船舶動力裝置概述

第一節(jié) 船舶動力裝置的組成、類型和發(fā)展一、 船舶動力裝置的組成現(xiàn)在的船舶動力裝置主要由推進裝置、輔助裝置、管路系統(tǒng)、甲板機械、防污染設(shè)備和自動化設(shè)備等六部分組成。推進裝置推進裝置是指發(fā)出一定功率、經(jīng)傳動設(shè)備和軸系帶動螺旋槳，推動船舶并保證一定航速航行的設(shè)備。它是船舶動力裝置中最重要的組成部分，包括：主機。主機是指提供推動船舶航行動力的機械。如柴油機、汽輪機、燃氣輪機等。傳動設(shè)備。傳動設(shè)備的功用是隔開或接通主機傳遞給傳動軸和推進器的功率；同時還可使后者達到減速、反向或減振的目的。其設(shè)備包括離合器、減速齒輪箱和聯(lián)軸器等。軸系。軸系是用來將主機的功率傳遞給推進器。它包括傳動軸、軸承和密封件等。推進器。推進器是能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，它是將主機發(fā)出的能量轉(zhuǎn)換成船舶推力的設(shè)備。它包括螺旋槳、噴水推進器、電磁推進器等。輔助裝置輔助裝置是指提供除推進船舶運動所需能量以外，用以保證船舶航行和生活需要的其他各種能量的設(shè)備。主要包括：船舶電站。輔鍋爐裝置。壓縮空氣系統(tǒng)。管路系統(tǒng)管路系統(tǒng)是用來連接各種機械設(shè)備，并輸送相關(guān)流體的管系。由各種閥件、管路、泵、濾器、熱交換器等組成，它包括：動力系統(tǒng)。為推進裝置和輔助裝置服務(wù)的管路系統(tǒng)。主要包括燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、海淡水冷卻系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)和壓縮空氣系統(tǒng)等。輔助系統(tǒng)。為船舶平衡、穩(wěn)性、人員生活和安全服務(wù)的管路系統(tǒng)。主要包括壓載系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、日用海/淡水系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和冷藏系統(tǒng)等。甲板機械為保證船舶航向、停泊、裝卸貨物所設(shè)置的機械設(shè)備。它主要包括：舵機、錨機、絞纜機、起貨機、開/管艙蓋機械、吊艇機及舷梯升降機等。防污染設(shè)備用來處理船上的含油污水、生活污水、油泥及各種垃圾的設(shè)備。它包括油水分離裝置(附設(shè)有排油監(jiān)控設(shè)備)、生活污水處理裝置及焚燒爐等。自動化設(shè)備為改善船員工作條件、減輕勞動強度和維護工作量、提高工作效率以及減少人為操作失誤所設(shè)置的設(shè)備。主要包括：遙控、自動調(diào)節(jié)、監(jiān)控、報警和參數(shù)自動打印等設(shè)備。二、 船舶動力裝置的類型蒸汽動力裝置根據(jù)運動方式的不同，蒸汽動力裝置有往復(fù)式蒸汽機和汽輪機兩種。汽輪機推進裝置的優(yōu)點：由于汽輪機工作過程的連續(xù)性有利于采用高速工質(zhì)和高轉(zhuǎn)速的工作輪，因此單機功率比活塞式發(fā)動機大。汽輪機葉輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，無周期性擾動力，因此機組振動小、噪聲低。磨損部件少，工作可靠性大?？墒褂昧淤|(zhì)燃油，滑油消耗率也很低。汽輪機推進裝置的缺點：裝置的總重量、尺寸大。燃油消耗大，裝置效率較低，額定經(jīng)濟性僅為柴油機裝置的1/2-2/3；在相同的燃油儲備的情況下續(xù)航力降低。機動性差，備車時間長。燃氣動力裝置在燃氣動力裝置中，根據(jù)發(fā)動機運動方式的不同，有柴油機動力裝置和燃氣輪機動力裝置兩種。柴油機動力裝置柴油機動力裝置具有如下優(yōu)點：具有較高的經(jīng)濟性。重量輕。具有良好的機動性，操作簡單、啟動方便、正倒車迅速。柴油機動力裝置也存在如下缺點：由于柴油機的尺寸和重量按功率比例增長快，因此單機組功率受到限制。工作時噪聲和振動較大。中、高速柴油機的運轉(zhuǎn)部件磨損較嚴重。傳統(tǒng)的柴油機在低速時穩(wěn)定性差，因此不能有較低的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，影響船舶的低速航行性能。另外，柴油機的過載能力也較差。燃氣輪機動力裝置燃氣輪機動力裝置有如下優(yōu)點：單位功率的重量尺寸較小，機組功率也較大。良好的機動性，從冷態(tài)起動至全負荷時間僅需幾分鐘的時間。燃氣輪機動力裝置也有如下缺點：燃氣輪機自身不能反轉(zhuǎn)，如果作為主機，倒車時必須設(shè)置專門的變向設(shè)備。必須借助于電機或其他起動機械起動。由于燃氣的高溫作用，使葉片工作可靠性較差，壽命短。由于燃氣輪機工作時空氣流量大，因此進、排氣管道尺寸較大，艙內(nèi)布置困難，甲班上有較大的管道通過切口，影響船體強度。燃油消耗率較高。核動力裝置核動力裝置是以原子核的裂變反應(yīng)所產(chǎn)生的巨大能量，通過工質(zhì)(蒸汽或燃氣)推動汽輪機或燃氣輪機工作的一種裝置。