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大连海事大学┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊毕业论文 二○一四年六月船舶主柴油机实船工况分析专业班级轮机管理2010-1班姓名刘潇指导教师陈海泉轮机工程学院摘要随着我国航运业的不断发展,航运船队的规模不断扩大,控制船舶运营成本已经成为了一个重要的研究课题船舶主柴油机实船工况的研究对控制船舶柴油机的运行成本具有重要意义本文主要对运输船舶营运中船舶主动力装置柴油机的日常工况进行了论述和论证第一章主要介绍以柴油机作为船舶主动力装置的发展历史和柴油机特性;第二章研究了船舶动力装置的运行特性从船舶主动力柴油机特性曲线以及船机桨匹配进行分析,分析船舶主柴油机实船工况,选择船舶主动力柴油机合适的运行区间;第三章结合实船的主动力柴油机运行数据,制定出保证主机运行安全和高效的控制措施关键词船舶;船舶主动力装置;柴油机;运行工况ABSTRACTWiththecontinuousdevelopmentofChinasshippingindustrythesizeoftheshippingfleethasbeenexpandingcontrollingoftheshipoperatingcostshasbecomeanimportantresearchtopic.Researchingshipsmainengineworkingconditionisimportantforthecontrollingofmarinedieselengineoperatingcosts.Thispaperfocusesonthetransportship’sshippowerplantinoperationdailyworkingconditionsitwasdiscussedandstudied.Thefirstchapterintroducesthecharacteristicsofthedieselengineandthehistoryoftheanddieselenginedevelopmentasthemarinedieselpowerplant;ChapterIIstudiestheoperatingcharacteristicsoftheshipspowerplantitwasanalyzedofship dieselengine characteristiccurvesandthematchingofshipengineandpropeller analyzingtheshipmainpowerdieselenginesituationchoosetherightshipmainpowerdieselengineoperatingrange;ChapterIIIisbasedonshipsmainpowerdieselengineoperatingdatadrawsupcontrolmeasuresthatmakesdieselengineworkinsafeandefficientcondition.Keywords:ShipsshippowerplantDieselOperatingconditions船舶主柴油机实船工况分析
1.1船舶柴油机发展历程自从18世纪末瓦特改良蒸汽机以来,蒸汽机成为推动世界发展的动力1805年,富尔顿发明了实用的蒸汽机船,从此以后很多船舶开始用上了蒸汽机不过早期的蒸汽机工作压力很低,结构极其笨重,效率不到5%1876年,德国人奥托N.A.Otto第一次提出了四冲程循环即进气、压缩、膨胀、排气这四个过程原理,并发明了电点火的四冲程煤气机1893年德国工程师RudolfDiesel申请了压缩发火内燃机专利,并于1897年在曼恩公司研制成功第一台使用液体燃料的内燃机压燃式、空气喷射、定压燃烧,其效率比煤气机提高了近一倍内燃机的问世,是继蒸汽机之后发动机发展的又一个里程碑
[1]随着石油的开发,柴油却率先在船舶推进中得到极大应用1903年,俄国的“万达尔”号(Vandal)油轮和法国的“佩迪特.皮埃尔”号(Petite-Pierre)成为最早装备柴油机的船舶,第一艘柴油机动力军舰是1904年法国建造的“埃吉瑞特”号(Aigrette)潜艇早期柴油机主要应用于内河船舶和近岸潜艇,在经历了最初的发展阶段后,柴油机技术日益成熟,单机功率和可靠性都有大幅提高,为柴油机航向大海和远洋创造了基础1912年,是人类航海史上重要的一年这一年,第一艘真正意义上的大型远洋轮船-“锡兰迪亚”号(MSSelandia,MS为MoterShip)建成,第一次世界大战后,柴油机性能有了新的提高,柴油机的装船数量开始上升,1921年左右柴油机已经开始在客轮上使用1920年~1930年末,是柴油机技术发展的黄金时代,柴油机越造越大,功率越来越高新技术的出现促进了柴油机的发展,主要技术革新来自于燃油喷射的改进和增压技术的采用1930年代后,船用柴油机向大功率方向发展,二冲程的使用日趋普遍对于两台气缸直径、活塞行程及转速等相同的柴油机,二冲程柴油机在一个循环中有1/2的冲程在作用,而4冲程柴油机仅有1/4时间做功,因此二冲程的输出功率要明显优于四冲程实际上由于考虑到二冲程柴油机气缸上开有气口而使工作容积有所减少,机械传动的扫气泵也要消耗一定功率等因素,二冲程柴油机的功率只能增大60~80%二冲程柴油机与四冲程柴油机基本结构相同,主要差异在配气机构方面二冲程柴油机没有进气阀,有的连排气阀也没有,而是在气缸下部开设扫气口及排气口;或设扫气口与排气阀机构二冲程柴油机还专门设置一个由运动件带动的扫气泵及贮存压力空气的扫气箱,利用活塞与气口