航线选择与船舶节能

1航线选择与船舶节能简介： 科学技 术日新月异的飞速发展不仅促进海运事业的发展，同时也对船舶经营管理不断提出更高的要求。船舶安全、海洋环境保护两大主题体现船队的管理水平；服务质量、揽货能力、船队结构、航线规划、运力的合理配置 .科学技术日新月异的飞速发展不仅促进海运事业的发展，同时也对船舶经营管理不断提出更高的要求。船舶安全、海洋环境保护两大主题体现船队的管理水平；服务质量、揽货能力、船队结构、航线规划、运力的合理配置、成本控制等诸多因素则与集装箱船公司的整体效益休切相关。就集装箱船舶而言，在安全准班、科学管理的大前提下，能否有效的进行成本控制直接关系到船舶营运的经济效益。而船舶的运 营成本，涉及诸多方面，燃油消耗无疑占有极大的比例，因此，在油价居高不下的情况下，能否有效节约燃油就意味着船舶节能的关键！此点已愈来愈得到公司管理层和船长们的共识。对于跨洋航 线上的大型高速集装箱船舶来说，实际燃耗往往与船舶载货 、吃水、吃水差、主机工况、主机功率在各航段的合理分配、航线选择等诸多因素有关，而航 线选择合理与否往往是诸 多因素中的关键，其影响 举足轻重，而船长因此起着不可或缺的作用。曾经 有位主管燃油指标考核的朋友问我， 2 条姐妹船服 务于同一航线，同一 时段内，一船按考核指标节油明显，而另一船却超耗 较大，主要原因是什么？看似一个简单的问题，我却一时无以回答。因为事实上这 是个非常复杂的问题。如何科学合理选择航线？在选择航线时，如何 统筹安全、班期、节能？首先需考虑那些因素？一旦选定航线，在实施航行 计划过程中，如何根据 实际 情况不断调整航线，这是每个船长所面临而必须解决的问题。不少船 长曾经发表过许多实 用有益的论著，受其启 发，笔者也想主要就北太平洋跨洋航线的选择谈一些浅识，请同行们 指正。 1.制 约船舶航速（对地速度）的主要因素：船舶在航行时能否节油，关 键是航速，而制 约航速的关 键是阻力。我们知道，船舶在海上以一定的主机转速航行，当推 进器发出的推力与船舶所遇的阻力达到平衡 时，船舶就以 稳定的船速航进。而当阻力变化时 ，推力将与阻力达到新的平衡，而以新的航速航 进。船舶在航进中的阻力可分为两大类，即水阻力和空气阻力。水阻力主要作用于船舶水线以下船体，其包含的因素非常复杂，但就船舶航 进中的阻力来说，其 变量最大的是 风浪、涌浪。空气阻力2主要作用于船舶水线上船体受风面积，就阻力而言，其变量最大的是相对风速、风舷角和受风面积。1.1风浪/涌浪、流 对航速的影响通常我 们所说的船舶常速是指船舶在无风浪、流等影响时的静水速度。而 实际上船舶在海上航行，不可避免的会遇到各种天气海况，从而对航速产生不同的影响。1.1.1风浪 /涌浪：风浪/涌浪是船舶航进中水阻力变化的最大因子，也是影响船舶航速的最大因素！大风浪不仅会严重影响航速，同 时也对船体结 构等产生极大危害，甚至危及船舶安全。风、涌浪对航速的影响随波浪的大小（高度）、周期（波长）、波舷角的变化而变化。1.1.2流：就海流而言，根据流体力学原理，流直接对航速产生影响，而对船舶航进的水阻力并不产生影响。即，主机以一定的转速在有流的水域中航进，虽然航速变化，但由于船舶对水速度（船速）不变，故水阻力亦不 变，故主机 负荷亦不 变，应该指出，不少人认为顶流使主机负荷增大而顺流使主机负荷减小的概念是一种误解。但由于流直接改变航速，故就船舶节能而言，当然是尽可能利用 顺流而避开顶流。1.2风对航速的影响：1.2.1就阻力角度 讲，船舶航进中的空气阻力变化实际 上即风力强度的变化，在无风情况下，船舶航进时的空气阻力即 为等于航速的相对风速所产 生的空气阻力，在有 风的情况下航进时，顶风使阻力增大，而顺风使阻力减小。当顺风风速等于航速时，空气阻力理论上为 0，当风速大于航速时，空气阻力 为负值，故 顺风相当于增加了推力。