CN103790719B - 船舶能效提升控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶能效提升控制系统和控制方法。该控制系统包括传感器和能效控制器。传感器检测船舶所处的环境变量。能效控制器根据检测所得的环境变量控制双燃料主发动机供油供气量及其比例，根据全船的电力需求控制双燃料发电机的供油供气量其比例，以及优化管理与控制轴带发电机和备用双燃料发电机。与现有技术相比，本发明的船舶能效控制系统和控制方法使得船舶能够在复杂多变的环境下保持工作在最小能耗状态，避免了预先设定航道的不确定性，节约了能源，减少了温室气体的排放。同时，提高了电网的稳定性，保证船舶的正常运行。

Description

船舶能效提升控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及船舶领域，尤其涉及船舶能效提升控制系统和控制方法。

背景技术

2011年7月15日签订的国际海洋公约（MARPOL公约）对国际航运通过了旨在减少全球温室气体排放的强制性规定。从此，节约能耗成为船舶设计和应用的一个重要指标。现有技术中的船舶通过使用新能源以及节能装置，以达到节能的目的。例如，双燃料LNG运输船使用双燃料（液化天然气（LNG）/柴油）发动机提供动力，可以降低化石燃料的使用量，减少温室气体的排放。然而，这样的船舶动力系统的能效水平不仅与船舶设备条件和装载情况有关，而且容易受到通航环境的影响。因此，使用双燃料发动机的运输船也会因为环境的改变造成航行方向阻力增加，从而增加燃油的消耗。其他的现有技术包括利用洋流进行航路优化，以降低环境因素的影响。然而，通航环境包括风向、流速、水深等各种水文气象要素，洋流仅仅是这些环境因素的一部分。此外，每一种环境因素都复杂多变。因此，事先设定的航道对降低船舶的耗能的效果并不明显。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种船舶能效提升控制系统和控制方法，以消除或降低环境因素对航船能耗的影响，避免预先设定航道的不确定性，从而达到节约能源的目的。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供了一种船舶能效控制系统，所述船舶控制系统包括：

船舶电网，为船舶提供电能；

双燃料发动机，用于燃烧第一燃料和第二燃料，并给所述船舶的螺旋桨提供动力，其中，所述双燃料发动机的转速由所述第一燃料和所述第二燃料供给量和两者之间的比例决定；以及

与所述双燃料发动机相连的主机遥控器，用于控制提供给所述双燃料发动机的所述第一燃料和第二燃料，

其特征在于，所述船舶控制系统还包括：

多个传感器，用于检测所述船舶所处的环境变量，并用于产生表示所述环境变量的检测信号，其中，所述多个传感器包括水流速度计、风速风向仪、油耗仪和转速扭矩仪，分别用于测量水流速度、风向和风速、油耗量以及所述双燃料发动机的转速和扭矩；

与所述多个传感器和所述主机遥控器相连的能效控制器，用于根据所述检测信号计算所述双燃料发动机在所述环境变量下的最小能耗值，并产生表示与所述最小能耗值相关的转速的第一控制信号，其中，所述主机遥控器根据所述第一控制信号调节所述第一燃料和所述第二燃料的供给量和两者之间的比例，从而使得所述双燃料发动机运行于所述最小能耗值对应的所述转速；

无刷双反馈轴带发电机，用于给所述船舶电网提供电能；

至少一个备用双燃料发电机，燃烧所述第一燃料和所述第二燃料，以产生电能供给所述船舶电网，其中，能效控制器监测所述船舶电网，以测量船舶的电能需求量，此外，所述能效控制器比较所述无刷双反馈轴带发电机的发电量和所述电能需求量，并根据所述比较的结果产生第二控制信号给所述备用双燃料发电机，以调节所述备用双燃料发电机供给所述船舶电网的电能;以及

与所述船舶电网相连的多个负载，其中，所述能效控制器根据所述比较的结果产生第三控制信号控制接入所述船舶电网的所述负载。

并且，所述船舶能效控制系统还可以包括：

与所述船舶电网相连的滤波器，用于滤除电网的谐波；

电压电流互感器，用于监测所述船舶的实时运行参数，所述运行参数包括有功功率、无功功率、视在功率和总谐波畸变率，

其中，所述能效控制器根据所述实时运行参数产生第四控制信号控制所述滤波器滤除所述电网的谐波。

本发明还提供了一种控制船舶能效的方法。所述方法包括以下步骤：

检测所述船舶所处的环境变量并产生表示所述环境变量的检测信号，其中，所述环境变量包括水流速度、风向和风速、油耗量以及双燃料发动机的转速和扭矩，此外，所述双燃料发动机燃烧第一燃料和第二燃料，并给船舶的螺旋桨提供动力，其中，所述双燃料发动机的转速由所述第一燃料和所述第二燃料供给量和两者之间的比例决定；

