325 000 DWT礦砂船空氣潤滑系統(tǒng)設(shè)計與安裝

許正杰　林豐財

摘? ? 要：船舶空氣潤滑系統(tǒng)是一種利用空氣泡來減少船舶阻力的裝置。該裝置將空氣從船舶底部快速噴出，形成蜂巢狀氣泡，這些氣泡能迅速聯(lián)合起來，在船體外表面形成1～2 cm厚的空氣層，有效減少船舶航行時的阻力，提高推進效率，減少燃料消耗，實現(xiàn)節(jié)能減排。本文介紹325000DWT礦砂船空氣潤滑系統(tǒng)的設(shè)計方案、安裝程序及要求，可為類似項目提供借鑒。

關(guān)鍵詞：船舶節(jié)能減排;空氣潤滑系統(tǒng);壓縮空氣;空氣釋放裝置

中圖分類號：U674.13+4.1 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Design and Installation of 325 000 DWT

Ore Ship Air Lubrication System

XU Zhengjie， LIN Fengcai

（ China Merchants Heavy Industry （Shenzhen） Co.， Ltd.， Shenzhen 518054 ）

Abstract： Ship air lubrication system reduces the resistance between the hull and sea water by using air bubbles. The system rapidly ejects air from the hull to form honeycombed bubbles and rapidly unite to form an air layer of thickness 1～2 cm outside the hull， effectively reduces the ship sailing resistance， improves propulsion efficiency， reduces fuel consumption and achieves energy conservation and emission reduction. This paper introduces the design scheme， installation procedures and requirements of 325 000 DWT ore ship air lubrication system.

Key words： Ship energy conservation and emission reduction;? Air lubrication system;? Compressed air; Air release device

1? ? ?前言

隨著工業(yè)文明的不斷發(fā)展，人類面臨全球氣候變暖、臭氧層破壞、大氣污染與酸雨等環(huán)境問題，節(jié)約能源、降低能源消耗、減少污染物排放逐漸成為全世界的共識。航運業(yè)是國民經(jīng)濟、對外貿(mào)易、社會發(fā)展的重要支撐，與陸運和空運相比，航運憑借其覆蓋范圍廣、航道投資小、運輸能力強、占地少、成本低的優(yōu)勢，在現(xiàn)代貨物運輸中占有不可替代的地位。例如，我國水路貨物運輸量從2015年的56.43億t增加到2020年的80.15億t，年復(fù)合增長率達到7.27%。但是目前船舶的主要燃料是輕質(zhì)柴油和重油等，其燃燒排放的CO2和SO2是導(dǎo)致溫室效應(yīng)和酸雨的主要成分。根據(jù)IMO估計，在不采取措施的情況下，到2050年全球航運業(yè)溫室氣體排放量比值將由2018的3%升至5%左右，因此船舶節(jié)能減排也是世界各國造船界和航運界的重要研究課題。

船舶節(jié)能減排可以從提高燃油經(jīng)濟性、選用清潔能源、減少排放污染物、提高船舶操作性、減小船體阻力等幾個方面著手。船舶空氣潤滑系統(tǒng)就是利用空氣泡來減少船舶阻力，提高推進效率，從而實現(xiàn)船舶節(jié)能減排的目的。

2? ? 空氣潤滑系統(tǒng)簡述

船舶空氣潤滑系統(tǒng)，是一種利用空氣泡來減少船舶阻力的裝置。該裝置將空氣從船舶底部快速噴出，形成蜂巢狀氣泡并迅速聯(lián)合起來，在船體外表面形成1～2 cm厚的空氣層。由于空氣阻力遠小于水面，能極大的減少船舶航行時的阻力，減少燃料消耗，達到節(jié)約能源的目的。

本船為325 000 DWT礦砂船，船長340 m、型寬62 m、型深29.5 m、結(jié)構(gòu)吃水21.4 m，服務(wù)航速約14.6 kn;主機為SMCR 21 000 kWx58 r/min、CSR17850 kW x54.9? r/min;本船新增安裝的空氣潤滑系統(tǒng)，主要由壓縮空氣系統(tǒng)、閥門遙控系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)等組成。

