許正杰　林豐財(cái)

摘? ? 要：船舶空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)是一種利用空氣泡來(lái)減少船舶阻力的裝置。該裝置將空氣從船舶底部快速噴出，形成蜂巢狀氣泡，這些氣泡能迅速聯(lián)合起來(lái)，在船體外表面形成1～2 cm厚的空氣層，有效減少船舶航行時(shí)的阻力，提高推進(jìn)效率，減少燃料消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。本文介紹325000DWT礦砂船空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、安裝程序及要求，可為類似項(xiàng)目提供借鑒。

關(guān)鍵詞：船舶節(jié)能減排;空氣潤(rùn)滑系統(tǒng);壓縮空氣;空氣釋放裝置

中圖分類號(hào)：U674.13+4.1 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design and Installation of 325 000 DWT

Ore Ship Air Lubrication System

XU Zhengjie， LIN Fengcai

（ China Merchants Heavy Industry （Shenzhen） Co.， Ltd.， Shenzhen 518054 ）

Abstract： Ship air lubrication system reduces the resistance between the hull and sea water by using air bubbles. The system rapidly ejects air from the hull to form honeycombed bubbles and rapidly unite to form an air layer of thickness 1～2 cm outside the hull， effectively reduces the ship sailing resistance， improves propulsion efficiency， reduces fuel consumption and achieves energy conservation and emission reduction. This paper introduces the design scheme， installation procedures and requirements of 325 000 DWT ore ship air lubrication system.

Key words： Ship energy conservation and emission reduction;? Air lubrication system;? Compressed air; Air release device

1? ? ?前言

隨著工業(yè)文明的不斷發(fā)展，人類面臨全球氣候變暖、臭氧層破壞、大氣污染與酸雨等環(huán)境問(wèn)題，節(jié)約能源、降低能源消耗、減少污染物排放逐漸成為全世界的共識(shí)。航運(yùn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、對(duì)外貿(mào)易、社會(huì)發(fā)展的重要支撐，與陸運(yùn)和空運(yùn)相比，航運(yùn)憑借其覆蓋范圍廣、航道投資小、運(yùn)輸能力強(qiáng)、占地少、成本低的優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代貨物運(yùn)輸中占有不可替代的地位。例如，我國(guó)水路貨物運(yùn)輸量從2015年的56.43億t增加到2020年的80.15億t，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到7.27%。但是目前船舶的主要燃料是輕質(zhì)柴油和重油等，其燃燒排放的CO2和SO2是導(dǎo)致溫室效應(yīng)和酸雨的主要成分。根據(jù)IMO估計(jì)，在不采取措施的情況下，到2050年全球航運(yùn)業(yè)溫室氣體排放量比值將由2018的3%升至5%左右，因此船舶節(jié)能減排也是世界各國(guó)造船界和航運(yùn)界的重要研究課題。

船舶節(jié)能減排可以從提高燃油經(jīng)濟(jì)性、選用清潔能源、減少排放污染物、提高船舶操作性、減小船體阻力等幾個(gè)方面著手。船舶空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)就是利用空氣泡來(lái)減少船舶阻力，提高推進(jìn)效率，從而實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能減排的目的。

2? ? 空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)簡(jiǎn)述

船舶空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)，是一種利用空氣泡來(lái)減少船舶阻力的裝置。該裝置將空氣從船舶底部快速噴出，形成蜂巢狀氣泡并迅速聯(lián)合起來(lái)，在船體外表面形成1～2 cm厚的空氣層。由于空氣阻力遠(yuǎn)小于水面，能極大的減少船舶航行時(shí)的阻力，減少燃料消耗，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

本船為325 000 DWT礦砂船，船長(zhǎng)340 m、型寬62 m、型深29.5 m、結(jié)構(gòu)吃水21.4 m，服務(wù)航速約14.6 kn;主機(jī)為SMCR 21 000 kWx58 r/min、CSR17850 kW x54.9? r/min;本船新增安裝的空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)，主要由壓縮空氣系統(tǒng)、閥門遙控系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)等組成。

2.1? ?壓縮空氣系統(tǒng)

壓縮空氣系統(tǒng)，主要由10 臺(tái)空氣壓縮機(jī)、空氣管和的空氣釋放裝置組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力2.5 bar、試驗(yàn)壓力3.8 bar、設(shè)計(jì)溫度215 ℃、運(yùn)行溫度0～215 ℃。

2.1.1空氣壓縮機(jī)