核動力裝置有如下優(yōu)點：核動力裝置以少量的核燃料能釋放出巨大的能量，這就可以保證船舶以較高的航速航行很遠的距離。核動力裝置在限定的艙室空間內(nèi)所能供給的能量，比一般其他型式的動力裝置要大很多。核動力裝置的最大特點是不消耗空氣而獲得能量，這就不需要進、排氣裝置。核動力裝置的缺點：核動力裝置的重量、尺寸較大。核動力裝置的操縱管理、檢查系統(tǒng)比較復(fù)雜。核動力裝置的造價昂貴。三、柴油機動力裝置發(fā)展趨勢及管理重心的變化船舶動力裝置發(fā)展的趨勢柴油機動力裝置繼續(xù)占主導(dǎo)地位，并在不斷發(fā)展大型低速機向兩極發(fā)展，即開發(fā)多缸、大缸徑和少缸、小缸徑的機型，以適應(yīng)大型、超大型船舶和小型船舶。大功率中速柴油機仍然是大型客船、滾裝客船、滾裝船的推進動力裝置的首選。船舶柴油機的控制技術(shù)向電子化、智能化方向發(fā)展。雙燃料發(fā)動機用于特種船舶推進裝置的前景可觀。LNG船的動力裝置基本上是蒸汽輪機，蒸汽輪機輸出功率大、排出廢氣少、維護量少、可靠性高，但是蒸汽輪機的熱效率低、燃油消耗率高。近年來，各種替代方案應(yīng)運而生，例如天然氣一燃油的雙燃料二沖程和四沖程發(fā)動機的誕生等。與常規(guī)動力裝置相比，雙燃料發(fā)動機最大限度地利用了氣體燃料，大大降低了燃油消耗(節(jié)約燃料20%?30%)，同時，雙燃料發(fā)動機的NOx排放量只相當于普通柴油機的1/10，,co2的排放也相當?shù)?。雙燃料發(fā)動機是LNG船主機的首選。目前主要機型有瓦錫蘭公司生產(chǎn)的Wartsila的DF系列雙燃料發(fā)動機、MANB&W公司生產(chǎn)的ME-GI及四沖程雙燃料發(fā)動機。隨著人們對不污染海洋環(huán)境和大氣的“綠色船舶”的期望，世界上眾多的科研部門正在努力，以期減少柴油機動力裝置的排放污染。大型豪華旅游船的建造促進了電力推進系統(tǒng)的發(fā)展。電力推進系統(tǒng)是通過電子變頻技術(shù)，采用簡單的交流電動機帶動定螺距螺旋槳，根據(jù)需要從零到滿負荷自由選擇轉(zhuǎn)速，以滿足機動性和操縱性的要求。電力推進系統(tǒng)的優(yōu)點：可省去中間軸及軸承，機艙布置靈活?？蛇x用中高速柴油機，可使螺旋槳的轉(zhuǎn)速得到均勻、大范圍的調(diào)節(jié)。倒車功率大，操縱容易，倒航迅速，船舶機動性提高。主電機對外界負荷變化適應(yīng)性好，甚至可短時堵轉(zhuǎn)。高速船的發(fā)展為燃氣輪機動力裝置帶來了生機。由于燃氣機在單位功率重量和尺寸方面的優(yōu)勢，加上其優(yōu)良的加速性能、可靠性、振動小和低的NOx排放量等優(yōu)點，被高速客船等采用。與柴油機相比，燃氣輪機的不足之處主要是其較低的經(jīng)濟性。因此在作為推進動力時經(jīng)常配備柴油機，而利用燃氣輪機具有良好的起動性能用于加速工況，配上柴油機組成聯(lián)合動力裝置克服低工況油耗高的缺點，是高速船較合適的動力裝置。實踐表明燃氣輪機機組可靠性達99.5%，熱效率已達39%，加上其特有的NOx排放量低的優(yōu)勢，因此特別適合渡輪的使用要求。推進裝置一改以往單一供貨方式而成套供貨方式發(fā)展。環(huán)境保護要求更安全、更低排放的船舶動力裝置。安全要求動力裝置的冗裕配置。除將化學品船、液化氣體船、油船等設(shè)計成雙殼船體，還應(yīng)采用冗裕配置推進裝置及舵系，或設(shè)置應(yīng)急動力裝置，可保證主推進一旦失效，船舶仍能在惡劣海況下以6kn航速前進。最常見的方式是軸帶發(fā)電機，當需要時主機與齒輪箱脫開，軸帶發(fā)電機轉(zhuǎn)為電動機，以發(fā)電機的電力帶動螺旋槳實現(xiàn)船舶應(yīng)急推進。更進一步的發(fā)展，是雙套主推進系統(tǒng)。低排放的船舶動力裝置人類對保護環(huán)境質(zhì)量要求的日益嚴格，使船用柴油機廢氣排放對大氣污染的影響亦受到了密切的關(guān)注。根據(jù)《MARP0L73/78公約》附則丑對功率大于130KW的柴油機NOx的排放的規(guī)定，現(xiàn)今的智能柴油機通過控制燃燒，能夠滿足低排放和經(jīng)濟性的要求，此外，燃燒良好還可減少顆粒物排放。在低排放方面，電力推進及燃氣輪機更具有優(yōu)勢。輪機管理重心的變化由于船舶自動化程度大幅度提高，計算機技術(shù)迅速發(fā)展，與20世紀的船舶相比較，輪機管理工作的重心發(fā)生了根本性的改變，因此，對輪機管理人員提出了更高的要求，其重點體現(xiàn)在以下幾個方面：對輪機設(shè)備的檢修方面。由于對船舶設(shè)備的工況檢測儀器、儀表、故障診斷方法的日益完善，設(shè)備的維護、檢修將從定時、定期模式向視情模式發(fā)展。對船機設(shè)備的使用方面。由于船機設(shè)備的自動控制、自動故障監(jiān)測的廣泛使用，設(shè)備的使用管理已由傳統(tǒng)的“管機為主”、“管電為輔”向“機電綜合管理”方向發(fā)展。對輪機人員的業(yè)務(wù)要求方面。要求輪機人員不但有精湛的船機方面的知識，還要加強掌握船電方面專業(yè)知識和自動化方面的知識，這對于在現(xiàn)代化船舶上擔任輪機管理工作的輪機人員顯得尤為重要。