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关键词:火电厂;600MW超临界机组;启动过程;给水流量;高压旁路阀节能
相比于传统的亚临界自然循环锅炉,火电厂的超临界机组在参数特性上就决定了它只能采用直流锅炉,而且在启动过程中也存在相对应特殊性,例如在高低压旁路系统同时参与启动控制设置方面、启动分离器与锅炉疏水回收系统设置方面都相对更加特别。这些技术在确保锅炉安全启动与低负荷经济性运行的同时,也极大程度减小了热量损失,具有很高的经济价值。
对火电厂600MW超临界机组而言,它的锅炉启动流量大小会直接影响到设备整体启动的经济性与安全性。当启动流量越大时,锅炉的给水流经炉膛的受热面重量流速也会相应增大。但从实际的运行状况来看,当锅炉启动流量变小时,其受热面冷却与水动力稳定性则得不到很好保证,所以要基于启动流量原则对设备进行相应的给水流量技术优化,以下给出具体的600MW火电锅炉启动给水流量优化方案设计流程。
(一)启动参数设计
首先对600MW超临界机组的启动参数进行设计。将给水流量设计在21%额定容量范围,在并网后增加到25%。当机组运行负荷达到120MW以上时进一步增加给水流量到180MW,整体增幅为30%为最佳。
燃料量方面在并网前设置为12t/h燃煤发热量,在并网后则要同时启动磨煤机以提升工作效率。最后在风量方面设置为35%额定风量,二高旁开度则要求在并网前设置为10%左右,同时其配置的高压旁路为35%BMCR。
(二)启动方案设计
对该600MW超临界机组优化启动方案设计方面,主要基于启动给水流量进行相应调整。首先本设计采用了前置泵再循环门开度方法对给水流量进行控制,控制范围设定在200~400t/h。然后对给水系统以及锅炉进行冷态冲洗处理,利用邻机冷却再蒸汽的方法来冲转小汽机。在冲洗流程完毕以后,对机组点火看是否满足点火条件,此时要调节给泵汽机转速到500t/h左右,同时搭配21%的额定给水流量,采用分段式方法来提高机组锅炉炉水温度,对锅炉进行热态冲洗。最后基于正常流程为机组发电机并网,再根据实际运行工况变化逐渐增加启动给水流量。
在为机组设计启动给水流量优化时,应该注意锅炉的MFT保护条件,例如给水力量低于500t/h且延时5s的锅炉MFT(Main Fuel Trip,主燃烧跳闸)设计,该设计中数据的高低要根据火电厂的实际设备状况与生产需求而定。所以在为机组锅炉点火前就必须相应遵循该控制逻辑,并在此基础上来考虑启动操作过程中可能存在的各种意外状况。从安全保护角度来讲,要允许600MW机组锅炉拥有15~20s的断水时间,并且适当降低给水流量以便于触发MFT保护值。
总结来看,600MW的启动给水流量优化在一定程度上降低了锅炉冷热态冲洗过程中所存在的热量与工质损失,而且当冲洗水量减少时也同时降低了冲洗压力[1]。
二、火电厂600MW超临界机组的启动过程高压旁路阀节能控制优化方案设计
传统火电厂在亚临界机组生产运行中只给出粗略的燃料投放时间,而且对燃料量的投入定量没有给出较为精确的推荐值,这样导致实际生产中原料消耗浪费过大,对火电厂长期经济效益发展严重不利。所以在启动过程中,要对机组设备的高压旁路开度变化进行平衡,确保工质与热量不会浪费太多,以下给出高压旁路的节能控制优化方案设计流程。
在600MW超临界机组启动过程中,一般来说它在60MW负荷时的燃煤量应该等同于正常运行过程中250MW负荷的燃料总量。如果能够在煤量增补过程中适度调节蒸汽参数以减少用油,就可以实现对机组启动的节能优化。
具体来说该设计应该以高压旁路阀开度为基本标准,并配合磨煤机的点火能量来控制设备总消耗煤量,实现对高压旁路的提前关闭操作,也同时降低超临界机组的启动消耗。它的优化方案为:设置火电厂600MW超临界机组的轻油层与重油层,并同时配备两台磨煤机。第一步启动磨煤机达到点火能量,然后退出轻油层油枪运行,以1t/min的速率向设备加煤。再根据燃烧状况退出第二层重油层油枪运行,此时将两台磨煤机的加煤总量提升到120t/h,且机组设备运行负荷提升到300MW,再对轻油层与重油层启动油枪,并继续增加负荷到600MW。经实践表明,该高压旁路阀节能控制优化可以在21%的额定给水流量基础上满足50t/h以上的燃料量投放需求,它也满足了机组设备在120MW负荷左右关闭高压旁路阀的实际节能方案[2]。
