夏敬停

（上海市港航事業(yè)發(fā)展中心 ，上海 200002）

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)低碳環(huán)保的重視，船舶運(yùn)輸可持續(xù)海運(yùn)已成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，而船舶能效管理則是降低船舶能耗和碳排放、推動(dòng)海洋運(yùn)輸可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

船舶能效管理，是指在船舶運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，采取一系列措施和方法，以提高船舶的能源利用效率和環(huán)境保護(hù)效果。其背景和意義可以從以下3個(gè)方面進(jìn)行解讀。

1）從環(huán)保的角度看，船舶能效管理是降低船舶碳排放和能源消耗的有效手段[1]。隨著全球氣候變化和環(huán)境問(wèn)題的不斷加劇，減少碳排放和能源消耗已成為各行業(yè)的共同責(zé)任。海洋運(yùn)輸行業(yè)作為全球碳排放和能源消耗的重要來(lái)源，采取船舶能效管理措施，對(duì)于減少碳排放和能源消耗具有重要意義。

2）從經(jīng)濟(jì)的角度看，船舶能效管理可以提高船舶運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)優(yōu)化船舶設(shè)計(jì)、使用節(jié)能設(shè)備、改進(jìn)航行操作等措施，可以降低船舶運(yùn)營(yíng)成本，提高船舶運(yùn)輸?shù)母?jìng)爭(zhēng)力和盈利能力。

3）從安全的角度看，船舶能效管理可以改善船舶的安全性能。通過(guò)排放控制技術(shù)和航行操作改進(jìn)等措施，可以減少船舶事故的發(fā)生，提高船舶運(yùn)輸?shù)陌踩院涂煽啃浴?/p>

船舶能效管理的具體措施和方法主要有如下4點(diǎn)。

1）優(yōu)化船舶設(shè)計(jì)。采用更加先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，提高船舶的能源利用效率和環(huán)境保護(hù)效果。如，采用節(jié)能船型、優(yōu)化船舶動(dòng)力系統(tǒng)、使用環(huán)保材料等[2]。

2）使用節(jié)能設(shè)備。采用高效、低能耗的設(shè)備和系統(tǒng)，提高船舶的能源利用效率。如，使用節(jié)能燈具、空氣源熱泵等節(jié)能設(shè)備，以及廢氣中的能源回收。

3）改進(jìn)航行操作。采用更加科學(xué)的航行策略和操作方法，降低船舶的能源消耗和碳排放。如優(yōu)化航線規(guī)劃、減少不必要的?？?、提高航速控制等[3]。

4）排放控制技術(shù)。采用先進(jìn)的排放控制設(shè)備和系統(tǒng)，減少碳排放。如使用洗滌塔、過(guò)濾器等設(shè)備以及采用碳捕獲和儲(chǔ)存技術(shù)等。

總之，船舶能效管理能夠迅速推動(dòng)海洋運(yùn)輸行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4]。通過(guò)優(yōu)化船舶設(shè)計(jì)、使用節(jié)能設(shè)備、改進(jìn)航行操作和排放控制技術(shù)等具體措施和方法，可以降低船舶的能源消耗和碳排放，提高船舶運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)效益和安全性能。同時(shí)，也可以為海洋運(yùn)輸行業(yè)帶來(lái)更加清潔、可持續(xù)的發(fā)展模式，為全球環(huán)境保護(hù)事業(yè)作出更大的貢獻(xiàn)。

1 船舶能效管理總體設(shè)計(jì)

本文通過(guò)分析來(lái)調(diào)整和優(yōu)化船舶航態(tài)，使用能效管理儀能夠顯著減少航行阻力，提高船舶能效，從而降低運(yùn)營(yíng)成本。其原理是利用一系列傳感器和測(cè)量設(shè)備對(duì)船舶速度、航向、水流動(dòng)態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出實(shí)際航態(tài)，并智能調(diào)整和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)航行阻力的降低。能效管理儀因其價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單、效果顯著等優(yōu)勢(shì)，將在未來(lái)的船舶運(yùn)輸領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

1.1 船舶CFX 阻力模型

船舶在航行時(shí)，會(huì)受到水流的阻力，為了獲取船舶在各種吃水條件下的阻力，需要對(duì)其進(jìn)行阻力模型計(jì)算（Computational Fluid Dynamics eXtreme，CFX）。CFX是一種計(jì)算流體力學(xué)軟件，能夠模擬流體在物體表面產(chǎn)生的效應(yīng)。通過(guò)CFX阻力模型計(jì)算，可以得出船舶在不同航速下的阻力值，為船舶的設(shè)計(jì)提供重要參數(shù)[5]。船舶CFX阻力模型計(jì)算主要涉及2個(gè)方面的內(nèi)容，即模型的建立和數(shù)值計(jì)算。通過(guò)對(duì)船舶CFX阻力模型進(jìn)行計(jì)算，可以得出船舶在不同航速下的阻力值，并分析其與速度的關(guān)系。模型見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算船舶船體模型