的配合完成配气,从而简化了柴油机结构二冲程内燃机换气后,气缸内残余多少废气,或者说气缸内能充入多少新鲜充量,直接影响内燃机性能二冲程内燃机没有单独的排气冲程和进气冲程,不能利用活塞的推挤作用清除废气,要使气缸清扫干净比较困难,难以得到高的扫气质量因此,改进二冲程内燃机的扫气作用是一项重要的工作二冲程内燃机主要有横流、回流和直流3种扫气方式在二战前,双动式的二冲程柴油机比较流行这种柴油机在活塞的上下两边都设有燃烧室,可以推动活塞在两个方向都做功,因此称为双动双动比单动能输出更大的功率不过双动柴油机的结构比较复杂,而且活塞杆穿透气缸,因此对气密要求很高,现代柴油机已经不再采用这种双动的方式了采用增压技术在柴油机的发展中是一个里程碑,增压技术显著提高了进气压力,空气的压缩比进一步提高,在同等条件下,增压显著减少了柴油机的尺寸和重量,提升了输出功率1920年代,二冲程柴油机的兴起后,在排气过程中就必须用高压空气扫除气缸中的废气,并吹入新鲜空气,因此增压器的作用就更为重要了1915年,布奇在苏尔寿的柴油机上进行了废气增压的试验1927年,曼恩公司成功的在其生产的10缸4冲程柴油机上安装了废气增压装置,对功率提升非常明显,输出功率从1250千瓦提升到1765千瓦,提升幅度超过40%二战结束后,船用柴油机经历了新一轮的发展,性能不断提高从上世纪40年代-70年代,大功率低速船用柴油机继续向大缸径、大功率方向发展,同时进一步提高进气压力和气缸工作压力,加大气缸排气量在柴油机结构上广泛使用了焊接结构,降低结构重量,普及涡轮增压,使用劣质燃油,提高经济性,这些都使柴油机技术有了飞跃发展在缸径方面,1956年只有740-760毫米,单缸功率只有1200-1400马力;1960年达到840-900毫米,单缸功率达2100-2300马力;1965年缸径达930毫米,单缸功率2750马力,1970年,缸径超过1米(达1060毫米),单缸功率超过4000马力,1977年达到4600马力
[2]船用柴油机进入了黄金年代,在民船上完全取代了蒸汽动力1970年代以后,爆发了两次石油危机,原油价格急剧上涨,运输成本不断提高,对燃油经济性的要求日显突出,柴油机主要以提高单机功率、降低比重量以及提高可靠性和经济性为主要改进方向
[3]1980年后,世界柴油机市场向巨头集中1980年,德国曼恩公司收购丹麦BW公司,1997年芬兰瓦锡兰公司与瑞士苏尔寿公司合并,实现了强强联合各大柴油机公司经过了一轮新的整合,优胜劣汰之后,技术水平不断提高,机型有所减少在技术方面,除继续增大单缸功率外,电子控制技术也在柴油机上得到广泛应用,燃油喷射、排气阀驱动、增压、气缸润滑等都可由全电子驱动,柴油机的电子化、信息化和智能水平不断提高,热效率进一步提高,并不断满足更高的排放标准要求近十几年以来,船舶大型柴油机在民用船舶动力装置领域中更是占绝对的统治地位,不仅占领了VLCC、大型散装船和集装箱船等在传统上认为属于蒸汽动力装置的领域,而且还向蒸汽动力装置统治的最后一个堡垒——LNG船的动力装置发起了冲击
[1]
1.2船舶柴油机特性
1.
2.1船舶柴油机结构船舶柴油机的结构比较复杂,它是由许多机构和系统组成尽管各种柴油机的结构、型号各异,但从工作原理和总体结构上则有很多共同之处柴油机主要由主要固定件(机座、机架、气缸和气缸盖等)、主要运动件(活塞、连杆组件、十字头和曲轴等)、配气机构及换气系统(进排气阀、气阀传动机构、凸轮轴及凸轮轴传动机构等)、燃油系统(喷油泵、喷油器和高压油管等)、润滑系统(气缸注油系统和曲轴箱油系统等)、冷却系统(泵、冷却器和温控器等)、起动和控制系统(气动马达、起动电机、气缸启动阀、压缩空气系统等)等根据内部结构不同,船舶柴油机可分为十字头柴油机和筒形柴油机
1.
2.2船舶柴油机工作原理根据工作原理不同船舶柴油机可分为四冲程柴油机和二冲程柴油机按工作循环可分为四冲程柴油机和二冲程机两类柴油机的一个工作循环包括进气、压缩、燃烧、膨胀、排气五个过程,四冲程柴油机是曲轴转两转,也就是活塞运动四个行程完成一个工作循环,而二冲程柴油机是曲轴转一转,也就是活塞运动两个行程完成一个工作循环二冲程柴油机的工作与原理为第一冲程-活塞从下止点向上止点运动当活塞处于下止点时,排气阀和进气孔已打开,扫气室中的压缩空气便进入气缸内,并冲向排气阀,这动产生清除废气的作用,同时也使气缸内充满新空气当活塞由下止点向上止点运动时,进气孔首先由活塞关闭,然后排气阀也关闭;空气在气缸内受到压缩第二冲程-活塞从上止点向下止点运动活塞行至上止点前,喷油器将燃油喷入燃烧室中,压缩空气所产生的高温,立刻点燃雾化的燃油,燃烧所产生的压力,推动活塞下行,直到排气阀再打开时为止燃烧后的废气在内外压力差的作用下,自行从排气阀排出当进气孔被活塞打开后,气缸内又进行扫气过程四冲程柴油机的工作循环经历进气、压缩、做功和排气四个冲程柴油机在进气冲程吸人的是纯空气,在压缩冲程接近结束时,由喷油泵将高压柴油通过喷油器以雾状喷人气缸,在短时间内与压缩后的高温、高压空气混合,形成可燃混合气混合气温度大大超过柴油的自燃点,柴油喷人气缸后,在很短的时间内即自行着火燃烧,燃气压力急剧上升,温度急剧升高,在高压气体推动下,活塞向下运动并带动曲轴旋转做功废气则经排气门、排气管等处排人大气四冲柴油机在一个工作循环中,只有一个冲程做功,其余三个冲程都是为做功冲程创造条件的辅助行程因此,单缸发动机工作不平稳,需要通过飞轮等保证其圆周运动现代柴油机大多采用多缸结构,在多缸发动机中,所有气缸的做功行程并不同时进行,而尽可能有一个均匀的做功间隔例如六缸发动机,在完成一个工作循环中,曲轴旋转两周即720度,曲轴转角每隔120度就有一个气缸做功因而多缸发动机曲轴运转均匀,工作平稳,并可获得足够大的功率
1.
