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复杂船舶电站的最优负荷分配
关键词：
低碳运输
MINLP
船舶推进系统
能源系统
优化
摘要：
随着减少燃料消耗和二氧化碳排放的压力增加，邮轮业在规模和影响方面正在增长。 在这种情况下，需要进一步努力来改进游轮能源系统的能源效率。
在本文中，我们提出了一种通用的方法，用于模拟具有机械，电力和热力需求的隔离系统的发电站，以及能够满足需求的不同组件的最佳负载分配。
优化问题以混合整数线性规划（MINLP）问题的形式呈现，其中运行的引擎或锅炉的数量由整数变量表示，而它们各自的负载由非整数变量表示。 使用第一原理模型和多项式回归的组合来模拟各个组件，从而使得系统非线性。
该方法适用于波罗的海邮轮航行的负荷分配问题，用于比较现有电厂与混合动力推进装置。 结果显示了使用建议方法带来的好处，它可以估计混合动力系统的性能（负载分配是一个非平凡的问题），同时还包括热需求的贡献。 这表明，基于参考往返航行，与现有系统相比，通过安装建议的系统可节省高达3％，并且在安装完毕后5年内可实现11kUSD的净现值系统。
2016由Elsevier Ltd.出版
1. 介绍
尽管如今航运行业对全球人为二氧化碳排放的贡献较低（2012年总数的2.7％[1]），但由于其对全球变暖的贡献将来将不得不面对日益严峻的挑战[1]。 大多数预测表明，在可预见的未来，运输量（以及因此排放量）预计会增加[1]。 另一方面，已经表明，为实现2℃气候目标，与2010年的水平相比，到2050年，航运行业应该将其二氧化碳排放量减少80％以上[2]。
国际规则已开始对船舶排放物作出限制，如“国际防止船舶造成污染公约”（MARPOL）修订版[3]。 如果要实施当地法规，那么预计还需要做进一步的努力。 例如，欧盟正计划在2050年之前实现到访欧洲港口的船舶二氧化碳排放量减少40-50％的行动[4]，而在瑞典，航线费用很快就可以根据清洁航运指数进行计算，其中包括二氧化碳排放量。
1.1航运能效
为了提高航运业的能源效率，许多新的实践和技术正在引入。这些措施通常在运营和设计之间进行细分。
操作措施包括不需要在船上安装新设备的工作。 最佳的航行计划允许在减少压载腿长度的同时最大化运输货物[5]，同时适应避免恶劣天气条件的路线可以减少强浪和强风对船舶燃料消耗的负面影响[6,7]。改善修剪和吃水设置，同时优化船体和螺旋桨抛光的时间表和做法，可以在给定速度下降低船舶阻力[8-10]; 慢速蒸汽还可以大幅度减少燃料费用：随着运输量的减少，速度逐渐降低，而发动机的动力需求大致取决于速度的立方体，优势显而易见[11,12]。
相反，改进和设计措施是指物理技术解决方案。 这与系统各部分性能的发展有关，例如发动机[13-16]，螺旋桨[17,18]和船体[19]。 额外的能源可以用于推进（例如帆和转子[20,21]）和辅助发电（例如燃料电池[22]）。船上的废能可以通过不同的方式回收，加热，功率[23-25]和冷却[26,27]。
1.2 船舶能源管理的挑战
与一些陆基系统不同，船舶可以在许多不同的条件下运行，因此，电力需求的变化很大。对于某些特定类型的船舶（例如游轮）来说，这种情况更具挑战性，在这种船舶中，观察到不同形式（机械，电力，热力）的能量需求。 在港口时，对推进的机械动力需求几乎为零，而在航行条件下它可能占主导地位，这取决于船舶的速度。对热能的需求可取决于空气和水的外部温度以及船上乘客的数量。电力需求可以根据环境和运行条件类似地变化这些条件要求船舶电厂能够高效地处理多种能源需求组合。
从历史上看，船舶能源系统的设计相当简单：一台主机与推进器的螺旋桨相连，两台（或更多）辅助发电机辅助发动机，以及一台火力发电锅炉。根据这种设置，三个系统的功率需求（用于推进的机械功率，用于辅助设备的电功率和热功率）由三个系统分别满足[28]。然而，在最近几年，能源效率方面的要求不断提高，推出了具有更高集成度的新型船上电站。
