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能源转换与管理

复杂船舶动力装置的最优负荷分配

摘要

现在世界上随着减少燃料消耗和二氧化碳排放的压力越来越大，邮轮业的规模和影响力正在扩大。在这种情况下，需要进一步努力提高巡航能源系统的能源效率。

在论文中，我们提出一个通用方法：就是满足构建机械，电力和热能三者独立系统的电动装置模型，与能够满足此需求的不同构件间的分配最优化。

最优化问题以混合整数线性规划（MINLP）问题的形式呈现，其中发动机或锅炉运行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相结合的单个组件建模，从而形成非线性系统。

该方法适用于波罗的海大型油轮航行的负载分配，并用来比较现有的电动装置与混合动力推进装置。其结果展示了所提方法带来的益处，比如许可估量混合动力系统的性能（负载分配是一个重大的问题）方面的贡献，同时也包括对热需求的贡献。基于对全航程的参考，相比起现有的系统，通过安装该系统可实现高达3%的储蓄量；且安装该系统5年后，还可实现11库塞克的净现值。

2016由爱思唯尔有限公司出版

1.引言

在航运业中，尽管其对全球人为二氧化碳排放量的影响较低（截至2012年占总排放量的2.7% [ 1 ]），也必须面对今后与全球变暖相关联的日益增大的挑战。大部分预测表明，在可预见的未来，航运量（即排放量）将增加。另一方面，已证实为实现2 LC气候目标，与2010年相比，2050年航运需减少其二氧化碳排放量至80%以上[2 ]。

按照国际法规如国际公约对船舶污染防治（MARPOL）的修订版[ 3 ]，已经开始限制船舶排放量。如果实施地方法规，还需要进一步的努力。现今欧盟正在计划采取行动，对访问欧洲港口的船舶实现减少40 - 50%的二氧化碳排放量[ 4 ]；瑞典的航道费不久将用来计算清洁航运指数，其中包括二氧化碳排放量。

1.1. 船舶能源效率

航运行业现在正在引进许多新的技术以提高航运领域的能源效率。这些措施通常分为操作和设计。

操作措施包括不需要在船上安装新设备。以最优航行计划可以最大化地输送货物，同时减短镇流器的支架长度[ 5 ]，而调整路线避免恶劣的天气可以减少巨浪和强风对船舶燃油消耗的负面影响 [6,7]；改善装饰和气流设置，连同优化时间表和给船体，螺旋桨抛光的方法，在一个给定的速度里减少船舶阻力[ 8 - 10 ]；减缓蒸汽同样能大幅度地降低燃油费用：随着货物运输量呈线性下降的速度，而引擎所需电力大致取决于速度的立方倍，其优势显而易见[11,12]。

与此相反，改造和设计措施指的是物理技术解决方案。这与系统各部件性能的发展相关联，例如发动机[ 13-16 ]，螺旋桨[17,18]和船体[ 19 ]。额外的能源来源可以用于推进力（例如，起航和旋转器[20,21]）和辅助发电（例如，燃料电池[ 22 ]）。船上浪费的能源可以以不同的方式恢复，比如说可以用来加热，运转[23- 25 ]和冷却[26,27]。

1.2. 船上能源管理面临的挑战

与许多陆地系统不同，船舶可以在很多不同的条件下运行，因此，它的电力需求有很大的可变性。而对于一些特定的船舶类型，更具挑战性，如游船，要求不同形式的能源（机械，电，热）。停港时，船舶机械动力需求的推进力几乎为零，而它可以在航行条件下占主导地位，这取决于船舶的速度。另外船舶对热能的需求取决于空气和水的温度以及船上乘客的数量。其电力需求同样可以随着环境和运行条件的函数变化而变化。这些条件要求船舶动力装置能够高效率地处理能源需求的多种结合。

从历史上看，船舶能源系统已经相应地建立了一个相对简单的设置：主机连接着推进的螺旋桨、两个（或多个）辅发电引擎，以及船上热力发电的锅炉。根据这一设置，船上的三种电力需求（机械动力推进，电力和热动力辅助）会在这三个独立工作的系统下得以满足[ 28 ]。然而，在近几年里，能源效率不断增长的要求促使引进具有较高集成度的新型船上电动装置。

