船舶廢氣脫硫處理系統(tǒng)模塊化研究＊

詹曉宇，王忠喜，劉 穎

（南通愛德普船舶科技有限責(zé)任公司，江蘇 南通 226004）

1 研究背景

船舶建造的模塊化概念始于二戰(zhàn)期間美國的大規(guī)模造船，當(dāng)時擁有160 多萬造船工人的美國建造了1 768 艘之多的軍用艦船。大量標(biāo)準(zhǔn)化船的建造促進了焊接技術(shù)和分段建造技術(shù)的發(fā)展，而這些技術(shù)又在20 世紀(jì)50 年代由日本造船業(yè)加以發(fā)展，60 年代則結(jié)合了成組技術(shù)產(chǎn)生了今天模塊化建造技術(shù)的雛形。1971 年，前蘇聯(lián)正式提出了模塊化造船方法，于1977 年用此方法建造了10 萬t 級的“鮑里斯-布托瑪”礦油兩用船，如圖1 所示，該船由馬里蘭州的伯利恒-法菲爾德船廠建造，從鋪設(shè)龍骨到下水僅用時24 d。隨后美國開始研究模塊化造船方法并開始組織生產(chǎn)，到70 年代末，美國的模塊化造船思想更趨成熟。

圖1 俄制“鮑里斯-布托瑪號”礦油兩用船

20 世紀(jì)70 年代中期，德國B&V 公司通過模塊化設(shè)計創(chuàng)造了MEKO 型護衛(wèi)艦，如圖2 所示。它的核心是標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，針對不同用戶的性能需求和成本限制來更換和增減不同的功能模塊，因此具有適應(yīng)性強、結(jié)構(gòu)可靠、建造周期短和費用低廉的顯著優(yōu)點，為世界海軍艦艇建造開創(chuàng)了新的模式。

圖2 德制MEKO 型護衛(wèi)艦

20 世紀(jì)80 年代中期，中國造船業(yè)順利引入了模塊化生產(chǎn)設(shè)計造船，開始了模塊化技術(shù)的研究和探索，由于模塊化設(shè)計造船具有明顯的優(yōu)越性而表現(xiàn)出強大生命力，從長遠(yuǎn)來看，它的推廣和逐漸完善無疑將帶來造船工業(yè)的一場革命。

與模塊化建造方法帶來的收益一樣，模塊化設(shè)計技術(shù)的發(fā)展也同樣給造船業(yè)帶來了巨大收益，降低設(shè)計成本，縮短設(shè)計周期，使個性化和系列化產(chǎn)品之間的維護、更新、回收和設(shè)計再造都變得更加方便。船舶模塊化設(shè)計建造技術(shù)能夠保證設(shè)計具有結(jié)構(gòu)簡單、功能齊全、目標(biāo)多樣、便于制造等優(yōu)點，通過對船舶動力廢氣脫硫處理系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，將實現(xiàn)不同級別/等級船舶的快速設(shè)計轉(zhuǎn)化應(yīng)用，因為這些模塊具有可選性部件，所以針對船東的要求可以進行隨時更改與優(yōu)化，并且還可以改變模塊與船體之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，同時也能夠加強船舶制造的個性化與系列化，更加有助于船舶的維護、更新、回收以及設(shè)計。

2 模塊化簡介

模塊化是一種新的設(shè)計方法，旨在幫助人們將復(fù)雜的系統(tǒng)簡化，然后根據(jù)技術(shù)將各個小系統(tǒng)聯(lián)系起來，最終完成船舶脫硫模塊化的設(shè)計和建造。脫硫模塊化設(shè)計改造中的地中海MSC 利沃諾集裝箱船如圖3 所示。模塊化的系統(tǒng)理論要求在建造設(shè)計過程中，須把各種部件視為一個系統(tǒng)并深入了解各個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，找尋各個系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與環(huán)境之間、要素與系統(tǒng)之間的關(guān)系，從而找到優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有效方法，實現(xiàn)系統(tǒng)的和諧統(tǒng)一，同時能夠有效地降低設(shè)計成本，減少船舶改裝制造周期，為船舶制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來非?？捎^的經(jīng)濟收益。

