船舶与海洋工程动力系统

**章 船舶与海洋工程动力系统概述 　　**节 船舶动力系统的组成 　　一、船舶动力系统的定义和内涵 　　船舶动力系统是保证船舶正常航行、作业、停泊以及船员与旅客正常工作和生活所必需的机械设备与系统的综合体。 　　船舶动力系统的主要任务是：发出一定功率，产生各种能量，通过能量转化和分配，使船舶各种设备系统正常运行。现代的船舶动力系统主要由推进装置、辅助装置、管路系统、甲板机械、防污染设备和自动化设备六部分组成。 　　1. 推进装置 　　推进装置是指发出一定功率，经传动设备和轴系带动螺旋桨，推动船舶并保证一定航速航行的设备。它是船舶动力系统中*重要的组成部分，包括： 　　(1) 主机。主机是指提供推动船舶航行动力的机械。主要包括柴油机、汽轮机和燃气轮机等。 　　(2) 传动设备。传动设备的功用是隔开或接通主机传递给传动轴和推进器的功率；同时也可使推进器达到减速、反向或减振的目的。主要包括离合器、减速齿轮箱和联轴器等。 　　(3) 轴系。轴系用来将主机的功率传递给推进器。主要包括传动轴、轴承和密封件等。 　　(4) 推进器。推进器是能量转换设备，用于将主机发出的能量转换成船舶推力。主要包括螺旋桨、喷水推进器和电磁推进器等。 　　2. 辅助装置 　　辅助装置是指提供除推进船舶运动所需能量以外，用以保证船舶航行和生活需要的其他各种能量的设备。主要包括船舶电站、辅锅炉装置、海水淡化装置、风机和空压机组等。 　　3. 管路系统管路系统是用来连接各种机械设备并输送相关流体的管系，由各种阀件、管路、泵、滤器和热交换器等组成，包括： 　　(1) 动力管系。动力管系是为推进装置和辅助装置服务的管路系统。主要包括燃油系统、滑油系统、海/淡水冷却系统、蒸汽系统和压缩空气系统等。 　　(2) 辅助管系。辅助管系是为船舶平衡和稳性、人员生活和安全服务的管路系统。主要包括压载系统、舱底水系统、消防系统、日用海/淡水系统、通风系统、空调系统和冷藏系统等。 　　4. 甲板机械 　　甲板机械是为保证船舶航行、停泊、装卸货物所设置的机械设备。主要包括舵机、锚机、绞缆机、起货机、舱口盖启闭装置、吊艇机及舷梯升降机等。 　　5. 防污染设备 　　防污染设备是用来处理船上的含油污水、生活污水、油泥及各种垃圾的设备。主要包括油水分离装置(附设有排油监控设备)、生活污水处理装置及焚烧炉等。 　　6. 自动化设备 　　自动化设备是为改善船员工作条件、减轻劳动强度及维护工作量、提高工作效率以及减少人为操作失误所设置的设备。主要包括遥控、自动调节、监控、报警和参数自动打印等设备。 　　二、船舶动力系统发展趋势及轮机管理重心的变化 　　1. 船舶动力系统发展的趋势 　　(1) 柴油机动力装置继续占主导地位，并在不断发展。 　　① 大型低速机向两极发展，即开发多缸、大缸径和少缸、小缸径的机型，以适应大型、超大型船舶和小型船舶。 　　② 大功率中速柴油机仍然是大型客船、滚装客船、滚装船的推进动力装置的首选。 　　③ 船用柴油机的控制技术向电子化、智能化方向发展。 　　④ 双燃料发动机用于船舶推进装置的前景可观。 　　液化天然气(liquefied natural gas，LNG)船的动力装置基本上是蒸汽轮机，蒸汽轮机输出功率大、排出废气少、维护量少、可靠性高，但是蒸汽轮机的热效率低、燃油消耗率高。近年来，各种替代方案应运而生，如天然气燃油的双燃料二冲程和四冲程发动机等。与常规动力装置相比，双燃料发动机*大限度地利用了气体燃料，明显降低了燃油消耗(节约燃料20％～30％)，同时，双燃料发动机的NOx排放量只相当于普通柴油机的1/10，CO2的排放量也相当低。因此，双燃料发动机是LNG船主机的首选。