智能船舶能效数据采集系统研究外文翻译资料

本科生毕业设计（论文）外文翻译

设计（论文）题目： 智能船舶能效数据采集系统研究

2016年2月26日

商船能效的实时监测

摘要：国际海事组织在2005年提出了船舶能效营运指数（EEOI），在2008年提出了船舶能效设计指数（EEDI）来解决排放和管理问题。同样，船舶能效管理计划(SEEMP)和温室气体（GHG）的监控和管理也成为近来的一个议题。这篇论文主要是介绍了能效设计指数监控系统（EDiMS）软件，它能持续的监控从船舶排放出来的二氧化碳，氮氧化物，硫氧化物以及颗粒物的浓度值。船舶精确的二氧化碳排放总量可以从机器工厂试验，轴功率和速度的实时监测等基本的排放结果中获得。此外，储存所有废气排放和机器运行数据的能力也将成为旨在减少船舶排放中的空气污染和船舶能效管理计划总体工作的一个有用工具。

关键词：船舶能效运行指数 废气排放 船舶能效管理计划 航运业

术语

c₀, c₁, c₂, c₃ :燃油消耗，氮氧化物，硫氧化物和颗粒物排放系数

Capacity :船舶自重

C_Fj :燃烧燃油J的燃油-二氧化碳转化系数

C_FME, CF_AE :燃油转化系数

ME :主机

AE :付机

D :一定载重或做功情况下行驶的海里数

FC_ij :航行i海里消耗燃油j的数量

fi, fj, fw :相关系数

i :航行里程数

j :燃油种类

m_cargo :船舶载重或做功（标准集装箱数或者客船的总吨位）

P_eff, P_AEeff, f_eff :创新节能技术

P_ME, P_AE, P_PTI :主机功率，付机功率，输入功率

S_FCME, S_FCAE :燃油消耗率（主机，付机）

V_ref :速度

chi;：最大持续额定功率下的部分负荷率

⒈ 简介

航运业一直在努力致力于减少温室气体的排放来控制温室效应。根据2009温室气体研究团队的结果，在2007年航运业排放的二氧化碳超过了十亿吨，在所有产业二氧化碳的排放中占到了3.3%。从研究结果来看尽管海运作为最有效的交通系统之一，但是温室气体的排放也必须同样的给与最大意义的研究来减少和控制[1]。最近的研究表明减少二氧化碳的排放可以通过安装合适的推进装置，废热回收系统，辅助设备，燃油经济模式，柴油机额定功率控制，能提高有益于海事部门和港口操作效率的减速措施[2]。同样，国际海事组织规定船舶推进系统和新建船舶都应安装现代监控系统，比如船舶能效设计指数和船舶能效运营指数[3]。

此外，信息技术已经被广泛的应用和结合在造船业和航运业[4]。在这个研究中，我们介绍了在商船上使用船舶能效监控系统的能效设计指数方法和它的应用，而船舶能效监控系统是由木浦海事大学为国际海事组织船舶能效设计指数/船舶能效营运指数监控而开发的[5]。

2基于船舶能效监控系统的船舶能效设计指数/船舶能效营运指数监控

船舶能效监控系统科学的论证了使用和管理船舶能源的好处。如图1所示，船舶能效监控系统的新概念设计展现了三个显著的功能。它的主要目的，即持续的对废气排放量和机器运行输出数据进行检测。所有的数据都通过网线或者卫星周期性的传回总部。

振动监测与显示功能（振动监测系统）

振动测量与分析功能（振动测量设备）

数据储存功能和振动趋势管理，由分析结果或后处理得出的柴油机和机器预先性保养计划

图1：船舶能效监控系统的设计理念

图2示出了船舶能效监控系统的四个连接通道：通道1传输机器速度，通道2连接船舶速度指示器，通道3传输轴功率输出，通道4传输原动机燃油流量计电压信号，通道5-8可以设置为电动机输出功率。系统的AD面板采用了由美国国家仪器公司提供得较便宜的八通道A/D转换器NI 9215。使用NI USB CDAQ 9172提供了很大的方便，只需使用USB连接就可以提供主电源。然而，由于温度，压力和其他船舶能效管理的影响，使用超过八通道的监控显得很有必要。这种情况需要额外的底架，以便在上面安装升级到32通道的装置，实现更多EEOI或者EEDI的拓展功能。

实时监测的所有输入信号需要提供10V的电压，监控系统的设置菜单包括供数据储存的采样速度，输入/转速表因数，记录设置和EDiMS设置。

机器转速（转）

航速（节）

轴功率（千瓦）

燃油流量（m³）

发电机功率NO。1-4（千瓦）

数据服务器

数据自动接收，储存

EED(O)I管理的系统控制器

显示单元

机器转速：-rpm EED(O)I(二氧化碳每吨每海里)：-co₂

航速 ：-knot 氮氧化物 : - g/kWh

扭矩 ：-kN.m 硫氧化物 : - g/kWh

轴功率 ：-kW 可吸入颗粒物 : - g/kWh

图2：EDIMS系统和显示单元设置

图3示出了场强测试工具，图4显示了作为EVAMOS一个独立模块的EDiMS系统设置，EEOI和EEDI被分别应用在自动发电机功率菜单的激活和非激活部分。图5示出了EDiMS电脑的显示窗口和排放值。显示屏的右半部分显示了EED(O)I的测量值，包括轴功率，航速，

