育鲲_轮船舶能耗分布及能效评价研究_曾勤阳.docx

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1、 Energy distribution and Energy efficiency evaluation study about MV “YUKUN， ， A thesis Submitted to Dalian Maritime University %/ In partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineering By Zeng Qinyang (Marine Engineering) Thesis Supervisor: Professor Wu Guitao June 2012

2、大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写 成硕士学位论文 “ 育觸 轮船舶能耗分布及能效评价研究 ” 。除论文中已经注 明引 用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确 方式标明。 本论文中不包含任何未加明确注明的其它个人或集体已经公开发表或 未公开发表的成 果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文 的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和 电子版，允

3、许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学 位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库（中国学术 期刊（光盘版）电子杂志社）、中国学位论文全 文数据库（中国科学技术信息研究 所）等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后 遵守此规定。 本 学 位 论 文 属 于 ： 保 密 在 年解密后适用本授权书。 不保密 cl/(请在以上方框内打 “ V” ） 中 文 摘 要 摘要 随着能源储量的减少和社会对环保认识的提高，节能减排已经成为了全世界

4、 关注的一 个焦点问题。作为耗能巨大的远洋运输业来说，如何提高船舶能源利用 效率、减少环境污 染，已经成为船舶工业必须要解决的现实而重大的课题。 本文以 “ 育鲲 ” 轮为目标船，以能耗为主线，以提髙能量利用率为目的，以能量 系统 能量分布情况为研究对象，系统研究了船舶能量系统的能耗分布。能量系统 分析的传统方 法是采用热平衡分析法，鉴于此分析法没有考虑能量品质，因此文 中采用了热平衡分析和 火用分析两种能量系统分析相结合的方法，对船舶能耗分 布进行了详细研究。 首先，文章介绍了节能减排大环境下研究能量分布的意义及国内外在能量 分 布相关领 域的研究现状，从而说明了本文的研究价值。其次，由于能

5、量分布研究 需要相关的理论支 持，因此介绍了能量系统以及热平衡分析和火用分析两种分析 方法的理论知识。再次， “ 育 鲲 ” 轮作为专业实习教学船与远洋商船相比，其具有长 期停靠港口处于锚泊状况，航行时 间较少的特点。根据上述特点分析了 “ 育鲲 ” 轮在 锚泊工况下柴油发电机和燃油锅炉的能 量分布情况，绘制了柴油发电机的能量流 动图谱；然后，详细分析了船舶在航行工况下船 舶柴油的能耗分布和有效能利用 情况，根据计算的结果绘制了船舶柴油机的能流图和火用 流图。最后，根据对 “ 育 餛 ” 轮不同工况下的能耗情况进行了研究，参考运输船舶能源利 用评价方法对 “ 育 鲲 ” 轮能源利用情况进行综合

6、评价；并对比了船舶能量系统实际运行及 台架试验下 的能耗情况，分析了能源利用效率较低的原因；根据能耗综合评价结果和能源 利 用效率较低的原因，结合 “ 育鲲 ” 轮自身的特点提出了船舶能量管理建议。 本文对船舶能量系统能耗分布情况进行了基础性研究，为以后建立 “ 育鲲 轮船 舶 能量管理计划提供了一定的基础，也对其他远洋商船进行船舶能量管理具有借 鉴意义。 关键词：船舶能耗；火用 分析；热平衡分析；能量管理 英 文 摘 要 ABSTRACT With the scarcity of energy reservation and more concerns about environment,

7、energy saving and environment protection have become top agenda all over the world. So Ocean-going vessels have been drawn lots of attention for their huge energy depletion. How to improve the energy efficiency of ocean-going vessels has been realistic top issues in shipping industry. Base on parent

8、 ship tYUNKUN, with the energy consumption as key point, elevating energy utilization efficiency as main objective and the energy distribution field as main studying object, this paper focuses on the systematic study of ships energy consumption distribution. In light of shortcomings of traditional e

9、nergy studying method thermal equilibrium analysis for its less consideration of energy quality, this paper does a further research on ships energy consumption distribution field by combination of thermal equilibrium analysis method and exergy analysis method. Firstly, by introducing the meaning of

10、analyzing on energy distribution field and current research background, this paper further illustrates the mathematic theory of thermal equilibrium analysis method and exergy analysis method respectively. Secondly, compared with ocean-going merchant vessels, YUNKUN, as professional training vessel,

11、enjoys the characteristics of anchoring for a long time and navigating for such a short time. Then bases on that, the energy distribution field of electricity generator and boilers on anchoring condition are analyzed simultaneously so as to draw their energy distribution figure. Thirdly, the energy