总结:本文简要从环保节能的角度探讨了火电厂600MW机组的节能优化方案,例如启动给水流量优化与高压旁路阀实际节能控制优化。它们都改变了传统启动方式中对机组运行负荷和投放原料的高要求,使节能方案在运行可行性与经济性上都得到了有效改善。
参考文献
[关键词]安全投入; 经济效益;生产可能性边界;隶属度
中图分类号:X936 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)44-0160-03
Study on production possibilities frontier model based method of safety investment optimization
Cheng yue1 Song Shouxin2
(School of Economics and Management, Beijing Jiaotong University)
[Abstract] Safety is productivity. Such problems as the proportion of safety investment, inadequate or excessive amount of safety investment, will affect the economic benefits of safety investment and the normal production operation in the whole enterprise. This paper mainly studies how the production possibility frontier works in the optimization of the safety investment. The paper will study on the quantitative analysis of an engineering project. Safety costs will be divided into two major categories include security equipment cost and safety prevention cost, then build a coordinate system through the safety input distribution fitting boundary curve and the actual economic conditions. And, the Security Investment Possibility Frontier Model will be build. A membership functions will be founded through MATLAB according to the actual economic situation of the enterprise and operation mode, the membership degree are introduced to verify the rationality of safety investment decision-making, to make sure the enterprise safety investment decision was optimized.
[Key words] safety investment; economic benefits; production possibility frontier;
membership degree
引言
长久以来,以人为本都是我国科学发展观的本质和核心,随着我国国民经济的不断发展和人民生活水平不断提高,公民的安全理念发生了变化,对安全生产的关注开始提高,追求人、社会、经济可持续发展成为社会的首要目标,也是共同目标。
我国近年每年职业事故死亡约1.5万人,以第二产业为主的从业人员的10万人死亡率约为8.1,是发达国家的数倍;职业危害也十分严重,每年新发职业病例数均在万例以上,且逐年上升;各类事故造成巨大的经济损失,每年因各类事故造成的经济损失在2000亿元以上。中国安全生产的形势十分严峻,不仅造成了巨大的经济损失,而且在一定程度上影响了社会的稳定发展。