根据所述检测信号计算所述双燃料发动机在所述环境变量下所需的动力对应的燃料供给量和最小能耗值，并产生表示所述燃料供给量和最小能耗值的第一控制信号；

根据所述第一控制信号调节所述第一燃料和所述第二燃料的供给量和两者之间的比例，从而使得所述双燃料发动机运行于所述最小能耗值对应的所述转速；

监测所述船舶电网，以测量船舶的电能需求量；

比较无刷双反馈轴带发电机的发电量和所述电能需求量，其中，所述无刷双反馈轴带发电机给所述船舶电网提供电能；

根据所述比较的结果产生第二控制信号给至少一个备用双燃料发电机，以调节所述备用双燃料发电机供给所述船舶电网的电能；以及

根据所述比较的结果产生第三控制信号控制接入所述船舶电网的负载。

并且，所述控制船舶的方法还可以包括以下步骤：

监测所述船舶的实时运行参数，所述运行参数包括有功功率、无功功率、视在功率和总谐波畸变率；以及

产生第四控制信号控制所述滤波器滤除所述电网的谐波。

与现有技术相比，本发明的船舶的控制系统和控制方法根据实时监控的环境数据保持工作在当前环境下的最小能耗状态，避免了预先设定航道的不确定性，节约了能源，减少了温室气体的排放。另外，通过无刷双反馈轴带发电机和备用双燃料发电机的搭配使用及合理调节，提高了电网的稳定性，同时，降低了双燃料发电机的能耗，提高船舶能效。此外，通过实时调节接入电网的负载个数，进一步提高了电网的稳定性，保证船舶的正常运行。

附图说明

图1所示为根据本发明的实施例的船舶能效控制系统。

图2所示为根据本发明的实施例的船舶能效控制器的结构示意图。

图3所示为根据本发明的实施例的电压电流互感器和滤波器的结构图。

图4所示为根据本发明的实施例的船舶能效控制系统的工作流程图。

具体实施方式

以下将对本发明的实施例给出详细的说明。尽管本发明将结合一些具体实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的方法、流程、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

图1所示为根据本发明的实施例的船舶能效控制系统100。船舶能效控制系统100包括船舶电网106、传感器组102、船舶能效控制器104、主机模块108。船舶电网106为船舶提供电能。传感器组102检测船舶所处的环境变量，并产生表示这些环境变量的检测信号152。在一个实施例中，传感器组102包括水流速度计、风速风向仪、油耗仪和转速扭矩仪，分别用于测量水流速度、风向和风速、船舶的油耗量以及船舶发动机（例如：主机模块108中的双燃料发动机138）的转速和扭矩。在一个实施例中，每个传感器使用无线网络与船舶能效控制器104互通信息。主机模块108包括双燃料发动机138。双燃料发动机138燃烧第一燃料和第二燃料，并给船舶的螺旋桨116提供动力。值得说明的是，船舶所需的动力的大小与环境因素有关。双燃料发动机138的转速由所述第一燃料和所述第二燃料供给量和两者之间的比例决定。在一个实施例中，第一燃料和第二燃料分别是液化天然气（LNG）和柴油。本领域的技术人员应该知道，本发明的第一燃料和第二燃料也可以是其他燃料，在此不再赘述。主机模块108还包括主机遥控器132、发动机供油装置134和发动机供气装置136。主机遥控器132产生控制信号152和154。发动机供油装置134和发动机供气装置136根据控制信号152和154控制发动机柴油和液化天然气（LNG）的用量，从而调节液化天然气（LNG）和柴油之间的比例，由此，通过控制双燃料发动机138的转速可以调节提供给螺旋桨116的动力和能耗。

船舶能效控制器104与传感器组102和主机遥控器132相连。船舶能效控制器104接收检测信号152，并据此计算双燃料发动机138在当前环境变量下所需的动力对应的燃料供给量和最小能耗值，并产生表示燃料供给量和最小能耗值的第一控制信号156。在一个实施例中，双燃料发动机138的能耗值可由等效油耗值来表示。例如：将液化天然气的使用量转换为产生同等能量的柴油的使用量。由此，等效油耗值等于由天然气用量转换后的柴油使用量和实际柴油使用量的总和。主机遥控器132根据第一控制信号156调节第一燃料和所述第二燃料的供给量和两者之间的比例，从而使得双燃料发动机产生所需的动力并且其转速等于最小能耗值所对应的转速值。举例说明，船舶单位距离的能耗（以下也称作：单位油耗）可以表示为：

