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船舶能效智能化控制与管理

新闻来源:中国船检    浏览量:388 孙永刚 2020-10-16
        随着我国航运业‘互联网+’船舶能效管理模式转变,船舶能效管理已由粗放化、孤岛化、碎片化向精细化、智能化、集成一体转变,为绿色智能航运提供了强有力的技术支撑。
        船舶能效智能化控制与管理,其内涵和外延广泛,不同研究者有不同解读,本文基于中国船级社发布的《智能船舶规范》智能能效管理框架,通过对船舶能源加装、主要耗能设备能耗计量、能耗和航行设备工况监测、能效分析与评估、能效智能优化与辅助决策,实现全船能效智能化控制与管理。
表:全船能效智能化控制与管理概览
        1、船舶能耗设备数据采集与监测
        (1) 能效数据采集
        数据采集是管理与控制的基础,包括船舶加装燃料的全过程数量、主机、辅机、锅炉等耗能设备能耗与运行工况参数,航行设备如计程仪、全球卫星定位系统、倾斜仪、风速风向仪、测深仪,其它如轴功率计、油舱(柜)液位计等设备数据实现实时采集,且能在本地存储。
        (2) 采集数据传输
        数据采集频率基于原设备设计,对采集数据进行自动提取,船岸定时同步,自动解析到服务器,整个过程无需人为参与,达到智能化传输的目的。
        (3) 设备输出接口
        采集系统能接收接口类型包括串口RS232、RS422、RS485、TCP/IP 与UDP协议,其协议格式可以为NMEA0183、MODBUS或类似NMEA0183格式的厂家自定义格式。
        (4) 数据发送协议
        各厂家的数据发送协议差别较大,采集系统能适配主流报警系统厂家的数据发送协议,包括Kongsberg,JRC,Sam Electronics,TERATEC ,Bemac,Praxis等。
        (5) 轴功率、流量计集成方案
        根据船上的实际环境需要,支持轴功率和流量计单独,或接入到报警系统中,或二者合并成一个发送模块的多种集成方案,极大地简化了船上数据采集改造的过程,节约了成本。
        (6) 数据监测
        船端可采用B/S体系结构架设能效服务器,所有接入局域网的电脑均能通过特定的网址访问,方便实时监测分析评估。
        2、船舶能耗分布分析
        以船舶能量消耗典型模型和船舶能量利用效率评估体系为基础,根据主副机、锅炉、电力负载以及其他耗能装置运行工况,按能流关系开展全船能量消耗综合管理,实现船舶能量消耗分布分析、实现重点系统及设备能量利用效率评估。可连续监测船舶能量流动方向,掌握船舶能量消耗分布状况、及时发现能量利用薄弱环节和节能空间,有针对性的提高船舶能量效率。
        3、船舶能效分析评估
        (1) 能源管理
        船用燃油计量方法,包括燃油供应单(BDN)和油舱定期测量、船上油舱监控、燃烧过程的流量计监测、通过测量CO2排放量计算等。基于实时采集的各能耗设备(主机、副机和锅炉)流量计燃油计量数据、各燃油舱柜燃油计量数据,通过计算机软件系统,可实现燃油加装、不同设备不同燃油种类消耗的全过程监测、统计与管理。
        (2) 能效统计分析
        具有广泛代表性的船舶能效评估指标包括每运输功CO2排放(EEOI) 、每运输功油耗、每海里油耗 、每海里CO2排放、每运输单位CO2排放,以及降速比和 载货量利用率等辅助决策指标。各能效指标应可按不同时间单位进行趋势分析和关联分析。
        4、船舶能效智能优化技术
        (1) 船舶纵倾优化
        采用数值仿真与船模试验相结合的方法,可以快速计算船舶在不同装载工况、不同航速、不同纵倾下的阻力性能,建立不同纵倾的阻力性能数据库,并采用寻优方法,根据船舶实际航行中的工况,为船舶提供最佳纵倾浮态操纵方案,降低船舶航行阻力。
        (2) 基于纵倾的最佳配载
        通过纵倾优化和常规装载仪联合,整合最佳纵倾提供首尾吃水数据和装载仪提供的船舶安全指标数据,为寻找最佳配载方案提供必要的优化指标和约束条件,通过多策略算法和自适应调整措施,自动迭代调整货物和压载水,在保障船舶安全的前提下,快速实现最佳纵倾目标,自动生成优化配载方案,省去了常规方案的繁琐工作量,提高了工作效率,节省了成本,避免了人为出现的问题。