研究表明,我国的企业大量存在着生产事故的严重性与安全生产资源保障、安全投入的显著矛盾,安全投入严重不足,且缺乏科学性。随着国家及社会对安全生产的重视度越来越高,研究企业的安全投入产出规律及安全投入决策方法开始受到各界人士的关注。
1.安全经济学相关理论
1.1 基本概念
安全投入是指一国或企业用于与安全有关的费用总和,安全投入包括安全措施经费投入、个人防护用品投入、职业病预防费用等等[1]。
安全成本是指实现安全所消耗的人力、物力和财力的总和。它是衡量安全活动消耗的重要尺度。安全成本包括实现某一安全功能所能支付的直接和间接的费用。
总的来说,安全投入和安全成本具有密不可分的联系。安全投入是从安全产出的角度来表征安全经济活动,安全成本是从消耗的角度来表征安全经济活动。理论上,企业的任何资源都可以货币化,在实际运作过程中二者的数量关系是相等的。其目的都是为了保证企业的安全生产,本文中安全投入和安全成本并不严格区分。
1.2 安全产出
企业安全产出包括两个方面,减损产出和增值产出,表现在企业安全运营中即为生产责任事故的减少量,以及企业社会形象的提高带来的经济效益。
根据安全投入与产出的关系,安全投入的经济效益有两种具体表现形式,一是用“利益”的概念来表示安全的经济效益,(即“比值法”,安全投资经济效益 = 安全产出量/安全投入量);二是用“利润”的概念来表达安全的经济效益,(即“差值法”,安全投资经济效益 = 安全产出量 ― 安全投入量)。
此外,可以用来近似的表示安全产出的还有效率、安全投入经济效率和效果。
对企业而言,效率是指生产要素的投入与产品的质量和数量之比,即劳动消耗与成果之比。企业管理的目的是以一定的投入获得最大的产出,或以较小投入取得一定的产出。效率的计算公式为:效率=(产出量/投入量)×100%。效率反映了企业或社会资源的投入收益率。[2]
经济效率是指经济系统输出与输入的经济总量之比较。经济效率的计量一般是货币为计量单位。通常用“投入产出比”、“所得与所费之比”或“效果与劳动消耗之比”等来衡量经济效率。
效果是指投入资源的实际产出与期望或应有的产出之间的比较,它反映实际效果相对于计划目标的实现程度,效果=(实际产出量/应有产出量)×100%。
2.企业安全经济效益分析
2.1 安全的经济效益
安全经济学学科中提出了两种安全经济效益分析的方法:
(1)安全投入和产出的差值;
(2)安全投入和产出的比值;
二者都是用安全投入和安全产出来综合反应。
2.2 安全成本分类
1.2节中提到,安全成本是一种企业在实际生产运作过程中的各种资源的消耗。我们认为,安全成本可以货币化,以资金的形式表达。
企业安全成本包括一系列费用支出,根据广义安全成本的定义,我们把安全成本分为保证性安全成本和损失性安全成本。保证性安全成本是指为保证和提高安全生产水平而支出的费用,它包括安全设备费用和安全预防费用;损失性安全成本是指因安全问题影响生产而产生的损失,它包括企业内部损失和企业外部损失。
保证性安全成本包括:
①安全设备费用:安全设备费用是指为了购置安全工程、设施以及监测设备、仪表等支出的费用,其目的就是为了实现一定的安全生产水平而提供基础设施。
②安全预防费用;安全预防费用是指为运营安全工程的设施,进行安全管理和监督,安全培训和教育而支出的费用,其目的是为了防止安全问题的产生,使保证性安全措施发挥应有的效能。
损失性安全成本包括企业内部损失和企业外部损失。其中企业内部损失是指由于安全问题使企业内部引起的停工损失和安全事故本身造成的人员及财产损失;企业外部损失是指因安全问题引起的发生在企业外部的损失和影响。
保证性安全成本和损失性安全成本有着内部联系,即保证性安全成本越高,安全工程、措施、管理防范越完善,安全问题越少,损失性安全成本就会越低;反之,损失性安全成本相应会越高。
3.基于生产可能性边界模型的安全投入方法优化
3.1 生产可能性边界模型
生产可能性边界(production―possibility frontier),下文均简称PPF,用来表示经济社会在既定资源和技术条件下所能生产的各种商品最大数量的组合,反映了资源稀缺性与选择性的经济学特征[3]。常见经济学教材中的生产可能性边界是向上弯曲的,即凸函数,而不是一条直线或凹函数,这是因为通常情况下边际成本递增。企业安全投入的经济规律也符合边际成本递增的规律,因此,可构建安全投入PPF模型。
