基于模型预测控制的双机组混合动力船舶能量管理研究

[目的]船舶柴电混合动力系统合理分配柴油机和电机输出功率,可大幅降低油耗和排放。针对传统混合动力能量管理策略的性能最优与运算实时的矛盾,提出采用模型预测控制(MPC)进行能量管理瞬时优化。[方法]首先,利用反向建模法搭建由双柴油发电机组、储能系统、岸电组成的客渡船混合动力系统能量流模型;然后,提出以油耗和电能消耗的总温室气体(GHG)排放为目标函数,在系统约束条件下可在线滚动优化求解的MPC能量管理算法,最终进一步进行了不同预测时域长度的灵敏度分析。[结果]仿真结果表明,MPC较传统规则控制方法可分别降低4.85%的燃油消耗量和3.54%的温室气体总排放。[结论]相比于传统的规则控制策略,MPC油耗低,温室气体排放少,且计算负荷较小,具有良好的实船应用潜力。

基于BSO-BP的船舶油耗预测模型

为解决基于传统反向传播(back propagation,BP)神经网络的船舶油耗预测模型易陷入极小值和误差较大的问题,提出一种利用头脑风暴优化(brain storm optimization,BSO)算法优化BP神经网络的船舶油耗预测模型(简称BSO-BP模型)。以“维多利亚凯娅”号内河游船为研究对象,将BSO-BP模型的预测结果与采用传统BP神经网络以及模拟退火(simulated annealing,SA)算法、遗传算法(genetic algorithm,GA)、粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法优化的BP神经网络的船舶油耗预测模型的预测结果进行对比分析。结果表明:与传统BP神经网络模型的预测结果相比,BSO-BP模型预测结果的可决系数R^(2)提高了0.003 9,均方误差、均方根误差、平均相对误差、平均绝对误差分别降低了0.034 4、0.154 1、0.010 2、0.017 8,说明在船舶油耗预测中BSO算法对BP神经网络的预测精度有显著的提升作用;BSO-BP模型预测结果的各项评价指标在所对比的5种模型中均表现最好,说明与SA算法、GA和PSO算法相比,BSO算法对BP神经网络的提升效果更好。

基于XGBoost算法的船舶油耗预测模型

船舶油耗预测是实现船舶能效评估与优化决策的基础与前提,对船舶航线航速设计,实现船舶能效优化有重要的意义。基于船舶实测航行数据和环境数据,通过相关性分析提取对船舶油耗影响较大的特征因素,并将特征因素作为模型的输入参数;通过数据清理技术并参照相关国际标准对特征因素进行筛选,得到建模的样本数据;把样本数据按0.8∶0.2的比例随机分为训练样本和测试样本,采用XGBoost算法建立油耗预测模型,并通过预测测试样本的油耗验证模型的准确性。该模型决定系数达到0.967,运行时间为2.723 s,与神经网络模型的准确率几乎一致且运行时间缩短了70%,适用于船舶航行决策中的油耗快速计算和实时预测。

船舶节能减排技术应用现状与展望

随着国际海事组织(IMO)对于减排的短期要求即将实施,MEPC80会议上经最终修订的中长期减排战略也最终敲定,船舶节能减排的需求迫在眉睫。文章总结梳理了目前主流的船舶节能减排措施如LNG、甲醇、氨等替代燃料,电池、风力、太阳能、核能等新能源,以及碳捕捉与封存、空气润滑等船舶节能减排技术,并介绍了各技术的行业应用情况。同时,对未来可能的减排措施进行了展望。研究结果为后续节能减排措施的选择提供参考,在满足减排要求的前提下,实现经济效益最大化和使用便利性。

船舶氢电混合动力系统建模与全生命周期碳排放评价

[目的]为全面评价氢电混合动力船舶的碳减排能力,提出全生命周期碳排放评价方法。[方法]首先,基于Matlab/Simulink平台建立动力系统能量流模型;然后,计算实船营运工况下的耗氢量和耗电量,进而得出全生命周期碳排放量;最后,针对不同电能来源和氢气来源,对碳排放进行敏感性分析。[结果]某内河渡轮的计算结果表明,相较于传统柴油动力系统,氢电混合动力系统在一个营运周期内可以减少30.24%的碳排放。敏感性分析结果表明,氢电混合动力系统的全生命周期碳排放并非必然优于传统柴油动力系统,故建议采用可再生能源进行制氢和发电,以大幅降低碳排放量(最多可减少94.2%)。[结论]研究成果可为绿色船舶的动力系统设计提供参考。

