一种基于设备劣化指数的船舶能效智能管理系统

1.本发明属于船舶能效管理的技术领域，具体涉及一种基于设备劣化指数的船舶能效智能管理系统。


背景技术：

2.能源问题已经成为全球经济发展中一个非常重要的问题。船舶作为能源消耗量巨大的运输工具，较高的能耗一方面使船舶运行成本增加，另一方面也造成了严重的环境问题。因此，国际海事组织提出了新造船舶的节能减排能效规定，以法律的形式规定船舶行业中co2的排放要求。船舶碳排放过高，航运公司除了高额的燃料费用外，还将支付额外的罚金，以补偿对环境的破坏。
3.目前，船舶能效优化管理研究主要是在能效管理规范和检验指南的大框架下研发船舶能效监测系统，实现船舶航行状态、能效状态数据的自动采集和在线监测；通过大数据分析技术评估船舶能效状态水平，分析船舶能效的主要影响因素和内在关联关系，实现船舶航速优化、纵倾优化等自主决策，最终达到能效使用最大化和能效管理智能化的目的。在当前船舶能效研究中，船体阻力、功率和油耗等模型大多是基于经验公式计算得到，而不同环境条件下船-机-桨动态特性的差异会导致不同条件下船舶能效模型参数有所不同。目前的船舶能效评估方法只统计船舶在不同航速下的燃油消耗量如图1所示，通过比较不同航速下的油耗来大致分析船舶的能效状态，没有考虑船舶吃水和航行条件的影响，也没有考虑动力设备的运行环境和工况点，无法知道是哪个设备的性能劣化造成了船舶能耗的增加，评估结果缺乏科学性和实用性。此外，所研发的系统大多只具备主要耗能设备、航行状态等参数的监测功能，不具备船舶污底的状态监测、船舶主机、发电柴油机和锅炉的能效性能监测和评估，在基于实际数据的船舶能效分析、评估和预测方面还有待进一步提升和完善。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于设备劣化指数的船舶能效智能管理系统，基于船舶推进的基本原理和船舶动力设备的工作原理，提出船舶污底的劣化指数、船舶柴油机的能效劣化指数以及船舶锅炉的能效劣化指数，可以解决目前船舶能效评估方法缺乏机理分析和定量评估的问题。这样，当发现船舶能耗异常时，通过这三个指数就可以发现是船舶污底的问题如海生物附着、油漆剥落、表面结垢等，还是柴油机性能恶化如部件磨损、气道脏堵、燃油喷嘴堵塞等或者锅炉性能变差如水管结垢、烟气泄漏等，以指导管理人员采取相应的维修措施恢复设备的性能，减少船舶能耗。这对于实现船舶能效的综合管理、评估指标的定性分析，促进船舶航行优化和智能能效的产品化将具有重要意义。
5.本发明可通过以下技术方案实现：
6.一种基于设备劣化指数的船舶能效智能管理系统，包括采集模块、能效评估模块和显示模块，
7.所述采集模块用于实时采集船舶航行时的海况数据、航行数据和设备运行数据；
8.所述能效评估模块用于根据船舶的试航数据、设备台架试验数据，以及实际采集的海况数据、航行数据和设备运行数据，计算船舶的污底劣化指数、柴油机劣化指数和锅炉劣化指数，并给出评估结果；
9.所述显示模块用于显示采集模块实时采集的数据以及评估结果。
10.进一步，所述能效评估模块用于根据船舶的试航数据，计算船舶的基准污底系数ch0，再根据实际采集的海况数据、航行数据和设备运行数据，计算当前工况下的实际污底系数ch、实际柴油机油耗率ge′
以及实际锅炉热效率ηb′
，计算实际污底系数ch和基准污底系数c
h0
的比值，获取船舶的污底劣化指数；
11.然后将实际柴油机油耗率ge′
和实际锅炉热效率ηb′
转换到标准工况下对应的柴油机油耗率ge和锅炉热效率ηb，再根据柴油机的万有特性曲线查询当前工况对应的基准油耗率g
e0
、根据锅炉的热效率曲线查询当前工况对应的基准锅炉热效率η
b0
，计算柴油机油耗率ge与基准油耗率g
