船舶真实油耗在线监测系统设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1目的及意义

1.1选题的目的及意义

船舶燃油消耗是航运企业最主要成本之一，船东及租船人对燃油费用一直都很关注。由于船舶航行在世界各地，船东无法对船上燃油进行有效监管。长期以来船员利用在船任职的便利，将船用燃油出售获利的案件屡见报端。而现实中，有很多船东遇到不法船员偷油时，苦于难以搜集证据，很难有效追回或者避免损失。因此，油耗测量数据真实性就有很大的研究价值。

同时，船舶油耗值是船舶营运能效指数计算的重要数据基础。船舶能效营运指数（energy efficiency operational indicator，EEOI）是国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）推出的衡量船舶能效的标准。2011年，IMO要求使用EEOI来评价船舶能效管理的实施情况，旨在通过船舶的最佳管理和操作来实现船舶的节能减排^[1,2]。EEOI主要与总耗油量（FC_j）、选用燃料的含碳量（C_Fj）、所载货物重量（m_cargo），以及航行距离(D)有关。EEOI值越小，表明船舶的能效越高。对于航线和航次都确定的船舶而言，C_Fj，m_cargo和D是相对固定的。而船舶燃油消耗量FC_j主要包括了船舶主机、辅机、锅炉的油耗量。据统计，船舶主机的油耗占船舶总油耗的70%～90%^[3]，FC_j值可近似等于主机的油耗值。因此，对于航线和航次都确定的船舶而言，可近似认为，EEOI值主要与主机油耗相关^[4]。船舶油耗数据的研究是船舶营运能效评价和提升研究的基础^[5]，这对油耗测量的精确性提出了更高的要求。

油耗数据的准确测量不仅可以防止船员偷、盗油，同时也是船舶船舶营运能效值准确计算的基础。因此，设计出一个真实又精确的油耗测量系统对加强船舶管理，促进节能减排有重要意义。

1.2国内外的研究现状分析

1.2.1油耗测量原理

对于柴油机油耗的测量，台架实验时通常采用定容积法和定重量法。一般来说，实船测试和台架实验由于环境和测试条件的差异，它们在进行测试时的特点和要求有很大差别^[6]。由于受体积庞大不便携带、空间限制无法布置、不可断管路等因素影响，台架实验中所使用的测量方法和仪器设备不一定适合实船测试^[7]。目前，实船测量油耗的方法主要有两种方式，一种是采用流量计测量发动机消耗的油量，一种是测量船舶油箱减小的油品量^[8]。此外，还有碳平衡法^[9]、空燃比法^[10]等间接油耗测量方法。

1.2.1.1 测量船舶油箱减小的油品量

基于电容传感器的油耗测量原理如图1 所示，传感器安装在油箱上部的出油口与下部最低点的出油口之间，电容传感器测取油箱油品降低的高度 h，则燃油消耗的体积为: V = S × h，V ^[11]为油箱体积，S 为油柜横向截面积，当已知燃油的体积消耗量 V、密度 ρ，以及消耗这些燃油的时间 t 后即可求出单位时间的燃油消耗量^[12]。

图1 油箱油耗测量

1.2.1.2流量计测量

流量计法测量燃油消耗是在内燃机燃油管路中接入流量计^[13]，燃油在流量计中流动产生的流量信号经变送器转换化成为便于测量的电信号，经转换器转换得出发动机的燃油消耗率。其核心是以流量计为一次仪表。

流量计法测量燃油消耗量的精度主要取决于流量计的精度。流量计数目与燃油管路布置也十分重要。在此种方法中流量计的测量范围应予内燃机的功率范围相适应。流量计的种类可采用电磁式、涡街式、涡轮式、容积式、克利奥氏力质量流量计等^[14-15]。