（4） 對輪機人員的業(yè)務(wù)培訓方面。要加強輪機人員的業(yè)務(wù)培訓工作，使輪機人員盡快掌握和更新機電一體化方面的新技術(shù)和相關(guān)知識。（5） 對機電設(shè)備故障遠程診斷方面。要加強專家故障診斷系統(tǒng)的建設(shè)和完善。（6） 對機艙的資源更要加強管理。包括人力資源和設(shè)備等，使得機艙的資源能夠充分發(fā)揮各自應(yīng)有的作用。第二節(jié) 船舶動力裝置的要求及性能指標一、對動力裝置的要求對船舶動力裝置的要求，主要包括可靠性、經(jīng)濟性、機動性、重量和尺度、續(xù)航力、生命力等相關(guān)指標。可靠性影響可靠性的因素主要有三個方面：設(shè)計制造（包括修復(fù)）的質(zhì)量、安裝工藝的水平、使用管理技術(shù)能力。使用管理技術(shù)能力對可靠性的影響表現(xiàn)在：嚴格按照造船規(guī)范建造是取得可靠性的先決條件；備件的數(shù)量和保管是提高可靠性的有力保障；管理人員的業(yè)務(wù)能力是影響可靠性的重要因素。經(jīng)濟性船舶在營運中，船舶動力裝置的維護費用占船舶總費用的比例很大，現(xiàn)在已超過50%。為了提高船舶的營運效益，必須盡量提高動力裝置的經(jīng)濟性。機動性機動性是指改變船舶運行狀態(tài)的靈敏性，它是船舶安全航行的重要保證。船舶起動、變速、倒航和回轉(zhuǎn)性能是船舶機動性能的主要體現(xiàn)，而機動性取決于動力裝置的機動性，動力裝置的機動性由以下幾個指標來體現(xiàn)。（1） 起航時間從接到起航命令開始，經(jīng)過暖機、備車和沖試車，使發(fā)動機達到隨時可用狀態(tài)的時間。這段時間越短的船舶其機動性越好。（2） 發(fā)動機由起動開始至達到全功率的時間這是加速性能的指標，這段時間的長短主要取決于發(fā)動機的型式、船體形狀、螺旋槳形式、吃水及外界阻力大小等因素。影響發(fā)動機加速的因素是它的運動部件的質(zhì)量慣性和受熱部件的熱慣性，熱慣性更為突出，中速機優(yōu)于低速機。船舶本身的阻力大小對發(fā)動機的加速性能也有很大的影響，由于調(diào)距槳對外界條件有很好的適應(yīng)性，它的加速性能明顯好于定距槳。（3） 發(fā)動機換向時間和可能的換向次數(shù)發(fā)動機換向所需的時間是指主機在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，由發(fā)出換向指令到主機以相反方向開始工作所需的時間。換向時間越短，發(fā)動機的機動性越好。主機換向時間不得大于15s。（4） 船舶由全速前進變?yōu)榈购剿钑r間（滑行距離）這是體現(xiàn)主機緊急倒車性能的指標。由于船舶慣性大，由全速前進變?yōu)楹笸怂璧臅r間，總是大大超過發(fā)動機換向所需的時間。船舶開始倒航前滑行的距離主要取決于船舶的裝載量、航速、主機的起動換向性能、空氣瓶空氣壓力和主機倒車功率。（5） 發(fā)動機的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速禁區(qū)在多缸柴油機中，由于各缸噴油泵柱塞偶件、噴油器針閥偶件的間隙和噴孔孔徑間的差別，以及一般油量調(diào)節(jié)桿安裝間隙的不同，使得船用主柴油機在低轉(zhuǎn)速（低負荷）運轉(zhuǎn)時，各缸供油量顯著不均。嚴重時個別缸不能發(fā)火而使轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，甚至自動停車。因而船用主柴油機都有一個使各缸都能夠均勻發(fā)火的最低轉(zhuǎn)速，稱最低（工作）穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。船用主柴油機（尤其是直接驅(qū)動螺旋槳的主柴油機）的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速直接影響船舶微速航行性能。一般低速柴油機的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速不高于標定轉(zhuǎn)速的30%，中速機不高于40%，高速機不高于45%。在主機使用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)如果存在引起船舶或軸系共振的臨界轉(zhuǎn)速，則應(yīng)規(guī)定為轉(zhuǎn)速禁區(qū)，并以紅色在主機轉(zhuǎn)速表上標示。在主機使用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速禁區(qū)越窄越好。重量和尺度續(xù)航力續(xù)航力是指船舶在加足航行所需物資(燃油、滑油、淡水等，主要指燃油)后所能航行的最大距離或最長時間。它是根據(jù)船舶的用途和航區(qū)確定的。續(xù)航力不但和動力裝置的經(jīng)濟性、物資儲備量有關(guān)，也和航速有很大關(guān)系。生命力生命力是指船舶在船機發(fā)生故障的情況下最大限度地維持工作的能力。