Energy Conversion and Management 124 (2016) 344–356
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Energy Conversion and Management
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Optimal load allocation of complex ship power plants
Francesco Baldi a,uArr;, Fredrik Ahlgren , Francesco Melino , Cecilia Gabrielii , Karin Andersson a
b
c
a
a Chalmers University of Technology, Department of Shipping and Marine Technology, Gothenburg, Sweden
b Linnaeus University, Kalmar Maritime Academy, Kalmar, Sweden
c Alma Mater Studiorum – Universitaacute; di Bologna, DIN, Bologna, Italy
a r t i c l e i n f o
a b s t r a c t
Article history:
In a world with increased pressure on reducing fuel consumption and carbon dioxide emissions, the
cruise industry is growing in size and impact. In this context, further effort is required for improving
the energy efficiency of cruise ship energy systems.
In this paper, we propose a generic method for modelling the power plant of an isolated system with
mechanical, electric and thermal power demands and for the optimal load allocation of the different com-
ponents that are able to fulfil the demand.
The optimisation problem is presented in the form of a mixed integer linear programming (MINLP)
problem, where the number of engines and/or boilers running is represented by the integer variables,
while their respective load is represented by the non-integer variables. The individual components are
modelled using a combination of first-principle models and polynomial regressions, thus making the
system nonlinear.
Received 30 March 2016
Received in revised form 7 June 2016
Accepted 3 July 2016
Available online 20 July 2016
Keywords:
Low carbon shipping
MINLP
Marine propulsion system
Energy systems
Optimisation
The proposed method is applied to the load-allocation problem of a cruise ship sailing in the Baltic Sea,
and used to compare the existing power plant with a hybrid propulsion plant. The results show the
benefits brought by using the proposing method, which allow estimating the performance of the hybrid
system (for which the load allocation is a non-trivial problem) while also including the contribution of
the heat demand. This allows showing that, based on a reference round voyage, up to 3% savings could
be achieved by installing the proposed system, compared to the existing one, and that a NPV of
11 kUSD could be achieved already 5 years after the installation of the system.
Oacute; 2016 Published by Elsevier Ltd.
1. Introduction
actions for achieving a 40–50% reduction in CO2 emissions from
ships visiting European harbours by 2050 [4], and in Sweden the
The shipping industry, despite its low contribution to global
anthropogenic CO2 emissions today (2.7% of the total as of 2012
[1]), will have to face increasingly stronger challenges in the future
in relation to its contribution to global warming [1]. Most predic-
tions suggest that shipping volumes (and, therefore, emissions)
are expected to increase in the foreseeable future [1]. On the other
hand, it has been shown that for achieving the 2 °C climate goal
shipping should reduce its CO2 emissions by more than 80% by
2050 compared to 2010 levels [2].
International regulations, such as the revised version of the
International Convention for the Prevention of Pollution from Ships
(MARPOL) [3], have started to put limits on ship emissions. Even
further efforts are expected to be required if local regulations will
be implemented. The European Union, for instance, is planning
fairway dues soon might be calculated against the clean shipping
index which includes CO emissions.
2
1.1. Energy efficiency in shipping
Many new practices and technologies are being introduced for
improving energy efficiency in the shipping sector. These measures
are normally subdivided between operational and design.
Operational measures include efforts that do not require the
installation of new equipment on board. Optimal voyage planning
allows maximising the cargo transported while reducing the length
of ballast legs [5], while adapting routes for avoiding conditions of
bad weather can reduce the negative impact of high waves and
strong winds on ship fuel consumption [6,7]; improving trim and
draft setting, together with optimising the schedules and practices
for hull and propeller polishing, lead to reduced ship resistance for
a given speed [8–10]; slow steaming can also dramatically reduce
uArr;
Corresponding author.
E-mail address: Francesco.baldi@chalmers.se (F. Baldi).
http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2016.07.009
0196-8904/Oacute; 2016 Published by Elsevier Ltd.