2.3低速级中速机高速机的应用根据转速不同,船舶柴油机可分为低速柴油机(n≤300r/min)、中速柴油机(300<n≤1000r/min)和高速柴油机(n>1000r/min)低速船用柴油机的特点是转速低(低于300转/分)、缸径大、冲程长、输出功率大,多用于1万马力以上的柴油机低速柴油机结构上一般采用直列气缸、二冲程、多缸并联、十字头结构,具有大气缸,长行程,高压缩等特点低速机一般可直接驱动大直径螺旋桨,能实现反转,省去了齿轮减速箱等传动要求,降低了成本,加之可以使用低质燃料油,运营成本远低于其它种类发动机在大型商船上,低速柴油机装量占绝对统治地位目前几乎世界上所有的大型商船都使用柴油机驱动中速柴油机转速在350-1200转/分之间,其体积较小,重量比轻,制动速度快大功率中速机主要用于客运班轮、作业船、滚装船等近年来,中速机在开发大缸径、提高整机功率方面做了大量工作,并在燃用劣质燃油、降低油耗、提高零部件的可靠性、提高使用寿命及高增压等方面取得显著成效
1.3船舶柴油机发展趋势国际海事组织(IMO)决定从2011年1月1日起实施IMOTierII排放法规与IMOTieI相比,IMOTierII排放法规氮氧化合物(NOX)必须降低20%,IMOTierIII排放法规则规定降低80%未来5~10年间,“京都议定书”及最近的’哥本哈根协议”也将生效,这些协议要求减少CO2的排放量因此,未来船舶柴油机面临着既要降低排放,又要降低耗油率的双重挑战调节喷油规律是减少NOX排放主要手段之一NOX排放量越低,对喷油量的控制精度要求越高传统柴油机使用的是机械控制系统,其响应特性、控制精度等均不能满足柴油机控制最优化的要求;同时,传统柴油机的设计指标是为额定工况优化的,而船舶行驶机动过程中,要求的柴油机运行区域很广,很多时候是偏离了额定工况的,此时柴油机的运行效率就会明显下降;再次,传统柴油机的燃料喷射系统是按照燃烧热效率最高来设计的,对燃烧过程中排放的大气污染物重视不够,在越来越重视污染控制的今天,也是不能满足要求的随着电子技术和计算机技术的迅速发展,柴油机控制向机电一体化方向发展,从而迈出了柴油机发展史上第三次革命-电控发动机的步伐由于电子技术的发展,柴油机运行信息的实时获取能力有了极大的提高,而微型计算机的出现,使得信息处理的能力有了质的飞跃利用电子控制技术,柴油机可以将原来相当一部分机械传动的控制机构改为由电磁阀及相应的控制机构取代,可以实现高精度的实时精确控制,从而能够在广泛的运行区域内实现对柴油机运行工况的最优化控制,使得柴油机性能得到大幅度的提高由于柴油机的工作主要依赖燃料喷射燃烧来实现,电控喷油系统也就顺理成章的成为了电控柴油机的重点发展方向第一代电控喷油系统是在传统的高压油泵-喷油器的组合中,结合了高速电磁阀进行喷射控制,其实现较为简单,但喷射压力和喷油量调节范围仍然受到了传统油泵的工况限制,尚未达到最优化控制的要求为了进一步改进燃料喷射燃烧的控制效果,出现了第二代电控喷油系统-高压共轨式电控喷油系统,该系统使用了一个具有较大容量的高压燃油蓄压器(油轨)取代传统的高压油泵,另外设置专用的补油高压泵向油轨供油由于蓄压器内的燃油压力远大于常见传统高压油泵的最大喷射压力,燃油喷射时的雾化程度更高,燃烧更完全,同时电磁阀可以在整个喷射过程中进行精确的喷射控制,无需顾虑传统喷射系统中燃油喷射压力下降的问题(由于油轨容积远大于单次最大喷油量,油轨内压力可视为基本上保持不变),不仅可以保证低工况时燃油的良好燃烧,改善低速时的转矩,还可以降低废气中污染物质的排放由于循环供油量和喷油状态之间的差异变化很小,柴油机的动力性能也得到了显著的改善目前,世界上主要的柴油机研发企业都已经在新一代柴油机上普及了共轨式燃油喷射系统随着柴油机电控技术的进一步发展,未来具有更强控制能力和更好控制效果的“智能型”柴油机将会是发展的主要方向当前船舶柴油机发展的基本目标仍然是强化、低耗、可靠、低排放和大功率,也可以概括为以节能为中心,充分兼顾到排放与可靠性的要求,全面提高柴油机性能根据此发展目标,今后船舶柴油机的研究和发展趋势仍然在下列几个方面:提高经济性的研究、柴油机电子控制技术的研究、降低柴油机排放的研究进一步提高柴油机的强化程度和提高柴油机的单缸和单机功率、改进柴油机的结构和提高可靠性与耐久性的研究以及代用燃料的研究
[1]本章小结本章主要介绍了船舶柴油机的发展,分析了船舶柴油机的工作原理和内部结构
二、船舶主动力柴油机运行分析
2.1柴油机特性船舶柴油机的特性反映出柴油机的动力性,经济性,和使用性能,它是柴油机的固有特性由于在实际设计和使用过程中柴油机的应用场合和其工作条件的不同,它的性能指标和工作参数存在很大的差役对柴油机特性的分析研究对合理使用柴油机特别是降低柴油机工作成本又很大的意义
2.
1.1速度特性柴油机平均有效压力pe保持不变,有效功率Pe随船舶柴油机的转速n改变而改变,称该特性为速度特性图
2.1柴油机速度特性曲线
2.
1.2负荷特性柴油机的运转转速n保持恒定,通过改变船舶柴油机的平均有效压力pe来改变有效功率pe,称该特性为负荷特性图
2.2柴油机负荷特性曲线
2.
