ABB,Deltamarin和VTT模拟和优化船舶能量流动

挑战

提高新旧游轮、集装箱船和其他大型船舶的能源效率

解决方案

使用Si万博1manbetxmulink和Simscape来模拟系统级的船舶能量流量

结果

  • 启用系统级船舶能量优化
  • 确定了成本和节省燃料的设计改进
  • 测试成本降低了数万欧元

“万博1manbetxSimulink和Simscape使我们能够创建一个跨越多个物理领域的复杂能源系统的动态模型。通过模拟这个模型,我们可以看到一个新的能源子系统在建成之前将如何运行,并为客户提供一个准确的投资回报估计。”

Juha Orivuori, ABB
巡航船。由ABB、Deltamarin和VTT建造的模拟器使工程师能够为这样的大型船舶设计和优化能量流。

不断上涨的燃料成本和国际海事组织(IMO)的严格规定引发了对使用更少燃料的更强大的船舶能源系统的需求。

为了帮助满足这一需求,ABB,Deltamarin和芬兰的VTT技术研究中心合作,使用Matlab构建船舶能量流模拟器®,S万博1manbetximulink.®,和simscape™。该模拟器使工程师能够以更少的原型测试,评估和实施新颖的技术,以及根据客户要求和船舶操作配置文件设计和改造优化的能源系统。

“实际上是不可能为今天的船舶原创大能子系统 - 它需要太长而且太昂贵,”ABB的铅开发工程师Juha Orivuori说。“万博1manbetxSimulink和Simscape使我们能够模拟每个子系统作为完整船舶能源系统的一部分,以便我们知道在我们实施之前它将如何工作。”

挑战

增加船舶的货物能力可以减少单位运营成本,但较大的船舶需要更复杂的电厂,具有更复杂的机械,电气,液压和热液压系统。因为这些子系统的行为是相互依存的,所以提高一个子系统的性能可能实际降低整体效率。结果,选择和尺寸的推进,主电源系统,所有助剂以及用于新的和现有船舶的冷却和加热是一个具有挑战性的优化问题。

在过去,工程师使用电子表格来计算组件大小的范围,但它们发现了这种方法的几个缺点。电子表格并不总是在项目中重复使用,同事发现他们难以审查和理解。该方法对于分析各种船舶速度和草稿或风,海水状态和其他操作条件,该方法是不切实际的。电子表格不适合动态分析,并且不能与海上测量的数据进行比较或用于开发控制系统。

要了解和识别不同子系统,Deltamarin,ABB和VTT之间的相互作用,需要使用机械,电气,液压,热,气动和热液部件来模拟完整的船舶能量流。然后,它们需要模拟此多域物理模型以执行系统级优化。

解决方案

来自ABB,Deltamarin和VTT的一支来自ABB,Deltamarin的一支小组,使用Simulink和Simscape建立了船舶能量流模拟器。万博1manbetx在Simulink中工万博1manbetx作,团队创建了一个顶级模型,包括主发动机,柴油发电机,电动交流电流(AC),螺旋桨,冷却水和蒸汽子系统。

该团队使用来自机械、电气、热、气动和液压领域的Simscape块,基于基本原理开发了组件模型。他们使用实际船舶系统的测量数据来设置模型中的参数值,并验证仿真结果。

“基于第一个原则创建模型的一个优点是模型易于理解,”VTT的研究科学家Guangrong Zou说。“即使我们没有测量以完全验证它,我们可以清楚地看到Simscape模型的工作程度如何。”

使用Simscape语言,它们根据那些域定义定义了三个自定义物理域-MirthMID,Steam和电气交流,蒸汽和电气交流,以及新的Simscape组件的内置库,包括具有超过50个组件的新Thermalfluid库。

该团队开发了MATLAB脚本来自动化模型配置和仿真运行。他们还使用MATLAB生成绘图和后期处理仿真结果。

为了满足船舶设计师使用电子表格执行能量平衡方程的需求,该团队建立了一个与模拟器的接口,使设计师能够在微软提供模拟输入和审查模拟输出®Excel®

该组对游轮,集装箱船舶和其他船舶类型进行了建模和执行的能量流模拟,ABB正在使用其板载能量监控和管理(EMMA™)系统来了解现有船舶的效率。

结果

  • 启用系统级船舶能量优化.Deltamarin开发经理Mia Elg表示:“虽然我们可以在电子表格中模拟基本机制,但我们无法在Excel中实现所有目标。S万博1manbetximulink和Simscape使我们能够使用动态操作剖面进行多域模拟和能量平衡计算,并为当前和未来的船舶进行能量优化。”

  • 确定了成本和节省燃料的设计改进.“万博1manbetxSimulink模拟表明,主水冷却泵不是最佳的尺寸或控制,而且单独的设计变更可以将船舶的年燃料消耗降低2.5%,”Elg说。Zou补充道,“这只是机械辅助系统节省的开始:模拟显示三通阀的控制优化导致高达45%的热能恢复。”

  • 测试成本降低了数万欧元.Orivuori说:“当我们在船上测试新系统时,每天的成本可能非常高。”“有了Sim万博1manbetxulink和Simscape,我们可以在虚拟实验室中通过模拟来发现和解决问题,而不需要额外的成本——在船上解决这个问题的成本非常高。”

项目团队

ABB:Juha Orivuori,首席开发工程师,Kalevi Tervo,首席开发工程师

Deltamarin:Mia Elg,开发经理,Su Len Quach,能源和环境效率,概念开发

超薄技术:Kari Tammi,研究教授和研究经理;资深科学家Aki Kinnunen;邹光荣,研究科学家