劉伊凡, 張躍文, 孫培廷, 劉竹風(fēng)

(大連海事大學(xué) 輪機工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026)

船舶推進系統(tǒng)能量耗散建模與分析

劉伊凡, 張躍文, 孫培廷, 劉竹風(fēng)

(大連海事大學(xué) 輪機工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026)

建立船舶推進系統(tǒng)能量耗散分析模型，運用仿真的方法對船舶推進系統(tǒng)整個航次內(nèi)的能量耗散進行研究。通過對推進系統(tǒng)能量傳遞過程進行分析，將能量耗散因素分為固定能量消耗和額外能量消耗；分別對坐標系、環(huán)境模型、船體運動和推進系統(tǒng)進行研究，建立推進系統(tǒng)能量分析模型；結(jié)合歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Centre for Medium Range Weather Forecasts, ECMWF)的氣象信息,對目標船在新加坡—香港航線上的航行過程進行仿真研究。計算實例顯示：在輕浪海況、主機設(shè)定負荷為70%時，推進系統(tǒng)固定能量消耗所占比例為86.7%～89%，主要受航速影響；額外能量消耗占11%～13.3%，受海況、操舵及航線綜合影響。利用該模型對不同航線進行分析，可預(yù)報航期，并對航線中導(dǎo)致能耗升高的因素進行分析，為優(yōu)化航線設(shè)計提供依據(jù)。

船舶推進系統(tǒng)； 能量耗散； 航次仿真； 航線能效分析

Abstract: To analyze the energy consumption of a ship propulsion system on a voyage basis, a simulation method is proposed. The energy consumption is divided as the basic part and the extra part according to the energy transfer process analysis. The coordinate system, the environment model, the ship motion and the propulsion system are studied and the energy consumption model is built. The propulsion system behavior on the Singapore-HongKong route with application of meteorological information from European Centre for Medium Range Weather Forecasts (ECMWF) is simulated and analyzed with the model. The simulation shows that in smooth sea state and 70% engine load, the basic part of energy consumption ranges from 86.7% to 89% depending mainly on the speed, and the extra part of that varies between 11% and 13.3% according to the combination of the sea state, the ship maneuvering and the route design. This model can be used to analyze voyage routes, forecast the shipping date, and identify the factors that lead to higher energy consumption so as to find the way to optimize the route design.

Keywords: ship propulsion system； energy consumption； voyage simulation； energy efficiency analysis of route

船舶燃油消耗是能量消耗的過程，存在于船舶營運的各個方面(如推進系統(tǒng)、照明、供熱、通風(fēng)及空調(diào))，其中最主要的是船舶推進系統(tǒng)消耗的能量。[1]為提高船舶能效，減少燃油消耗和CO2排放，相關(guān)企業(yè)及科研院所等已展開相關(guān)研究，通過對船舶能效狀態(tài)進行分析，尋求提高船舶營運效率的方法。

船舶實際航行過程中的能效狀態(tài)不僅受自身能效水平的影響，而且受環(huán)境干擾力、漂角及操縱等其他復(fù)雜因素的影響。[2]為研究船舶推進系統(tǒng)運行過程中的能量耗散過程，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)、目標船的設(shè)計參數(shù)(船體型線圖、主機型號、螺旋槳設(shè)計參數(shù)及舵設(shè)計參數(shù))、試驗數(shù)據(jù)(船模試驗、試航報告及螺旋槳敞水試驗)及目標航線，在球面坐標系下對船舶的整個營運過程進行動力學(xué)仿真，并據(jù)此對推進系統(tǒng)能量消耗過程進行研究。

1 船舶能量耗散影響因素

在船舶營運過程中，為克服船體受到的阻力，主機在調(diào)速器的作用下輸出軸功率，經(jīng)過傳動軸，由螺旋槳將旋轉(zhuǎn)的能量轉(zhuǎn)換為推進的能量，推動船舶前進[3];同時,操作舵機使船舶按照設(shè)定的航線航行。在此過程中，推進系統(tǒng)能量耗散分為以下2部分：