1.3推进特性船舶柴油机按照螺旋桨的特性正常工作时,各性能指标和工作参数随转速或负荷变化的规律,称为柴油机的推进特性柴油机的特性曲线是船舶设计人员选用柴油机的重要依据柴油机有诸多特性曲线,其中对于船舶设计最为重要的是功率—转速特性(P=fn)及燃油消耗率—转速、负荷特性(g=fnp)
2.2船用柴油机工况曲线柴油机作为驱动机械结构运转的动力,其功率和转速是按照其带动的工作机械所需的功率和转速而变化的在目前柴油机船舶上,柴油机主要作为推进主机、发电机原动机和应急发动机(应急发电机、空压机和消防泵的原动机)根据目前柴油机在大型船舶上应用的不同条件,概括起来有三类工况发电机工况、螺旋桨工况和其他工况本文主要针对柴油机作为推进主机是的螺旋桨工况进行分析
[2]图
2.3船用柴油机工况曲线曲线
1.发电机工况曲线2螺旋桨工况曲线3其他工况
2.3船用柴油机选型区域每种型号的船舶柴油机都有其自己的选型区域(layoutdiagram),区域内任何一工况点都能被选定为约定最大持续功率(CMCR或SMCR)约定最大功率是指船东和厂商商定的船舶实际运行过程中使用的最大功率再确定完最大持续功率后,柴油机的运行范围即可确定目前世界上最大的两家船舶柴油机供应商MAN和瓦锡兰公司都会提供他们设计生产的柴油机的选型区域
2.
3.1MAN船舶柴油机选型图该主机适用选型区域按照功率与转速的组合进行定义L1-L2-L3与L4,其中L1表示额定MCR选型区域内转速与功率的任一组合均能用于选择选定最大持续功率SMCR点(L1-L2为100%nb等转速线,L3-L4为75%nb等转速线,L1-L3为100%Pb平均有效压力线,L2-L4为80%Pb平均有效压力线)图
2.4MAN船舶柴油机选型图
2.
3.2瓦锡兰船舶柴油机选型图该主机适用选型区域按照功率与转速的组合进行定义R1,R2,R3,与R4其中R1表示为船舶柴油机最大持续功率(MCR即标定功率)选型区域内转速与功率的任一组合均能用于选择选定最大持续功率SMCR点(R2为100%标定转速和55%标定功率的交点,R3为72%标定转速和100%标定功率的交点,R4为72%标定转速和55%标定功率的交点)图
2.5瓦锡兰船舶柴油机选型图
2.4螺旋桨推进特性
2.
4.1推进特性船舶推进系统中,船体、主机、螺旋桨三者处在同一推进系统中,组成一个有机统一的整体当要求船舶在某一工况下航行时,决定了机、桨的运转点当柴油机作为船舶主机带动螺旋桨工作时,二者总是必须要保持能量平衡在稳定运转的条件下,如果不计如传动带来的损失,主机发出的功率Pe和转矩Me等于螺旋桨的吸收功率Pp和转矩Mp因为螺旋桨所需的功率与转速的三次方成正比,船舶主动力装置带动螺旋桨工作时就必须满足螺旋桨运行中的功率要求如前所述,不计传动损失螺旋桨的吸收功率就等于主机功率这样,主机功率Pe与转速也是三次方关系,Pe=Pp=Cnp3(kW根据螺旋桨理论,桨的推力FP和转矩MP符合下列公式:Fp=KFρnp2D4Mp=Kmρnp2D5式中ρ——水的密度,kg/m3 D——螺旋桨直径,m; np——螺旋桨转速,r/min; KF——推力系数; Km——转矩系数KF、Km均为螺旋桨进程比λp的函数它们间的变化关系由实验测得如图所示图
2.6螺旋水动力桨特性曲线
2.
4.2螺旋桨特性曲线进程比λp是指螺旋桨每转一转实际产生的位移与螺旋桨直径D之比,即λp=vp/(npD)=hp/D式中hp——螺旋桨每一转的进程; v——船速λp是螺旋桨水动力性能的一个重要参数对一定的螺旋桨,λp取决于船舶的航行状态,即取决于船舶的航行工况当船舶在某一工况下稳定航行时,螺旋桨就有一个固定的λp值,KF和Km相应有一对应值从图9-4中可看到,λp减小时,KF和Km增大,可视为Fp和Mp都增加当λp=0时,KF和Km达最大值此时当np一定时Fp和Mp达到最大值,这相当于系泊试验或船舶起航的情况即vp=0随着λp的增大,KF和Km递减,Fp和Mp随之减小,这相当于船舶阻力降低的情况在λp>
1.0后,Kp和Km先后为零,这相当于桨推力和零转矩情况对一定的螺旋桨,直径是常数,海水的密度变化很小,也可以认为是常数在特定的某一航行条件下装载、气候、海面状况等条件不变的各种转速下航行时,vp/np基本不变,λp、KF、Km皆可视为常数这样,推力和转矩公式可写成Fp=C1np2Mp=C2np2即螺旋桨的推力和转矩与其转速的平方成正比螺旋桨所需功率Pp可由Pp=Mpn/9550来确定可得出螺旋桨功率与转速的关系式Pp=Cnp3上式反映出螺旋桨运转特性,即螺旋桨的吸收功率Pp与转速的三次方成正比将Mp=C2np2和Pp=Cnp3绘成Mp-np和Pp-np的关系曲线即为螺旋桨特性曲线图
2.7螺旋桨特性曲线
2.
