某散貨船智能機艙的設(shè)計與研究

1、    某散貨船智能機艙的設(shè)計與研究    李娜 向輝 李泉 陸佳 陳列峰摘 要：本文主要介紹了中國船級社智能規(guī)范對于智能機艙的要求，重點探討了智能機艙主輔機等重大設(shè)備的智能設(shè)計及實施方案，并對智能機艙監(jiān)測評估系統(tǒng)與視情維護系統(tǒng)進行了研究。關(guān)鍵詞：智能機艙；設(shè)計；研究：u664.121 ：aabstract： this paper introduces the ccss intelligent rule requirements for intelligent engine room， focuses on the intelligent design

2、proposals for important equipment in e/r， indicates the intelligent engine room design scheme and researches the intelligent engine room monitoring and evaluation system.key words： intelligent engine room； design； research1 概述智能船舶屬于中國制造2025中重點發(fā)展的高技術(shù)船舶，代表了未來船舶發(fā)展的方向。其以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用實時數(shù)據(jù)傳輸和匯集、遠(yuǎn)程遙控等先進的信息化技術(shù)，

3、實現(xiàn)船舶智能化感知、判斷分析以及輔助決策，從而更好地保證船舶航行安全性及效率1。2 智能機艙規(guī)范要求目前各國船級社對于智能船舶入級規(guī)范要求尚處于不斷探索研究中，有些船級社如中國船級社（ccs）已經(jīng)出臺了智能船舶規(guī)范。本文主要針對ccs智能船舶規(guī)范對于智能機艙的入級標(biāo)志要求進行研究探討。中國船級社智能船舶規(guī)范于2016年3月1日生效2，該規(guī)范適用于申請ccs智能船舶附加標(biāo)志的船舶。根據(jù)申請，經(jīng)ccs 審圖與檢驗，確認(rèn)船舶在智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺方面已符合本規(guī)范要求，可授予如下智能船舶附加標(biāo)志：i-ship （nx， hx， mx， ex， cx，

4、ix）。其中，括號內(nèi)的字母是智能船舶的功能標(biāo)志，可根據(jù)船舶實際具有的功能授予。智能船舶的功能標(biāo)志的含義如下：n-智能航行功能標(biāo)志；h-智能船體功能標(biāo)志；m-智能機艙功能標(biāo)志；e-智能能效管理功能標(biāo)志；c-智能貨物管理功能標(biāo)志；i-智能集成平臺功能標(biāo)志；x-可選功能補充標(biāo)志，一個小寫字母表示一個功能補充標(biāo)志，一個功能標(biāo)志可有多個功能補充標(biāo)志；i-ship （mx）-智能機艙入級附加標(biāo)志。智能機艙應(yīng)具有如下基本功能：（1）對機艙內(nèi)的主推進發(fā)動機、輔助發(fā)電用發(fā)動機、軸系的運行狀態(tài)進行監(jiān)測；（2）根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，對機械設(shè)備的運行狀態(tài)和健康狀況進行分析和評估；（3）根據(jù)分析與評估結(jié)果提出糾正

5、建議，為船舶操作提供決策建議。除具有上述規(guī)定的基本功能外，智能機艙還可根據(jù)機械設(shè)備運行狀態(tài)和健康狀況的分析和評估結(jié)果，制定相應(yīng)的視情維護計劃，作為智能機艙的補充功能。對于機艙內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備主機、輔機和推進軸系的狀態(tài)監(jiān)測，有如下的規(guī)范要求：（1）主推進發(fā)動機及其部件實施狀態(tài)監(jiān)測，至少應(yīng)包括如下部件/性能：各缸燃燒性能；燃燒室相關(guān)部件，如氣缸套、活塞頭（含活塞環(huán)）、氣缸蓋（含進、排氣閥）、燃料噴嘴/閥；摩擦部件，如主軸承、曲柄銷軸承、十字頭軸承、凸輪軸軸承；曲軸箱防爆；增壓器性能。（2）輔助發(fā)電用發(fā)動機及其部件實施狀態(tài)監(jiān)測，至少應(yīng)包括如下部件/性能：燃燒室相關(guān)部件，如氣缸蓋（含進、排氣閥）、氣缸套、燃

