某型油轮热力系统能耗分布研究_王之瑶.docx

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1、 学位论文授权使用声明 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成 的。 有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文 中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成 果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工 作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机 构送交论文的复

2、印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数 据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公 布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注 明作者第一署名 f 位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文（ 4 授予学位后即可 在授予学位 12 个月后 解密后）由哈尔滨工 程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 分类号： 密级 : U D C ： 编号 : 工学硕士学位论文 某型油轮热力系统能耗分布研究 硕 士 研 究 生 指 导 教 师 学 位 级 别 学 科 、 专 业 所 在 单 位 论 文 提 交

3、日 期 论 文 王之瑶 李晓明讲师 工学硕士 热能工程 动力与能源工程学 院 2013 年 1 月 2013 年 3 月 14 日 Classified Index: U.D.C: A Dissertation for the Degree of M. Eng Analysis of energy consumption of an Oil Tanker Thermodynamic System Candidate: Wang Zhiyao Supervisor: Academic Degree Applied for: Specialty: Lecturer. Li Xiao Ming Ma

4、ster of Engineering Science Thermal Engineering Date of Submission: January 2013 Date of Oral Examination: March 14, 2013 University: Harbin Engineering University 摘 要 当今社会，随着全球的化石能源储量日益减少， co2 排放标准日益严格，燃油成本 日益增 长，做好船舶的节能减排工作迫在眉睫。相关部门已经开始高度重视船舶污染排 放造成的环 境问题以及如何提高能源利用效率， IMO 颁布的 EEDI 和 SEEMP 将于 2013

5、年 1 月 1 日强制实 施。这意味着世界船舶航运业同时受到燃料危机和环保压力的双重难 题。船舶业面临着节能 减排的巨大挑战，若不对船舶进行重大改造，将无法在未来国际 海域上顺利营运。 本文以一艘 4.8 万吨油轮为研究对象。利用 MATLAB/Simulink 软件平台，建立其 主机 热力系统仿真模型，分别计算了压气机、中冷器、进气管、气缸、排气管、涡轮、 増压器转 子、负载八个模型的进出口温度、压力以及相应扭矩。同时把中冷器进出口温 度以及主机排 气温度与样本数据进行比较，变化趋势吻合，且误差均不超过 5.51%，验 证了该仿真模型的正 确性，为日后研究船舶整体能耗分布提供仿真数据支持。

6、然后又分别建立包括主机系统、电站系统、热站系统在内的三大系统的能耗分布模 型。 利用合作单位提供的设计数据，对 4.8 万吨油轮的能耗分布情况进行了计算，分别 包括三大 系统的耗能系统及用能系统的能耗分布情况。结果表明，主机是系统中能耗最 大的部位，应 重点从船舶主机着手；节能技术的利用对提高船舶整体能源利用效率有较 好的作用，通过主 机废气及冷却系统的余热回收，使船舶整体的能源利用效率提高了 6.21%。 根据新颁布的 EEDI 公式，得到该船的 Attained EEDI 值为 5.74,符合 2013 年 1 月 1 日 实施的指数标准，但若想让该船日后仍正常运行在国际海域，需对其进行技

7、术改造。 分别讨 论了降低航速，对主机安装余热回收装置以及 LNG 燃料的使用三种降低 EEDI 值的方法。根据 计算结果可以发现， MCR 为 16660kW， 14280kW， 9960kW 的三种主 机的 EH)I 值分别为 9.11、 7.99、 5.91;采用余热回收装置可使 EH)I 值由 5.91 减低到 5.50;采用 LNG 燃料可使 EEDI 值 由 5.91 降低到 4.79。这三种方法都能有效地降低 Attained EEDI 值，但是都各有利弊，应该 综合实际情况考虑，选出最佳方案。 关键词 ：节能减排；热力系统仿真；船舶能耗 ； EEDI ABSTRACT In t

8、he modern world, with the growing tension of the global fossil energy reserves, the growing strictly standards of the emission of C 2 and increasing of the fuel cost, it is very important to save the energy of ships. In the mean time, the environment problems caused by ships and how to improve the e

9、fficiency of energy utilization have been paid attention by relevant departments. EEDI and SEEMP issued by the IMO are carried out on Januaryl, 2013. It means that the world shipping industry faces the challenges of the fuel crisis and environment and the press of saving energy. If it is not transfo

10、rmed to the ship, the ship can not operate in international waters. This paper takes the 48000 tons of oil tanker as a research object. According to the platform of MATLAB/Simulink; using modeling method of average model, he thermodynamic simulation models of the main engine have been established. T