1.2.1.3碳平衡法

碳平衡法是根据质量守恒定律，汽(柴)油经过发动机燃烧后，排气中碳质量总和与燃烧前的燃油中碳质量总和相等^[16]。碳原子在汽(柴)车排气中主要以二氧化碳、一氧化碳和碳氢化合物(CHx)的形式存在。不管按照什么运转循环进行油耗试验，假定汽车运行了L km，汽车平均油耗为FE km/L,燃油密度为SG kg/L,燃油中碳质量比为CWF_F，那么

消耗汽油中碳质量=1000×SG×CWF_F×L/FE (1)

按照汽车排放测试标准，可测量出汽车按照运转循环运行L km后，排气中二氧化碳、一氧化碳和碳氢化合物的排放量，分别以M_CO2, M_CO, HC来表示，其单位为g/km。另外，二氧化碳、一氧化碳和碳氢化合物中碳质量比率分别为0.273、0.429、CWF_HCex (=12/(12 x))，所以

排气中碳质量之和=(0.273×M_CO2 0.429×M_CO CWF_HCex×HC)×L (2)

令式(1)、式(2)式右边相等，得到油耗计算公式为

FE=1000×SG×CWF_F/(0.273×M_CO2 0.429×M_CO CWF_HCex×HC) (3)

1.1.1流量计油耗测量方案

采用流量计法测量柴油机燃油消耗可以用一只或两只流量计^[17]，如图2所示。

图中（a）为使用一只流量计的方案。此方案中柴油机的回油置必须接到流量计出口后，否则流量计所测得的燃油流量包括了柴油机的回油量。这种方案的特点是成本较低，但不宜长期使用。因柴油机回油中可能含有气泡，长期使用可能造成“气塞”。如果要长期监测，可在管路中安装除气装置以及温度控制装置、压力平衡装置等。

图中（b）为使用两只流量计的方案。此方案中柴油机回油正常回到日用油箱。此种方案的特点是造价高，但较前者可靠。入口流量计和出口流量计视值差为实际流量。

图2 流量计法测量油耗

1.1.2无线网络通信通信

近年来，随着信息技术和信息产业的飞速发展，计算机和通信两个领域的逐步融合、相互渗透，促进了无线网络技术的不断完善提高。无线网络技术可以分为无线局域网技术和无线广域网技术两种，不但可以实现室内或相距咫尺的无线局域网通信，而且可以实现远距离的通信，通过卫星通信还可以实现全

球甚至宇宙太空的通信。

1.1.3现状分析总结

现有的油箱测量法和流量表测量法等油耗测试方法虽然能够测得油耗数据，但所获得的数据只能作为燃料消耗量的一个参考，不能用于能效计算等数据要求精度更高的场合。为了提高油耗测量的精确性、真实性以及优化远程监控，还有如下问题需要改进：

1）流量计的比选直接影响到测量的精度。流量测量仪表的种类繁多，为了正确地选用流量计，首先必须对每类流量计的测量原理、结构、性能等有一个大概的了解，然后结合具体测量条件，综合考虑测量的准确性、经济性等因素后，才能选定流量计的类型与规格。

2）流量计测量油耗的几种测量方案虽然都可以测出油耗，但都可以通过旁通等作假方式人为的改变测量结果。需要改进系统设计，使之能够真实地测得油耗数据。

3）需要根据船舶燃油消耗状况实时远程监测系统的需求，结合通信方式的覆盖区域大小，信号传输的速度，稳定性，保密性以及安装传输成本的经济性等因素，选取适合船舶环境的数据通信方式

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的基本目标

设计出一个能够真实又精确测量油耗数据的油耗监测系统。

3. 研究计划与安排

第 4 周：完成船舶真实油耗监测需求分析。

第 5 周：完成监测系统的整体设计。

第 6-7 周：完成油耗仪工作原理和特点的分析、选择及其安装方案。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] marine environment protection committee.prevention of air pollution from ships(third imo ghg study 2014)[r].london:international maritime organization.2014.

[2] marine environment protection committee.report of the marine environment protection committee on its sixty-secondsession [r].london：imo,2011,7.

[3] 孙星．内河船舶能效研究系统分析与设计［d］．武汉：武汉理工大学.2012.