船舶主要动力设备能效模型与仿真分析

刘 凯，文 武，周 兴



船舶主要动力设备能效模型与仿真分析

刘 凯，文 武，周 兴

（武汉船用电力推进装置研究所）

根据船、机、桨关系，以船舶动力装置的能量传递为基础，基于Matlab/Simulink仿真平台建立主机能效模型。以某内河旅游船舶为研究对象，根据船体与主机参数，利用回归多项式法得到螺旋桨敞水特性曲线。在船舶上安装油耗仪等传感器，采集了主机瞬时油耗、船舶对地航速、对水航速等数据，并计算了主机的实际能效。针对实船采集的数据，分析了航道水流速度的分布特征。基于仿真模型，计算了船舶在不同航道水流速度与对水航速下的主机能效，比较分析了实测数据与仿真结果，并对模型进行了验证。本文研究对于提升船舶的营运能效指数具有实际指导意义。

主机能效 船、机、桨关系 油耗 水流速度

0 引言

本文展开船舶主要动力设备营运能效建模与仿真分析，并与实船数据进行验证研究。具体来说，本文依据船、机、桨之间相互作用的关系，从其机理分析的角度基于Matlab/Simulink仿真平台建立船舶主机的营运能效模型，并利用实船数据进一步对模型的可靠性进行验证。通过在船舶不同地方安装油耗仪、测速仪等传感器，采集船舶主机瞬时油耗、船舶对地航速、对水航速等数据，进一步计算主机的实际能效，并比较分析实测数据与仿真结果。通过分析结果，可以指导船舶管理人员对船舶主机的营运能效进行科学地评估，同时能根据船舶实际航行环境让其选择合适地操船方法[2]。

1 船、机、桨关系分析及数学模型

1.1 船、机、桨配合关系

船舶燃油消耗量与船体运动存在如下的能量传递关系：

1.2 船、机、桨数学模型

船舶推进系统的实质就是船、机、桨构成的能量转换系统，具体就是在运转过程中保持其相互间的动力平衡和运动平衡，船、机、桨相互作用关系间图2。

图1 船机桨配合关系

式中：为转矩系数。

联立上式得：

通过将船舶营运能效指数关系式与上面的主机单位时间内油耗计算公式相结合。得到主机营运能效指数的模型，通过此模型能够在船舶航行过程中动态地掌握主机能效水平。主机营运动态能效指数表达式为：

2 船舶主机能效仿真建模

以某油轮为例，利用基于船、机、桨相互作用关系建立主机能效模型，仿真计算不同航速下船舶主机的能效[3,4]；并利用船舶在某次实际航行过程中实船采集的主机实时油耗与船舶对水航速数据，从而得到实际的主机能效，以此对主机能效模型进行验证。

2.1 目标船基本参数

2.1.1船舶参数

本文选择载重约为4600吨旅游船作为目标船[5]，该船属于无限航区灵便型邮游轮，灵活性强，吃水浅，舱数多。其船型参数入下表1所示。

表1 目标船船型参数

2.1.2效率估算

从而得到船身效率：

2.1.3船舶阻力与主机特性曲线

Holtrop法为一种常用的船舶阻力估算公式。下面为Holtrop阻力估算公式：

通过上述计算方法得到船舶阻力曲线，通过船舶阻力曲线可以推算不同的船舶对水航速时船舶所受的阻力。

图3 阻力曲线

船舶主机特性曲线由柴油机厂家提供，其表征了主机在不同运行负荷下的油耗。

2.2 设备模型仿真与验证

2.2.1数据采集

主机能效计算公式：

通过在船上安装相应的信息采集传感器，在该旅游船舶某航次上水航行时进行了数据采集[6]。实船安装的传感器见图4。

图4 主机特性曲线

表2 数据信息

2.2.2实船数据分析

用Matlab得到船舶对水航速对应的主机能效。根据仿真结果可以看出，船舶在航速中主要以约7、10、11 kn的对水航速行驶，这种航速特征也符合船舶定速航行节省燃油的规律。实测中，出现主机能效与船舶对应航速之间不呈现一一对应关系，主要因为水流速度在时域内是一个随机变化的量。

图6 水流速度分布

2.2.3仿真与验证

计算3种水流速度在不同对水航速下主机能效计算结果见图7。如图中所示，参照值与实测数据参照值进行比较，进一步验证模型的精度。可以看出实测数据点基本位于水流速度上、下极值仿真曲线之间。针对实测数据，利用SPSS软件对主机能效机进行分析。得出在0.01水平上2个变量的Pearson相关系数为0.824，说明两变量高度正相关，即从整体上看主机能效随着船舶对水航速的增大而增大，且该增长特性与水流速度取均值时主机能效仿真曲线相吻合。

图7 主机能效仿真结果

3 结论

本文主要基于船、机、桨相互关系建立了船舶主机能效模型，实船数据的验证结果表明模型能够精确地评价与计算船舶在航行过程中地主机能效水平。船舶主机能效随着船舶航速增大，主机能效的增大幅度越大。受到水流速度变化的影响，主机能效的取值存在一定的变化区间。航环境因素较多，本文只考虑了航道水流的影响。对于数量众多的营运船舶，可以结合船舶的运行周期于航道通航环境特征，通过优化船舶载货质量、在航时间、主机运行转速等参数，提升船舶的营运能效指数。

[1] 李可顺, 刘伊凡, 孙培廷. 船舶能效营运指数仿真建模[J]. 中国航海, 2014.

[2] 倪骏恺. 船舶能效营运指数研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2010.

[3] 刘伊凡. 基于蒙特卡罗方法的船舶能效建模仿真及研究[D]. 大连: 大连海事大学, 2013.

[4] 张剑. 基于纵倾优化的船舶能效研究[D]. 大连: 大连海事大学, 2015.

[5] 范爱龙, 严新平, 尹奇志, 孙星, 陈前昆, 张永波. 船舶主机能效模型[J]. 武汉理工大学交通运输工程学报, 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

刘凯（1980-），男，高工。研究方向：船舶电力推进系统。E-mail: lele.kai@163.com