摘 要

混合动力推进是未来船舶推进系统的发展方向。对于船舶混合动力系统，针对实际的航行工况，选取合适的动力耦合方式有助于同时实现综合能耗和碳排放的优化控制。本文重点研究柴油、天然气、电力推进混合动力船舶的综合能耗和碳排放协同优化算法问题，主要研究工作如下：

（1）分析混合动力技术现状，提出混合动力船舶的主推进动力耦合方案。

（2）确定混合动力发动机综合能耗以及碳排放的评价指标，搭建混合动力发动机综合能耗模型和碳排放计算模型。

（3）确定不同动力形式的约束条件，提出混合动力发动机综合能耗和碳排放协同优化算法，将其用于船舶不同航行工况下动力耦合方案的决策。

（4）针对船舶典型工况，基于混合动力发动机综合能耗模型和碳排放计算模型，应用综合能耗和碳排放协同优化算法，得到适宜的功率流分配方案。

通过上述内容的研究，本文得到以下结论：

（1）等效燃油消耗率可作为混合动力船舶综合能耗的评价指标，发动机单位时间碳排放量可作为碳排放的评价指标。

（2）分类讨论与换元法可用作混合动力船舶综合能耗和碳排放的协同优化。

（3）混合动力船舶在额定工况时，宜采用50%柴油动力、50%天然气动力的功率分配方案。该方案相对纯柴油动力方案，综合能耗降低10%，碳排放减少20%；在80%额定工况时，宜采用86%柴油动力、14%天然气动力的功率分配方案。该方案相对纯柴油动力方案，综合能耗降低15%，碳排放减少30%；在狭窄水道工况时，混合动力船舶宜采用全电力推进方案。综合能耗相对纯柴油动力方案降低5%；所需电力若来自岸电，则视为不产生碳排放，若来自船舶发电机组，则碳排放至少减少5%。

关键词：混合动力发动机；柴油；天然气；电力推动；综合能耗；碳排放；

Abstract

Hybrid propulsion is the development direction of ship propulsion system in the future. For the ship hybrid power system, according to the actual sailing conditions, the selection of the appropriate dynamic coupling mode is helpful to realize the optimal control of comprehensive energy consumption and carbon emission at the same time. This paper focuses on the collaborative optimization algorithm for the comprehensive energy consumption and carbon emission of diesel, natural gas and electric propulsion hybrid ships. The main research work is as follows:

(1) analyze the status quo of hybrid technology and propose the main propulsion coupling scheme of hybrid ships.

(2) determine the comprehensive energy consumption and carbon emission evaluation indexes of hybrid engine, and build the comprehensive energy consumption model and carbon emission calculation model of hybrid engine.

(3) determine the constraint conditions of different power forms, put forward the collaborative optimization algorithm of comprehensive energy consumption and carbon emission of hybrid engine, and apply it to the decision-making of the power coupling scheme under different operating conditions of ships.

(4) based on the comprehensive energy consumption model of hybrid engine and the carbon emission calculation model for the typical working conditions of the ship, the coordinated optimization algorithm of comprehensive energy consumption and carbon emission is applied to obtain an appropriate power flow distribution scheme.

Based on the above research, the following conclusions are drawn:

(1) the equivalent fuel consumption rate can be used as the evaluation index of the comprehensive energy consumption of hybrid ships, and the carbon emissions per unit time of engines can be used as the evaluation index of carbon emissions

(2) classified discussion and substitution method can be used for collaborative optimization of comprehensive energy consumption and carbon emission of hybrid ships;

(3) the power distribution scheme of 50% diesel power and 50% natural gas power should be adopted for hybrid ships at rated working conditions. Compared with the pure diesel power scheme, the comprehensive energy consumption is reduced by 10%, and the carbon emission is reduced by 20%. At 80% rated working condition, the power distribution scheme of 86% diesel power and 14% natural gas power should be adopted. Compared with the pure diesel power scheme, the comprehensive energy consumption is reduced by 15%, and the carbon emission is reduced by 30%. In the narrow channel condition, the hybrid ship should adopt the all-electric propulsion scheme. The comprehensive energy consumption was reduced by 5% compared with the pure diesel power scheme. The electricity required is considered to be carbon-free if it comes from onshore and at least 5 per cent less if it comes from Marine generators.