6、料噴嘴/閥；摩擦部件，如主軸承、曲柄銷軸承、凸輪軸軸承；增壓器性能。（3）推進軸系實施狀態(tài)監(jiān)測，至少應(yīng)包括如下部件/性能：齒輪箱；軸和軸承；軸瓦、密封性能。如果狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)能根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對機械設(shè)備及其部件的工作狀況進行健康評估，證明通過狀態(tài)監(jiān)測確定的狀態(tài)可等效于直接檢驗確定的狀態(tài)，則ccs 可批準(zhǔn)實施視情維護。已實施視情維護的機械設(shè)備及其部件的拆檢項目可按視情維護計劃執(zhí)行，未納入視情維護系統(tǒng)的設(shè)備及其部件仍應(yīng)按pms 實施維護及檢驗。狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在船上安裝完成后，應(yīng)按ccs規(guī)范要求進行初次檢驗，驗證船舶可按批準(zhǔn)的程序和計劃實施機械設(shè)備及系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)可按設(shè)計有效運行。3 智

7、能機艙設(shè)計研究3.1 主機智能機艙設(shè)計方案ccs智能機艙規(guī)范要求推進主柴油機需要監(jiān)測各缸燃燒性能與燃燒室相關(guān)部件、摩擦部件、曲軸箱防爆、增壓器性能。根據(jù)主柴油機選用品牌不同，智能設(shè)計方案存在差異。本文以某散貨船船型為例，主機選用wingd低速二沖程電噴柴油機，為了滿足主機監(jiān)測要求，前期策劃時主柴油機可采用配置智能燃燒控制與監(jiān)測系統(tǒng)icc+icm模塊、活塞可靠性運行mapex-pr模塊、摩擦部件軸承溫度與磨損監(jiān)測系統(tǒng)、主滑油水份監(jiān)測系統(tǒng)等方案。（1）主機智能燃燒控制與監(jiān)測系統(tǒng)icc+icm模塊主要通過氣缸壓力傳感器與飛輪端角度傳感器來實現(xiàn)。這些傳感器接至信號處理單元，通過bus總線接至icc控制

8、器，控制器編程數(shù)據(jù)處理后接至pc機，輸出pv示功圖及主機輸出功率等重要參數(shù)，同時還可通過連接打印機打印出各缸燃燒狀態(tài)參數(shù)及圖表。主機智能燃燒控制模塊設(shè)計方案，如圖1所示。（2）活塞可靠性運行mapex-pr模塊通過各缸缸套前溫度傳感器與缸套后溫度傳感器、缸套冷卻水總管進出口溫度傳感器與掃氣溫度傳感器實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測，這些傳感器接至放大器后再連接至mapex-pr控制箱進行數(shù)據(jù)處理分析，監(jiān)測結(jié)果通過pc機顯示器顯示或打印輸出監(jiān)測結(jié)果。主機mapex-pr模塊設(shè)計方案如圖2所示。（3）主機摩擦部件軸承溫度與磨損監(jiān)測系統(tǒng)軸承溫度監(jiān)測系統(tǒng)，通過設(shè)置在主軸承、推力軸承、曲柄銷、十字頭軸承各軸承處的溫度傳感器

9、實現(xiàn)溫度監(jiān)測；軸承磨損監(jiān)測系統(tǒng)，通過設(shè)置在主軸承、曲柄銷、十字頭軸承處每缸前后距離傳感器實現(xiàn)磨損監(jiān)測，通過控制器數(shù)據(jù)自動處理計算差值參數(shù)，以此監(jiān)測軸承的磨損狀態(tài)。（4）主滑油水份監(jiān)測系統(tǒng)通過在主滑油管路進口處安裝一個油中水傳感器，通過設(shè)置預(yù)報警及高報警來間接監(jiān)測軸承運行狀態(tài)。（5）主機曲軸箱防爆狀態(tài)監(jiān)測通過設(shè)置油霧探測器，即可滿足智能規(guī)范要求。（6）主機增壓器性能監(jiān)測通過增壓器的滑油、廢氣溫度傳感器與轉(zhuǎn)速傳感器以及掃氣壓力，進行狀態(tài)監(jiān)測。3.2 輔機智能設(shè)計方案ccs智能機艙規(guī)范要求輔機需要監(jiān)測柴油機側(cè)各缸燃燒室相關(guān)部件、摩擦部件、增壓器性能。為了滿足輔機監(jiān)測要求，前期策劃與訂貨時輔機可采用配