圖3 脫硫模塊化設(shè)計改造中的地中海MSC 利沃諾集裝箱船

模塊是一個相對獨立的整體，但并不是一成不變，船舶設(shè)計師要善于利用模塊的特性從開始就關(guān)注和參與模塊的選型，主動向廠商提供設(shè)計的背景材料并提出具體設(shè)計要求，同時在審閱模塊認(rèn)可圖紙時提出必要的個性意見，時刻關(guān)注與參與模塊的設(shè)計，以便在項目設(shè)計中充分利用好模塊的所有優(yōu)點；在進行船舶設(shè)備制造時，要嚴(yán)格按照設(shè)計方案的要求和每個模塊的建設(shè)特點，進行具體的操作。如果在進行模塊化制造的同時存在與設(shè)計方案不相符的地方，必須及時與設(shè)計人員進行溝通與交流，避免最終制造出來的船舶設(shè)備在應(yīng)用時出現(xiàn)嚴(yán)重質(zhì)量問題；企業(yè)也應(yīng)該聘請更加專業(yè)的人員做好制造現(xiàn)場的技術(shù)指導(dǎo)，確保每個模塊的建設(shè)質(zhì)量能夠符合模塊化設(shè)計方案的要求，這樣才能保證最終制造出來的船舶設(shè)備在實際應(yīng)用時具備更加完善的功能，同時為企業(yè)與社會帶來更多的經(jīng)濟效益。

3 研究與開發(fā)

船舶脫硫系統(tǒng)的模塊化設(shè)計和建造的首要問題就是所涉及的對象較為復(fù)雜，廢氣洗滌系統(tǒng)布置范圍較廣且體積龐大，包括了多個平臺和功能模塊，船舶的規(guī)模越大，其系統(tǒng)也越復(fù)雜，給安裝設(shè)計帶來不小的困難，要達(dá)到模塊化設(shè)計的目標(biāo)，就必須合理地對頂層進行規(guī)劃。目前中國船舶的建造研究的主線還在縱向方面，即針對不同型號的產(chǎn)品來設(shè)計研發(fā)，而模塊化生產(chǎn)的前提是跨型號的橫向產(chǎn)品開發(fā)和研制，所以要先制定模塊化體系，然后針對不同的產(chǎn)品類系進行研究和開發(fā)，逐步完善各個功能系統(tǒng)、裝配對象生產(chǎn)模塊化部件，并最終在生產(chǎn)體系中推廣，這樣才能保證船舶設(shè)計建造的模塊化得以實施，同時也可以保證對新船型的研發(fā)和生產(chǎn)。

整個模塊化生產(chǎn)的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具備必要的先進性，即在較長時間內(nèi)應(yīng)保持穩(wěn)定，所有模塊的設(shè)計都應(yīng)當(dāng)符合某一個系列的船舶長期應(yīng)用，進而使之得到推廣，并在典型化界面上保有一定的余量，提高其發(fā)展適應(yīng)性。另外，在設(shè)計的過程中盡量借鑒國外的先進經(jīng)驗，少走彎路，此時并不是直接照搬經(jīng)驗而是應(yīng)進行消化和理解，力求建立一套設(shè)計和制造符合中國國情并可以與國際接軌的模塊開發(fā)體系，用以支持實際生產(chǎn)的發(fā)展需要。

其設(shè)計主要步驟如下。

第一步，獲取用戶需求。主要負(fù)責(zé)和外界客戶的交流，獲取客戶的需求信息，并對獲得的需求信息進行整理、分析和綜合，生成能反映客戶的真實想法且格式規(guī)范的客戶需求集。

