动态过程模拟促进了节能船舶设计外文翻译资料

 2022-07-29 15:06:17

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动态过程模拟促进了节能船舶设计

作者：Vesa Lepistouml; a,n, Jari Lappalainen b, Kari Sillanpauml;auml; a, Pekka Ahtila c

摘要

由于燃料成本和环境法规的加强，能源效率对船东和建筑商来说变得越来越重要，而且还受到舆论和对绿色科技的期待.通过增加废热利用率可以提高能源效率和显着节约。调试新技术的可能副作用是增加系统复杂性。这使得在替代技术之间进行设计决策变得更加困难,而且，系统的运行需要更多的关注。动态系统级仿真已被用于陆上能源行业几十年的能源系统分析; 现在它越来越多地应用于海洋工程。在这项研究中，商业模拟器Apros被用来模拟和模拟巡航渡轮Viking Grace的能量系统，该系统具有新型节能解决方案，例如废热蓄能器系统和通过液化天然气（LNG）蒸发的冷却选项，以及 海水。这些系统的动态模型是针对可用的测量数据开发和验证的。 研究表明，建模和动态系统级仿真可以为新建筑物和现有船舶的高效能船舶设计提供实质性的好处。

1.介绍

船舶工程在海运历史上发挥了重要作用，在交通运输和享受方面面临各种各样的挑战。在过去几十年中，化石燃料的局限性和环境意识已经导致技术提高能源效率和降低污染物排放。 全球变暖所带来的挑战，也是将二氧化碳（CO2）作为污染物，进一步提高了能源效率的作用。显着的进展已经显现，但另一方面，很容易找到进一步发展的话题 。

在过去几年中，国际和国内关于废气排放的法律要求变得越来越严格。海洋工业正面临采用新技术和/或操作规范来应对这些要求的挑战。图1显示了现行和计划的航运环境规定的时间表。2013年1月，能源效率设计指数（EEDI）和“船舶能源效率管理计划”（SEEMP）生效。对新船的能源效率日益严格的要求 ，EEDI旨在刺激开发更节能的船舶设计，间接地导致减少运营二氧化碳排放。SEEMP旨在直接刺激更节能的运营实践（Nyhus，2013）。

对于船用柴油发动机，排放要求主要侧重于减少氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）。这些法规中最关键的是减少海洋燃料硫含量相对较高的SOx排放的措施（ MAN柴油，2014年）。从2015年1月起，排放控制区（ECA）的最大允许硫含量为0.1％。除了ECA，允许使用3.5％硫浓度的燃料直到2020年1月，除了客船经营 在欧盟水域的定期服务中，限制为1.5％。最终，2020年（或根据国际海事组织2018年的决定，在欧盟以外的2025年），全球最大硫含量0.5％的监管将生效，将面临更大的挑战（MotorShip，2011）。

实际上，使用低硫燃料（LSF）意味着像MDO，MGO或液化天然气（LNG）这样的昂贵的馏出物。越来越多的使用LSF可能会导致这些燃料的价格上涨。未来更多的船将很有可能被供电 通过液化天然气。对于游轮，与HFO或MGO相比，一个问题甚至是LNG需求量的三倍。此外，大规模使用LNG的可用性和基础设施尚未准备好（2012年夏季乘客船技术夏季）。 满足SOx排放的监管要求，而不是使用LSF，船东可以在经过处理的系统（通常称为洗涤器）之后安装废气净化（EGC）。

船舶航行和作业区域为船舶设计设定了重要的界限。对于具有一定运行特性的船舶的优化设计可能会因目标作业区域而有所不同。另一方面，单一路线可能包括各种不同的条件 。 这一切都提出了一个优化对于某些特定条件是否合理的问题。优化的设计肯定会降低系统在未来可能的运行配置和条件变化中的灵活性。

典型的游轮在航行区域有季节变化，其间有过境行程。在每个航行区域，酒店的负载特别是船舶的速度差异很大。运行情况包括港口访问，不同速度的海上航行和日常过程 如食物准备和洗衣，这些都会对能源平衡造成巨大变化。设计必须考虑到年度边缘条件，但重点是典型的季节性变化的条件（Lepistouml;，2014）。

即使对于非常有效的船用发动机，如图2所示，少于50％的燃料能量转化为有用的工作。其余的燃料能量超过50％主要作为废气发动机废气，发动机高度 温度（HT）冷却水，发动机低温（LT）冷却水，最终排放到空气和海洋中（Zou et al。，2013）。废气主要来自废气和HT冷却水，可以节省大量成本 通过提高废热利用率。

为了经济地实现海洋工程面临的一切能源挑战，迫切需要适当的工具来检查和验证船舶能源管理中的替代解决方案。与常规电力行业的过程工程和工厂设计相比，船舶设计具有许多具体的 特点和制约因素。船舶需要在大负荷范围内运行，负载变化比发电厂频繁得多。固有的限制来自设备放置和维修的有限空间。此外，安装的解决方案最多 在船舶的一辈子的每次巡航中都要结转，在设计和投资决策中必须考虑到这一点。

