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摘要：为了应对航运市场低迷及降本增效，以船舶节油为重点来降低营运成本，在权衡各种节能技术措施的基础上，优选了船舶纵倾优化节能技术，具有实施容易、初始投资低、操作便利的优点。研究了船舶纵倾优化方法及实施方案，提出了船舶与岸基相配合实现船舶纵倾优化节能的重要性和对策。应用结果表明，船岸双方共同实现船舶最佳纵倾，每年可节省（1-2）%的燃油消耗。
关键词：船舶；节能减排；纵倾优化；降本增效
引言
随着航运市场竞争日益激烈，海洋环保、船舶节能减排等规范的实施，加之航运市场低迷，航运公司要保持较强的竞争力，需要良好的管理能力和高效地成本控制。船舶燃油费用为船队运营中最大的成本支出，是降低营运成本的重点。因此，降低燃油消耗，提高能效控制及管理水平，节约成本支出，是船舶节能减排的重要举措。船舶节油方法有主机降速航行、增压器封堵、VIT的适应调节、高效螺旋桨、防滑油漆等技术措施，实施困难且初始投资高，而船舶纵倾优化节能技术利用软件控制，实施容易、初始投资低、操作便利，越来越为航运业界所重视，因此，研究船舶纵倾优化节能技术具有重要意义。
一、船舶纵倾优化
船舶浮于静水的平衡状态有正浮、横倾、纵倾和横倾加纵倾4种情况，图1所示为船舶吃水d、横倾角θ、纵倾角φ或吃水差Δ等参数表示。船舶纵倾指船舶只在船尾方向或在船首方向倾斜而无横向倾斜的漂浮状态。因压载水、货物或燃料的装卸和移动，使船舶重心偏离船舶正浮时的浮心位置，产生纵倾力矩，从而引起船舶前后吃水的不同。船舶吃水差为首垂线吃水减去尾垂线吃水，船舶所产生的吃水和吃水差取决于货物及油、水等在船舶纵向上的配置。船舶首尾吃水差的大小直接影响推进器和舵叶的入水深度，对船舶航速、操纵性及阻力产生直接影响。通过合理的调整首尾吃水差，使船舶航行时既能保证推进器和舵叶入水深度，又能使船舶的阻力达到最小。合理的船舶纵倾调节达到控制燃油消耗，提高能效控制及管理水平的效果。
二、船舶纵倾优化的优点
船舶纵倾优化分为静态优化和动态优化。静态优化指在装卸货、加装燃油时，根据纵倾优化软件的计算结果来调整纵倾吃水差，最大限度的发挥节油功效。动态优化指在航行过程中，在静态优化的基础上根据海况和燃油淡水等的消耗情况，通过调整船舶压载水来调节首尾吃水差，实现船舶的纵倾调节。船舶纵倾优化不需要改变船体构造、不附加安装设备的节能方式，是一种不降低船舶载货量、不降低航速且易于实施、效果显著的节能方式。根据船长和轮机长的专业经验，纵倾优化措施不影响船舶、机械、货物安全而采取的措施。因此，船舶纵倾优化节能技术是最经济、便利的、减少燃油消耗的措施之一。只需船舶在装载时根据优化软件的计算结果调整好首尾吃水，在航行过程中动态调整压载水，实现船舶的低阻力航行，达到节能的目的。
三、船舶纵倾优化分析
提高船舶速度性能、推进效率、改善舵效提高操纵灵活性，船舶航行时需要有一定的尾倾，尾倾大小应根据不同船舶和不同装载状态来确定。船长根据经验将船舶纵倾调整为平吃水或尾倾状态。这一状态针对小型船舶能提高效率，但大型化、高速化船舶，船体线型发生了明显的变化，大型船舶航行颠覆了尾倾能够提高航速和节油的观念。
1．船舶阻力分析
