船舶主要動力設備能效模型與仿真分析

劉 凱，文 武，周 興

?

船舶主要動力設備能效模型與仿真分析

劉 凱，文 武，周 興

（武漢船用電力推進裝置研究所）

根據船、機、槳關系，以船舶動力裝置的能量傳遞為基礎，基于Matlab/Simulink仿真平臺建立主機能效模型。以某內河旅游船舶為研究對象，根據船體與主機參數，利用回歸多項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，采集了主機瞬時油耗、船舶對地航速、對水航速等數據，并計算了主機的實際能效。針對實船采集的數據，分析了航道水流速度的分布特征。基于仿真模型，計算了船舶在不同航道水流速度與對水航速下的主機能效，比較分析了實測數據與仿真結果，并對模型進行了驗證。本文研究對于提升船舶的營運能效指數具有實際指導意義。

主機能效 船、機、槳關系 油耗 水流速度

0 引言

本文展開船舶主要動力設備營運能效建模與仿真分析，并與實船數據進行驗證研究。具體來說，本文依據船、機、槳之間相互作用的關系，從其機理分析的角度基于Matlab/Simulink仿真平臺建立船舶主機的營運能效模型，并利用實船數據進一步對模型的可靠性進行驗證。通過在船舶不同地方安裝油耗儀、測速儀等傳感器，采集船舶主機瞬時油耗、船舶對地航速、對水航速等數據，進一步計算主機的實際能效，并比較分析實測數據與仿真結果。通過分析結果，可以指導船舶管理人員對船舶主機的營運能效進行科學地評估，同時能根據船舶實際航行環境讓其選擇合適地操船方法[2]。

1 船、機、槳關系分析及數學模型

1.1 船、機、槳配合關系

船舶燃油消耗量與船體運動存在如下的能量傳遞關系：

1.2 船、機、槳數學模型

船舶推進系統的實質就是船、機、槳構成的能量轉換系統，具體就是在運轉過程中保持其相互間的動力平衡和運動平衡，船、機、槳相互作用關系間圖2。

圖1 船機槳配合關系

式中：為轉矩系數。

聯立上式得：

通過將船舶營運能效指數關系式與上面的主機單位時間內油耗計算公式相結合。得到主機營運能效指數的模型，通過此模型能夠在船舶航行過程中動態地掌握主機能效水平。主機營運動態能效指數表達式為：

2 船舶主機能效仿真建模

以某油輪為例，利用基于船、機、槳相互作用關系建立主機能效模型，仿真計算不同航速下船舶主機的能效[3,4]；并利用船舶在某次實際航行過程中實船采集的主機實時油耗與船舶對水航速數據，從而得到實際的主機能效，以此對主機能效模型進行驗證。

2.1 目標船基本參數

2.1.1船舶參數

本文選擇載重約為4600噸旅游船作為目標船[5]，該船屬于無限航區靈便型郵游輪，靈活性強，吃水淺，艙數多。其船型參數入下表1所示。

表1 目標船船型參數

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：

通過上述計算方法得到船舶阻力曲線，通過船舶阻力曲線可以推算不同的船舶對水航速時船舶所受的阻力。

圖3 阻力曲線

船舶主機特性曲線由柴油機廠家提供，其表征了主機在不同運行負荷下的油耗。

2.2 設備模型仿真與驗證

2.2.1數據采集

主機能效計算公式：

通過在船上安裝相應的信息采集傳感器，在該旅游船舶某航次上水航行時進行了數據采集[6]。實船安裝的傳感器見圖4。

圖4 主機特性曲線

表2 數據信息

2.2.2實船數據分析

用Matlab得到船舶對水航速對應的主機能效。根據仿真結果可以看出，船舶在航速中主要以約7、10、11 kn的對水航速行駛，這種航速特征也符合船舶定速航行節省燃油的規律。實測中，出現主機能效與船舶對應航速之間不呈現一一對應關系，主要因為水流速度在時域內是一個隨機變化的量。

圖6 水流速度分布

2.2.3仿真與驗證

計算3種水流速度在不同對水航速下主機能效計算結果見圖7。如圖中所示，參照值與實測數據參照值進行比較，進一步驗證模型的精度。可以看出實測數據點基本位于水流速度上、下極值仿真曲線之間。針對實測數據，利用SPSS軟件對主機能效機進行分析。得出在0.01水平上2個變量的Pearson相關系數為0.824，說明兩變量高度正相關，即從整體上看主機能效隨著船舶對水航速的增大而增大，且該增長特性與水流速度取均值時主機能效仿真曲線相吻合。

圖7 主機能效仿真結果

3 結論

本文主要基于船、機、槳相互關系建立了船舶主機能效模型，實船數據的驗證結果表明模型能夠精確地評價與計算船舶在航行過程中地主機能效水平。船舶主機能效隨著船舶航速增大，主機能效的增大幅度越大。受到水流速度變化的影響，主機能效的取值存在一定的變化區間。航環境因素較多，本文只考慮了航道水流的影響。對于數量眾多的營運船舶，可以結合船舶的運行周期于航道通航環境特征，通過優化船舶載貨質量、在航時間、主機運行轉速等參數，提升船舶的營運能效指數。

[1] 李可順, 劉伊凡, 孫培廷. 船舶能效營運指數仿真建模[J]. 中國航海, 2014.

[2] 倪駿愷. 船舶能效營運指數研究[D]. 上海: 上海交通大學, 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, 2013.

[4] 張劍. 基于縱傾優化的船舶能效研究[D]. 大連: 大連海事大學, 2015.

[5] 范愛龍, 嚴新平, 尹奇志, 孫星, 陳前昆, 張永波. 船舶主機能效模型[J]. 武漢理工大學交通運輸工程學報, 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：船舶電力推進系統。E-mail: lele.kai@163.com