船舶柴油機(jī)曲軸箱油霧濃度報(bào)警裝置研究

彭　陳，沙彬峰

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京，211170）

船舶柴油機(jī)曲軸箱油霧濃度報(bào)警裝置研究

彭陳，沙彬峰

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京，211170）

船舶曲軸箱油霧濃度報(bào)警裝置對(duì)確保機(jī)艙的安全意義重大，本文介紹油霧濃度報(bào)警裝置的發(fā)展現(xiàn)狀、油霧濃度監(jiān)測(cè)的原理、油霧探測(cè)裝置的組成與運(yùn)行、產(chǎn)品研制過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，船級(jí)社規(guī)范要求以及油霧濃度的測(cè)量方法，避免曲軸箱發(fā)生爆炸事故。

曲軸箱；油霧濃度；報(bào)警裝置

引言

船舶柴油機(jī)是船舶的心臟，柴油機(jī)的安全性成為衡量船舶安全性的重要指標(biāo)。船舶柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，曲軸箱潤(rùn)滑油會(huì)因溫度升高而揮發(fā)出油氣，油氣與冷的空氣混合會(huì)形成大量的油霧，當(dāng)曲軸箱的油霧濃度達(dá)到50mg/L時(shí)，就有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)，必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲軸箱的油霧濃度，保證船舶以及人員的安全。

油霧濃度報(bào)警裝置在研制過(guò)程中，關(guān)鍵技術(shù)是解決用光投射法原理分析測(cè)定油霧渾濁度，分析油霧濃度與消光度的關(guān)系、消光度隨著油霧濃度增大而升高以及油霧信號(hào)的采集、處理、報(bào)警控制技術(shù)等。同時(shí)船級(jí)社對(duì)柴油機(jī)曲軸箱油霧濃度報(bào)警裝置也有明確的規(guī)范要求，例如油霧的濃度、報(bào)警預(yù)先設(shè)定值等關(guān)鍵點(diǎn)，這些都是新產(chǎn)品研制過(guò)程中必須考慮的因素。

1　油霧探測(cè)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

油霧濃度報(bào)警裝置是一種集光學(xué)、半導(dǎo)體學(xué)、電子學(xué)等多學(xué)科系統(tǒng)，國(guó)外技術(shù)比較成熟，國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有自主研發(fā)產(chǎn)品，當(dāng)前市場(chǎng)使用最多的是GRAVINERMK-60ILMISTDETECTOR。1980年英國(guó)廠家開(kāi)始生產(chǎn)油霧濃度探測(cè)裝置，裝置可以探測(cè)12個(gè)點(diǎn)，相應(yīng)時(shí)間短，不需要零值校準(zhǔn)，冷凝狀態(tài)下無(wú)需加熱裝置，不需要測(cè)量管道，此裝置當(dāng)時(shí)主要用于機(jī)械廠房空間油霧的測(cè)量。英國(guó)Kidde-Graviner Ltd公司生產(chǎn)的GRAVINER MARK（4、5、6）系列油霧濃度報(bào)警裝置被廣泛用于柴油機(jī)。MARK4是早期產(chǎn)品，MARK5減少了一些機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，同時(shí)控制部分采用單片機(jī)，通過(guò)繼電器控制電磁閥來(lái)檢測(cè)曲軸箱的濃度，由于具有樣品測(cè)量通道，此裝置有一定的延時(shí)性，檢測(cè)速度變慢。MARK6相比優(yōu)點(diǎn)更多，如管道更簡(jiǎn)單，無(wú)采樣通道，掃描時(shí)間變短等。

日本大阪 Daihatsu Mfg公司生產(chǎn)的 MD-9，MD-9S，MD-9L，MD-9M，MD-14M系列產(chǎn)品，其油霧濃度檢測(cè)裝置通過(guò)旋轉(zhuǎn)閥控制，顯示通過(guò)發(fā)光二極管，此裝置沒(méi)有MARK系列應(yīng)用廣泛。德國(guó)SCHALLER AUTOMATION公司的VISARON系列油霧濃度檢測(cè)裝置采用無(wú)磨損抽氣系統(tǒng)，該裝置反應(yīng)靈敏，響應(yīng)時(shí)間短，可以連續(xù)監(jiān)測(cè)各缸的油霧濃度。但是此裝置也沒(méi)有MARK系列應(yīng)用廣泛。