11、he temperature of import and export, the pressure and torque of models of compressor, intercooler, intake pipe, cylinder, exhaust pipe, turbine, turbocharger rotor and load have been analyzed. Through the comparison Intercooler import and export temperature and main engine exhaust temperature with t

12、he sample data, the trend is anastomosis, and the error has been less than 5.51%. What9s more, it is proved that the model is right. It has provided simulation data support for future ship research. The whole energy distribution of the ship has been researched by using the sample data. The models of

13、 energy consumption distribution of the main engine system, the power system, and the thermal station system have been established. And energy consumption distribution of the whole system has been calculated. The results show, Host is the largest part of the energy consumption in the system, and it

14、should focus on the host of ship. It has a good effect to improve the whole utilization efficiency of ship by using energy-saving technology. In the mean time, through recycling of waste gas of the engine system and waste heat of cooling system, the whole energy efficiency has increased by 6.21%. At

15、 last, according to the EEDI equation, the Attained EEDI of the ship is 5.74 which conform to the index standard implementation on January 1st, 2013. But in order to keep the ship operating in the future, it is necessary to carry on the technological transformation. The paper has discussed the host

16、selection, installing the waste heat recovery unit and using LNG fuel to decrease the EEDI. According to the calculation results, EEDI value of three kinds of host are 9.11, 7.99, 5.91, which MCR for host are 16660 kW and 14280 kW and 9960 kW. It can be found that the three ways, which have advantag

17、es and disadvantages, can decrease the EEDI effectively, but it should be comprehensive consideration to choose the best scheme. Keyword: Energy conservation and emission reduction, Thermodynamic simulation, Ship 目 录 % 1 * tm . i i.i 研究背景 . 1 1.1.1 国际造船业和航运业面临现状 . 1 1 丄 2 研究目的及意义 . 2 1.2 国内外研究发展现状 .

18、 3 1.2.1 船舶主机仿真技术研究 . 3 1.2.2 船舶能耗分布研究 . 4 1.2.3 EEDI 背景研究 . 5 1.3 本文主要工作 . 7 第 2 章油轮主柴油机热力系统仿真数学模型 . 9 2.1 建模方法 . 9 2 丄 1 容积法模型 . 9 2.1.2 准稳态模型 . 9 2.2 建模基本假设 . 10 2.3 柴油机 -负载物理模型 . 10 2.4 数学模型 . 11 2.4.1 压气机模型 . 11 2.4.2 中冷器模型 . 13 2.4.3 进气管模型 . 13 2.4.4 气缸模型 . 15 2.4.5 动力学负载模型 . 18 2.4.6 排气管模型 .

19、20 2.4.7 废气涡轮模型 . 21 2.4.8 废气涡轮增压器转子轴 模型 . 23 2.5 本章小结 . 23 第 3 章油轮主柴油机仿真与结果验证 . 25 3.1 柴油机 Simulink 仿真模型搭建 . 25 3.2 不同负荷下的参数确定 . 26 3.3 主柴油机热力系统仿真结果与分析 . 27 3.4 仿真数据与设计数据对比 . 31 3.5 本章小结 . 32 第 4 章油轮能耗分布分析 . 33 4.1 油轮耗能系统能量分布模型 . 33 4.1.1 主机系统 . 35 4.1.2 电站系统 . 41 4 丄 3 热站系统 . 44 4.2 油轮用能系统能量分布模型 .

20、 46 4.2.1 用电设备 . 47 4.2.2 用热（汽）设备 . 49 4.3 油轮能耗分布能流图 . 51 4.4 本章小结 . 53 第 5 章 EEDI 指数计算 . 55 5.1 新版 EEDI 计算公式 . 55 5.2EEDI 的衡准 . 62 5.3 4.8 万吨油轮 EEDI 值 . 63 5.4 相关技术改造 . 64 5.4.1 降低航速 . 65 5.4.2 主机余热回收装置 . 66 5.4.3 LNG 燃料的选用 . 67 5.5 本章小结 . 68 it it . 69 #； $；南犬 . 71 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果 . 76 & i 射

21、 . 77 附录 1 压气机模型 . 78 附录 2 中冷器模型 . 78 附录 3 进气管模型 . 79 附录 4 气缸模型 . 79 附录 5 涡轮模型 . 79 附录 6 增压转子模型 . 80 附录 7 负载模型 . 80 1 2 2 第 1 章 绪 论 1.1 研究背景 1.1.1 国际造船业和航运业面临现状 a 今社会，能源问题已经成为世界经济发展的首要问题，船舶作为海上运输的重要 工具， 能源消耗巨大。高能耗不仅需要增加船舶运行成本，同时也给环境带来严重污染 1 。根据 2002 年国际原子能机构发布的研究数据表明，运输行业所消耗的能源约占世界 总 能源的 25%左右，而运输行业