12、distribution field and efficient energy utilization of diesel engine on navigation condition are analyzed so as to draw its energy and exergy distribution figure. Lastly, a fiirther research on different working condition is carried out. In addition, based on energy utilization evaluating methodolog

13、y, the energy utilization condition of “YUNKUN” vessel was evaluated comprehensively. Whats more, after comparing the actual operating and bench test energy distribution value, the reason for its low energy efficiency is analyzed. Then suggestions on ships energy management method are made in view o

14、f the researching results of this paper. Though the research of ships energy distribution field on this paper is fundamental, it plays a significant role in establishing energy management method of “YUNKUN” vessel, and also, lays a solid theoretical foundation for energy management method of 英 文 摘 要

15、 other sea-going merchant vessels. Keywords ： energy consumption; exergy analysis; thermal equilibrium analysis; energy management 目 录 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 研究意义 . 2 1.3 国内外发展现状 . 2 1.4 研究的主要内容和论文主要结构 . 4 第 2 章船舶能量系统热平衡和火用分析 . 5 2.1 船舶能量系统简介 . 5 2.1.1 船舶推进系统 . 5 2.1.2 船舶电站系统 . 6 2.1.3 船舶锅炉系

16、统 . 7 2.2 船舶能量热平衡分析 . 8 2,2.1 热平衡分析定义 . 8 2.2.2 热平衡分析的意义 . 10 2.2.3 热平衡分析不足之处 . 10 2.3 船舶能量火用分析 . 11 2.3.1 火用的理论概述 . 11 2.3.2 热力过程的火用分析 . 12 2.3.3 火用分析的优点 . 17 第 3 章 “ 育鲲 ” 轮锚泊状态下能量系统分析 . 19 3.1“ 育鲲 ” 轮简介 . 19 3.2 锚泊状态下船舶能量系统热平衡分析 . 19 3.2.1 “ 育鲲 ” 轮船舶柴油发电机热平衡分析计算 . 20 3.2.2“ 育鲲 ” 轮船舶锅炉系统的热平衡分析计算 .

17、24 3.3 本章小结 . 27 第 4 章 “ 育鲲 ” 轮航行状态下能量系统分析 . 28 4.1 船舶柴油机的工作过程及能量分析 . 28 4.2 “ 育鲲 ” 轮船舶柴油机热平衡分析计算 . 32 4.3 “ 育鲲 ” 轮船舶柴油机火用分析计算 . 35 4.4 船舶柴油机能流图和火用流图比较 . 39 4.5 本章小结 . 40 第 5 章 “ 育鲲 ” 轮能耗评价及能量管理建议 . 41 5.1 能耗对比分析研究 . 41 5.1.1 锚泊状况下能耗分析 . 41 5.1.2 航行状况下能耗分析 . 44 5.1.3“ 育鲲 ” 轮能耗评价 . 46 5.2 “ 育鲲 ” 轮能量管

18、理建议 . 47 第 6 章结论与展望 . 49 6.1 雜 . 49 6.2展望 . 49 参考文献 . 51 _.54 雜 . 58 研究生履历 . 59 “ 育鲲 ” 轮船舶能耗分布及能效评价研究 第 1 章绪论 1.1 研究背景 人类社会发展的历史与能源的幵发和利用水平密切相关，能源是人类生存和 发展的 重要物质基础 1。人类的进步和发展同样是建立在能源的基础之上，新能源 的发现、利用 很大程度上都将使得生产技术发生重大的变革，引起社会生产的发 展，把国民经济在原有 的基础上推向更高的发展阶段。 中国能源的特点是总量比较丰富，人均拥有量较低，分布不均衡，开发难度 大。随 着经济的发展，

19、这些问题己经日益突出 2。中国是能源生产和能源消费大国 , 正处在工业 化、城镇化的快速发展时期，未来能源需求总量仍将快速增长，同时 增速又存在较多不确 定性。中国的人均能源资源特别是优质资源储量也远远低于 世界平均水平，国内资源储量 越来越难以满足本国经济社会发展需要，特别是石 油和天然气对外依存度将继续攀升。受 发展阶段和以煤为主的资源禀赋的制约， 能源开发和利用造成了严重的环境污染和生态破 坏，居民健康受到严重影响。中 国在推动经济发展、促进社会进步的同时，还需要应对全 球气候变化或者全球气 候政策带来的新挑战。化石能源燃烧导致大量二氧化碳的排放，中 国的能源发展 面临着发达国家工业化进

