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摘要：為了應對航運市場低迷及降本增效，以船舶節油為重點來降低營運成本，在權衡各種節能技術措施的基礎上，優選了船舶縱傾優化節能技術，具有實施容易、初始投資低、操作便利的優點。研究了船舶縱傾優化方法及實施方案，提出了船舶與岸基相配合實現船舶縱傾優化節能的重要性和對策。應用結果表明，船岸雙方共同實現船舶最佳縱傾，每年可節?。?-2）%的燃油消耗。
關鍵詞：船舶；節能減排；縱傾優化；降本增效
引言
隨著航運市場競爭日益激烈，海洋環保、船舶節能減排等規范的實施，加之航運市場低迷，航運公司要保持較強的競爭力，需要良好的管理能力和高效地成本控制。船舶燃油費用為船隊運營中最大的成本支出，是降低營運成本的重點。因此，降低燃油消耗，提高能效控制及管理水平，節約成本支出，是船舶節能減排的重要舉措。船舶節油方法有主機降速航行、增壓器封堵、VIT的適應調節、高效螺旋槳、防滑油漆等技術措施，實施困難且初始投資高，而船舶縱傾優化節能技術利用軟件控制，實施容易、初始投資低、操作便利，越來越為航運業界所重視，因此，研究船舶縱傾優化節能技術具有重要意義。
一、船舶縱傾優化
船舶浮于靜水的平衡狀態有正浮、橫傾、縱傾和橫傾加縱傾4種情況，圖1所示為船舶吃水d、橫傾角θ、縱傾角φ或吃水差Δ等參數表示。船舶縱傾指船舶只在船尾方向或在船首方向傾斜而無橫向傾斜的漂浮狀態。因壓載水、貨物或燃料的裝卸和移動，使船舶重心偏離船舶正浮時的浮心位置，產生縱傾力矩，從而引起船舶前后吃水的不同。船舶吃水差為首垂線吃水減去尾垂線吃水，船舶所產生的吃水和吃水差取決于貨物及油、水等在船舶縱向上的配置。船舶首尾吃水差的大小直接影響推進器和舵葉的入水深度，對船舶航速、操縱性及阻力產生直接影響。通過合理的調整首尾吃水差，使船舶航行時既能保證推進器和舵葉入水深度，又能使船舶的阻力達到最小。合理的船舶縱傾調節達到控制燃油消耗，提高能效控制及管理水平的效果。
二、船舶縱傾優化的優點
船舶縱傾優化分為靜態優化和動態優化。靜態優化指在裝卸貨、加裝燃油時，根據縱傾優化軟件的計算結果來調整縱傾吃水差，最大限度的發揮節油功效。動態優化指在航行過程中，在靜態優化的基礎上根據海況和燃油淡水等的消耗情況，通過調整船舶壓載水來調節首尾吃水差，實現船舶的縱傾調節。船舶縱傾優化不需要改變船體構造、不附加安裝設備的節能方式，是一種不降低船舶載貨量、不降低航速且易于實施、效果顯著的節能方式。根據船長和輪機長的專業經驗，縱傾優化措施不影響船舶、機械、貨物安全而采取的措施。因此，船舶縱傾優化節能技術是最經濟、便利的、減少燃油消耗的措施之一。只需船舶在裝載時根據優化軟件的計算結果調整好首尾吃水，在航行過程中動態調整壓載水，實現船舶的低阻力航行，達到節能的目的。
三、船舶縱傾優化分析
提高船舶速度性能、推進效率、改善舵效提高操縱靈活性，船舶航行時需要有一定的尾傾，尾傾大小應根據不同船舶和不同裝載狀態來確定。船長根據經驗將船舶縱傾調整為平吃水或尾傾狀態。這一狀態針對小型船舶能提高效率，但大型化、高速化船舶，船體線型發生了明顯的變化，大型船舶航行顛覆了尾傾能夠提高航速和節油的觀念。
1．船舶阻力分析