目前，主要机型有瓦锡兰(Wartsila)公司生产的Wartsila DF系列双燃料发动机、曼恩(MAN)公司生产的MEGI双燃料发动机。随着人们对不污染海洋环境和大气“绿色船舶”的期望，世界上众多科研机构正在努力，以期减少柴油机动力装置的排放污染。 　　(2) 大型豪华旅游船的建造促进了 　　电力推进系统的发展。电力推进系统是通过电子变频技术，采用简单的交流电机带动定螺距螺旋桨，根据需要从零到满负荷自由选择转速，以满足机动性和操纵性的要求。 　　电力推进系统的优点如下： 　　② 可省去中间轴及轴承，机舱布置灵活。 　　② 可选用中高速柴油机，使螺旋桨的转速得到均匀、大范围的调节。 　　③ 倒车功率大，操纵容易，倒航迅速，船舶机动性高。 　　④ 主电机对外界负荷变化适应性好，甚至可短时堵转。 　　(3) 高速船的发展为燃气轮机动力装置带来了生机。 　　由于燃气轮机在单位功率重量和尺寸方面的优势，加上其优良的加速性能和可靠性高、振动小、NOx排放量低等优点，常被有较高航速要求的军船采用。与柴油机相比，燃气轮机的不足之处主要是其较低的经济性，因此在作为推进动力时经常配备柴油机，而将燃气轮机具有的良好起动性能用于加速工况，燃气轮机和柴油机组成联合动力装置克服低工况油耗高的缺点，是高速船较合适的动力装置。实践表明，燃气轮机机组可靠性达99.5％，热效率已达39％，加上其特有的NOx排放量低的优势，也特别适合渡轮的使用要求。 　　(4) 推进装置一改以往单一供货方式而向成套供货方式发展。 　　(5) 环境保护要求更安全、更低排放的船舶动力装置。 　　① 安全要求动力装置的冗余配置。除了将化学品船、液化气体船和油船等设计成双壳船体，还应采用冗余配置推进装置及舵系，或设置应急动力装置，保证即使主推进装置失效，船舶仍能在恶劣海况下以6kn航速前进。*常见的方式是轴带发电机，当需要时主机与齿轮箱脱开，轴带发电机转为电动机，以发电机的电力带动螺旋桨实现船舶应急推进。更进一步的发展是双套主推进系统。 　　② 低排放的船舶动力装置。人类对环境保护的要求日益严格，使得船用柴油机废气排放对大气污染的影响也受到密切的关注。根据《MARPOL73/78公约》附则VI中对功率大于130kW的柴油机NOx排放的规定，现今的智能柴油机通过控制燃烧，已能够满足低排放和经济性的要求。此外，燃烧良好还可减少颗粒物排放。在低排放方面，电力推进及燃气轮机更具有优势。 　　2. 轮机管理重心的变化 　　由于船舶自动化程度大幅度提高，计算机技术迅速发展，与20世纪的船舶相比，轮机管理工作的重心发生了根本性的改变。因此，对轮机管理人员提出了更高的要求，其重点体现在以下几个方面： 　　(1) 在轮机设备的检修方面。由于对船舶设备的工况检测仪器与仪表、故障诊断方法的日益完善，设备的维护、检修将从定时、定期模式向视情模式发展。 　　(2) 在船机设备的使用方面。由于船机设备的自动控制系统、自动故障监测系统的广泛使用，设备的使用管理已由传统的“管机为主”、“管电为辅”向“机电综合管理”方向发展。 　　(3) 在轮机人员的业务要求方面。轮机人员不但要有精湛的船机方面的知识，还要掌握船电方面专业的知识和自动化方面的知识，这对于在现代化船舶上担任轮机管理工作的轮机人员显得尤为重要。 　　(4) 在轮机人员的业务培训方面。加强轮机人员的业务培训工作，使轮机人员尽快掌握和更新机电一体化方面的新技术和相关知识。 　　(5) 在机电设备故障远程诊断方面。加强专家故障诊断系统的建设和完善。 　　(6) 在机舱资源管理方面。加强机舱资源(包括人力和设备等)的管理，使机舱的资源能够充分发挥各自应有的作用。 　　第二节 船舶与海洋工程动力系统的基本特性指标 　　一、对动力系统的要求 　　对船舶动力系统的要求，主要包括可靠性、经济性、机动性、重量和尺度、续航力、生命力等相关指标。 　　