不同类型的混合推进系统（即形成推进和电力发电的相关联的系统）在该领域取得了进展，正如他们在实现推进和电力需求的同时提高了灵活性。这种系统可以节省1 - 2% 的燃油[ 29 ]。 然而，无论是在设计阶段[ 30 ]，还在控制策略中[31,32]的定义方面,这些系统还需要进一步完善。由于系统不同部分之间连接数量的增加，允许使用大量潜在的，在不同负载下工作的发动机来实现负载分配。

在大多数船舶中，发动机提供的余热基本上可以满足船上对热能的需求[ 33 ]，进一步利用余热是今天一个共同的研究课题[ 34 - 36 ]。然而，在游船上，热能需求会更高[ 37 ]。

作为系统里不同组件间大量的相互作用的结果，这种具有更高程度的机械，电和热能形成一体化的系统更为复杂。从其燃料消耗的角度去确定如何做到最优化地操作系统就更具挑战性了。

1.3 研究目的

在文中，我们提出了一种以优化负载配置为基础应用能源转换器来作为船舶电动装置的方法。在一般情况下，默认的负载优化方法可以用于具有时间依赖性的机械以及电力和热力需求没有连接到外部能源网络的能源系统。

本文提出的方法应用于巡航系统的能量系统。尤其是建议改造到现有的系统中去，所有的发动机都应有助于机械和电力需求的同时实现。所提方法的应用程序允许负载分配问题具有复杂性，因此，系统改造可以评估预期的燃料存储量。

1.4方法

研究中提出的方法的目的是适用于现有的船舶能源系统。在图1中所示的系统配置就是在今天的造船工业中的一般标准。因此，系统配置包括：

–两条推进线：今天的船舶上最通用的系统配置只涉及一个推进线，这可以看作是一个特殊的情况下，更一般的配置如图1。

–两个主机块，每个由NME引擎组成。

–两个辅助发动机组，每个由NAE的发动机组成，以适应配备两种不同尺寸的发动机的纯柴油电动系统。

图1. 混合推进系统示意图

2.1. MINLP问题设置

在所有的替代系统中，为了满足电力需求可以采用多个可能配置的发动机运行。然而，对于每一个推进/电力对，都有主要的和辅助的发动机，以满足最低燃油消耗的要求。这种组合的选择需要一个优化的过程，特别是对混合动力推进系统的所有情况下都要是可用的，因为任何发动机可以满足对应需求。

优化问题可以看作是一个混合整数非线性规划（MINLP）问题，其中整数变量是在每个引擎组中发动机运行量，连续变量即每个发动机组的负荷数量。简化发动机组的负载，而不是像这样假设的单独发动机，也就是说该组的所有发动机具有相同的大小和性能。在相同的负载在，它可以最有效地运行所有发动机[ 39 ]。

因此，优化问题可以总结如下：

其中脚注eq和neq分别指平等和不平等约束，其目标函数定义为：

每个质量流的计算依据：

燃料热值是船用重质燃料，假设等于40.7焦耳/千克[ 40 ]，而KI和GI代表负载和发动机/锅炉效率分别为第i组。因此，在（6）中的每一个质量流都可以定义为组件块的负载（x中的元素6 - 18）的函数，以及正在运行的组件块的元素数（元素1 - x）。

x的第一要素五代表发动机/锅炉，在每个组中运行的数量（例如，对主引擎NME1；第一组），从6到18表示每个连接到一个特定需求的引擎/锅炉负荷元件组。例如:

表示第一组发动机所使用的发动机的第一组发动机所产生的机械功率的份额。因此，对于每个发动机组的x矢量中的下列三个元素表示：

最后，元素18代表辅助锅炉负荷：

非线性等式条件表示的要求该系统能够满足总的机械功率需求的两个螺旋桨和电力需求：

非线性不等式条件代表要求在系统中的每个发动机/锅炉不加载高于其最大负荷或者低于其最小负载量。

最后的不等式条件要求从发动机和锅炉所产生的可用废热总量需大于总的热需求量。

每个引擎的废热计算如第2.2节解释。

根据优化问题不同部分的结构，MINLP问题可以用不同的方式解决[ 41 ]。在这种情况下，优化问题通过序列二次规划（SQP）算法求解（在SQP算法的模式中内置MAT LAB NLP求解程序）的NLP规划解。作者提出一个分支定界法处理整数变量[ 42 ]。

