船舶動力系統(tǒng)設計及性能優(yōu)化

査富祥 劉立軍

摘要：船舶動力系統(tǒng)被稱為船的“心臟”， 在為船舶提供動力的同時，還關系到船舶的運行穩(wěn)定性、安全性、節(jié)能、經(jīng)濟等因素。因此，需要一個可靠的船舶動力系統(tǒng)以保障船舶正常安全運行。與此同時，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標，提高船舶的經(jīng)濟效益，使不同類型船舶在排水量限制下，保證其輸出功率的同時，提高效率降低能耗，提高船舶載重量與續(xù)航能力就顯得十分重要。本文通過對各種形式的動力系統(tǒng)的比較，以分析如何對該系統(tǒng)進行優(yōu)。

關鍵詞：船舶動力系統(tǒng)；穩(wěn)定；安全；優(yōu)化

引言

由船舶主機（柴油機、蒸汽輪機、燃氣輪機等）、傳動系統(tǒng)（軸系、齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)、離合器等）和推進器（螺旋槳、全向推進器、側向推進器等）組成的船舶動力系統(tǒng)，好比船舶的心臟，此套設備約占全船設備總成本的1/3，全船造價的1/4左右。而船舶動力系統(tǒng)的性能直接關系到船舶的安全穩(wěn)定和運輸效率的高低，因此船舶動力系統(tǒng)的研究成為船舶行業(yè)技術研究的重中之重。

1.背景

船舶是世界主要的交通運輸工具之一，船舶工業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)中同樣占有重要地位，而船舶動力系統(tǒng)被稱為船舶的"心臟"，在不同類型船舶的排水量限制下，在保證其輸出功率的同時，提高動力系統(tǒng)的效率、降低能耗、提高船舶載重量與續(xù)航能力就顯得十分重要。隨著全球的能源、資源急劇消耗，有效、合理地利用自然資源是保證經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的基本出發(fā)點，因此船舶節(jié)能也十分重要。目前船舶燃料價格上漲、直接造成了船舶運營成本的增加，因此提升船舶的經(jīng)濟性尤為重要。

與此同時，國際海事組織以及各國政府對船舶尾氣排放導致的空氣環(huán)境污染問題越來越重視，并且出臺了一些相關法律法規(guī)來限制尾氣的排放。因此對船舶動力系統(tǒng)的性能方面的優(yōu)化設計顯得迫在眉睫。

2.動力系統(tǒng)設計理論

2.1船舶動力系統(tǒng)概述

船舶動力系統(tǒng)是保證船舶正常航行、作業(yè)、停泊以及船員、旅客正常工作和生活所必需的機械設備綜合體，作為船舶的重要組成部分，船舶動力系統(tǒng)設計是一項包含多個學科的復雜的系統(tǒng)工程，具有以下特點：系統(tǒng)設計模塊化、系統(tǒng)設計參數(shù)化、系統(tǒng)設計規(guī)范化、用戶需求的多樣化和個性化、設計過程復雜。產(chǎn)品配置設計的理論和方法應用于船舶動力系統(tǒng)的設計，根據(jù)不同的用戶功能和個性化需求，選擇和組合不同性能的組件進行配置，可以實現(xiàn)對用戶多樣化、個性化需求的快速響應，提髙設計效率，提升產(chǎn)品質量，提高企業(yè)的競爭力。

2.2 動力系統(tǒng)的發(fā)展

船舶在經(jīng)歷了漫長的以人力、風力作為航行動力的階段后，直到200年前才進入以機械能作為航行動力的階段。船舶的機械推進隨著蒸汽機、蒸汽輪機、柴油機、燃氣輪機的發(fā)明及實船應用，先后出現(xiàn)了由多種原動機做動力的推進方式。蒸汽機在19世紀初至20世紀初是世界航運船舶最重要的原動機，之后，逐漸被蒸汽輪機、柴油機所取代。目前，世界上各類船舶的動力系統(tǒng)推進方式如表1所示：

