某礦砂船主機燃油限制問題分析

劉永歆，柯小磊，劉清江，王家支

（大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116021）

某礦砂船主機燃油限制問題分析

劉永歆，柯小磊，劉清江，王家支

（大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116021）

針對某首制礦砂船試航期間出現(xiàn)的主機轉(zhuǎn)速接近最大轉(zhuǎn)速時提速極為困難，且時常激發(fā)機艙監(jiān)測系統(tǒng)報警的問題，相關(guān)方認為主機未完全調(diào)校好，無法滿足船舶未來航行需求。根據(jù)發(fā)生的故障，結(jié)合船用柴油機和螺旋槳特性的相關(guān)理論，對主機燃油限制的構(gòu)成進行研究。對比主機廠臺架試驗與實際海況的差異，指出臺架試驗的局限性和實際航行時各因素的影響，找到主機燃油限制問題的起因，解決該問題，并提出預防措施，供其他船舶參考。

主機燃油限制；油門刻度；燃油限制范圍

0 引 言

根據(jù)船級社規(guī)范的要求，船舶試航期間需在主機磨合結(jié)束后進行耐久試驗，即：使主機在對應于正常持續(xù)功率的轉(zhuǎn)速下運行至少2h；在額定轉(zhuǎn)速下運行至少4h；在1.032倍額定轉(zhuǎn)速下運行0.5h[1]，通過該試驗可檢驗相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計和主機的調(diào)校是否滿足主機的多工況需求。相關(guān)方根據(jù)耐久試驗中主機的運行參數(shù)和主機遙控系統(tǒng)反饋的信息判斷主機的調(diào)校是否滿足船舶未來的航行需求，若試航期間發(fā)現(xiàn)的主機問題未得到有效解決，則表示主機還沒有完全調(diào)整好，船舶未來航行可能存在安全隱患，船廠必須解決這些問題。本文主要研究與主機相關(guān)的諸多問題中比較有代表性的燃油限制問題，該問題常見于首制船，如應對不當，會造成試航時間延長和燃油大量消耗，繼而導致建造成本增加。

1 問題描述

某大型礦砂船所選主機型號為 W?rtsil? 6RTA84T-D，最大持續(xù)輸出功率為 25200kW，額定轉(zhuǎn)速為76r/min。

在首制船試航期間進行耐久試驗時發(fā)現(xiàn)，當主機轉(zhuǎn)速增至 73.4r/min之后繼續(xù)提速變得極為困難，且此時主機遙控系統(tǒng)控制板中的扭矩限制指示燈和掃氣限制指示燈閃爍；同時，若指示燈穩(wěn)定亮起，則還會激發(fā)機艙報警監(jiān)測系統(tǒng)的報警。對此，相關(guān)方提出異議，認為限制指示燈閃爍意味著主機還沒有完全調(diào)校好，船舶未來航行存在安全隱患。然而，主機服務商認為主機已調(diào)校好，限制指示燈在臨近額定轉(zhuǎn)速時頻繁閃爍是因為不可見的瞬間海況、海流情況和用舵等都能使限制指示燈閃爍或穩(wěn)定亮起。由于意見不統(tǒng)一，只好暫時抬高相關(guān)限制值，確保耐久試驗順利完成。

2 主機燃油限制特性

主機燃油限制特性是指限制主機在各轉(zhuǎn)速下的最大有效功率，使主機的負荷不超出為保證其可靠工作而設(shè)定的允許范圍，即預防主機超負荷和失速。當主機按該限制特性工作時，噴油泵在不同轉(zhuǎn)速下每個循環(huán)的供油量需根據(jù)限制條件作相應的調(diào)整。隨著增壓度不斷提高，現(xiàn)代主機的機械負荷和熱負荷已接近可靠工作所允許的臨界值。因此，用限制特性來限制主機在各種運轉(zhuǎn)條件下的負荷顯得尤其重要[2]。限制特性通過利用主機調(diào)速器限制燃油注入量來實現(xiàn)，即通常所說的主機燃油限制，包括扭矩限制、掃氣限制、最大油門限制和最小油門限制。

2.1 扭矩限制和掃氣限制

扭矩限制的作用是使柴油機在各轉(zhuǎn)速下的扭矩值都等于或小于標定轉(zhuǎn)速和標定功率下的轉(zhuǎn)矩，以免柴油機曲軸因機械負荷過大而損壞。掃氣限制則是考慮到船用主柴油機的增壓度較高，對熱負荷加以限制[2]。兩者的限制值均在主機遙控系統(tǒng)上設(shè)定。

2.2 油門限制

油門限制包括最大油門限制和最小油門限制，其中：最大油門限制用于預防主機超負荷運行，通過設(shè)置調(diào)速器上的機械限位來實現(xiàn)；最小油門限制用于預防主機在大幅降速時失速，使最小油門始終不低于設(shè)定值。

3 螺旋槳特性曲線

螺旋槳的扭矩Mp與其轉(zhuǎn)速n的平方成正比，槳所吸收的功率Pp與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比（見圖1和圖2，圖中C，C2，λp均為常數(shù)）。由圖2可知，隨著航行阻力的增加（λp變?。菪龢匦郧€逐漸變陡[2]。