4.3不同进程比时的螺旋桨特性曲线实际上,船舶的工况常常是变化的,在各个不同的航行条件下对应不同λp值当λp值不同时,同一转速下螺旋桨的转矩和吸收功率也相应有不同的值图示出在各种不同航行条件下螺旋桨功率与转速的关系曲线在图中可看出随着航行阻力的增加λp减小,螺旋桨特性线变陡图
2.7不同进程比时螺旋桨特性曲线
2.5航行工况(船舶阻力)对机桨配合点的影响船舶阻力变化引起螺旋桨的工作状况变化以螺旋桨的进程比λp来表示在船舶航行时,当船舶阻力增大重载、污底、逆风、顶流、浅水窄航道航行等或运动状态改变系泊、起航、转弯、倒航等时,会使λp减小,螺旋桨的特性线变陡,如图
2.9所示图中λpⅠ<λpⅡ<λpⅢ当机桨配合时,桨特性线Ⅱ与柴油机速度特性线2相交于a点若阻力增大时λp减小,桨特性线由Ⅱ变为Ⅰ,与速度特性线交于b点,柴油机转速、功率下降当船舶阻力减小时λp变大,螺旋桨特性线变得平坦曲线Ⅲ此时如果柴油机仍按原速度特性工作时,则工作点变到d点,柴油机的功率、转速均大于原功率和转速如果a点是正确的机桨配合工作点,则b点时柴油机的功率未得到充分发挥假如Ⅰ线太陡外界阻力太大,还会使柴油机工作在大转矩、低转速工况下,其热负荷较高,对柴油机的可靠性影响很大;d点时柴油机的转速太高,会使得柴油机的机械效率下降和机械负荷过大由运动部件惯性力增加引起为了使柴油机转速不致太高,则要减少循环供油量,使其工作在c点此时柴油机工作在部分负荷速度特性下,柴油机不能发出其全部功率
[5]图
2.8柴油机与螺旋桨的配合图
2.9不同配桨时机桨配合曲线
2.6船舶主动力柴油机运行区域分析
2.
6.1船舶柴油机的运行区域图
2.10瓦锡兰柴油机允许运行区域图
2.11MAN柴油机允许运行区域图
2.10和图
2.11分别为SulzerRTA系列船用柴油机的允许运行区域图和MANBWMC系列船用柴油机的允许运行区域图,由图可以看出,这两种系列的船用柴油机对于允许运行区域的规定是类似的下面分述如下对于SulzerRTA系列船用柴油机(图
2.10),当船舶柴油机所需的约定最大持续功率点1确定后,其运行区域便由下列轮廓线限制,线
①是一条过CMCR点的等平均有效压力线,即等扭矩限制线,沿该线向下,主机功率和转速都从100%下降至95%;线
③是转速限制线,数值为104%NCMCR对于降转速运行的柴油机(NCMCR≤
0.98NMCR),如果不超过扭振极限,该限制线可扩展到线
④,即106%NCMCR;线
⑤由95%功率,95%转速(2点)和45%功率,70%转速点连接而成,其方程式为P2/P1=(N2/N1)
2.45当运行点向线
⑤趋近时,会导致柴油机进气量不足,导致排温升高,实际上这相当于一条等排温限制线;线
②为标定螺旋桨特性线由线
①、
③和
⑤形成的区域代表了柴油机的工作范围由标定螺旋桨特性线
②、100%负荷限制线和转速限制线
③限定的区域被推荐作为主机的持续工作区而标定螺旋桨特性线
②、线
⑤和线
①之间的区域应该是功率储备区域,用于船舶的加速、浅水区航行和常规的机动航行,这一区域不是主机理想的持续工作区线
①以上的区域为超负荷区试航期间,在造机厂的授权代表在场时,允许主机在此区域运行一小时对于MANBWMC型柴油机的负荷图,它表示柴油机与螺旋桨的配合情况及柴油机的持续运转范围该图采用对数坐标,纵坐标为功率的百分数,横坐标为转速的百分数图中M点为约定最大持续运转功率点约定MCRA点为基准工况点,通常A=MO点为优化工作点,发动机增压器的匹配,发动机的定时和压缩比都是在此点优化调整的,其功率约为M点的85%~100%线
①是通过优化点O的螺旋桨特性线,线
②是船舶在污底情况下的重负荷运行线,一般来说,两条线是重合的线
③为持续运转的最高转速,为标定转速的105%线
④为等过量空气系数限制线在此限制下可提供足够的空气用于燃烧并对转矩和速度的最大值联合限制线
⑤为平均有效压力限制线,线
⑥是船舶在船体表面光滑清洁时的轻负荷特性线,线
⑦为持续运转的最大功率,线
⑧为超负荷限制特性线在线
④、
⑤、
⑦与虚线
⑧之间为超负荷工作区,每12h允许工作1h在图中线
④、
⑤、
⑦、
③范围之内为柴油机的允许运行区域(即持续运转区)线
⑥为船体光滑清洁时的螺旋桨特性曲线,螺旋桨的设计点PD就通过该线在经过一段时间的使用之后,船体和螺旋桨可能脏污,导致推进特性线左移,螺旋桨在重负荷线
②运行为了维持船的航速,就需要为螺旋桨提供更大的功率,两者之差就是船体工作储备,此时的工作点为柴油机的持续营运功率点,见图7-10b中SP点,柴油机的优化工作点即以此为基础确定的在良好天气时,螺旋桨的加重程度将说明是否需要清洁船体和抛光螺旋桨线
①和
④之间的区域可用于浅水、恶劣天气和加速工况,这样就保证了柴油机在任何情况下都能良好工作
2.