我国首个中国籍船舶碳排放管理机构成立

3月20日,我国首个中国籍船舶碳排放管理机构——上海海事局船舶能效管理中心成立。中心将有针对性地指导我国航运企业积极采取技术、营运和使用替代燃料等措施降低船舶能耗。

船舶能耗数据海事监管“CARBON”要点核查法

从国际公约、法律法规、现场执法的角度总结梳理船舶能耗数据监管的要素,创造性地提出“CARBON”要点核查法。结合我国船舶能耗数据管理现状,介绍“CARBON”要点核查法的内涵、实践和成效,分析船舶能耗数据海事监管的要点,提出运用“CARBON”要点核查法提升船舶能耗数据海事监管能力的建议。

良好船艺探讨拖轮节能助推福州港绿色港口建设

绿色港口的建设既能保护港口环境,又能提高港口经济效益,并且能把环境因素与经济效益进行完美的结合,港口的经济发展不仅可以提高周边环境,同时港口环境也有利于促进港口的经济发展。因此绿色港口的发展是未来港口发展的必然趋势。拖轮是港口运作的重要组成部分,也是建设绿色港口的重要环节。福州港拖轮的作业主要是为福州港区往来船舶提供助靠离、拖带、水上交通及海上救助等各项港口业务。本文从运用良好船艺方面探讨拖轮节能,助推福州港绿色港口建设。

船舶进出港能耗数据智能监管研究

以天津海事局为例,充分运用动态管理和智能核查相结合的方式,探索和设计船舶能耗检查程序,解决船舶能耗核查目前存在的问题,以提高船舶进出港能耗核查效率。

新型燃烧促进剂在水泥生产中的应用

下文分析了燃烧促进剂的原理,并对燃烧促进剂在水泥生产中的应用进行了总结分析。结果表明,添加燃烧促进剂后,对熟料出窑质量无负面影响,吨标煤可节约2.7 kg,节碳7.182 kg,直接经济效益为225万元/年,环保效益为72.5万元/年。为水泥行业节能降碳增添了一种新路径。

蓄电池混合储能系统研究

锂离子电池系统成本高昂是阻碍其在电动设备中广泛使用的最大挑战之一。对某船采用的电池混合储能系统(Hybrid Energy Storage System,HESS)进行研究,分析电池混合对成本、系统效率和电池重量等3个关键指标的影响。该HESS的使用寿命设计为10 a,采用镍钴锰酸锂和钛酸锂作为高能(High-Energy,HE)和高功率(High-Power,HP)电池单体。研究表明,与采用HP电池和HE电池的单一型电池储能系统相比,HESS的效率没有下降,成本能分别下降约28%和14%,总重量能减少30%以上。

一种船舶自动加油装置的设计

针对现有加油船舶油管拉动困难及存在断裂风险等问题,设计了一种船舶自动加油装置,并对该装置的功能设计、结构设计和使用方式进行介绍,与现有加油装置相比,设计的加油装置结构简单、操作方便,油管可以在始终张紧的状态下不会受到过大的拉力,工作更加安全可靠。

水力空化强化Na_(2)S_(2)O_(8)的船舶废气脱硝实验研究

为探索船舶尾气高效脱硝新方法,本文使用水力空化强化Na_(2)S_(2)O_(8)进行湿法氧化脱硝。通过与鼓泡方式进行对比,证明了水力空化强化Na_(2)S_(2)O_(8)脱硝的可行性。研究了溶液温度、入口压力、氯离子(Cl^(-))等因素对NO_(x)去除率的影响。结果显示:当Na_(2)S_(2)O_(8)浓度为0.1 mol/L时,溶液温度从30℃升高到80℃,NO_(x)去除率由9.8%增长到71.2%。NO_(x)去除率随水力空化反应器入口压力提高呈现先上升后下降的趋势。入口压力为350 kPa时,NO_(x)去除率最高。Cl^(-)可以显著提高NO_(x)去除率。溶液温度为60℃时,在浓度为0.1 mol/L的Na_(2)S_(2)O_(8)溶液中加入氯化钠,能产生HOCl、Cl2等含氯氧化性物质,从而极大地增加反应溶液的氧化能力。NO_(x)去除率超过90%的维持时间长达142 min。在海水条件下水力空化能有效促进Na_(2)S_(2)O_(8)脱硝,具有船舶应用前景。