企业安全投入方法的主体是企业管理者,因此,模型中只涉及前期保证性安全投入,不包含后期损失性安全投入,把保证性安全投入分为两大类,即安全预防费用和安全设备费用,可建立坐标系,如下图3-1。
假设在有限的安全投入下,企业可选择的进行安全投入的方法有很多,可以以任意比例和数额进行安全投资,即出现在曲线周围的不同的数量点,每个区域代表不同的安全投入策略带来的经济效益。因此,安全投入优化方法研究的核心,即采取一定的措施调整安全预防投入和安全设备费用的投入量及二者的投入比例,使得企业安全投入取得的经济效益最大。
3.2 样本的选择
企业安全投入方法的优化,是建立在对往年安全投入资金数量和比例研究的基础之上的,因此构建对企业安全投入有实时指导意义的模型,首先要选择合适的样本进行模型的模拟。
我们按季度将中交第四公路工程局有限公司于2010-2011年在某项目中投入的安全生产费用进行整理归类,提出与安全生产直接相关的前期保证性安全成本,(表3-1)。其中,把完善、改造和维护安全防护、检测、探测设备、设施支出,以及配备应急救援器材、设备和现场作业人员安全防护物品支出归类为安全投入中的安全设备费用,其余与安全检查、安全评价及人员培训相关的项目归类为安全预防费用(表3-2)。
由表3-2可生该项目安全投入费用分布图(左下图3-2),我们可以看出,该公司除了少数几个季度在安全投入方面总数额较高,其余时间段的安全投入数额总数相差无几,安全设备费用在项目开展中后期每个季度基本持平。但在安全预防方面的费用总体呈现上升趋势,隐患排查及人员安全培训等逐步受到重视,安全费用季度总额在减少,经后期总结,损失性安全成本在降低,经济效益在增加。
3.3 企业安全投入可能性模型
企业安全投入可能性模型的构建,需要以企业目前的经济实力及安全投资计划或意愿为基准,模型的构建对象可以是企业整体,也可以是针对企业的某一个具体的生产项目。其中,模型中的各个参数都是可控的,我们还是以中交第四公路工程局有限公司的这一项目为例,构建其安全投入可能性模型。
由图3-1企业安全投入PPF模型的构建思路,首先要明确企业安全投入在坐标系中的大致区域,也就是边界曲线的确定。边界曲线的确定主要受到企业资源的限制,即该企业每个季度能投入的安全费用数额上限,以及每一项费用的最大投入量,我们由该项目在2010-2011年度的安全费用分布图可以首先确定大致区域。
不同企业对安全投入效益或效果的评定标准不一,因此,在模拟边界曲线时,应根据实际需求选取适当的样本数据点。在本文中,很容易看出坐标中的个别散点是无效的,要删去。例如2011年第一个季度中,安全预防费用过低,导致第二个季度要增加费用来保证安全生产。由此,我们可以模拟出企业在该项目中安全投入的PPF模型右上图(图3-3)。
3.4 企业安全投入的隶属度
企业安全投入可能性边界模型对企业进行安全投入决策的优化,可以借助隶属度函数来实现。
隶属度是指某个元素X或者(X, Y)属于集合ε的测度或程度,在本文中,集合ε即为模型中PPF边界曲线与坐标轴构成的区域,任意一种组合的安全投入决策都可视为一个元素,其测度即可表示该决策的合理性。在综合考虑企业可用于安全投入资源的前提下,确定其最合理的安全投入效益可能性曲线,那么,构造合适的隶属度函数,就可以分析出新一轮的安全投入决策对于相对最优投入的隶属度。
在MATLAB软件中建立模糊推理系统,由Fuzzy()函数打开模糊推理系统的程序,编辑相应语句构造模糊推理系统原型,根据实际情况选择合适的参数,即可输出变量隶属度函数,求得安全投入决策的隶属度,对企业进行安全投入具有指导和优化意义。
4. 总结
1)本文主要研究了经济学中的生产可能性边界在安全投入方法的优化中的应用。文章以中交第四公路工程局有限公司的一个工程项目为案例为依托,整理项目费用明细,将安全费用分为安全设备费用和安全预防费用两大类来构建坐标系,最终构建安全投入可能性边界模型。最后,以期根据企业的实际经济情况与运作模式,构建合适的隶属度函数,引入隶属度来验证安全投入决策的合理性,优化安全投入决策。
2)由于文章研究内容以构建模型为主体,构建隶属度函数部分的描述相对薄弱。
3)因笔者专业知识、以及可查阅的资料有限,文章在研究的广度和深度方面都还存在很多的不足,恳请指正。
致 谢
衷心地感谢在论文写作过程中给予我帮助的老师和同学,特别是在我提出想法的时候给予鼓励的安全经济学任课老师!