本研究的重点是计算动态模拟，其通常表示 - 使用数学建模 - 系统的状态如何随着时间的推移而发展。不必关注相当有限的领域，如发动机或设备，这项研究涉及更大的一部分 的过程，因此通常被称为全系统模拟。海洋工程中全系统建模文献的数量仍然相当有限，但情况正在迅速变化，因为海洋模拟的整体方法的需求得到广泛认可 在过去几年中（JOULES，2015; Dimopoulos et al。，2014;Lepistouml;，2014; Zou et al。，2013）。

Dimopoulos等人（2014）对海洋工程中使用不同的CAE（计算机辅助工程）方法进行了详细的概述。没有必要重复文献综述，但是他们提出的典型应用的一般分类是总结文献：流体动力学和机械部件的计算流体力学（CFD）;船舶和部件强度，噪声和振动分析的有限元方法（FEM）具有不同重点领域（如推进动力列车和柴油 - 电气配置）的船舶推进发电厂;以及专注于稳态合成，设计和运行问题的通用船用动力系统（Dimopoulos等，2014）。他们强调了全系统的整体方法的重要性，并提出了COSSMOS建模框架，据此提供给用户定义和分析各种系统配置和能量转换过程（机械，电力，热力学，传热，流体流动等），并且在稳态（设计/设计条件）和动态（时变，瞬时操作）条件下执行任何基于模型的感兴趣应用（模拟，优化，控制，参数估计） （Dimopoulos等人，2014）。他们还给出了联合循环系统的热经济设计和运行优化以及电动推进动力系的建模和动态模拟的说明性例子。

除了Dimopoulos等人（2014）和参考文献，Zou等人，2013年提出了一个使用Matlab-Simscape环境系统级方法来系统地模拟船舶发动机的能量流。该研究考虑了主要能源生产者和消费者 巡航船，包括电气空调子系统，柴油发电机，发动机新鲜冷却水系统和蒸汽系统。除了对船舶能量流的理解和表示外，该模拟器可用于测试和验证不同的节能技术。

在海洋工程建模和模拟领域，还有其他的发展正在进行。欧洲近期活动的一个重要部分是在一个名为JOULES的欧盟项目中进行，该项目评估了船舶设计对不同能量转换技术的整合的影响 从经济和环境的角度看船舶能源电网（JOULES，2015）。

总而言之，为了设计经济合理，节能的船只，不要忘记客户和货物的舒适性，良好的可操作性和对未来路线变化的合理灵活性，存在很多挑战。提出的设计解决方案包括新颖性更多，更多 需要先进的工具和方法。提出动态过程仿真作为一种可以支持创新节能解决方案的船舶设计过程的方法。该工作是在一项关于巡航渡轮Viking Grace的研究中进行的，该研究使用新颖的节能 解决方案主要有两个子系统：（i）具有蓄热池的废热回收系统，（ii）具有三种不同冷却选项的冷水系统（Lepistouml;，2014;Lepistouml;等，2015） 这些系统的模型是根据实际系统可用的测量进行开发，验证的，最后用于模拟实验。

本文的结构如下：第2节介绍了维京格雷斯客船，二手动态仿真软件Apros，建模范围和验证工作。第3节讨论了建模系统的结果。 最后的第4节，得出结论从不同方面的研究。

2.方法

2.1.建模与仿真平台

商业模拟软件Apros（Apros Combustion 6.03）被用作本研究的建模和仿真工具。Apros平台（Apros，2015）为配置和运行工业过程（如燃烧和核电站）的仿真模型提供了一个环境 除了过程系统，控制和二进制自动化以及电气系统，都可以被模拟。仿真环境主要用于不同的工程目的，包括测试，过程和控制设计评估， 系统分析和操作员培训。

在Apros中，仿真模型配置有图形用户界面。用户选择合适的设备型号组件，连接并设置参数值。同时，系统生成计算级结构，由模拟求解器直接使用。 计算级别是节点（控制卷）和分支（节点之间的连接）的网络。有不同类型的节点和分支用于描述热力学状态，用于组成过程流体和流体与热量之间的热传递 用户选择适当的过程流体和设备结构材料。材料属性功能根据控制体系中的系统状态计算密度，粘度，热容量和电导率等数量。

在详细的动态过程仿真中，实际解决压力流网络是基础的。在Apros中，流程一维求解，这是动态过程模拟的标准方法.Apros为热液压解决方案提供了几种不同的方法 所谓的流动模型，以解决压力流动网络和相关的传热现象。在这项工作中使用了这两个模型：六方程（双流体）流动模型和三方程（均匀流体）流动模型 这两种流动模型均基于动态质量，能量和动量平衡的同时解决，如下所述。

