船舶燃油监控系统的研发应用
摘 要：船舶燃油消耗是航运企业最主要成本之一，而船舶燃油的管理是又一个十分复杂的课题。由于近年来世界原油市场价格上涨，燃油费用占企业的成本越来越大，因此企业也越来越关注越来越重视船舶燃油的管理，因为对企业来讲意味着效益。从管理着手，挖掘能源节约的潜力是当前船舶航运企业节能发展的方向。
关键词：船舶燃油消耗测量;自动化船舶燃油消耗监控系统;研发应用
中图分类号：TH12 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）03-0059-02
通过近两年的研发和公司分别对三航拖3003轮及三航拖3005轮進行的应用，并对系统进行了升级，修补了之前在使用过程中的漏洞及工作中的不完善点，同时为了实现科学化、精细化管理，我们将该系统与公司现有的岸基管理系统进行了对接。
1 项目节能减排技术原理
研发小组通过多年船舶的工作经验和分析，机动船舶长航采取经济转速航行，因功率与航速、转速的三次方互相成正比;即航速与转速成正比，所以转速减少，油耗与航速不是等比减少，而是呈开口向上曲线关系。对于拖轮每个航次所拖带的负载不同所需的经济转速也是不同，每百海里油耗相差约0.5～1吨。因此船舶燃油监控系统基于集中显示分散控制监控系统的网络架构，通过对船舶日用油柜的进油量和出油量实时监测，实现对船舶的各种工况下油耗的实时监测，对异常油耗做出报警提示，并能够得出经济航行模式，自动提醒船舶驾驶员采用经济航速，从而达到降低油耗，节约成本的目的。同时该系统能自动产生船舶在各种工况下的瞬时油耗报表，平均油耗报表及燃油消耗的总报表。其故障自诊断功能，能实时监控本系统内部的各个传感器和采集模块的工作状态，并对异常状态做出报警。
2 项目实施方案
2.1 系统功能及架构
HS2012型船舶燃油监控系统通过集中显示分散控制监控系统的网络架构，对船舶进油量和出油量实时监控，其主要功能有：（1）系统功能使用数字及曲线图显示各个主机和发电机的耗油量;（2）显示所有报警及其参数;具有参数设置功能（必须登录系统管理员账号）;（3）具有查询及打印耗油量日报表功能;（4）具有查询及打印历史耗油量曲线功能;（5）具有报警历史查询及打印功能;（6）通过北斗卫星或者3G模块定时发送油报到公司;（7）公司管理层可以通过网页浏览每条船的油报记录;（8）能够自动判别船舶处于何种工况，并计算相应的油耗;（9）能够统计船舶的年利用率。
根据功能船舶燃油监控系统要求，项目组充分利用多种先进的信息技术，按照以需求为导向、经济实用有效为原则，对系统的业务应用架构模型进行了认真研究和设计。该系统由船舶燃油智能化监控系统也就是俗称的机关端、船舶燃油监控数据采集系统也就是俗称的船舶端、3G网络或北斗系统、以及岸基管理信息系统PMS组成。终端软件安装在船舶计算机上，负责数据采 集工作，并通过3G网络或北斗系统、以标准格式式定时地传送到岸基管理信息系统上，公司船舶管理人员通过岸基管理信息系统即可了解营运船舶的油耗状态，并通过综合分析，对船舶的油耗正常或异常及时做出不同的判断，并在生产调度、船舶状态、海况情况等综合数据支持下做出合理的航行修订方案，指导船舶及时调整。
2.2 数据测量
HS2012型船舶燃油监控系统监测船舶以下参数：
2.2.1 耗油测量
通过燃油流量传感器和压力式液位传感器可分别测出燃油日用柜的进油量和剩余油量，从而计算出实际耗油量。
理论计算公式如下：
V（h）—燃油日用柜舱容函数;P1—燃油日用柜液位压力;S—进油管截面积;V—涡轮流量计测出进油管燃油流速;Q—燃油密度;g—重力加速度;H1—燃油日用柜残留液位高度;H—燃油日用柜实时液位高度;Qin—进油总量;Qout—出油总量;Qt0—燃油日用柜残留油量;Qt1—燃油日用柜当前油量;t—累计进油时间;
根据帕斯卡定律，得出：H1=P/（Q*g）;
计算出燃油日用柜残留油量：Qt0=V（H1）;
燃油日用柜当前油量：Qt1=V（H）;
根据流量传感器实测的流速，可以计算出进油总量：Qin=V*S*t;
因此，可以计算出单位时间t内消耗的燃油总量是：Qout=Qin+Qt0-Qt1。（按燃油体积计算）。如测重油，则须在沉淀油柜入口处增加燃油流量计。
2.2.2 主机转速测量
从主机测速传感器上取信号，经过F-V变换转成0～10V信号。
2.2.3 主机运行时间统计
当主机转速高于50转时开始累加计时;当主机转速低于50转时，停止累加计时。
2.2.4 发电机组有功功率测量
通过电压，电流互感器实时采集电网参数，经过功率变送单元计算得出发电机主的有功功率。
2.2.5 发电机组运行时间统计
当发电机组有功功率大于1000W时开始累加计时;当发电机组有功功率小于1000W时停止累加计时。
2.2.6 航程计算
通过RS422通讯，从GPS中读取航行坐标，并计算出航行的海里数。
2.2.7 传感器状态检测
从HS6810网络服务器上读取各个传感器状态。