参考文献
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1.1暖通空调节能设计误区
暖通空调的设计在以往大多比较重视功能的设计,而对节能容易忽视,尤其是对于节能的设计和考虑,通常只满足与系统设计的规范,满足系统设计的限定性要求。这种被动式适应空调系统设计规范和标准,没有很好地转换角度,去主动发挥暖通空调系统设计节能目标。因此,在暖通空调节能设计的过程中,要改变设计的误区,主动重视空调系统的设计功能和节能,强化节能设计理念,提高暖通空调节能设计要求。例如,某地建筑项目,重视空调节能设计,在工程项目实际设计过程中,重点对节能目标进行分析,最终节能效果原先节能方案,比原方案节能至少39.5%。
1.2暖通空调系统设计中的合规节能问题
在暖通空调系统设计的过程中,一些设计专家一般情况下,不会主动地在满足限定性节能要求的同时,进一步深挖节能潜力,而是认为,只要满足节能设计标准能效限定性要求的相关设计即可,将合规节能认为就是充分节能。这种问题在实际的节能效果上,如果稍加改进和优化,就能取得比较好的节能效果。因此,从暖通空调设计的具体角度来说,合规节能的同时,应加强进一步优化措施,从而实现充分节能的目的。例如,某暖通空调系统是一种温湿度独立调节系统,其显热处理子系统的设计,满足了国家有关节能标准,达到相应的参数规定。但是,经过优化系统改进以后,还能提高节能效果,而且达到原本节能的30%。其节能情况分析如下图:右图为案例中暖通空调温湿度独立调节系统的设计形式,在实际设计的过程中,系统耗能满足国家相关建筑节能的标准,其风机消耗功率达到50W,冷量在1000kW,采用的是水冷螺杆冷水机组。在经过改进后,系统采用的是高效高温冷水机组,且利用循环系统,使得原先设计方案的总能耗降低不少。这种改进后的系统也比较简单。因此,在空调系统设计的过程中,要针对具体的节能设计问题,充分提高节能意识,满足系统的整体优化和节能。
2提高暖通空调系统节能,重视节能设计方法
暖通空调系统要实现更高水平的节能效果,就要重视节能设计方法。具体来说,应按照节能的目标,找到比较节能的具体方案。在不设定节能目标值的设计方法,主要是由几个阶段组成,这种设计方法需要进行不同技术方案进行对比,在实际的额定工况进行分析和比较,计算较为简单。若设定节能目标值,可利用能源消耗数值进行表达,比如工程能耗供冷供热量能耗的数值等。其设计的方法实质上为多种方案的能耗对比,这种能耗主要是以节能目标值来体现和表达的。如果筛选的方案不是唯一情况,就要结合多种因素进行分析和评价节能方案。在实际情况下,应注意季节工况比较,这种设计方法中,其计算比较复杂。暖通空调系统设计应重视节能目标,同时对设计参数进行优化。这样,能够有效改变以往的取值思维模式,形成多组取值进行对比。可以采用有限样本比对法,这种设计方法的特点就是根据工程的设计要求来看比较简单,而缺点就是不能从理论上得出最佳参数值。重视节能目标,对空调系统设计进行优化,设计参数的方法还可以采用极值法,运用这种方法的特点在于能够从理论上得出最佳设计参数,但是,获取暖通空调系统中的能效函数却比较难。极值法主要是以技术合理作为系统设计的前提,然后选取合理的取值区间参数,建立系统设计参数中的能效函数,再建立系统能效计算模型,最后解出能效极值点对应的设计参数。此外,在暖通空调系统设计过程中,应增强节能意识,在设计中抓住系统设计的经济性和耗能性。从节能角度分析和选择设计方案。还要考虑到暖通空调的节能效果,进行科学设计计算,要改善建筑工程的围护结构保温,由于围护结构保温性能对其综合传热系数影响较大,并决定了围护结构中的空调负荷大小。因此,需要重视围护结构,不断提高围护结构的保温性能,最终达到暖通空调系统的节能目标。