本船設(shè)有10臺(tái)空氣壓縮機(jī)，每臺(tái)額定耗氣量1600 m3/h，安裝于位于船首的儲(chǔ)物間;采用低壓螺桿式空氣壓縮機(jī)，由壓縮機(jī)及馬達(dá)、空氣濾器、冷卻系統(tǒng)及閥門等附件組成，為系統(tǒng)提供無(wú)油、穩(wěn)定的壓縮空氣;壓縮機(jī)為風(fēng)冷型，冷卻系統(tǒng)包括：潤(rùn)滑油冷卻器、油泵、油濾器、油液觀察鏡等。潤(rùn)滑油液對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行潤(rùn)滑、冷卻后，循環(huán)至至潤(rùn)滑油冷卻器，通過(guò)自帶的風(fēng)機(jī)對(duì)油液進(jìn)行降溫;10臺(tái)壓縮機(jī)由10臺(tái)恒轉(zhuǎn)矩變頻器控制。

壓縮空氣系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。

2.1.2空氣管

空氣管主要用來(lái)連通空氣壓縮機(jī)出口至安裝在船底板上的空氣釋放裝置。每臺(tái)空氣壓縮機(jī)負(fù)責(zé)2個(gè)空氣釋放裝置所需要的壓縮空氣，實(shí)現(xiàn)方式為：從壓縮機(jī)連接一根空氣主管路下艙，在靠近空氣釋放裝置的空艙內(nèi)設(shè)置一個(gè)Y型分支管，將主管路的壓縮空氣分成兩路，分別進(jìn)入兩個(gè)空氣釋放裝置（見(jiàn)圖2）;同時(shí)，在Y型支管上安裝有液位傳感器，監(jiān)測(cè)管路內(nèi)液體情況，防止海水進(jìn)入管路造成管路腐蝕等風(fēng)險(xiǎn);系統(tǒng)設(shè)置10套獨(dú)立的空氣主管路，從相應(yīng)的空氣壓縮機(jī)連接至船底對(duì)應(yīng)的空氣釋放裝置。由于系統(tǒng)未設(shè)置空氣冷卻器，經(jīng)過(guò)壓縮后的空氣溫度超過(guò)200 ℃，因此該系統(tǒng)所有管路被定義為Ⅱ級(jí)管。

由于溫度、船型等原因，空氣管具有如下幾個(gè)獨(dú)特的要求：

（1）管內(nèi)氣體溫度高，空氣管伸縮量需經(jīng)過(guò)計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果合理設(shè)置伸縮接頭，布置在管路的不同位置。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的伸縮量達(dá)到±80 mm，該伸縮量大大地超出了一般國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，最終在每根管線的不同位置設(shè)置安裝了2個(gè)伸縮量為±80 mm的定制波紋式不銹鋼伸縮接頭;

（2）由于管路伸縮量較大，管路需采用滑動(dòng)式支撐，管路伸縮時(shí)管路和管夾相對(duì)位置固定，管夾和支撐面板做相對(duì)運(yùn)行，如圖3所示。

（3）由于管路內(nèi)部壓縮空氣溫度較高，本項(xiàng)目采用40 mm厚half式鋁箔巖棉管作管路熱絕緣包覆，并在露天位置包覆0.3 mm不銹鋼皮，接縫處使用玻璃膠密封防止進(jìn)水;同時(shí)，為避免在裝卸貨時(shí)被掉落的礦石破壞管路和絕熱包覆層，在開(kāi)闊甲板位置專門設(shè)置了管路保護(hù)罩;

（4）由于Y型管路內(nèi)部安裝有液位傳感器，因此Y型管必須水平安裝，不可垂直或傾斜安裝;

（5）考慮到通海閥后期維護(hù)保養(yǎng)等需求，將通海閥設(shè)置在的空艙內(nèi)，通海閥與空氣釋放口之間的管路采用對(duì)接焊連接，接焊的管路總長(zhǎng)約270 m，因此塢內(nèi)焊接工作量很大;船進(jìn)塢前需仔細(xì)檢查空氣管各接口處坡口及焊前準(zhǔn)備工作，提前打磨處理匹配的管口，防止增加塢內(nèi)打磨工作影響塢期。

2.13空氣釋放裝置

空氣釋放裝置的作用是將空氣均勻的釋放出去，形成空氣膜.主要由三部分組成：空氣室、導(dǎo)流板，犧牲陽(yáng)極，如圖4所示。

本船的空氣釋放裝置，設(shè)計(jì)尺寸為：4700x1480xH470 mm。

空氣釋放裝置的安裝分為以下幾個(gè)步驟：

（1）焊接空氣室和船舶外板，對(duì)接縫處鋼板外部對(duì)齊;