第二步，匹配設(shè)計實例。系統(tǒng)根據(jù)格式規(guī)范的需求集，首先查找產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，計算各客戶需求向和產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中提供的擠出產(chǎn)品的對應(yīng)項的相似度，從而找到相似度最大的基礎(chǔ)產(chǎn)品。如果滿足當(dāng)前需求，則可以直接反饋給客戶；如果某些特殊要求不能滿足，則通過替換或增添模塊來完成當(dāng)前項的特殊要求。

第三步，功能分解。如果沒有獲得滿意的相似設(shè)計實例，在產(chǎn)品客戶需求建立的基礎(chǔ)上，將客戶需求轉(zhuǎn)化為總功能需求，同時將總功能逐級分解為子功能，獲得功能結(jié)構(gòu)圖然后進行功能求解，此過程中需要設(shè)計知識和設(shè)計規(guī)則的支持，因此要建立設(shè)計知識庫、數(shù)據(jù)庫等作為設(shè)計的支撐。

第四步，模塊配置?？梢酝ㄟ^兩種驅(qū)動方法來進行模塊配置：需求驅(qū)動和功能驅(qū)動，利用數(shù)據(jù)庫中的配置規(guī)則和約束條件，遵循產(chǎn)品模塊化設(shè)計方案，從對應(yīng)的各類模塊中進行選取與組合；如果結(jié)構(gòu)模塊數(shù)據(jù)庫中現(xiàn)有的模塊不能滿足某些功能需求，則要根據(jù)這些模塊信息進行虛擬模塊的設(shè)計，并將這個結(jié)果存入結(jié)構(gòu)模塊數(shù)據(jù)庫。

第五步，方案評估。即對所獲得的若干個可行方案進行綜合評價，選出最優(yōu)方案作為產(chǎn)品概念設(shè)計的最終方案進行提交。

第六步，輸出結(jié)果，同時存入產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，這也是概念設(shè)計的最后一步，將滿足用戶需求的最優(yōu)方案輸出，以供審查、分析和反饋，同時將此方案最新的實例加入產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中，以便保留設(shè)計經(jīng)驗。

以上6 個設(shè)計過程不是相互獨立的，而是互相關(guān)聯(lián)的一個有機的整體。用戶需求的獲得與處理是設(shè)計的第一步，同時也是后續(xù)所有階段的前提；功能分級必須依賴于所獲得的信息和專家的設(shè)計知識與設(shè)計經(jīng)驗；模塊配置是在前兩個階段的基礎(chǔ)上進行的，且模塊配置過程同時又影響著產(chǎn)品的總功能的分解方式；方案的評價則是對產(chǎn)生的后續(xù)方案進行評價，如符合要求則輸出滿意方案，否則根據(jù)方案評價信息重新進行功能分解、模塊配置和方案評價，直至得出復(fù)合設(shè)計要求的設(shè)計方案。因此，可以看出流程開始于用戶需求的獲取，終止于方案的客戶端輸出，從而保證了客戶需求的準(zhǔn)確表達(dá)。

4 注意事項

模塊化船舶產(chǎn)品設(shè)計的基本原則與一般產(chǎn)品的設(shè)計大體相同，總體來說就是船舶產(chǎn)品的組成、結(jié)構(gòu)布局、產(chǎn)品的各組成部分的功能、接口關(guān)系及要求等，關(guān)鍵是實現(xiàn)有效的模塊化設(shè)計，所以不僅需要從整體系統(tǒng)的觀點出發(fā)，更要從建造的觀點出發(fā)進行提前設(shè)計，在應(yīng)用時需注意以下幾個方面：①堅持以型號之間通用化和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計方案為基礎(chǔ)，建立船舶脫硫系統(tǒng)模塊的成套設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)文件。②為了在脫硫系統(tǒng)實踐中廣泛地采用模塊化設(shè)計，就必須建立標(biāo)準(zhǔn)的、典型的模塊系列。③在選擇模型種類時，應(yīng)遵循相關(guān)規(guī)定，即在基本型模型基礎(chǔ)上設(shè)計的船舶系列，應(yīng)在船體結(jié)構(gòu)和安裝、裝配單元的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一技術(shù)措施和共用性，保證建立結(jié)構(gòu)模塊和技術(shù)模塊的標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列；在多用途平臺基礎(chǔ)上設(shè)計的單元系列，應(yīng)根據(jù)完工組合體和相關(guān)配套設(shè)備來統(tǒng)一技術(shù)，以保證功能模塊的建立及尺寸系列的完善；在綜合基本型模塊基礎(chǔ)上設(shè)計的船舶系列，應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一技術(shù)措施的共用性，以保證建立典型和標(biāo)準(zhǔn)的功能性總體模塊。