        (3) 船舶航速优化
        根据航次计划,结合船舶设备实时数据,预报抵港时间及距目的港的距离,航行过程中,根据天气海况、设备工况、船体效率等或历史数据给出对航行计划的航速或主机转速执行建议。
        ① 航段划分
        根据航线上转向点和航程,以相邻两个转向点划分为一个航行分段,该分段内航向单一。为防止因分段过长而造成海洋状况差异较大,建议一个航行分段不大于300海里。
        ② 主机油耗模型
        创建主机转速-功率-燃油消耗率数据库,为主机油耗模型提供查询依据,同时该数据库可以随着能效监测数据的不断积累自动更新完善,保证主机油耗模型的准确性。
        ③ 航速优化
        根据航行计划录(导)入航行信息,包括离港时间、抵港时间、出发港口、抵达港口、航行总里程、开航前排水量和开航前船舶吃水等信息,航次转向点信息,包括各分段顺序号、经纬度、航向、航程等信息,航段自动划分,并给出各分段优化航速,实现航速优化。
        (4) 船舶绩效优化
        基于天气、海况、滑失率、船体阻力、航速等多因素的船舶航行绩效参数体系,以及船舶航行、靠港等状态,评估船舶绩效,指导运营管理。
        ① 船舶营运效率
        通过关联营运参数,量化营运数据之间的相关性,制定船舶运营效率指标,为船公司制定营运计划提供决策依据。常用评估指标有船舶营运效率、年度货物周转指数、年度航行指数、年度调配指数、年度货物运输利用指数、年度货物周转指数、年度航行指数、年度平均每海里主机燃油油耗等,不同船型可以使用不同的评估指标。
        ② 船舶能效状态评估
        以营运船舶监测的能效数据为基础,结合海况、工况数据,建立相应的评估模型,实现对能耗设备能效状态实时后评估、设备能耗异常实时分析异常预警、同类型船不同船舶的能耗衡准对比分析等,可帮助船岸管理人员及时了解设备能效状态,提供维修辅助决策。
        ③ 船体效率
        作用于船体航行的有效功率与螺旋桨发出的用于助推船舶的功率之比,可以反映相同装载、海况状况下船体的脏污情况,常用于评估船体效率,长期连续监测,可以评估船体和螺旋桨的脏污情况,可结合修船计划对船体和螺旋桨进行清洁保养。
        ④ 船舶运营效益
        船舶营运成本是航运企业(或船东)为提供海上运输服务所支出的一切费用的总和,有许多划分方法,通常采用固定成本和变动成本的分类方法。
        固定成本是指在一定时间范围内尽管运量变动但其总额相对稳定而不受影响的那部分费用,只要航运企业一经建立,即使运量为零,也会发生固定成本,主要包括船员费、润料费、物料备件费、折旧费、修理费、保险费、管理费和其它费用;变动成本是指发生总额随着运量、港口流转、组织方式等因素变动而变动的费用,主要包括燃料费、港口及运河费用等。
        航次经济效益是在航次开始之前对船舶营运经济效果所做的测算,根据待选航次的货运量、运费率、航线及船舶本身的有关资料以及港口使费和燃油价格,估算各航次的收入、成本、每天净收益及其它经济指标。在揽货、签订运输合同、调度船舶之前需要做这种估算,航运企业(或船东)可以估算某个航次是否盈利,而且经过各个航次之间的航次估算结果的对比,实现航次效益最大化。
        5、船舶能效智能化控制与管理系统
        借助计算机系统,可以实现船舶能效管理与控制的智能化。通过对船舶航行状态数据、设备运行数据、能耗排放数据的智能感知、自动采集和在线监测,基于层次分析、数据挖掘、智能优化等方法,利用大数据处理、数值分析及仿真优化等关键技术,实现对航行行为及船舶耗能设备监测预警、能源管理和能效分析评估、辅助决策等功能,指导航行优化、航行绩效评估、航运管理决策等,构建船舶能效智能方案。
        系统在设计开发时应充分利用船舶局域网、船岸通讯、互联网技术,打造船岸一体的船舶能效智能应用,助力航运绿色智能发展。
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