對船舶的水線面形狀、水線長度和濕表面積有非常明顯的影響。根據國際拖曳水池協(xié)會（ITTC）的KCS集裝箱船（ 3 600 TEU，垂線間長230 m，型寬32.2 m，設計吃水10.8 m，設計航速24 kn）船模水池試驗的數據，縱傾角度變化對水線長度和濕表面積的影響見圖1（圖中艏傾時縱傾角度為負，艉傾時縱傾角度為正）。

由圖1可知，調節(jié)船舶縱傾角度可以改變船舶水線長度和濕表面積，以達到減少摩擦阻力的目的。

調節(jié)船舶縱傾角度，可調整球鼻艏入水角度和尾封板的入水程度。合理的縱傾角度，可以改善球鼻艏對興波的壓制效果，減小尾封板入水面積，減小興波，改善尾流場，從而降低剩余阻力。船舶縱傾角度直接影響船舶推進器和舵葉的入水深度，合理的縱傾角度可以提高推進器的效率，達到控制燃油消耗、提高能效的目的。

目前對于船舶縱傾優(yōu)化的研究方法主要有實船試驗、船模水池試驗和數值計算等方法。目前國內外試驗數據和數值計算結果證明，合理使用船舶縱傾優(yōu)化技術可以起到明顯的節(jié)能減排效果。

2 船舶縱傾優(yōu)化的優(yōu)點

船舶節(jié)能減排的措施主要有降低船舶阻力、提高推進效率、優(yōu)化系統(tǒng)配置、使用節(jié)能設備和使用新型能源等。對于營運中的船舶而言，進塢改裝船舶設備、加裝輔助設備、更改動力設備系統(tǒng)等將嚴重影響船舶營運周期，而采用船舶縱傾優(yōu)化技術則不需要改變船體結構，不需要安裝任何輔助設備，在不降低船舶載質量和船速的前提下，僅需調節(jié)貨物、燃油、淡水和壓載水的縱向布置，便可實現減小船舶阻力、提高推進效率，從而達到節(jié)能減排的目的。

可見，對于營運中的船舶而言，船舶縱傾優(yōu)化技術是一種最經濟、便利的節(jié)能減排技術，具有成本低、易實現、效果佳的優(yōu)點。

3 船舶縱傾優(yōu)化策略

3.1 合理采用經濟航速

過快的航速將導致船舶航行阻力增加和主機消耗功率過大，將消耗更多的燃料，增加營運成本和污染物排放，沒有縮短船期要求的船舶應采用合理經濟航速航行。

在采用經濟航速的基礎上應用船舶縱傾優(yōu)化技術，可以進一步降低航行阻力，提高推進器效率，不僅會適當增加航速，而且節(jié)能減排效果和經濟效益更加明顯。

3.2 合理設定船舶縱傾角度

船舶縱傾角度不可僅憑操船經驗設定，船舶縱傾優(yōu)化的效果與船型、船舶吃水深度、船速、裝載狀況等因素有關。縱傾角度的設定應有針對性，否則可能產生負面效果，無法達到節(jié)能減排的目的。船模試驗和數值計算結果顯示：狹長型和高速船舶（如KCS集裝箱船）在滿載狀況下保持艉傾約0.84笆弊萸閿嘔Ч羆?；大卸d統(tǒng)笮痛埃ㄈ繽螄浼都跋浯⑸⒒醮陀痛齲┍3忠歡ǖ聶記憬嵌仁弊萸閿嘔Ч羆選1]

對各種條件下的相同或相近船型應進行船模試驗或數值計算，將試驗數據與計算結果代入優(yōu)化算法，以最小阻力為目標，綜合考慮航線、穩(wěn)性、強度安全等因素作為實際操作中的參考值，或編寫船舶縱傾優(yōu)化軟件，這樣可以提高船舶縱傾優(yōu)化的效果。馬士基集團已經建立了船舶運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，其中就包括船舶縱傾優(yōu)化工具。

3.3 合理調整船舶縱傾狀態(tài)

船舶縱傾狀態(tài)的調整方式包括靜態(tài)調整和動態(tài)調整。

靜態(tài)調整指在保證船舶有足夠強度和吃水深度的前提下，船舶裝載貨物和加裝燃油、淡水、壓載水時，根據船舶縱傾優(yōu)化計算結果調整船舶吃水差，使船舶處于最優(yōu)縱傾狀態(tài)。

動態(tài)調整指船舶航行過程中，在靜態(tài)調整的基礎上根據海況、燃料和淡水消耗情況、船舶航行時產生的下沉和縱傾角度變化，根據伯努利原理通過調整壓載水來調節(jié)船舶的縱傾角度，實現縱傾優(yōu)化。

在淺水區(qū)航行時船舶會受到淺水效應影響，降速明顯，下沉量和艏傾值增加，進行縱傾優(yōu)化動態(tài)調整會產生航行風險。因此，動態(tài)調整應避免在淺水區(qū)進行。

3.4 在優(yōu)化狀態(tài)下合理操船

船舶在進行轉向和旋回時重心和漂心將前移，若縱傾優(yōu)化后船舶處于艏傾狀態(tài)，將增加船舶的旋回縱距和旋回橫距，并對滯距和反移量產生影響，此時應提前操舵。根據萬箱級集裝箱實船試驗結果，在艏傾1 m后，船舶的旋回性能變差，應舵性變慢，操右舵10笆保？5 s后船舶開始有反應，后船舶開始轉動?？梢?，在船舶縱傾優(yōu)化后操縱船舶進行轉向和旋回時應早用舵，嚴格遵守“早、大、寬、清”的操船原則。

參考文獻：

[1] 杜建軍.萬箱船縱傾優(yōu)化與節(jié)能[J].航海技術，2016（2）：27-29.