e0
的比值以及锅炉热效率ηb与基准锅炉热效率η
b0
的比值，获取柴油机劣化指数和锅炉劣化指数；
12.最后，将船舶的污底劣化指数、柴油机劣化指数和锅炉劣化指数与对应的阈值做比较，输出评价结果。
13.进一步，记船舶航行的总阻力r
t
包括摩擦阻力rf、兴波阻力rw、形状阻力rf及空气阻力ra，即r
t
＝rf rw rf ra，其中，
[0014][0015][0016]ch
表示污底系数，ρs表示海水密度，vs表示船速，ss表示湿表面积，cw表示波浪系数，c
t
表示涡旋系数，ca表示风阻系数，ρa表示空气密度；vw表示风速；θw表示风向；su表示迎风面积，pd表示单机单桨主机的推进功率，ηd表示船舶推进效率；
[0017]
根据多组试航数据，计算各组对应的r
f常
、r
w常
、r
f常
、r
a常
，通过方程组求解获得各个阻力对应的系数即污底系数ch、波浪系数cw、涡旋系数c
t
和风阻系数ca，此时获得的污底系数ch为基准污底系数c
h0
；
[0018]
船舶实际航行时，根据采集模块获取的实时数据，计算当前工况下各个阻力对应的r
f常
、r
w常
、r
f常
、r
a常
，利用公式计算当前工况下的实际污底系数ch，进而获得污底劣化指数c
hule
＝ch/c
h0
。
[0019]
进一步，利用如下方程式，将实际柴油机油耗率ge′
和实际锅炉热效率ηb′
转换到标准工况下对应的柴油机油耗率ge和锅炉热效率ηb；
[0020]
ge＝(hu/42700)
·
g'e·
[1 (25-t0)
·
0.0002-(1000-p0)
·
0.00002 (25-t
in
)
·
0.0006]
[0021][0022]
其中，hu为柴油低热值，kj/kg；p0为大气总压，mbar；t0为环境温度，℃；t
in
为空冷器
冷却水进口温度，℃。
[0023]
进一步，所述采集模块、能效评估模块和显示模块均与上位机连接，所述上位机还通过无线通讯模块与船舶控制器、云服务器相连，便于提供明确的维修指导，达到优化船舶能效的目标。
[0024]
本发明有益的技术效果如下：
[0025]
本发明突破了目前的船舶能效评估只注重数据的统计分析，缺乏机理性的研究和定量的评估结果，利用本发明的基于设备劣化指数的船舶能效智能管理系统，不仅可以了解船舶的整体能效状况，还可以获得船舶污底、柴油机和锅炉的能效状况，为管理人员提供定量的监测信息和明确的维修指导，实现船舶能效的运行优化和决策支持。具体如下：
[0026]
1.能够定量地评估不同航行条件下船体表面的清洁状态，为船舶污底的维修提供科学依据；
[0027]
2.能够定量地评估不同工作环境下船舶柴油机和锅炉的能效状况，为柴油机和锅炉的检修提供科学依据；
[0028]
3.能够迅速定位船舶能效异常的设备和系统，指导管理人员采取相应的改进措施，减小船舶的总体能耗。
附图说明
[0029]
图1为现有技术中不同航速下的船舶燃油消耗量的曲线示意图；
[0030]
图2为本发明的系统框架示意图；
[0031]
图3为本发明的柴油机万有特性曲线示意图；
[0032]
图4为本发明的负荷系数对锅炉效率的影响示意图。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图及实施例详细说明本发明的具体实施方式。
[0034]