然而，以下是CFX模擬阻力的根據(jù)，根據(jù)動(dòng)量定理：

則有：

由伯努利方程：

1.2 船舶CFX 阻力輸出

建模完成后，將所得到整船的阻力數(shù)據(jù)與船舶能效管理系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接。

2 燃油情況實(shí)時(shí)監(jiān)控

通過(guò)在油艙進(jìn)口、主機(jī)進(jìn)油口和輔機(jī)進(jìn)油口安裝流量計(jì)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加油量和燃油消耗狀況，建立燃油管理檔案，全面了解加油量和實(shí)時(shí)油耗、日油耗等狀況，為掌握船舶能效狀況提供數(shù)據(jù)支持[6]。

2.1 信號(hào)輸入需求分析

以船舶燃油系統(tǒng)、主推進(jìn)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、船舶的航速及船舶的四角吃水為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)整船的動(dòng)力系統(tǒng)以及動(dòng)力系統(tǒng)，來(lái)分析船舶自身的阻力特性匹配情況。

2.2 信號(hào)基本屬性

根據(jù)信號(hào)來(lái)源不同，檢測(cè)燃油流量的有主機(jī)、發(fā)電機(jī)組、鍋爐等等燃油設(shè)備[7]；針對(duì)上述設(shè)備，結(jié)合常用的信號(hào)采集設(shè)備，如表1所示，將主推進(jìn)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)分為脈沖信號(hào)和電壓信號(hào)。

表1 信號(hào)列表

主機(jī)轉(zhuǎn)速類(lèi)信號(hào)通常是由安裝在推進(jìn)軸或者飛輪等設(shè)備上的霍爾傳感器進(jìn)行采集，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾傳感器會(huì)輸出若干TTL 脈沖信號(hào)[8]。

2.3 信號(hào)通道統(tǒng)計(jì)

信號(hào)通道的數(shù)量和類(lèi)型對(duì)于后面的硬件選型具有重要的影響，因此需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)通道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[9]。結(jié)合研究對(duì)象的特點(diǎn)和傳感器信號(hào)的基本屬性可知，主推進(jìn)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)根據(jù)信號(hào)類(lèi)型可分為脈沖信號(hào)和電壓信號(hào)[10]，通道數(shù)量分別為18個(gè)和5個(gè)。信號(hào)通道統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 信號(hào)通道統(tǒng)計(jì)

2.4 數(shù)據(jù)采集硬件選型

通過(guò)對(duì)虛擬能效管理系統(tǒng)的需求分析，要完成對(duì)整個(gè)能效系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行輸出一共需要23個(gè)通道，其中18個(gè)數(shù)字輸出通道和5個(gè)模擬輸出通道[11]。經(jīng)過(guò)大量的文獻(xiàn)查閱和設(shè)備調(diào)研，選用表3所示的硬件開(kāi)發(fā)虛擬能效管理，下面將對(duì)各個(gè)模塊逐一進(jìn)行介紹和可行性論證。

表3 虛擬機(jī)艙硬件

2.5 信號(hào)輸出控制模塊

2.5.1 CompactRIO簡(jiǎn)介

CompactRIO開(kāi)發(fā)平臺(tái)可通過(guò)圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW的驅(qū)動(dòng)[12]，CompactRIO可以實(shí)現(xiàn)一系列功能，可采集數(shù)據(jù)。NI CompactRIO系統(tǒng)整體構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 CompactRIO 系統(tǒng)架構(gòu)

2.5.2 實(shí)時(shí)控制器

實(shí)時(shí)控制器（Real-Time Cotrol，RT）以其強(qiáng)大的雙核處理器和智能優(yōu)化的能力，成為L(zhǎng)abVIEW 實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的理想選擇[13]。憑借1.3 GHz的主頻，RT能夠高效地處理各種復(fù)雜任務(wù)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。其內(nèi)置的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real-Time Operating System，RTOS）將計(jì)算機(jī)的硬件資源管理分配得非常合理，不僅擁有高精確的定時(shí)功能，還具有極強(qiáng)穩(wěn)定可靠性[14]。

其基本構(gòu)造見(jiàn)圖3。

圖3 實(shí)時(shí)控制器

2.5.3 可重配置FPGA機(jī)箱

可重構(gòu)的FPGA機(jī)箱是CompactRIO系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)[15]。FPGA憑借著40 MHz的板載時(shí)鐘，可以完成精確的定時(shí)運(yùn)算[16]。此外，機(jī)箱提供了大容量可編程邏輯陣列，讓您可以根據(jù)需求自由地重構(gòu)系統(tǒng)。FPGA機(jī)箱見(jiàn)圖4。