船舶在自由液面上航行激起兴波，改变船体表面的压力分布和首尾的压力差，产生了兴波阻力Rw；船舶在黏性流场中运动，船体表面形成边界层，引起运动方向的切向作用力，从而产生摩擦阻力Rf；同样，船舶在黏性流场中的运动也产生旋涡，旋涡处压力较低，使船舶前后压力不均衡，从而产生旋涡阻力RF。如图2所示：摩擦阻力、旋涡（形状）阻力和兴波阻力，这三种阻力均随航速Vs增加而增加。对同一船型，各种阻力系数随船速变化各不相同，各种阻力与航速的函数关系也各异。一般摩擦阻力Rf∝Vs1.86，旋涡阻力RF∝Vs2，兴波阻力RW∝Vs4，各阻力在不同航速下的比例也不一样。若不考虑外界风的影响，则船舶航行总阻力为三者之和。三者阻力间的比重因海况、船型、船速等不同而有所变化。其中，摩擦阻力占的比重比较大，约为80%，剩余阻力占比重较小。
2．船舶最佳纵倾
船舶航行中遭受风海浪流、纵倾及舵效等因素影响，船舶主机输出功率有一部分被无效地耗散，这降低了船舶能效水平。改变船舶纵倾可在一定程度上影响船舶推进功率的无效耗散。船舶纵倾引起船体水下几何形状、水线长度、浮心位置、首尾流场分布等发生改变。在船舶航行期间，这些变化也将导致螺旋桨推进效率和船体水阻力的改变，从而影响了船舶能效指数。船舶纵倾航行对螺旋桨水动力特性影响较小；但一定的纵倾可提高螺旋桨推进效率，降低尾流对船尾冲击引起的振动。若不考虑外部环境，如气象、风浪等因素，船舶航行阻力主要与排水量、航行速度及吃水差相关。集装箱船等班轮的航次明确，其排水量与航行速度的实际值可以基本确定，因此航行阻力便只与船舶吃水差相关。但航行阻力与吃水差间不是简单的线性函数关系，只有选取合适的吃水差才可取得相应的最小航行阻力。阻力-纵倾曲线只能通过最佳纵倾试验获得，不同船舶具有不同的阻力-纵倾曲线。这种在确定的排水量和航行速度前提下，使船舶能耗最低的吃水差为船舶最佳纵倾。
3．阻力纵倾曲线
关于船舶水动力特性研究有理论研究、数值计算和试验研究3种。计算流体动力学CFD已广泛应用于船舶运动流场的数值计算，具其较高的求解精度和良好的适应性，为船舶阻力研究提供了新方法，其计算复杂流动问题的能力更强，比试验研究所需的时间及费用较少，且不受模型的尺寸限制。要获得最佳的阻力-纵倾曲线，首先进行船舶建模，利用计算机软件建立船舶数学模型，应用CFD计算出不同吃水和航速下的纵倾曲线。但得到的纵倾曲线，还要通过实船实验的方式进行验证。利用CFD计算船舶运动流场，计算船舶在不同装载工况和不同航速下的阻力，采用优化算法，以最小阻力为目标，综合考虑航线、稳性、强度安全的基础上，给出船舶航行最佳纵倾浮态，作为船舶实际营运中最佳纵倾操作。
四、应用结果分析
船舶纵倾优化需要建立船舶数学模型，通过计算得出不同吃水和航速下的纵倾曲线，这些工作不能在船上完成，需要通过岸基支持实现。针对多艘相同类型的船舶，它们具有相同的特性。因此，只需编写一套纵倾优化软件，就可在同类型船舶中推广应用。船员根据软件推荐的纵倾值调整船舶的吃水，实现纵倾优化。船岸双方都能看到软件推荐的最佳纵倾值，每年可节省1%~2%的燃油消耗。马士基集团建立了全方位的船舶运行状态监控系统，使用了包括纵倾优化工具在内的多种节能软件。只要测量到船舶运行状态，就能进行管理和控制。马士基全球航运管理中心（GVC）组建高水平船员监测团队，进行船舶全面监控，对船舶实行24h不间断的技术指导，确保船舶运行在最优状态。
五、结论
船舶纵倾优化与船舶管理操作具有很大关系，需要对船员进行系统培训，强化节能意识，对船舶纵倾优化节能技术的应用进行指导，才能有效实施纵倾优化节能目标。船舶节油是建立船舶状态全面监测和管控基础上的，首要实现船舶的全面监控，需要高级技术人员全方位指导船员操作，才能实现船舶纵倾优化节能技术，达到进一步降低船舶营运成本目的。
参考文献
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作者:邵勇 单位:深圳市长航国际船舶管理有限公司