1.2.2实际 上，风与风浪是一对孪生兄弟，有风必起浪，在开阔的海上，发展成熟的风浪区，风力的大小与风浪大小成正比，风和波浪同时作用于航 进中的船舶，从而对船舶阻力产生综合影响，不仅如此，一定海区以某一相对稳定的风向、风速持续足够时间时，还会产生一定强度的风生流。同时对航速 产生影响。其影响程度与 风 力、风舷角、浪高、波长、波舷角、风生流流速等众多因素有关。1.3船舶在风浪中失速：风对船舶的航进阻力可由下式表示：2RW=0.5CX AX VW式中 CX 为阻力系数， 为 空气密度，AX 为船体水线上横截面积， VW 为相对风速。据船模 试验和实际情况，第三、四代集装箱船舶在不同的风力，不同风舷角，在风浪/ 涌浪共同作用下的失速 (节) 情况如下表 1：3蒲氏风级 4 级以下 5 6 7 8 9 10顶风（风舷角 030°） -0.5 -0.5- -1 -2 -3- -4 -6- -8 -11-13 -16顺风（风舷角 180°150° ） +0.5 +0.5- +1 +1 0- -0.5 -1. -2 -3- -4表 1 中：对于常速 20kts 以上的集装箱船舶，船舶在顶风、偏顶风航行时，风力 4 级以下，由于主机有一定的贮备功力，失速不明 显， 风力 6 级以上、浪高 4 米以上时，随着风力增加，失速成倍加剧，10 级时，失速达 70%以上， 仅能维持舵效。顺风 、偏顺风 航行时，56 级风，由于风速等于或略大于船速，空气阻力为 0 或负值，船舶往往有 0.51 节左右的增速，且此 时主机负荷最小；风力 7 级以上， 虽然空气阻力负值更大，但由于风浪使船舶颠簸、主机推力失衡、风浪附加阻力增加等因素，使船舶产生一定的失速。1.4风浪中航行 时的主机燃耗：主机的燃耗与输出功率成正比，而 输出功率或推力与阻力成正比，当主机转速一定时，阻力愈大，船速愈小，滑失愈大，则功率愈大，燃耗也愈大。反之，阻力小，滑失小，船速大，功率小，燃耗亦少。2为 追求航速最大化而燃耗最小化，就跨洋航 线选择设计 而言，在确保航行安全的前提下，笔者认为应至少遵循如下原 则：2.1航程最短并非是最佳航线, 航时最少才是最优航线 .2.2影响航速最大的因素是风浪，故航 线设计应尽可能避开 7 级/海浪 5M 以上大风浪海区，尤其应避开正横前受风的大 风浪海区，如不得不穿越 时 ，穿越时间尽可能短。2.3尽可能利用顺流而避开 顶流。如果 虽然有顺流但却同 时有强顶风，则宁可无流而少顶风。2.4当 风向接近正横 时，宁可适当绕航而尽可能变正横前受 风为正横后受风以有利于航速。尤其是风浪较大且风区较 大时。2.5应根据 24/48H 小时预报结 合实际气象海况勤于修正 计划航线，且 这些修正宜早不宜迟。2.6冬半年应经常收看 500hPa 高空图，主要看高空槽、脊以及高空急流 带的位置、发展趋势，关键是槽前脊后 54005700 之间等高线密集的高空急流区，由于该区域之强暖势气流有利于地面低压发展，故往往 对应为地面低压主要途径及大 风浪区域， 应尽可能避开该海区，冬季西行跨太平洋航线如需穿越 该区域， 则航线尽可能与高空等高 线成直角穿越。3北太平洋远东、美西主要航路航程分析：4以美西奥克兰至日本东京湾航线（未包括港内航程）为例，作为跨太平洋主要航线，根据季 节不同，东、西行区别通常有三条主要航线，即：航法 航程 与大园航线比较航程差 航程增加量A恒向线航线-4692NM +236NM 5.3%B大园航 线-4456NM 0C高纬 度航线-4525NM（Via 白令海） +69 1.55%就服 务于远东美西航线主干线的集装箱船舶而言，季节不同， 东行与西行在航线选择上有很大的区别。夏半年无 论东行或西行一般均以大园航线为首选航线。其变化主要受太平洋副高的强弱变化和西太平洋热带风暴的活动所影响。