基于《船舶柴油机》课程的船舶智能化节能系统应用研究

基于《船舶柴油机》课程的船舶智能化节能系统应用研究

朱礼凯易龙飞刘楷晨朱皓明吴靖宇盛善智通讯作者

烟台大学

摘要：本文主要研究探讨某轮渡加装新型船舶智能化安全节能系统来优化船舶推进控制系统，提高船舶推进效率，从而实现节能减排降低燃油消耗量的目标。论文中主要工作分为以下四点：通过船舶节能减排的国际背景，确定节能减排研究的方向；查阅相关文献资料，为所研究的安全节能系统提供理论基础；通过调查轮机日志数据应用对比分析的方法，计算出实际燃油节油量；研究此系统的潜在风险应用领域及应用前景。

关键词：新型船舶；CPP；节能系统；智能化；推进效率

1引言

随着世界经济和对外贸易的迅速增长，海运发展迅速，但是由于海船使用质量较差的重油，排放的污染物较多，根据国际海事组织（IMO）的数据，船舶柴油机每12个月排放的硫化物,氮化物越来越多，对新型清洁能源的需求加大，给人类造成巨大的经济损失和生态危害。据统计世界海运运力正逐步增加，并且增长迅猛，排放也更加增多，重油的消耗变的更多，且航运业是碳排放增速最快的部门之一。为做好船舶能耗数据收集管理，促进船舶得节能减排，新型船舶智能化安全节能系统显得更加重要。

在“一带一路”日益发展完善的背景下，国际贸易更加频繁，促进经济交流，使得贸易量增加，而货物运输大部分靠海运，由此海运日益繁荣。《2023年海运评估报告》指出，中国的船舶占世界船舶总量的比重很大。中国工业发达造就了集装箱运输业的发达，我国的宁波港、青岛港、上海港都是世界一流的港口，集装箱吞吐量世界领先。海运成本中燃油消耗成本约占50%，新型船舶智能化安全节能系统的应用可以很好的降低主推进系统的排放和燃油消耗，降低主机二氧化碳的排放量。降低船舶运营成本。

通过对某轮渡某客滚轮成功安装新型船舶智能化安全节能系统主推进系统的研究，响应国家节能减排的号召，增加对船舶节能减排的认识。新型节能减排系统通过降低船舶排放和燃油消耗，提高船舶推进效率，实现船舶运行数据信息化，降低船舶运营成本，提升船舶管理工作的水平和档次，促进航运业的发展。节能方法研究优化主机可调桨在各种工况的自动匹配，因此新型船舶智能化安全节能系统可广泛应用于可调螺距螺旋桨推进系统。新型船舶智能化安全节能系统能自动地实时地根据当时的工况自动优化螺旋桨和主机的效率，尽可能的让主机贴近最佳负荷曲线输出，提高螺旋桨效率。船舶主机和螺旋桨的设计的重点是保证安全的前提下在相对理想的情况下如在设计航速、设计吃水、干净的船体和一个假定的海况裕度下。此时船舶发动机和可变螺距桨效率最高，船舶主机处于最省油的状态。但是海况复杂多变，很容易造成效率降低和耗油量增加，而且大型船舶的主机功率很大，并且航速快耗油量大，因此大型船舶的柴油机节能减排尤为重要。

2系统设计原理

船舶燃油节油系统通过各种传感器测得的数据实时掌握船舶航行的状态，通过电脑程序自动、实时地根据当时的工况自动优化主机和螺旋桨的效率，尽可能的让主机贴近其最佳负荷曲线输出。新型船舶智能化安全节能系统可以预设定油耗和航速，设定后该系统能在不同航速、吃水、海况等各种工况下自适应性的自动优化推进功率（可调桨-自动优化螺距和主机效率），适应各种工况，从而起到大幅度降低油耗的作用。该系统还具有自动收集各种数据并发送操作数据、船舶倾斜角度等状态信息、能耗和能效分析、排放、航行分析和建议报告给船舶管理者（在电脑上安装管理分析软件）便于观察和记录船舶的各项参数，同时此系统设有保护装置可以在恶劣海况下牺牲一部分的油耗来防止主机功率变化太快从而造成对主机危害的故障，比如增压器的喘振，主机飞车等。燃油优化节能系统主要由驾驶室控制面板（设定航速和油耗）、集控室面板、集控室控制处理单元、轴功率计、流量传感器组成，硬件其组成不算复杂在一定程度上减少了故障率，重要的是软件需要大量的数据来计算需要大量实验验证和测试具体的节油率，同时又要兼顾对主推进系统的保护，使之达到平衡。

