Xây dựng phần mềm tính toán mức tiêu thụ nhiên liệu động cơ diesel chính tàu thủy khi có xét đến ảnh hưởng của tình trạng vỏ tàu, chân vịt và điều kiện khai thác

Trong nội dung bài viết giới thiệu kết quả xây dựng phần mềm tính toán mức tiêu thụ nhiên liệu động cơ diesel chính tàu thủy khi có xét đến ảnh hưởng tổng hợp của tình trạng vỏ tàu, chân vịt và điều kiện khai thác.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TỐN MỨC TIÊU THỤ NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL CHÍNH TÀU THỦY KHI CĨ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA TÌNH TRẠNG VỎ TÀU, CHÂN VỊT VÀ ĐIỀU KIỆN KHAI THÁC BUILDING THE FUEL CALCULATION SOFTWARE OF THE MAIN MARINE DIESEL ENGINE UNDER INFLUENCES OF SHIP’S HULL, PROPELLER AND OPERATION CONDITIONS NGUYỄN HUY HÀO*, NGUYỄN ĐẠI AN, LÊ ĐĂNG KHÁNH Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: nghhao@vimaru.edu.vn Tóm tắt Trong q trình khai thác tàu, việc sử dụng phần mềm tính tốn tiêu thụ nhiên liệu giúp cho chủ tàu sỹ quan, thuyền viên dễ dàng tính tốn, kiểm sốt mức tiêu thụ nhiên liệu động diesel tàu thuỷ Trong nội dung báo giới thiệu kết xây dựng phần mềm tính tốn mức tiêu thụ nhiên liệu động diesel tàu thủy có xét đến ảnh hưởng tổng hợp tình trạng vỏ tàu, chân vịt điều kiện khai thác Từ khóa: Phần mềm tính tốn nhiên liệu, mức tiêu thụ nhiên liệu, động diesel chính, tình trạng vỏ tàu chân vịt, điều kiện khai thác Abstract During operation of the ship, the fuel calculation software will help ship’s owners and operators easily to calculate and control the fuel consumption of the engines In this article was introduced the result of building of the fuel calculation software of the main marine diesel engine under influences of ship’s hull, propeller and operation conditions Keywords: Fuel calculation software, fuel consumption, main diesel engine, ship’s hull and propeller condition, operation conditions Đặt vấn đề Việc tính tốn định mức tiêu thụ nhiên liệu cho động diesel tàu thủy cách xác gần sát mức tiêu thụ nhiên liệu thực tế tàu mong muốn nhà quản lý chủ tàu điều kiện chi phí nhiên liệu chiếm tỷ lệ ngày cao tổng chi phí khai thác tàu Hiện có số chương trình tính mức tiêu thụ nhiên liệu cho động diesel tàu thủy, nhiên chương trình chưa xét đến đầy đủ ảnh hưởng yếu tố đến mức tiêu thụ nhiên liệu động Chính SỐ 67 (8-2021) vậy, việc xây dựng phần mềm tính tốn có xét đến ảnh hưởng tổng hợp yếu tố khai thác đến động đưa số liệu mức tiêu thụ nhiên liệu sát với thực tế Phương pháp nghiên cứu Để thực mục tiêu nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phân tích, thống kê thu thập, xử lý số liệu sử dụng, cụ thể: - Nghiên cứu lý thuyết sử dụng để phân tích, tổng hợp yếu tố ảnh hưởng đến mức tiêu thụ nhiên liệu động diesel tàu thuỷ q trình khai thác, đồng thời đưa hệ số hiệu chỉnh đặc trưng cho ảnh hưởng Các hệ số hiệu chỉnh hàm phụ thuộc vào thời gian khai thác tàu, tình trạng kỹ thuật vỏ tàu chân vịt, điều kiện hành hải, yếu tố khí hậu, loại nhiên liệu sử dụng, trọng tải tàu,… - Việc thu thập số liệu thống kê trình khai thác thực tế sử dụng để lựa chọn giá trị hệ số thực nghiệm biểu thức hệ số