演示套件

笔记本电脑

显示器

服务器

图3：EDiMS的场测试工具

图4：EDiMS的系统设置

图5：EDiMS原始信号和排放值显示

扭矩，二氧化碳，硫氧化物，氮氧化物和PM值。

EDiMS软件直接使用了由船舶航速转化的电压信号，而没有采用转速计。在这种情况下，计算螺旋桨的滑差系数就必须考虑航线，气候状况和其它因素。因此，EEOI计算公式里面的fw在国际海事组织中仍旧在考量之中，它能通过航海例行工作的试验方法获得。在缺少航速的情况下，假设没有滑移损失，我们可以用螺旋桨的转速和螺距来估计船舶的航速。如果基准值，燃油消耗率和操作裕值假定为零输入，那么根据国际海事组织的规则，就能得到EEDI。然后加上整个航程发电机燃油消耗跟操作裕值得平均增长就能得到EEOI。这个研究基于单个特定的系统而不是两个或更多复杂的系统，EDiMS的程序配置可以进行修改。

EEDI/EEOI公式分别由方程（1）和方程（2）分别给出，同时，方程（3）是船舶能效平均营运指数的公式。

从工厂试验结果得出的燃油消耗，氮氧化物和PM排放值可以直接使用方程（4）进行曲线拟合，另外，原动机的燃油消耗可以用流量计转化过来的电压信号表示，硫氧化物可以用硫分和燃油消耗量表示。

图6是从EDiMS截取出来的负载曲线,屏幕的右边部分显示了EEOI或EEDI监控下轴功率，发电机功率，航速，和燃油消耗量的测量值。局部单元里还有关于硫氧化物，氮氧化物和PM排放的附加监控。这些文件数据可以储存在PC的储存单元，也可以通过邮件传回船公司总部。

图6：EEOI或EEDI的功率消耗显示

3船舶监控

表1列出了船的说明。这个测试是在这条船两个月的环形航行的情况下做的（釜山-高雄-巴拿马运河-釜山）

表1：实验船说明

船	船型	4600TEU集装箱船
	净载	63253吨
	船长	284．23m
	船宽	32.20m
	吃水	13.518m
主机	机型	8RT-flex96CB
	输出功率	45,778 kW at 102 rpm
	燃油消耗	175 g/kWh
辅机	机型	6L28/32H (4sets)
	输出功率	1,750 kW at 720 rpm
	燃油消耗率	190 g/kWh

图7显示了在机器工厂建造实验测试中由曲线拟合的方法计算出来的燃油消耗量。

图7：8RT-flex96CB机器工厂建造实验燃油消耗曲线

氮氧化物和PM排放值也能通过曲线拟合的方法计算。这个函数提供了准确的自动计算和船舶的实际废气量估计，比如实时监控的二氧化碳，氮氧化物，硫氧化物，PM值，它也提供了一年周期废气排放的数据库。虽然实际上已经安装了废气监控仪，但是氮氧化物的测量有一些耐久性问题，复杂的测量过程以及持续监控的困难。因此，基于车间试验测量，燃油硫分，修正计算和操作裕值得出的估计测量提供了精确地温室气体清单。同样，船舶能效管理计划自动数据采集的估计测量描述了操作负荷的减少，也有利于船公司的管理。

图8:实船测试（现代航海家号）

表2：2007目录废气排放因数

排放系数（千克排放值/每吨燃油）

参考指南

排放

图8示出了实测船现代航海家号，隶属于现代商船公司，4600TEU的集装箱船，102转的机器速度下的输出功率为45778KW。图9是功率测量的遥感系统。此外，为了完成实验和在图9上使用扭矩仪或相似的仪器，就必须要符合[6-8]ISO规则和[9]的IMO规则。因此，我们提倡在船的建造早期就应该装备EDiMS。对于航速信号，我们可以利用多普勒效应航速显示仪。主机的燃油消耗通过燃油流量计，而辅机燃油消耗（功率消耗1394.45KW）和载重量（也就是自重的百分之六十五）则使用IMO的EEDI公式。

图9：EEOI监控测试的遥感系统

图10：从高雄港到巴拿马运河的EEOI监控值

图11：从巴拿马运河到釜山港的EEOI值

图10和11分别显示了从高雄港到巴拿马运河和从巴拿马运河到高雄港的EEOI在线监测结果。从高雄港-巴拿马运河的EEOI平均值是18.89而从巴拿马运河-釜山港的EEOI平均值是14.62。在这个研究当中，焦点集中在从高雄港到巴拿马运河这段。图12曲线表示了从高雄港到巴拿马运河的每日油耗，平均177.60g/KWh而图13显示了在同一行程内的平均功率为28441KW。图14-16示出了废气排放值。氮氧化物，硫氧化物和PM的平均排放值分别为16.72g/KWh，8.35g/KWh，1.17g/KWh。

图12：从高雄到巴拿马运河的燃油消耗

图13：从高雄到巴拿马运河消耗的轴功率

此外在这个测试中使用EDiMS测量的数据证实了船舶油耗，功率和废气排放的相关性。比较图11的EEOI和图15的氮氧化物显示EEOI（二氧化碳）值跟氮氧化物最低值相符，从而证明他们之间成反比。

另外，比较图13的燃油消耗和图16的硫氧化物显示燃油消耗的增长导致了硫氧化物的排放峰值增长

在另一方面，图13和图14以及16，示出了整个航程中的轴功率，氮氧化物和PM值。考虑轴功率的最大值，可以认为轴功率的增大会导致氮氧化物和PM值得降低。

图14：从高雄港到巴拿

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