冷藏集裝箱功率平衡優(yōu)化分析

鄧淑敏 肖金超 劉繼海 張雷

摘 要：本文基于MATLAB對裝載數(shù)量為600FEU、1000FEU和1500FEU的冷藏集裝箱船在自然情況下的冷藏箱制冷總功率變化情況進(jìn)行模擬，通過分析其制冷總功率的最大峰值、最小谷值、最大峰谷差值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，闡述了功率平衡優(yōu)化在降低船舶電站裝機(jī)容量或增加冷藏集裝箱的裝載數(shù)量方面的應(yīng)用前景和價(jià)值。

關(guān)鍵詞：冷藏集裝箱船；MATLAB；功率平衡

中圖分類號：U674.14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： This paper simulates the actual power change of the 600FEU， 1000FEU， and 1500FEU reefer container ships under natural conditions based on MATLAB. By analyzing the maximum peak value， minimum valley value， maximum peak-to-valley difference， average value and standard deviation of the total power， this paper describes the potential application prospects of power balancing optimization in reducing the capacity of ship power stations or increasing the number of reefer containers.

Key words： Reefer container ship； MATLAB； Power balancing

1 前言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和全球化水平的提高，冷藏貨物運(yùn)輸量逐年增加，冷藏集裝箱的使用也越來越廣泛。據(jù)德魯里航運(yùn)咨詢公司預(yù)測，未來全球冷藏集裝箱運(yùn)量年均增長率將達(dá)到4.5%，幾乎是普通干貨集裝箱運(yùn)量年均增長率的2倍，使得冷藏集裝箱船的市場占比也呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。

在船舶電站設(shè)計(jì)中，船舶電站的總?cè)萘亢桶l(fā)電機(jī)組的數(shù)量和單機(jī)功率，是根據(jù)船舶最大功率工況下所需的總功率值來確定的。航運(yùn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)前主流的電站設(shè)計(jì)與使用長期處于不飽和狀態(tài)，導(dǎo)致船上電力系統(tǒng)安全冗余量很大，使系統(tǒng)造價(jià)遠(yuǎn)高于實(shí)際需求。另外，發(fā)電機(jī)組長期低負(fù)荷率運(yùn)行，使發(fā)電機(jī)組油耗效率降低[1]。

現(xiàn)有冷藏集裝箱船對集裝箱的控制相互獨(dú)立，船上缺乏對冷藏集裝箱的統(tǒng)一管理，導(dǎo)致其負(fù)載功率變化隨機(jī)性大，可能出現(xiàn)的頻繁峰-谷變化也會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組難以長時間以合適的負(fù)荷率經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，影響發(fā)電機(jī)組使用壽命和造成船舶營運(yùn)成本增加[2]。因此，如何實(shí)現(xiàn)船舶電站功率經(jīng)濟(jì)選型、降低船舶建造和使用成本，已成為國際冷藏運(yùn)輸界的重大研究課題[1]。

本文基于MATLAB對冷藏集裝箱自然情況下使用期間內(nèi)的總制冷功率變化情況作仿真，并分析其功率平衡優(yōu)化方面的應(yīng)用前景。

2 自然情況下冷藏集裝箱控制仿真

2.1 模型建立

參照文獻(xiàn)[2]中的技術(shù)說明和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，本文用以下公式表示冷藏集裝箱的各項(xiàng)參數(shù)：

（1）冷藏集裝箱運(yùn)行狀態(tài)

（3）冷藏集裝箱功耗

根據(jù)文獻(xiàn)[3]的描述，冷藏集裝箱的實(shí)際功耗由箱內(nèi)外溫差值和它所處的運(yùn)行狀態(tài)決定。

2.2 MATLAB仿真

基于以上自然情況下的冷藏集裝箱運(yùn)行狀態(tài)、溫度變化過程、功耗模型，以表1中數(shù)據(jù)作為算例，在MATLAB環(huán)境下分別模擬600FEU、1 000FEU、及1500FEU冷藏箱在100 h內(nèi)的總制冷功率變化情況，最終得出600FEU、1 000FEU、1 500FEU冷藏集裝箱在自然情況下的總制冷功率變化情況，如圖1、圖2、圖3所示。

2.3 結(jié)果分析

從圖1、圖2、圖3可以看出，冷藏集裝箱的總制冷功率存在頻繁的峰谷變化，曲線波動大；由表2可以看出，總制冷功率的最大峰值和最小谷值相差了1.15倍左右。同時，隨著冷藏集裝箱船裝箱數(shù)的增加，冷藏集裝箱總制冷功率的最大峰值、最小谷值、最大峰谷差值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差都隨之增大。

因此，對冷藏集裝箱進(jìn)行功率平衡優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)功率“削峰填谷”，在降低船舶電站裝機(jī)容量或增加冷藏集裝箱的裝載數(shù)量方面有著巨大的應(yīng)用前景和價(jià)值。

3 功率平衡優(yōu)化前景

參考廣州文沖船廠有限責(zé)任公司建造的1 700TEU集裝箱船電站設(shè)計(jì)的冷藏箱使用系數(shù)的設(shè)計(jì)方法，對600FEU、1 000FEU、1 500FEU的冷藏集裝箱船的冷藏集裝箱使用系數(shù)分別取0.9、0.85、0.8，單個冷藏集裝箱的額定功率為7.5 kW。

由表3可以看出，目前電站的功率配套存在較大的裕度，對冷藏集裝箱進(jìn)行功率平衡優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)電站功率“削峰填谷”，可減小船舶電站的裝機(jī)容量。對于600FEU、1 000FEU、1 500FEU的冷藏集裝箱船來說，可分別減小752 kW、1 201 kW、1 670 kW的裝機(jī)容量。

同樣，由表3可以看出，對冷藏集裝箱進(jìn)行功率平衡優(yōu)化，可以在同樣的船舶電站設(shè)計(jì)容量下，增加冷藏集裝箱的裝載數(shù)量。對于600FEU、1 000FEU、1500FEU的冷藏集裝箱船而言，以冷藏集裝箱額定功率為7.5 kW計(jì)算，功率平衡優(yōu)化后，冷藏集裝箱的裝載量至少可增加100FEU、160FEU、222FEU，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4 結(jié)語

本文對冷藏集裝箱在自然情況下的總制冷功率變化進(jìn)行仿真分析，通過選取合理的冷藏集裝箱的總制冷功率平衡優(yōu)化目標(biāo)值，闡述了冷藏集裝箱在功率平衡優(yōu)化方面的應(yīng)用前景和價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]李東. 船舶冷藏集裝箱綜合節(jié)能技術(shù)研究[D].上海海事大學(xué)， 2007.

[2]陸毅華，周曉瑩. 冷藏集裝箱功率平衡系統(tǒng)研究[J].廣東造船， 2017.

[3] HAN M P， FRANK B. 船舶工程技術(shù)手冊[M].王平庚譯. 上海交通大學(xué) 出版社， 2014.

[4]單海校， 張華. 船舶電站及其自動化[M]. 海洋出版社， 2016.