hiệu chỉnh - Lý thuyết lập trình kỹ thuật xây dựng phần mềm sử dụng để xây dựng phần mềm tính tốn lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động dựa ngơn ngữ lập trình MATLAB - Cuối cùng, việc chạy thử nghiệm phần mềm dựa số liệu khai thác thực tế tàu cụ thể thực nhằm đánh giá tính ổn định, khả xử lý phần mềm độ tin cậy mô hình tính xây dựng Nội dung 3.1 Cơ sở tính tốn mức tiêu thụ nhiên liệu động diesel tàu thủy xét đến ảnh hưởng tổng hợp yếu tố Việc tính tốn tiêu thụ nhiên liệu cho động diesel tàu hành trình biển xuất phát từ biểu thức tính mức tiêu thụ nhiên liệu theo số liệu thử nghiệm xuất xưởng động 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Một cách lý thuyết, điều kiện làm việc định mức, lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động diesel tàu theo ngày xác định theo biểu thức [6]: G240  g e0  N e G  24  NL  24 (tấn/ngày), 1000 1000 (1) Trong đó: ge0 suất tiêu thụ nhiên liệu định mức động chế độ thử động xưởng (kg/hp.giờ); Ne0 công suất định mức động (Maximum Continuous Output - MCO) thử động xưởng (hp); GNL0 lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động diesel tương ứng với chế độ làm việc định mức động điều kiện thử nghiệm (kg/giờ) Tuy nhiên điều kiện vận hành thực tế, lúc tiêu thụ nhiên liệu cho diesel giống thử động xưởng có số khác biệt chế độ làm việc động cơ, trọng tải hàng hoá (hành khách), tình trạng kỹ thuật vỏ tàu chân vịt, điều kiện khai thác (điều kiện mặt biển, thông số môi trường, loại nhiên liệu sử dụng, ) so với điều kiện thử xuất xưởng Chính vậy, để xác định lượng tiêu thụ nhiên liệu cho động sát với thực tế biểu thức tính tốn (biểu thức (1)) cần phải đưa thêm vào hệ số hiệu chỉnh để đánh giá ảnh hưởng khác biệt Khi đó, biểu thức tính tốn mức tiêu thụ nhiên liệu cho động diesel (1) viết lại sau: (2) Trong đó: n n0 tốc độ quay động (vịng/phút) điều kiện hành trình thực tế thử động xưởng; ki hệ số đánh giá ảnh hưởng tổng hợp yếu tố kể đến lượng nhiên liệu tiêu thụ động Biểu thức (2) viết:  n G G 24  NL     24  1  k1  k  k  k  k  1000  n  (tấn/ngày) , Các hệ số hiệu chỉnh ki xác định dựa vào biểu thức lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, cụ thể: - Hệ số đánh giá ảnh hưởng tình trạng kỹ thuật vỏ tàu, chân vịt k1 xác định theo biểu thức [1, 2, 6]: k1  k R   k r   p0 1 p (4) Trong đó: kR hệ số bổ sung công suất cần thiết cho động để khắc phục tăng thêm sức cản tàu; kr hệ số đánh giá mức độ tăng công suất yêu cầu động tăng thêm sức cản vỏ tàu sau thời gian khai thác tính từ tàu xuống đà,   k r   1,7  0,4110,0012Tkt , với Tkt thời gian tính từ tàu xuống đà (tháng);  p0 p hệ số đánh giá mức độ tăng công suất yêu cầu động giảm hiệu suất làm việc chân vịt sau khoảng thời gian khai thác, với p p0 hiệu suất chân vịt thời điểm tàu xuất xưởng Hệ số  p0 p xác định theo đồ thị thực - Hệ số đánh giá ảnh hưởng điều kiện hành hải k2 xác định theo biểu thức [6]: k2 = kW – 1, (5) Trong đó: kw hệ số tăng công suất động để khắc phục tăng thêm sức cản điều kiện sóng, gió, xác định theo biểu thức thực nghiệm [1, 6] phụ thuộc vào kích thước hình học tàu (chiều dài L, chiều rộng B, chiều chìm T, lượng