二、船舶動力裝置的基本性能指標動力裝置的基本特性指標是指技術(shù)指標、經(jīng)濟指標和性能指標。這些指標是我們對船舶進行選型、設(shè)計和判斷性能優(yōu)劣的重要依據(jù)。船舶動力裝置的技術(shù)指標技術(shù)指標指標識動裝置的技術(shù)性能和結(jié)構(gòu)特性的參數(shù)。它主要指下列幾個指標：功率指標功率指標表示船舶做功的能力。為了保證船舶具有一定的航速，就要求推進裝置提供足夠的功率。動力裝置的功率是按船舶的最大航速確定的。在船舶以一定的航速前進時，螺旋槳產(chǎn)生的推力，必須克服船體對水和風的阻力，這些阻力取決于船舶線型、尺寸、航行速度，以及風浪大小和航道深淺等。船舶有效功率Pr船舶有效功率pR指推進船舶航行所需功率。運行阻力R(N)，船舶的航行速度vs(m/s)，則有效功率Pr=RXvsX1/1000KWPr常稱為拖曳功率，可以從船?；?qū)嵈撵o水試驗中得出。阻力R，相當于速度vs拖動船模(或?qū)嵈?時繩索上的拖曳力。主機的輸出功率主機的輸出功率即主機的制動功率或主機的有效功率。如果考慮了推進軸系的傳動損失，主機的供給功率實際上就是主機的額定功率。新船設(shè)計時，估算船舶的有效功率Pr可用“海軍常數(shù)法”進行估算。相對功率相對功率就是對應(yīng)于船舶每噸排水量所需的主機有效功率。pr=Pe/DkW/t D一船舶排水量，t重量指標主機的單位重量gm主機的單位重量gm是指主機單位有效功率的重量，即gm=Gm/Pekg/kW式中，Gm—主機重量，kg；Pe——主機有效功率，kW動力裝置的單位重量gz動力裝置的單位重量gz是指主機單位有效功率所需動力裝置的重量，即gz=Gz/Pekg/kW式中，Gz—主機重量，kg；Pe——主機有效功率，kW主機的相對重量am主機的相對重量am是指主機重量Gm與船舶排水量D之比，即am=Gm/Dkg/t式中，Gm一主機重量，kg； D一船舶滿載排水量，t動力裝置的相對重量az動力裝置的相對重量az是指動力裝置重量Gz與船舶滿載排水量D之比，即az=Gz/Dkg/t式中，Gz—主機重量，kg； D一船舶滿載排水量，t尺寸指標對于不同船舶，機艙尺寸要求也不統(tǒng)一，為了表征機艙的面積和容積利用率，特引用面積飽和度和容積飽和度兩個指標。面積飽和度Ks：面積飽和度是指每平方米機艙面積所分配的主機有效功率，即Ks=Pe/SkW/皿式中，Pe一主機有效功率，kW； S一機艙所占的面積，皿容積飽和度Kv：容積飽和度是指每立方米機艙容積所分配的主機有效功率，即Kv=Pe/VkW/m3式中，Pe一主機有效功率，kW； V—機艙所占的容積，m3船舶動力裝置的經(jīng)濟性指標船舶動力裝置的經(jīng)濟指標常用六個指標表示。動力裝置的總效率動力裝置的總效率主要由推進裝置的熱效率、柴油發(fā)電機組的熱效率和燃油鍋爐的熱效率組成。推進裝置的熱效率推進裝置的熱效率是指推進裝置所產(chǎn)生的有效功的熱當量與主機所消耗熱量之比。柴油發(fā)電機組的熱效率柴油發(fā)電機組的熱效率是指柴油發(fā)電機組電功率的熱當量與其所消耗熱量之比。燃油輔助鍋爐的熱效率燃油輔助鍋爐的熱效率是指燃油輔助功率有效利用的熱量與其所消耗熱量之比。柴油機的燃油消耗率ge柴油機的燃油消耗率是指在單位時間內(nèi)柴油機額定功率所消耗的燃油量，即ge=Ge/Pe kg/(kW.h)式中，Ge——柴油機每小時燃油消耗量，kg/h;Pe——主機有效功率，kW船舶主機日耗油量Ge船舶主機日耗油量是指主機在24h內(nèi)的燃油消耗量船舶日耗油量Gd船舶日耗油量是指每24h全船主機、輔機、輔助鍋爐的所消耗的燃油總量。船舶每海里燃油消耗率gn船舶每海里燃油消耗量指船舶航行每海里所消耗的燃油總量，即gn=GT/Vs=GTe+GTg+GTb+GTo/Vs t/nmileGt——船舶每小時燃油消耗量，t/h；vs——航速；GTe、GTg、GTb、GTo——分別表示主機、發(fā)電柴油機、燃油輔助鍋爐及焚燒爐等其他耗油設(shè)備每小時的耗油量，Kg/h一般情況下GTg、GTb、GTo與航速無關(guān)。主機每海里燃油消耗gTe=Pe.ge/vs kg/nmilegTe既與ge有關(guān)又與vs有關(guān)。這項經(jīng)濟指標與船舶營運管理水平和輪機管理水平密切相關(guān)。圖1-2為主機燃料消耗率和每海里航程船舶燃料消耗量隨船速變化的關(guān)系圖。當船舶處于慢速航行時，雖然主機燃油消耗率ge較高，但船舶每海里燃油消耗率gn較低；隨著船速的增加，雖然ge有所降低，但gn卻明顯增加。圖中g(shù)n的最小值所對應(yīng)的航速稱為節(jié)能航速。圖1-2燃料消耗隨航速變化關(guān)系圖9e——燃油消耗率（紅線）；gn——每海里燃油消耗率（藍線）6）船舶經(jīng)濟航速經(jīng)濟航速是指船舶營運時取得某種經(jīng)濟效果的航速，常用的經(jīng)濟航速有以下幾種：節(jié)能航速、最低營運費用航速和最大盈利航速。（1） 節(jié)能航速節(jié)能航速是指每小時燃油消耗量最低時的靜水航速，它常由主機按推進特性運行時能維持正常工作的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速所決定。營運船舶在實現(xiàn)減速航行時，主機所輸出的功率大大減少，其每海里燃油消耗率大幅度降低。