CN110503270A - 一种船舶能耗与排放预评估系统 - Google Patents

一种船舶能耗与排放预评估系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种船舶能耗与排放预评估系统,主要包含用户端输入模块、船型数据库模块、海洋环境预报模块、航速预报模块、能耗计算模块、用户端输出模块一、排放物计算模块、国际标准库对比模块和用户端输出模块二。船载及岸基用户端通过卫星通讯与系统计算平台建立连接。本发明基于船舶航速预报,通过对船舶航行时的主机功率—航速关系进行预测,实现在出航前对本航次燃油消耗量和污染物排放量进行评估,并能给出耗油量最低时的航速操纵策略,为航次规划提供了依据,可用于大型商用船舶如油轮、散货船、集装箱船等的出航前的燃油消耗及排放物排放量的预评估及控制。

Description

一种船舶能耗与排放预评估系统
技术领域
本发明涉及船舶出航能耗与排放的预评估,尤其涉及一种船舶能耗与排放预评估系统,属于船舶与海洋工程领域。
背景技术
地球表面积的70%由海洋覆盖,全球外贸运输的90%靠海上运输来完成。海上运输为世界经济的发展和人类社会的繁荣进步做出了巨大的贡献。海上运输业作为化石燃料消费的重点行业,船舶的每一次出航都会消耗大量的化石燃料(目前广泛使用的是柴油),不仅产生大量的运输成本,也同时造成大量的温室气体和大气污染物的排放。
随着航运科技的发展,可持续发展、绿色环保的理念在船舶运营的过程中受到越来越多的重视。国际海事组织(IMO)为加强海运企业在节能减排方面的要求,制定了诸多的国际标准,要求海运企业加强能效管理,以提高船舶能效、减少污染排放。
目前,现行使用的能效管理系统都是通过实时的数据监测来掌握船舶的能耗和排放情况,且只进行监测而无法做出优化和改进措施,也不能够给船舶管理人员提供一定的辅助决策建议。总而言之,目前船载的能效管理系统只能获得船舶航行时的能耗和排放数据,对节能减排没有实质性的帮助。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种船舶能耗与排放预评估系统。
本发明的目的是这样实现的:包括用户端和系统计算平台,用户端与系统计算平台之间通过卫星通信,用户端包括用户端输入模块、用户端输出模块一和用户端输出模块二,系统计算平台包括船型数据库模块、海洋环境预报模块、航速预报模块、能耗计算模块、排放物计算模块、国际标准库对比模块。
本发明还包括这样一些结构特征:
1.用户端输入模块用于输入初始参数,包括船舶参数、主、副机参数、出航时间、出航航线;船型数据库模块根据输入的船舶参数在数据库中匹配相对应的船型模型数据,将用户输入的船舶参数转换为能够用于航速预报模块计算的模型数据;海洋环境预报模块用于预测出航时的航线区域的风浪环境信息;航速预报模块根据船型数据和出航时的风浪信息对实船进行航速预报,得到主机功率—航速关系曲线;能耗计算模块根据主机功率—航速关系曲线及主、副机额定功率得出燃油消耗量—航速关系曲线;用户端输出模块一对能耗计算的结果进行输出,包括最小燃油消耗量及对应航速、航行时间,以及用户自由选择的航速所对应的燃油消耗量、航行时间,输出结果用于航速优化的参考;排放物计算模块根据燃油消耗量计算NOx、CO、CO2、HC排放物的排放量;国际标准库对比模块存储现行国际船舶排放标准,用于和排放物计算结果进行比对,评估是否符合国际标准;用户端输出模块二用于输出各污染物的排放量计算结果和评估结果。
2.用户端输入模块输入船舶参数,主、副机参数,出航时间,出航路线信息,其中船舶参数输出至船型数据库模块,出航时间和出航航线输出至海洋环境预报模块,主、副机参数输出至能耗计算模块。
3.船型数据库模块存储目前常用船型的数据模型,并根据用户端输入模块输入的船舶参数进行数据模型匹配,将船型数据输出至航速预报模块。
4.海洋环境预报模块根据由用户端输入模块输入的出航时间、出航航线,进行航线区域的风浪信息预测,预测结果作为航速预报模块的环境输入数据。
5.实船航速预报模块根据由船型数据库模块输入的船型数据和由海洋环境预报模块输入的航线区域风浪信息参数,通过船舶航速预报方法,预测出实船出航时的主机功率—航速关系曲线,作为能耗计算模块的输入数据。
6.能耗计算模块根据主、副机参数、主机功率-航速关系和主机功率-燃油消耗率关系,建立燃油消耗量-航速关系曲线,作为用户端输出模块一的输入数据。
7.排放物计算模块根据燃油的消耗量计算出NOx、CO、CO2、HC排放物的排放量,并作为国际标准库比对模块的输入数据。
8.国际标准库比对模块内部存储国际航运业对于各排放物排放量的国际标准,并将计算得到的排放物排放量与国际标准进行比对,评估出航的排放量是否符合国际标准,评估结果作为输出模块二的输入数据。