圖4 可重配置FPGA 機(jī)箱

2.5.4 I/O模塊

CompactRIO機(jī)箱的I/O模塊樣式繁多[17]，包括熱電阻電容模塊；±10 V同步采樣模塊；24 V數(shù)字差分模塊；TTL數(shù)字輸入模塊；IEPE加速度計(jì)模塊；RTD測(cè)量模塊以及功率測(cè)量模塊等[18]。I/O模塊見(jiàn)圖5。

圖5 I/O 模塊

3 能效管理系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算

3.1 船舶能效管理系統(tǒng)登錄及主控界面

依托前述建立的船舶油耗關(guān)于航速、航態(tài)（或壓載載況）的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)相關(guān)優(yōu)化算法集成該數(shù)學(xué)模型，基于單航次求解油耗最低的浮態(tài)與航速；同時(shí)借助船舶姿態(tài)傳感器[19]，實(shí)時(shí)調(diào)整及檢測(cè)船舶姿態(tài)；借助流量傳感技術(shù)建立船舶燃油管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的油量，便于形成航次油耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與燃油管理。將上述各功能集成于能效管理儀中，并在駕控臺(tái)實(shí)時(shí)顯示?？刂葡到y(tǒng)集成在控制柜中，在控制柜的上方，設(shè)有一塊觸摸屏，可輸入必要的參數(shù)，同時(shí)顯示實(shí)時(shí)船舶狀況、油耗情況等[20]。能效管理儀主要界面見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 登錄界面

圖7 主控界面

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

在不同縱傾值和螺旋槳的轉(zhuǎn)速條件下來(lái)計(jì)算船舶阻力[21]，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行組合式計(jì)算，得到下表4及圖8。

表4 不同工況的船舶推力

圖8 不同航速與縱傾角下船舶總阻力系數(shù)

4 實(shí)船驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證效果，在“集海之明”輪上安裝的主機(jī)進(jìn)油口和輔機(jī)進(jìn)油口加裝流量計(jì)作為試驗(yàn)[22]。構(gòu)建數(shù)值計(jì)算分析平臺(tái)，模擬船舶快速性與營(yíng)運(yùn)能耗，建立能耗與航速及航態(tài)的數(shù)學(xué)模型[23]，確定目標(biāo)船舶航次最佳航態(tài)；安裝能效管理儀，營(yíng)運(yùn)時(shí)船舶以最佳縱傾航行，阻力減小，從而實(shí)現(xiàn)燃油消耗的降低[24]。通過(guò)能效管理儀指導(dǎo)日常營(yíng)運(yùn)，可實(shí)現(xiàn)航次燃油消耗至少降低3%。2018年11月19日初步完成船上安裝調(diào)試，調(diào)配高精度流量計(jì)，優(yōu)化能效管理儀，進(jìn)入試運(yùn)行。2019年3月14日至3月16日，“集海之明”船航行南京到洋山，航次油耗4.895 t，2019年3月17日洋山港出發(fā)時(shí)，航速一度達(dá)到12.4 kn（之前該船歷史航速?gòu)奈赐黄?2.0 kn）。通過(guò)能效管理儀，調(diào)整最佳航態(tài)，有效減少航行阻力，效果明顯。試運(yùn)行首航次燃油消耗跟歷史油耗數(shù)據(jù)相比，可實(shí)現(xiàn)節(jié)油8%以上。首航次燃油消耗與歷史油耗數(shù)據(jù)比較見(jiàn)表1?！凹Ｖ鳌贝苄x項(xiàng)目研發(fā)及設(shè)備投入共30.5萬(wàn)元，月耗油量按60 t計(jì)，全年耗油按700 t計(jì)，1年節(jié)油35 t，合金額22.75萬(wàn)元，基本在16個(gè)月就能收回成本。年減少碳排放111.47 t的CO2。按5年周期算，節(jié)約油料175 t，合金額113.75萬(wàn)元，減少的碳排放量為557 t的CO2。按10年周期算，節(jié)約油料350 t，合金額227.5萬(wàn)元，減少的碳排放量為1 114.7 t的CO2，有效實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能減排。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)船舶能效提升技術(shù)的研究，并系統(tǒng)化集成，無(wú)需更改船體結(jié)構(gòu)，不會(huì)帶來(lái)任何安全隱患；通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，并應(yīng)用到船舶營(yíng)運(yùn)實(shí)踐中，有效實(shí)現(xiàn)能效提升，節(jié)省燃油，增強(qiáng)船舶盈利能力。項(xiàng)目投資少，見(jiàn)效快，節(jié)能環(huán)保，符合時(shí)代發(fā)展主題，應(yīng)用前景十分廣闊。項(xiàng)目具有可復(fù)制、可推廣的示范性，值得業(yè)內(nèi)借鑒和推廣運(yùn)用。