2.1? ?壓縮空氣系統(tǒng)

壓縮空氣系統(tǒng)，主要由10 臺空氣壓縮機、空氣管和的空氣釋放裝置組成。系統(tǒng)設(shè)計壓力2.5 bar、試驗壓力3.8 bar、設(shè)計溫度215 ℃、運行溫度0～215 ℃。

2.1.1空氣壓縮機

本船設(shè)有10臺空氣壓縮機，每臺額定耗氣量1600 m3/h，安裝于位于船首的儲物間;采用低壓螺桿式空氣壓縮機，由壓縮機及馬達、空氣濾器、冷卻系統(tǒng)及閥門等附件組成，為系統(tǒng)提供無油、穩(wěn)定的壓縮空氣;壓縮機為風(fēng)冷型，冷卻系統(tǒng)包括：潤滑油冷卻器、油泵、油濾器、油液觀察鏡等。潤滑油液對壓縮機進行潤滑、冷卻后，循環(huán)至至潤滑油冷卻器，通過自帶的風(fēng)機對油液進行降溫;10臺壓縮機由10臺恒轉(zhuǎn)矩變頻器控制。

壓縮空氣系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。

2.1.2空氣管

空氣管主要用來連通空氣壓縮機出口至安裝在船底板上的空氣釋放裝置。每臺空氣壓縮機負責(zé)2個空氣釋放裝置所需要的壓縮空氣，實現(xiàn)方式為：從壓縮機連接一根空氣主管路下艙，在靠近空氣釋放裝置的空艙內(nèi)設(shè)置一個Y型分支管，將主管路的壓縮空氣分成兩路，分別進入兩個空氣釋放裝置（見圖2）;同時，在Y型支管上安裝有液位傳感器，監(jiān)測管路內(nèi)液體情況，防止海水進入管路造成管路腐蝕等風(fēng)險;系統(tǒng)設(shè)置10套獨立的空氣主管路，從相應(yīng)的空氣壓縮機連接至船底對應(yīng)的空氣釋放裝置。由于系統(tǒng)未設(shè)置空氣冷卻器，經(jīng)過壓縮后的空氣溫度超過200 ℃，因此該系統(tǒng)所有管路被定義為Ⅱ級管。

由于溫度、船型等原因，空氣管具有如下幾個獨特的要求：

（1）管內(nèi)氣體溫度高，空氣管伸縮量需經(jīng)過計算，并根據(jù)計算結(jié)果合理設(shè)置伸縮接頭，布置在管路的不同位置。本系統(tǒng)設(shè)計要求的伸縮量達到±80 mm，該伸縮量大大地超出了一般國標標準，最終在每根管線的不同位置設(shè)置安裝了2個伸縮量為±80 mm的定制波紋式不銹鋼伸縮接頭;

（2）由于管路伸縮量較大，管路需采用滑動式支撐，管路伸縮時管路和管夾相對位置固定，管夾和支撐面板做相對運行，如圖3所示。

（3）由于管路內(nèi)部壓縮空氣溫度較高，本項目采用40 mm厚half式鋁箔巖棉管作管路熱絕緣包覆，并在露天位置包覆0.3 mm不銹鋼皮，接縫處使用玻璃膠密封防止進水;同時，為避免在裝卸貨時被掉落的礦石破壞管路和絕熱包覆層，在開闊甲板位置專門設(shè)置了管路保護罩;

（4）由于Y型管路內(nèi)部安裝有液位傳感器，因此Y型管必須水平安裝，不可垂直或傾斜安裝;

（5）考慮到通海閥后期維護保養(yǎng)等需求，將通海閥設(shè)置在的空艙內(nèi)，通海閥與空氣釋放口之間的管路采用對接焊連接，接焊的管路總長約270 m，因此塢內(nèi)焊接工作量很大;船進塢前需仔細檢查空氣管各接口處坡口及焊前準備工作，提前打磨處理匹配的管口，防止增加塢內(nèi)打磨工作影響塢期。

