船舶动力装置控制技术发展.ppt

船舶动力装置控制技术发展,1现代民用船舶概述 1.1 船舶类型 1.2 船舶推进方式,2船舶动力装置组成、类型 2.1 推进装置 2.2 辅助装置,3柴油机推进基本原理和控制技术 3.1 固定螺距桨 3.2 可调螺距桨 3.3 主机遥控,4柴油机推进控制新技术 4.1 智能化柴油机 4.2 柴油机电控技术 4.3 电子注油技术 4.4 电子调速技术 4.5 可调螺距控制技术 4.6 船舶减摇控制技术,1现代民用船舶概述,1.1 船舶类型,（1）客渡船： 洲际邮轮 车客渡轮 内河客轮、游轮,美国皇家加勒比公司 海洋自由号、海洋解放号、海洋独立号 船长339米，船高72米，1817间客房、排水量16万吨，可搭载4370名客人和1000名船务人员。,1现代民用船舶概述,烟大轮渡公司 渤海1号、渤海2号、渤海3号、渤海4号 船长182.6米、宽24.8米，总吨位22700吨，有5条火车车道，车道总长度768米。单航次可载运一列50节80吨重的货运列车、50辆20吨载重汽车、25辆小汽车和480名旅客。,1现代民用船舶概述,“中远亚洲”号，11万吨，长349米，宽45.6米，可装载10062个集装箱。,“中海高速”号，3万吨，长176米，宽28米，十层甲板舱，最大运力3290车位。,“新埔洋”号，30.8万吨，满载总排水量35万多吨，甲板长333米。,“兰梅”号，20.6万吨，长299.92米，宽50米，航速为15节。v,（2）货船： 集装箱轮 滚装轮 油轮 杂散货轮 液化气轮,大鹏昊，14.7万立方米装载量，长292米，宽43.35米，型深26.25米，航速19.5节。,1现代民用船舶概述,（3）工程船： 起重船 运架船 疏浚船 敷管船 破冰船,“蓝鲸”7500吨全回转起重船，长241米，宽50米，深20.4米，航速11节。,“天一”3000吨海上运架船，长90米，宽40米。,“泰安口”18000吨半潜船，长156米，宽32.2米，深10米，下潜深度19米，航速14节。,“DLS-4200”铺管船，长197米，宽43.4米，深19.6米。作业水深300米，甲板堆管7000吨，铺管能力25公里/天。,“新海龙”自航耙吸式疏浚船，长153米，宽27米，型深11米，最大挖深35米，舱容12888立方米。,“雪龙”，破冰船，长167米，宽22米，型深13.5米，排水量21000吨，航速18节，能以1.5节航速连续破冰1.2米前行。,（4）特种船： 科考船 环境监测船 保洁船,1现代民用船舶概述,1现代民用船舶概述,1.2 船舶推进方式,（1）螺旋桨推进,吊舱推进,艉轴推进,Z型推进,螺旋桨形式： 固定螺距桨（FPP） 可变螺距桨（CPP）,螺旋桨推进的最高航速约40kn,1现代民用船舶概述,（2）喷射推进,喷射推进有着螺旋桨推进不具备的优点，应用于高速、高性能、浅吃水船。目前的最高航速可达到70kn。,水流喷射形式: 间歇式喷水推进； 底板式喷水推进； 尾板式喷水推进； 舷外喷水推进。,1现代民用船舶概述,“海腾01”号智能高速无人水面艇 重点实验室研发的“海腾01”号智能高速无人水面艇，艇长10.5米，宽3.6米，满载排水量8.5吨，吃水0.8米。喷水推进，最大航速40节，巡航速度30节。由艇体、推进系统、能源系统、导航系统、通讯系统、控制系统和任务系统等组成。,1现代民用船舶概述,利用高压空气在船底和水面间形成气垫，使船体全部或部分垫升而实现船舶高速航行,又称气垫船。,气垫船型式： 全垫升气垫船 侧壁式气垫船,（3）气垫,ZUBR级气垫船能够搭载三辆坦克、十辆装甲运兵车，或在时速超过63节的情况下搭载500名士兵。,（4）磁流体推进,电磁流体推进是一种新型船舶推进方式。其原理是，在相互垂直的电场和磁场中产生电磁力，其反作用推动船舶前进。它改变了传统的机械推进方式，使船舶成为真正“安静”型船舶。