chiếm nước D, ), trị số Froude tàu, cấp sóng, cấp gió, - Hệ số đánh giá ảnh hưởng điều kiện khí hậu k3 xác định theo biểu thức [7]: (3) Trong đó: tỷ số (n/n0) đánh giá ảnh hưởng chế độ làm việc động cơ; k1 hệ số xét đến ảnh hưởng tình trạng kỹ thuật vỏ tàu, độ nhẵn phẳng, bề mặt chân vịt; k2 hệ số đánh giá ảnh hưởng điều kiện hành hải; k3 hệ số đánh giá ảnh hưởng điều kiện môi trường; k4 hệ số kể đến khác biệt giá trị nhiệt trị thấp QH nhiên liệu sử dụng so với nhiên liệu thử nghiệm động xưởng; k5 hệ số đánh giá ảnh hưởng chiều chìm tàu thay đổi lượng hàng hoá (hành khách) mà 24 tàu mang theo nghiệm [3, ] n G G 24  NL     24  1   k i  (tấn/ngày), 1000  n0  ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI k3  P  b  289    735  T  , 75  760  1, P (6) Trong đó: P (mmHg) áp suất môi trường; b (mmHg) áp suất riêng phần nước nhiệt độ khai thác tại; T (K) nhiệt độ khơng khí buồng máy tàu hành trình - Ảnh hưởng nhiên liệu sử dụng đến khả phát công suất động đánh giá qua hệ SỐ 67 (8-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY số hiệu chỉnh k4 theo biểu thức [3, 4]: k4  QH 1 QH (7) Trong đó: QH (kJ/kg) giá trị nhiệt trị thấp nhiên liệu sử dụng tại; QH0 (kJ/kg) giá trị nhiệt trị thấp nhiên liệu sử dụng thử xuất xưởng động - Hệ số đánh giá ảnh hưởng thay đổi chiều chìm tàu k5 xác định theo biểu thức [2, 5]: k5  1 Q   0,25    1  Q0  (8) Trong đó: Q0 mức trọng tải danh nghĩa (DWT) tàu (tấn); Q trọng tải hàng hoá (hành khách) thực tế mà tàu chuyên chở (tấn) Phương trình (3) với hệ số thực nghiệm ki sau xây dựng xong sử dụng để tính tốn cho tàu cụ thể Kết tính tốn so sánh với số liệu tiêu thụ nhiên liệu thực tế đo tàu với sai số 3,38% 3.2 Xây dựng phần mềm tính tốn mức tiêu thụ nhiên liệu động diesel tàu thủy 3.2.1 Xây dựng sơ đồ thuật toán Bài toán xác định lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động diesel tàu thuỷ xét đến ảnh hưởng yếu tố khai thác tiến hành theo sơ đồ thuật tốn Hình Các liệu đầu vào cần thu thập bao gồm: thông số kỹ thuật tàu động theo hồ sơ thiết kế (các thơng số hình học thiết kế tàu: L, B, T, Q0, D, p0, tốc độ tàu theo thiết kế V0; thông số thử xuất xưởng động cơ: Ne0, n0, QH0, ge0, GNL0, ), thời gian từ sau tàu xuống đà Tkt, thông số theo hành trình thực tế (Q, V, p, n, QH, ), thơng số điều kiện khí hậu hải dương (cấp sóng, cấp gió, áp suất độ ẩm mơi trường, nhiệt độ buồng máy,…), thời gian hành trình, quãng đường hành trình, 3.2.2 Lựa chọn ngơn ngữ xây dựng phần mềm Để phục vụ cho việc xây dựng phần mềm theo yêu cầu đặt ra, sử dụng nhiều ngôn ngữ khác JavaScript/Java, C#/C/C++, Python,… Tuy nhiên, ngơn ngữ địi hỏi người sử dụng cần có kiến thức chuyên sâu kinh nghiệm lập trình Quen thuộc người dùng sử dụng bảng tính Microsoft Excel, nhiên Microsoft Excel SỐ 67 (8-2021) Hình Sơ đồ thuật tốn xác định lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động diesel tàu thuỷ khơng hỗ trợ nhiều cơng cụ chức tính tốn phức tạp Thêm nữa, chương trình dễ bị can thiệp, thay đổi làm ảnh hưởng đến kết tính tốn Ngồi ra, phương pháp cơng thức tính tốn dễ dàng truy cập nên khó giữ tính bảo mật quyền người xây dựng chương trình Trên sở