4 原因分析

通過對主機燃油限制特性和螺旋槳特性曲線進行分析發(fā)現(xiàn)，導致主機扭矩限制和掃氣限制的原因可能是主機廠臺架試驗的局限性以及受實際海況的影響。

4.1 主機臺架試驗的局限性

主機臺架試驗限制曲線見圖3。

從圖3中可看出：在72.2～79.2r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，扭矩限制點為8.7，即油門刻度為8.7；在最大掃氣壓力為288kPa時對應最大持續(xù)輸出功率，油門刻度為9.2。通過查閱主機資料可知，最大油門機械限位位置為9.3，滿足常規(guī)機械限位比主機遙控限位小1～2個刻度的要求，這也是防止機械負荷超標的終極保護措施。由以往經(jīng)驗可知，主機臺架試驗幾乎是在負荷穩(wěn)定且沒有外界干擾的情況下進行的，近乎理想狀態(tài)，而實船運行（尤其是在高轉(zhuǎn)速下運行）時，隨著航行阻力的突然加大（如圖2所示），轉(zhuǎn)速會迅速下降，電子調(diào)試器探測到該變化，自動加大油門，大幅增加供油量。臺架試驗未充分考慮該情況，燃油限制范圍的設(shè)定值偏低。

4.2 實際海況的影響

船舶在航行時會受到空氣和水對船體的反作用力，其中與船舶運動方向相反的流體作用力稱為船舶阻力[3]。與本文研究的內(nèi)容相關(guān)的因素有：瞬間逆向、側(cè)方海流；突如其來的大風；規(guī)避前方船舶或其他因素導致的舵角突然變化。

船舶在受到上述因素的多次瞬時干擾以后，為維持既定的航向或轉(zhuǎn)速，需頻繁加大油門，若燃油限制范圍設(shè)定值較低，則會造成限制指示燈閃爍。

5 解決措施及預防

通過分析發(fā)現(xiàn)，造成主機燃油限制的原因主要有主機臺架試驗設(shè)定值偏低、試航時所用重燃油的熱值偏低和淺吃水航行時阻力的變化。在充分考慮這些因素的影響之后，試航時采取以下措施：

1 ) 與主機服務商和船東等有關(guān)各方達成共識：鑒于受諸多因素的影響，主機臺架試驗燃油限制設(shè)定值需適當提高，以滿足實船需求。

2 ) 通過模擬多種工況，實測出燃油限制值，具體見表1。

根據(jù)實測結(jié)果和主機各負荷參數(shù)，經(jīng)主機服務商校核及船東等有關(guān)各方的同意，通知主機遙控服務商將最大扭矩限制設(shè)定在 9.6（油門刻度），將最大掃氣限制設(shè)定在 9.65（油門刻度）。同時，主機服務商將最大油門機械限位設(shè)定在9.7（油門刻度）。

3 ) 試航之后，與主機廠、W?rtsil?及Man B&W等進行溝通，得知國外船廠的常規(guī)做法是將燃油限制值在主機臺架試驗限制值的基礎(chǔ)上抬高3%～4%。

預防措施：試航前，將燃油熱值等信息提交給主機服務商，由其根據(jù)相似船型或經(jīng)驗進行調(diào)整；將調(diào)整后的燃油限制值提交給主機遙控服務商，以盡早進行預調(diào)整，在試航期間主機磨合階段進行驗證并調(diào)整到位，為后續(xù)試驗創(chuàng)造條件和爭取時間。

表1 測試數(shù)據(jù)

6 結(jié) 語

限制控制是使船舶推進系統(tǒng)在動態(tài)工況下保護主機的有效手段[4]，良好的主機燃油限制可減小機械沖擊負荷，減少故障率和機損，提高使用壽命[5]。本文通過對某礦砂船的主機燃油限制問題進行分析，找出了影響因素，并制訂了解決和預防措施。在對該首制船的主機燃油限制值進行調(diào)整之后，后續(xù)船均按此調(diào)整，再未出現(xiàn)類似情況。該研究可為同類問題的解決提供借鑒。

[1] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2015.

[2] 孫培廷.船舶柴油機[M].大連：大連海事大學出版社，2002.

[3] 中國船舶工業(yè)集團公司.船舶設(shè)計實用手冊總體分冊[M].3版.北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[4] 張德一.船舶主機遙控系統(tǒng)機動操作負荷限制功能的探討[J].大連海運學院學報，1984, 10 (2): 20-30.

[5] 陳華清.負荷控制技術(shù)在船舶推進系統(tǒng)設(shè)計中的應用[J].船舶工程，2009, 31 (3): 43-45.

A Reason Analysis for the Malfunction of Main Engine Fuel Limiter on an Ore Carrier

LIU Yong-xin，KE Xiao-lei，LIU Qing-jiang，WANG Jia-zhi

（Dalian Shipbuilding Industry Co., Ltd., Dalian 116021, China）

As it is quite difficult to raise the speed of engine at the maximum rpm during the sea trial of an ore carrier and it is frequently trigger the alarm of the monitoring system in the engine room, this paper studies the composition of the fuel limiter of the main engine according to the malfunction phenomenon, the relevant theories of marine diesel engine and the propeller characteristics.When the comparison is carried out between the bench test of main engine and the sea trial, the limitations of the bench test and the multi-factorial influences of the sea trial are exposed, and the reasons behind the engine fuel limiter malfunction are found.Thus the problem is solved and some countermeasures are proposed for the reference of other ships.

main engine fuel limiter; load indicator; fuel restriction range

U674.13+4.1；U664.1

A

2095-4069 (2017) 04-0048-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.010

2017-04-14

劉永歆，男，高級工程師，1977年生。2001年畢業(yè)于華東船舶工業(yè)學院熱力發(fā)動機專業(yè)，現(xiàn)從事船舶和海洋平臺輪機方面的設(shè)計工作。