3结语
关键词:电厂热动系统节能优化措施
中图分类号:F407文献标识码: A
前言
随着我国经济的不断发展,能源危机己经成为了社会发展的主要阻力。电厂热动系统的节能优化在解决能源危机问题中有着极其重要的作用。电厂节能主要是通过优化节能方案,降低生产成本,提高经济效益来实现的。不仅能够满足的社会需要,而且能够取得最大程度的社会效益和经济效益。
1电厂热动系统节能优化概述
电厂热动系统节能优化是以整个电厂为优化对象,通过对相关系统优化进行技能措施的确定。设计人员应该从系统的各个角度进行分析,并且尽最大可能的将节能效果落实到最优化。
电厂热动节能优化在实施之前首先要拟定相应计划,制定多套节能方案,然后通过全面的分析和对比,从中找到不同方案的优缺点,然后汲取相应净化寻找最优化节能方案。方案的优化和设计应该从热动系统的技术资料和相关数据入手,设计阶段就应该以“经济节能”为最终的设计原则,最终达到节能减排,可持续发展的目的。
2电厂热动系统节能发展方向
电厂热动系统节能应该与社会大环境和科技发展相适应,节能优化不仅能够体现可持续发展的理念,而且能够降低生产成本,起到保护环境的目的,并且能够将新兴的技术和工艺应用到实际生产过程中。
2.1可持续发展和“以人为本”是节能优化的基础原则电厂热动系统的节能措施实际应用到成产过程中,不仅要节约资源,降低成本,而且要协调各因素之间的关系,找到环境和经济的“黄金分割点”,实现可持续发展,做到“以人为本”,为电厂发展和环境保护提供基础保证。“以人为本”并不只是简单的政策,而是应该落实到电厂发展的战略,所以电厂热动系统节能优化的基本原则就是“以人为本”。
2.2节约资源,降低成本投入
当前我国主流能源己经面临着枯竭的状况,比如石油和天然气的日益减少己经成为了能源危机的根源。主流一次能源的减少导致电厂成本增加。电厂热动系统节能优化可以有效提高电厂工作效率,降低生产成本。资金投入的减少是为了进一步减少优化资金投入,全面提升经济效益和社会效益。
2.3保护环境,推广新兴科学技术
环境保护是我国电厂生产需要面临的一大难题,电厂电能生产会产生大量污染物,比如废水、废气、废渣等“三废污染”。这些污染不仅会降低企业声誉,而且会影响居民的身体健康。节能优化的目的是节能,不能以环境污染为代价,所以节能优化应该是一种“绿色优化”。电厂热动系统节能优化要依靠先进的科学技术,采用新的工艺技术。新的技术和工艺不仅能够取得最大限度的经济效益,而且有助于电厂的长远发展,同时为技术发展提供资金支持。
3电厂热动系统节能优化节能措施
当前我国己经有了一整套系统的电厂热动系统节能优化方案,本文将从母管给水系统优化、锅炉余热回收、化学补给水、蒸汽系统等方面进行全面的分析和总结。
3.1母管给水系统优化措施
母管给水系统优化应该对给水总量进行优化和合理调度,同时采用动态数学模型进行分析,将技术和模型融合在一起,实现预测和分析功能。母管给水系统要在计算和分析的基础上提供节能管理的依据,比如实行间歇式时间段供水策略,同时提高电厂整体经济和社会效益。
3.2锅炉系统余热回收优化措施