Keywords: Hybrid engines; Diesel; Natural gas; Electric propulsion; Comprehensive energy consumption; Carbon emissions;

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 船舶混合动力研究现状 3

1.2.1 国外研究现状 3

1.2.2 国内研究现状 4

1.3 船舶发动机混合动力方案 4

1.4 主要研究内容 5

1.5 拟采用的研究方法 5

第二章 油、电、气混合动力系统构建 7

2.1 混合动力系统实现方案 7

2.2 柴油机掺烧天然气系统 9

2.3 电力推进系统 9

2.4 混合动力系统工作模式构想 9

2.5 本章小结 10

第三章 混合动力系统能耗和碳排放模型 11

3.1 混合动力船舶综合能耗模型 11

3.1.1 柴油、天然气的做功能力分析 11

3.1.2 发动机能耗模型假设条件 11

3.1.3 基础机的特性曲线 12

3.1.4 电力推进能耗分析 12

3.1.5 混合动力船舶综合能耗模型 13

3.2 混合动力船舶碳排放模型 14

3.2.1 假设条件 14

3.2.2 二氧化碳排放因子 14

3.2.3 混合动力船舶碳排放模型 15

3.3 本章小结 16

第四章 混合动力发动机能耗和碳排放协同优化算法 17

4.1 混合动力发动机能量约束条件 17

4.1.1 天然气、柴油约束条件 17

4.1.2 电力推进约束条件 19

4.2 船舶典型航行工况 20

4.3 混合动力发动机综合能耗分析 20

4.3.1 狭窄水道工况 20

4.3.2 80%额定工况 20

4.3.3 额定工况 21

4.4 混合动力发动机碳排放分析 22

4.4.1 狭窄水道工况 22

4.4.2 80%额定工况 23

4.4.3 额定工况 24

4.5 综合能耗与碳排放协同优化算法 24

4.6 本章小结 26

第五章 综合能耗与碳排放协同优化算法的潜力预测 27

5.1 典型工况下与柴油动力船舶的能耗对比 27

5.1.1 狭窄水道工况 27

5.1.2 80%额定工况 27

5.1.3 额定工况 28

5.2 典型工况下与柴油动力船舶的碳排放对比 29

5.2.1 狭窄水道工况 29

5.2.2 80%额定工况 30

5.2.3 额定工况 30

5.3 本章小结 31

第六章 总结和展望 32

6.1 全文总结 32

6.2 本文展望 31

参考文献 33

致谢 34

第一章 绪论

1.1 研究背景

近些年，随着石油供应的日趋紧缺和环境污染的日益加剧，国际社会对能源消耗和碳排放给予了越来越多的关注。《国际气候框架公约》和《京都协议书》构建了一个应对气候变化的国际碳排放交易法律体系。国际海事组织于2012年年度会议中表示航运业的二氧化碳排放7.96亿吨，达到全球总排放的2.2%，《船舶行业规范条件》一文中也明确要求船舶企业要建立环境保护和资源节约利用的规章制度，制定能耗限额标准和节能减排措施。所以，节约船舶能耗、降低碳排放是社会走向低碳环保的重中之重。

混合动力发动机是燃料（柴油、天然气）和电能协同提供驱动力的发动机，具有节能减排的优点。当今时代，混合动力发动机在汽车上得到了广泛的运用，美国能源局统计，普通轿车平均油耗12.61L/100km，而混合动力轿车平均油耗只有7.57L/100km，节能减排效果十分显著。同样，混合动力发动机也可以优化船舶的能耗和碳排放。