但航速降低后，營運時間被延長，運輸?shù)闹苻D(zhuǎn)量也少了，故當船舶須實現(xiàn)減速航行時，尚應(yīng)結(jié)合企業(yè)的貨源、運力及完成運輸周轉(zhuǎn)量的情況綜合考慮后再決策。（2） 最低營運費用航速船舶航行1天的費用，主要由其固定費用（折舊費、修理費、船員工資、港口駛費、管理費、利息、稅金以及船舶停泊期間燃、潤油費等）和船舶航行時燃、潤油費用構(gòu)成。最低營運費用航速是指船舶每航行1nmile上述固定費用及航行費用最低時的航速，可供船舶及其動力裝置的性能評價及選型用。在滿足完成運輸周轉(zhuǎn)量的前提下，船舶按最低營運費用航行，其成本費最省，但它并未考慮停港時間及營運收入的影響，故不夠全面。（3） 最大盈利航速最大盈利航速是指指每天（或船舶在營運期間）能獲得最大利益的航速。此航速的大小，往往與每海里（或公里）運費收入、停港天數(shù)及船舶每天付出的固定費用有關(guān)。一般在運費收入低、停港時間長、運距短、油價高的情況下，其最大盈利航速相對較小。第三節(jié)船舶動力裝置的可靠性一、 船舶的特殊性船舶動力裝置的可靠性與船舶的特殊性密切相關(guān)。船舶的特殊性主要表現(xiàn)在：（1） 船舶大部分時間在海上航行。（2） 設(shè)備發(fā)生故障時，往往處于復(fù)雜的航區(qū)和嚴酷的氣象條件，局部故障可能影響全局，甚至導(dǎo)致嚴重后果。（3） 船舶動力裝置的使用環(huán)境苛刻多變、運行時工作參數(shù)變化范圍較大，隨時能要船員進行操縱，有時還要求采取應(yīng)急措施，因此對船員要求較高。（4） 船用機械特別是主機制造臺數(shù)少，而且母型機的試驗難以在陸地上充分進行。（5） 主機型式更新?lián)Q代速度較快。（6） 機器部件和元件以及它們的質(zhì)量和功能各異，所需知識面較廣。（7） 現(xiàn)場數(shù)據(jù)主要由船員整理和提供。二、 可靠性在船舶動力裝置中的應(yīng)用船舶的特殊性，不僅體現(xiàn)出動力裝置可靠性的重要性，而且也說明動力裝置的可靠性是個復(fù)雜的課題。它既與各組成設(shè)備的可靠性、維修性有關(guān)，也涉及到參與管理的人的因素，因此它和人機工程學、勞動管理學、心理學等領(lǐng)域交錯在一起，使問題難以解決。三、 船舶各種機械的故障統(tǒng)計動力裝置中各種機械發(fā)生故障的比例在世界四大柴油機制造公司近幾年的統(tǒng)計資料表明，在柴油機船上，主機故障占總故障數(shù)的比例達到四成，主機是動力裝置中最重要的，但也是可靠性最薄弱的環(huán)節(jié)。在主機發(fā)生故障的原因中，約一半是由于材料質(zhì)量不良和機件污損，前者是制造階段的原因，后者是使用階段的原因。所以從設(shè)計者到管理者，對主機可靠性都要給予足夠的重視。柴油機部件的故障統(tǒng)計根據(jù)勞氏船級社、中國遠洋運輸總公司、日本相關(guān)機構(gòu)等相關(guān)機構(gòu)對船舶主機故障統(tǒng)計表明，低速柴油機發(fā)生故障最多的部件是活塞、氣缸蓋和十字頭軸承。中速柴油機（包括柴油發(fā)電機）中曲軸及其軸承故障比較突出。這些部件應(yīng)作為可靠性技術(shù)中的重點問題給予研究，在運行管理中也應(yīng)格外注意。第四節(jié)提高船舶動力裝置可靠性的措施要保證和提高船舶動力裝置的可靠性，首先在設(shè)計時就應(yīng)滿足可靠性要求，然后，在制造和工藝方面盡可能達到設(shè)計時規(guī)定的可靠度。只有這樣在使用中才能體現(xiàn)出轉(zhuǎn)子是否可靠。顯然船舶動力裝置的可靠性問題貫穿于整個設(shè)計、制造和工藝階段以及全部運轉(zhuǎn)期間。因此，我們可以把影響動力裝置可靠性的因素分為設(shè)計、制造工藝和管理三個方面。下面我們將著重從管理與維修保養(yǎng)方面探討如何提高動力裝置的可靠性。一、 提高管理水平一個產(chǎn)品工作是否可靠，除決定于出廠質(zhì)量外，使用管理維護的好壞對其可靠性也有決定性影響。因此，管理人員的業(yè)務(wù)水平，對于保證船舶的可靠性具有頭等重要的意義。統(tǒng)計表明，許多故障是由于船員采取了不正確的措施和違反技術(shù)操作規(guī)程所導(dǎo)致的。隨著船舶的設(shè)備日趨復(fù)雜，對船員業(yè)務(wù)水平、熟練程度、操作技能、發(fā)現(xiàn)和排除故障等的能力要求越來越高，其完成任務(wù)的職責也在加強。業(yè)務(wù)水平高的船員，可以保證船舶技術(shù)設(shè)備的使用和維護的質(zhì)量始終處于較好狀態(tài)；能正確執(zhí)行操作規(guī)程，充分做好設(shè)備起動前的準備工作，正確判斷設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)和正確地確定負荷高低；還可以迅速發(fā)現(xiàn)和排除故障，用較短的時間完成維修工作。在拆裝機械、更換零部件時，如果船員水平不高，則可能使部件遭受異常負荷和額外應(yīng)力，從而導(dǎo)致故障次數(shù)增加。國內(nèi)外的故障統(tǒng)計資料表明，人為故障所占比例越來越大。