知网查重

自动控制技术与船舶节能综述

发表日期:2020-02-11 21:52:03   编辑:梁进

  自动控制技术与船舶节能综述

  摘要:在如今科教兴国的时代,随着自动控制技术的发展,应用在船舶方面的自动控制技术越来越多,如机舱自动控制,船舶航行自动控制以及船舶姿态自动控制等。对船舶节能技术数十年的开发研究,对船体和动力方面的突破屡屡皆是,而怎样优化现有的船舶节能技术,利用自动控制实现船舶的综合节能。是今后船舶节能的发展方向之一。

  关键词:自动控制技术;船舶节能;船舶设计

  引言

  海路运输相对于陆路运输有着运量更大、输送距离更长、网络更加密集、发展更为成熟和费用更加低廉的优势,所以,当代世界国际贸易量的95%以上都是通过船舶来运输;同时船舶运输相对于其他运输方式具有最低温室气体排放率,统计表明 :船舶运业的二氧化碳排放仅仅占人类活动总排放量的3%左右,这表明船运是最绿色的运输方式。

  然而从2008年国际金融危机爆发以来,世界经济大幅攀升之后,导致燃油耗费占船舶运营费用的 50% 以上。以14000标准箱新造箱船船价计算为例,它在 25 年运营期内所消耗的燃料费用甚至可达到船价的5到9倍,如果能使船舶能耗改善10%,则节省的资源是相当可观的,船舶节能已成为运输业的迫切需要。

  新技术及成果在船舶节能领域广泛的应用和发展,随之带来的是船舶节能技术的不断发展,自动控制技术也在创新与实践中越来越成熟。自动控制技术在船舶上很早就得到了充分的应用,众所周知,现代化的船舶机舱都采用了自动控制原理 ,但该技术在船舶节能方面的应用目前还不很广泛。但是随着自动控制技术的飞速发展和控制系统功能的日益强大,该技术同样也能够在节能领域中发挥重要作用,为船舶节能领域的新技术应用做出巨大的贡献。

  一、传统节能技术在船舶中的体现

  传统的节能技术在船体的构造上面船体采用线型设计,通过船模阻力实验来确定阻力最小的船体形状,同时船的尾部也使用导流罩,螺旋桨等结构的设计,以上两种设计结构都是通过减少船体的各种阻力,增加船体的推进力来达到节能的要求;在节约原料方面,传统型通过改善燃油的雾化,燃料室内部的结构从而来提高内燃机的燃料效率,同时减少动力机械的摩擦阻力也可以减少单位输出功率的耗能;在实验测试中,通过各种测试来找出最佳配载方案也能达到减少耗能的目的。

  现代船舶克服船在水中的阻力而运行主要通过主机辅机为动力驱动推进装置,此外船上各种耗能设备的运行也会带来能耗负荷,但这些能量最终都归结于燃料的消耗。所以对于船舶节能可以通过以下途径来实现 :

  1、减少船舶正常运行所需的推进功率 ;

  2、减少船舶设备正常运行的能耗 ;

  3、回收船舶部分损失的能量 ;

  4、优化船舶运营;

  (一)、船体减阻

  对于船体主尺度的优化,一般船厂会在不增加阻力的情况下尽量增大方形系数,而大部分船舶则追求小的方形系数以使得阻力变得更小,但造价也就更高,而考虑到船舶设计的节能趋势,这种策略可能会是未来的节能发展方向。当船舶设计的主体尺寸确定后,船体线型的优化要尽量满足船体实际运营的情况,也就是要适应于一定的吃水及运航范围,而不只是是考虑设计吃水及规定航速下的油耗现象。实际中,只要不是对船体参数太过严格的要求比如机舱及货舱位置调节,方形系数的确定等,在设计阶段船体的布置可以进行调整来满足最优化的船体的水动力表现。当螺旋桨直径、主尺度及船体型线确定以后,对船舶局部进行改进也可以减小船体剩余阻力。

  (二)、开发附体节能装置

  附体节能装置可以减少或重复利用部分损失能量,其节能原理可以基本概括为 :

  1、减除船体尾部或螺旋桨毂帽后的涡旋及流体分离,减小推力减额,改善船舶的运行效率 ;

  2、设计改善船舶螺旋桨的进流,优化船桨匹配,从而提高桨的推进效率 ;

  3、设计改进螺旋桨,提高敞水效率 ;

  4、回收桨后尾流的能量,产生附加推力,重复利用回收能量;

  二、自动控制技术与船舶节能的关系

  随着自动控制技术的发展,自动控制技术在农业,工业,通讯等方面得到了充分的应用,自动控制技术走进了人们的生活。在船舶节能技术中,自动控制技术也得到了广泛的应用。基于几十年传统的船舶节能技术的开发和研究,传统节能技术的潜能得到了人们的充分挖掘,人们取得了较大的成绩。基于传统技术的局限性,如果想要在节能技术方面取得进一步的突破,如何应用自动控制技术将是未来的发展方向,日益发展的自动控制技术将会帮助人们实现船舶节能技术的提高和创新。