系统硬件包括以下各部分：驾驶台操作面板BRDGPANEL、集控室控制面板ECRPANEL、中央控制箱ECRBOX、驾驶室控制模BRDGUNIT、轴功率计、燃油流量计同时与可调桨、主机、监测报警、轴功率计、燃油流量计、GPS、计程仪等设备之间存有电气接口，如图1所示。

图1设备原理图

本系统通过模拟CPP变距桨的系统得出数据，并对数据与传感器、流量计、轴功率计GPS、计程仪等仪器测量的数据进行对比分析计算，用MATLAB语言GUI工具做成软件将实际船舶柴油的实际功率与理论的功率做出比较，计算出最佳的主机转速与变距桨的螺距的最佳匹配状态，这时推进效率在理论上会达到最高，会使主机最省油，在部分负荷状态下航行时，通过软件计算出来的数据调节主机转速n与螺距H/D，使主机与变距桨的配合获得最大的螺旋桨推进效率，以

及较小的燃油消耗率，从而使船舶在该航速下每小时的燃油消耗最小，从而改善了经济性，增加了续航力。通过电脑的控制使CPP变距桨更加灵活，同时提高了船舶的机动性，有利于主机驱动辅助机械或者设备，并且使船舶主机处于较优的工作状态，有利于提高主机的寿命，便于实现船舶主机的遥控。

3系统节油方式

（1）提高主机和桨的能效：节油系统通过感知的外部数据，实时自动计算并控制主机输出和匹配桨设计点的最佳功率（可调桨-实时控制螺距和主机输出）。进而在各种工况下，达到最佳的匹配效果，提高桨的敞水效率，降低油耗，减少震动和噪音。

（2）加强对船舶的船速的密切关注、降低船舶推进功率损耗：主机输出和航速是三次方的关系，所以航速由高降低后，油耗的增加是不可补回的。另外，主机输出峰值的出现也相应地增加了油耗。节油系统通过自动航速管理，减少航速波动和主机输出峰值的出现，进而降低推进功率损耗。也同时对主

（3）优化能效管理：配备燃油节油系统为随船轮机长提供操作指导方针和简明易懂的信息。本系统可以得到和统计商业上的具体和重要的操作数据。一些其它电子设备也可根据需要添加到该系统中，比如在燃油节油模式下增加变频器使得低转速时使用轴带发电机。虽然加装了此节能系统，船舶处于机动航行的状态，轴带发电机不能使用需要使用副机进行发电会增加一部分油耗，但是总体的控制下还是趋于省油的状态。船舶柴油机的节油得益于好的程序控制，本系统促进的船舶节油使船舶处于低油耗状态。

4实验分析

节能系统的组成主要包括驾驶台控制面板、驾驶台控制单元、集控室控制面板、集控室控制箱、轴功率计、燃油流量计、电缆等。按照航速13.5节、15节、16节，分别对主机运行参数、主机和船体的振动、主机气缸燃烧室情况等方面进行说明如下：

4.1主机运行参数：

（1）节油模式对比恒转速模式：

主机转速变化：航速13.5节675pm（降了75rpm），航速15节684rpm（降了66rpm），航速16节690rpm（降了60rpm）；螺旋桨桨角变化：主机转速降低，航速不变对比恒转速模式桨角增大5-10度；主机滑油压力：滑油压力由0.44Mpa降到0.42Mpa，（0.28Mpa报警，0.25Mpa降负荷）增压器转速16730-19690rpm，低了1500—4000转；进气压力降低了0.3-0.5bar；主机各缸平均排温最高到394℃，升高了10—30℃；增压器进口排温最高达到555℃（系统设定），升高了34-40℃；主机爆发压力降低了4-14bar；主机排烟情况：恒转速模式看不到烟，节油模式能看到黑烟（较轻）；轴功率降低200kw-500kw。

（2）节油模式对比联合模式：

主机转速变化：航速13.5节节油模式682pm，联合模式701rpm；航速15节节油模式694rpm，联合模式723rpm；航速16节节油模式687rpm，联合模式710rpm；增压器转速低了300-1000rpm；进气压力降低了0-0.3bar；主机各缸平均排温最高到升高了0-10℃；增压器进口排温最高达到升高了0-23℃；主机爆发压力降低了0-6bar；主机排烟情况：相同，能看到黑烟（轻微）。

（3）特殊情况：节油模式航速13.5节，主机转速675rpm负荷55%以下，主机扫气旁通打开，增压后的一部分新鲜空气进入到了增压器废气端的进口，增加了增压器的效率，此时废气进增压器温度400℃（降低100℃）。对比恒转速模式主机单缸排温高20℃，增压器转速相同，爆压相同。