如图2所示，本发明提供了一种基于设备劣化指数的船舶能效智能管理系统，包括采集模块、能效评估模块和显示模块，该采集模块用于实时采集船舶航行时的海况数据、航行数据和设备运行数据；该能效评估模块用于根据船舶的试航数据、设备台架试验数据，以及实际采集的海况数据、航行数据和设备运行数据，计算船舶的污底劣化指数、柴油机劣化指数和锅炉劣化指数，并给出评估结果；该显示模块用于显示采集模块实时采集的数据以及评估结果。这样，通过采集模块获取船舶的航行数据、海况数据和设备运行数据，传送至上位机的能效评估模块，由其结合试航数据、锅炉和柴油机的台架试验数据，计算船舶的污底劣化指数、柴油机劣化指数和锅炉劣化指数，经过综合判断分析，给出评估结果，并通过显示模块显示出来，从而能够快速预判船舶哪个主要部件可能出现故障，为管理人员提供定量的监测信息和明确的维修指导，实现船舶能效的运行优化和决策支持。
[0035]
具体如下：
[0036]
一、采集模块
[0037]
该采集模块包括各种传感器如风速风向传感器、水流传感器等等，以便测量各种海洋环境数据，还可以通过上位机与船舶控制模块通讯获取相关的航行数据和设备运行参数，从而为后续的计算提供数据基础；
[0038]
二、能效评估模块
[0039]
船舶的能量消耗主要受到船舶航行阻力、推进主柴油机和发电柴油机油耗和锅炉油耗的影响。船舶的阻力主要与船体的清洁状态有关，还受到船舶装载量、纵倾和航行条件如水流、波浪、风速、风向等因素的影响，船舶柴油机和锅炉的燃油消耗率不仅与自身性能有关，还与其运行环境和运行工况点有关，因此，能效评估模块主要从以下几个方面着手进行分析：
[0040]
1.船舶的污底劣化指数
[0041]
船舶阻力是船舶航行过程中能量消耗的主要根源，如果船舶阻力降低，主机功率需求就降低，航行能源消耗自然就降低。船舶在水中的总阻力由许多类型的阻力组成，可分为以下几类：
[0042]
·
摩擦(水)阻力：由于水对水的湿润摩擦。
[0043]
·
空气阻力：由于与水和船舶上层建筑之间的船体的空气摩擦。
[0044]
·
兴波阻力：由于在此过程中船舶所使用的波浪和能量的形成。
[0045]
·
旋涡阻力：这是由于船舶周围水的不规则流动特别是在后端引起的附加阻力。
[0046]
在海上试验中得出船速-功率曲线时，是基于以下的理想条件：
[0047]
·
船体清洁
[0048]
·
抛光螺旋桨
[0049]
·
平静的海面和最小的风
[0050]
·
设计的吃水和正浮
[0051]
如果船舶试验中遇到的实际情况不在上述情况下，必要时应进行校正。在正常的操作中，该曲线可以通过执行特殊的船速试验或简单地在实际条件下长时间测量(延长的时间段将通过平均来最小化天气和海况的影响)来获得。
[0052]
船舶航行的总阻力r
t
包括摩擦阻力rf、兴波阻力rw、形状阻力rf及空气阻力ra。
[0053]
(1)摩擦阻力rf：船舶航行时，船体与水表面摩擦产生阻止船舶前进的力，称摩擦阻力。摩擦阻力与航速的1.86次方成正比，高速船舶的摩擦阻力约占总阻力的40％，而低速民用船舶的摩擦阻力可高达总阻力的80％
。
[0054]ch
—污底系数，它会随着船体表面的清洁状态而改变，是一个变常数；ρs—海水密度；vs—船速；ss—湿表面积。
[0055]
(2)兴波阻力rw：船舶前进时给水以作用力掀起波浪，而水必然会给船体以反作用力，这种阻力称为兴波阻力。兴波阻力与航速的4～6次方成正比，船速越快，兴波阻力也越大，高速船兴波阻力可达总阻力的50％以上，而低速民用船舶的兴波阻力一般占总阻力的10％。
[0056]cw
—波浪系数，基本上是一个常数。
[0057]
(3)形状阻力rf：船舶在前进时，尾部产生旋涡低压区，船艏部受到的水压力大于尾部，这一压差形成的阻力其大小与船体形状有关，所以叫做形状阻力，也称涡旋阻力。形状阻力与航速的2次方成正比，在船舶的水阻力中，约占总阻力的10％。c
t
—涡旋系数，基本上是一个常数。
[0058]
(4)空气阻力ra：空气阻力的大小因水上部分和上层建筑的形式而异，与船舶相对
