劉 凱，文 武，周 興

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船舶主要?jiǎng)恿υO(shè)備能效模型與仿真分析

劉 凱，文 武，周 興

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所）

根據(jù)船、機(jī)、槳關(guān)系，以船舶動(dòng)力裝置的能量傳遞為基礎(chǔ)，基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)建立主機(jī)能效模型。以某內(nèi)河旅游船舶為研究對(duì)象，根據(jù)船體與主機(jī)參數(shù)，利用回歸多項(xiàng)式法得到螺旋槳敞水特性曲線。在船舶上安裝油耗儀等傳感器，采集了主機(jī)瞬時(shí)油耗、船舶對(duì)地航速、對(duì)水航速等數(shù)據(jù)，并計(jì)算了主機(jī)的實(shí)際能效。針對(duì)實(shí)船采集的數(shù)據(jù)，分析了航道水流速度的分布特征?；诜抡婺Ｐ?，計(jì)算了船舶在不同航道水流速度與對(duì)水航速下的主機(jī)能效，比較分析了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果，并對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。本文研究對(duì)于提升船舶的營(yíng)運(yùn)能效指數(shù)具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

主機(jī)能效 船、機(jī)、槳關(guān)系 油耗 水流速度

0 引言

本文展開(kāi)船舶主要?jiǎng)恿υO(shè)備營(yíng)運(yùn)能效建模與仿真分析，并與實(shí)船數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證研究。具體來(lái)說(shuō)，本文依據(jù)船、機(jī)、槳之間相互作用的關(guān)系，從其機(jī)理分析的角度基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)建立船舶主機(jī)的營(yíng)運(yùn)能效模型，并利用實(shí)船數(shù)據(jù)進(jìn)一步對(duì)模型的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)在船舶不同地方安裝油耗儀、測(cè)速儀等傳感器，采集船舶主機(jī)瞬時(shí)油耗、船舶對(duì)地航速、對(duì)水航速等數(shù)據(jù)，進(jìn)一步計(jì)算主機(jī)的實(shí)際能效，并比較分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果。通過(guò)分析結(jié)果，可以指導(dǎo)船舶管理人員對(duì)船舶主機(jī)的營(yíng)運(yùn)能效進(jìn)行科學(xué)地評(píng)估，同時(shí)能根據(jù)船舶實(shí)際航行環(huán)境讓其選擇合適地操船方法[2]。

1 船、機(jī)、槳關(guān)系分析及數(shù)學(xué)模型

1.1 船、機(jī)、槳配合關(guān)系

船舶燃油消耗量與船體運(yùn)動(dòng)存在如下的能量傳遞關(guān)系：

1.2 船、機(jī)、槳數(shù)學(xué)模型

船舶推進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)就是船、機(jī)、槳構(gòu)成的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，具體就是在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中保持其相互間的動(dòng)力平衡和運(yùn)動(dòng)平衡，船、機(jī)、槳相互作用關(guān)系間圖2。

圖1 船機(jī)槳配合關(guān)系

式中：為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

聯(lián)立上式得：

通過(guò)將船舶營(yíng)運(yùn)能效指數(shù)關(guān)系式與上面的主機(jī)單位時(shí)間內(nèi)油耗計(jì)算公式相結(jié)合。得到主機(jī)營(yíng)運(yùn)能效指數(shù)的模型，通過(guò)此模型能夠在船舶航行過(guò)程中動(dòng)態(tài)地掌握主機(jī)能效水平。主機(jī)營(yíng)運(yùn)動(dòng)態(tài)能效指數(shù)表達(dá)式為：

2 船舶主機(jī)能效仿真建模

以某油輪為例，利用基于船、機(jī)、槳相互作用關(guān)系建立主機(jī)能效模型，仿真計(jì)算不同航速下船舶主機(jī)的能效[3,4]；并利用船舶在某次實(shí)際航行過(guò)程中實(shí)船采集的主機(jī)實(shí)時(shí)油耗與船舶對(duì)水航速數(shù)據(jù)，從而得到實(shí)際的主機(jī)能效，以此對(duì)主機(jī)能效模型進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 目標(biāo)船基本參數(shù)

2.1.1船舶參數(shù)

本文選擇載重約為4600噸旅游船作為目標(biāo)船[5]，該船屬于無(wú)限航區(qū)靈便型郵游輪，靈活性強(qiáng)，吃水淺，艙數(shù)多。其船型參數(shù)入下表1所示。