不同类型的混合动力推进系统（即用于产生推进力和电力的系统相互连接的系统）正在该领域取得进展，因为它们允许在满足推进和电力需求两者方面提高灵活性。 这种系统被证明可以节省1-2％的燃料[29]。这些系统无论在设计阶段[30]还是在控制策略定义[31,32]中都需要额外的努力，因为系统的不同部分之间的连接数量的增加，该系统允许使用在不同负载下运行的潜在高数量的发动机组合来满足负载。
在大多数船舶中，从发动机获得的废热足以满足船上对热能的需求[33]，并且进一步用于废热今天是一个共同的研究课题[34-36]。 然而，在游船上，热能需求是高于其他船型[37]。
由于系统中不同组成部分之间的相关交互作用数量很大，所以机械，电力和热力发电的集成度更高的系统更为复杂[38]。这个情况使得识别如何从燃料消耗的角度来优化操作系统变得更具挑战性。
1.3 目标
在本文中，我们提出了一种优化船舶电站能量转换器负载配置的方法。更一般地说，所提出的负荷优化方法可以应用于具有与机械，电力和火力的时间相关的需求的，与外部能量网络无关的能量系统。本文提出的方法被应用于 一艘游轮。 特别地，该方法是对现有系统的改进，其中所有发动机被允许有助于实现机械功率和电功率需求。所提出的方法的应用允许处理增加的负载分配问题的复杂性，并且因此评估由系统改进导致的预期的燃料节省。
- 方式
本研究提出的方法旨在适用于当今大部分可用的船舶能源系统。图1所示的系统配置在当今造船业的标准实践中被视为足够一般。因此，系统配置包括：
- 两条推进线：目前船舶上最常用的系统配置只涉及一条推进线，这可以看作是图1更一般配置的特殊情况。
- 两个主发动机组，每个发动机组由n个ME发动机组成。
- 两个辅助发动机组，每个发动机组由n个AE发动机组成，以适应纯柴油电动系统，配备两种不同尺寸的发动机。
2.1 MINLP问题设置
在所有替代系统中，可以采用不止一种可能的发动机运行配置，以满足电力需求。然而，对于每个推进/电力对，主要和辅助发动机的一种组合满足了燃料消耗最低的需求。 这种组合的选择需要优化过程，特别是在混合推进系统可用的所有情况下，因为任何发动机都能满足任何需求。
优化问题可以看作是一个混合整数非线性规划（MINLP）问题，其中整数变量是每个引擎组中运行的引擎数，连续变量是每个引擎组的负载。优化发动机组的负载而不是单个发动机的简化是基于这样一种假设：考虑到该组的所有发动机具有相同的尺寸和性能，在相同负载下运行所有发动机是最有效的[39]。
图1.混合动力推进系统的示意图。
因此可以将优化问题总结如下：
下标eq和neq分别表示相等和非相等约束。 目标函数定义为：
每个质量流量根据以下公式计算：
其中，海上重质燃料的LHV分别等于40.7 MJ / kg [40]，而lambda; i和eta;i分别代表第i组发动机/锅炉的负荷和效率。 每个质量流量在方程（6）因此可以定义为组件块的负载（Delta;x中的元件6-18）以及正在运行的组件块中元件的数量（Delta;x中的元件1-5）的函数。
前五个元素Delta;x表示在每个组中运行的发动机/锅炉的数量（例如，n ME1，on;对于第一组主发动机），而6至18的元素表示连接的每个发动机/锅炉组的负载 满足特定需求。 例如：
表示由第一螺旋桨使用的第一组主发动机产生的机械动力的份额。因此，对于每组发动机， x向量代表：
最后，元件18代表辅助锅炉的负载：
非线性相等条件表示系统能够满足来自两个螺旋桨的机械动力需求和电力需求的整体要求：
非线性不等式条件表示系统中的每个发动机/锅炉都不会超过其最大负荷而低于其最小负荷。
（12）
最后一个不平等条件要求发动机的可用余热和锅炉产生的热量之和大于总需热量
其中每台发动机的余热按照2.2节的说明进行计算。
MINLP问题可以根据优化问题的不同部分的结构以不同方式解决[41]。 在这种情况下，优化问题通过使用顺序二次规划（SQP）算法（内置Matlab NLP求解器fmincon，SQP模式）解决NLP编程的解决方案。 作者实现了一个分支定界方法来处理整型变量[42]。
2.2 柴油发动机
柴油发动机是根据发动机制造商提供的专用文件信息来建模的，比如本文中作为测试用例的船上安装的发动机可从[43,44]中获得的信息（参见第3.1节以获取更多信息 测试用例的详细描述）。
