摘 要

面对日益严重的能源与环境问题，为了降低CO₂和NO_X的排放量，开发出一款具有能量消耗低、排放少的绿色船舶就显得至关重要了。而同时具有传统机械动力船舶和纯电力船舶优点的混合动力船舶也就成为了研究的重点。

为此，本文就混合动力船舶智能能效系统的设计进行了探讨。首先我们对四种混合动力船舶进行了分析，然后提出了智能能效系统的概念。最后，研究了船舶能量的三级控制系统，在底层控制和第二级控制的基础上重点研究第三级控制。

根据上述架构，我们采用理论分析-过程建模与仿真-控制算法验证的方式，依托现有研究基础，对提出的三级控制架构进行建模，并验证船舶智能能效管理系统控制及节能效果。

关键词：混合动力船舶；智能能效管理 ；程序设计；三级控制

Abstract

As we all know,CO₂ and NO_X will increase serious energy and environmental problems , which makes us facing the increasingly serious energy and environmental problems .So it is very important to develop a green ship with low energy consumption and low emissions .At the same time ,a hybrid ship having the advantages of traditional mechanical power ship and pure electric ship will become greater competitiveness .

Therefore, in this paper, the designs of hybrid ship intelligent system of energy efficiency are discussed. Firstly, we analyze four kinds of hybrid ships, and then put forward the concept of intelligent energy efficiency system. Finally, the three-level control system of ship energy is studied, and the Tertiary control is emphasized on the basis of the Primary control and the secondary control.

Based on the above architecture, we adopt the method of theoretical analysis-process modeling and simulation-control algorithm verification, and rely on the existing research foundation to model the proposed three-level control architecture, and verify the control and energy-saving effect of the ship intelligent energy efficiency management system.

Keywords: Hybrid ship; Intelligent energy efficiency management; Program design; Three-level control.

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3研究方向的确立 2

第二章 混合动力船舶 4

2.1混合动力船舶的种类 4

2.1.1四种混合动力船舶 4

2.1.2四种混合动力船舶原理设计 5

2.2混合电力推进船舶 8

2.2.1混合电力推进系统定义 8

2.2.1混合电力推进的优势及挑战 9

2.3混合动力船舶的发展前景 10

第三章 船舶能量管理与智能能效 12

3.1船舶能量管理 12

3.1.1船舶能量管理的定义 12

3.1.2船舶能量管理的现状 12

3.2智能能效 13

3.2.1船舶能效的概念 13

3.2.2船舶能效的影响因素及管理 14

3.3本章小结 15

第四章 船舶智能能效管理系统的设计 16

4.1一种船舶智能能效系统的架构 16

4.2能效系统的三级控制 18

4.2.1一级控制 18

4.2.2二级控制 20

4.2.3三级控制 20

4.3本章小结 23

第五章 总结与展望 24

5.1总结 24

5.2展望 24

参考文献 25

致 谢 27

绪论

1.1 研究目的及意义

和多数的行业现通，船舶行业也承受着来自降低环境影响的巨大压力。假如我们不采取任何措施，那么到2050年，CO₂的排放量预计将增加50-250％，导致全球温度上升2℃。此外，船舶行业NO_X排放量也已经占据了全球总量的15％，如果现在不采取任何措施，那么NO_X排放量大概率也会巨增。不过伴随着科学技术的发展、动力和推进系统的进步以及能源管理的改进，船舶CO₂和NO_X的排放量将得到显著的降低。

为了扩大这一技术的优势，促进其发展以降低CO₂和NO_X的排放量，国际海事组织（IMO）的Marpol法规对船舶排放物的限制将越来越严格。首先，IMO 的Marpol附件VI对输出功率超过130 kW的柴油发动机的加权循环氮氧化物（NOX）排放做出限制。举个例子，2011年1月以后建造的被称为第二级的船舶上的柴油发动机，对于高速发动机，限制为7.7 g / kWh，对于低速发动机，限制为14.4 g / kWh。而从2016年1月起，被称为第3级的柴油机在排放控制区上，这些限值分别限制降低到了2.0 g / kWh和3.4 g / kWh 。虽然说这些限制在目前仅针对于发动机的NO_X，而非整个船舶的推进和发电。但是，现在社会上针对汽车每英里NO_X严格控制的发展趋势以及公众们对确定现实驾驶条件下的标准的强烈要求，这将会导致未来的运输法规可能对限制每英里NO_X排放进行严格管理。因此，如何减少柴油机推进和发电过程中NO_X排放的成为现在重中之重的研究课题，而在其中最为重要研究领域则是NO_X减排技术，例如：废气选择性催化还原后处理（SCR）和再循环（EGR）等。其次，IMO的Marpol法规中为降低新船的能效设计指数（EEDI）设定了目标（EEDI是货船每吨货物和每英里产生的CO₂排放量的量度）。和2013年推出时的基准货船相比，新货船的EEDI将从10％到2030年的30％。其他船型也在采取类似措施。因此，在未来几年内，应用于未来船舶的推进装置和发电厂必需考虑大大减少其燃料消耗和排放。

伴随着节能减排和绿色能源的这一国际大背景，开发出低能耗和低排放的绿色船舶是目前船舶行业的首要任务。同时由于船舶数量的增加，船舶的运行状况和应用前景也日益多样化：近海船舶较为轻便快捷，能执行许多任务，例如过境检查，清挖河道和关键动态定位（DP）操作等；重型起重机船（例如，平台拆装船）在各种海上作业中则表现出更高的能力和复杂性；海军舰船在公海执行传统的巡逻行动，也可以部署在沿海行动中。总而言之，由于这些不同的运行状况，船舶动力和推进装置不同于路上的机械，必须在许多性能标准上表现良好，例如：1.燃油消耗;2.排放物；3.辐射噪声；4.推进能力；5.机动性；6.噪音，振动和气味极小适；7.发动机热负荷和机械负荷造成的维修费用；8.购买成本。