船舶降速航行的经济性和排放变化分析 谢光明

1、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

2、,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= Cnp3 (2.1)式中:pp一螺旋桨吸收功率;np一螺旋桨转

3、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= Cnp 3 (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=Ctnp2)和 船舶航行阻力R(R= aRVs2)是相等的。故得:aRVs2=Ctnp2 (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

4、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=Cnp (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.2.2 Cooperation speciality between engine and propeller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

5、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pRVs ,螺旋桨工作在相应于A点的Ppnp ,而柴油机则工作在相当于A点的Pene8,9 。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=23Vs3Ce (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

6、,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=V0PEPe0 (kn) (2.9)改变航速后航距S(海里)的燃油消耗量为: G2=gePeSVs×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(gkwh);S一航行距离(nmile)。2.2.2船舶航速由于螺旋桨

7、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

8、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.2.3The characteristic c

9、urve about ge .With the change of the main engine Power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2.4 gm ge随转速变化Fig.2.4 t

10、he curve about the change of gmgewith the speedgm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

11、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

12、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

13、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

14、9;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(gkwh),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

15、(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

16、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

17、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,仅影响到航次固定费用的增加。实际上,若从一个给定的时间来看,航次时间延长还意味着市场机会的损失而直接导致营运收入的降低。因此,若降低费用是以延长航次时间为代价换来的,则还应考虑节约的费用是否能抵偿由于延长航次时间而可能造成的营运收入的减少。为此,应对对经济航速作如下的修正。设船舶每营运天平均盈利为r,航线距离为L。若以Ve航行,则航行时间为两者时间之差为，因时间之差而造成的盈利之差为，采用高航速还可节省航次固定费用支出,总的得益为。其损失是燃油费用的增加,其

18、值为 。记:令：得出修正经济航速: (2.27)由上式可知,引进市场机会损失概念后的修正经济航速将较原来的经济航速有所提高,且航运市场越繁荣(货源充足),修正经济航速将提高。同时这种计算方法虽考虑每航行天得固定成本,但减速延长航次时间所增加得固定成本并未计及,因k值的运用有差异而无法事先确定。3)根据市场费率水平,以维持经营为目标,确定经济航速,方法是:船舶结合具体航线,选取不同的航速测算和经营盈亏水平,并选取不同的航速测算成本和经营盈亏水平,并选取不同的燃油价格和运费费率,由此可得出一系列可供比较的数据或图表。由于减速程序不同,正常航速下的航次被延长的程度也各异。将减速所增加的营运收益用航次

19、增加的天数加以分摊,可得每天相应得收益。与此同时,对下航次的市场运价进行估测,并测算航次每天的盈亏额。对照上述航次减速延长时间的每天得益水平,在数值接近范围可获得相应的经济航速。如本航次减速延长时间所得的相当于每天的盈利额小于下航次每天盈利额时,表明减速过低造成一定的经济损失,而出现大于下航次每天盈利额时的情况时,减速是有利的。当估测未来航次利甚微或亏损时,减速必然有利,其减速的合理范围可以直至减速下限。2.2.3.2盈利航速的计算及分析一般营运船舶,航运单位更关心的是资本的盈利率,商船总是寻求能带来最大利润的盈利速度,而不是取决于最低营运费用航速。按国内航运部门的企业经济管理,通常以每月或每

20、航次作为经济核算单位。所以,营运船舶以每个月或每个航次的最大盈利值为建立盈利航速的目标函数。若以船舶每个航次为经济核算单位,设r为船舶每营运天的盈利,则: (2.28)式中:F一航次的纯运费收入(扣除港口费、装卸费等)(元)K一航次的营运成本费用(元)t一航次的营运天数(d)。每航次的营运天数为该航程中停泊天数t:和航行天数t,之和,即 （2.29）又由于: 假定: ， 将这些值代入式(2一28),因此可得: （2.30）式中:q一停泊船天费用与船天固定费用之差;KH一航行一天的营运费用;KT一停泊一天的营运费用。就式(2.30)对Vs求导,并令其为零,使得盈利速度Vr满足: (2.31)如果

21、不考虑速度的损失或增加值(即假设c=0),并假设KT=f(即q=o),则每营运天的盈利r的计算公式可简化为: (2.32)盈利速度的计算公式可简化为: (2.33) (2.34)从式(2.31)、式(2.34)可以看出,影响盈利航速的因素有纯运费收入F、停泊时间tT、船舶机能系数k、航行距离L和速度增减值c。增加纯运费收入F可以提高盈利速度,所以承揽高运价的货物时盈利速度应提高;延长停泊时间介,则导致盈利速度下降,即营运于装卸效率低下的港口之间的船舶的盈利速度也相应降低;提高机能系数k的数值,将要引起盈利速度的降低,故当油价上升时,盈利速度要下降;航行距离L的长短对盈利速度的影响不十分明了。由于纯运费收入F和航次的航距L有关,因此不能简单地从式(234)中推出L增加Vr将下降的结论。在F和L成线形关系的假定下(设F=L),式(2.33)可改写为: (2.35)由此可知,当L增加时,Vr应提高。另外,如果有速度损失值,求得的盈利速度要大些;如果有速度增加值,求得的盈利速度要小些。下面对盈