2.13空氣釋放裝置

空氣釋放裝置的作用是將空氣均勻的釋放出去，形成空氣膜.主要由三部分組成：空氣室、導(dǎo)流板，犧牲陽極，如圖4所示。

本船的空氣釋放裝置，設(shè)計尺寸為：4700x1480xH470 mm。

空氣釋放裝置的安裝分為以下幾個步驟：

（1）焊接空氣室和船舶外板，對接縫處鋼板外部對齊;

（2）根據(jù)圖紙，安裝、焊接空氣釋放裝置周邊加強結(jié)構(gòu)，監(jiān)控焊接過程中熱變形，如出現(xiàn)較大變形需及時采取有效措施調(diào)整;

（3）將ARU和外板之間焊縫打磨平整，最大程度減少海水的紊流，為氣泡毯的形成創(chuàng)造最佳條件;

（4）將空氣管安裝、焊接至空氣釋放裝置，并按要求試壓;打磨焊接位置，按照廠家要求或規(guī)格書涂裝;

（5）安裝鋅塊。需特別注意鋅塊和壁板之間要安裝橡膠墊塊，避免破壞空氣釋放裝置表面的油漆，導(dǎo)致空氣釋放裝置在高速氣流作用下快速腐蝕;

（6）安裝導(dǎo)流板。按照圖紙要求檢查間隙是否滿足要求，并報設(shè)備廠家確認后，用貝爾佐納將螺母覆蓋并使其表面平滑、修補油漆;

（7）檢查確認。確保空氣釋放裝置內(nèi)部無異物，所有鋅塊、導(dǎo)流板及其固定螺栓安裝正確;檢查導(dǎo)流板間隙、管路穿艙件、閥門等;塢底清潔，確保無異物進入空氣釋放裝置。

通海閥安裝在空艙內(nèi)，根據(jù)規(guī)范選擇單作用遙控液壓蝶閥（失壓關(guān)閉），使用三偏心式的硬密封蝶閥來滿足耐高溫的要求;采用工作壓力10 MPa的液壓遙控系統(tǒng)控制閥門啟閉。

空氣釋放裝置的三個部分及連接螺栓，在上船安裝前需預(yù)安裝。根據(jù)圖紙要求復(fù)核所有尺寸，重點檢查導(dǎo)流板邊緣與空氣室壁板的間隙，誤差范圍控制在在-1～5 mm;同時檢查和船體外板焊接處的坡口形式是否滿足要求、犧牲陽極是否可按要求安裝到位。

2.2? ?閥門遙控系統(tǒng)

通海閥遙控系統(tǒng)，包括：液壓泵站、電磁閥箱、閥門遙控箱以及應(yīng)急手搖泵充氮裝置等附件：

（1）液壓泵站

液壓泵站由兩臺液壓油泵、一個液壓油柜、及兩個氮氣緩沖罐及一臺控制箱組成。液壓油泵采用一用一備的工作模式，為系統(tǒng)輸出壓力為10 MPa的液壓油;為平穩(wěn)輸出壓力，減少液壓油泵頻繁啟停，設(shè)置了兩個氮氣緩沖罐;為保障液壓系統(tǒng)安全、高效的工作，液壓泵站具備高壓報警、低壓報警、油箱低油位報警、油溫高溫報警、濾器堵塞報警、電機過載報警、失電報警，綜合報警等功能。

（2）電磁閥箱

電磁閥箱工作壓力為10 MPa，包含內(nèi)部模塊及接線;管路接口位于兩側(cè)，且任何一側(cè)都可接入來自液壓泵站的動力油，設(shè)置二位三通電磁換向閥控制閥門啟閉;利用流量開關(guān)，計算閥門的開關(guān)狀態(tài)，并將信號傳遞至閥門遙控箱。

（3）閥門遙控箱

閥門遙控箱配置觸摸屏人機交互界面、內(nèi)部電源、服務(wù)插座、控制電路保護、ModBus Serial RS485接頭、繼電器、電源故障信號、通訊故障信號、硬線連接遙控、電壓指示燈等功能;在每個閥門的液壓管路上設(shè)置應(yīng)急閥塊。若液壓系統(tǒng)故障導(dǎo)致閥門無法開啟，可將應(yīng)急手搖泵連接到應(yīng)急閥塊，利用手搖泵開啟閥門。