phân tích ngơn ngữ, gói phần mềm có, nhóm tác giả định lựa chọn ngơn ngữ lập trình MATLAB để giải tốn đặt ban đầu MATLAB viết tắt “Matrix Laboratory”, ngơn ngữ lập trình cao cấp hệ thứ tập đoàn phần mềm MATHWORKS, với tính bản: - Cung cấp thuật tốn có khả tính tốn số phát triển ứng dụng; - Cung cấp hàm toán học phổ biến đại số tuyến tính, lọc, tối ưu hóa, tích phân, thống kê, phân tích Fourier giải phương trình vi phân bình thường; - Cung cấp đồ thị để hiển thị hình ảnh liệu công cụ tạo đồ thị; - Cung cấp công cụ phát triển nâng cao khả bảo trì chất lượng mã tối đa hiệu suất; - Cung cấp công cụ xây dựng ứng dụng; - Cung cấp hàm để tích hợp thuật tốn với ứng dụng bên ngồi ngơn ngữ lập trình khác,… MATLAB tích hợp với Java C/C++, người lập trình thực tất khối lượng cơng 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ việc khơng phải số ngơn ngữ gọi chúng từ MATLAB MATLAB dễ dàng tương tác với Microsoft Excel để nhập/xuất liệu tính tốn Một điểm quan trọng giao diện chương trình thân thiện với người sử dụng Do giới hạn phạm vi báo tính bảo mật nên phần mã nguồn phần mềm tính tốn tiêu thụ nhiên liệu cho động diesel khơng giới thiệu 3.2.3 Giới thiệu phần mềm tính tốn mức tiêu thụ nhiên liệu động diesel tàu thủy Sau chạy chương trình, giao diện chương trình cho phép người sử dụng nhập số liệu đầu vào bao gồm thông số kỹ thuật tàu động diesel chính, thơng số khai thác (thơng số quan sát),… (Hình 2) Đơn vị đo đại lượng vật lý ấn định trước hiển thị giao diện giúp người sử dụng không bị nhầm lẫn thứ nguyên làm ảnh hưởng đến kết tính Ở cần lưu ý thêm: quãng đường quan sát quãng đường có tiến hành thực nghiệm, thu thập thông số quan sát (thông số khai thác) tàu, thơng ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY thường quãng đường quan sát khoảng cách hành trình tàu mà thơng số quan sát bao gồm chế độ khai thác động tàu (tốc độ quay động cơ, trọng tải tàu), điều kiện khí hậu (nhiệt độ, áp suất môi trường), điều kiện mặt biển (cấp sóng, cấp gió,…) ổn định thay đổi khơng đáng kể, quãng đường quan sát sử dụng để tham chiếu, thành phần mơ hình tính tốn Thời gian quan sát thời gian mà tàu hành trình tương ứng với quãng đường quan sát chọn Thời gian quan sát sử dụng để tính tốn, quy đổi lượng nhiên liệu tiêu thụ động theo ngày Các số liệu thu thập thời gian quan sát, bao gồm thông số khai thác động tàu, điều kiện khí hậu, điều kiện mặt biển,… số liệu đo lượng nhiên liệu tiêu thụ thực tế tàu Do điều kiện khí hậu, sóng, gió vùng biển thời điểm thay đổi khác nên để tăng độ xác, cần chia nhỏ thời gian quan sát ngày thành nhiều khoảng cho khoảng thời gian thơng số khai thác tàu, điều kiện khí hậu, sóng, gió,… khơng thay đổi thay đổi Hình Giao diện phần mềm tính tốn mức tiêu thụ nhiên liệu động diesel tàu thuỷ 26 SỐ 67 (8-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hình Giao diện thơng báo lỗi người sử dụng nhập sai liệu Sau thu thập nhập đầy đủ liệu, nhấn nút “TÍNH TỐN”, kết hiển thị hình bao gồm giá trị hệ số hiệu chỉnh ki mức tiêu thụ nhiên liệu động diesel theo ngày G24 (tấn/ngày) Phần mềm phát cảnh báo cho người sử dụng q trình nhập liệu tính tốn có sai sót định