1) 螺旋槳及軸系的能量傳遞損耗、靜水阻力造成的固定能量消耗。

2) 環(huán)境風(fēng)和浪干擾導(dǎo)致的阻力、偏移力及為保持航線造成的額外能量消耗。

影響推進系統(tǒng)固定能量消耗的因素包括：主機效率、傳動效率、推進效率及船體和螺旋槳的清潔情況等。當船舶推進系統(tǒng)的能效水平一定時，航速設(shè)計直接影響推進系統(tǒng)固定能量的消耗。影響額外能量消耗的因素有：風(fēng)、浪、流等對船體受力的影響、船舶操縱及漂角導(dǎo)致的水動力等。由于這些力的大小與船舶的幾何形狀、操縱性、耐波性等諸多因素相關(guān)，因此在分析推進系統(tǒng)的能量消耗過程時，需對不同因素的能量消耗進行計算，通過對比和定性分析，找出降低船舶能效水平的主要因素。

2 能量耗散模型的建立

2.1坐標系和環(huán)境模型

船舶的能量消耗分析模型主要應(yīng)用隨船坐標系和球面坐標系(見圖1)。船舶在海面航行時，圍繞3個坐標軸作6個自由度的運動。由于垂蕩、橫搖及縱搖對船舶推進裝置功率增大的影響較小，因此只考慮船舶的橫蕩u、縱蕩v和艏搖r(具體見圖1a)。[4]地球為球體，當從船舶營運的角度考慮船體運動時，必須將隨船坐標系轉(zhuǎn)換為地球球面的經(jīng)緯度(見圖1b)。

圖1 隨船坐標系和球面坐標系

在建模過程中，需獲得實時或預(yù)報的海洋氣象數(shù)據(jù)。海洋氣象數(shù)據(jù)可通過多種渠道[5]獲得，這里選取GRIB格式文件作為天氣模型的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。GRIB文件中的數(shù)據(jù)是以格點的格式存儲的，而在實際仿真過程中，船舶的位置不會精確地處于網(wǎng)格點上；同時，GRIB數(shù)據(jù)連成的網(wǎng)格并不是規(guī)則的矩形網(wǎng)格，而是近似為梯形。[6]因此，為在建模過程中獲得目標坐標對應(yīng)的物理量，首先根據(jù)目標坐標確定其所在網(wǎng)格，然后根據(jù)網(wǎng)格4個角的物理量和經(jīng)緯度值進行曲面差值。圖2為GRIB文件數(shù)據(jù)讀取示意，o(io,jo,t)為船舶在時間t時球面坐標(io，jo)處的物理量。根據(jù)GRIB文件所讀取的oi,j，oi+1,j，oi,j+1，oi+1,j+1及o點相對網(wǎng)格4個點的位置，通過曲面差值來實現(xiàn)。

圖2 GRIB文件數(shù)據(jù)讀取示意

2.2環(huán)境-船體運動-推進系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

在“2.1”節(jié)的基礎(chǔ)上，結(jié)合船舶MMG(Manoeuvring Mathematical Model Group)運動模型和推進系統(tǒng)模型，可建立環(huán)境-船體運動-推進系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(見圖3)。

圖3 環(huán)境-船體運動-推進系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

在圖3所示的模型中，使用調(diào)速器對主機轉(zhuǎn)速的控制[9]和自動舵保持航線的控制[10-11]2個PID控制。環(huán)境-船體運動-推進系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型將營運中的船舶作為一個動力系統(tǒng)，通過對船舶的狀態(tài)參數(shù)進行循環(huán)迭代，計算出航次過程中能量消耗的連續(xù)變化。船舶任一時刻的狀態(tài)參數(shù)都是用縱向速度u、橫向速度v、艏搖速度r、經(jīng)度坐標x、緯度坐標y、船舶航向ψ、主機轉(zhuǎn)速n和舵角θ等8個變量表示的。

2.3能量耗散仿真模型

在建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型后，還需對推進系統(tǒng)的各能量耗散因素進行計算分析。除了螺旋槳的效率造成的能量損失以外，其他能量損耗主要是由增阻造成的，這部分因素根據(jù)式(1)計算。

(1)

式(1)中:ERi為克服第i項阻力所消耗的能量;Ri為第i項阻力;θT為第i項阻力的方向與船舶運動方向的夾角；RT為船舶航行時受到的除螺旋槳推力以外的合力，包括靜水阻力Rcalm、舵力Frudd和船舶漂角產(chǎn)生的水動力Fhydro；Fwind和Fwave[7-8]為因海況影響產(chǎn)生的環(huán)境干擾力;θT為作用于船體的總阻力與船舶運動方向的夾角；Eeff為船體受到的用來推動船體的能量。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)模型和能耗分析公式，通過MATLAB/Simulink建立船舶推進系統(tǒng)的能量耗散仿真模型(見圖4)。