在人為原因造成的故障中，屬于責任心不強（工作不仔細、檢查不及時和違章操作）與屬于管理水平低（保養(yǎng)維護不良、指揮命令不當、判斷錯誤、操作錯誤等）所引發(fā)的幾乎各占一半，而且低職船員的人為事故所占比例高于高職船員。這些事實說明了提高船員管理水平的重要性和迫切性，并應(yīng)從職業(yè)道德教育和業(yè)務(wù)水平提高兩方面去努力。二、 提高維修質(zhì)量維修是恢復(fù)和保證產(chǎn)品可靠性的一個重要措施。為了使產(chǎn)品發(fā)生故障后能很快修好，除了要求有先進的維修手段、熟練的維修人員之外，產(chǎn)品本身也應(yīng)該有良好的可維修性。可維修性包括易拆卸性、可達性、可還原性、通用性、互換性、適檢性等，因此維修時應(yīng)著重考慮以下幾個方面。對設(shè)備的維修要及時在有條件的情況下，鼓勵船員對設(shè)備進行自修在廠修時要做好監(jiān)修工作做好備件的管理工作要有防錯措施維修前應(yīng)將維修時的方法、步聚及可能發(fā)生的問題考慮周全三、 充分利用技術(shù)管理指導(dǎo)性文件利用這些技術(shù)資料制定操作規(guī)程遵守操作過程可以避免或減少誤操作，減少事故和有利于延長設(shè)備使用壽命。根據(jù)文件資料判斷設(shè)備的實際技術(shù)狀態(tài)主機的推進特性曲線和柴油發(fā)電機的負荷特性曲線，都是發(fā)動機實際工作狀態(tài)好壞的衡量標準，依據(jù)它們可盡早發(fā)現(xiàn)故障的隱患，及時采取有效措施。制定維修計劃與標準依據(jù)技術(shù)文件制定出設(shè)備維護、維修計劃及標準。利用這些計劃及標準，對設(shè)備進行維修保養(yǎng)，可以使設(shè)備保持在最佳的技術(shù)狀態(tài)。對復(fù)雜、重要、技術(shù)維護所用平均年勞動量高的設(shè)備，若采用事后維修則會造成較大的經(jīng)濟損失、可靠性損失（質(zhì)量損失）和安全事故。因此，應(yīng)該依靠平時的檢查和維修，使系統(tǒng)和設(shè)備始終保持在最佳狀態(tài)，防止事故的發(fā)生，這就是預(yù)防性維修。為了做好這項工作，必須對作業(yè)的內(nèi)容、時間，判斷缺陷的方法和缺陷特征，應(yīng)達到的標準等，按指導(dǎo)性文件的要求，結(jié)合設(shè)備的具體狀態(tài)，進行周密計劃并實施。指導(dǎo)對設(shè)備的維修保養(yǎng)在對設(shè)備進行維修保養(yǎng)時，可根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)文件提供的技術(shù)參數(shù)、拆卸與安裝的步驟、安全注意事項和檢修操作注意事項等，對設(shè)備進行正確地維修保養(yǎng)，確保設(shè)備恢復(fù)到最佳的技術(shù)性能。四、做好可靠性數(shù)據(jù)的收集與管理可靠性數(shù)據(jù)的收集與管理是開展提高可靠性活動的基礎(chǔ)工作和主要內(nèi)容。通過對可靠性數(shù)據(jù)的收集、整理、分類、統(tǒng)計和分析，可達到兩個目的：了解整個動力裝置、裝置中各種機械設(shè)備和各種零部件的可靠性狀況，為新型船舶的開發(fā)設(shè)計、對有關(guān)設(shè)備和部件的改進提供可靠的依據(jù)，促進造船事業(yè)的發(fā)展。通過故障發(fā)生的時間、產(chǎn)生原因、維護和管理工作量的統(tǒng)計分析，正確制定使用和維修的標準及規(guī)范，改進管理維修工作，提高管理水平。第五節(jié)船舶動力裝置的余熱利用一.船舶動力裝置的余熱利用方案船舶動力裝置熱平衡方程式柴油機船舶動力裝置的動力設(shè)備主要是主柴油機、柴油發(fā)電機組和輔助鍋爐等。它們都以液態(tài)燃料為能源。船舶航行工況所需要的總熱量為Q=Qm+Qg+Qb式中，分別為主機、柴油發(fā)電機組和輔助鍋爐所消耗的熱量，KJ/h。船舶動力裝置熱平衡方程式為/x+y+z=1式中，x=Qm/Q，y=Qg/Q，z=Qb/Q分別為主機、柴油發(fā)電機組和輔助鍋爐消耗熱量的百分比。動力裝置的能量平衡各成分的值x，y，z與船舶用途和動力裝置的類型有關(guān)。在進行船舶動力裝置設(shè)計時，必須考慮整個船舶的能量平衡和各個耗能設(shè)備的熱平衡，以便找出能量綜合利用的途徑，決定所采用能量綜合利用的裝置和方案，從而提高動力裝置能量平衡中有效利用熱量的比例，以達到節(jié)約燃料的目的。船舶動力裝置余熱利用方案根據(jù)柴油機的熱平衡，能量轉(zhuǎn)換的數(shù)值范圍如下：轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功的熱為35%?40%。排氣帶走的熱為27%?50%。冷卻介質(zhì)(缸套冷卻水、增壓空氣冷卻水、潤滑油等)帶走的熱15%?30%。其他熱損失(輻射熱、摩擦損失熱)2%?8%。余熱利用是提高船舶動力裝置經(jīng)濟性的措施之一。廢熱利用的方法是按廢熱特點進行的。主機排氣廢熱溫度高，可利用的單位熱量大；而冷卻水的溫度較低、量大，可利用的熱量也不少。不同類型船舶的余熱利用形式是很多的，幾種余熱利用裝置的原理圖：用廢氣鍋爐全部或部分代替輔助鍋爐。