2.2 柴油机

柴油机建模是在发动机制造商在专门的文件上提供的信息基础上构建的。例如从【43,44 ]安装在船上的引擎可以作为本文的测试用例（见第3.1节更多测试用例的详细描述）。柴油机的效率、主要和辅助发动机，使用第二度多项式回归计算基于发动机制造商的数据。强制项目，ISO是用来解释引擎在ISO条件下不操作，即在环境温度，环境压力，冷却水的温度和燃料的低热值的的条件[ 45 ]。附加惩罚项1.05是任意分配，以帐户保守对于公差允许在计算中的效率ISO条件下的发动机[ 45 ]。因此发动机效率按商计算（14）：

其中k表示发动机的负载。

从MES和AES的余热流需要以船上的电加热器加热元件为模板。然而，正如先前所观察到的[ 46 ]，发动机制造商经常提供的值不遵守发动机上的能量守恒。因此，使用的方法更新由制造商所提供的值，以获得一致的输出能量流从发动机。该方法也以图形方式如图2所示。

图二. 侧面主机涡轮增压系统示意图

从发动机负荷开始，空气流过气缸可以根据商（15）计算：

其中gvol表示发动机的容积效率，而且按照Hiereth和Prenninger的默认计算[47]; pca代表增压空气压力，并作为函数计算，基于从船上报警系统获得的测量数据的多项式回归的发动机负载; Tca代表增压空气温度一般由冷却系统调节控制在约50-60℃的值; Vcyl，max表示气缸最大体积，发动机转速和Ncyl气缸数。与涡轮机的能量平衡有关的方程式的流量3,5,6的混合器，以及分流器中的质量平衡混合器必须同时解决：

其中gmech; TC表示涡轮增压器的机械效率，假定等于0.98，cp;空气和cp;例如比热的空气和废气，假定温度恒定分别为1.02和1.08 kJ / kg。在制定中

等式（16a）和（16b），假设排气的质量流量离开气缸的气体足够大于旁路流量，

从而允许假定混合流的比热等于来自气缸的纯废气流量。方程的系统：（16a） - （16d），以及等式（15）要求要提前确定的四个变量解决了。这四个变量的定义取决于可用性在每个单独情况下的测量数据。假设对本文提出的具体测试用例子在第3节进行进一步介绍。上述过程允许计算在发动机中流动所有物理现象，因此能量以形式离开的废气并可用于回收（Q_ eg; ME）：

其中根据需要假定下限为433K，以避免废气中的硫酸冷凝[48]。海洋发动机通常都是使用高温冷却的（HT）和低温（LT）冷却系统。 气温的HT冷却系统的范围在70和90℃之间，而LT冷却系统中的温度通常为范围在30到50℃之间。因此，假定只有转移到HT冷却系统的热量可以恢复。基于发动机的能量平衡计算HT冷却中可用的热功率系统：

图3.相对于设计，与负载相比，锅炉的效率

其中f（k）表示转移的到HT冷却系统的剩余热量的分数，并且从引擎技术的可用数据的回归文档可计算为多项式。

2.3 燃油锅炉

船用燃油锅炉的尺寸一般在非常低的负载下也能实现高性能。 对于这些类型的系统，假设部分负载效率可以是基于由海洋锅炉提供的效率曲线科恩[49]使用线性逐步插值（见图3）进行建模：如果没有更多的设计效率可以假定为90％。

2.4 其他组件

船上所有其他组件都按照以下近似：

图4 机械和电机的非设计效率相关性

其中gdes，k和fcorr表示设计点的效率，组件的负载和表示的校正因子误差。

Fcorr使用的二次多项式基于[50]的组件（发电机，电机和变频器）近似计算机械部件（齿轮箱）和电气。 电机效率的演变并带有负载的变速箱在图4中体现。效率变频器，配电板和轴是假定为负载恒定。 所有设计效率设计条件中的组件如表1所示。

1. 测试用例

3.1案例说明

案例研究船是运行日常旅游的游轮在瑞典大陆斯德哥尔摩和玛丽汉之间的波罗的海在Aring;land岛上。这艘船是在2004年建成，长176.9米，宽28.6米。最多可容纳1800人，并配有餐厅，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如此，但可以在不同的日子之间略有变化，如图5所示。这艘船离开斯德哥尔摩约18分钟，直到达到公海，晚上停在那里，然后到达玛丽哈姆清晨。那艘船在9点左右离开玛丽哈姆并于下午四点左右返回斯德哥尔摩（见图5）。

图5.选定船舶的典

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