,1现代民用船舶概述,1现代民用船舶概述,磁流体推进分类 外磁式： 直流推进 交流推进,内磁式（封闭的磁场）： 直管式（矩形或环形） 螺旋管式,从感应电流看： 电磁力推动水流,从感应磁场看： 类似被展开的异步电动机,水流看作是异步电动机的转子,1现代民用船舶概述,日本于1991年秋建成了“大和1号”试验船（排水量185吨，海水通电功率3420kw ）； 中科院电工所在国家863计划资助下,1998年建成一艘超导螺旋式电磁流体推进试验船（HEMS-1）。,关键技术： 高温超导技术 磁体技术,2船舶动力装置组成、类型,船舶动力装置组成： 推进动力装置（主机+传动设备+推进器）； 辅助动力装置（发电机组/辅助锅炉/压缩空气）； 机舱自动化系统。,2.1 推进动力装置,（1）蒸汽机推进：蒸汽发生器+汽轮机+螺旋桨 （2）内燃机推进：低速柴油机+螺旋桨 （主要生产商MAN B&W，SULZER，Wartsila） （3）电力推进：电动机+螺旋桨 （4）混合动力推进：内燃机+电动机+螺旋桨 汽轮机+电动机+螺旋桨,船舶推进与航向控制,2船舶动力装置组成、类型,艉轴推进： 推进控制与航向控制不相关,2船舶动力装置组成、类型,Z型推进或吊舱推进： 推进控制与航向控制相关,2船舶动力装置组成、类型,（1）主要用于军船：核动力航母、舰艇 （2）核动力破冰船 （3）论证中的新一代民用船舶,主要问题： （1）安全性 （2）低速工况下的效率提升,汽轮机推进,2船舶动力装置组成、类型,二冲程低速大功率柴油机,扫排气系统,燃油系统,滑油系统,冷却水系统,空气系统,内燃机推进,四冲程中速柴油机,2船舶动力装置组成、类型,2船舶动力装置组成、类型,二冲程低速大功率柴油机的工作循环,2船舶动力装置组成、类型,2船舶动力装置组成、类型,2船舶动力装置组成、类型,2船舶动力装置组成、类型,2船舶动力装置组成、类型,2船舶动力装置组成、类型,2船舶动力装置组成、类型,2船舶动力装置组成、类型,2.2 辅助动力装置,（1）汽轮发电机组 （2）柴油发电机组 （3）轴带发电机组 （4）辅助锅炉,2船舶动力装置组成、类型,发电机组调频调压,2船舶动力装置组成、类型,频率与有功功率调整,2船舶动力装置组成、类型,电压与无功功率调整,2船舶动力装置组成、类型,柴油发电机组,2船舶动力装置组成、类型,2船舶动力装置组成、类型,2船舶动力装置组成、类型,2船舶动力装置组成、类型,轴带发电机组,对于FPP，解决恒频恒压问题： （1）采用旋转换流机组 （2）采用电力电子变流,2船舶动力装置组成、类型,轴带发电机组的稳频稳压,2船舶动力装置组成、类型,辅助锅炉,2船舶动力装置组成、类型,锅炉蒸汽压力与水位调节,3柴油机推进系统基本原理和控制技术,3.1 主机+固定螺距桨（FPP）,主机起动：压缩空气，发火点（约30%额定转速） 主机制动：压缩空气 主机换向：时序转换180度 主机调速：调节油门开度（调速器）,3柴油机推进系统基本原理和控制技术,3.2 主机+可调螺距桨（CPP）,主机起动：压缩空气，发火点（约30%额定转速） 主机制动：压缩空气 换向：负螺距 调速：调节油门开度或调节螺距,3柴油机推进系统基本原理和控制技术,3.3 主机遥控系统,船舶主机遥控（Marine main engine remote control）是离开机旁在驾驶台或集中控制室对主机进行远距离操纵的一种方式。是实现无人机舱的必备条件之一。,在操纵部位（驾驶台或集中控制室）发出的操车信号与主机的执行机构之间设置一套综合的逻辑与控制回路： 组合逻辑回路； 时序逻辑回路； 反馈控制回路； 安全保护回路。,气动遥控系统：在集中控制室遥控主机，利用气动阀件所组成的各种逻辑回路和控制回路实现。,电动遥控系统：在驾驶台遥控主机，发送的是电信号，经电动逻辑回路处理后，再经电气转换器转换成气压信号并由集中控制室的气动逻辑回路来操纵主机。