$Q_s=K{\left(\frac{J}{1-w}\right)}^2\·\frac{{\left[C_{\mathrm{Ts}}\right]}_A}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{Ds}}}\·g_e\·n^2---\left(1\right)$

其中，Q_s表示主机单位距离能耗，K表示比例系数，J表示实浆进速系数，w表示伴流系数，[C_Ts]_A表示船舶总的阻力系数，g_e表示每小时单位有效功率所消耗的燃油量，n表示主机转速。更具体地讲，复杂的环境因素（包括水流速度，风向和风力大小等）会对船舶的运行产生不同方向和大小的阻力，即影响船舶总的阻力系数[C_Ts]_A。因此，如果阻力系数[C_Ts]_A增加，则需要增加单位主机单位距离油耗，也即增加第一燃料和第二燃料的等效供给量，反之亦然。同时，由式（1）可见，在某一特定通航环境下（即船舶总的阻力系数[C_Ts]_A为某一特定值时），主机单位距离油耗为转速的二次函数。由于两种燃料的单位能耗不一样，所以在保证特定环境下的能源供给的前提下，可以使得能源消耗为该特定通航环境下的最小值。值得说明的是，为说明清楚，公式（1）是根据特定船舶工作模式给出的简化模型，本领域的技术人员应该知道，由于船舶结构和运行方式的不同，船舶的单位能耗也可以由其他公式表示，且不局限于公式（1）。

优点在于，当环境因素发生变化时，船舶能效控制器104可以根据式（1）和环境变量152计算出正常运行所需的燃料供给量以及两种燃料之间的最佳比例，即最佳转速（最佳转速是指在特定环境因素下的最小能耗值对应的发动机转速）两种燃料的用量和比例，并通过第一控制信号156传送给主机遥控器132。主机遥控器132通过调节第一燃料和所述第二燃料之间的比例及供给量来调节双燃料发动机138的转速为最佳转速，从而实现主机运行的最小能耗。与现有技术相比，船舶控制系统100可以根据实时监控的环境数据保持工作在最小能耗状态，避免了预先设定航道的不确定性，节约了能源，减少了温室气体的排放。

船舶控制系统100还包括无刷双反馈轴带发电机110和备用发电机组112和114。无刷双反馈轴带发电机110和备用发电机组112和114都可以给船舶电网提供电能，并且本发明的多个发电机的搭配可以保证电网稳定，提高供电质量。无刷双反馈轴带发电机110可适应宽范围的转速变化。因此，当通航环境变化较大，主机的转速需要作大范围的调整时，无刷双反馈轴带发电机110能保证恒频、恒压供电，由此，可以省去定速装置。

在图1的实施例中，备用发电机组包含两个备用发电机112和114。在其他实施例中，备用发电机组可以是其他数量的备用发电机，例如：1个、3个或4个。由于工作原理类似，这里仅介绍包含两个备用发电机112和114的实施例。备用发电机112包括双燃料发电机146、发电机供油装置142和发电机供气装置144。双燃料发电机146燃烧第一燃料（例如：液化天然气）和第二燃料（例如：柴油）以产生电能。发电机供油装置142和发电机供气装置144分别接收第二控制信号172和174，并根据第二控制信号172和174调节供给双燃料发电机146的第一燃料和第二燃料之间的比例，以调节发电量，控制双燃料发电机146的油耗。同理，备用发电机112包括双燃料发电机166、发电机供油装置162和发电机供气装置164。发电机供油装置162和发电机供气装置164根据第二控制信号176和178调节供给双燃料发电机166的第一燃料和第二燃料之间的比例，以调节发电量，控制双燃料发电机166的能耗。优点在于，船舶能效控制器104监测船舶电网106，以测量船舶的电能需求量。此外，船舶能效控制器104比较无刷双反馈轴带发电机110的发电量和电能需求量，并根据比较的结果产生第二控制信号172-178给备用双燃料发电机112和114，以调节备用双燃料发电机112和114供给船舶电网106的电能。由此，提高了电网106的稳定性，避免由于无刷双反馈轴带发电机110出现故障或非正常停止运行而发生的事故。同时，还降低了双燃料发电机的油耗，提高了船舶能效。

