船舶自動化機(jī)艙動力裝置與系統(tǒng)的研究

李嘉 付建 李海峰

[摘? ? 要]船舶機(jī)械自動化可以有效改善船員的工作環(huán)境，使動力裝置更加經(jīng)濟(jì)可靠，在一定程度上降低船舶的運(yùn)行成本，為航運(yùn)業(yè)的發(fā)展和建設(shè)提供了巨大的動力。動力裝置自動化是船舶發(fā)展的基本前提，只有加強(qiáng)研究才能更好地保證動力裝置運(yùn)行的質(zhì)量和效果。

[關(guān)鍵詞]船舶;自動化;機(jī)艙動力裝置

[中圖分類號]U663.82 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）10–00–02

Research on Power Plant and System of Ship Automation Engine Room

Li Jia，F(xiàn)u Jian，Li Hai-feng

[Abstract]Ship machinery automation can effectively improve the working environment of the crew， make the power plant more economical and reliable， reduce the operating cost of the ship to a certain extent， and provide a huge impetus for the development and construction of the shipping industry. Power plant automation is the basic prerequisite for ship development. Only by strengthening research can the quality and effect of power plant operation be better guaranteed.

[Keywords]ship; automation; engine room power plant

船舶發(fā)動機(jī)自動化是船舶發(fā)展的趨勢，可有效提高船舶的工作效率，延長發(fā)動機(jī)的使用壽命，提高船舶的可操作性，降低駕駛風(fēng)險。動力裝置和系統(tǒng)是整個船舶的核心部件，也是自動化水平發(fā)展最快的部分，船舶的建造水平在一定程度上與整艘船的建造工藝水平和設(shè)計理念相對應(yīng)，文章論述了動力裝置在船舶機(jī)械自動化中的發(fā)展。

1 關(guān)于船舶輪機(jī)自動化機(jī)艙動力裝置與系統(tǒng)的相關(guān)概述

在船舶制造過程中，動力裝置與系統(tǒng)能夠保證船舶的正常運(yùn)行，在規(guī)劃時應(yīng)當(dāng)考慮滿足船舶的運(yùn)行條件，并在設(shè)計過程中考慮到設(shè)備與其他系統(tǒng)的關(guān)系，合理有效地選擇動力裝置與系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)件，只有這樣才能滿足船舶發(fā)動機(jī)的設(shè)計要求。近年來，船舶生產(chǎn)越來越現(xiàn)代化，艙室自動化程度全面提高。因此，在船舶生產(chǎn)過程中，要強(qiáng)化自動化理念，充分考慮設(shè)計系統(tǒng)的自動化程度，加強(qiáng)動力裝置與系統(tǒng)空間的改造，從而確保動力裝置與系統(tǒng)能夠有效地監(jiān)控和測量整個機(jī)艙的性能系統(tǒng)。

1.1 船舶機(jī)艙自動化的發(fā)展歷程

研究表明，船舶機(jī)艙自動化系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段：①用計算機(jī)控制和管理整艘船，應(yīng)用軟件管理后，簡化了設(shè)備的自動化程度，擴(kuò)大了自動化范圍，管理功能更加豐富。一旦發(fā)生故障，嚴(yán)重的情況下將直接導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。②推進(jìn)集散控制系統(tǒng)的發(fā)展，重點(diǎn)解決單機(jī)控制的缺陷，如油分離器自動控制、主機(jī)遠(yuǎn)程控制、燃油黏度控制、集中監(jiān)控系統(tǒng)等。③分散控制系統(tǒng)雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但也有一些缺點(diǎn)，如系統(tǒng)之間無法溝通，管理困難等。

隨著計算機(jī)通信的普及，網(wǎng)絡(luò)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，應(yīng)用系統(tǒng)完成后，不僅可以單獨(dú)控制單片機(jī)，還可以與不同的單片機(jī)整體通信，形成網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模式，結(jié)合以上兩種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，對今后船舶輪機(jī)自動化機(jī)艙動力裝置與系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

1.2 船舶機(jī)艙向自動化系統(tǒng)發(fā)展的重要性

發(fā)展船舶機(jī)艙自動化的重要性不僅體現(xiàn)在個人的便利性上，更代表著我國現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用水平和國家技術(shù)應(yīng)用水平的普及程度，自動化系統(tǒng)的發(fā)展很好地反映了我國先進(jìn)的技術(shù)水平，并在國外得到了反映。由此可見，船舶機(jī)艙自動化系統(tǒng)的發(fā)展對船員的安全、國家的發(fā)展具有重要的意義