（2）根據(jù)圖紙，安裝、焊接空氣釋放裝置周邊加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，監(jiān)控焊接過(guò)程中熱變形，如出現(xiàn)較大變形需及時(shí)采取有效措施調(diào)整;

（3）將ARU和外板之間焊縫打磨平整，最大程度減少海水的紊流，為氣泡毯的形成創(chuàng)造最佳條件;

（4）將空氣管安裝、焊接至空氣釋放裝置，并按要求試壓;打磨焊接位置，按照廠家要求或規(guī)格書涂裝;

（5）安裝鋅塊。需特別注意鋅塊和壁板之間要安裝橡膠墊塊，避免破壞空氣釋放裝置表面的油漆，導(dǎo)致空氣釋放裝置在高速氣流作用下快速腐蝕;

（6）安裝導(dǎo)流板。按照?qǐng)D紙要求檢查間隙是否滿足要求，并報(bào)設(shè)備廠家確認(rèn)后，用貝爾佐納將螺母覆蓋并使其表面平滑、修補(bǔ)油漆;

（7）檢查確認(rèn)。確?？諝忉尫叛b置內(nèi)部無(wú)異物，所有鋅塊、導(dǎo)流板及其固定螺栓安裝正確;檢查導(dǎo)流板間隙、管路穿艙件、閥門等;塢底清潔，確保無(wú)異物進(jìn)入空氣釋放裝置。

通海閥安裝在空艙內(nèi)，根據(jù)規(guī)范選擇單作用遙控液壓蝶閥（失壓關(guān)閉），使用三偏心式的硬密封蝶閥來(lái)滿足耐高溫的要求;采用工作壓力10 MPa的液壓遙控系統(tǒng)控制閥門啟閉。

空氣釋放裝置的三個(gè)部分及連接螺栓，在上船安裝前需預(yù)安裝。根據(jù)圖紙要求復(fù)核所有尺寸，重點(diǎn)檢查導(dǎo)流板邊緣與空氣室壁板的間隙，誤差范圍控制在在-1～5 mm;同時(shí)檢查和船體外板焊接處的坡口形式是否滿足要求、犧牲陽(yáng)極是否可按要求安裝到位。

2.2? ?閥門遙控系統(tǒng)

通海閥遙控系統(tǒng)，包括：液壓泵站、電磁閥箱、閥門遙控箱以及應(yīng)急手搖泵充氮裝置等附件：

（1）液壓泵站

液壓泵站由兩臺(tái)液壓油泵、一個(gè)液壓油柜、及兩個(gè)氮?dú)饩彌_罐及一臺(tái)控制箱組成。液壓油泵采用一用一備的工作模式，為系統(tǒng)輸出壓力為10 MPa的液壓油;為平穩(wěn)輸出壓力，減少液壓油泵頻繁啟停，設(shè)置了兩個(gè)氮?dú)饩彌_罐;為保障液壓系統(tǒng)安全、高效的工作，液壓泵站具備高壓報(bào)警、低壓報(bào)警、油箱低油位報(bào)警、油溫高溫報(bào)警、濾器堵塞報(bào)警、電機(jī)過(guò)載報(bào)警、失電報(bào)警，綜合報(bào)警等功能。

（2）電磁閥箱

電磁閥箱工作壓力為10 MPa，包含內(nèi)部模塊及接線;管路接口位于兩側(cè)，且任何一側(cè)都可接入來(lái)自液壓泵站的動(dòng)力油，設(shè)置二位三通電磁換向閥控制閥門啟閉;利用流量開(kāi)關(guān)，計(jì)算閥門的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并將信號(hào)傳遞至閥門遙控箱。

（3）閥門遙控箱

閥門遙控箱配置觸摸屏人機(jī)交互界面、內(nèi)部電源、服務(wù)插座、控制電路保護(hù)、ModBus Serial RS485接頭、繼電器、電源故障信號(hào)、通訊故障信號(hào)、硬線連接遙控、電壓指示燈等功能;在每個(gè)閥門的液壓管路上設(shè)置應(yīng)急閥塊。若液壓系統(tǒng)故障導(dǎo)致閥門無(wú)法開(kāi)啟，可將應(yīng)急手搖泵連接到應(yīng)急閥塊，利用手搖泵開(kāi)啟閥門。