表1 目標(biāo)船船型參數(shù)

2.1.2效率估算

從而得到船身效率：

2.1.3船舶阻力與主機(jī)特性曲線

Holtrop法為一種常用的船舶阻力估算公式。下面為Holtrop阻力估算公式：

通過(guò)上述計(jì)算方法得到船舶阻力曲線，通過(guò)船舶阻力曲線可以推算不同的船舶對(duì)水航速時(shí)船舶所受的阻力。

圖3 阻力曲線

船舶主機(jī)特性曲線由柴油機(jī)廠家提供，其表征了主機(jī)在不同運(yùn)行負(fù)荷下的油耗。

2.2 設(shè)備模型仿真與驗(yàn)證

2.2.1數(shù)據(jù)采集

主機(jī)能效計(jì)算公式：

通過(guò)在船上安裝相應(yīng)的信息采集傳感器，在該旅游船舶某航次上水航行時(shí)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集[6]。實(shí)船安裝的傳感器見(jiàn)圖4。

圖4 主機(jī)特性曲線

表2 數(shù)據(jù)信息

2.2.2實(shí)船數(shù)據(jù)分析

用Matlab得到船舶對(duì)水航速對(duì)應(yīng)的主機(jī)能效。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，船舶在航速中主要以約7、10、11 kn的對(duì)水航速行駛，這種航速特征也符合船舶定速航行節(jié)省燃油的規(guī)律。實(shí)測(cè)中，出現(xiàn)主機(jī)能效與船舶對(duì)應(yīng)航速之間不呈現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，主要因?yàn)樗魉俣仍跁r(shí)域內(nèi)是一個(gè)隨機(jī)變化的量。

圖6 水流速度分布

2.2.3仿真與驗(yàn)證

計(jì)算3種水流速度在不同對(duì)水航速下主機(jī)能效計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。如圖中所示，參照值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)參照值進(jìn)行比較，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的精度?？梢钥闯鰧?shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)基本位于水流速度上、下極值仿真曲線之間。針對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件對(duì)主機(jī)能效機(jī)進(jìn)行分析。得出在0.01水平上2個(gè)變量的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.824，說(shuō)明兩變量高度正相關(guān)，即從整體上看主機(jī)能效隨著船舶對(duì)水航速的增大而增大，且該增長(zhǎng)特性與水流速度取均值時(shí)主機(jī)能效仿真曲線相吻合。

圖7 主機(jī)能效仿真結(jié)果

3 結(jié)論

本文主要基于船、機(jī)、槳相互關(guān)系建立了船舶主機(jī)能效模型，實(shí)船數(shù)據(jù)的驗(yàn)證結(jié)果表明模型能夠精確地評(píng)價(jià)與計(jì)算船舶在航行過(guò)程中地主機(jī)能效水平。船舶主機(jī)能效隨著船舶航速增大，主機(jī)能效的增大幅度越大。受到水流速度變化的影響，主機(jī)能效的取值存在一定的變化區(qū)間。航環(huán)境因素較多，本文只考慮了航道水流的影響。對(duì)于數(shù)量眾多的營(yíng)運(yùn)船舶，可以結(jié)合船舶的運(yùn)行周期于航道通航環(huán)境特征，通過(guò)優(yōu)化船舶載貨質(zhì)量、在航時(shí)間、主機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速等參數(shù)，提升船舶的營(yíng)運(yùn)能效指數(shù)。

[1] 李可順, 劉伊凡, 孫培廷. 船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)仿真建模[J]. 中國(guó)航海, 2014.

[2] 倪駿愷. 船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2010.

[3] 劉伊凡. 基于蒙特卡羅方法的船舶能效建模仿真及研究[D]. 大連: 大連海事大學(xué), 2013.

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[5] 范愛(ài)龍, 嚴(yán)新平, 尹奇志, 孫星, 陳前昆, 張永波. 船舶主機(jī)能效模型[J]. 武漢理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào), 2015.

The Analysis of Energy Efficiency Model and Simulation ForShip's Main Power Equipment

Liu kai, Wen Wu, Zhou Xing

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

U664.1

A

1003-4862（2019）07-0009-04

2019-03-05

劉凱（1980-），男，高工。研究方向：船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)。E-mail: lele.kai@163.com