风力、风向有关。ca—风阻系数，基本上是一个常数，ρa—空气密度；vw—风速；θw—风向；su—迎风面积。
[0059]
通常，ρs＝1050kg/m3；ρa＝1.293
×
273/(t0 273)kg/m3，这里t0是大气温度(℃)。
[0060]
由得
[0061]
其中，pd—单机单桨主机的推进功率，vs—船速，m/s，ηd—船舶推进效率。
[0062]rt
＝rf rw rf raꢀꢀꢀ
(2)
[0063]
则船舶摩擦阻力为：
[0064][0065]
则此时的污底系数
[0066]
实际评估时，分别计算船舶试航时的基准污底系数c
h0
和船舶航行的实际污底系数ch，则船舶的污底劣化指数表示为c
hule
＝ch/c
h0
[0067]
2.船舶柴油机的能效劣化指数
[0068]
船舶柴油机包括主推进柴油机和发电柴油机，燃油消耗率是柴油机最重要的经济性参数，但对船舶柴油机燃油消耗率的测定，一般要依照相关的标准。为了计算发动机的燃油消耗率，需要修正燃料的密度和热值。测定柴油机的功率和燃油消耗率时，应使用低热值为42700kj/kg的基准柴油，并在如下标准环境下进行:
[0069]
基准柴油低热值：42700kj/kg；
[0070]
大气压力：100kpa(750mmhg)；
[0071]
大气温度：298k(25℃)；
[0072]
相对湿度：30％；
[0073]
空冷器冷却水进口温度：298k(25℃)。
[0074]
当柴油机在不同于标准环境状况下运转时，需对燃油消耗率作如下的修正：
[0075]
ge＝(hu/42700)
·
g'e·
[1 (25-t0)
·
0.0002-(1000-p0)
·
0.00002 (25-t
in
)
·
0.0006]
ꢀꢀꢀ
(5)
[0076]
式中，ge为校正后的燃油消耗率，g/(kw.h)；g
e’为校正前的燃油消耗率，g/(kw.h)；hu为柴油低热值，kj/kg；p0为大气总压，mbar；t0为环境温度，℃；t
in
为空冷器冷却水进口温度，℃。
[0077]
不管是主推进柴油机还是发电柴油机，都要尽可能运行在油耗较低的工况。但在实际运行中由于负荷的不可控性，柴油机可能会在任何一个工况点运行。因此，评价柴油机的能效不能单纯地以其实际油耗率来判断，而应该将实际油耗率与当前运行工况点的柴油机台架试验的油耗率相对比，具体如下：
[0078]
实测柴油机在当前工况点下的油耗率g
e’；
[0079]
对实际油耗率g
e’按照公式(5)进行校正，得到修正后的油耗率ge；
[0080]
利用柴油机的万有特性曲线，如图3所示，查出当前工况点的基准油耗率g
e0
；
[0081]
最后得到柴油机的能效劣化指数
[0082]
由于考虑了柴油机的测试环境和运行工况，该指数能客观地反映柴油机的整体能
效状态。因为柴油机任何部件的性能故障都会造成该指数的增加，从而对船舶柴油机的能效监测具有指导意义。
[0083]
3.船舶锅炉的能效劣化指数
[0084]
一般来说，船舶燃料消耗的6％用于船舶锅炉，对于蒸汽轮机推进船如蒸汽动力lng运输船，超过80％的能量用于锅炉。从锅炉给水变为蒸汽所得到的有效热量与向锅炉所供应的热量之比称为锅炉热效率，主要用反平衡法测定。
[0085][0086]
其中，qd—燃料发出的热量；q1—排烟热损失；q2—化学不完全燃烧热损失；q3—机械不完全燃烧热损失；q4—散热损失。
[0087]
按照基准燃料(42700kj/kg)校正的锅炉热效率ηb[0088][0089]
式中，ηb为校正后的锅炉热效率；η
b’为校正前的锅炉热效率；hu为燃料低热值，kj/kg。
[0090]