1. 可靠性 　　影响可靠性的因素主要有三个方面：设计制造(包括修复)的质量、安装工艺的水平、使用管理技术能力。使用管理技术能力对可靠性的影响表现在：严格按照造船规范建造是取得可靠性的先决条件；备件的数量和保管是提高可靠性的有力保障；管理人员的业务能力是影响可靠性的重要因素。 　　2. 经济性 　　船舶在营运中，船舶动力系统的维护费用占船舶营运总费用的比例很大，现在已超过50％。为了提高船舶的营运效益，必须尽量提高动力系统的经济性。 　　3. 机动性 　　机动性是指改变船舶运行状态的灵敏性，它是船舶安全航行的重要保证。船舶起动、变速、倒航和回转性能是船舶机动性能的主要体现，而船舶机动性取决于动力装置的机动性。动力装置的机动性由以下几个指标来体现。 　　1) 起航时间 　　起航时间是指从接到起航命令开始，经过暖机、备车和冲试车，使发动机达到随时可用状态的时间。起航时间越短，船舶机动性越好。 　　2) 发动机由起动开始至达到全功率的时间 　　发动机由起动开始至达到全功率的时间是加速性能的指标，这段时间的长短主要取决于发动机的型式、船体形状、螺旋桨型式、吃水及外界阻力等因素。影响发动机加速的因素是其运动部件的质量惯性和受热部件的热惯性，受热部件的热惯性更为突出，中速机的热惯性优于低速机。船舶本身的阻力对发动机的加速性能也有很大的影响，由于调距桨对外界条件有很好的适应性，它的加速性能明显好于定距桨。 　　3) 发动机换向时间 　　发动机换向时间是指主机在*低稳定转速时，由发出换向指令到主机以相反方向开始工作所需的时间。换向时间越短，发动机的机动性越好。主机换向时间不得大于15s。 　　4) 船舶由全速前进变为倒航所需的时间(滑行距离) 　　船舶由全速前进变为倒航所需的时间(滑行距离)是体现主机紧急倒车性能的指标。由于船舶惯性大，由全速前进变为后退所需的时间，总是明显超过发动机换向所需的时间。船舶开始倒航前滑行的距离主要取决于船舶的装载量、航速、主机的起动换向性能、空气瓶空气压力和主机倒车功率。 　　5) 发动机的*低稳定转速和转速禁区 　　在多缸柴油机中，各缸喷油泵柱塞偶件、喷油器针阀偶件的间隙和喷孔孔径间的差别，以及一般油量调节杆安装间隙的不同，使得船用主柴油机在低转速(低负荷)运转时各缸供油量显著不均。严重时，个别缸不能发火而使转速不稳，甚至自动停车。因此，船用主柴油机有一个使各缸都能够均匀发火的*低转速，称为*低(工作)稳定转速。 　　船用主柴油机(尤其是直接驱动螺旋桨的主柴油机)的*低稳定转速直接影响船舶微速航行性能。一般低速柴油机的*低稳定转速不高于标定转速的30%，中速机不高于40%，高速机不高于45%。在主机使用转速范围内如果存在引起船舶或轴系共振的临界转速，则应规定为转速禁区，并以红色在主机转速表上标示。在主机使用转速范围内，转速禁区越窄越好。 　　4. 重量和尺度 　　动力系统各种设备的重量和尺度是由制造厂决定的。 　　5. 续航力 　　续航力是指船舶在加足航行所需物资(燃油、滑油和淡水等，主要指燃油)后所能航行的*大距离或*长时间，它是根据船舶的用途和航区确定的。续航力不仅与动力装置的经济性、物资储备量有关，也与航速有很大关系。 　　6. 生命力 　　生命力是指船舶在船机发生故障的情况下*大限度地维持工作的能力。 　　二、船舶动力装置的基本性能指标 　　动力装置的基本特性指标是指技术指标和经济指标。这些指标是对船舶进行选型、设计和判断性能优劣的重要依据。 　　1. 船舶动力装置的技术指标 　　技术指标是表示动力装置的技术性能和结构特性的参数，主要包括下列几个指标。 　　1) 功率指标 　　功率指标表示船舶做功的能力。为了保证船舶具有一定的航速，就要求推进装置提供足够的功率。