20、程时期未曾经历过的节能减排挑战。能源政策的目 标是 保障安全供应、保护环境和经济增长，而实现这三大目标的首要途径就是提高能 源 利用效率。 远洋运输船舶承载了世界上 90%的外贸货物运输任务，据最新报道显示全世 界船队每 年消耗燃油达到了 1.9 亿吨左右。当前全球的石油储存量大大的减少，石 油价格的不断 攀升使得远洋运输的成本大大的提高 3，许多航运公司己经采取了相 应的节油措施，在这 种情况下，提高船舶能量的利用效率已经迫在眉睫，现有船 舶能耗的分布及能效的评价， 对于提高船舶能量利用效率将起到重要的指导意义。 “ 十二五 ” 期间随着世界能源资源和 生态环境约束的不断强化，国际海事组织将

21、不断 制定和出台防止船舶污染环境的各项强制 性规定。如何提高船舶能源利用效率、 减少环境污染，己经成为船舶工业必须要解决的现 实而重大的课题。根据工信部 最新的有关船舶节能减排环保技术研发项目指南，船舶的能 耗分布和能效评价研 究是现在船舶节能方向一大重要的课题，这也是急需研究的问题 4。 2 第 章 绪 论 1.2 研究意义 目前发达造船国家凭借其先进的船舶技术，已经开展了大量节能减排环保技 术研发， 并不断向市场推出各种节能环保产品。与先进造船国家相比，我国船舶 工业企业在相关 技术的研究和应用方面明显滞后，技术积累尤为不足 4。国务院领 导高度重视船舶工业发 展，对船舶能效问题做出了明确

22、指示。面对日益突出的资 源环境约束，尽快开展节能减 排环保技术研究已经成为我国船舶工业发展的当务 之急。我们必须进一步增强危机意识， 树立绿色低碳的发展理念，将节能减排环 保新技术的研发和应用作为我国船舶工业技术 升级的切入点和着力点，加大科技 力量投入，开展系统的创新性研究，大幅提升我国船 舶工业的可持续发展能力。 目前研究船舶能耗分布及能效评价的相关文献较少，通过对 船舶能耗的分布及有 效能利用情况的研究可以发掘实船能量利用的薄弱环节即能量损失 环节的比重大 小。本文以 “ 育鲲轮 ” 为目标船，研究船舶能量的能耗分布及能效评价具 有以下重要 的意义： (1) 目前为止没有文献对教学实习船

23、的能量系统进行研究，通过对船舶能耗 的研 究能够指导能量科学规划，更加有效的利用能量，提高能量的利用效率。 (2) 合理的调整能量流动关系，使能量高效的流向最有价值的部分。在此基 础上， 提出船舶能量管理建议。 1.3 国内外发展现状 国外在能效研究这方面己经取得了显著的成就，比如在建筑能效的评估方面， 国外 的一些国家较早开展了建筑节能工作，并且取得了巨大的成效，近年来逐渐 形成了能效 标识制度，其广泛的应用促进了节能工作的进展。空调能效的研究， 欧盟在 1996 年的空 调年销售量达到了 160 万台，并且每年的增长率在 10%以上。 为了限制这种增长的无限 制的使用对环境的损害 5，欧洲

24、委员会任命一些研究中 心、能效机构、顾问、主要生产商 协会和两个欧洲最大的公用事业来进行一个称 为 “ 房间空调的能效 ” 研究。美国在 1977 年就开始推行季节能效比（ SEER),最低 能效标准从最初的 SEER10 直提高到现在的 SEER13,在不久的将来标准还会更 日本自上世纪 70 年代第一次石油危机后，充分认识到能源供应和需求结构的 3 “ 育鲲 ” 轮船舶能耗分布及能效评价研究 脆弱性，开始大力调整产业结构，开发天然气和核能等新能源，同时在工业领域 实施能源 节约措施。 1979 年，日本制定了关于合理使用能源的法律，经过多年 不屑的努力，日 本从当初对石油的依赖度高达 77

25、%降低到目前的 50%6。 国际海事组织第 62 届环保会上以 MEPC.203(62)决议通过 MARPOL 附则 VI 修 正 案引入 船舶能效条款，将于 2013 年 1 月 1 日生效实施，船舶能效要求新造船舶 能效设计指 数 (EEDI)、船舶营运指数 (EEOI)及所有船舶能量管理计划 (SEEMP)，与 船舶的设计、 建造、审图及检验工作密切相关。这些规定的通过能够看出，国际 海事组织对船舶能效的 关注度是越来越高。 国内在能效方面也进行了大量的研究，中远集运利用信息化、船案通讯技术 于 2005 年 开 始研发 船 案一体 化 燃油 消 耗监控 平 台， 2006 年 6 月

