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基于热经济学原理的船舶主机能量系统优化与船舶能效评价方法研究

作　者: 杨昺崧
导　师: 孙培廷
学　校: 大连海事大学
专　业: 轮机工程
关键词: 能效评价船舶主柴油机能量系统热经济学热经济能效营运指数工程功能分析法
分类号: U664.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着全球变暖和化石能源价格的持续走高,节能减排逐渐被人们所重视。船舶作为水路运输的载体每年都在消耗着巨大的能源,对船舶能效的研究具有重要意义。传统的船舶能效评价方法注重提高船舶的能效,并不很注重船舶营运过程的经济性。本文采用了热经济学方法与传统能效评价方法相结合的方式,并将船舶非营运能耗加入热经济学评价体系,提出了能效与经济性相结合的能效评价方法——船舶热经济学能效评价方法。首先,对传统的能效评价方法(EEDI和EEOI)进行了较为系统的研究,分析了EEDI和EEOI各自的特点。对航速、主机功率、转速、油耗率之间的关系进行了研究,通过实例验证了海军常数法在EEOI计算中的可行性。并利用EEOI万法分析了多用途目标船的能效情况。第二,对目标船的能量系统提出了船舶总能系统的概念,并对目标船主机能量系统分别进行了热平衡分析和(?)平衡分析。结果表明：目标船主机功率的最佳范围在70%～85%；(?)平衡分析法可以反映能量的品质高低,更能反映出能量相互之间转化的本质,在对能量系统的分析、优化中更有优势。第三,研究了目标船主柴油机能量系统的热经济学优化方法。通过采用对称形式的非线性优化问题约束条件的互逆和交换方法,解决了热经济分析中“产品”和“资源”的转换问题；利用拉格朗日乘子理论定义了系统中各部分(?)流、负熵流的影子价格；利用Kuhn-Tucker条件确定了该非线性优化问题具有最优解的充要条件；利用“热经济孤立”理论将整个系统分解为多个相互关联的子系统；并在热经济分析中引入负熵流的概念,解决了系统在被分解为多个子系统后所产生的“组合爆炸”问题。采用以上方法,建立了口标船主柴油机能量系统的热经济优化模型。第四,对目标船主柴油机能量系统及其子系统的热经济模型进行了详细分析,在此基础上,对该系统进行了热经济优化。优化结果表明：热经济优化方法可以有效的反映能量流的热经济特性,并得出系统的热经济优化点；在允许范围内,降低扫气温度并且提高最高燃烧压力,可以有效的提高系统的热经济性。最后,在以上研究的基础上,将热经济方法拓展至船舶的能效评价,结合EEOI评价方法,提出了船舶热经济能效营运指数的评价方法(TEEEOI),并将其应用于目标船能效的热经济评价。结果显示：将船舶的非营运能耗加入到能效评价体系后,评价结果更全面、更准确；船舶非营运能耗受造船国单位GDP能耗、工业单位GDP能耗影响较大,不同国家建造的船舶其非营运能耗有很大不同；TEEEOI方法在评价船舶能效的同时,还兼顾了经济性；TEEEOI的影响因素中,燃油价格、载货种类、造船成本对其的影响依次减小。

全文目录

创新点摘要  5-6
中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-13
第1章绪论  13-25
  1.1 研究背景  13-15
  1.2 船舶能效评价方法的产生与发展  15-19
    1.2.1 新造船能效设计指数  16-18
    1.2.2 船舶能效营运指数  18-19
  1.3 热经济学方法  19-23
    1.3.1 热经济学成本分析  20-21
    1.3.2 热经济学的系统优化方法  21-23
  1.4 本文主要研究工作  23-25
第2章船舶能效评价分析  25-41
  2.1 新造船能效设计指数的综合分析  25-29
    2.1.1 新造船能效设计指数的公式介绍  26-27
    2.1.2 新造船能效设计指数的折减率  27-29
  2.2 船舶能效营运指数的综合分析  29-31
    2.2.1 船舶能效营运指数的适用对象  29-30
    2.2.2 船舶能效营运指数的公式介绍  30-31
  2.3 目标船的能效营运指数分析  31-37
    2.3.1 多用途目标船的基本情况  31-32
    2.3.2 航速、主机功率、转速、油耗量之间的关系  32-37
  2.4 目标船EEOI的计算  37-40
    2.4.1 油耗量的计算  38-39
    2.4.2 EEOI的计算分析  39-40
  2.5 本章小结  40-41
第3章船舶主柴油机能量系统热力学分析  41-53
  3.1 船舶总能系统  41-42
  3.2 船舶主柴油机工作过程分析  42-45
  3.3 船舶主柴油机热平衡分析  45-46
  3.4 船舶主柴油机(?)平衡分析  46-49
  3.5 目标船的热力学分析  49-52
  3.6 本章小结  52-53
第4章船舶主柴油机能量系统的热经济学建模  53-78
  4.1 热经济学基本原理  53-57
    4.1.1 成本方程  53-55
    4.1.2 热经济学优化方法  55-57
  4.2 基于工程功能分析法的热经济学建模方法分析  57-76
    4.2.1 对称的非线性优化问题的约束互逆和交换  57-62
    4.2.2 影子价格-拉格朗日乘子定理  62-67
    4.2.3 系统的热经济性分解  67-76
  4.3 系统的热经济学建模  76-77
  4.4 本章小结  77-78
第5章船舶主柴油机能量系统的热经济学分析及优化  78-96
  5.1 船舶主柴油机能量系统的热经济学分解  78-80
    5.1.1 系统的数学模型  78-79
    5.1.2 系统的热经济学分解  79-80
  5.2 船舶主柴油机能量系统的热经济模型分析  80-86
    5.2.1 各子系统热经济模型  80-82
    5.2.2 独立变量的选择  82-86
    5.2.3 不等式约束  86
  5.3 热经济分解模型内部经济性分析  86-89
    5.3.1 内部经济方程  87-88
    5.3.2 内部经济性的确定  88-89
  5.4 多用途船主柴油机能量系统热经济优化  89-95
    5.4.1 热经济设计优化  89-93
    5.4.2 热经济运行优化  93-95
  5.5 本章小结  95-96
第6章基于热经济学的船舶能效评价方法  96-113
  6.1 船舶非营运能耗分析  96-106
    6.1.1 造船成本的组成  97-98
    6.1.2 船舶非营运能耗估算  98-102
    6.1.3 目标船的能效分析  102-104
    6.1.4 单位GDP能耗变化对EEOI_b的影响  104-106
  6.2 船舶能耗的热经济转换  106-108
  6.3 船舶的热经济学能效营运指数及其影响因素分析  108-112
    6.3.1 船舶的热经济能效营运指数  108-109
    6.3.2 目标船的TEEEOI分析  109-110
    6.3.3 TEEEOI的影响因素分析  110-112
  6.4 本章小结  112-113
第7章结论和展望  113-116
  7.1 本文主要研究结果和结论  113-114
  7.2 展望  114-116
参考文献  116-127
攻读学位期间公开发表论文  127-128
致谢  128-129
作者简介  129

基于热经济学原理的船舶主机能量系统优化与船舶能效评价方法研究

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