同样，锅炉的实际运行热效率除了与其各种热损失有关外，还与其运行负载有关。在实际运行中由于负荷的不可控性，锅炉可能会在任何一个工况点运行。因此，评价锅炉的能效不能单纯地以其实测的效率来判断，也应该将实测的效率与该工况点下锅炉台架试验的热效率相对比，具体如下：
[0091]
实测锅炉在当前工况点下的热效率η
b’；
[0092]
对实际效率η
b’按照公式(8)进行校正，得到校正后的热效率ηb；
[0093]
利用锅炉的热效率曲线，如图4所示，查出该工况点的基准热效率η
b0
；
[0094]
最后得到锅炉的能效劣化指数
[0095]
该指标能客观地反映锅炉的整体能效状态，因为锅炉任何部件的性能故障都会造成该指数的增加，从而对船舶锅炉的能效监测具有指导意义。
[0096]
根据上述分析可知，该能效评估模块主要用于计算船舶的污底劣化指数、柴油机劣化指数和锅炉劣化指数。为此，我们可以根据需要监测的船舶信息，依据相关的试航数据，计算出对应摩擦阻力rf、兴波阻力rw、形状阻力rf及空气阻力的r
f常
、r
w常
、r
f常
、r
a常
，再通过方程组求解获得各个阻力对应的系数即污底系数ch、波浪系数cw、涡旋系数c
t
和风阻系数ca，此时获得的污底系数ch为基准污底系数c
h0
，它是一个变常数，会随着船体表面的清洁状态而改变，而其它系数保持不变，所以我们可以事先将这些参数存储在能效评估模块里，以便后续计算使用；
[0097]
然后，根据采集模块获取的实际数据，利用公式(4)计算船舶航行的实际污底系数ch，进而得到船舶的污底劣化指数c
hule
＝ch/c
h0
；根据实测的柴油机当前工况点下的实际油耗率g
e’，利用公式(5)对其进行校正，进而计算得到能效劣化指数依据实测锅炉在当前工况点下的实际热效率η
b’，利用公式(8)对其进行校正，进而计算得到锅炉的
能效劣化指数
[0098]
最后，将这些指数与对应的阈值做比较，若较大，则给出报警信息以及潜在原因、修复指导等等，构建评估报告，再通过显示模块进行显示，并且存储至云服务器，进行数据备份或者后续更加准确的故障分析提供数据基础等等。还可以发送给相关的维修人员，方便他们及时处理问题。
[0099]
为了验证本发明的基于设备劣化指数的船舶能效智能管理系统的可行性，我们进行了如下实验：
[0100]
以上海海事大学教学实习船“育明”轮为例进行分析。该船总长189.90m，型宽32.26m，型深15.70m，设计吃水10.30m，载重为45800吨，服务航速约17.0海里/小时。主机型号为6s50me-c，额定转速127转/分钟，额定功率7948千瓦，使用380cst/50℃燃油(hu为37507.5kj/kg)。6l16/24型发电柴油机额定转速1200转/分钟，额定功率660千瓦，使用380cst/50℃的燃油。1台cmb-vs 2.5 1.0/7型组合燃油锅炉，供给水温度60℃，工作压力0.7mpa，燃用380cst/50℃燃油。该船舶在2011年8月试航时测得的数据如下：
[0101][0102]
利用上述公式进一步得到如下常数：
[0103][0104]
考虑到同一个航次，船舶污底系数ch基本保持不变，其它系数如波浪系数cw、涡旋系数c
t
、风阻系数ca也保持不变，则利用上述测试的数据和各阻力的计算公式，可以得到如下方程组：
[0105]
304＝60ch 2529cw 76c
t
318ca[0106]
429＝83ch 5181cw 109c
t-1720ca[0107]
481＝90ch 6173cw 119c
t
624ca[0108]
650＝100ch 7710cw 133c
t
1443ca[0109]
从而得到船舶试航的各阻力系数为：ch＝139.205、cw＝0.25127、c