dạng, giá trị số liệu khơng phù hợp với thực tế (chẳng hạn cấp sóng lớn vượt thang đo, nhiệt độ buồng máy cao q thấp, kích thước hình học tàu mối quan hệ vật lý kích thước bất thường,…) (Hình 3) báo cáo,… Để lưu kết tính tốn, nhấn nút “LƯU KẾT QUẢ” (Hình 4) Để thực chu trình tính khác, nhấn nút “RESET” để xóa thơng số nhập lần tính trước nhập lại (Hình 5) Hình Reset lại chương trình Kết luận Hình Lưu kết file Excel Các kết tính tốn trích xuất file Exel để phục vụ công tác lưu trữ, thống kê, in ấn, lập SỐ 67 (8-2021) Trong trình khai thác tàu, việc xác định nhanh chóng, xác mức tiêu thụ nhiên liệu cho động diesel tàu thuỷ có ý nghĩa quan trọng chủ tàu với người vận hành Chính vậy, việc cung cấp cho chủ tàu sỹ quan, thuyền viên phần mềm tính tốn hiệu cần thiết Trong 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ nghiên cứu nhóm tác giả xây dựng thành cơng phần mềm tính toán mức tiêu thụ nhiên liệu cho động diesel có kể đến ảnh hưởng tổng hợp yếu tố khai thác, từ vừa nâng cao độ xác tính tốn vừa tiết kiệm thời gian, cơng sức cho người sử dụng Phần mềm có giao diện thân thiện với người dùng, khơng địi hỏi cấu hình mạnh máy tính, q trình chạy thử nghiệm cho thấy tính ổn định cao, khơng phát sinh lỗi Phần mềm thiết kế dạng mã nguồn mở, cho phép khả mở rộng, phát triển thêm tương lai Kết chạy phần mềm theo mô hình tính tốn xây dựng được so sánh với số liệu tiêu thụ nhiên liệu thực tế đo tàu cụ thể, cho sai số 3,38%, mức sai lệch chấp nhận khai thác tàu Tuy nhiên, kết bước đầu, thời gian tới cần thử nghiệm thêm số loại tàu khác để hiệu chỉnh mơ hình đạt độ tin cậy cao Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đề tài mã số: DT20-21.12 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 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] Instruction manual for Hanshin diesel engine Man - B&W 6L35MC [4] Instruction manual for Hanshin diesel engine 6LH41LA-87 [5] Tiêu chuẩn ISO 15016:2014 [6] Nguyễn Huy Hào, Nghiên cứu ảnh hưởng tình trạng vỏ tàu, chân vịt điều kiện hành hải tới mức tiêu thụ nhiên liệu động diesel tàu thủy, Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải, Số 62 (4/2020) [7] Lương Công Nhớ, Khai thác hệ động lực tàu thủy Nhà xuất Hàng hải, 2015 [8] Andy H Register, A Guide to MATLAB ObjectOriented Programming, Chapman and Hall/CRC, New York, 2007 [9] Patrick Marchand, O Holland, Graphics and GUIs with MATLAB, Chapman and Hall/CRC, New York, 2002 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 28 16/4/2021 26/4/2021 07/5/2021 SỐ 67 (8-2021) ... số liệu tiêu thụ nhiên liệu thực tế đo tàu với sai số 3,38% 3.2 Xây dựng phần mềm tính tốn mức tiêu thụ nhiên liệu động diesel tàu thủy 3.2.1 Xây dựng sơ đồ thuật tốn Bài toán xác định lượng nhiên. .. vi báo tính bảo mật nên phần mã nguồn phần mềm tính tốn tiêu thụ nhiên liệu cho động diesel không giới thiệu 3.2.3 Giới thiệu phần mềm tính tốn mức tiêu thụ nhiên liệu động diesel tàu thủy Sau... giá ảnh hưởng chế độ làm việc động cơ; k1 hệ số xét đến ảnh hưởng tình trạng kỹ thuật vỏ tàu, độ nhẵn phẳng, bề mặt chân vịt; k2 hệ số đánh giá ảnh hưởng điều kiện hành hải; k3 hệ số đánh giá ảnh