6.2实船数据分析为了更好的分析研究船舶主机的经济性,针对实际船舶营运制定相应最经济的航行以及维护保养计划,我们选取实际船舶在营运中的记录数据,通过统计学和船舶柴油机的特性进行分析对实船数据(大连远洋运输公司“远珍湖”轮)进行整理,数据如以下表格所示表
1.1船舶数据续表将这些数据进行分析整理,做出数据表格由所给的原始数据我们可以得知,此船起航经过马六甲海峡到达阿联酋,然后装载原油,驶往营口鲅鱼圈根据所给的表中数据,选取航次行程明确的数据进行分析整理,做出相应的数据曲线对数据进行整理,我们将其分为三段,即过马六甲至阿联酋航段、阿联酋至马六甲海峡航段和马六甲至营口鲅鱼圈航段对这三个航段的数据进行统计处理,绘制出散点图,计算出回归趋势曲线即如下图所示马六甲至阿联酋航段图
2.12MER.P.M-SHIPSP图
2.13MER.P.M-F.OCONS图
2.14SHIP’SP–F.OCONS阿联酋至马六甲航段图
2.15MER.P.M-SHIPSP图
2.16MER.P.M-F.OCONS图
2.17SHIP’SP–F.OCONS马六甲至营口鲅鱼圈(大风浪天航行)图
2.18MER.P.M-SHIPSP图
2.19MER.P.M-F.OCONS图
2.20SHIP’SP–F.OCONS从马六甲至阿联酋航段曲线中,即图
2.
12、图
2.13和图
2.14,船速,油耗,主机转速之间都成近似的增长关系(转速船速曲线近似直线关系y=
0.2262x-
0.3871R²=
0.3833,转速油耗曲线近似直线关系y=
2.671x-
107.12R²=
0.9476)大部分的数据点都在回归趋势曲线附近,个别点可能由于实时海况条件不同偏离曲线较大自曲线中我们可以看出,随着主机转速提高,油耗和船速也在不断的增加大部分油轮都是单程运载原油运行,去程大都为压载水压载保证航行状态,因此,在这个航段内航行时,船舶主机可以根据船舶营运安排的需要选择合适的工作工况点,在航期安排较宽松的情况下主机运行工况点应该选择主机运行效率最高时的工况点从阿联酋至马六甲航段中,即图
2.
15、图
2.16和图
2.17,燃油消耗随主机转速的提高而增加,而且变化较大在图
2.15中我们可以看出,船速随主机转速的增加出现小幅的变化在主机转速在60-63r/min时,船速随着主机转速增加出现小幅的降低在63-69r/min时船速随着转速的增加而增加(曲线方程y=-
0.0261x3+
5.1371x2-
336.89x+
7362.1R²=
0.9477)由于船速随主机转速变化非常小,因此,在阿联酋到马六甲的航段内,主机工作状态点可以定位为转速61r/min,此时船舶可以维持正常的运营航速,而且此时主机油耗较低,主机转速较低,推进效率较高经过马六甲海峡到营口鲅鱼圈区间航段内,即图
2.
18、图
2.19和图
2.20,船速、主机转速和油耗也成近似的增长关系(转速船速曲线y=
0.494x-
21.285R²=
0.6942,转速油耗曲线y=-
0.0247x3+
5.0037x2-
334.48x+
7456.5R²=
0.9002),但是相对的线性系数则增大(转速油耗近似线性关系方程y=
2.8294x-
117.25R²=
0.8995转速船速曲线y=
0.494x-
21.285R²=
0.6942)从中午报告原始记录汇报的数据中,我们可以得知在这段航行区间内是大风浪航行状态由于在航行区间内海况恶劣,处于大风浪状态,所以在运载相同货油的状态下,由于外界阻力增大,船舶主机的转速和船舶的航速会降低,如果只为了保证船速,则主机的转速会相应的提高,导致船舶油耗相对正常运行时刻会出现较大的上升,同时船舶主动力柴油机运行功率也会上升大风浪天海况恶劣,为了保证运输船舶的安全和船舶营运航期的安排,因此主机应当避免长时间处于大负荷状态,合理控制油门,适当降低主机转速和船速,同时加强对主机运行的监控,保障主机的运行状态因此如果在此航段内大风浪天航行时,主机转速可以设为64r/min或略低当船舶在航线上正常运行时,外界的风浪天气、洋流等会使螺旋桨的滑失比发生变化,对船舶的正常运行造成一定个的影响因此曲线图上部分点会偏离回归曲线较远同时,船舶在海上运行一段时间后,船体和螺旋桨表面必然会出现脏污的情况因此根据船舶主动力柴油机运行区域图,推进特性必然会向左移,螺旋桨必然会在重载线上运行,必然会导致同一条航线上同一季节相同载货不同时间内主机运行状态会出现一定的偏差,因此加强船体和螺旋桨的维护对于主机运行状态的维护是比较重要的由于选取的数据数量有限,所以曲线的计算和分析中可能会存在一定的误差为了减小分析中存在的误差和错误,在分析这条航线的主机运行工况时,我们应当收集这条船舶在此航线多年的运行数据,分季节分航段的进行整理分析在采集数据时,可以适当提高数据采集的频率、种类和数量,以求更真实的反映船舶的实时运行状态采集主机数据的过程中,我们也可以结合卫星定位技术,采集船舶实时的运行航线,结合相应海域的水文资料以及船舶的实时数据,分析主机的运行状态,更好的制定出主机运行的操作和维护方案本章小结本章主要分析船舶主动力柴油机的特性和特性曲线以及通过分析实船数据提出当前船舶柴油机最佳运行点通过分析处理数据,分航段对船舶实际数据进行分析,找出每个航段船舶主机的最佳运行点
三、船舶主动力装置工况维护保障的措施船舶动力装置运行使用成本在船舶运营成本占较大比重,因此控制船舶主动力装置的经济性对于控制船舶运营成本,提高船舶营运收益具有很大的意义通过对船舶主机运行状况的实际分析,降低船舶主动力装置的运行成本应当通过优化船速和操船步骤、及时检查维护船体和螺旋桨、加强船舶燃润油管理以及主机运行状态的监控和优化
3.1船速优化