4.2对主机和船体的振动影响：

（1）主机在恒速模式750rpm和联合模式650rpm之间转换的时候，由于转速升或降较快，此时主机的负荷45-60%之间的转变，主机和船舶明显的感受到震动。

（2）运行节油模式时（675-700rpm），与恒转速模式相比，主机和船体振动无明显变化。

（3）运行节油模式与联合模式振动无区别。

4.3主机气缸燃烧室的检查情况：

（1）拆装右主机B3气缸盖检查，在气缸盖底部、活塞头顶部、火焰圈上都有积碳，积碳程度不重，积碳局部厚度0.30mm，较软。对比主机每两年吊缸时的结碳，两年局部积碳厚度约2mm，积碳较硬。

（2）与相同机型检修时间接近的左机B3吊缸情况相比，气缸燃烧室的结碳情况

相似。

4.4节油量对比：

可调螺距螺旋桨节能控制理论技术成熟，操作简单方便。本系统使船舶主机与变距桨达到更好得匹配使推进效率大大提升，但是节油模式下主机处于机动航行状态轴带发电机不能运行，因此节油模式下发电柴油机需要运行增加了发电柴油机得耗油量，而定速模式下轴带发电机可以运行。虽然节油模式发电柴油机需要继续运行增加了发电油耗但是通过计算得出节油模式比定速模式能节省约10%的燃油。该系统理论上可使每艘船舶平均每年节油700吨，根据某轮渡公司预计若其所有船舶均安装此系统，预计理论年节油量7000余吨。下图4为船舶安装此节能系统后的具体的燃油节约情况。

表1具体节油量的对比图

4.5机械损耗与废气排放：

主机在恒速模式750rpm和联合模式650rpm之间转换的时候，由于转速升或降较快，此时主机的负荷45-60%之间的转变，主机和船舶明显的感受到震动。在气缸盖底部、活塞头顶部、火焰圈上都有积碳，积碳程度不重，积碳局部厚度0.30mm，较软。对比主机每24个月吊缸时的结碳，查看该轮3月20日吊缸图，可以看到局部积碳厚度约2mm，积碳较硬。

按照每吨船舶重油完全燃烧所对应的排放二氧化碳量为3.1705吨计算，全年可减排二氧化碳22300吨，减排碳6082吨。同时大大减少了氮氧化物NOx（其中NO为95%）、硫化物SOx（其中SO2为95%，SO3为5%）、HC、CH2、C0、CO2等气体和颗粒排放物（PM）得排放。减少了尾气处理装置得工作量，大大降低了对环境得污染减缓了全球变暖得进程。

5结语

通过数据分析得出此系统潜在的风险，新型船舶智能化安全节能系统，使可调桨-实时控制螺距系统和主机输出处于随时都有可能改变的状态，有可能加剧主机及CPP变距桨的磨损，主机降速有可能造成燃烧不充分使积碳增多对滑油质量影响加大。节能系统使用的寿命及维护成本费用未知，节能系统零部件较多由驾驶台控制面板、驾驶台控制单元、集控室控制面板、集控室控制箱、轴功率计、燃油流量计、电缆等组成，组成越复杂发生故障的几率越大，节油系统使用寿命未知、维护成本未知，因此新型船舶智能化安全节能系统更需要长时间的验证，也需要对船舶各个系统进行密切的关注做到及时发现问题及时预防及时改进使船舶更加节能的安全运行，为中国的航海事业做出贡献。

此次对某轮渡船舶柴油机安全节能系统的原理、工作过程、控制原理进行了深层次的研究探讨，更加认识到船舶柴油机的节能减排对环境和能源具有重大意义。具体可以落实在安全的前提下实现船舶节能减排减少污染物的排放，符合CCS船级社的《船舶能效管理计划》和绿色船舶的章程，推进船舶运行数据信息化，提高海运管理效率与船舶能效。此次研究探讨也顺应了国际及我国对船舶能效管理的大趋势，我们结合专业课程采用多种方式进行研究探讨，很好的锻炼了大家的各项能力，尤其是节能环保意识和专业知识技能，在此研究探讨过程中收获很多，此系统优越性显著，越来越多的船舶将会使用此系统。

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作者信息：

姓名：朱礼凯

学校：烟台大学海洋学院 轮机工程 学生

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通讯作者信息：

盛善智 （烟台大学海洋学院，山东省 烟台市 邮编264005）

盛善智（1969.12--），男，汉族，山东济南人，副教授，船舶高级轮机长，研究方向：船舶柴油机、船舶防污染及船舶管理等

电话: 18615947136

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工作单位：烟台大学 海洋学院 轮机系

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