用廢氣鍋爐全部代替輔助鍋爐，且還可用廢氣渦輪發(fā)電機部分代替柴油機發(fā)電。用廢氣鍋爐產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動的汽輪發(fā)電機，全部或部分代替柴油機發(fā)電。用廢氣鍋爐產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動的汽輪發(fā)電機全部代替柴油機發(fā)電，并且廢氣鍋爐還可以部分代替輔助鍋爐。用廢氣鍋爐產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動的汽輪發(fā)電機全部代替柴油機發(fā)電，并且用廢氣鍋爐全部代替輔助鍋爐。如冷卻水溫度較高，則冷卻水的熱量可用來產(chǎn)生蒸汽，以驅(qū)動汽輪發(fā)電機。也可用于其他需要加熱的設(shè)備。把冷卻水直接或間接為冷卻預(yù)熱，作燃油加熱、制淡、制冷和生活雜用等的熱源。目前在船上較普遍地實現(xiàn)了余熱利用(1)和(2)，以及把冷卻水的熱量部分地用于海水淡化裝置和加熱空調(diào)系統(tǒng)中的空氣。利用廢熱產(chǎn)生蒸汽和熱水，可以減少輔柴油機和輔鍋爐的耗油，提高裝置經(jīng)濟性。然而，裝置上是否被采用以及如何采用，必須結(jié)合船舶動力裝置的具體情況加以綜合平衡，尤其要對下列三個方面問題進行仔細分析研究后才能作出決定：（1） 區(qū)別船舶類型和裝置功率范圍（2） 要用專門措施保證廢熱供應(yīng)和廢熱消耗兩者的平衡（3） 廢熱利用一定要綜合考慮經(jīng)濟性最大限度利用余熱的聯(lián)合裝置隨著柴油機廢氣渦輪增壓器效率的提高和廢氣動力渦輪的利用，使柴油機排出廢氣可利用能量減少，其可利用部分和以前相比約下降50%，所以僅靠廢氣鍋爐所提供的熱量，難以滿足船舶動力裝置及輔助系統(tǒng)的要求，這就要求對能量平衡必須進行研究。另一方面柴油機實現(xiàn)了超高增壓，增壓空氣壓力超過0.4MPa，溫度超過180°C，其能量、質(zhì)量和數(shù)量增加，利用價值大大提高，這部分過去未加利用的能量和廢氣能量的聯(lián)合利用就可滿足新的能量平衡。廢熱回收裝置的主要設(shè)備是多級蒸汽經(jīng)濟器、混壓蒸汽渦輪、增壓空氣冷卻器（即爐水預(yù)熱器）。圖1-4為三菱重工（Mitsubishi）的超級透平發(fā)電系統(tǒng)（STG）示意圖。該系統(tǒng)在雙壓廢氣經(jīng)濟器和混壓蒸汽透平發(fā)電機的基礎(chǔ)上補充了一個熱水閃發(fā)能量發(fā)電系統(tǒng)。另外該系統(tǒng)還將增壓空氣的廢熱回收，用于對廢氣鍋爐的給水加熱。三菱的MET-SC渦流增壓器由于效率提高，只需較少的廢氣，剩余的廢氣則提供給一個徑流式廢氣透平。該廢氣透平的熱水閃蒸蒸汽透平通過一個齒輪裝置共同驅(qū)動發(fā)電機。STG系統(tǒng)比帶有熱水閃蒸的蒸汽發(fā)電系統(tǒng)多獲得40%?60%的電能，并且使整個裝置的燃油消耗減少2%?3%。當主機在低負荷運轉(zhuǎn)時，所產(chǎn)生的輔助能量能夠滿足船上用電需要，而不必使用柴油發(fā)電機或軸帶發(fā)電機裝置和輔鍋爐產(chǎn)生的蒸汽。最早的STG系統(tǒng)已安裝在VLCC油船上，主機是裝有MET-SC型渦輪增壓器的7RTA84M低速柴油機；廢氣/蒸汽聯(lián)合驅(qū)動的發(fā)電機功率為1350KW；軸帶發(fā)電機/馬達為500KW；兩臺1000KW的柴油發(fā)電機組；空氣冷卻器作為爐水預(yù)熱器；廢氣鍋爐產(chǎn)生的低壓蒸汽供加熱器使用。圖1-5為瓦錫蘭公司推出的典型的柴油機余熱回收系統(tǒng)，簡稱WHRS（WasteHeatRecoverySystem）o該系統(tǒng)除了有效地利用柴油機排出的廢氣能量，還將柴油機缸套冷卻水和掃氣空氣的余熱回收利用，有效地節(jié)約了燃油的消耗及廢氣的排放。二、船舶動力裝置的效率為了評定和比較柴油機船舶動力裝置的經(jīng)濟性，應(yīng)計算整個動力裝置的效率。目前較常用的計算方法有下列幾種。柴油機船舶動力裝置的總效率在評價不同形式船舶柴油機動力裝置的余熱利用效率時，先要明確熱量有效利用的范圍，不僅包括與螺旋槳功率等值的熱量，還包括全船各種耗能裝置和動力裝置本身需要的熱量。在這種情況下，評價船舶柴油機動力裝置的經(jīng)濟性標準就是總效率?？傂蕿樗泻哪茉O(shè)備的有效熱之和與所消耗總熱量之比。船舶能量利用效率船舶動力裝置的主要功用是保證額定航速，所以相對于螺旋槳功率的能量與船舶消耗的總能量之比，可以作為船舶熱能利用效率的綜合性標準。這個比值稱為船舶能量利用效率，即推進軸上總有效功率與所有耗能設(shè)備總消耗熱能之比。船舶能量利用效率不僅反應(yīng)動力裝置本身的熱工完善程度，而且表征綜合推進裝置的工作效率。推進裝置的推進效率現(xiàn)代大功率柴油機船舶動力裝置本身（滑油泵、燃油泵、冷卻水泵、分油機、熱交換器、通風機等）需要消耗大量的能量，因此推進軸上總有效功率與推進裝置消耗的熱量之比可用來評定各類船舶動力裝置的經(jīng)濟性。因為它僅考慮推進裝置的燃料消耗，故可評定各類船舶動力裝置的經(jīng)濟性，而不能評定利用廢熱的經(jīng)濟性。