5 優(yōu)點

隨著越來越多的航運公司選擇對已有和新造船只加裝脫硫設(shè)備來控制污染排放，從而使船舶的脫硫模塊化設(shè)計成為了一種高效的解決途徑，模塊化產(chǎn)品也可以被廣泛地應(yīng)用，從而提高修造船效率。模塊化設(shè)計的核心思想是將產(chǎn)品進行模塊劃分后，通過對某些模塊進行重新設(shè)計或變形設(shè)計得到新的產(chǎn)品，以滿足客戶對產(chǎn)品個性化的需求，非常側(cè)重于實用功能，尤其是對某一特定類型的產(chǎn)品，它的使用范圍是非常廣泛的，隨著產(chǎn)品個性化和大規(guī)模定制模式的興起，模塊化設(shè)計已成為實現(xiàn)多樣化和快速設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。船舶配套設(shè)備的模塊化設(shè)計還是一種進行分類組合的設(shè)計。它非常特殊，主要強調(diào)的是一種整體的思想，并且注重內(nèi)部的配合和協(xié)調(diào)，通過各種組合來滿足多樣需求，具有很大的靈活性。模塊化設(shè)計更應(yīng)該注重設(shè)計，不僅是對船舶的本身，更應(yīng)該對整個系統(tǒng)進行一個完全的升級，達(dá)到更多的組合，在降低產(chǎn)品開發(fā)成本、縮短建造周期的同時，也能滿足客戶的個性化需求。此外模塊化設(shè)計既能便于船舶脫硫設(shè)備與系統(tǒng)的操作與維護管理，又利于船舶功能的日后修復(fù)與改裝，大大提高了船舶產(chǎn)品整個生命周期的經(jīng)濟性。目前，模塊化技術(shù)得到了廣泛的研究，為全球造船業(yè)爭相開發(fā)應(yīng)用。

6 結(jié)論

綜上所述，模塊化技術(shù)在造船業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，無論在軍艦制造還是民船研究方面都有了很大的突破。模塊化設(shè)計技術(shù)也已成為船舶脫硫設(shè)計建造的一把利器，面對目前船舶設(shè)計建造并行工程技術(shù)的應(yīng)用，相應(yīng)模塊化設(shè)計除對產(chǎn)品本身的設(shè)計資源分析形成產(chǎn)品模塊以外，還需針對船舶產(chǎn)品的復(fù)雜性及其相應(yīng)的設(shè)計過程進行必要的分析，從而提高設(shè)計效率的目標(biāo)，具備更加優(yōu)越的性能并發(fā)揮更大的作用，最終實現(xiàn)模塊系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)，形成持續(xù)優(yōu)化模塊系統(tǒng)的良性循環(huán)，同時實現(xiàn)各階段產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換的現(xiàn)實需求。企業(yè)在進行船舶配套設(shè)備生產(chǎn)制造時，還可以借鑒一些成功的設(shè)計經(jīng)驗，根據(jù)自身的生產(chǎn)現(xiàn)狀對于生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行改善和優(yōu)化，使得生產(chǎn)出來的產(chǎn)品設(shè)備在應(yīng)用時能夠發(fā)揮更大的價值，為船舶制造行業(yè)帶來更多的綜合效益。在這種大發(fā)展趨勢環(huán)境下還需加大引進和學(xué)習(xí)先進的計算機、人工智能等技術(shù)，同時深入研究科學(xué)的生產(chǎn)管理方法，這對未來提升中國的造船水平都具有重要的意義。