2.3 船舶動力系統(tǒng)設計流程

作為船舶的核心組成，船舶動力系統(tǒng)的設計是船舶設計的一項重要內(nèi)容，其設計水平?jīng)Q定了船舶的整體技術性能。船舶動力系統(tǒng)是由眾多機電設備組成的一個復雜動力工程系統(tǒng)，各設備相互影響、相互制約、共同作用，為船舶提供能量支持。因此，船舶動力系統(tǒng)的設計，特別是新船型的設計研發(fā)過程是一項非常復雜的系統(tǒng)工程，需要采用系統(tǒng)的、優(yōu)化的設計方法。船舶動力系統(tǒng)設計流程如下：

步驟1確立設計目標。設計目標決定了設計產(chǎn)品的質量，船舶動力系統(tǒng)的設計目標可以設定為可靠性、經(jīng)濟性、機動性等方面的要求。

步驟2明確用戶需求。用戶需求是用戶對于船舶任務、性質、動力裝置等方面的要求，包括船型、船舶任務性質、航速、航區(qū)、續(xù)航力、動力裝置類型等內(nèi)容。通常用戶需求以設計任務書的形式提交設計單位。

步驟3確立約束條件。船舶動力系統(tǒng)設計過程中的約束條件包括船舶約束、政策法規(guī)約束等。船舶約束主要為航速、航區(qū)、船舶尺寸等的約束；政策法規(guī)約束主要為船舶入級與建造規(guī)范、防污染公約及其他政策、法令、法規(guī)等的約束。

步驟4確定設計方案。根據(jù)用戶需求及相關約束條件，確定船舶動力系統(tǒng)設計方案，包括船舶動力系統(tǒng)傳動形式、主機選型、軸系設計、電氣站配置、管系設計與機艙布置等內(nèi)容。

步驟5選擇最優(yōu)方案。在滿足用戶需求和約束條件的前提下，從船舶動力系統(tǒng)總體技術、經(jīng)濟、性能指標出發(fā)，對各個方案進行比較、權衡，最終定最優(yōu)方案。

步驟6分析評價方案。在滿足系統(tǒng)總體技術指標的前提下，對系統(tǒng)方案進行評估，如不能滿足要求，則進入步驟4進行方案修改，直至滿足要求為止。

步驟7輸出設計結果。

2.4 船舶動力裝置設計要求

船舶動力裝置是由許多用途不同的機械設備和系統(tǒng)組成的整體，它們之間有密切聯(lián)系并相互影響，構成一個復雜的工程系統(tǒng)。這個工程系統(tǒng)的設計稱為總體設計，總體設計的任務是根據(jù)設計任務規(guī)定的要求，制定一個切實可行，效果良好，且能依據(jù)其制造的工程設計，可大致分為三個階段，即：方案設計、技術設計、施工設計。

船舶動力系統(tǒng)的設計是一個反復迭代，不斷優(yōu)化的過程。在船舶動力系統(tǒng)的設計過程中，一般會有多個滿足用戶需求和相關技術要求的方案可供選擇，設計的任務就是在滿足總體技術指標的前提下，對各項約束條件進行研究，從多方面進行比較、權衡、優(yōu)化，得到最優(yōu)的船舶動力系統(tǒng)設計方案。

2.5船舶動力裝置的性能評判指標

2.5.1船舶動力系統(tǒng)性能指標一般可分為三類：

（1）技術指標。代表動力裝置的總指標，包括功率指標、質量指標和尺寸指標。

（2）經(jīng)濟指標。代表燃料在動力裝置中的熱能轉換率，包括燃料消耗率，每海里航程燃料消耗量及裝置熱效率、運行和維護經(jīng)濟性等。

（3）性能指標。代表裝置在接受命令，執(zhí)行任務中的服從性、堅固性、對外界條件和工作人員的依賴性，包括機動性、可靠性、制動性、自動化程度以及震動控制性能等指標。

