船舶燃油消耗实时监控系统论文

港作船舶燃油消耗实时监控系统的研究与应用

作者：吴章林 王国强

单位：张家港港务集团有限公司，江苏 张家港 215633 地址：张家港市金港镇长江中路252号，邮编：215633

摘要：通过测量港作拖轮柴油机瞬间耗油量并与船用GPS航速数据对接，经系统处理后，获得船舶单位里程的耗油率数据。在此基础上，分析船舶在不同环境和航速条件下的耗油数据，确定船舶运行经济耗油区间。搭建船岸数据传输平台，开发专业监控软件，实现岸基对营运船舶油耗的实时监控。

关键词：港作拖轮 柴油机 燃油监控 系统 节能减排

港口作业拖轮主要任务为完成港口大型船舶靠离泊及水上拖带作业，其动力来源为柴油机组。目前，全回转港作拖轮主柴油机功率不断向大马力发展，少则几千匹，多则上万匹，年消耗柴油量巨大。降低港作船舶燃油消耗、提高燃油利用率，既符合国家节能减排大环境要求，也为企业带来直接地经济效益，是拖轮公司船舶管理的一项重要内容。

在港作拖轮节油研究方面，国内各大港口拖轮公司均进行了很多有益的尝试和思考。从港口轮驳协会拖轮公司机务管理经验交流情况看，节油的主要手段一是在设备管理层面，通过改善设备工况、采用添加剂等方式实现；二是在船舶操纵层面，通过采用经济航速（主机经济转速）、采用经济作业法减少各作业环节的浪费、单车航行等方式。从目前的实践看，控制航速（采用主机经济转速）收效最为显著。张家港港务集团公司船务分公司，在2007年开始对拖轮全面推行经济航速（车速），将航速限定为顺水24公里/小时、逆水16公里/小时，当年可比油耗下降16%。

采用经济车速节油，是以船舶柴油机耗油率曲线、柴油机推进特性为依据。每台柴油机都有一个最低耗油率区间，在该区间对应的转速下运行效率最高。同时，从柴油机推进特性可见，螺旋桨吸收的功率是与柴油机转速的三次方成正比关系。因此，将柴油机转速控制在最低耗油率区间下运行能通过发挥柴油机的效率，达到节油目的。然而，港作拖轮一直在变工况下航行，同时受作业环境如水流速度、风速、潮汐影响较大，同一航程，顶流与顺流采用同一航

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速，显然不经济。

为此，我们提出了单位里程油耗，即升/公里的概念，通过开发燃油监控系统，找出不同航速对应单位里程油耗规律，并以此指导驾驶员按系统显示的最低单位里程油耗对应的航速运行，从而达到节油的目的。

1、船舶燃油消耗实时监控系统原理

如下图1所示，我们在主柴油机进油管路与回油管路上分别加装涡轮流量计，涡轮的转速随流量的变化而变化，经磁电转换装置将涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲信号，系统读取涡轮流量计瞬时流量信号，进行差值处理，获取船舶主机即时燃油消耗值。通过安装在船舶上的GPS模块，获取船舶当前航速数据。系统自动完成对油耗、航速等相关函数参量的运算分析，获得瞬时单位里程油耗数据，并在船舶驾驶室工业电脑上显示船舶航速与单位里程油耗的动态关系曲线（见图2），在此基础上，将动态关系曲线转换成柱状图形式，便于驾驶员直观读取。同时，搭建船岸数据传输平台，通过GPRS网络传输，将相关数据信息传送到岸边基站网络，实现岸基对油耗的实时监控和管理。

图1 船舶燃油消耗实时监控系统原理图

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图2船舶航速与瞬时里程油耗曲线图

2、船舶燃油消耗实时监控系统主要功能

2.1、长途航行实时油耗智能分析

张家港拖轮公司拖轮作业覆盖长江下游张家港水域约40公里范围内的各个码头作业点，船舶驾驶员在接到调度作业任务后，需要从当前位置在规定的时间内赶赴作业点。船舶启动后，驾驶员操纵船舶加速航行，船舶航行速度逐渐增大过程中，系统实时分析船舶在不同速度点的油耗值，在驾驶室电脑屏幕上以柱状图的形式显示各航速条件下的油耗，并将最经济用油速度用不同颜色标记出来。船舶驾驶员通过一个加速过程很容易知道当前航段最佳经济航行速度，并及时将船舶速度调整到该最佳点行驶至目的地。

下图3为张家港拖轮公司张港18号某次长途作业主机燃油消耗实时智能分析柱状图，横坐标为船舶实际航行速度（单位：km/h），纵坐标为船舶实时油耗（单位L/km）。该次作业为从港内赶赴某码头的顺水航行，船舶驾驶人员操纵主机加速，船舶航行速度从11km/h加速至25km/h。通过一个加速过程，船舶驾驶员立即获知在当前工况条件下，21km/h的航速为最佳经济航速，驾驶员操作船舶按照这

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个速度航行至目的地，达到明显的节油目的。

图3 燃油消耗实时智能分析柱状图

2.2、港内作业累计油耗报表功能

对于港作拖轮而言，其大部分作业任务为协助进港大轮的靠离泊，水流对油耗的影响较小。拖轮接到调度指令后赶赴作业点的实际行程较近，无法满足一个加速航行的过程。为此，系统引入了累计油耗报表功能。系统自动统计在一个自然月内船舶在不同航行速度下的累计持续运行时间、累计油耗、行驶里程以及平均每公里耗油值。通过这个报表，找出船舶在港内作业时经济航速最佳点，从而指导船舶驾驶员按照这个速度操纵船舶。

图4为张港18号2012年10月的累计油耗报表。从表中可以看出，该船在19km/h时平均每公里油耗值为3.82L/km，航速增加或减少时每公里油耗均明显增加（11~13km/h航速无法满足作业时效性要求，故忽略），显然，该船港内作业最佳经济航速为19km/h。

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图4 船舶燃油累计消耗月度报表

3、系统难点及主要技术创新点

目前，船用柴油机多采用非电喷技术，船舶建造时购置安装的柴油机没有燃油消耗计量功能。本项目提出之前，曾有国内同行采用在燃油箱安装液位计的方式计量柴油机燃油消耗，这种思路在工程机械上有成功案例，但在船用柴油机上却行不通，因为船舶在实际运行时会有较大的摇摆，燃油箱油位随之变化，液位计计量误差非常大。

本项目通过仔细分析港作拖轮进口船用柴油机的燃油回路，提出在柴油机燃油油路上增设流量计差值处理的方式实现柴油机油耗计量的思路，在港作拖轮应用上尚属首见。

4、总结和展望

船舶燃油消耗实时监控系统的成功应用，改变了船舶驾驶人员的操作习惯，实现了港作拖轮经济航速从定性向定量的根本性转变，岸基管理人员通过本系统实现对营运船舶的全面监控，将生产经营与节能降耗工作科学统一，是现代物联网信息技术在港作拖轮管理中的完美应用。

项目实施后，船舶长途作业燃油消耗下降10—15%，具有良好的经济和社会效益，达到节能减排的目的。目前，该项目在国内港作拖轮上尚未见有应用，对受潮汐影响较大，柴油机运行工况复杂多变的港作拖轮，有着较大的推广价值。

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