t
＝114.207、ca＝0.0126，这里的污底系数ch即为船舶的基准污底系数c
h0
。在船舶以后的航次中，污底系数ch
会随着船舶污底状态的变化而变化，而其它的系数基本上保持不变。
[0110]
同时，测定了主机的燃油消耗率。试航所用燃油20o℃时密度为0.9864t/m3，则燃油低热值为37396.5kj/kg。在柴油机122.6r/min转速和7098kw功率工况下，测得的燃油消耗率ge′
为196.7g/kw.h，按照iso标准环境条件及燃油热值修正后的燃油消耗率为ge：
[0111]
ge＝(37396.5/42700)
×
196.7
×
[1 (25-21.5)
×
0.0002-(1000-1023)
×
0.00002 (25-14)
×
0.0006]＝173.6g/kw.h
[0112]
该柴油机台架试验在122.6r/min转速和7098kw功率工况下的燃油消耗率g
e0
＝173.5g/kw.h，则其能效劣化指数为
[0113]cdiesel
＝ge/g
e0
＝173.6/173.5＝1.0
[0114]
说明此时柴油机的性能状态非常好，因为是刚刚安装的新机器。
[0115]
另外，对辅锅炉的热效率也进行了测试，获得在70％负载下的热效率为69.8％，经燃料修正后的热效率为：ηb＝42700/37396.5
×
69.8％＝79.7％，非常接近于台架试验的热效率。
[0116]
2021年2月24日船舶在航期间，船舶吃水8.2m，风速5m/s，风向28
°
，船速12.5节，主机转速103r/min和功率5166kw，海水温度为5℃，大气温度为10℃，船舶总阻力为723kn(推进功率*0.9/船速)。利用前述公式得到如下常数：
[0117][0118]
利用这些系数可以得到船舶摩擦阻力为：
[0119]
rf＝r
t-r
w-r
f-ra＝723-cw
×
3217-ct
×
78-ca
×
2056＝8848.716
[0120][0121]
则船舶的污底劣化指数为c
hule
＝ch/c
h0
＝47.478/139.205＝1.059
[0122]
说明船体表面已经有一定的污底，但不是很严重。因为该船最近刚刚进船厂进行了维修，对船体表面也进行了清洗，故阻力增加不大。
[0123]
同时又测试了柴油主机在103r/min转速和5166kw功率工况下的燃油消耗率为266g/kw.h，按照iso标准环境条件及燃油热值修正后的燃油消耗率为
[0124]
ge＝(37396.5/42700)
×
266
×
[1 (25-10)
×
0.0002-(1000-1023)
×
0.00002 (25-5)
×
0.0006]＝236.5g/kw.h
[0125]
该柴油机台架试验在103r/min转速和5166kw功率工况下的燃油消耗率g
e0
＝190g/kw.h，则其能效劣化指数为c
diesel
＝ge/g
e0
＝236.5/190＝1.245
[0126]
说明柴油机的性能状态已经有一定的恶化。经检查后发现，2#缸、3#缸燃油喷射器磨损较严重，造成缸内燃烧不良，因而引起柴油机的油耗增加。
[0127]
另外，也测试了辅锅炉使用相同的燃料，在40％负荷下的热效率为58.5％，经燃料修正后的热效率为：ηb＝42700/37396.5
×
60.3％＝68.8％，而锅炉台架试验在40％负荷下的热效率为η0＝69％，则其能效劣化指数为
[0128]cboiler
＝η0/ηb＝69/68.8＝1.002
[0129]
说明该锅炉的性能基本正常。
[0130]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。