Nghiên cứu ảnh hưởng của tình trạng vỏ tàu, chân vịt và điều kiện hành hải tới mức tiêu thụ nhiên liệu động cơ diesel tàu thủy

Tiêu thụ nhiên liệu của động cơ diesel tàu thủy trong quá trình khai thác phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Nội dung bài báo tập trung phân tích ảnh hưởng của tình trạng vỏ tàu, chân vịt và điều kiện hành hải tới mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ diesel tàu thủy lai chân vịt, từ đó xác định các hệ số thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố này tới mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ.

JMST TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI Số - 62 (04/2020) JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY (ISSN: 1859-316X) KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TÌNH TRẠNG VỎ TÀU, CHÂN VỊT VÀ ĐIỀU KIỆN HÀNH HẢI TỚI MỨC TIÊU THỤ NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY RESEARCHING INFLUENCE OF SHIP’S HULL, PROPELLER AND SEA CONDITIONS ON THE FUEL CONSUMPTION OF THE MAIN MARINE DIESEL ENGINE NGUYỄN HUY HÀO Khoa Máy Tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Email liên hệ: nghhao@vimaru.edu.vn Tóm tắt Tiêu thụ nhiên liệu động diesel tàu thủy trình khai thác phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác Nội dung báo tập trung phân tích ảnh hưởng tình trạng vỏ tàu, chân vịt điều kiện hành hải tới mức tiêu thụ nhiên liệu động diesel tàu thủy lai chân vịt, từ xác định hệ số thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng yếu tố tới mức tiêu thụ nhiên liệu động Từ khóa: Tiêu thụ nhiên liệu, động diesel tàu thủy, yếu tố khai thác Abstract Fuel consumption of marine diesel engines during operation depends on different factors In this article was researched influence of ship’s hull, propeller and sea conditions on the fuel consumption of the main marine diesel engine And thence, experiment coefficients evaluating the influence of these factors were determined Keywords: Fuel consumption, marine diesel engine, operation factor thiết bị sử dụng nhiên liệu bao gồm: động diesel lai chân vịt, động diesel lai máy phát điện nồi Trong khuôn khổ báo đề cập tới tiêu thụ nhiên liệu cho động diesel lai chân vịt Lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động diesel tính theo giờ, theo ngày, theo chuyến đi, theo tháng theo năm, , nội dung xem xét, đánh giá mức tiêu thụ nhiên liệu cho động theo ngày Việc xác định xác mức tiêu thụ nhiên liệu động điều kiện khai thác thực tế ý nghĩa phân tích giúp hạn chế tượng tiêu cực, đồng thời tránh việc tranh cãi không cần thiết sỹ quan, thuyền viên chủ tàu số liệu tiêu thụ nhiên liệu tàu Nội dung 2.1 Tiêu thụ nhiên liệu cho động theo ngày Về mặt lý thuyết, lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động ngày chế độ định mức xác định theo biểu thức: G 240  g e  N e  Đặt vấn đề Tiêu thụ nhiên liệu tàu thủy vấn đề quan tâm q trình khai thác tàu khơng chủ tàu mà sỹ quan, thuyền viên tàu Đối với chủ tàu, việc kiểm soát tốt mức tiêu thụ nhiên liệu cho phép giảm chi phí nhiên liệu, chi phí chiếm tỷ trọng lớn tổng chi phí khai thác tàu nay, đồng thời việc kiểm soát giảm mức tiêu thụ nhiên liệu cho phép giảm mức phát thải khí làm tăng hiệu ứng nhà kính (CO2), đáp ứng tiêu chuẩn theo Chương Phụ lục VI - Cơng ước quốc tế MARPOL 73/78 có hiệu lực thi hành từ 01/01/2013 Đối với sỹ quan thuyền viên, việc khai thác hiệu nhiên liệu tàu thể trình độ lực trách nhiệm thuyền viên chủ tàu Tiêu thụ nhiên liệu lượng nhiên liệu cần sử dụng cho thiết bị đơn vị thời gian Trên tàu biển, 24 24  G NL  1000 1000 (tấn/ngày) (1) Trong đó: ge0 suất tiêu hao nhiên liệu động chế