船舶在自由液面上航行激起興波，改變船體表面的壓力分布和首尾的壓力差，產生了興波阻力Rw；船舶在黏性流場中運動，船體表面形成邊界層，引起運動方向的切向作用力，從而產生摩擦阻力Rf；同樣，船舶在黏性流場中的運動也產生旋渦，旋渦處壓力較低，使船舶前后壓力不均衡，從而產生旋渦阻力RF。如圖2所示：摩擦阻力、旋渦（形狀）阻力和興波阻力，這三種阻力均隨航速Vs增加而增加。對同一船型，各種阻力系數隨船速變化各不相同，各種阻力與航速的函數關系也各異。一般摩擦阻力Rf∝Vs1.86，旋渦阻力RF∝Vs2，興波阻力RW∝Vs4，各阻力在不同航速下的比例也不一樣。若不考慮外界風的影響，則船舶航行總阻力為三者之和。三者阻力間的比重因海況、船型、船速等不同而有所變化。其中，摩擦阻力占的比重比較大，約為80%，剩余阻力占比重較小。
2．船舶最佳縱傾
船舶航行中遭受風海浪流、縱傾及舵效等因素影響，船舶主機輸出功率有一部分被無效地耗散，這降低了船舶能效水平。改變船舶縱傾可在一定程度上影響船舶推進功率的無效耗散。船舶縱傾引起船體水下幾何形狀、水線長度、浮心位置、首尾流場分布等發生改變。在船舶航行期間，這些變化也將導致螺旋槳推進效率和船體水阻力的改變，從而影響了船舶能效指數。船舶縱傾航行對螺旋槳水動力特性影響較??；但一定的縱傾可提高螺旋槳推進效率，降低尾流對船尾沖擊引起的振動。若不考慮外部環境，如氣象、風浪等因素，船舶航行阻力主要與排水量、航行速度及吃水差相關。集裝箱船等班輪的航次明確，其排水量與航行速度的實際值可以基本確定，因此航行阻力便只與船舶吃水差相關。但航行阻力與吃水差間不是簡單的線性函數關系，只有選取合適的吃水差才可取得相應的最小航行阻力。阻力-縱傾曲線只能通過最佳縱傾試驗獲得，不同船舶具有不同的阻力-縱傾曲線。這種在確定的排水量和航行速度前提下，使船舶能耗最低的吃水差為船舶最佳縱傾。
3．阻力縱傾曲線
關于船舶水動力特性研究有理論研究、數值計算和試驗研究3種。計算流體動力學CFD已廣泛應用于船舶運動流場的數值計算，具其較高的求解精度和良好的適應性，為船舶阻力研究提供了新方法，其計算復雜流動問題的能力更強，比試驗研究所需的時間及費用較少，且不受模型的尺寸限制。要獲得最佳的阻力-縱傾曲線，首先進行船舶建模，利用計算機軟件建立船舶數學模型，應用CFD計算出不同吃水和航速下的縱傾曲線。但得到的縱傾曲線，還要通過實船實驗的方式進行驗證。利用CFD計算船舶運動流場，計算船舶在不同裝載工況和不同航速下的阻力，采用優化算法，以最小阻力為目標，綜合考慮航線、穩性、強度安全的基礎上，給出船舶航行最佳縱傾浮態，作為船舶實際營運中最佳縱傾操作。
四、應用結果分析
船舶縱傾優化需要建立船舶數學模型，通過計算得出不同吃水和航速下的縱傾曲線，這些工作不能在船上完成，需要通過岸基支持實現。針對多艘相同類型的船舶，它們具有相同的特性。因此，只需編寫一套縱傾優化軟件，就可在同類型船舶中推廣應用。船員根據軟件推薦的縱傾值調整船舶的吃水，實現縱傾優化。船岸雙方都能看到軟件推薦的最佳縱傾值，每年可節省1%~2%的燃油消耗。馬士基集團建立了全方位的船舶運行狀態監控系統，使用了包括縱傾優化工具在內的多種節能軟件。只要測量到船舶運行狀態，就能進行管理和控制。馬士基全球航運管理中心（GVC）組建高水平船員監測團隊，進行船舶全面監控，對船舶實行24h不間斷的技術指導，確保船舶運行在最優狀態。
五、結論
船舶縱傾優化與船舶管理操作具有很大關系，需要對船員進行系統培訓，強化節能意識，對船舶縱傾優化節能技術的應用進行指導，才能有效實施縱傾優化節能目標。船舶節油是建立船舶狀態全面監測和管控基礎上的，首要實現船舶的全面監控，需要高級技術人員全方位指導船員操作，才能實現船舶縱傾優化節能技術，達到進一步降低船舶營運成本目的。
參考文獻
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作者:邵勇 單位:深圳市長航國際船舶管理有限公司