10、置溫度傳感器、壓力傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器等實現(xiàn)燃燒摩擦等部件狀態(tài)檢測。輔機氣缸蓋，通過缸套冷卻水進口壓力傳感器與出口溫度傳感器、各缸排煙出口溫度傳感器間接實現(xiàn)燃燒室狀態(tài)監(jiān)測；輔機主軸承、曲柄銷軸承、凸輪軸軸承等各摩擦部件的溫度監(jiān)測，可通過溫度傳感器直接或間接實現(xiàn)。軸承位置適宜時，可直接安裝溫度傳感器進行狀態(tài)監(jiān)測，也可通過主滑油管路進口安裝壓力、溫度或顆粒度傳感器間接實現(xiàn)軸承潤滑狀態(tài)監(jiān)測；增壓器性能，通過增壓器轉(zhuǎn)速傳感器與增壓器廢氣出口溫度傳感器進行狀態(tài)監(jiān)測。3.3 推進軸系智能設(shè)計方案ccs智能機艙規(guī)范要求推進軸系實施狀態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測齒輪箱、推進軸及軸承的運行狀態(tài)。推進軸系上可以安裝軸功率儀實時監(jiān)測

11、主機輸出功率，用于計算主機實時油耗及智能系統(tǒng)分析，同時也可以用于主機的綜合狀態(tài)分析評估。為滿足智能集成系統(tǒng)檢驗要求，需要在軸承基座上安裝振動傳感器，從而監(jiān)測軸系的磨損、裂紋、變形以及軸瓦及潤滑等各種異常情況，保證軸系的安全。3.4 其他設(shè)備的智能設(shè)計方案ccs智能機艙規(guī)范雖然只對主機、發(fā)電機、推進軸系提出了明確要求，但根據(jù)ccs船舶智能機艙檢驗指南3文件要求，對于重要的輔助機械如空壓機、機艙風(fēng)機、重要的油水泵組及電動機、空氣瓶等機艙輔助設(shè)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測檢驗，尤其提出振動檢驗要求。為滿足振動檢驗要求，可以采用在設(shè)備上安裝振動傳感器的方案，或者采用離線的振動傳感器由人定時檢測輸入系統(tǒng)的方案。

12、在智能機艙的監(jiān)測點中還要求對很多設(shè)備的運動部件進行監(jiān)測，有些設(shè)備運動部件因位置限制很難安裝相應(yīng)的傳感器進行直接監(jiān)測的，對于此類情況可通過間接手段進行監(jiān)測，如通過對滑油內(nèi)的固態(tài)顆粒進行監(jiān)測，由軟件分析得出相關(guān)運動部件的磨損情況。3.5 智能機艙監(jiān)測評估系統(tǒng)智能機艙評估系統(tǒng)能夠綜合利用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)所獲得的各種信息和數(shù)據(jù)，對機艙內(nèi)機械設(shè)備的運行狀態(tài)、健康狀況進行分析和評估，并能用于機械設(shè)備操作決策和維護保養(yǎng)計劃的制定，主要包括以下幾方面：（1）對機艙內(nèi)的主推進發(fā)動機、輔助發(fā)電用發(fā)動機、軸系的運行狀態(tài)進行監(jiān)測；（2）根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，對機械設(shè)備的運行狀態(tài)和健康狀況進行分析和評估；（3）根據(jù)分