2　油霧濃度檢測(cè)的原理

船舶曲軸箱油霧濃度的檢測(cè)方法主要有兩種，一種是接觸式，一種是非接觸式。

2.1接觸式測(cè)量：就是進(jìn)行油霧采樣，然后根據(jù)質(zhì)量、體積、濃度的關(guān)系，計(jì)算出油霧的濃度。接觸式測(cè)量方式有物理測(cè)量方式與化學(xué)測(cè)量方式兩種。

物理測(cè)量方式是利用纖維膜對(duì)油霧進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾過(guò)程中纖維膜會(huì)吸收油霧，根據(jù)油霧通過(guò)纖維膜前后的重量差，可以計(jì)算得出油霧濃度。

化學(xué)測(cè)量方式是通過(guò)化學(xué)溶劑吸收油霧中的有機(jī)成分，然后根據(jù)油霧被吸收前后的重量差，可以計(jì)算得出油霧的濃度。接觸式測(cè)量的過(guò)程相對(duì)繁瑣、精度低、自動(dòng)化程度不高、易受到干擾，此種測(cè)量方法一般不用。

2.2非接觸式測(cè)量：包括電容測(cè)量和阻光度測(cè)量。電容測(cè)量是油霧通過(guò)兩極板，兩極板之間的介電常數(shù)不同，反應(yīng)了油霧濃度的大小，可以得出不同的電容值，進(jìn)而得出油霧濃度值。此種方法比較新，技術(shù)不是很成熟，成本較高，應(yīng)用不多。阻光度測(cè)量主要是利用不同氣體的透光率不同實(shí)現(xiàn)測(cè)量，主要包括光透射測(cè)量與光散射測(cè)量。

第一種光的透射測(cè)量。曲軸箱內(nèi)的油氣通過(guò)抽吸作用被吸入測(cè)量通道，隨后通過(guò)測(cè)量通道兩端的紅外線光電傳感器測(cè)量，并且轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，各模塊的油霧濃度通過(guò)通訊方式依次傳送給主控制器，主控制器接收到信號(hào)后，可以判定各缸的油霧濃度，同時(shí)可以獲取所有缸的油霧濃度平均值。當(dāng)柴油機(jī)的某缸發(fā)生故障油霧濃度增大時(shí)，此缸的消光度增加，光電流減小，當(dāng)光電流減弱到設(shè)定值時(shí)，油霧濃度會(huì)增加到設(shè)定報(bào)警值，而此時(shí)油霧濃度報(bào)警裝置會(huì)報(bào)警，并顯示出故障和報(bào)警缸號(hào)。

油霧對(duì)不同波長(zhǎng)的激光的衰減符合朗帕-比爾定律：

式中I0（λ）通過(guò)油霧前的光強(qiáng)，I（λ）-通過(guò)油霧后的光強(qiáng)，μe（λ）-消光系數(shù)，c-介質(zhì)平均密度，L-光程長(zhǎng)度。

光在油霧中的透過(guò)率用η表示，

由于要有精密的光強(qiáng)測(cè)量裝置，此系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本較高，從上式直接測(cè)出油霧的透過(guò)率比較難。

所以可以根據(jù)油霧測(cè)量裝置輸入與輸出系統(tǒng)的電壓值即可以得出光在油霧中的透過(guò)率，然后再根據(jù)朗帕-比爾定律求出油霧濃度值，根據(jù)不同油霧濃度值設(shè)定報(bào)警值。

第二種光的散射測(cè)量。光線通過(guò)不均勻的介質(zhì)時(shí)，方向會(huì)產(chǎn)生改變，發(fā)生散射。光探測(cè)器放置于油氣空間，通過(guò)測(cè)量光信號(hào)的大小即可以測(cè)量出油氣的濃度，光信號(hào)的大小主要與油氣的濃度與探測(cè)器的空間放置位置有關(guān)。

非接觸式測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)比較明顯，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化程度高、抗干擾能力強(qiáng)，得到了廣泛的應(yīng)用。

圖1　透射法原理

圖2　散射法原理

3　油霧探測(cè)裝置的組成與運(yùn)行

油霧探測(cè)裝置由油霧探測(cè)器與遠(yuǎn)程顯示器組成。油霧探測(cè)器安裝在柴油機(jī)上，包括抽氣系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)與報(bào)警系統(tǒng)，油霧探測(cè)器集采樣、分析、報(bào)警、顯示與一體。遠(yuǎn)程顯示器安裝在機(jī)艙集控室，探測(cè)器與遠(yuǎn)程顯示器之間通過(guò)電纜連接，目前GRAVINER MARK5，DAIHATSU MD-9M/14M都應(yīng)用此種探測(cè)系統(tǒng)。