9.用户端输出模块一根据燃油消耗量—航速关系曲线给出燃油消耗最少时的航速和航行时间;同时用户可以在此模块与系统进行交互,可自由选择航速,此模块根据燃油消耗量—航速关系曲线可给出用户选定航速对应的燃油消耗量、航行时间,作为排放物计算模块的输入数据;用户端输出模块二用于输出并向用户展示各污染物排放量的计算结果和排放量评估结果。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明能够在船舶出航前对航次的能耗和排放情况进行预测,并进行预评估。根据预评估的结果,船舶管理者可以提前进行成本预算、航次优化,以节省燃料、控制污染物排放。此外,在海上航行过程中,也可以随时借助本系统,进行航行中的航速优化。该系统包含用户端输入模块、船型数据库模块、海洋环境预报模块、航速预报模块、能耗计算模块、用户端输出模块一、排放物计算模块、国际标准库对比模块和用户端输出模块二9个主要模块。系统的用户端与计算平台间通过卫星通讯建立连接。
附图说明
图1所示为本发明提供的一种船舶能耗与排放预评估系统的整体结构图。
图2为本发明提供的一种船舶能耗与排放预评估系统的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1和图2,首先用户在用户端输入模块1输入主、副机参数、船舶参数(包括船舶型号、主尺度参数、船型系数、螺旋桨参数、舵参数)、出航时间和出航航线的有关信息。其中船舶参数输出至船型数据库模块2,出航时间和出航航线输出至海洋环境预报模块3,主、副机参数输出至能耗计算模块5。
船型数据库模块2内置船型数据库,存储目前常用的、能够直接应用于航速预报模块4计算的船型数据模型。根据用户端输入模块1输入的船舶参数信息匹配数据库中船型数据模型,输出至航速预报模块4。
海洋环境预报模块3可根据用户端输入模块1输入的“出航时间”、“出航航线”信息,预报出航时航线海域风浪信息参数(包括风级、风向、浪级、浪向、波浪特征周期、波浪有义波高),输出至航速预报模块4。
航速预报模块4,根据由船型数据库模块2输入的船型数据和由海洋环境预报模块3输入的航线海域风浪信息参数,通过专业计算,预测出实船出航时的船机功率—航速对应关系,输出至能耗计算模块5。
能耗计算模块5,根据由用户端输入模块1输入的主、副机参数和由航速预报模块4输入的船机功率—航速对应关系,通过公式(1)计算出“燃油消耗量—航速对应关系”。计算船舶燃油消耗时,一般涉及主机系统、副机系统和锅炉系统,其中锅炉系统消耗量较小,一般不考虑,所以只考虑主机系统(用于船舶推进)和副机系统(用于发电)。主、副机系统的燃油消耗量通过以下公式计算:
其中:G为燃油消耗量,单位为kg;
ge为主、副机的燃油消耗率,单位为g/kWh;
P为主、副机功率,单位为kW,其中主机功率按实船航速预报的结果,副机功率按副机的额定功率;
S为航线里程,单位为mile;
v为航速,单位为kn。
用户端输出模块一6,根据由能耗计算模块5输入的“燃油消耗量—航速对应关系”给出燃油消耗最少时的航速和航行时间。同时,用户可以在此模块与系统进行交互,可自由选择航速,此模块根据“燃油消耗量—航速关系曲线”可给出用户选定航速对应的燃油消耗量、航行时间,并输出至排放物计算模块7,为用户进行航速优化和航次规划提供依据。
排放物计算模块7,可根据由用户端输出模块一6输入的燃油的消耗量计算出NOx、CO、CO2、HC等排放物的排放量。各污染物排放量可公式(2)计算:
Ek=M·EFk (2)
其中,Ek为各污染物排放量,单位为kg;
M为主、副机的燃油消耗总量,单位为t;
EFk为各废气排放因子,单位为kg/t,通过主、副机型号确定。
国际标准库比对模块8,内置数据库,存储对于各排放物排放量的国际标准,并将排放物计算模块7计算得到的排放物排放量与国际标准进行比对,评估出航的排放量是否符合国际标准,给出排放量评估结果,并输出至用户端输出模块二9。
用户端输出模块二9,用于向用户展示各污染物排放量的计算结果和排放量评估结果。
综上,为了更好地为船舶优化航线与航速,降低航运过程中船舶油耗和污染排放量,提高经济性和环保性,本发明提供了一种船舶能耗与排放预评估系统。该系统主要包含用户端输入模块、船型数据库模块、海洋环境预报模块、航速预报模块、能耗计算模块、用户端输出模块一、排放物计算模块、国际标准库对比模块和用户端输出模块二。船载及岸基用户端通过卫星通讯与系统计算平台建立连接。本发明基于船舶航速预报,通过对船舶航行时的主机功率—航速关系进行预测,实现在出航前对本航次燃油消耗量和污染物排放量进行评估,并能给出耗油量最低时的航速操纵策略,为航次规划提供了依据,可用于大型商用船舶如油轮、散货船、集装箱船等的出航前的燃油消耗及排放物排放量的预评估及控制。

