耙吸挖泥船在不同工况下的经济航速

冯 晨，吴永彬

(1.中交天津航道局有限公司，天津 300461；2.中交海洋建设开发有限公司，天津 300456)

当今全世界的环保形势严峻，限制了疏浚工程的抛填作业范围，工程的纳泥区也大多距离施工区较远，需要耙吸挖泥船长距离航行至深远海区域进行抛泥作业。同时随着围海造陆工程及建筑工程的推进，海砂采取将成为未来疏浚业的一项重要工程，如深远海取砂工程。因此耙吸挖泥船将朝着远海、深海方向发展，这将面临的一大问题就是船舶航行时间将大幅增加，占整个疏浚周期的50%以上，带来的就是航行成本的提升。

参照海船运营与经济效益的分析，在船舶运输过程中，燃油消耗占运输成本的比例很大，占船舶营运总成本的25%～30%[1]。因此根据耙吸挖泥船未来施工的特点，展开针对长运距工程的耙吸挖泥船经济航速研究，从客观上分析耙吸挖泥船采用经济航速的必要性。

1 船舶经济航速的含义

从营运船舶经济盈利角度看，船舶营运经济航速分为两类：完全不考虑机会成本的绝对经济航速和充分考虑机会成本的相对经济航速。其中绝对经济航速[2]是指在不考虑其他成本的前提下，船舶航行相同里程，耗油量最少的航行速度；相对经济航速，对于耙吸挖泥船是指完成一个施工周期，为保证经济效益最大化而使用的轻载或重载航速。

2 经济航速考虑因素

耙吸挖泥船施工时的主要成本为施工过程中的燃油费用、定期维护修理费用和固定费用(人工费、折旧费等)，其中定期维护修理费和固定费用作为船舶使用的基本费用，在本文分析中不以变量考虑[3]。

燃油费用与航速大小成正比关系，航速的选择对燃油费用有直接关系。并且燃油费主要与燃油消耗量有关，降低航速能有效地降低燃油费用，降低船舶的营运支出，但降速航行会延长航行时间，加长施工周期，可能会延误工期，耽误下一工程的投入，损失一部分市场机会，得不偿失。反之，航速提高势必会提高燃油费用，增加施工成本。

因此，耙吸挖泥船在选择最佳运载航速时，应当综合考虑燃油成本、工程周期等多方面因素，建立合适的数学模型，从而得到更准确的决策信息。

3 耙吸挖泥船经济航速的分析

耙吸挖泥船作为一种自航船舶，在功能上区别于海船，海船以货物运输为目的，船舶主要存在航行、停泊、锚泊等作业方式；而耙吸挖泥船则以疏浚施工为目的，船舶主要存在挖泥、航行、吹填(抛泥)、停泊、锚泊等作业方式。因此耙吸挖泥船作业形式更为复杂，而在经济航速的分析方面，由于耙吸挖泥船在挖泥、吹填(抛泥)环节，航速一般在3 kn以下，暂不考虑燃油经济性的问题。本文以耙吸挖泥船运载航行为研究对象展开分析，为达到工程效益的最大化，以船舶满载和空载为条件，进行实船数据采集和分析。

“通途”轮是超大型耙吸挖泥船，船长为30 m，型深为15 m，空载吃水为6.3 m，满载吃水为11.3 m，舱容2.1万m3，装载量2.8万t，主机功率为2×8 700 kW，最大航速15.2 kn。该船舶动力系统为一拖二形式，即船舶主机带动螺旋桨和轴带发电机，船舶泥泵则由轴带发电机的电力驱动。

3.1 船舶柴油机负荷与油耗率关系分析

船舶柴油机作为内燃机的一种，在不同工况下具备多项特性曲线关系，如负荷特性、速度特性、调速特性等。其中负荷特性是内燃机的基本特性，用以评价其工作的经济性。由于柴油机的负荷特性相对容易测定，在性能调试过程，如选择气道和燃烧室结构、调整燃油喷射系统等，常用负荷特性作为比较标准。

柴油机负荷特性[4]是指柴油机转速不变，其经济性指标随负荷而变化的关系，以曲线表示。当以一定的航速延阻力不断变化的海面行驶时，船舶的柴油机负荷特性曲线见图1，此时必须改变柴油机供油量来调整有效转矩，与外界阻力矩的变化相适应，而柴油机转速保持不变。

图1 柴油机负荷特性曲线

根据负荷特性曲线测定的相关要求，参照出厂时船舶主机台架的试验数据(表1[5])可得出不同负荷对应的油耗率。通过油耗率与负荷曲线(图2)可知，在负荷80%左右时，柴油机油耗率最低。

表1 “通途”轮主机台架试验数据

图2 “通途”轮柴油机负荷与油耗率关系曲线

3.2 实船数据采集

由于柴油机在长期使用过程中存在磨损、船体腐蚀等影响因素，因此对船舶相关数据进行采集(表2)，得出航速与主机功率(推进功率+轴发功率+空载功率)、油耗量的关系，见图3。

