船舶双燃料管系优化设计研究

船舶双燃料管系优化设计研究

李新

江南造船（集团）有限责任公司   上海市    201913

摘要：优化设计船舶双燃料管系对于提高燃料利用率、降低排放量具有极其重要的意义。然而，目前对于双燃料管系优化设计的研究还比较有限。本研究旨在探讨双燃料管系的优化设计理论与方法，并提出相关的优化设计方案。

关键词：船舶；双燃料管系；优化设计；

引言

与其他技术领域相比，船舶管路布局管理技术相对落后，缺乏先进的管理手段，已成为制约船舶事业发展的一个瓶颈。为了推动船舶管路布局朝着智能化与自动化方向发展，需要针对存在的问题提出解决策略。专家学者已经展开了一系列研究，采用遗传算法作为入手点，结合船舶管路布局的实际情况，利用基于三维布局空间的设计算法，优化遗传算法中的缺陷，通过自适应调整，实现了船舶管路布局设计的退火遗传算法，获得更合理的布局效果。此举有助于提升船舶管路布局设计的智能化水平，为船舶事业的发展注入新的活力。同时也将为船舶行业的管理提供更加高效和先进的技术支持，推动船舶事业朝着更加智能化、自动化的方向发展。

1.船舶双燃料管系优化设计理论与方法

1.1 双燃料管系概述

复合能源船舶燃料网络，即整合两种燃料操作模式的船舶燃料流通体系，常见的是柴油和环保型燃料如液化天然气(LNG)、甲醇或氨的并行结构。设计此类系统时，工程师需兼顾多重考量，如不同燃料的存储、传输特性和燃烧效率，以及发动机的规格、性能需求以及运行环境的兼容性。

1.2 优化设计的基本原理

双燃料管道系统的设计优化遵循一系列原则：首要步骤是依据船舶的独特属性及运营需求，甄选出适宜的双燃料管道配置。接着，通过精确的布置和构造规划，力求降低能量损耗，防止燃料无谓的消耗。此外，材料选取和结构强度的考量也是关键，以保障管道系统的稳定性和安全性。最后，运用流体动力学的分析方法进行优化，旨在提升系统的流体流动性能和燃烧效能。

1.3 优化设计的方法与步骤

优化双燃料输送系统的策略主要包括以下几个关键环节：首先，借助高级三维设计软件构建并精细调整双燃料管道的立体模型，着重于空间布局的创新与效率提升。其次，引入参数化设计策略，通过灵活设定各种变量，生成多样化的管路设计方案，并进行深入的性能对比和选择。接着，运用先进的虚拟模拟技术，对管路的流体动力特性进行深度剖析，优化包括直径、长度及角度在内的关键参数，以提高系统效能。最后，通过严格的实验室实验和实际运行验证，对优化后的管系进行严格性能测试和效果评估，确保其在设计目标和船舶操作中的稳定性和实用性。

2.船舶管系设计系统现状

在造船工业中，计算机的应用越来越普及，最初主要用于船体设计和建造系统领域。随着系统的进展，计算机开始在管道设计系统中得到广泛应用。在国外，自20世纪60年代起就开始研究单个计算程序，逐渐形成了计算机系统，并在70年代开始在管道设计程序中应用。例如HICAS系统，该系统于20世纪60年代后期开始探索性研究，并于70年代初形成了管道零件计算程序、自动法兰功能、管道布局程序和图形显示器管道系统等。经过多年研究，逐步形成了管道系统研究体系，但仍有需要深入研究的地方，特别是随着计算机技术和图形显示技术的不断发展，管道设计系统也需要不断进步。

3.双燃料管系优化设计方案

3.1双燃料管系的总体布局优化

优化双燃料管系的总体布局是提升船舶运行效率和安全性的重要措施。通过采取模块化设计，将管道按功能和区域进行合理划分，可以减少管道长度和弯曲度，从而降低流体阻力，提高流速和燃烧效率。此外，根据船舶结构和需求来优化管道走向，避免交叉和重叠，可进一步降低流体阻力，提高流速和燃烧效率。适当调整管道直径，根据流体特性和流量需要选择合适直径，避免过大或过小导致能量损失，有助于提高流速和燃烧效率。加强支架设计，选择适当的形式和位置，确保管道稳定性和安全性，避免松动和变形，也有助于降低流体阻力和提高流速和燃烧效率。最后，考虑船舶运行工况，根据不同工况安排管道布局和结构，确保管道可靠和安全，进一步提升船舶运行效率和安全性。综上所述，通过这些措施可以有效提升双燃料管系的性能，确保船舶运行更加高效和安全。

3.2进行三维数字化放样

随着船舶设计领域的发展，引入三维数字化技术已经成为船舶布局设计的不可避免趋势。将三维数字化技术应用于管线布局设计中，能够更好地满足船舶制造业的需求。三维数字化在管线设计中显示出技术优势，可以提高安装效率，使管线设计与设备安装同时进行，缩短施工周期，加快建造速度。采用三维数字化设计方法，通过三维建模提前模拟管线与设备之间的具体位置关系，以立体模型展现出来，方便安装人员理解，简化安装过程，减少反复工作。一些船舶制造企业已经开始尝试采用三维数字化设计方法进行管线布局，取得了显著成果，这也是未来船舶制造业的发展方向。只有不断引进先进技术，才能提升我国船舶制造水平，推动行业的发展。

3.3结构强度优化设计

在船舶构建的复杂流程中，管系设计的结构强化优化扮演着关键角色，它确保船只在航行期间抵御各种力学压力免于损坏。为了实现优化，设计者需详尽地评估船舶的运行条件和负载状况，涵盖如海浪和风力等外部作用力的考量。对于管系的不同部分，当穿越船体甲板和舱壁时，需选用特定尺寸的管系穿越组件（具备弹性的通舱件）。这些组件的材料选择和构造设计至关重要，目的是在航行期间降低船体柔韧性和应力对管系的不良影响。此外，管系的布局策略也对结构强度产生显著影响。通过改进管道的配置和支撑结构，可以缓解应力集中，增强结构的整体承载能力和耐疲劳性。总而言之，船舶管系的结构强化优化涉及材料选取、设计策略等多个方面，实践中要求精细处理，追求卓越，以保证船舶在严峻的海洋环境中能稳定且安全地运行。

3.4双燃料管系的流体力学分析与优化

通过双燃料管系的流体力学分析和优化，可以模拟管道中燃料的流动，分析流速、压力、温度等参数的分布和变化。同时，还可以进行多场耦合分析，考虑燃料的燃烧过程和排放特性，为双燃料管系的设计优化提供科学依据。在船舶机舱这样一个设备众多、受振动影响强烈的地方，特别需要注意管路的振动问题，以确保船舶动力系统的稳定性和可靠性。为了达到这一目标，必须实施有效的防振措施，如调整支管位置、改变支架型式等。借助CAESARII软件计算修正后的支管位置和型式，可以改善管路内部流体流动性能，减轻管路及支架的受力情况。这些措施不仅可以提升船舶动力系统的性能和稳定性，还能延长设备的使用寿命，减少维修和更换频率，从而降低运营成本。因此，采取有效的防振措施并利用CAESARII软件进行计算修正对于确保船舶动力系统的稳定性和可靠性至关重要。

4.结束语

随着时代脉搏的疾驰前行，船舶制造技术的飞跃式进步促使船舶管路设计的标准达到了新的高度。作为船舶设计流程的关键环节，优化管路布局不仅关乎整体工程效率，而且直接影响到后续施工安装的便捷性，因此，当前的研究焦点集中在如何强化这一领域的实践能力上。

参考文献

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