锅炉系统余热回收主要包括两个方面:余热回收和排污水回收。发电厂在生产电能的过程中,排烟唯独极高,有可能达到200摄氏度左右。热力系统应该充分利用系统产生的余热,比如合理改造相关系统器件,将余热重新回收利用,进而降低温度热量流失。节能器作为一种特殊热交换装置能够充分利用系统余热。此外,低压省煤器可以通过相互之间的并串联结构达到节能效果。锅炉排污水余热回收应该采用多级别排污系统,回收二次蒸汽热量。系统排污热量应该被充分利用,通常采用连续排污器进行回收利用。必要的情况下,可以再连接冷却器,最大限度提升利用效率。
3.3化学补给水系统优化措施
化学补充水系统的通过装配抽凝式机组来进行节能措施的实施,通常采用补水方式有:打入除器和打入凝汽器,前者可以实现除氧功能,后者可以加快气体凝结,同时改善系统整体工作情况,减少能量散失,提高装置的经济性能和节能效果。高效的节能系统能够合理利用化学水回收,用过节能措施重复利用系统能源。
3.4蒸汽系统优化措施
电厂热动系统的整齐系统改造可以充分利用冷凝液余热,实现大量低压蒸汽节能,并并且合理利用蒸汽产生的余热提高能源利用效率。供热蒸汽过度经常采用喷水降温的方式进行,但是这种方法不可避免的会出现能源浪费。电厂可以通过特殊装置不断将热量重新利用,达到节约能源的目的。提高能源利用率的基础上,最终达到多发电低投入的效果。热动系统可以采用新型的检测方式来进行远程和实时的能源控制。系统改造过程中可以不对主流设备进行改造,但是要通过合理调整切换和控制方式挖掘节能途径。
4结论
电厂热动系统节能具有极大潜力,并且可以有效降低成本投入,提高经济利润,调整产业结构,从宏观到微观整体实现节能优化。
参考文献:
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关键词:船舶能效 船型 因素分析
船舶作为交通运输中重要的水上载运工具,承担着国内和国际间贸易运输,每年消耗大量燃油。提高船舶能效,降低能源消耗势在必行。本文从航速、船型、动力和推进系统及节能附体装置四个方面,分析了影响船舶能效提高的因素,对船型节能优化方案进行了讨论。
1.航速
船舶的航行速度,受到的影响因素较多。考虑主要的因素,获得节能航速。船舶每年预期的运输货物量和燃料消耗量,两个变量一定的情况下,通过指标分析,如必要运费率的计算(RFR)分析,可以得到船舶的节能航速。在进行RFR分析时,选取的参数包括满足货物运输需求船舶的装载量,初始投资成本和运营成本,优化目标结果是节能航速。
2.船型
船舶的能效与船型形状是密切相关的。单从船型大小判断能耗的高低存在偏差。对于每吨公里油耗指标,在均为满载的情况下,航行过程中大吨位船舶往往比小吨位船舶节省油耗。然后如果船舶空载出港,巨型船舶航行过程中的燃油消耗会更高。因此需要考虑船型形状对船舶能效的影响。对于新建船舶,可以通过优化船体水下形状提高船舶的能效。在船体初步选型过程中,通过系统性的优化过程,可以同时降低船体阻力并改善船舶推进效率。由于优化的过程是一个螺旋上升的过程,因此很难确定船舶进行“优化”过程后的结果。通常需要在实际情况下进行试验,证实提供了最佳的优化结果。船舶的试航试验中,一般选取的环境条件是在船坞内或静水或遮蔽水域。对于船型的优化同样需要考虑到船舶在波浪中的性能,该性能对于不同类型的船舶会有明显的不同。船舶外部环境优化的结果需要能够同时满足风和波浪共同作用。
船型形状受到各种约束的影响。在船体初步选型过程中,往往受港口、运河的限制,约束提高船舶能效的可选设计方案。始发、挂靠和目地港口的泊位尺寸,航道运河的水深和转弯半径,碍航设施中的跨江大桥距离静水面的高度,船闸闸室尺寸和升船机船箱尺寸,对船型的关键设计参数,包括吃水,船宽和船长等主尺度参数的选取有很大的限制,进而约束船型的形状。同时满足以上条件和规范的设计是一个高度复杂的任务。然而在该阶段的所做的选择,往往对船舶能效的影响非常大。