3 實例分析

3.1實例數(shù)據(jù)

圖4 船舶推進系統(tǒng)能量耗散仿真模型

選取載重量為46 000 t的原油/成品油船作為目標船，其總長182 m，型深17.8 m，型寬32.2 m，設(shè)計吃水10.5 m，主機型號6S50MC，額定功率9 840 kW,目標航線為香港—新加坡航線。

天氣數(shù)據(jù)為ECMWF發(fā)布的再分析數(shù)據(jù)集中的ERA-Interim數(shù)據(jù)集。這里采用的海洋氣象數(shù)據(jù)為2013年5月3日至5月8日18時的海面10 m處風(fēng)場及波浪數(shù)據(jù)，每天有4組數(shù)據(jù)，網(wǎng)格精度為0.25°×0.25°。仿真時間內(nèi)該海域的海況信息及航線見圖5。

圖5 仿真時間內(nèi)該海域的海況信息及航線

3.2過程分析

在航線A整個仿真過程結(jié)束之后，可獲得主機軸功率、各個能量耗散因素及航跡的歷時曲線。對能量數(shù)據(jù)取0.5 h平均值，獲得各因素能量耗散的歷時值(見圖6)。

1) 在仿真的1～18 h內(nèi)，船舶處于較平靜的海況下；同時風(fēng)場方向和船舶航向基本相同。在該階段，風(fēng)浪對推進系統(tǒng)能量消耗的影響較小，Ewind為1.05%，Esea為0.22%；而固定能量消耗Ecalm和Eprop分別為56.44%及38.52%，占總能量消耗的94.96%；Erudd和Ehydro分別為1.57%及2.20%，且保持穩(wěn)定。

圖6 航線A能耗分析歷時曲線

2) 在仿真的19～48 h內(nèi)，風(fēng)速和波浪逐漸升高。在該階段，由于風(fēng)、浪所耗散的能量處于逐步增加的態(tài)勢且風(fēng)浪導(dǎo)致的偏移力增大，導(dǎo)致航行漂角增大，船舶操舵更頻繁，固定能量消耗從95%逐步下降至89.2%，Erudd上升20%，Ehydro上升33%，而Ewind大幅增加400%，Esea增加500%。

3) 在仿真的48～100 h內(nèi)，船舶處于輕浪海況下。在該階段，各類能量消耗所占比例基本保持穩(wěn)定，Ecalm占41.53%，Eprop占46.84%，Erudd占1.51%，Ehydro占2.68%，Ewind占5.05%，Esea占2.38%。相比其他海況，該海況下固定能量消耗所占比例進一步降低，額外能量消耗上升至11.63%，這其中Erudd的比例不但沒有上升，反而略有下降。

4) 在仿真的100 h之后，風(fēng)力逐步減小，但此時根據(jù)設(shè)計航線，出現(xiàn)一個轉(zhuǎn)向。在105 h之后出現(xiàn)順風(fēng)順浪的情況，能量消耗大幅降低，Erudd和Ehydro基本消失;同時,由于速度的增加，Ecalm上升，Eprop下降。

靜水阻力的大小受船體濕面積和船舶航速的影響，當船舶吃水一定時，Ecalm的大小由航速Vs決定。Eprop的影響因素主要是主機的輸出功率和螺旋槳的推進效率，其中推進效率在實際計算過程中是根據(jù)進速系數(shù)J=Vs(1-w)/nD計算的。船舶航行時采用的是主機定轉(zhuǎn)速的模式，因此航速對能量的總消耗和分布有最直接的影響。

在額外的能量消耗中，Erudd和Ehydro是船舶操縱及漂角導(dǎo)致的阻力增加，這2個因素不僅受海況影響，還與船舶操縱性及設(shè)計的航線對海況的適應(yīng)程度有關(guān)；而Ewind和Esea則是由船舶自身的參數(shù)、海況及航線決定的。由于目標船為油船，因此其上層建筑的投影面積較??；對于其他類型的船舶而言，額外能量消耗的比例會進一步增加。