2.3? ?通風(fēng)系統(tǒng)

由于船首部?jī)?chǔ)物間內(nèi)新增安裝10臺(tái)大流量空氣壓縮機(jī)，為滿足儲(chǔ)物間內(nèi)用氣量、環(huán)境溫度、濕度等要求，在儲(chǔ)物間新增安裝4臺(tái)雙速送風(fēng)機(jī)、4臺(tái)雙速抽風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)控制板，并設(shè)置溫度傳感器、壓差傳感器;送風(fēng)機(jī)需設(shè)置除鹽霧裝置，避免大量水汽進(jìn)入儲(chǔ)物間，有利于提高儲(chǔ)物間內(nèi)空氣壓縮機(jī)等設(shè)備的使用壽命，降低故障率。

（1）通風(fēng)系統(tǒng)采用雙速風(fēng)機(jī)，送風(fēng)風(fēng)機(jī)和抽風(fēng)風(fēng)機(jī)一一對(duì)應(yīng)，共分為四組;

（2）儲(chǔ)物間內(nèi)溫度要求為30 ℃～40 ℃;

（3）壓縮機(jī)正常運(yùn)行信號(hào)或啟動(dòng)信號(hào)輸入通風(fēng)控制系統(tǒng)內(nèi)，運(yùn)行邏輯為：當(dāng)室內(nèi)溫度低于 -10 ℃時(shí)， 所有風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行;溫度低于25 ℃時(shí)，只有一臺(tái)送風(fēng)風(fēng)機(jī)在高速狀態(tài)運(yùn)行，其對(duì)應(yīng)的抽風(fēng)風(fēng)機(jī)在低速狀態(tài)運(yùn)行，其余風(fēng)機(jī)停止;溫度在25 ℃～30 ℃時(shí)，其中一組的送風(fēng)風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行，對(duì)應(yīng)抽風(fēng)風(fēng)機(jī)及其它所有風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行;溫度在30 ℃～40 ℃時(shí)，其中兩組風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行，其余兩組低速運(yùn)行;溫度超過(guò)40 ℃時(shí)，四組風(fēng)機(jī)全部為高速運(yùn)行狀態(tài);溫度超過(guò)45℃時(shí)，高溫報(bào)警輸出，并控制壓縮機(jī)停止工作，保護(hù)壓縮機(jī)。正常情況下，儲(chǔ)物間會(huì)保持約50 Pa的輕微正壓，如壓差信號(hào)降至 -150 Pa或高于200 Pa，會(huì)在中控系統(tǒng)顯示報(bào)警，以提醒船員開(kāi)門操作時(shí)注意安全。

2.4? ?電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)，主要包括以下幾個(gè)部分：配電系統(tǒng);IAS報(bào)警系統(tǒng);空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)等。

（1）配電系統(tǒng)

主要包括：在配電板內(nèi)增加2個(gè)1250A的空氣開(kāi)關(guān);在功率管理系統(tǒng)增加空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)重載問(wèn)詢及優(yōu)先脫扣等功能;

（2）IAS報(bào)警系統(tǒng)

增加空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)及閥門遙控系統(tǒng)的報(bào)警、控制及顯示，通過(guò)RS484通訊及硬點(diǎn)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)新增電氣系統(tǒng)的報(bào)警、控制及顯示功能的遠(yuǎn)程控制和顯示;

（3）空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)

根據(jù)主機(jī)功率不同，通過(guò)變頻器控制空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行，使得空氣釋放量與船舶航行狀態(tài)相匹配。

由于系統(tǒng)涉及大量信號(hào)電纜及動(dòng)力電纜，由船頭敷設(shè)到船尾的機(jī)艙或駕駛臺(tái)等處，需安裝專門的電纜管，且動(dòng)力電纜和信號(hào)電纜分開(kāi)敷設(shè)。

3? ? ?結(jié)束語(yǔ)

空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)安裝及調(diào)試完成后，按照在不同主機(jī)功率、航速下，開(kāi)啟和未開(kāi)啟空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)等條件，進(jìn)行航速功率試驗(yàn)及航行試驗(yàn)。根據(jù)空氣釋放裝置廠家的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可節(jié)省5%～10%的船舶推進(jìn)所需燃料。此空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)是船舶節(jié)能降耗新技術(shù)在實(shí)船的應(yīng)用，相比于老舊船舶更換或改造主機(jī)，安裝空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)成本更低且更易于安裝。