而冬半年 则东行与西行有很大区别：东行：以大 圆/恒向线/组合航线为主，具体以离港时气象情况而定，变化较大。西行：首 选航线为高纬度航线！其次为低纬度（恒向线）航线，而大园航线因为绝大部分航程通常在高空槽前脊后的西风急流区对应的大风浪频发区，一路顶风顶流，一般不与考 虑。难度最大的冬季西行航线的选择。而高 纬度航线通常指 经由 UNIMAK PASS 进白令海至 ATTU 岛北，然后沿千 岛群岛东侧南下至东京湾外。该航线在设计上有很大的变化，其主要因素为太平洋温带气旋的强度、主要途径，如对应 500hPa 高空图，则主要看太平洋槽和亚洲槽的强度、位置、发展趋势及槽前高空西风急流带（54005700 等高线的密度、走向）等因素。航线一般可分为三段，其分段航法概要如下：航段一：旧金山外通航分隔区北出口航路外端至 UNIMAK PASS，该航段通常有二种航法，一为大园航法-适用于东太平洋上无强的高空槽存在，对应地面温带气旋发展不强，移速不快，海况相对较好的情况。为该航段最短航程。二为 安全航法- 当东太平洋（180o150oW）附近有强高空槽存在，槽前低压发展强盛，移向以东北偏北为主，东太平洋气象海况差的情况下。此 时在保 证安全航行的前提下，应选择航路先沿低压途径东侧偏顺风北上（至 5254oN/130145oW），具体航线设计以尽可能避开低压之强风浪区，并以抵低压 中心北侧（最为理想）后再西行至 UNIMAK PASS，虽然航程将增加 4080 海里，但由于基本上保持正横后受风，可 获得理想的航速，故通常与直插 UNIMAK PASS（穿越低压）相比，航行时间不但不会增加，往往略有节约，不仅有利于安全航行，且有利于节能。故曰安全航法。5航段二： UNIMAK PASS 至 ATTU 岛北侧（白令海），该航段亦由二种航法，即恒向 线和大圆航法，其航程差别不大，主要依气象海况而定，经常因南侧风浪大且偏顶而略上行至较高纬度。航段三： ATTU 岛北侧至东京湾，该航段主要取决于亚洲槽和温带气旋的位置、强度及移动途径。以离千岛群岛东侧距离不同通常也有二种航法，即：当 500hPa 高空亚洲大槽偏西，地面低 压途径以东海/ 黄海日本海太平洋为主时，千岛群岛以东基本上处于低压东侧以偏南风为主，此 时不宜离千 岛群岛太近，故 过 ATTU 岛北侧后可直驶北海道东侧至东京湾。当 500hPa 高空大槽偏东，对应地面低压途径以东海 日本南部（或本洲）阿留申群岛南为主时，千岛群岛东侧基本上 处于低压西北侧，千 岛群岛东侧 自北至南风向通常为 NE/NW/W/SW 逆时针变化，此时应将航路修正为：过 ATTU 岛北侧后尽量西行至勘察加半岛东南后沿千岛群岛东侧尽可能近的安全距离南下， 虽然航程增加 约 50 海里，但由于千 岛群岛对偏西风的良好遮蔽，且受千岛群 岛东侧亲潮的有利因素，与 过 ATTU 岛北侧后可直驶北海道东侧至东京湾航线相比，同样不但不会增加航行 时间，往往可节约航时而有利于节能。有一位 长期服务于太平洋航线船舶的老船长曾告诫我说，冬季自美西港口至远东，往往只有白令海一条路可走，确实 不无道理。 许多船舶由于不敢走高 纬度航线而选择低纬度航线，不但航程/航时大量增加，且往往一路处于低压南侧偏西向大风浪区，所遇风浪往往甚于高纬度航线，导致燃耗大量增加！当然，冬季高纬度航线难 免遭遇大风浪，且高 纬度/白令海往往风雨雪伴随着低温、冰冻、冻雾等，故确保各航行安全设备处 于良好工作状态及航前切 实做好各项冬防安全工作显得尤为重要。如果安全措施到位，认真分析气象，合理设计航线，综合安全航行、班期、节能等诸多因素，则高纬度航线对冬季太平洋西行船舶来 说， 应该 是首选航线。情况特殊、万不得已才考虑低纬度航线。高纬 度航线同样适用于美西始发港为长滩（珞杉叽）西行的船舶。