Claims (10)

1.一种船舶能耗与排放预评估系统,其特征在于:包括用户端和系统计算平台,用户端与系统计算平台之间通过卫星通信,用户端包括用户端输入模块、用户端输出模块一和用户端输出模块二,系统计算平台包括船型数据库模块、海洋环境预报模块、航速预报模块、能耗计算模块、排放物计算模块、国际标准库对比模块。
2.根据权利要求1所述的一种船舶能耗与排放预评估系统,其特征在于:用户端输入模块用于输入初始参数,包括船舶参数、主、副机参数、出航时间、出航航线;船型数据库模块根据输入的船舶参数在数据库中匹配相对应的船型模型数据,将用户输入的船舶参数转换为能够用于航速预报模块计算的模型数据;海洋环境预报模块用于预测出航时的航线区域的风浪环境信息;航速预报模块根据船型数据和出航时的风浪信息对实船进行航速预报,得到主机功率—航速关系曲线;能耗计算模块根据主机功率—航速关系曲线及主、副机额定功率得出燃油消耗量—航速关系曲线;用户端输出模块一对能耗计算的结果进行输出,包括最小燃油消耗量及对应航速、航行时间,以及用户自由选择的航速所对应的燃油消耗量、航行时间,输出结果用于航速优化的参考;排放物计算模块根据燃油消耗量计算NOx、CO、CO2、HC排放物的排放量;国际标准库对比模块存储现行国际船舶排放标准,用于和排放物计算结果进行比对,评估是否符合国际标准;用户端输出模块二用于输出各污染物的排放量计算结果和评估结果。
3.根据权利要求2所述的一种船舶能耗与排放预评估系统,其特征在于:用户端输入模块输入船舶参数,主、副机参数,出航时间,出航路线信息,其中船舶参数输出至船型数据库模块,出航时间和出航航线输出至海洋环境预报模块,主、副机参数输出至能耗计算模块。
4.根据权利要求2所述的一种船舶能耗与排放预评估系统,其特征在于:船型数据库模块存储目前常用船型的数据模型,并根据用户端输入模块输入的船舶参数进行数据模型匹配,将船型数据输出至航速预报模块。
5.根据权利要求2所述的一种船舶能耗与排放预评估系统,其特征在于:海洋环境预报模块根据由用户端输入模块输入的出航时间、出航航线,进行航线区域的风浪信息预测,预测结果作为航速预报模块的环境输入数据。
6.根据权利要求2所述的一种船舶能耗与排放预评估系统,其特征在于:实船航速预报模块根据由船型数据库模块输入的船型数据和由海洋环境预报模块输入的航线区域风浪信息参数,通过船舶航速预报方法,预测出实船出航时的主机功率—航速关系曲线,作为能耗计算模块的输入数据。
7.根据权利要求2所述的一种船舶能耗与排放预评估系统,其特征在于:能耗计算模块根据主、副机参数、主机功率-航速关系和主机功率-燃油消耗率关系,建立燃油消耗量-航速关系曲线,作为用户端输出模块一的输入数据。
8.根据权利要求2所述的一种船舶能耗与排放预评估系统,其特征在于:排放物计算模块根据燃油的消耗量计算出NOx、CO、CO2、HC排放物的排放量,并作为国际标准库比对模块的输入数据。
9.根据权利要求2所述的一种船舶能耗与排放预评估系统,其特征在于:国际标准库比对模块内部存储国际航运业对于各排放物排放量的国际标准,并将计算得到的排放物排放量与国际标准进行比对,评估出航的排放量是否符合国际标准,评估结果作为输出模块二的输入数据。
10.根据权利要求2所述的一种船舶能耗与排放预评估系统,其特征在于:用户端输出模块一根据燃油消耗量—航速关系曲线给出燃油消耗最少时的航速和航行时间;同时用户可以在此模块与系统进行交互,可自由选择航速,此模块根据燃油消耗量—航速关系曲线可给出用户选定航速对应的燃油消耗量、航行时间,作为排放物计算模块的输入数据;用户端输出模块二用于输出并向用户展示各污染物排放量的计算结果和排放量评估结果。
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