Hệ thống cung cấp giải pháp kỹ thuật nhằm sử dụng hiệu quả nhiên liệu trong vận hành tàu biển

1. Đặt vấn đề
Chính phủ Việt Nam đã tham gia các Phụ lục của Công ước MARPOL nhằm giảm ô nhiễm từ tàu biển. Thông qua nhiều chính sách, quyết định cụ thể, Chính phủ đang nỗ lực thực hiện các cam kết với quốc tế về giảm phát khí thải thông qua đầu tư chính sách, đầu tư nghiên cứu ứng dụng, tuyên truyền thay đổi nhận thức của người dân trong việc sử dụng năng lượng…
Việt Nam hiện có hơn 1400 tàu biển, trong đó có hơn 400 tàu đăng ký chạy tuyến nước ngoài phải được trang bị Kế hoạch sử dụng hiệu quả nhiên liệu (Ship Energy Efficiency Management Plan – SEEMP) theo quy định của Đăng kiểm Việt Nam cũng như Nghị quyết MEPC.282 (70) của IMO.
Trong SEEMP, cũng như trong các hướng dẫn của IMO, có nhiều giải pháp được khuyến nghị để tàu biển sử dụng hiệu quả nhiên liệu hơn, đồng nghĩa với việc giảm phát khí thải vào môi trường. Với nhiệm vụ “Xây dựng hệ thống cung cấp giải pháp kỹ thuật nhằm sử dụng hiệu quả nhiên liệu trong vận hành tàu biển”, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn ba giải pháp có tác động nhiều, trực tiếp đến mức tiêu hao nhiên liệu của con tàu để tiến hành nghiên cứu, đề xuất giải pháp triển khai thực hiện trong thực tế sản xuất. Ba giải pháp được lựa chọn là:
• Lựa chọn tốc độ tối ưu cho tàu
• Lựa chọn hiệu số mớn nước tối ưu cho tàu
• Lựa chọn phương án nước dằn khi tàu nhẹ tải
Các giải pháp này yêu cầu tính toán phức tạp nên cho đến nay, phần lớn các tàu mới chỉ thực hiện theo cảm tính hoặc theo kinh nghiệm và không có sự hỗ trợ cụ thể một cách khoa học.
Nhóm nghiên cứu đã ứng dụng tin học, các phương pháp tính mới, giải quyết được bài toán này và thực nghiệm được một phần trên tàu của Công ty CP VTB Việt Nam (VOSCO) và đã cho những kết quả tích cực.
2. Cơ sở lý luận
Cả ba bài toán nêu trên đều cần đến cơ sở dữ liệu về lực cản của con tàu theo chiều chìm, hiệu số mớn nước và tốc độ. Trong thực nghiệm này, mối quan hệ của các thông số nêu trên được tính toán bằng phương pháp tính CFD - Computational Fluid Dynamics.
2.1. Cơ sở dữ liệu
Việc xây dựng bộ cơ sở dữ liệu về lực cản tàu thủy đã nêu là công việc chính của giải pháp. Với các tàu hiện tại, việc xây dựng cơ sở dữ liệu này được thực hiện qua các bước sau:
- Số hóa bản vẽ thiết kế tàu (nếu chưa có bản vẽ số hóa)
- Xây dựng tuyến hình tàu bằng phương pháp số
- Sử dụng phương pháp CFD tính toán, tạo cơ sở dữ liệu
2.2. Thuật toán
Sau khi có bộ cơ sở dữ liệu, thuật toán tối ưu tìm bộ giá trị mớn nước, hiệu số mớn nước và tốc độ được sử dụng để tìm ra kết quả thỏa mãn yêu cầu của người khai thác tàu.

Hình 1: Các bước tạo cơ sở dữ liệu

3. Chức năng chính của phần mềm
Do giới hạn về thời gian và kinh phí, phần mềm chưa hoàn thiện được như một phần mềm thương mại nhưng đã đáp ứng được các chức năng chính sau:
• Căn cứ vào dữ liệu sức cản của tàu để tìm ra vận tốc mà tại đó máy chính có hiệu suất tốt nhất, con tàu đi được quãng đường dài nhất với lượng tiêu hao ít nhất.
• Dựa vào tốc độ và chiều chìm yêu cầu của tàu để tìm ra hiệu số mớn nước có lực cản nhỏ nhất
• Phương án đảm bảo tàu có sức cản nhỏ nhất, hiệu suất đẩy của chân vịt đảm bảo cũng như tính năng lái của tàu không bị ảnh hưởng
4. Thực nghiệm
Mục đích thực nghiệm là so sánh với kết quả tính toán theo lý thuyết và kết quả thực nghiệm thực tế nhằm kiểm tra tính đúng đắn của dữ liệu và hiệu quả trên thực tế. Việc thực nghiệm được thực hiện trên hai tàu đang khai thác của Công ty CP VTB Việt Nam (VOSCO) trong các tháng 9 và 10 năm 2017.
4.1. Mô tả thực nghiệm: Chọn một đoạn trong hành trình của tàu có điều kiện phù hợp (đường chạy tàu thẳng, sóng gió ổn định, vừa phải). Thực hiện các bước thực nghiệm như sau:
- Ghi lại các chỉ số trên tốc độ kế và chỉ số tải.
- Tiến hành bơm nước dằn chỉnh hiệu số mớn nước của tàu.
- Sau khi tàu ổn định với hiệu số mớn nước mới, tiến hành ghi chỉ số tốc độ kế và chỉ số tải tại hiệu số mớn nước mới.
- Tiến hành so sánh các giá trị lực cản tàu, tốc độ tàu trước và sau khi thay đổi hiệu số mớn nước để rút ra kết luận về mối quan hệ của chúng với sự thay đổi hiệu số mớn nước.
4.2. Kết quả thực nghiệm
Trong thời gian đã nêu, nhóm nghiên cứu đã hực hiện được 7 thực nghiệm trên tàu FORTUNE NAVIGATOR với kết quả như sau:

