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内河运输船气-电混合动力系统建模及能效优化
摘要
随着零碳战略的大力推行,我国针对内河航运的排放法规日益严格。在此背景下,
气-电混合动力系统有效整合了天然气发动机及可逆电机的特性优势,不仅提升了船舶
的动力性能、降低了船舶排放,更为航运业的可持续发展提供了切实可行的解决方案。
然而,受系统拓扑结构、主动力源特性和通航环境等多元因素的限制和影响,气-电混
合动力船舶的能效分析相较于传统单一动力源船舶更为复杂多变。因此,对影响气-电
混合动力系统船舶能效的因素进行合理分析,并构建一个综合考虑航行需求、通航环
境及动力系统特性的能效仿真模型,对于深入探究气-电混合动力系统及其他形式的混
合动力系统能效,以及进一步提升船舶能效、降低排放具有重要意义。
本文以某内河运输船上气-电混合动力系统为研究对象,分析目标船舶能效影响因
素,并根据目标船舶动力系统容量进行螺旋桨匹配,建立了气-电混合动力系统仿真模
型,提出了基于航速优化的船舶能效优化方法,并对比探究了不同航期对混合动力系
统工作模式的影响,具体研究工作如下:
首先,针对目标船舶进行关键参数、拓扑结构及工作模式分析,分析影响船舶能
效的主要因素,考虑船舶运行过程中船舶阻力特性及相应气象条件影响。随后为模拟
实际船舶运行过程中船舶负载的合理变化,根据相关参数完成了螺旋桨匹配,并搭建
螺旋桨仿真模型。其次,完成了气-电混合动力系统仿真建模。分别建立了气体机、电
机、蓄电池组、传动系统、基于确定规则的能量管理策略及气-电混合动力系统气耗、
NOX和CH排放等仿真模型,并按照船舶能量流向连接整合各系统部件。
最后进行气-电混合动力船舶能效优化方法研究。根据航线信息和通航环境因素,
基于K-means聚类算法进行航线分段,并以单航次船舶总能耗最低为优化目标,建立
了船舶航速优化模型,采用角蜥蜴优化算法开展了优化模型结果寻优,并针对优化结
果进行仿真验证。根据仿真结果:在相同时间约束下,航速优化方案全航程运行总能
耗降低了7.8%;且满足时间约束条件下,降低船舶航速可以有效减少全航程的总能耗。
本文搭建了内河运输船气-电混合动力系统能效模型,并探索了船舶能效优化的方
法。不仅有助于推动气-电混合船舶能效的优化与提升,而且为船舶的智能与高效航行
提供了有力的技术支撑,为推动内河运输的绿色发展和可持续发展奠定基础。
关键词:气-电混合动力;船舶能效;能效建模;航速优化
内河运输船气-电混合动力系统建模及能效优化
Abstract
Withtheimplementationofthezerocarbonstrategy,Chinasemissionregulationsfor
inlandwaterwaytransportationarebecomingincreasinglystringent.Inthiscontext,gas-electric
hybridpowersystemeffectivelyintegratestheadvantagesofnaturalgasengineandreversible
electricmotor,whichnotonlyimprovestheshipspowerperformanceandreducestheships
emissions,butalsoprovidesapracticalsolutionforthesustainabledevelopmentoftheshipping
industry.However,duetothelimitationsandinfluencesofmultiplefactorssuchassystem
topology,mainpowersourcecharacteristicsandnavigationalenvironment,theenergy
efficiencyana