Development of a method for simulation and optimization of integrated thermal energy systems of ship

Abstract

The research subject of the present work is the development of a method for the simulation and optimization of the synthesis, design and operation of integrated thermal energy systems of ships. The term integrated implies energy systems which are proposed for covering the various types of energy loads encountered on ships in forms of propulsion, electric and thermal power with a minimum of energy resources. From a technical point of view, such systems may serve their purpose through the application of heat recovery concepts, leading to the construction of energy systems that operate on a combined thermodynamic cycle and can also be cogeneration plants. The method developed may be used as an aid to engineering decisions regarding the utilization of alternative layouts of the energy systems, the determination of the characteristics of the main components of such systems and the appropriate states of operation of the subsystems and the system as a whole. The technical solutions proposed are justified taking into account certain techno−economic criteria. An important effort has been made towards the direction of developing a unified approach to the simulation of the energy system as a whole and the application of optimization algorithms. More specifically, all the three levels of the problem on which optimal solutions are sought, that is, the synthesis, design and operation levels, are simultaneously taken into account in search of the overall optimum. The simulation and design procedures of the individual components are also developed by keeping the needs of comprehensive modeling of the subsystems in mind, which are to be used in several operating conditions. The applicability and versatility of the method is demonstrated with the solution of a number of numerical examples and the parametric study, which reveals the effects of important technical and economic parameters on the optimal solution.

Το αντικείμενο του παρόντος έργου είναι η ανάπτυξη μίας μεθόδου για την προσομοίωση ολοκληρωμένων ενεργειακών συστημάτων πλοίων και την βελτιστοποίηση της σύνθεσης, του σχεδιάσου και της λειτουργίας αυτών. Με τον όρο ολοκληρωμένα εννοούμε ενεργειακά συστήματα τα οποία προτείνονται για την κάλυψη των διαφόρων τύπων φορτίων που απαντώνται στα πλοία, στην μορφή απαιτήσεων πρόωσης, ηλεκτρισμού και θερμικής ενέργειας, με την κατανάλωση των κατά το δυνατόν ελαχίστων ενεργειακών πόρων. Από τεχνικής άποψης, τέτοια συστήματα μπορούν να επιτύχουν τους σκοπούς τους με την εφαρμογή συστημάτων ανάκτησης θερμότητας, οδηγώντας στην κατασκευή θερμικών συστημάτων που λειτουργούν σε συνδυασμένο θερμοδυναμικό κύκλο, ενώ μπορούν να χαρακτηριστούν και ως συστήματα συμπαραγωγής. Η μέθοδος που αναπτύσσεται μπορεί να επικουρήσει σε αποφάσεις που αφορούν στην επιλογή εναλλακτικών δομών του συστήματος, στον καθορισμό των χαρακτηριστικών των κύριων συνιστωσών αυτών καθώς και των κατάλληλων καταστάσεων λειτουργίας των υποσυστημάτων και του συστήματος ως συνόλου. Οι προτεινόμενες τεχνικές λύσεις δικαιολογούνται λαμβάνοντας υπόψιν τεχνοοικονομικά κριτήρια. Σημαντική έμφαση έχει δοθεί προς την κατεύθυνση αναπτύξεως μίας ενοποιημένης προσέγγισης της προσομοίωσης του συστήματος ως συνόλου και της εφαρμογής αλγορίθμων βελτιστοποίησης. Πιο συγκεκριμένα, οι επιδράσεις από τα τρία επίπεδα στα οποία αναζητούνται οι βέλτιστες λύσεις, δηλαδή τα επίπεδα σύνθεσης, σχεδιασμού και λειτουργίας, λαμβάνονται ταυτοχρόνως και ισοβαρώς υπόψιν κατά την αναζήτηση του συνολικού βέλτιστου. Επίσης, οι διαδικασίες προσομοίωσης και σχεδιασμού των επιμέρους συνιστωσών αναπτύσσονται λαμβάνοντας υπόψιν την ανάγκη λεπτομερούς μοντελοποίησης των υποσυστημάτων, τα οποία χρησιμοποιούνται σε διάφορες καταστάσεις λειτουργίας. Η εφαρμοσιμότητα και η προσαρμοστικότητα της μεθόδου υποδεικνύονται με την επίλυση ενός πλήθους εφαρμογών και παραμετρικών μελετών, οι οποίες υποδεικνύουν την επίδραση σημαντικών τεχνικών και οικονομικών παραμέτρων στις βέλτιστες λύσεις.