2 動力裝置的基本位置和安裝

對于船用發(fā)動機(jī)，艙室自動動力單元主要如下：減速齒輪箱、短軸、彈性圓柱銷聯(lián)軸器法蘭、水力測功器、高彈性聯(lián)軸器的法蘭以及飛輪等部件（見圖1）。船用發(fā)動機(jī)的基本組成可以看出船用發(fā)動機(jī)整體波結(jié)構(gòu)緊湊，各裝置之間整體布置緊湊。因此，總?cè)莘e小，可在短時間內(nèi)完成維護(hù)，然而，這種類型的船用發(fā)動機(jī)也有缺陷，例如，在實踐中船用發(fā)動機(jī)的整體柔韌性較弱，使軸無法彎曲。一旦船用發(fā)動機(jī)的短端受到不可抗拒的壓力，它將增加軸承的負(fù)荷，并對最后的軸端造成輕微的破壞。

由于船用發(fā)動機(jī)自動化在實際使用中具有靈活性，需要保證結(jié)構(gòu)在運(yùn)行時不發(fā)生彎曲，從而保證各部分可靠運(yùn)行。為了保證不彎曲，實際操作必須嚴(yán)格按照規(guī)定對船舶輪機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)。目前，船舶輪機(jī)裝置的校準(zhǔn)程序主要包括線性校準(zhǔn)、功率測量校準(zhǔn)和校準(zhǔn)優(yōu)化，現(xiàn)階段，對于具有一定彈性基礎(chǔ)的長軸船舶輪機(jī)動力裝置，如2萬噸以上的海船，一般采用功率測量和優(yōu)化能力，而對于低噸位船舶，一般采用直線修正。

3 船舶輪機(jī)自動化機(jī)艙的動力系統(tǒng)設(shè)計

3.1 燃油系統(tǒng)

在此階段，根據(jù)能源供應(yīng)的原材料設(shè)計船舶輪機(jī)燃油系統(tǒng)。由于船舶輪機(jī)燃油系統(tǒng)本身能耗高，其他能量的提供和轉(zhuǎn)換不足以支撐船舶輪機(jī)的航行和運(yùn)輸。由于燃油的不穩(wěn)定性和能量傳遞的方便性，柴油已成為船舶輪機(jī)消耗的最重要的能源。船舶輪機(jī)動力系統(tǒng)包括重油系統(tǒng)和輕油系統(tǒng)，兩部分通過閥門和管道連接，使重油和輕油可以轉(zhuǎn)換。

以重油系統(tǒng)為基礎(chǔ)，重油通常由燃油均質(zhì)器、壓力循環(huán)和反沖洗精濾器組成，如圖2所示。均質(zhì)器可對柴油進(jìn)行精煉、均質(zhì)和乳化，主要用于柴油的處理和過濾。當(dāng)柴油經(jīng)過均質(zhì)器時，可以對柴油進(jìn)行基本的處理和清潔，提高柴油的基本燃燒性能和基本燃燒效率，從而節(jié)約能源，減少污染;壓力循環(huán)系統(tǒng)可以借助轉(zhuǎn)爐泵對柴油進(jìn)行增壓和回收，使柴油可以同時連續(xù)增壓和回收。該電路還伴隨著加熱系統(tǒng)。在這種轉(zhuǎn)換系統(tǒng)下，可以保證在短期工作期間不需要轉(zhuǎn)換重油和輕油;對于重油系統(tǒng)，還需要計算重油的油耗率，計算船用渦輪流量計造成的油耗，通過水力測功機(jī)計算出總消耗量，最后顯示出在流動過程中的總消耗量。柴油機(jī)在控制室經(jīng)過過濾均質(zhì)后，必須用過濾器對過濾單元進(jìn)行沖洗，以保證燃油單元在過濾過程中能夠連續(xù)使用。

從燃油分離器的角度來看，選擇燃油系統(tǒng)后還需要進(jìn)一步的油分離和凈化，燃料分離器可串聯(lián)或并聯(lián)操作，油分離器具有自動分油、除渣、油溫自動調(diào)節(jié)等功能。柴油經(jīng)過油分離器處理后，黏度設(shè)置可在主機(jī)上顯示。

3.2 自動化機(jī)艙的滑油系統(tǒng)

滑油系統(tǒng)也是船舶機(jī)艙自動動力裝置系統(tǒng)的重要組成部分，一般情況下，滑油系統(tǒng)必須配備科學(xué)的溫控裝置和流體控制裝置。該裝置能在船舶運(yùn)行過程中起到良好的潤滑作用，對機(jī)械空間進(jìn)行有效地分離和處理，可以更有效地保證油分離器的工作條件和效率，也是保證船舶發(fā)動機(jī)自動化系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)和重要前提。

3.3 自動化機(jī)艙的冷卻系統(tǒng)

船舶發(fā)動機(jī)自動機(jī)艙動力系統(tǒng)工作時，機(jī)艙內(nèi)主機(jī)、輔機(jī)冷卻過程采用的系統(tǒng)為閉式冷卻系統(tǒng)，機(jī)艙內(nèi)的輔助冷卻水在主機(jī)缸套內(nèi)也能有良好的流動能力，這種調(diào)節(jié)方式可以保證自動化機(jī)房冷卻系統(tǒng)的性能，降低運(yùn)行時的能耗。