1.1船速优化应考虑的因素包括船舶的营运方式、租船合同、燃油价格、货物运价、船期、水文气象条件、该航次航线及航路对船速的要求和限制、船舶状况、船舶装载状态、燃油质量、船舶实际营运中的优化、船舶机器设备等等
1.2船舶应考虑上述因素,选择使用下列航速1)服务航速指不考虑气象因素(有利或不利的)影响,在主机额定功率85%左右RPM某个数值下的船速2)最经济航速指保证船舶持续工作的最低航速3)超慢速航行指速度低于最经济航速,需要额外的锅炉和主机辅助风机运行4)定时到达调整速度指调整主机转数到接近最经济的速度,以便在指定的时间之前到达或正点到达
1.3航速优化是直接有效的节能措施最佳航速并不是指最小航速,应参照主机制造商的功率/燃油消耗曲线和船舶螺旋桨曲线
1.4低速航行可能的负面后果包括增加的震动和积炭,这些应予以考虑但运价太低时,在保证船舶安全的前提下,降低船速,减少燃油消耗,对公司的效益会有一定的帮助
1.5船舶应根据航线航程和受载期确定最佳的航速,以使消耗的燃油等资源尽可能达到最低轮机长提供必要的数据支持,据此确定最佳的航速时需要考虑的因素如下1)主机转速尽量靠近单位海里最低燃油耗率,使用最经济航速,但不应该超出必要的限度(通常情况下主机功率在70%-90%MCR范围内,极端降速情况下主机功率在50%-60%MCR范围),并且连续运行在减速状态2天以上,需要加速到额定的90%状态下运行2小时,以保证主机状态正常针对机械和热效率而言,船舶的经济航速是在主机额定功率的85%左右;但因船型不一,装载状况不同而变化常用主机功率与转速关系的海军公式计算,即不同功率与额定功率之比等于不同转速与额定转速之比的立方即不同功率与额定功率之比等于不同转速与额定转速之比的立方Ni/N额=ni/n额3
[6]2)航行时间的变化导致燃油消耗的变化3)沿途海况等外部因素的影响4)船舶航速与耗油在租船合同或航次指示中有相应规定应确保船舶能够按照租船合同指明的速度行驶,并保持主机燃油消耗在许可或规定范围内达到优化航速的目的
1.6船舶进港、抵达锚地的主机操纵,应适时早停车,充分利用船舶惯性冲程(特别是大型油轮惯性冲程很大)减少用车降低耗油尽可能避免快车抵锚地高速倒车“急刹”的操作方法离泊位开航应监视引航员的不当用车通常船舶出港航行到海上定速时,主机转数的增加应根据对应的转数/航速表进行,即达到现有转数的航速时再增加到更高一级转数档,这样既节油又能起到保护主机的作用
[7]
1.7离开港口或河口时航速的逐渐增加并将发动机载荷保持在一定限制范围内有助于减少燃料消耗
3.2螺旋桨和船体检查
2.1船体和螺旋桨的海洋附着物生长会增加船舶阻力定期的船体清洗可以减少阻力,减少燃料消耗总量
2.2船舶应对船体涂层及油漆进行监控并适当调整ICCP装置,以减少海生物附着进而减少船体阻力
2.3船舶因较长在海上停泊或锚泊,水下船体容易附着海生物船舶应在条件适宜时进行水下船体清洁
2.4船舶应做好船体和螺旋桨的维护和保养工作,根据实际情况对船体状况进行水中检查和清洁,以保证螺旋桨的清洁和抛光发现船体污底现象并严重影响船舶航速、或发现螺旋桨缠上鱼网时,应及时对船体进行清污或清除螺旋桨绞缠物
3.3船舶燃润油管理
3.1船舶应装载最经济的燃油量购买的所有燃油都应符合公认的相关的国际认可标准
3.2燃油质量的影响由于劣质燃油热值低,要达到同样的转速,需要耗用更多的燃油因此,可能时租船合同中应增加燃油热值的要求,燃油订购应考虑燃油的发热值
[8]
3.3船舶应避免不同加装时间或地点加装油品的混合,以免混合后发生不相溶而使油品质量发生变化,导致船舶无法正常使用的情况发生
3.4轮机部应当根据船舶的航次计划及船舶燃油实际存量并结合船舶的航线特点,合理申请燃油的添加量按制定科学严谨的加装计划及相关的检查内容,确保安全作业,负责接收计量的准确性
3.5船舶应科学地存储及使用燃油,燃油的使用应当在取得油样化验报告并合格后使用,燃油的在船存储时间尽量不要超过一年燃油消耗应秉承先进先用原则燃油存放时间越长,燃油中固体物质更可能沉降出来,船舶也更可能面临过滤器堵塞和其他潜在的可靠性等问题无法继续使用的燃油需要尽快停用并与航运部燃油管理员协调后续处理办法
3.4主机运行状态的监控和优化
4.1机器最优化程序由两部分组成视觉检查和机器绩效监控示功器机器绩效监控允轮机员调整“可变喷油定时”VIT以优化气缸压力这两个程序确保机器最佳性能的优化
4.2影响主机能耗的因素,除天气、海况、污底、装载状态外,还包括1)主机燃油供给系统工况主高压油泵状态、主机喷油器状态、出油阀状态2)主机扫气、换气系统工况排气阀状态、透平效率、空冷器效果、废气锅炉通畅状态3)主机燃烧室空间几何尺寸、密闭状态缸套内径尺寸、气缸盖内部尺寸、活塞头尺寸及天地间隙、活塞环状态4)定时控制系统喷油定时系统状态、排气阀定时系统状态、VIT系统状态5)主机转速运行区间
4.3轮机部应充分考虑到以上提到的影响主机油耗的因素,测量和监测整体的燃油消耗,并精确记录研究燃油耗量的变化趋势,保证设备处于最佳运行工况
[9]
4.4主机油耗的监控轮机部应根据装载状况,通过功率测算,整理出满载和压载航行状态下的主机在各个转速下的燃油消耗率吨/天(或g/Kwh),并确定出主机实际最低油耗率吨/天(或g/Kwh)以及相对应的主机转速操作程序应包括1)对主机状况进行评估,保证主机及其附属设备处于最佳工况下进行测算,使测出的数据具有真实性及可参考性2)对船体、螺旋桨的状态进行评估,保证处于良好状态,使测算出的数据具有可参考性3)测算时应考虑到环境因素包括风速﹑风向、海流、水深及船舶吃水差,与主机相关的内在因素包括燃油的品质及相关的运行参数4)测算时应选择良好的海况下,宽阔、深水海域进行,最后折算到静水条件下的经验数值5)测量仪器应认真检查调整,确保仪器工作在良好状态测量时按操作规程规范操作,保所得数据的准确性及精确性