2.2.8 DCS系统状态检测
通过船载客户端软件实时在线判断得出。
2.2.9 经济油耗输入
通过岸基服务端软件输入，自动下载到船载客户端软件上。
2.3 数据处理
2.3.1 工况自动判别及工况工作时间统计
航行机动船：可分为3种工况：（1）航行工况：当主机转速高于50转时，判定该船处于航行工况;（2）港作工况：当主机转速高于50转时，船舶的当前位置与船舶的初始位置的距离小于10海里;（3）停泊工况：当主机转速低于50转时，判定该船处于停泊工况。
2.3.2 油耗计算
（1）航行工况：油耗=（本航次当前耗油总量）/（本航次当前航行海里数）*100。该计算值为每100海里航程的耗油量。（2）停泊工况：油耗1=（当前工况下耗油总量）/（发电机组当前发出有功总量）。该计算值为发电机组产生每千瓦时有功时的耗油量。油耗2=（当前工况下耗油总量）/（当前工况累计时间）。该计算值为发电机组每小时耗油量。（3）港作工况：油耗=（本航次当前耗油总量）/（本航次当前航行海里数）*100。该计算值为每100海里航程的耗油量。
2.3.3 油耗测试模式
当主机转速高于50转时，工作模式设置为油耗测试模式时，测试模式下，需要设定5档主机转速，每一档主机转速1小时，自动计算出当前航速百海里油耗;同时，系统自动保存经济油耗航速值，并绘制出经济油耗曲线。根据上述工况自动判定逻辑，船载客户端软件可以自动统计出每个工况的工作时间，并产生相应的报表。
2.4 HS2012型船载数据测量箱
HS2012型船载数据测量箱由HS系列数据测量模块，输出逻辑控制模块，网络分配器以及HS6810网络服务器等组成，将传感器测量信号转换成对应的数字信号，并将该数字信号经过以太网发送到船载显示终端计算机上。
HS2012型船载数据测量箱也可以接受来自船载终端计算机上的输出命令，实现逻辑控制输出及仪表显示信号还原等功能。
HS2012型船载数据测量箱由2层网络组成：双以太网+双CAN通讯。
2.5 HS2012型船舶燃油监控系统船载客户端
主要功能如下：（1）实时监测系统的各部件的工作状态，一旦异常，立即触发报警提示，并记录保存;（2）实时监测船舶油耗，并自动绘制出各种工况下的燃油使用的历史趋势图;同时，对异常油耗做出报警提醒，并记录保存;（3）历史平均油耗计算功能;可以自动计算出历史平均油耗，分2种：1）平均百海里油耗;2）平均千瓦时油耗;并以趋势图的形式显示出来;（4）报警记录及事件查询功能;（5）参数设置功能;（6）数据远传功能;HS2012型船舶燃油监控系统船載客户端可以定时将监控的历史记录和当前测量值写入到第三方数据库里面;通过第三方软件访问该数据库，并将数据经3G网络或北斗卫通发送到岸基
2.6 HS2012型船舶燃油监控系统岸基船载服务端软件
HS2012型船舶燃油监控系统岸基船载服务端软件的主要功能是从标准数据库中读取船载客户端软件发送出来的数据，并以报表或图形的形式显示出来。管理层可以通过HS2012型船舶燃油监控系统岸基船载服务端软件实时了解船舶能耗情况。
HS2012型船舶燃油监控系统岸基船载服务端软件具体功能如下：（1）船舶查询输入;输入船名即可查询该船的燃油使用记录和设备状态;（2）参数设置界面：设置每条船的经济油耗曲线;（3）报表产生设置：设置报表产生的方式;（4）报表查询;（5）打印功能;（6）组网功能：允许局域网内所有客户端机器访问;
3 推广应用条件
船舶燃油监控系统的研发是通过不断的对船舶燃油消耗历史数据的分析、评估以及船舶油耗的实时监控检查，以及相同类型船舶航次的比照得出。相对于现在行业内的其他同类系统的安装在发动机的总进油管上安装流量计，来采集发动机的实时消耗量而言，该系统采用在燃油日用柜上安装涡轮流量传感器和压力式液位传感器测得进油量和剩余油量，从而计算出实际耗油量，在行业内具有较为领先的地位。该系统在设计初期和更新过程中充分的考虑了人性化的概念，目前可以通过对船员进行使用介绍学习和充分的使用来达到系统效果。在资金方面近年主要资金花费主要有先期研发设备购置安装费用和由燃油监控的软件更新、感应探头的更换、处理器及数据传送方式的维修等。目前设备性能趋于稳定，目前适用范围已尝试不断的推广到了三航桩16等工程船舶上进行应用。
4 项目成效
4.1 社会效益
船舶燃油智能化监控系统的成功实施，有效地降低了港航行业船舶燃油的消耗量，为国家和企业节约了大量能源，保护了环境，体现了中交三航作为一个大型的央企对社会负责任的态度。船舶燃油监控系统”集多种信息技术应用于一体，是利用信息技术达到管理节能的成功尝试，走出了一条确保企业与社会利益双赢的可持续发展道路，为企业的节能减排提供了一个切实有效的实例。
4.2 经济效益
系统的成功使用，实现了管理人员对燃油的跟踪和科学监控。达到了预期节能目标，项目实施后以三航拖3003为例，情况如表1：
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