為對動力裝置性能進行綜合評判，而影響動力裝置性能的因素很多，故需對個因素指標分級，如表2所示為動力裝置的層次結構模型，直觀的表示出了各層次指標對動力裝置的性能影響。

在各種標準規(guī)范中，涉及動力裝置性能的因素多達200多個，不可能全部作為評估因素，因此在選定層次結構模型的時，應使模型在較全面合理地反映動力裝置總體性能的同時，力求簡單。

從表2不難看出，動力系統(tǒng)的經(jīng)濟指標占據(jù)特別大的比重，因此動力系統(tǒng)的經(jīng)濟性直接關乎其性能評價。

2.5.2推進系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析比較主要考慮初投資、燃油消耗、維護保養(yǎng)、滑油消耗、總運作費用、可靠性、推進裝置富裕度及實際使用經(jīng)驗等幾個方面。

（1）初投資

表中為柴油機動力系統(tǒng)與汽輪機動力系統(tǒng)初投資的相對百分比?？梢钥闯?，低速柴油機的初投資明顯低于蒸汽透平。

低速柴油機燃油耗量明顯低于蒸汽透平。對于LNG船來說，環(huán)境溫度會隨著船只航行至不同區(qū)域而改變，因此取平均蒸發(fā)量為0.084%。而蒸發(fā)量的減少意味著需燃油消耗量的增加，尤其是對長距離的航程來說。因此與汽輪機動力系統(tǒng)相比，柴油機明顯具有高效率的優(yōu)點，這使得現(xiàn)今LNG船采用柴油機推進系統(tǒng)的方案更具有合理性。

（3）維護保養(yǎng)

盡管汽輪機的維護保養(yǎng)人員所具備的技術要就較高要，但汽輪機工作可靠、易損件少，因此它的維護保養(yǎng)費用在這一項中大大低于柴油機。

（4）滑油耗量和其他

表中反映了不同推進裝置中的滑油每年的費用以及諸如鍋爐水的添加劑等額外的費用。在這方面蒸汽透平遠遠低于柴油機。

（5）運作總成本

總的運作費用包括燃油、維護保養(yǎng)、滑油以及其他。最終結果顯示，柴油機動力系統(tǒng)最為經(jīng)濟。

（6）總壽命期基本成本

為了全面的對汽輪機與柴油機經(jīng)濟型進行比較，初投資費用和運作費用的凈值總數(shù)應加入到船的總壽命成本中。計算中，己假設整個25年壽命里2%的年通貨膨脹率和5%的年利率。

動力系統(tǒng)經(jīng)濟性分析可以看出，在初投資及燃油消耗方面，柴油機動力系統(tǒng)經(jīng)濟性明顯優(yōu)于蒸汽動力系統(tǒng)。而在維護保養(yǎng)、滑油耗量及其他方面，蒸汽動力系統(tǒng)則優(yōu)于柴油機動力系統(tǒng)。總體來看，柴油機動力系統(tǒng)具有更強的經(jīng)濟性。因此在中小型船舶中采用柴油機動力系統(tǒng)可以有效減少造船成本與能耗，從而提高船舶運行經(jīng)濟性。

總而言之，船舶動力系統(tǒng)結構比較復雜，涉及的設備種類也比較多，在進行組合的時候，必然存在著很多的選擇，因此，在進行動力系統(tǒng)配置設計的時候，一定要加強對不同組合方案的比較與評價，綜合考慮用戶實際需求與系統(tǒng)配置標準，選擇最佳的配置方案，有效實現(xiàn)動力系統(tǒng)的優(yōu)化配置。同時，在科學技術快速發(fā)展的形勢下，一定要加強新技術、新設備的運用，采用一些優(yōu)化方法，實現(xiàn)船舶動力系統(tǒng)配置的全面優(yōu)化，促進船舶設計的進一步發(fā)展。

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