độ định mức thử động xưởng (kg/mã lực kg/kW giờ); GNL0 lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động chế độ định mức thử nghiệm động xưởng (kg/giờ); Ne0 công suất định mức động thử nghiệm xưởng (mã lực kW) Trong khai thác thực tế, thay đổi lượng hàng hóa mà tàu chuyên chở, thay đổi chế độ công tác động (cơng suất, vòng quay), khác biệt JMST TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI Số - 62 (04/2020) JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY (ISSN: 1859-316X) loại nhiên liệu sử dụng cho động cơ, lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động ngày xác định theo biểu thức (2) [2], [4], [5]: G24  G NL  24  1000  n Q     H  Q   n0  QH   0,25  1  Q0  (tấn/ngày) (2) Trong đó: GNL0 giải thích trên, lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động chế độ định mức thử nghiệm động xưởng (kg/giờ), thường cho hồ sơ kỹ thuật động cơ; Tất yếu tố có ảnh hưởng đến lượng tiêu thụ nhiên liệu động mức độ khác nhau, phạm vi có hạn, nội dung báo tập trung xem xét ảnh hưởng tình trạng vỏ tàu, chân vịt điều kiện hành hải tới lượng tiêu thụ nhiên liệu động diesel 2.2.2 Ảnh hưởng tình trạng vỏ tàu, chân vịt điều kiện hành hải đến lượng tiêu thụ nhiên liệu động diesel tàu thủy lai chân vịt Trên Hình minh họa phối hợp cơng tác động diesel với chân vịt chế độ khai thác tương ứng với điều kiện thử động xưởng Q0 trọng tải (DWT) theo thiết kế tàu (tấn); Q trọng tải thực chở tàu điểu kiện xét (tấn); n n0 tốc độ quay chế độ khai thác thực tế động tốc độ quay định mức điều kiện thử động xưởng (vòng/phút); QH QH0 nhiệt trị thấp nhiên liệu sử dụng thực tế tàu nhiên liệu thử động xưởng (kJ/kg);  0 tỷ trọng nhiên liệu sử dụng thực tế tàu nhiên liệu thử động xưởng 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lượng tiêu thụ nhiên liệu động diesel tàu thủy lai chân vịt 2.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến lượng tiêu thụ nhiên liệu động Dựa kết thử nghiệm động xưởng (thử nghiệm động trước xuất xưởng), biểu thức (2) người ta xác định lượng tiêu thụ nhiên liệu cho động theo ngày điều kiện khai thác thực tế Tuy nhiên, lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động khơng phụ thuộc vào lượng hàng hóa chuyên chở thực tế chế độ khai thác động mà chịu ảnh hưởng loạt yếu tố như: - Tình trạng vỏ tàu chân vịt; - Điều kiện hành hải tàu, cụ thể điều kiện mặt biển (sóng, gió, dòng chảy, ), chiều sâu luồng lạch, ; - Tình trạng kỹ thuật động diesel thiết bị liên quan (thiết bị cung cấp nhiên liệu, tua bin tăng áp) ; - Điều kiện khí hậu, mơi trường, Hình Minh họa phối hợp cơng tác động diesel với chân vịt tương ứng với điều kiện thử động xưởng Với tàu cụ thể, trước xuất xưởng người ta xây dựng đường cong bậc ba (C) biểu diễn thay đổi công suất tiêu thụ chân vịt theo tốc độ quay tương ứng với điều kiện thử động xưởng, cụ thể đường cong (C) phải qua điểm N(n0, Ne0), với n0 Ne0 tốc độ quay công suất định mức động thử xưởng Đường cong (C) gọi đường đặc tính chân vịt chuẩn hay đặc tính chân vịt lý thuyết Giao điểm đường cong (C) đặc tính ngồi định mức động (ha0 = const) gọi điểm phối hợp công tác động với chân vịt, cơng suất tiêu thụ chân vịt cơng suất mà động cung cấp cho Trong q trình khai thác, ảnh hưởng tăng sóng, gió, ngược dòng chảy, làm cho công suất tiêu thụ chân vịt tăng lên Bên cạnh đó, theo thời gian khai thác, vỏ tàu khơng giữ độ phẳng, nhẵn tác động sóng biển, vỏ tàu chân vịt bị sinh vật biển (hàu, hà) bám vào, làm gia tăng sức cản vỏ tàu Khi đặc tính chân vịt khơng thiết kế ban đầu mà chuyển sang JMST TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI Số - 62 (04/2020) JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY (ISSN: 1859-316X) đặc tính chân vịt (C1) dốc so với đường cong (C) mơ tả Hình Khi tình trạng vỏ tàu, chân vịt đi, cộng với điều kiện hành hải khó khăn hơn, để trì tốc độ quay động n0 trước cơng suất động cần tăng thêm từ Ne0 tới Ne1 (Hình a) Trong đó, với việc giữ nguyên tốc độ quay động n0 tốc độ tàu bị giảm từ V0 xuống V1 (Hình b) để trì tốc độ tàu cũ tốc độ quay động cần phải tăng từ n0 tới n2, tương ứng với tăng công suất động tới giá trị Ne2 (lớn Ne1) Như tình trạng vỏ tàu, chân vịt điều kiện hành hải có ảnh hưởng lớn đến lượng nhiên liệu tiêu thụ động Để đánh giá mức độ ảnh hưởng này, biểu thức xác định lượng nhiên liệu tiêu thụ cần phải đưa thêm vào hệ số hiệu chỉnh Gọi k1 hệ số hiệu chỉnh có kể đến ảnh hưởng tình trạng vỏ tàu chân vịt, k2 hệ số hiệu chỉnh có kể đến ảnh hưởng điều kiện hành hải, đó, biểu thức (2) viết lại thành: G24  G NL  24  1000  n Q      H   (1  k1  k ) Q   n0  QH   0,25  1  Q0  (tấn/ngày) (3) 2.2.3 Xác định hệ số hiệu chỉnh xem xét ảnh hưởng tình trạng vỏ tàu, chân vịt điều kiện hành hải tới mức tiêu thụ nhiên liệu động Để xác định lượng tiêu thụ nhiên cho động theo biểu thức (3) cần xác định hệ số hiệu chỉnh k1 k2 Các hệ số hiệu chỉnh xác định theo biểu thức sau - Hệ số ảnh hưởng tình trạng vỏ tàu chân vịt k1 xác định theo biểu thức [1], [2]: k1  k R   p0 1 p (4) Trong đó: po p hiệu suất chân vịt hiệu suất chân vịt sau thời gian khai thác; kR hệ số gia tăng sức cản vỏ tàu sau thời gian khai thác xác định theo biểu thức thực nghiệm IU.A.Sved:   k R   1,7  0,4110,0012Tkt , với Tkt thời gian khai thác tính từ lúc tàu xuống đà (tháng) - Hệ số ảnh hưởng điều kiện sóng gió k2 xác định theo biểu thức thực nghiệm [1]: k2 = kw – 1, với k   w W a Fr  0,05 , (5) Trong đó: a hệ số phụ thuộc cấp sóng, a  65 , với P P cấp sóng; W tiêu chuẩn chịu sóng xác định theo biểu thức: W L1 / T  10 L(2.B.T )1,5 (6) Trong đó: Fr trị số Froude phụ thuộc vào chiều dài tàu L (m) tốc độ V tàu (hải lý/giờ); T chiều chìm tương ứng với lượng chiếm nước thiết kế D tàu (m); Hình Ảnh hưởng tình trạng vỏ tàu, chân vịt điều kiện sóng gió tới chế độ cơng tác động diesel tàu thủy lai chân vịt JMST TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI Số - 62 (04/2020) JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY (ISSN: 1859-316X) L B chiều dài chiều rộng tàu (m);  hệ số béo tàu:   D L.B.T 2.3 Kết tính lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động Để đánh giá độ tin cậy biểu thức xác định lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động có kể đến ảnh hưởng tình trạng vỏ tàu, chân vịt điều kiện sóng gió, tiến hành tính tốn lượng nhiên liệu tiêu thụ theo biểu thức (3) cho tàu cụ thể, kết tính tốn sau so sánh với lượng nhiên liệu tiêu thụ đo thực tế tàu Số liệu tham khảo lấy chuyến hành trình tàu X, từ Quảng Ninh Đồng Nai, quan sát thực liên tục khoảng thời gian 25 hành trình ổn định tàu, thể Bảng - Từ thông số kỹ thuật tàu thông số quan sát thực tế chuyến đi, dựa vào biểu thức (4) xác định hệ số hiệu chỉnh có kể đến ảnh hưởng tình trạng vỏ tàu, chân vịt theo thời gian khai thác k1, phụ thuộc hệ số k1 theo thời gian tính từ tàu xuống đà thể Hình Hệ số hiệu chỉnh k2 xác định dựa vào biểu thức (5) (6) theo thông số điều kiện hành hải cụ thể chuyến (được cho Bảng 1) Cụ thể: hệ số ảnh hưởng tình trạng vỏ tàu, chân vịt k1 = 0,05611; hệ số ảnh hưởng điều kiện hành hải k2 = 0,09576195; - Tiếp theo, tiến hành tính tốn lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động dựa vào biểu thức (3) theo hệ số hiệu chỉnh k1 k2 biết thông số cho Bảng 1, ta G24 = 11,866 (tấn/ngày); - Lượng nhiên liệu tiêu thụ thực tế tàu quan sát trực tiếp két FO (G két) bao gồm: lượng nhiên liệu tiêu thụ ngày cho động (G24-tt); lượng nhiên liệu tiêu thụ ngày cho nồi (G NH); lượng nhiên liệu hao hụt ngày xả đáy két, xả cặn máy lọc (G xc), lượng nhiên liệu tiêu thụ thực tế cho động ngày tính: G24-tt = Gkét - GNH - Gxc = 12,707- 0,95 - 0,25 = 11,507 (tấn/ngày) Bảng Thông số kỹ thuật tàu số liệu quan sát chuyến [5] STT Thông số kỹ thuật Giá trị STT Thông số quan sát Giá trị Loại tàu Hàng rời Thời gian quan sát 25,44 Loại động cơ: MAN-B&W 6L35MC Cấp sóng Cơng suất định mức, Ne0 4.200 hp Cấp gió Vòng quay định mức, n0 170 RPM Áp suất môi trường 760 mmHg Chiều dài tàu, L 135 m Nhiệt độ buồng máy 42oC Chiều rộng tàu, B 22 m Độ ẩm mơi trường 80% Chiều chìm thiết kế, T 8,365 m Tốc độ quay động cơ, n 150 RPM Trọng tải thiết kế, Q0 15.502,24 Trọng tải thực chở, Q 15.000 11 Lượng chiếm nước thiết kế, D 19.167,16 11 Thời gian từ xuống đà, Tkt tháng 12 Hiệu suất chân vịt thiết kế, p0 70% 12 Tốc độ tàu, V 12,5 hải lý/giờ 13 Tốc độ thiết kế, V0 14,2 hải lý/giờ 13 Quãng đường quan sát 318 hải lý 14 Nhiệt trị nhiên liệu thử, QH0 42.460 kJ/kg 14 Hiệu suất chân vịt, p 67% 15 Tỷ trọng nhiên liệu thử, 0 0,8638 15 Nhiệt trị nhiên liệu sử dụng, QH 42.230 kJ/kg 16 Suất tiêu hao nhiên liệu,ge 131,97 g/hp.h 16 Tỷ trọng nhiên liệu sử dụng,  0,987 17 Tiêu thụ nhiên liệu, GNL0 554,279 kg/giờ 17 Tiêu thụ FO đo két, Gkét 12,707 tấn/ngày 18 Tiêu thụ FO cho nồi hơi, GNH 0,95 tấn/ngày 19 Hao hụt FO xả cặn, Gxc 0,25 tấn/ngày JMST TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI Số - 62 (04/2020) JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY (ISSN: 1859-316X) 0.09 Hệ số ảnh hưởng, k1 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Thời gian tính từ xuống đà gần (tháng) Hình Sự phụ thuộc hệ số hiệu chỉnh k1 theo thời gian khai thác Sai số kết tính tốn số liệu đo thực tế: G24  11,866  11,507  3,12 % 11,507 Kết luận Việc xác định hệ số hiệu chỉnh k1, k2 giúp đánh giá cách tường minh ảnh hưởng tình trạng vỏ tàu, chân vịt điều kiện hành hải tới mức tiêu thụ nhiên liệu động diesel tàu thủy lai chân vịt Với sai số khoảng 3% so với số liệu đo thực tế kết tính tốn phù hợp, nhiên điều kiện cho phép, nhóm tác giả mong muốn tiến hành kiểm tra thêm số kiểu loại tàu khác để khẳng định tính đắn kết Ngoài ra, trường hợp điều kiện sóng gió thay đổi liên tục sử dụng biểu thức (3) để tính tốn thay tính lượng tiêu thụ nhiên liệu 24 cần tính tốn tương ứng với khoảng thời gian mà điều kiện sóng gió coi ổn định [5] Instruction manual for Hanshin diesel engine Man - B&W 6L35MC Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 09/02/2020 10/03/2020 20/03/2020 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C.B Barrass Ship Design and Performance for Masters and Mates Elsevier ButterworthHeinemann, 2004 [2] Hans Otto Kristensen, Marie Lutzen Prediction of Resistance and Propulsion Power of Ships Denmark, 2012 [3] PhD Hachiri Kido The basic of diesel plant performance calculation MTC Kobe, 2001 [4] Tiêu chuẩn ISO 15016:2014 ... xét ảnh hưởng tình trạng vỏ tàu, chân vịt điều kiện hành hải tới lượng tiêu thụ nhiên liệu động diesel 2.2.2 Ảnh hưởng tình trạng vỏ tàu, chân vịt điều kiện hành hải đến lượng tiêu thụ nhiên liệu. .. Xác định hệ số hiệu chỉnh xem xét ảnh hưởng tình trạng vỏ tàu, chân vịt điều kiện hành hải tới mức tiêu thụ nhiên liệu động Để xác định lượng tiêu thụ nhiên cho động theo biểu thức (3) cần xác... tàu cũ tốc độ quay động cần phải tăng từ n0 tới n2, tương ứng với tăng công suất động tới giá trị Ne2 (lớn Ne1) Như tình trạng vỏ tàu, chân vịt điều kiện hành hải có ảnh hưởng lớn đến lượng nhiên