氨燃料在商船上的应用分析

分析液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)、甲醇和生物燃料等“低碳燃料”,以及氢、氨等“零碳燃料”的应用现状,总结氨在排放性、经济性、能量密度、储存和运输等方面相对于其他燃料的独特优势。研究氨燃料在氨燃料发动机中的应用方式,提出储运和供应氨燃料时需采取的安全措施,以及采用选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction, SCR)技术解决氨燃料排放问题。通过分析可知,氨作为一种新兴的船用燃料,具有明显的应用优势,同时面临着不少挑战,例如,如何使其生产效率的提高和生产规模的拓展跟上需求增长的步伐,如何解决相关法规标准不完善、关键配套设备不成熟的问题,需要国家政策层面的支持和各行业的联合技术攻关。

基于数据收集机制的国际航行船舶燃油消耗数据分析

自船舶燃油数据收集机制实施以来,国际海事组织定期形成燃油消耗数据报告,总结数据收集、报告等相关情况。为明晰近年来5000总吨及以上国际航行船舶每年的燃油消耗和碳排放情况,探析未来船舶能源走势,基于MARPOL公约附则VI 2021修正案和有关导则的规定,以及燃油消耗数据报告,按照能效设计指数的船型和尺寸分类,对比分析国际海事组织提供的2019、2020、2021年度燃油消耗最新数据,为我国船舶能耗数据分析工作提供借鉴。

某穿梭油轮EEDI多方案优化对比分析

为了确认船舶优化技术对EEDI的效果,以15万吨级系列穿梭油轮为对象,比较分析包括船型优化、主机功率降低、节能装置安装和船体减重设计等多项优化技术对于穿梭油轮EEDI的提升效果贡献度,结果表明,满足最小推进功率的前提下降低主机功率对EEDI的提升效果要比其他优化技术对于穿梭油轮的能效水平高出5倍左右,在不能满足EEDI要求时,应优先考虑在满足最小推进功率的前提下降低主机功率,同时保证其他优化技术协同应用,以提高船舶能效水平,满足法规强制要求。

减排背景下北极东北航线船舶航速多目标优化

为控制成本、缩短航期,在考虑硫排放控制区(sulphur emission control area,SECA)、航海碳税等减排政策和北极东北航线气象因素的基础上,建立北极东北航线船舶航速多目标优化模型。通过带精英策略的非支配排序遗传算法(elitist non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA-Ⅱ)求得针对航运成本和航行时间的帕累托解集,然后采用灰色关联度分析法从帕累托解集中筛选出最佳折中解。选用实船数据进行案例计算,结果表明:运用NSGA-Ⅱ-灰色关联度分析法可以有效地计算出模型的折中解;减排背景下,除有冰航段外,船舶在SECA内外采取不同航速,有利于实现航运成本与航行时间的平衡;降低航海碳税或破冰费有利于加快中欧北极东北航线商业通航的进程。

空气润滑减阻技术应用

为研究空气润滑减阻技术对船舶能效设计指数(EEDI)的贡献度,并验证该技术对船舶节能效果。结合空气润滑减阻技术的机理,分析其应用系统的设计及工作模式,计算其对船舶推进功率产生的影响。模型试验和实船航海试验的结果表明,安装并运行空气润滑减阻系统的船舶在航行中,有效降低了船舶能耗。

船舶能耗数据收集管理思考

《船舶能耗数据收集管理办法》(以下简称《管理办法》)自2019年1月起施行以来,据统计,至2022年7月底,全国共有908艘船舶由于在出港前或者规定日期前未按照规定报告上一航次或者上一月度的能耗数据,即未将主机、辅机和锅炉功率、消耗的燃料种类和数量,航行时间、营运时间,货物运输量、载客人数等信息按照规定报告海事管理机构,因而受到海事部门警告或者罚款的行政处罚。基于此,笔者对船舶能耗数据收集管理中相关事项进行分析,以便帮助航运公司做好船舶能耗数据收集申报工作,避免行政处罚,进而帮助海事部门做好船舶能耗数据收集管理工作,更好地履行国际公约。

基于人工蜂群算法的船舶航速优化

航速优化是船舶智能能效管理的主要组成部分,对降低船舶营运成本、减少温室气体排放具有重要意义。为减少船舶航行时的主机燃油消耗,根据实船数据首先构建了主机油耗模型,模型的平均误差仅为0.813%,然后对整个航程进行分段,基于人工蜂群算法对整个航程的航速进行优化。经过验证可得结论:优化后的航速对应的整个航程航行时间减少了14.44%,油耗量降低了3.012%。研究结果表明,使用人工蜂群算法对航速进行优化,能够对航速提出建议,达到提高船舶能效水平,提高经济性、环保性的目标。