六方程模型将质量，动量和能量的守恒方程应用于液相和气相，一个空间坐标如下（Siikonen，1987;Hauml;nninen，2009b）：

下标k是指液相或气体的相。因此，如果为两相单独写入，则流量模型名称表示得到六个方程。下标i表示液相和气相之间的界面，w表示壁。项Gamma;表示相间的质量传递，即蒸发或冷凝。术语F描述不同形式的摩擦，即由于流道壁，界面力，阀门位置和形状损失，Delta;PP是由泵的头部引起的压力增加。项Q表示壁与流体之间的热流或相间的热流。焓h是总焓，因此它包括动能。术语Gamma;，F和Q是根据经验相关性计算的，考虑到各个阶段和主要的工艺条件，如流动状态和流体和壁温。本构方程包括单相和两相情况下的壁摩擦计算，不同流动状态下的界面摩擦，使用各种传热区的流体壁传热，界面传热和一维热传导。热液压模型涵盖低压计算和超临界条件，增加了所需的相关数。除上述方程外，系统对不可冷凝气体使用附加的质量守恒方程。更多细节可参见参考文献（Hauml;nninen， 2009b;Hauml;nninen等，2012）。这种流动模型用于蓄液池研究，因为它具有不可冷凝气体，wh为了实际模拟坦克状态，这是必不可少的。

冷水系统采用均匀流动模型（也称为三方程模型）建模，基于质量，能量和动量的动态守恒方程（Hauml;nninen，2009a）

使用这种流动模型，一个重要的假设是，在两相情况下，液相和气相在每个控制体积中具有相等的温度，并且在流动分支中以相同的速度移动。换句话说，保守方程被应用于 液体和气体。然而，这些相分离成大体积，例如罐。除等式（4） - （6）之外，还需要本构方程，例如 描述流体和壁之间的摩擦和热传递以及管道和设备壁内的径向热传导。有关这些以及离散化方案的更多细节可以在Hauml;nninen（2009a）中找到。

在两个流动模型中，使用交错网格法，动态平衡方程相对于空间坐标离散化。因此，质量和能量解决方案处理网格的中心点，动量解使用中间位置（分支） 非线性项是线性化的，解决方案通过隐含地求解方程式进行。计算节点在过程系统中相当松耦合，导致稀疏矩阵（大多数元素为零）， 可以通过专门的算法有效地解决这个问题。解决压力和焓之后，计算密度，粘度，热导率和热容等流体性质。水蒸汽属性基于IAWS-IF97标准（Wagner和Kruse， 1998）。使用压力和焓作为输入，从表格数据中搜索和内插属性。检查收敛标准，并在必要时进一步迭代该过程。在每个模拟时间步长（通常为0.2s）重复整个过程，但自动缩短快速热液压瞬变的情况，以确保解决方案的收敛和结果的准确性。模拟平台尽可能隐藏数学，因此用户不需要了解离散化或解决方案，或平衡方程和未知数。 ，必须适当设定边界条件 - 压力，温度/焓，质量分数，质量流量或热流量 - 这很容易通过将模型组件从模拟中排除。最后，值得强调的是Apros流量模型，基本模型库和热液压解决方案已经针对实验数据进行了全面验证案例包括单独的效果测试（例如，管道，顶部排污，贝克尔，ERSEC重新融合）和集成测试（发电厂模型，例如， Loviisa核电站）（Hauml;nninen，2009b; Ylijoki等，2015）。

2.2目标船

乘客和汽车渡轮维京格雷斯（图3）被建造沿着在波罗的海沿线的图尔库 - 斯德哥尔摩路线运行。该船于2013年1月交付，由维京线拥有和经营。该船有四个双燃料发动机，通常在LNG运行和运行。渡轮的乘客人数为2800人，由200名船员操作。表1列出了维京格雷斯的基本技术信息。渡轮具有新型节能解决方案，如LNG主要燃料，废热蓄能器系统以及通过LNG蒸发和海水的冷却选择。这些系统是环境有益的，因为它们能够利用便宜的冷却能量和浪费能量进行加热.LNG存储为液体，需要在使用前作为燃料蒸发;利用潜热来冷却交流水是合理的。在巡航过程中产生废热，但在港口需要燃油锅炉。这种不平衡可以通过在海上累积一部分废热，并在港口使用当只有一个主要发动机正在运行时。此外，在波罗的海海水中足够冷却直接用于冷却。这些新颖性是这些系统被选择用于模拟研究的原因：只有有限的系统操作知识可用。研究的另一个动机是调查系统范围的仿真如何改进设计过程。

如图4所示，维京格雷斯的巡航路线是芬兰和瑞典之间的图尔库 - 兰斯 - 斯德哥尔摩 - 马里汉姆 - 图尔库。船只于20:55离开图尔库，第一次港口访问时间为01：05-01：10 在Laring;ngnauml;s，那艘船到达斯德哥尔摩07：30-08：45，在Mariehamn 14：10-14：25，最后在19:50返回Turku。多次是芬兰时间（东欧时间EET，UTC thorn;2h）。在一次巡航中，船舶在海上为21小时20分钟（包括机动船），港口为2小时40分钟（Viking Line，2013）。

2.3废

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