图3 “通途”轮航速与主机功率、油耗量的关系

表2 “通途”轮实船采集数据

通过船舶施工时大量的数据，分析重载(轻载)航行期间，船舶加速、减速时，航速与时间、平均航速及油耗量之间的关系。重载航行期间，船舶不同航速对应的油耗量、所用时间、所用里程见图4。

图4 航速与时间、平均航速、油耗量的关系

3.3 耙吸船盈利分析

耙吸挖泥船作为施工船舶，是工程的一部分，其施工生产以盈利为目的，施工生产率、施工成本、施工所创造的产值都在一定程度上影响着整个工程的效益。当船舶所创造的产值大于船舶施工所发生成本时，则船舶可以盈利，即：

ΔQ=S产值-S成本=aT装载量-(Q人工+Q折旧+

Q维修+Q备件+Q燃油+Q润油+Q保险+…+Q其他)

(1)

式中：ΔQ为耙吸船船舶盈利(元)；S产值、S成本分别为船舶产值(元)、船舶成本(元)；T装载量为船舶装载量(m3)；a为土石方单价(元/m3)；Q人工、Q折旧、Q维修、Q备件、Q燃油、Q润油、Q保险、Q其他分别为人工费(元)、折旧费(元)、船舶维修费(元)、船舶备配件费用(元)、燃油费(元)、润滑油费(元)、船舶保险费(元)、其他费用(元)。

式(1)除了燃油成本随船舶航速变化波动较大以外，其他船舶成本基本保持稳定，即：

Q燃油=(q挖泥+q重载+q轻载+q抛吹)b

(2)

式中：q挖泥、q重载、q轻载、q抛吹分别为挖泥期间油耗量(t)、重载航行期间油耗量(t)、轻载航行期间油耗量(t)、抛泥或吹填期间油耗量(t)；b为燃油单价(元/t)。

3.4 计算结果

根据以上数据分析的航速与多个参数的关系曲线，假设燃油价格为5 000元/t，工程施工运距为30 n mile，挖泥时间为2 h，抛泥或吹填时间为0.3 h，土方价格为26元/m3进行模拟经济性计算分析。

3.4.1耙吸船绝对经济航速

耙吸船航速与每海里油耗量关系见图5。可以看出，在不考虑其他成本的前提下，耙吸船绝对经济航速控制在10～12 kn，可有效节省燃油消耗。

图5 耙吸船航速与每海里油耗量关系

以耙吸船远距离调遣为例，耙吸船航速与油耗量关系见图6。此时采用经济航速12 kn连续航行24 h，计算航行里程为288 n mile，较航速15 kn时每日节省燃油4.43 t，日节省燃油成本2.22万元。

图6 耙吸船航速与每日油耗量关系

3.4.2耙吸船相对经济航速

在设计航速范围内，经济效益随航速增加而提高。当单价或工况发生变化时应重新进行计算，且随运距增加航速对经济性的影响权重将会增加。航速与燃油成本、单船每小时效益关系见图7。

图7 航速与燃油成本、单船每小时效益关系

以“通途”轮施工为例，土方单价26元/m3，运距在30～600 n mile，船舶满载，计算不同运距、不同航速下的单舱每小时盈利效益，形成航速与单舱每小时盈利效益关系曲线，见图8。可以看出，运距在120 n mile以下时，单舱每小时盈利效益随航速的增加而提高；运距在400 n mile以上时，单舱每小时盈利效益随航速的增加而降低；运距在120～400 n mile，单舱每小时盈利效益则存在峰值，其会存在相对经济航速点，见图9。

图8 航速与每小时单舱效益关系

图9 航速与运距关系

通过将航速与单舱每小时盈利效益曲线的峰值进行连线，形成相对经济航速-运距曲线。可以看出，“通途”轮在120 n mile运距以下，可采用最大航速进行运载航行，尽量多地创造工程效益；在400 n mile运距以上，如不受工期或其他因素限制，则可采用绝对经济航速，以降低燃油成本，起到工程效益最大化的目标；运距在120～400 n mile，“通途”轮可依据自身需要，采用相对经济航速进行运载航行，节能减排。

4 结论

1)耙吸挖泥船相较于传统的海上货运船舶，其作业形式复杂，仅可在运载航行期间讨论经济航速，由于挖泥施工期间的航速较低(小于3 kn)，暂不考虑经济航速。因此在工期有要求或短运距的工况下宜采用效益优先原则，以“多挖快跑”的航速进行施工生产，争取工程效益最优化。

2)运距在一定范围内，耙吸挖泥船可以采用相对经济航速进行运载航行，在不影响工程效益和工期的同时，节能减排。

3)在长距离调遣且抵港时间要求宽松、施工过程中存在长时间候潮、待航影响等工况下，耙吸挖泥船宜采用船舶绝对经济航速航行，降低燃油成本。

4)以“通途”轮为例，形成了一套耙吸挖泥船施工期间运载航行经济航速分析的模型，可有效应用于其他耙吸挖泥船，在船舶施工期间根据工况进行选择使用。