5. Phân tích, đánh giá kết quả
Do việc thực nghiệm thực hiện trên tàu đang sản xuất, các tình huống thực nghiệm phải đảm bảo không ảnh hướng đến hoạt động sản xuất của tàu, nên không thể thực nghiệm được tất cả các tình huống. Từ bảy kết quả thực nghiệm nêu trên có thể thấy kết quả tính toán lý thuyết phù hợp với kết quả thực nghiệm và chỉ bằng việc điều chỉnh hiệu số mớn nước, tốc độ của tàu FORTUNE NAVIGATOR thay đổi từ 1%-2%.
Ý nghĩa thực tiễn:
Tàu FORTUNE NAVIGATOR chạy chuyên tuyến, một năm hơn 80 lượt từ Hòn Dấu đến Vũng Tàu và ngược lại. Khoảng cách từ Hòn Dấu đến Vũng tàu là 738 hải lý. Giả sử tàu chạy với vận tốc 10 hải lý/giờ, mỗi lượt tàu chạy hết 73.8 giờ. Nếu tốc độ tàu tăng lên 2%, đạt 10.2 hải lý/giờ, thời gian chạy chỉ còn 72.3 giờ, giảm 1.5 giờ. Mức tiêu thụ của tàu là 14 tấn FO/ngày. Vậy khi giảm 1.5 giờ sẽ, tàu tiết kiệm được 0.875 tấn. Không chỉ tiết kiệm được 0.875 tấn dầu, con tàu còn giảm phát thải ra môi trường 2.625 tấn CO2. Với hơn 80 chuyến một năm, con tàu sẽ tiết kiệm được 80 x 0.875 = 70 tấn dầu (khoảng 26,000 USD) và giảm phát thải được 210 tấn CO2 vào môi trường.
Với hơn 1,400 tàu biển của Việt Nam, con số này càng có nhiều ý nghĩa hơn.
6. Kết luận
Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra hiệu quả thực tế của các giải pháp đã nêu. Chỉ cần thay đổi hiệu số mớn nước, không tốn thêm chi phí nhưng có thể tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát khí thải một lượng đáng kể. Việc lan tỏa kết quả nghên cứu có thể tác động làm thay đổi quan điểm của người vận hành tàu cũng như làm cơ sở để các công ty vận tải biển xem xét áp dụng các quy định cần thiết cho tàu.
7. Kiến nghị
Phổ biến rộng rãi kết quả đã thu nhận được để thay đổi tư duy của những người vận hành tàu. Để mọi người hiểu rằng chỉ cần điều chỉnh vài chục centimet hiệu số mớn nước của tàu là đã tiết kiệm được nhiên liệu và giảm phát thải khí có hại cho môi trường.
8. Hướng nghiên cứu tiếp theo
Mở rộng việc thực nghiệm để chứng minh tính hiệu quả của phần mềm đối với các điều kiện làm việc khác của con tàu và các loại tàu khác. Tập trung vào loại tàu phổ biến tại Việt Nam.
Nghiên cứu tiếp giải pháp chế tạo thiết bị hỗ trợ điều chỉnh thông số hợp lý cho máy lái tự động. Đây là một giải pháp có ảnh hưởng nhiều đến việc tiết kiệm nhiên liệu của con tàu ./.

PGS. TS. Nguyễn Công Vịnh - PGS. TS. Nguyễn Kim Phương

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

1 Phần lớn đội tàu Việt Nam chưa được trang bị máy lái thông minh hoặc máy lái tự thích nghi nên người sử dụng phải điều chỉnh thông số máy lái phù hợp với thời tiết và trọng tải tàu. Việc điều chỉnh này thường hay bị bỏ qua trong thực tế dẫn đến bánh lái của tàu hoạt động không hợp lý làm giảm lực đẩy của chân vịt và tàu chuyển động không thẳng gây tiêu hao thêm nhiên liệu. Dự kiến nghiên cứu sẽ tạo ra một thiết bị tích hợp trên buồng lái có khả năng nhận biết được chế độ của máy lái tự động không phù hợp và đưa ra cảnh báo cho người đi ca đồng thời hướng dẫn họ các giá trị chỉnh định phù hợp.