13、析與評估結(jié)果，提出糾正建議，為船舶操作提供決策建議。智能機艙監(jiān)測評估系統(tǒng)是如何實現(xiàn)其評估功能的呢？（1）對于常規(guī)船舶：對機艙的監(jiān)測主要是通過機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)（ams）來實現(xiàn)的，其功能主要是在線的監(jiān)測設(shè)備的各個信號點，通過信號與報警設(shè)定值的比對得出設(shè)備單點狀態(tài)結(jié)論，而這個結(jié)論只存在好和不好兩個等級。同時其監(jiān)測數(shù)據(jù)保存的時間不長（不超過一個月），且通常只保存報警事件這些數(shù)據(jù)，對于機艙內(nèi)各設(shè)備的狀態(tài)評估是由有經(jīng)驗的船員來完成的。（2）對于智能機艙：除了有ams系統(tǒng)的功能外，還具有更強的數(shù)據(jù)分析功能。智能機艙監(jiān)測系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)的分析并不局限在單個信號點的比對，它對于每個信號點都會關(guān)聯(lián)上其他數(shù)據(jù)一起來分析

14、。比如主機軸承溫度，智能機艙監(jiān)測系統(tǒng)能將其同主機轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)起來分析，在不同轉(zhuǎn)速情況下正常主機軸承的溫度應(yīng)處于一個適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，智能機艙監(jiān)測系統(tǒng)能通過數(shù)據(jù)的積累，給出這個范圍的數(shù)據(jù)。而對于主機軸承溫度這個點，其評估結(jié)論是良好/亞健康/故障這三級加上評估分?jǐn)?shù)。同時，對于系統(tǒng)內(nèi)采集的信號點，它可以通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)將各個信號點之間的聯(lián)系找出來，并能通過這些數(shù)據(jù)的變化分析出故障產(chǎn)生的原因。舉例來說，機艙主海水管路破裂-海水壓力降低-機艙污水井高位報警，在這一系列的時間中，ams系統(tǒng)只能看到冷卻海水壓力低報警和機艙污水井高位報警這兩個單點故障，而智能機艙則可以通過兩個報警產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分析，得到兩者之間的關(guān)聯(lián)

15、，并提醒船員問題產(chǎn)生的根源。智能機艙評估系統(tǒng)除了對主機、發(fā)電機和軸系及機艙輔助設(shè)備進行監(jiān)測，還可實現(xiàn)船岸信息傳輸?shù)裙δ堋Ｅc常規(guī)的機艙自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)只能短期存儲相比，智能機艙采集的數(shù)據(jù)采樣時間更長，并且數(shù)據(jù)還會通過v-sat系統(tǒng)傳輸?shù)桨渡?，由岸站進行儲存分析。 智能機艙評估系統(tǒng)還能根據(jù)現(xiàn)有的信號采集對其他設(shè)備進行監(jiān)測，同時還有學(xué)習(xí)功能，可以通過數(shù)據(jù)/故障模式積累，為后續(xù)相似故障提供參考。4 視情維護計劃系統(tǒng)根據(jù)ccs智能船舶入級規(guī)范要求，智能機艙除了滿足基本功能外，還可根據(jù)機械設(shè)備運行狀態(tài)和健康狀況的分析和評估結(jié)果，制定相應(yīng)的視情維護計劃，作為智能機艙的補充功能。智能機艙的視情維護計劃主要通過未來研發(fā)的智能機艙視情維護系統(tǒng)實現(xiàn)，智能機艙視情維護系統(tǒng)與智能機艙評估系統(tǒng)應(yīng)該是相互關(guān)聯(lián)、兩者相輔相成的：智能機艙評估系統(tǒng)為智能機艙維護系統(tǒng)提供設(shè)備故障分析與輔助決策建議，智能機艙維護系統(tǒng)根據(jù)評估系統(tǒng)的故障分析報告，結(jié)合設(shè)備運行時數(shù)與自身所需的維護保養(yǎng)需求，通過軟件的數(shù)據(jù)積累分析后提供機艙設(shè)備的維護方案。常規(guī)船舶的設(shè)備維護通常存在定時維護和故障維護兩種情況。某些有經(jīng)驗的船員能根據(jù)船上的數(shù)據(jù)判斷出設(shè)備的狀況，可以在設(shè)備故障前提前維護，但這不存在普遍性；而智能船舶的視情維護系統(tǒng)，是根據(jù)對數(shù)據(jù)進行長期的跟蹤分析，得到數(shù)據(jù)的變化趨勢函數(shù)，推理出設(shè)備可能發(fā)生故障的