3.4 自動化機(jī)艙的壓縮空氣系統(tǒng)

壓縮空氣系統(tǒng)在船舶機(jī)艙的自動化運(yùn)行中也起著關(guān)鍵作用，該系統(tǒng)能有效地將空氣壓縮成兩部分，在為主機(jī)運(yùn)行提供能量的同時，還可以科學(xué)地控制主機(jī)的運(yùn)行，系統(tǒng)中用于自動控制的壓縮空氣必須經(jīng)過空氣凈化器的有效凈化，凈化后的空氣必須進(jìn)行壓制，才能更好地保證系統(tǒng)的整體性能。

4 船舶動力裝置與系統(tǒng)自動化設(shè)計

4.1 基本理念

近年來，船舶自動化水平發(fā)展迅速，在能源系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在選擇動力裝置時，必須充分考慮自動化的要求。船舶動力裝置與系統(tǒng)自動化必須具備性能系統(tǒng)的保護(hù)、監(jiān)視、測量、顯示和停止功能。目前，船舶動力裝置與系統(tǒng)自動化的自動控制已經(jīng)實現(xiàn)了從局部控制到綜合自動化的轉(zhuǎn)變過程，技術(shù)也越來越完善。船舶動力裝置與系統(tǒng)自動化功能包括：①控制垂直轉(zhuǎn)換位置判斷、自動轉(zhuǎn)向、自動啟動等功能;②速度和負(fù)載控制用于信號產(chǎn)生、負(fù)載程序等功能的速率;③安全保護(hù)、應(yīng)急操作;④系統(tǒng)故障自檢;⑤功能仿真，常用元件主要包括氣動元件、機(jī)械元件、液壓元件、繼電器元件等。

4.2 設(shè)計方法

（1）對船舶動力裝置與系統(tǒng)進(jìn)行了選型和計算，主柴油機(jī)和齒輪模型都必須充分考慮。為了進(jìn)行初步標(biāo)定，需要考慮主機(jī)功率、所需的主船體尺寸、船舶的有效性能、船速、最佳螺旋槳轉(zhuǎn)速，確定船舶的最大航速和螺旋槳直徑，并確定齒輪的模型。有些主柴油機(jī)和齒輪不適合自動控制，配件自動化程度低。

（2）設(shè)計船舶動力裝置與系統(tǒng)。前面已經(jīng)提到了一些常見的自動化功能，現(xiàn)代船舶動力裝置與系統(tǒng)可分為電氣部分和氣動部分，推進(jìn)系統(tǒng)核心柴油機(jī)的基本自動部件包括：空氣分離器轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、高壓油泵轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、高壓油泵、空氣壓力檢測和主機(jī)轉(zhuǎn)速檢測，高壓油泵連接控制器、變頻器和執(zhí)行器。船舶自動遙控系統(tǒng)的設(shè)計主要由航速、螺旋槳航速、柴油機(jī)航速、控制器、航速設(shè)定和指揮員6個環(huán)節(jié)組成，控制器是實現(xiàn)恒速控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以3600 DWT供油船為例，采用雙發(fā)動機(jī)雙螺旋槳控制系統(tǒng)，踏板車可以調(diào)整速度和方向，集中控制室和機(jī)械，使用雙發(fā)動機(jī)控制貨油泵。

5 船舶機(jī)艙向自動化系統(tǒng)發(fā)展的具體應(yīng)用

自動化的目的是使整個操作過程更加透明。因此，需要對船舶推進(jìn)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)動力系統(tǒng)等進(jìn)行控制。自動操作，簡化操作過程，可能只需要一個按鈕便可控制其開關(guān)，但如果這樣操作，勢必會增加員工的工作量。如果能夠?qū)Υ皺C(jī)艙的控制進(jìn)行集成，不僅整個操作會更加透明，而且問題和錯誤也能得到有序解決，使整個操作過程更加簡單和快捷，此外，還可以節(jié)省人力資源。

6 結(jié)束語

目前，船舶動力裝置與系統(tǒng)自動化的發(fā)展已進(jìn)入成熟階段，隨著自動化裝置的日趨成熟，在船用發(fā)動機(jī)的研制中，有必要對技術(shù)進(jìn)行更精確的優(yōu)化，根據(jù)目前技術(shù)的發(fā)展趨勢，船舶發(fā)動機(jī)的自動化需要向智能化方向發(fā)展，船舶自動化必須不斷優(yōu)化智能技術(shù)，才能更好地控制船舶機(jī)械自動化，通過智能控制提高柴油機(jī)的整體燃燒效率，從而提高能源系統(tǒng)的性能，保證了不同環(huán)境和工況下的自動協(xié)調(diào)驅(qū)動，提高了船舶渦輪的效率。

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