F. Baldi et al. / Energy Conversion and Management 124 (2016) 344–356
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Nomenclature
Abbreviations
Ncyl
m_
p
P
number of cylinders
mass flow rate (kg/s)
pressure (Pa)
power (kW)
x-th degree polynome
AB
AE
CO2
GB
auxiliary boiler
auxiliary engine
carbon dioxide
gearbox
P (x)
n
HRSG
HT
LHV
LT
heat recovery steam generator
high temperature
lower heating value
low temperature
Q_
heat flow (kW)
volume (m3)
V
Greek symbols
MINLP mixed integer-non linear programming
MARPOL International Convention for the Prevention of Pollution
from Ships
g
gmech,TC turbocharger mechanical efficienc
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摘要
在当今世界，减少燃料消耗和二氧化碳排放的压力日益增进，随着邮轮业的规模和影响力的增长。在这方面，我们需要进一步努力来提高游轮能源系统的能源效率。在本文中，我们提出了一种用于对具有机械，电和热功率需求的隔离系统的发电厂进行建模的通用方法，以及能够满足需求的不同组件的最佳负载分配。
优化问题以混合整数线性规划（MINLP）问题的形式呈现，其中运行的发动机锅炉的数量由整数变量表示，而它们各自的负载由非整数变量表示。使用第一原理模型和多项式回归的组合来对各个组件进行建模，从而形成非线性的系统。
所提出的方法适用于在波罗的海航行的游轮的负荷分配问题，并用于比较现有发电厂中混合动力推进装置的不同。结果显示了以使用提出的方法位基础，来估计混合系统（负载分配是个非平凡问题）的性能，同时还包括对热需求的分析。数据表明，根据参考圆形航行，与现有系统相比，通过安装拟议的系统可以实现高达3％的节省，并且在安装后5年可以实现完成11 kUSD的NPV 系统。
1 介绍
尽管航运业对全球人为二氧化碳排放量的影响较低（截至2012年为2.7％），但未来航运业对全球变暖的影响将面临日益强大的挑战。大多数预测表明，在可预见的未来，航运废气量（也就是排放量）预计将会增加。另一方面已经表明，为达到2°C的气候目标，预计到2050年，相比于二零一零年的水平，运输应将二氧化碳排放量至少要减少80％以上。 “国际防止船舶造成污染公约”（MARPOL）的修订版等国际规则已经开始限制船舶排放。 如果要实施地方法规，预计还需要进一步的努力。例如，欧盟正在规划到2050年实现，前往欧洲的船只二氧化碳的排放量减少40%-50%的目标。在瑞典可能会根据二氧化碳排放的清洁航运指数来计算航道会费。
1.1 运输中的能源效率
正在引进许多新的做法和技术来提高航运部门的能源效率。这些措施通常在操作和设计之间进行细分。解决方案包括尽量不在船上安装新设备，在使用最佳航行规划允许最大化货物运输的同时减少压载支腿的长度，并且选用正确路线避免恶劣天气条件来减少高波浪和强风对船舶燃料消耗的负面影响，改善装配和排风设定，以及优化船体和螺旋桨抛光的时间表等做法。通过降低给定速度来降低船舶阻力的同时慢蒸也可以大大减少燃料费用。货物运输量随速度线性下降，因为发动机的动力需求大体上取决于立方体的速度，所以其优点是显而易见的。然而，改造和设计措施是指物理技术解决方案。 这与系统的各个部件的构成有关，如发动机，螺旋桨和船体。另外的能量源可用于推进（例如，帆和转子）和辅助发电（例如，燃料电池）。能够以不同的方式回收船上的废能，其中包括加热，电力和冷却。
1.2 船舶能源管理面临的挑战
与许多陆基系统不同，船舶可以在许多不同的条件下航行，因此在功率需求上有很大差异。 对于某些特定类型的船只，例如游轮，观察到其中的不同形式（机械，电力，热能）和类似尺寸的能源需求，这是更具挑战性的。在港口时，推进力的机械动力需求几乎为零，而在不同航行条件下，船舶的速度各不相同。热能需求取决于空气和水的外部温度以及船上乘客数量。电力需求也可以随着环境和运行状况的变化而变化。这些条件要求船舶发电厂能够以高效率处理能源需求的各种组合。