在一个实施例中，船舶控制系统100还包括多个负载120、122和124、滤波器126、非线性负载128和线性负载130。本领域的技术人员应该知道，多个负载并不局限于图1所示的3个，负载还可以是其他个数。滤波器126滤除电网的谐波。滤波器126将在图3中详细描述。优点在于，船舶能效控制器104检测船舶电网106，并产生第三控制信号182，184和186控制负载120-124。例如，当检测的结果表示船舶电网106欠压时，第三控制信号182-186则控制减少接入电网106负载的数量。由此，进一步提高了电网106的稳定性，保证船舶的正常运行。

图2所示为根据本发明的实施例的船舶能效控制器104的结构示意图。在图2的实施例中，船舶能效控制器104包括数据采集模块202、人机显示模块204、数字信号处理模块206和实时报警模块208。结合图1进行描述，数据采集模块202接收检测信号152，采集水流速度、风向和风速、船舶的油耗量以及船舶发动机的转速和扭矩，并把这些参数信息传送给数字信号处理模块206作处理。数字信号处理模块206产生第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号控制主机模块108、多个负载120、122和124以及备用发电机112和114。

如图1所述，船舶控制系统100还包括电压电流互感器118，用于监测船舶的实时运行参数。这些运行参数包括有功功率、无功功率、视在功率和总谐波畸变率。船舶能效控制器104中的数据采集模块202采集这些实时运行参数，传送给数字信号处理模块206。数字信号处理模块206处理这些参数数据，并将处理后的数据传送给人机显示模块204。人机显示模块204显示该实时运行参数。如果所述实时运行参数表示有故障发生，数字信号处理模块206通知实时报警模块208，从而产生报警信号。

图3所示为根据本发明的实施例的电压电流互感器118和滤波器126的结构图。图3中与图1标号相同的元素具有相同的功能。图3详细叙述了船舶能效控制器104控制电压电流互感器118和滤波器126的工作原理。

在一个实施例中，电压电流互感器118包括电压互感器1和电流互感器2。滤波器126包括继电器4、无源滤波器5、继电器6、耦合变压器7、开关纹波滤波器8、有源电力滤波器10，直流电容11、电压传感器12和无功补偿装置15。在运行中，船舶能效控制器104通过电压互感器1和电流互感器2采集电网106的电压和电流，并由此计算电网总谐波畸变率。当检测到电网存在谐波时，则闭合继电器4中的开关，接入无源滤波器5，消除谐波，并进行一定的功率补偿。此外，船舶能效控制器104通过输出控制信号9（例如：脉宽调制（PWM）信号），控制有源滤波器10，可改善整个混合滤波系统的滤波性能和效果，避免无源滤波器5与电网106的电感之间可能发生的串、并联谐振。开关纹波滤波器8是一个LC低通滤波器，可滤除因开关器件高频动作而产生的高频毛刺。耦合变压器7可隔离电气并匹配脉宽调制（PWM）变流器的电压和电流。本发明的滤波器126可以是其他结构，且不局限于图3的实施例。

图4所示为根据本发明的实施例的船舶控制系统100的工作流程图400。图4将结合图1至图3进行描述。在步骤402中，检测船舶所处的环境变量并产生表示所述环境变量的检测信号。在一个实施例中，环境变量包括水流速度、风向和风速、油耗量以及双燃料发动机138的转速和扭矩。双燃料发动机138燃烧第一燃料（例如：液化天然气）和第二燃料（例如：柴油），并给船舶的螺旋桨116提供动力。在步骤404中，根据检测信号计算双燃料发动机138在该环境变量下最小能耗值所对应的转速N，并产生表示转速N的第一控制信号。在步骤406中，监测船舶电网，以测量船舶的电能需求量。

在步骤410中，比较无刷双反馈轴带发电机110的发电量P和电能需求量Q，其中，无刷双反馈轴带发电机110给船舶电网106提供电能。如果发电量P大于电能需求量Q，则进入步骤411。在步骤411中，根据第一控制信号调节第一燃料和第二燃料之间的比例和供给量，从而使得该双燃料发动机运行在转速N。如果发电量P小于电能需求量Q，则进入步骤412，减少接入电网的负载个数。此时，进入步骤413，再次比较发电量P和电能需求量Q。如果发电量P大于电能需求量Q，则进入步骤411，根据第一控制信号调节第一燃料和第二燃料之间的比例和供给量，从而使得该双燃料发动机运行在转速N。如果发电量P仍然小于电能需求量Q，则进入步骤414，产生第二控制信号给至少一个备用双燃料发电机，以调节备用双燃料发动机供给船舶电网的电能。