4.5船舶测取的机器工况报告应及时报送安技部船技部,以便机务监督员能了解船舶设备的工作情况,并根据报告的内容提出指导意见
4.6日常使用维护船舶主机是应当量化主机的技术指标,严格遵守说明书的规定及船技部技术通报的要求,监视主机各运行参数,确保各温度,压力,油位等在说明书要求范围内按照检修周期进行常规保养保证高压油泵,出油阀,高压油管,喷油器,排气阀等工作状态良好,确保主机油头试验台正常;主机爆炸压力表正常;主机示功器正常;主机拐档表正常;主机缸套内径千分尺正常,保证主机的正常运行状态本章小结本章主要提出保证船舶主动力柴油机在正常工况下工作的一些日常操作和维护措施,通过这些措施的实施和执行可以控制船舶主动力柴油机的运行状态结论船舶主柴油机实船工况分析研究对于控制船舶运输成本有着重大意义保证最佳的船舶主动力柴油机经济性需要船舶在最佳经济航速和主机处于最佳转速,同时也要加强对船舶的保养和维护,保障船舶的最佳状态即让船舶主柴油机处于最佳工况参考文献
[1]李斌.船舶柴油机[M].大连海事大学
2007.
[2]马智宏王新全.船舶动力装置进程的历史、现状与展望[J].航海技术
20033.
[3]张泉乐.运输船舶营运经济性分析与研究[D].武汉理工大学
2004.
[4]陆威崙.现代船用柴油机特性曲线的研讨[J].柴油机
20054.
[5]刘爱华.船舶动力系统配置设计及优化方法研究[D].哈尔滨工程大学
2010.
[6]吴恒.船舶动力装置技术管理[M].大连海事大学
1999.
[7]陈晓梅许伟.集装箱船舶航速优化对班轮营运的重要性分析[J].中国储运
20142.
[8]信海旭.营运船舶船速优化探讨[J].中国水运
201101.
[9]王强.船舶主机降功率节能减排技术的优化研究[D].大连海事大学
2013.致谢此篇论文是在陈海泉老师的悉心指导下完成的,无论是数据分析还是论文撰写都得到了陈老师莫大的支持正是陈老师丰富的知识与一丝不苟的工作态度帮助我最终完成了此篇论文通过这此数据分析和论文撰写,我不仅得到了知识的扩充,更是从老师身上学习到了严谨的治学作风在此向导师表达崇高的敬意和衷心的感谢!在论文撰写的过程中,身边的同学给了自己很大的指导和帮助,在此向他们表示由衷的感谢和祝福!日期F.ORACKSHIPSPENG.SPMER.P.MM.E.EXHAUSTTEMPERATUREAVRSLIPF.OCONS11-
298514.
614.
365.7319-
1.78%
63.6911-
307413.
612.
758.2331-
7.03%
49.5812-
016211.
511.
251.5331-
2.28%
33.6412-
027313.
612.
758.4330-
6.67%
49.7312-
036512.
911.
452.1327-
13.41%
34.9212-
068014.
214.
063.9321-
1.78%
59.8712-
077614.
713.
561.8329-
8.95%
58.6512-
087713.
113.
662.
13313.38%
58.3212-
098012.
413.
863.
233110.13%
62.1312-
10811513.
963.7331-
7.86%
61.2512-
117213.
112.
858.6334-
2.39%
52.9312-
12731312.
958.9325-
1.09%
50.3112-
137212.
612.
758.
13300.67%
48.8512-
147112.
612.
456.6327-
1.96%
43.0912-
157112.
112.
456.
73272.25%
41.8912-
248512.
714.
566.
232412.13%
66.4412-
258713.
214.
767.
332110.16%
69.2712-
268913.
615.
068.
53219.06%
72.9312-
278613.
314.
867.
63249.88%
67.8712-
288612.
914.
667.
132711.94%
69.8612-
298512.
714.
465.
832711.60%
66.1712-
31801113.
762.
732519.64%
53.7101-
018311.
314.
164.
832920.13%
63.9301-
027711.
713.
36133012.15%
54.3201-
037611.
713.
461.
332912.58%
56.8701-
04638.
510.
749.
231520.87%
34.8501-
058411.
113.
461.
232516.93%
57.3401-
06871214.
46632816.72%
66.3801-
078711.
514.
164.
632718.46%
65.32日期F.ORACKSHIPSPENG.SPMER.P.MM.E.EXHAUSTTEMPERATUREAVRSLIPF.OCONS01-
088511.
214.
064.
232520.09%
64.2801-
098812.
314.
767.
232716.16%
68.8201-
109310.
714.
66732826.85%
73.5301-
119111.
314.
566.
532822.17%
72.7301-
129614.
515.
5713256.46%
83.3501-
139212.
215.
068.
831918.78%
78.8201-
148612.
314.
566.
531115.28%
67.9301-
19701212.
657.
83074.91%
39.94。