一种适用于插电式混合动力船舶的能量消耗计算方法

本发明涉及的是一种插电式混合动力船舶能耗分析方法。

背景技术：

1、随着能源储量的减少和社会环保意识的提高，节能减排已经成为了全世界关注的一个焦点问题。对于耗能巨大的海洋运输业，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。随着船舶节能工作的研究发展，要进一步挖掘节能的潜力，船舶能量系统的研究成为必不可少的环节。

2、世界上各大造船企业、主要航运企业和船舶设计研究院所正在积极推动绿色环保新能源技术应用于实船，以集成柴油发电机组和储能系统作为新能源船舶电站的柴电混合动力船舶实例应用较具有代表性。将储能系统作为一种新能源引进船舶能量系统，可以显著改善船舶排放特性，并实现船舶能量利用效率的提升。而考虑岸电利用的插电式混合动力船舶则更进一步提高了船舶的环保和经济效益。此外，通过对船舶能耗分布及能量有效利用情况展开研究，定量分析船舶各个能量损失环节的能量消耗，有助于发掘实船能量利用的薄弱环节，为降低船舶能耗损失、提出节能措施提供理论依据，对船舶能量系统的研究有重要意义。

3、目前现有的船舶能耗计算方法是针对具有常规推进系统(主机机械传动)的散货船、集装箱船、客船等类型的船舶，以热力学第一定律为基础，在船舶满载航行工况下，分别分析船舶主机、传动系统、推进装置、发电机组、船舶电网、热源系统等设备的能量传递和转换情况，计算各设备的能量消耗及分布比例，最终分析获得船舶能量利用效率。

4、现有技术仅针对具有常规推进系统(主机机械传动)的散货船、集装箱船、客船等类型的船舶进行能耗分布分析计算，但对于具有非常规推进系统(例如电力推进、混合推进、涡轮推进等)的船舶和混合动力船舶(例如柴电混合动力船舶)并不具备适用性。同时，现有技术在分析船舶能量来源时仅考虑燃油燃烧产生的能量，未考虑港口岸电可带来的船舶节能和能效提升效果。综上，目前现有技术考虑的耗能设备种类不够丰富，且考虑的能量来源较为单一，对于插电式混合动力船舶的能耗计算不具备适用性，无法为混合动力船舶的节能优化提供依据。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供能克服现有技术对于插电式混合动力船舶的能耗计算不具备适用性等问题的一种适用于插电式混合动力船舶的能量消耗计算方法。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、本发明一种适用于插电式混合动力船舶的能量消耗计算方法，其特征是：

4、步骤一：明确与插电式混合动力船舶能量消耗有关的系统、设备组成，明确船舶的能量来源组成，明确船舶负载组成；

5、步骤二：基于能量守恒定律，建立各系统设备之间能量传递与转换的数学关系，对各环节能量进行计算；

6、步骤三：基于上述能量分析计算结果，计算得到船舶系统、设备能量分布情况，并计算得到全船能量利用效率。

7、本发明还可以包括：

8、1、所述步骤二具体步骤如下：

9、(1)输入总能量ptotal

10、

11、式中，pf：燃油燃烧释放能量，qf：瞬时燃油消耗率，kf：燃油热值，pbatd：电池放电功率，pgrid：岸电功率，ηbatd：电池放电效率；

12、(2)柴油发电机组排烟能量pexhaust

13、排气流量未知时按下列经验公式计算如下：

14、qexhaust＝(0.0022kg/kw·s)·pdiesel

15、pdiesel＝ηge·pge

16、pexhaust＝qexhaust·ce·(ttco-tair）

17、式中，qexhaust：排气流率，pge：发电机输出功率，ηge：发电机效率，pdiesel：柴油机输出功率，ce：废气比热，tair：周围环境温度，ttco：涡轮增压排气温度；

18、(3)废气涡轮增压系统回收能量ptc

19、ptc＝qexhaust·ce·(ttco-ttci)

20、式中，qexhaust：排气流率，ce：废气比热，ttci，ttco：废气涡轮增压进排气温度；

21、(4)柴油机排烟损失pexlo

22、pexlo＝pexhaust-ptc

23、(5)柴油机冷却损失pcooling

24、柴油机冷却措施考虑海水冷却，

25、pcooling＝qw·cw·(two-twi)

26、式中，qw：海水质量流率，cw：海水比热，twi，two：海水进出口温度；

27、(6)柴油机其他能量损失pelse

28、pelse＝pf-pdiesel-pexhaust-pcooling；

29、(7)发电机损失pgelo

30、

31、式中，pge：发电机输出功率；ηge：发电机效率；

32、(8)电池放电损失pbdlo

33、

34、式中，pbd：锂电池组放电功率，ηbd：锂电池组放电效率；

35、(9)电池有效充电功率pbcef

36、pbcef＝pbc·ηbc

37、式中，pbc：锂电池组充电功率，ηbc：锂电池组充电效率；

38、(10)电池充电损失pbclo

39、pbclo＝pbc·(1-ηbc)

40、式中，pbc：锂电池组充电功率，ηbd：锂电池组充电效率；

41、(11)船舶电网输入功率pes

42、船舶电网输入能量为发电机输出能量、锂电池组输出能量与岸电输出能量之和，

43、pes＝pge+pbatd+pgrid

44、式中，pbatd：锂电池组放电功率，pge：发电机输出功率，pgrid：岸电功率；

45、(12)船舶电网损失能量peslo

46、peslo＝pes·(1-ηes)

47、式中，ηes：电网效率；

48、(13)推进系统有效做功ppref

49、ppref＝ηprop·pprop

50、式中，pprop：推进系统功率，ηprop：推进系统效率；

51、(14)推进系统损失pprlo

52、pprlo＝pprop·(1-ηprop)；

53、(15)其他电力负载有效功率peoef

54、peoef＝ηeoth·peoth；

55、式中，peoth：其他电力负载功率，ηprop：其他电力负载效率；

56、(16)其他电力负载损失peolo

57、peolo＝peoth·(1-ηeoth)。

58、2、步骤三全船能量利用效率为有效用能与投入总能之比，计算如下。

59、

60、插电式混合动力船舶中搭载的储能电池可替换为超级电容等其他储能设备。

61、本发明的优势在于：本发明对插电式混合动力船舶各系统、设备的能量转换与传递过程进行了定量分析与计算，其中还对港口岸电可在船舶停靠时供能这一场景加以考虑，并结合储能电池的充放电特性，提出了针对插电式混合动力船舶的能量消耗分布计算方法。

62、1.本发明对于指导新造船和现有插电式混合动力船舶能量消耗分布计算、掌握船舶能耗分布情况具有重要指导意义。

63、2.本发明通过对船舶能耗分布的定量分析计算，可以明确船舶用能薄弱环节，促进能量的科学规划，提高能量的利用效率，为船舶节能潜力指明方向。