3.3航線分析

對航線A和航線B分別進行仿真，得到不同航線推進系統(tǒng)能量消耗統(tǒng)計見表1。

由表1可知：航線B的航程比航線A長，用時久；航線B的平均速度比航線A小1.3%，能量總消耗比航線A多2.8%。對比能量耗散的各個因素發(fā)現(xiàn)：由于航線A的主機轉(zhuǎn)速設(shè)置與航線B相同，因此固定能量消耗的平均值基本相同。風(fēng)浪對航線A的影響主要是增加船舶阻力，造成推進系統(tǒng)產(chǎn)生額外的能量消耗；對航線B的影響則是由其帶來的偏移力、船舶漂角及為維持航線而進行的操舵動作導(dǎo)致產(chǎn)生能量消耗。

表1 不同航線推進系統(tǒng)能量消耗統(tǒng)計

4 結(jié)束語

結(jié)合船舶推進系統(tǒng)、船體運動和天氣信息，在球面坐標系下建立船舶推進系統(tǒng)能量耗散模型。該模型可對整個航線進行仿真計算，獲得各類耗散因素在推進系統(tǒng)輸出能量中所占的比例。

由一個航次的完整仿真結(jié)果可知，對船舶能耗影響最大的是船舶航速，占86%～95%的能量消耗。風(fēng)浪作為額外能量消耗因素，應(yīng)在設(shè)計航線時盡可能地給予考慮，使船舶處于順風(fēng)順浪狀態(tài)。同時，操舵時應(yīng)能保持船舶在小漂角下航行，在所使用的PID航線保持策略中，漂角和操舵導(dǎo)致的能量消耗占3.8%～4.2%。

采用推進系統(tǒng)能量耗散模型對航線設(shè)計進行分析，能預(yù)報航期及能量總消耗量。對航線中導(dǎo)致能量消耗增加的部分進行詳細分析，可找到導(dǎo)致額外能量消耗增加的因素，從能量耗散的角度為航線優(yōu)化提供理論依據(jù)。

[1] 中國船級社. 船舶能量消耗分布與節(jié)能指南：GD 18—2014[S]. 2014.

[2] SHI W, STAPERSMA D, GRIMMELIUS H. Simulation of the Influence of Ship Voyage Profiles on Exhaust Emissions[J]. Proceedings of ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 2008, 14:165-174.

[3] 嚴新平,李志雄,劉正林,等. 大型船舶推進系統(tǒng)與船體耦合動力學(xué)研究綜述[J]. 船舶力學(xué),2013,17(4):439-449.

[4] SHI W, GRIMMELIUS H T, STAPERSMA D. Analysis of Ship Propulsion System Behaviour and the Impact on Fuel Consumption[J]. International Shipbuilding Progress, 2010, 57(1):35-64.

[5] MYUNG-Il R. Determination of an Economical Shipping Route Considering the Effects of Sea State for Lower Fuel Consumption[J]. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2013, 5(2):246-262.

[6] 武曉光,張軍峰,蔣海行. GRIB數(shù)據(jù)及其在航跡預(yù)測中的應(yīng)用[J]. 航空計算技術(shù),2013,43(6):59-62.

[7] 賈欣樂,楊鹽生. 船舶運動數(shù)學(xué)模型——機理建模與辨識建模[M]. 大連：大連海事大學(xué)出版社, 1999.

[8] ISO. Ships and Marine Technology-Guidelines for the Assessment of Speed and Power Performance by Analysis of Speed Trial Data: ISO 15016[S]. 2002.

[9] 李通. 風(fēng)翼助航系統(tǒng)對船舶柴油機動力擾動特性研究[D].大連:大連海事大學(xué),2011.

[10] 李沁生,于家鳳,徐靜,等. 船舶航向計算動詞PID自動舵設(shè)計[J]. 船電技術(shù),2013,33(2):30-33.

[11] 張顯庫,蔣丹東,賈欣樂. 船舶自動舵的研究[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報,1997,23(1):9-13.

ModelingandAnalysisofEnergyConsumptionofShipPropulsionSystem

LIUYifan，ZHANGYuewen，SUNPeiting，LIUZhufeng

(Marine Engineering College, Dalian Marinetime University, Dalian 116026, China)

U664.14

A

2016-04-11

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“八六三”計劃)資助項目(2012AA112702)

劉伊凡(1988—)，男，安徽太和人，博士生，主要研究方向為現(xiàn)代輪機管理。 E-mail: dayongdmu@163.com

1000-4653(2016)03-0031-04