3.1抽氣系統(tǒng)

曲軸箱上設(shè)置采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)設(shè)置于曲軸箱內(nèi)比較高的位置，因?yàn)橛挽F是上升的。通過(guò)抽吸管路把油霧輸送到探測(cè)器，所以抽氣管路必須滿足IACS的要求，盡量短，這樣可以減小從油霧被抽吸到報(bào)警的動(dòng)作時(shí)間，所以探測(cè)器盡量安裝在柴油機(jī)的中心位置，同時(shí)采用抽吸系統(tǒng)，加快油霧的輸送速度。

柴油機(jī)飛濺潤(rùn)滑可能會(huì)濺到探測(cè)裝置上，所以采取罩杯取樣漏斗防止探測(cè)裝置的吸口被堵住。油霧探測(cè)器的抽氣系統(tǒng)在抽吸過(guò)程中可能會(huì)吸入油滴，油滴滯留在管道中，所以必須讓油滴流回曲軸箱，在抽吸管道上安裝泄放閥，這樣可以避免油滴影響探測(cè)系統(tǒng)工作。

3.2測(cè)量系統(tǒng)

油霧濃度的測(cè)量方法上面已經(jīng)介紹，目前應(yīng)用最多的就是光的投射法，測(cè)量系統(tǒng)主要包括：紅外發(fā)射管、光電池和測(cè)量通道。紅外發(fā)射管和光電池安裝在測(cè)量通道的兩邊，光電池吸收由紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光。油霧通過(guò)測(cè)量通道時(shí)，接收管中的光強(qiáng)發(fā)生變化，油霧濃度越大，接收管中接收到的光強(qiáng)越小，所以根據(jù)光強(qiáng)和油霧濃度的關(guān)系可以得出油霧的濃度。

3.3報(bào)警系統(tǒng)

油霧濃度探測(cè)器上安裝有報(bào)警裝置，當(dāng)油霧的濃度超出設(shè)定值（IACS UR M67規(guī)定最大濃度低于5% LEL），報(bào)警裝置發(fā)生報(bào)警，同時(shí)開(kāi)始檢測(cè)發(fā)生報(bào)警的曲軸箱號(hào)碼以及顯示油霧的濃度值。

3.4遠(yuǎn)程顯示

為了方便監(jiān)測(cè)油霧的濃度以及探測(cè)器的工作狀態(tài)，可以通過(guò)通訊總線把遠(yuǎn)程顯示裝置與探測(cè)器相連，以符合IACSURM1O規(guī)范要求。

4　結(jié)語(yǔ)

油霧濃度報(bào)警裝置能及時(shí)準(zhǔn)確反應(yīng)濃度的數(shù)值并及時(shí)報(bào)警，滿足了主機(jī)曲軸箱和船級(jí)社的要求，安裝油霧濃度報(bào)警裝置是防止曲軸箱爆炸的有效預(yù)防措施，在船舶上得到了廣泛的應(yīng)用。在油霧濃度報(bào)警裝置研制過(guò)程中，需考慮波長(zhǎng)以及傳感器的選擇、油霧樣品的選取、誤差修正以及減少誤報(bào)警等，研制過(guò)程嚴(yán)格遵守船級(jí)社規(guī)范要求，確保曲軸箱油霧報(bào)警裝置對(duì)船舶機(jī)艙的安全。

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Research on Alarm Device for Oil Mist Concentration in Marine Diesel Engine Crankcase

PENG Chen，SHA Bin-feng
（Jiangsu Maritime Institute，Nanjing211170，Jiangsu）

Ship crankcase oil mist concentration alarm device to ensure the engine room security is of great significance.This paper introduces the oil mist concentration alarm device development and monitoring of oil mist concentration，the principle of the oil mist detecting device composition and operation，product key technology in the process of development，classification society rules and oil mist concentration measuring method to avoid crankcase explosion occurred.

crankcase，oil mist concentration，alarm device

U664.121

A

1671-5004（2016）03-0001-03

2016-6-6

江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：XJ20151267903）。

彭陳（1983-），男，黑龍江大慶人，江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師、碩士，研究方向：輪機(jī)工程、船舶與海洋工程。沙彬峰（1995-），男，江蘇南通人，江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：輪機(jī)工程技術(shù)。