2.3? ?通風(fēng)系統(tǒng)

由于船首部儲物間內(nèi)新增安裝10臺大流量空氣壓縮機，為滿足儲物間內(nèi)用氣量、環(huán)境溫度、濕度等要求，在儲物間新增安裝4臺雙速送風(fēng)機、4臺雙速抽風(fēng)機和風(fēng)機控制板，并設(shè)置溫度傳感器、壓差傳感器;送風(fēng)機需設(shè)置除鹽霧裝置，避免大量水汽進入儲物間，有利于提高儲物間內(nèi)空氣壓縮機等設(shè)備的使用壽命，降低故障率。

（1）通風(fēng)系統(tǒng)采用雙速風(fēng)機，送風(fēng)風(fēng)機和抽風(fēng)風(fēng)機一一對應(yīng)，共分為四組;

（2）儲物間內(nèi)溫度要求為30 ℃～40 ℃;

（3）壓縮機正常運行信號或啟動信號輸入通風(fēng)控制系統(tǒng)內(nèi)，運行邏輯為：當(dāng)室內(nèi)溫度低于 -10 ℃時， 所有風(fēng)機停止運行;溫度低于25 ℃時，只有一臺送風(fēng)風(fēng)機在高速狀態(tài)運行，其對應(yīng)的抽風(fēng)風(fēng)機在低速狀態(tài)運行，其余風(fēng)機停止;溫度在25 ℃～30 ℃時，其中一組的送風(fēng)風(fēng)機高速運行，對應(yīng)抽風(fēng)風(fēng)機及其它所有風(fēng)機低速運行;溫度在30 ℃～40 ℃時，其中兩組風(fēng)機高速運行，其余兩組低速運行;溫度超過40 ℃時，四組風(fēng)機全部為高速運行狀態(tài);溫度超過45℃時，高溫報警輸出，并控制壓縮機停止工作，保護壓縮機。正常情況下，儲物間會保持約50 Pa的輕微正壓，如壓差信號降至 -150 Pa或高于200 Pa，會在中控系統(tǒng)顯示報警，以提醒船員開門操作時注意安全。

2.4? ?電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)，主要包括以下幾個部分：配電系統(tǒng);IAS報警系統(tǒng);空氣潤滑系統(tǒng)等。

（1）配電系統(tǒng)

主要包括：在配電板內(nèi)增加2個1250A的空氣開關(guān);在功率管理系統(tǒng)增加空氣潤滑系統(tǒng)重載問詢及優(yōu)先脫扣等功能;

（2）IAS報警系統(tǒng)

增加空氣潤滑系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)及閥門遙控系統(tǒng)的報警、控制及顯示，通過RS484通訊及硬點連接，實現(xiàn)對整個新增電氣系統(tǒng)的報警、控制及顯示功能的遠程控制和顯示;

（3）空氣潤滑系統(tǒng)

根據(jù)主機功率不同，通過變頻器控制空氣壓縮機的運行，使得空氣釋放量與船舶航行狀態(tài)相匹配。

由于系統(tǒng)涉及大量信號電纜及動力電纜，由船頭敷設(shè)到船尾的機艙或駕駛臺等處，需安裝專門的電纜管，且動力電纜和信號電纜分開敷設(shè)。

3? ? ?結(jié)束語

空氣潤滑系統(tǒng)安裝及調(diào)試完成后，按照在不同主機功率、航速下，開啟和未開啟空氣潤滑系統(tǒng)等條件，進行航速功率試驗及航行試驗。根據(jù)空氣釋放裝置廠家的實驗數(shù)據(jù)，可節(jié)省5%～10%的船舶推進所需燃料。此空氣潤滑系統(tǒng)是船舶節(jié)能降耗新技術(shù)在實船的應(yīng)用，相比于老舊船舶更換或改造主機，安裝空氣潤滑系統(tǒng)成本更低且更易于安裝。