冷藏集装箱功率平衡优化分析

邓淑敏 肖金超 刘继海 张雷

摘 要：本文基于MATLAB对装载数量为600FEU、1000FEU和1500FEU的冷藏集装箱船在自然情况下的冷藏箱制冷总功率变化情况进行模拟，通过分析其制冷总功率的最大峰值、最小谷值、最大峰谷差值、平均值和标准差，阐述了功率平衡优化在降低船舶电站装机容量或增加冷藏集装箱的装载数量方面的应用前景和价值。

关键词：冷藏集装箱船；MATLAB；功率平衡

中图分类号：U674.14 文献标识码：A

Abstract： This paper simulates the actual power change of the 600FEU， 1000FEU， and 1500FEU reefer container ships under natural conditions based on MATLAB. By analyzing the maximum peak value， minimum valley value， maximum peak-to-valley difference， average value and standard deviation of the total power， this paper describes the potential application prospects of power balancing optimization in reducing the capacity of ship power stations or increasing the number of reefer containers.

Key words： Reefer container ship； MATLAB； Power balancing

1 前言

隨着世界经济的发展和全球化水平的提高，冷藏货物运输量逐年增加，冷藏集装箱的使用也越来越广泛。据德鲁里航运咨询公司预测，未来全球冷藏集装箱运量年均增长率将达到4.5%，几乎是普通干货集装箱运量年均增长率的2倍，使得冷藏集装箱船的市场占比也呈现逐年上升的趋势。

在船舶电站设计中，船舶电站的总容量和发电机组的数量和单机功率，是根据船舶最大功率工况下所需的总功率值来确定的。航运数据表明，当前主流的电站设计与使用长期处于不饱和状态，导致船上电力系统安全冗余量很大，使系统造价远高于实际需求。另外，发电机组长期低负荷率运行，使发电机组油耗效率降低[1]。

现有冷藏集装箱船对集装箱的控制相互独立，船上缺乏对冷藏集装箱的统一管理，导致其负载功率变化随机性大，可能出现的频繁峰-谷变化也会导致发电机组难以长时间以合适的负荷率经济运行，影响发电机组使用寿命和造成船舶营运成本增加[2]。因此，如何实现船舶电站功率经济选型、降低船舶建造和使用成本，已成为国际冷藏运输界的重大研究课题[1]。

本文基于MATLAB对冷藏集装箱自然情况下使用期间内的总制冷功率变化情况作仿真，并分析其功率平衡优化方面的应用前景。

2 自然情况下冷藏集装箱控制仿真

2.1 模型建立

参照文献[2]中的技术说明和相关经验公式，本文用以下公式表示冷藏集装箱的各项参数：

（1）冷藏集装箱运行状态

（3）冷藏集装箱功耗

根据文献[3]的描述，冷藏集装箱的实际功耗由箱内外温差值和它所处的运行状态决定。

2.2 MATLAB仿真

基于以上自然情况下的冷藏集装箱运行状态、温度变化过程、功耗模型，以表1中数据作为算例，在MATLAB环境下分别模拟600FEU、1 000FEU、及1500FEU冷藏箱在100 h内的总制冷功率变化情况，最终得出600FEU、1 000FEU、1 500FEU冷藏集装箱在自然情况下的总制冷功率变化情况，如图1、图2、图3所示。

2.3 结果分析

从图1、图2、图3可以看出，冷藏集装箱的总制冷功率存在频繁的峰谷变化，曲线波动大；由表2可以看出，总制冷功率的最大峰值和最小谷值相差了1.15倍左右。同时，随着冷藏集装箱船装箱数的增加，冷藏集装箱总制冷功率的最大峰值、最小谷值、最大峰谷差值、平均值和标准差都随之增大。

因此，对冷藏集装箱进行功率平衡优化，实现功率“削峰填谷”，在降低船舶电站装机容量或增加冷藏集装箱的装载数量方面有着巨大的应用前景和价值。

3 功率平衡优化前景

参考广州文冲船厂有限责任公司建造的1 700TEU集装箱船电站设计的冷藏箱使用系数的设计方法，对600FEU、1 000FEU、1 500FEU的冷藏集装箱船的冷藏集装箱使用系数分别取0.9、0.85、0.8，单个冷藏集装箱的额定功率为7.5 kW。

由表3可以看出，目前电站的功率配套存在较大的裕度，对冷藏集装箱进行功率平衡优化，实现电站功率“削峰填谷”，可减小船舶电站的装机容量。对于600FEU、1 000FEU、1 500FEU的冷藏集装箱船来说，可分别减小752 kW、1 201 kW、1 670 kW的装机容量。

同样，由表3可以看出，对冷藏集装箱进行功率平衡优化，可以在同样的船舶电站设计容量下，增加冷藏集装箱的装载数量。对于600FEU、1 000FEU、1500FEU的冷藏集装箱船而言，以冷藏集装箱额定功率为7.5 kW计算，功率平衡优化后，冷藏集装箱的装载量至少可增加100FEU、160FEU、222FEU，经济效益明显。

4 结语

本文对冷藏集装箱在自然情况下的总制冷功率变化进行仿真分析，通过选取合理的冷藏集装箱的总制冷功率平衡优化目标值，阐述了冷藏集装箱在功率平衡优化方面的应用前景和价值。

参考文献

[1]李东. 船舶冷藏集装箱综合节能技术研究[D].上海海事大学， 2007.

[2]陆毅华，周晓莹. 冷藏集装箱功率平衡系统研究[J].广东造船， 2017.

[3] HAN M P， FRANK B. 船舶工程技术手册[M].王平庚译. 上海交通大学 出版社， 2014.

[4]单海校， 张华. 船舶电站及其自动化[M]. 海洋出版社， 2016.