在步骤415中，检测船舶电网。在步骤416中，根据检测结果产生第四控制信号控制与船舶电网相连的滤波器。

综上所述，本发明的船舶能效控制系统和控制方法根据检测所得的环境变量控制双燃料主发动机供油供气量，根据全船的电力需求控制双燃料发电机的供油供气量，以及优化管理与控制轴带发电机和备用双燃料发电机。与现有技术相比，本发明的船舶能效控制系统和控制方法使得船舶能够在复杂多变的环境下保持工作在最小能耗状态，避免了预先设定航道的不确定性，节约了能源，减少了温室气体的排放。同时，提高了电网的稳定性，保证船舶的正常运行。

上文具体实施方式和附图仅为本发明之常用实施例。显然，在不脱离权利要求书所界定的本发明精神和发明范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露之实施例仅用于说明而非限制，本发明之范围由后附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。

Claims (4)

1.一种船舶能效控制系统，包括：

船舶电网，为船舶提供电能；

双燃料发动机，用于燃烧第一燃料和第二燃料，并给船舶的螺旋桨提供动力，其中，所述双燃料发动机的转速由所述第一燃料和所述第二燃料供给量和两者之间的比例决定；以及

与所述双燃料发动机相连的主机遥控器，用于控制提供给所述双燃料发动机的所述第一燃料和第二燃料，

其特征在于，所述船舶控制系统还包括：

多个传感器，用于检测所述船舶所处的环境变量，并用于产生表示所述环境变量的检测信号，其中，所述多个传感器包括水流速度计、风速风向仪、油耗仪和转速扭矩仪，分别用于测量水流速度、风向和风速、油耗量以及所述双燃料发动机的转速和扭矩；

与所述多个传感器和所述主机遥控器相连的能效控制器，用于根据所述检测信号计算所述双燃料发动机在所述环境变量下的最小能耗值，并产生表示与所述最小能耗值对应的转速的第一控制信号，其中，所述主机遥控器根据所述第一控制信号调节所述第一燃料和所述第二燃料的供给量和两者之间的比例，从而使得所述双燃料发动机运行于所述最小能耗值对应的所述转速；

无刷双反馈轴带发电机，用于给所述船舶电网提供电能；

至少一个备用双燃料发电机，燃烧所述第一燃料和所述第二燃料，以产生电能供给所述船舶电网，其中，能效控制器监测所述船舶电网，以测量船舶的电能需求量，此外，所述能效控制器比较所述无刷双反馈轴带发电机的发电量和所述电能需求量，并根据所述比较的结果产生第二控制信号给所述备用双燃料发电机，以调节所述备用双燃料发电机供给所述船舶电网的电能;以及

与所述船舶电网相连的多个负载，其中，所述能效控制器根据所述比较的结果产生第三控制信号控制接入所述船舶电网的所述负载。

2.根据权利要求1所述的船舶能效控制系统，其特征在于，还包括：

与所述船舶电网相连的滤波器，用于滤除电网的谐波；

电压电流互感器，用于监测所述船舶的实时运行参数，所述运行参数包括有功功率、无功功率、视在功率和总谐波畸变率，

其中，所述能效控制器根据所述实时运行参数产生第四控制信号控制所述滤波器滤除所述电网的谐波。

3.一种船舶能效的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

检测所述船舶所处的环境变量并产生表示所述环境变量的检测信号，其中，所述环境变量包括水流速度、风向和风速、油耗量以及双燃料发动机的转速和扭矩，此外，所述双燃料发动机燃烧第一燃料和第二燃料，并给船舶的螺旋桨提供动力，其中，双燃料发动机的转速由所述第一燃料和所述第二燃料供给量和两者之间的比例决定；

根据所述检测信号计算所述双燃料发动机在所述环境变量下所需的动力对应的燃料供给量和最小能耗值，并产生表示所述燃料供给量和最小能耗值的第一控制信号；

根据所述第一控制信号调节所述第一燃料和所述第二燃料的供给量和两者之间的比例，从而使得所述双燃料发动机运行于所述最小能耗值对应的所述转速；

监测所述船舶电网，以测量船舶的电能需求量；

比较无刷双反馈轴带发电机的发电量和所述电能需求量，其中，所述无刷双反馈轴带发电机给所述船舶电网提供电能；

根据所述比较的结果产生第二控制信号给至少一个备用双燃料发电机，以调节所述备用双燃料发电机供给所述船舶电网的电能；以及

根据所述比较的结果产生第三控制信号控制接入所述船舶电网的负载。

4.根据权利要求3所述的船舶能效的控制方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

监测所述船舶的实时运行参数，所述运行参数包括有功功率、无功功率、视在功率和总谐波畸变率；以及

产生第四控制信号控制滤波器滤除所述船舶电网的谐波，所述滤波器与所述船舶电网相连。