三、廢氣鍋爐的管理典型的廢氣鍋爐系統(tǒng)目前MC機型在正常額定負荷下透平后的排氣溫度為250?270°C，降低負荷運轉(zhuǎn)時將會更低些，因此可利用的排氣余熱減少，使廢氣鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽不能滿足船舶加熱系統(tǒng)的需要，此時燃油輔助鍋爐可作為補充。MANB&W公司推出兩種典型的廢氣鍋爐系統(tǒng)。其一為標準的廢氣鍋爐系統(tǒng)，它用于產(chǎn)生飽和蒸汽供加熱之需，廢氣鍋爐有單一的蒸發(fā)器組成，是簡單的單壓蒸汽系統(tǒng)。給水直接泵送到燃油鍋爐，廢氣鍋爐與燃油鍋爐之間有循環(huán)水泵并共用一個水鼓。該系統(tǒng)具有明顯的簡單性和低投資成本，又完全滿足船舶加熱蒸汽量的要求，因而得到廣泛應(yīng)用。其二為帶渦輪發(fā)電機的廢氣鍋爐系統(tǒng)，如圖1-7所示，它是帶有給水預(yù)熱器、蒸發(fā)器和過熱器的單壓蒸汽系統(tǒng)，其蒸汽除用于加熱之外還可以用于驅(qū)動渦輪發(fā)電機，系統(tǒng)中燃油輔助鍋爐的汽鼓一般也作為共用汽鼓。該廢氣鍋爐系統(tǒng)將更加先進些。廢氣鍋爐煙灰積垢與著火的原因分析在NK所統(tǒng)計的82艘船舶中，多數(shù)為二沖程柴油機和水管鍋爐，其中53艘船舶的廢氣鍋爐發(fā)生煙垢著火和損壞。廢氣鍋爐著火分為小的煙垢著火和高溫著火。（1） 小的煙垢著火在有充分氧氣存在時，煙垢的可燃成分在高溫下（高于閃點）自由蒸發(fā)，被火花或火焰點燃，并保持小范圍和有限的燃燒，稱為小的煙垢著火。在柴油機機動操縱和低負荷運轉(zhuǎn)期間容易發(fā)生。煙垢潛在著火溫度一般為300?400C，但存在未燃燒的燃油時著火溫度約為150C，極端情況下甚至低到120C。這意味著著火也可發(fā)生于主機緊急停車之后，因為灼熱顆粒（火花）還殘留在管路管上。（2） 高溫著火高溫著火有氫著火和鑄鐵著火，可導(dǎo)致廢氣鍋爐損壞。如溫度在1000C以上氫著火可以發(fā)生。鑄鐵著火即高溫下發(fā)生的鑄鐵氧化反應(yīng)，在溫度超過1100C時，鑄鐵著火可以發(fā)生，使鍋爐自身燃燒。廢氣鍋爐煙垢著火的條件：只有在煙垢、火源和氧氣同時存在時才可以發(fā)生著火現(xiàn)象。煙垢著火的原因往往是由于柴油機燃油燃燒后產(chǎn)生的含油的煙灰微粒所引起的。主機的型號及制造工藝對煙垢著火無明顯影響，甚至和短行程和長行程也沒有多大關(guān)系。另外，廢氣鍋爐使用水管的形式對煙垢著火也沒有明顯影響，實際上鍋爐安裝的簡單管件與帶有擴展管表面的管件有幾乎同樣數(shù)目的著火問題。最新開發(fā)的柴油機排氣溫度又比較低，容易導(dǎo)致廢氣鍋爐煙灰沉積。統(tǒng)計表明廢氣鍋爐的進口和出口溫度對煙垢著火的發(fā)生都沒有任何明顯影響。在現(xiàn)代柴油機較低排氣溫度下，為了仍能維持船舶蒸汽消耗的需求，促使與其匹配的廢氣鍋爐被設(shè)計得更加高效，這包括利用大受熱面、鍋爐設(shè)計為擴展管表面和低燃氣流速。上述高效與超擴展鍋爐的設(shè)計和劣質(zhì)燃油的使用，使廢氣鍋爐管上煙灰沉積有增加的趨勢，并導(dǎo)致煙垢著火。此外，近年來船舶裝載不足，也造成著火事故的上升。廢氣鍋爐與柴油機的匹配，鍋爐窄點的影響，允許的廢氣壓力損失圖1-9是圖1-10可以說明與高效率柴油機匹配的高效率廢氣鍋爐的一些參數(shù)對煙垢著火的影響。1）鍋爐的窄點廢氣鍋爐窄點是廢氣與飽和蒸汽之間的最小溫度差，即廢氣離開蒸發(fā)器時的溫度和飽和蒸汽之間的溫度差。窄點是可以用來表示廢氣鍋爐利用效率的一個參數(shù)。溫度/熱傳導(dǎo)圖稱為T/Q圖，圖1-9是圖1-7所示廢氣鍋爐系統(tǒng)實例的T/Q圖。一般蒸汽壓力為0.7MPa（絕對）或以上，相應(yīng)的最低蒸發(fā)溫度為165C，按T/Q圖廢氣出口溫度不能低于180C，則15C或以上用作窄點。（1）鍋爐窄點對鍋爐受熱面和蒸汽量的影響。從圖1-10的曲線可看出，廢氣鍋爐窄點由15C改變?yōu)?0C和5C時，蒸汽量增加5%和10%，而廢氣鍋爐受熱面增加1.41倍和2.32倍，當流經(jīng)廢氣鍋爐的壓力損失太大時可降低廢氣流速。鍋爐窄點對鍋爐壓力損失和廢氣流速的影響。較低的窄點可提高廢氣鍋爐的利用效率，但廢氣鍋爐須有較大受熱面，因此壓力損失也較大。對最大允許廢氣壓力損失有一定限制，設(shè)計廢氣鍋爐的廢氣流速必須降低。低廢氣流速對形成煙垢有特別明顯的影響趨勢，現(xiàn)今劣質(zhì)渣油運轉(zhuǎn)使這種趨勢變得更糟。低窄點和煙垢。當窄點及其廢氣流速低時，窄點是影響煙垢發(fā)生的一個參數(shù)，相反，高窄點鍋爐不必設(shè)計成高廢氣流速的鍋爐，原則上，這種鍋爐也可以設(shè)計成低廢氣流速，即有低廢氣壓力損失。2)廢氣鍋爐允許的廢氣壓力損失如前所述，通過鍋爐的允許廢氣壓力損失，對通過廢氣鍋爐的廢氣流速有重大影響。高壓力損失如能接受，那么要設(shè)計高廢氣流速的鍋爐就是可能的，但是如果只允許小的壓力損失，則廢氣流速必然是低的。通過鍋爐的允許壓力損失依賴于柴油機增壓器后總的排氣系統(tǒng)的壓力損失。MC型柴油機排氣系統(tǒng)的允許背壓。在柴油機