3.动力和推进系统
提升船舶动力和推进系统的效率,采用的方法包括使用低速柴油机,更换旧齿轮,或使用新型发动机。更换使用新的发动机,通常船舶的能效效果会有较大的提升,采取这种做法通常是为了满足国际海事组织对NOX排放的限制标准。然而由于购买新型发动机设备需要昂贵的费用,同时安装更换旧齿轮时的复杂操作,该方法的应用面并不广泛。
除了更换现有设备之外,还包括增添新的船舶节能设备。通过使用发动机废热回收系统,吸收废气中的热能和动能,推动发电机生成电力驱动辅机的运转。使用废气回收系统同样可以获得轴系效率的大幅度提升。未来废热回收系统可能会使用流体代替气体,这样会压缩节能系统的体积,从而产生更高的效率。
对于船舶的推进系统,可以采用特殊的布置方式,优化螺旋桨的使用效率,或者变换辅机的数量和尺寸。采用电力推进系统,可以产生节能效果。然而电力推进会产生额外的能量传递损失,在获得节能之前需要首先控制能量损失。采用电力推进会带来其他方面的益处,例如增加船型可采用方案的灵活性,同样会间接的提高船舶能效。
使用转速低大直径螺旋桨,可以获得较高的推进效率。理想情况下,螺旋浆叶片的数量越少越好,面积越小越好,这样可以减少作用在叶片上的摩擦力。然而在船体初步选型过程中螺旋桨的尺寸受到船舶航行区域吃水和发动机扭矩的限制,通常无法达到理想状况。
4.节能附体装置
通常情况下,提高船舶推进效率达到提高船舶能效的效果,可以通过使用节能附体装置,如高效舵、导管桨、鱼鳍、不对称舵、对转螺旋桨等。这类装置的原理是回收螺旋桨旋转后的能量,达到减少船舶推进系统消耗的能量。在某种类型的船舶上,使用该类附体装置能达到节能效果,不是意味着在另一种船型上也会取得类似的效果。因此该类节能附体装置通常不具有通用性。由于该类设备购高额费用,使用中的可靠性等因素,同时并不是所有类型的船舶都适合使用这些装置,使得该类附体装置并没有得到广泛的应用。
5.讨论
从最初的船舶选型对船舶进行节能优化,可以选择三种方案:第一种,选用船厂已经建造过的现有的优化后的标准船舶;第二种,修正已有的船型确保满足运输货物的装载要求;再或者,开发新船型。
第一种方案选用船厂标准船型,船舶的船型已定,因此考虑到船舶在航行过程中影响船舶性能的变量因素较少,尤其是与船舶航行过程中的节能因素有关的船舶水动力性能。由于船舶的水动力性能主要与船舶的水下形状和航速有关,然而船型已定,无法完全考虑到这些条件。虽然船舶建造和设计费用花费较少,但获得的节能效果是有限的。
第二种方案,修正已有的船型,对船体型线进行优化,包括对船体首部形状进行优化和对船体尾部形状进行优化。
第三种方案,开发新型高能效船舶。这种情况下,船东需要做出判断,在船舶运营过程中节省燃料的收益,是否能够快速收回前期投入大量的设计和建造新船的费用,根据判断结果做出选择。
6.结语
按照交通运输部颁发的《老旧运输船舶管理规定》,海船和河船的船舶强制报废船龄在二十五年以上。船舶寿命在二十五年以上,如果在船舶营运期间有买卖或期租等交易行为发生时,船舶的航行航线会发生变化,运输任务发生变化,由此而产生船舶航行外部环境也会发生明显的变化。即使没有发生船舶所有权变更,由于经济贸易的变化产生货物运输需求的变化,也会对船舶航行航线产生影响,进而改变船舶航行的外部环境。