26、正 式在公 司 所属 近 140 余 艘 船舶 上 使用，该系统 的 使用提升了船舶节能减排工作 的 力度。除此之 外 2 9 年开始中远集 运 联 合 上 海海 事 大学 船 舶管 理 与信 息 化研 究 室抓 紧 开展 研 究 工 作 ， 并在 原 有燃 油 监控 系 统的 基 础 上 成功 研 发了 中 远集 运 能效 管 理信 息 系统 与 碳 排 放 计算 器 ，并 于 2010 年 9 月 通 过了 挪 威 船 级 社（ DNY)的 认 证 7。 2011 年 8 月 10 日，由中远集装箱有限公司、上海远洋运输有限公司和中国船 级社上 海分社共同编写的国内首份 Ship Ener

27、gy Efficiency Management Plan (SEEMP) 在上海通过评审。从此，针对 IMO 海洋环境保护委员会第 62 次会议 通过相关决议 要 求每艘船舶必须在 2013 年 1 月 1 日前配备一份 SEEMP。 中国有了自己的参照标准， 上海海事局、上海交通协会、上海海事大学等行业单 位组成的专家对其给予了充分的肯定 和积极的评价 8。 也有大量的科研人员进行了关于船舶能效方面的研究工作，比如李伟从优化 船体结构 线型 9，新能源新材料应用、主机降速等多方面阐述如何在未来船舶设计 和营运过程中实现 节能减排，提高能效设计指数，旨在为造船企业，船舶设计者， 航运公司等尽

28、快适应并及 时跟进即将生效的新标准提供指导借鉴。 刘中泰，郑士君介绍了船舶能效管理和节能减排的要求以及面临的挑战 1()， 结合我国 航运企业能效管理业务要求，从技术和管理两个层面探讨航运业船舶能 效管理策略；对现 有设备进行技术改造；革新造船技术；采用电喷柴油机；建立 能效管理系统；推行经济航 速。 李伟，刘清结合西江水系运输船舶能耗管理实际 11，归纳总结了运输船舶工 4 第 1 章 绪 论 作特点以及能耗主要影响因素，从技术、营运、管理三方面提出了评价指标，构 建了西江水系 运输船舶能耗评价指标体系，提出各项指标的测算模型，并选取典 型船舶进行了实证研究。 1.4 研究的主要内容和论文主

29、要结构 本论文以我国第一条自行设计的专用远洋实习船 “ 育鲲 ” 轮为研究的目标船，针 对 “ 育 鲲 ” 轮的特殊性：它是一艘实习专用船，长时间的停泊码头，分锚泊和航行两 个工况较为详细 的对 “ 育鲲 ” 轮进行了热平衡分析和火用分析，以此分别绘出 “ 育鲲 ” 轮的能流图和火用流 图，根据能流图和火用流图分析船舶中能量利用的情况从而 找出系统中能量利用最薄弱的环 节，根据对船舶能量系统能量分布及能量利用效 率的分析，提出了船舶能量管理建议。 本论文的主要结构如下： 第 1 章：介绍了本论文的研究背景，对船舶能耗分布及能效分析研究的现状 进行了分析， 结合研究的背景阐述了本论文的研究意义和

30、紧迫性。 第 2 章：介绍了 “ 育鲲 ” 轮船舶能量系统，推进系统、船舶电站系统和船舶锅炉 系统。 介绍了能量系统的两种分析方法：热平衡分析和火用分析。对这两种研究 方法的概念、理论基 础和各自的优缺点进行了详细的分析，为后面章节的研究奠 定理论基础。 第 3 章 :对 “ 育鲲 ” 轮在锚泊状态下的船舶电站系统和船舶锅炉进行了热平衡分 析，通过 实例计算得出了两个能量系统的能量分布情况，并根据计算结果绘制了 船舶电站系统和锅炉的 能流图，通过能流图分析出能量损失的最多的部位。 第 4 章：以 “ 育鲲 ” 轮为研究对象，对船舶航行状态下船舶主机进行热平衡和火 用计算。 根据计算结果绘制船舶

31、主机的能流图和火用流图。找到能量系统中能量 利用效率较低的部位， 为提出节能措施提供依据。 第 5 章：根据前两章对船舶能量系统的能量分布研究，结合船舶能源利用评 价方法对 “ 育 鲲 ” 轮进行了节能评价，提出了船舶能量管理建议。 第 6 章：根据本论文的研究，总结研究的成果和后续的研究方向。 育 鲲 ” 轮 船 舶 能 耗 分 布 及 能 效 评 价 研 究 5 第 2 章船舶能量系统热平衡和火用分析 2.1 船舶能量系统 简介 当今船舶发展的像一座海上航行的现代化城市，能量系统是这座城市的动力 核心和能 源中心，它包含着数量众多的机械设备及系统 12。船舶如何从一次能源 的化学能中取得更多 有用的能量，怎么安排船上热利用和功利用之间的关系和转 换，如何综合利用好各类能量， 以提高能量利用水平和适应船舶各方面的能量要 求，这都是船舶能量系统分析中的重点。船 舶能