基于发动机制造商的数据，使用二次多项式回归计算柴油发动机（主发动机和辅助发动机）的效率。 惩罚项f corr，ISO用于说明在环境温度，环境压力，冷却水温度和燃料LHV方面不符合ISO条件的发动机[45]。 为了在ISO条件下计算发动机的效率所允许的公差，保守地考虑一个额外的1.05罚则是任意分配的[45]。 发动机效率因此根据公式（14）：
其中lambda;代表发动机的负载。
来自MEs和AEs的余热需要在WHR上模拟。 然而，正如马蒂[46]以前所观察到的，发动机制造商提供的价值往往不尊重发动机的能量守恒。 因此采用以下方法来更新制造商提供的数值，以便从发动机获得一致的输出能量流。 该方法也在图2中用图形描述。
图2.带有旁路的主发动机涡轮增压系统的示意图。
从发动机负载开始，通过气缸的空气流量可以根据公式（15）：
其中eta;vol代表发动机的容积效率，并按照Hiereth和Prenninger [47]的建议进行计算; pca表示增压空气压力，并根据从机载报警系统获得的测量数据的多项式回归作为发动机负载的函数来计算; T ca代表充气温度，通常由冷却系统控制调节到大约50-60℃的值; V cyl，max代表汽缸最大容积，neng代表发动机转速，Ncyl代表汽缸数。
与流量3,5,6的涡轮机和混合器的能量平衡有关的等式以及分流器和混合器中的质量平衡必须同时解决：
其中gmech，TC表示涡轮增压器的机械效率，假设等于0.98，并且cp，air和cp，eg空气和废气的比热分别假定为恒定的温度，分别等于1.02和1.08 kJ / kg。 在公式 （16a）和（16b）假定离开汽缸的废气的质量流量比旁通流量大得多，因此可以假定混合流量的比热量等于纯废气的比热容量 从气瓶流出。
方程组 （16a） -（16d）和方程 （15），需要事先确定四个变量才能解决。 这四个变量的定义取决于每个案例中测量数据的可用性。 本文提出的特定测试用例的假设将在第3节中进一步介绍。
上述过程允许计算发动机中的所有物理流量，并且因此以废气的形式离开并且可用于恢复的能量（例如，Q eg，ME）：例如，
其中433 K的下限是基于避免废气中硫酸冷凝的需要而设定的[48]。
海洋发动机通常使用高温（HT）和低温（LT）冷却系统进行冷却。 HT冷却系统的温度范围在70到90°C之间，而LT冷却系统的温度一般在30到50°C之间。 由于这个原因，假定只有传递给HT冷却系统的热量可用于恢复.HT冷却系统中可用的热功率的计算基于发动机上的能量平衡：
其中f（lambda;）表示传递给HT冷却系统的余热的部分，并且可以通过发动机技术文档中可用数据的多项式回归来计算。
锅炉负荷
图3.锅炉效率，相对于设计，与负载。
2.3燃油锅炉
船用燃油锅炉的尺寸通常是为了在非常低的载荷下提供高性能。 因此，对于这些类型的系统，假设部分负荷效率可以使用基于Cohen [49]提出的船用锅炉的效率曲线的线性逐步插值（参见图3）建模：设计效率 如果没有更具体的信息，可以假定为90％。
2.4 其他组件
所有其他组件都根据以下近似值进行建模：
其中，eta;des，lambda;和fcorr分别代表设计点的效率，组件的负载以及表示非设计行为的校正因子.
fcorr是使用二次多项式近似计算得到的，对机械组件（变速箱 ）和基于[50]的电气部件（发电机，电动机和变频器）。 图4给出了电机和带负载齿轮箱效率的变化情况。变频器，配电盘和轴的效率假定为随负载而变化。 表1列出了设计条件下所有组件的设计效率。
负荷
图4.机械和电动机器的非设计效率相关性。
表1
机械终端电机的设计效率。
- 测试案例
3.1案例研究描述
案例研究船是一艘游轮，每天在瑞典大陆的斯德哥尔摩和奥兰群岛的玛丽港姆之间的波罗的海航行。该船建于2004年，长176.9米，宽28.6米。 它可以容纳1800名乘客，并配备了餐厅，夜总会和酒吧，以及桑拿浴室和游泳池。 典型的船舶操作虽然在不同的日子里可能略有不同，但在图5中有所体现。船在斯德哥尔摩大约18点左右离开，直到它到达公海，在那里停留一晚，然后在清晨到达玛丽港
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