22、所需要的能源中，有 10%左右都用于国际或国内的航 运业。 2009 年国际海事组织 IMO (International Maritime Organization)研究结果表明， 2007 年，全球航 运业二氧化碳 C02 的排放量约为 10.46 亿吨，占全球 C02 总排放量的 3.3%;其中国际航运业 (： 02 排放量约为 8.70 亿吨，占全球 (： 02 总排放量的 2.7%。如果 对其不加以控制，到了 2050 年， 航运业年的 C0 排放量将增加 150%250%，占全球 C0 允许范围内排放量的 12%18%2。 随着大气中二氧化碳含量的逐渐增多，伴随带来的气候变化已被全

23、世界确认为无法 忽视 的环境问题。为此，国际海事组织 IMO 颁布了一系列关于船舶设计和营运方面的 限定条款， 并制定了新条款实施的具体时间表，哪些需要强制执行，哪些可以延迟执行 等。世界主要船级 社也紧随其后，不断制定新的船舶检验标准，以配合新标准的颁布 3。 a 前各个国家的造船界 都在积极寻求节能减排、建造绿色船舶的技术方法，为即将到来 的世界船舶兴旺期作好充足的 技术储备 4。 2 0 1 1 年 7 月 1 5 口，国际海事组织 IMO 海洋环境保护委员会 MEPC (Marine Environment Protection Committee)的第 62 次会议上，确定了新船能效

24、设计指数 EEDI 和 船 舶能效管理计划 SEEMP 两项船舶能效标准，并且于 2013 年 1 月 1 口起生效。这两项 船舶能 效标准的强制性实施，定会对船舶设计、建造工艺技术、相应辅机设备、节能技 术手段的开发 应用等提出了更高水平的要求，才能使其进入国际市场 5。图 1.1 为 EEDI、 EEOI、 SEEMP 与船舶节能减排的制约关系。 EEDI 和 SEEMP 标准的颁布，既是 IMO 首次关于温室气体节能减排的相关强制性 能效 标准，并适用于全世界不同类型的船舶，同时也是人类历史上第一个专门针对国际 海运温室气 体减排的法律文件。有关 EEDI 和 SEEMP 的强制实施时间

25、已经确定，国际 海运温室气体限制 排放的标准必须遵守，否则将不能在国际海域上航运。我国虽然作为 Technical & Operational Measures ; EEDI, EEOI & SEEMP 图 1.1EEDI、 EEOI、 SEEMP 与船舶节能减排的关系 发展中国家， IMO 对其执行时间给予四年的延迟，但对于我国造船业和航运业的影响仍 不容 小觑 6。由于船舶温室气体排放对环境会造成极大的污染破坏，即使有些国家绕过 IMO 制定的 单边措施，定会给自身带来更大的经济损失。由此可见，做好船舶的节能减 排工作迫在眉睫， 而本文所研究的相关内容势必能为船舶能耗分布分析提供参考依据。

26、 1.1.2 研究目的及意义 图 1.2 给出了中国和美国集装箱船能耗对比情况，从图 1.2 可以看出，相对于美国 而言，我国主机损耗较大，整体利用效率略低于美国，因此提高我国船舶总体能源利用 效率，应该从船舶主机的节能技术入手。 3 尽管 EEDI 是针对船舶设计和建造而提出的公式，但通过对 EEDI 公式的理解分析 以及从 国内外相关研究来看，船舶主机可以利用节能技术有效地降低 EEDI 值，为设计 满足 EEDI 要 求的新船和对不符合 EEDI 要求的船舶进行重大改建提供参考 7。 目前，船舶大型低速二冲程柴油机的热效率可以达到 45%50%左右，高于其他热 机效率， 但是仍有 25%30%的热量被废气带走， 20%25%的热量被冷却介质带走，这 些热量排放到环境 中，不仅造成环境污染，更造成了大量能源浪费 8。很显然，如果能 够回收船舶主机的这部分 废热，用于船舶供热和供电，甚至推进动力，都可以达到节能 减排的双重效果。而随着 EEDI 指数的强制实施，对船舶主机安装余热回收装置也是一 项很有意义的技术手段。 2011 年 7 月，国际海事组织 IMO 的 MPEC 第 62 次会议上，颁布了修订后的 EEDI， 并且将于 2013 年 1 月