  三、自动控制技术在船舶节能的具体体现

  现代船舶大多采用主机辅机的自动控制技术,通过计算机技术来实现GPS卫星定位装置,实现船舶航速的自动控制和船舶上面的燃油流量计,与此同时也可以实现液位自动控制系统,通过节能自动寻优计算机的控制和综合计算来实现船舶的最佳综合的节能效果。通过利用船上的自动控制技术和设备,在增加比较少的硬件基础和投资来实现船舶节能的目的就是自动控制技术在船舶节能技术的具体体现。在实际运用中,由于计算机能够将各种技术综和在一起,能够使它们达到最佳的匹配,进而使现有的节能技术能够得到充分的发挥,也使自动控制技术得到使用,来实现船舶节能的最好效果

  (一)、主机节能

  在船舶设备主机的选型中,通常的设计是考虑15%的海上功率裕度,但是受从事贸易的航行海域、船型以及船的尺寸的影响,所以这个功率裕度可以根据实际情况不必取相同值,例如对于大型集装箱船而言,7%~8%的裕度也就足够了,这样可以避免配备过大的主机。此外,船舶的实际运营航速一般情况下都低于设计的航速,而实际情况中为了偶尔高航速的需求,完全可以通过配备PTI系统轴带电机由电站提供辅助功率来实现

  通常,若通过自动控制系统,设置相应系统参数将主机功率降低使其不工作在最大设计功率,则可以十分有效地降低燃油消耗程度。目前比较有效的做法是在不增大输出功率的情况下多设置一口缸,使主机运行在最佳油耗点。瓦锡兰公司对一艘好望角型散货船采用自动控制系统,在此种节能模式下节油效果达到3%~4%。此外,采用先进的主机控制与监控系统建立相应的反馈通道可以有效提高主机效率,如主机自适应系统可以始终保持最大的燃烧压力,使实际运行效率与我们的期望一致,使效率提高 0.3%~2%。对于大部分时间在低负荷状态运行的主机,增压器设计采用废气旁通、双级增压以及可变涡轮面积等技术可以有效降低燃耗。

  (二)、船舶航行的自动控制设备

  自动操舵仪是船舶中一种至关重要的控制设备,包括航向控制和航迹控制两种自动控制模式。随着自动控制技术不断发展,人们对自动操舵仪有了更高的要求,需要研究出更为节能、经济、安全的船舶航行控制算法来提高船舶航行稳定性、安全性和经济性的角度出发,以控制精度高、抗干扰能力强、操舵次数少的控制性能为研究目标,结合新型制导算法和最优航向控制算法设计出一种经济实用的航迹控制算法,为提高国内航迹控制水平贡献一份力量。首先对船舶的推进装置、舵机装置、纵移运动、横移运动和艏摇转动的数学建模方法进行研究,通过分析船舶实际航行中的环境干扰因素,建立海浪和海流的相关数学模型。其次,研究船舶航迹制导算法。当代所用到的制导算法主要包括航迹计算、直航制导和曲线制导。关于航迹计算,通过对船舶航行偏差的计算方法的研究,提出一种新型实用的计算大圆航法航行偏差的方法。关于直航制导,运用双曲制导方法,能够十分有效地提高船舶直航跟踪速率,避免位置超调。关于曲线制导,基于李雅普诺夫稳定性函数,调节能使系统全局渐进稳定的指令转向速率。通过计算机技术来实现GPS卫星定位装置,实现船舶航速的自动控制和船舶上面的燃油流量计,与此同时也可以实现液位自动控制系统,通过节能自动寻优计算机的控制和综合计算来实现船舶的最佳综合的节能效果。

  四、发展趋势

  随着控制系统功能越来越强大,自动控制技术在农业,工业,通讯等方面的应用越来越多,自动控制技术走进了人们的生活。在船舶节能技术中,自动控制技术也一定会了广泛的应用。基于几十年传统的船舶节能技术的开发和研究,传统节能技术的潜能得到了人们的充分挖掘,人们取得了较大的成绩。基于传统技术的局限性,如果想要在节能技术方面取得进一步的突破,就一定得设计自动控制系统对节能方式进行优化,无论是自动操舵仪还是其他自动控制设备,也都需要人们投入精力去研究、去开发。而自动控制技术将会为船舶节能领域的新技术应用做出巨大的贡献。

  五、结论

  自动控制技术的发展与船舶节能理念的结合是如今船舶节能技术的发展趋势,大数据时代的人工智能化也需要自动控制技术。如何使实际值和期望值相匹配是自动控制系统的设计理念,而节能技术就是要让能耗向我们所期望的预算靠拢。所以自动控制技术的发展在船舶节方面起着至关重要的作用。

  参考文献

  [1]张李伟.船舶节能途径及发展趋势综述[J].研究与设计,2015,(5):30-39.

  [2] 王兴更.自动控制技术在船舶节能中应用的探讨[J].动态报导,2001,(4):16-35.

  [3]夏广宇.电气自动化技术在装卸机械节能减排中的应用[J].科技创新,2015,(20):243-244.

温馨提示

声明:该文观点仅代表作者本人,本站仅提供信息存储空间服务,如有侵权请联系本站删除。