历史上，船舶能源系统由相当简单的设置构建成：一个连接到推进器的主机，用于辅助发电的两个（或更多个）辅助发动机和用于船上热发电的锅炉。根据这一设置，三个系统各自满足三个机载电源的需求（用于推进的机械功率，辅助设备的电力和热电力）。然而，在最近几年中，能源效率日益提高的要求促进了对更高集成度的新型电厂的引进。不同类型的混合动力推进系统（即用于产生推进和电力的系统相互连接的系统）在部门中得到应用，因为它们拥有在推进和电力需求方面增加灵活性的性能。这种系统被证明可以节省1-2％的燃料。系统在初期阶段的设计和控制策略的策划中还需要额外的努力，因为在系统的不同部分之间的连接数量的增加，致使高数量的发动机组合来同时加载在不同的负载。在大多数船舶中，发动机可用的废热在很大程度上足以满足船舶对热能的需求，而废热的进一步用途在今天也是常见的研究课题。然而，游轮对热能的需求高于其他类型的船舶。由于系统的不同部件之间的相关相互作用的数量众多，所以在机械，电力和热力发电之间具有较高集成度的系统更为复杂。这种情况使得识别如何操作系统变得更具挑战性，从其燃料消耗的角度来看是最佳的方法。
1.3 目的
在文中，我们提出了一种优化船舶发电厂能量转换器负载配置的方法。细致分析的话，提出的负载优化方法可以应用于所有具有时间依赖性，电和热功率需求的能量系统，从而不再需要外部能量的连接网络。
本文提出的方法适用于游轮能量系统。需要特别注意的是，该方法是建议对现有系统进行改造，其中所有发动机都能够满足机械和电力的需求。所提出的方法适用于处理增加的负载分配的问题，并且因此来评估因为系统改造导致的预期燃料节省的量。
2.methods
本研究中提出的方法旨在适用于今天可用的大多数船舶能源系统。如图1所示的系统配置被当今造船业的标准做法认为是足够普遍的。 因此，系统配置包括：
- 两条推进线：今天船舶上最普遍的系统配置仅涉及一条推进线，这可以看作是图1更一般配置的特殊情况
- 两个主要发动机缸体，每个都由nME发动机组成。
- 两个由nAE发动机组成的辅助发动机缸体，用于配备纯柴油电气系统，配备有两种不同尺寸的发动机
2.1MINLP问题设置
在所有替代系统中，为了满足电力需求，可以采用不止一种可能的发动机运行配置。 然而，对于每个推进/电力对，主和辅助发动机都有一个组合，以最低的燃料消耗满足需求。 这种组合的选择需要优化过程，特别是在混合动力推进系统可用的所有情况下，因为任何发动机可满足任何需求。
优化问题可以视为混合整数非线性规划（MINLP）问题，其中整数变量是每个引擎组中运行
的引擎数，连续变量是每个引擎组的负载。优化发动机组而不是单个发动机的负载的简化是基于以下假设：考虑到组的所有发动机具有相同的尺寸和性能，在相同负载下运行所有发动机是最有效的[39] 。
因此优化问题可以归纳为
如下：
燃料的LHV是海洋重质燃料的LHV，假定等于40.7MJ / kg [40]，而lambda;i和eta;i分别代表第i组发动机/锅炉的负荷和效率。 方程式中的每个质量流量 （6）因此可以被定义为组件块的负载（元素6-18在x中）的函数，以及正在运行的组件块中的元素的数量（元素1-5 in x）的函数。 x的前五个元素表示在每个组中运行的发动机/锅炉的数量（例如，对于第一组主发动机，nME1;对于第一组主机），而从6到18的元件表示每个发动机的负载 /锅炉组按特定需求连接。具体需求。 例如：
表示由第一螺旋桨使用的第一组主发动机产生的机械动力的份额。 因此，对于每组引擎，表示x向量中的以下三个元素：
最后，元件18表示辅助锅炉的负载：
非线性等式条件表示系统能够实现来自两个螺旋桨的机械功率需求的总体和电力需求的要求
非线性不等式条件代表了系统中的每个发动机/锅炉都不会超过其最大负载并低于其最小负载的要求。
最后的不等条件要求发动机的可用废热和锅炉产生的热量之和大于总热量需求
其中来自每个发动机的废热按2.2节所述进行计算。
根据优化问题不同部分的结构，可以以不同的方式解决MINLP问题[41]。 在这种情况下，利用序列二次规划（SQP）算法（SQP模式中内置Matlab？NLP求解器fmincon）解决了NLP编程，解决了优化问题。 作者处理整数变量实现了分支绑定方法[42]。
2.2。 柴油发动机
柴油发动机是根据发动机制造商提供的专用文件提供的信息进行建模的，例如[43,44]为在本文中用作测试用例的船上安装的发动机提供的信息（参见第3.1节） 测试用例的详细描述）。基于来自发动机制造商的数据，使用二次多项式回归来计算主发动机和辅助发动机的柴油发动机的效率。 使用罚款fcorr，ISO用于说明在环境温度，环境压力，冷却水温度和燃料LHV方面，在ISO条件下不运行的发动机[45]。 为了在ISO条件下计算发动机效率所允许的公差保守地考虑额外的1.05的罚款期限[45]。 因此，发动机效率根据公式 （14）：
其中lambda;表示发动机的负载。
来自ME和AE的废热流需要在WHR上进行建模。 然而，如Marty先前所观察到的那样，发动机制造商提供的数值通常不会遵守发动机的能量守恒。 因此，采用以下方法来更新制造商提供的值，以便从发动机获得一致的输出能量流。 该方法也在图2中表示。
从发动机负载开始，通过气缸的气流可以根据公式 （15）：
其中eta;vol表示发动机的容积效率，并按照Hiereth和Prenninger的建议计算[47]; pca表示增压空气压力，并且根据从船上报警系统获得的测量数据的多项式回归计算为发动机负载的函数; Tca表示增压空气温度，其通常由冷却系统控制到大约50-60℃的值; Vcyl，max表示气缸最大体积，neng发动机转速和Ncyl气缸数。
与涡轮机的能量平衡和流动3,5,6的混合器以及分流器和混合器中的质量平衡有关的方程必须同时求解：
其中eta;mech; TC表示涡轮增压器的机械效率，假设等于0.98，Cp,air和Cp,eg，空气和废气的比热分别假定温度恒定在1.02和1.08 kJ / kg。 在公式 （16a）和（16b），假设离开气缸的废气的质量流量比旁路流充分大，因此可以认为混流的比热等于纯废气的比热 从气瓶流出。 方程式的系统 （16a） - （16d），以及等式 （15），需要预先确定四个变量以便解决。 这四个变量的定义取决于每种情况下测量数据的可用性。 本文中提出的具体测试用例的假设将在第3节进一步介绍。
上述过程允许计算发动机中的所有物理流量，并因此计算以废气形式离开并可用于恢复的能量（Q_例如ME）：
其中根据需要避免排气中的硫酸冷凝，假设下限为433K [48]。
海洋发动机通常使用高温（HT）和低温（LT）冷却系统进行冷却。 HT冷却系统的温度范围在70-90℃之间，而LT冷却系统中的温度通常在30和50℃之间。因此，假设仅传递到HT冷却系统的热量可用于回收。
HT冷却系统中可用的热功率的计算是基于发动机上的能量平衡，其中f（k）表示传递到HT冷却系统的剩余热量的分数，并且被计算为多项式回归 从引擎技术文档可以获得的数据。
2.3。 燃油锅炉
船用燃油锅炉的尺寸通常是为了在非常低的负载下提供高性能的。 对于这些类型的系统，因此假定部分负荷效率可以使用Cohen [49]提出的海洋锅炉的效率曲线，使用线性逐步插值（见图3）进行建模：
如果没有更多的设计效率可以假定为90％
具体信息。
2.4。 其他组件
船上所有其他组件都按照以下近似值进行建模：
其中eta;des，k和f corr表示设计点的效率，组件的负载以及表示非设计行为的校正因子。脱离设计行为。
f corr是使用基于[50]的机械部件（齿轮箱）和电气部件（发电机，电机和变频器）的二次多项式近似来计算的。 图4给出了电机和带负载的变速箱效率的演变。 变频器，配电盘和轴的效率假设为负载恒定。 设计条件下所有部件的设计效率见表1
3.测试用例
3.1。 案例说明
案例研究船是在瑞典大陆斯德哥尔摩和Aring;land岛上的玛丽哈姆之间的波罗的海每天巡视的游轮。该船建于2004年，长176.9米，宽28.6米。最多可容纳1800名乘客，并配有餐厅，夜总会和酒吧，以及桑拿浴室和游泳池。典型的船舶作业虽然在不同的日子之间可能略有不同，但在图中也是如此。这艘船离开斯德哥尔摩18号左右，直到达到开放的大海，早晨才到达玛丽安港前一天晚上停了下来。那艘船随后在上午9点左右离开玛丽哈姆，并在下午四点左右返回斯德哥尔摩（见图5）。船舶能量系统总结在图1中。推进系统由两个主发动机，齿轮箱和螺旋桨组成的两条推进线组成（见表2）。主发动机（ME）是四台Wauml;rtsilauml;6L46四冲程柴油发动机，额定功率为5850 kW [43];该船还配备了四台Wauml;rtsilauml;6L32辅助发动机（AE），用于发电，额定功率为2760 kW [44]。每个推进线的所有AE和一个ME还配备有热回收蒸汽发生器（HRSG）;另外还安装了两台辅助锅炉（AB）最后，所有发动机的高温（HT）冷却系统连接到热回收系统，其允许使用这种热量进行住宿加热。所有发动机配备有选择性催化反应器（SCR），用于减少NOx排放。
推进力由连接到两个推进线的ME提供，并且每当船舶航行时都需要。 船上需要辅助动力，用于多种替代功能，从发动机舱的泵到灯，餐馆，通风和娱乐为乘客。 辅助热需求主要由HRSG和HT冷却的热回收来满足; AB主要用于港口或冬季使用。 乘客和船员住宿需要热量，以及用于发动机和锅炉的高粘度重质燃料油的加热。
根据第2.2节提出的方法，主发动机和辅助发动机的效率和余热流量随发动机负荷而变化，如图7和图8所示。
3.2。 板载电力需求
为了将上述方法应用于案例研究船舶，需要提供对推进，辅助动力和辅助热量的船上需求的演变。这是根据从船上监控收集的数据确定的
系统。
- 推进力需求是基于ME的燃料油箱位置和速度的测量来确定的。燃料架位置由专用传感器测量，而引擎速度在轴上光学测量。这两个变量的组合允许估计燃料质量流量，反过来使用与发动机性能相关的技术文件，来确定瞬时螺旋桨功率需求。虽然没有可用的单个测量
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