,3柴油机推进系统基本原理和控制技术,以SIEMENS -33系列机舱自动化系统为例,3柴油机推进系统基本原理和控制技术,3柴油机推进系统基本原理和控制技术,起动控制,3柴油机推进系统基本原理和控制技术,3柴油机推进系统基本原理和控制技术,停车控制,3柴油机推进系统基本原理和控制技术,3柴油机推进系统基本原理和控制技术,换向控制,3柴油机推进系统基本原理和控制技术,4柴油机推进控制新技术,由中国船舶工业集团公司和中国船舶重工集团公司牵头的“十一五”国家科技支撑计划重大项目“船舶关键技术开发”课题，包括了五个子课题。研究目标：通过引进、消化吸收与创新，掌握智能船用低速机整机制造技术和电子控制技术等。,（1）课题一“大功率智能型船用柴油机研制” 柴油机电子控制系统； 柴油机电子调速系统； 电子控制注油器系统； 电控柴油机液压执行模块； 设计技术研究。,（2）课题三“船舶机舱自动化系统” 低速和中高速主机遥控系统关键技术研究； 全船监测报警系统关键技术研究； 阀门遥控系统关键技术研究； 机舱自动化数字平台综合管理系统。,4柴油机推进控制新技术,4.1 智能化柴油机,柴油机智能化体现在对柴油机运行的监测与控制。图示为MAN B&W智能化柴油机的“智能化”构成。,4柴油机推进控制新技术,（1）运行模式 对应于不同转速、负荷和排放的要求，控制系统给出最优的运行方式。 根据柴油机工况监视来决定其运行。,提高主机效率 确保主机安全 控制主机排放,4柴油机推进控制新技术,（2）工况监测 报告不良状况及故障诊断，提供对策，推荐柴油机的操作，直到重新达到正常工况或进行维修。 增加柴油机可靠性，在线监测，保证各缸负荷均匀分配，防止热负荷过高，故障早期预报，并采取相应对策。,扫排气监视,4柴油机推进控制新技术,（3）运行控制 包括：燃油喷油、排气阀，气缸润滑油和增压。其中有的控制功能是预先选择的，有的控制功能则由工况监测系统选择。 提高排放控制灵活性，满足不同排放控制的要求，以适应更严格的环保要求以及今后改进的可能性； 降低燃油和滑油消耗，在整个负荷范围内油耗最佳，保持优良性能。,注油器,包括应急 鼓风机控制,4柴油机推进控制新技术,4.2 柴油机电控技术,（1）电子控制主要功能： 控制喷油 控制排气,柴油机控制单元（EU）： 设定值控制柴油机转速； 保护柴油机(过载和故障保护)； 优化燃烧，与运行工况匹配； 柴油机的起、停、反转程序； 液压伺服供油（润滑油）； 辅助鼓风机和增压。,4柴油机推进控制新技术,（2）共轨控制 智能化柴油机的燃油喷射、排气、起动、气缸润滑等都使用电子控制。传统的用于直接驱动螺旋桨的曲柄连杆机构将继续保持，但是整个凸轮轴及其驱动机构、换向伺服驱动机构、排气门的驱动装置和燃油泵都被取消。 燃油共轨； 滑油共轨； 排气共轨； 起动空气共轨。,4柴油机推进控制新技术,在传统的燃油喷射系统中，将喷油压力、喷油定时、喷油量的控制集成一体。而在共轨系统中，将这三部分独立，分别控制。各缸有一个控制装置（CU），控制系统集中控制（EU）。 各个喷油嘴可以不同的形式组合，使得喷油形式多样化，可实现预喷射，3次喷射和顺序喷射。共轨系统能够有选择性地切断某单个喷油器，在低转速运行时喷射所需的油量很少且雾化较好。 在这种状况下，共轨系统能有序地使用3个喷油器，最低稳定转速达12rpm，低负荷运行时无烟，并且在其他负荷时对NOx排放没有影响。,燃油共轨,4柴油机推进控制新技术,燃油消耗率下降 结构简单，重量减轻 平衡各缸排气温度 低速航行时无烟运行 极低的最低稳定转速,常规二冲程低速柴油机 燃油共轨柴油机,4柴油机推进控制新技术,4.3 电子注油技术,柴油机气缸润滑是整个润滑系统的一个重要组成部分。气缸滑油消耗是柴油机运行的一大笔花费，特别对于大缸径柴油机。所以气缸润滑研究的目的是降低气缸滑油的消耗量，而又要保持满意的活塞环/缸套的磨损率和维持或改进检修期限。,（1）执行机构的控制 气缸油必须在正确的位置和时间注入气缸，以求效果最佳。这对于传统的注油器是不可能的，所以开发新的电子注油器。,（2）气缸油注油喷射量和喷油定时 各缸注油量由在一定转速下调节注油次数来控制。所谓间断润滑是指每次注入相对大的油量，保证在整个气缸周围有最佳分布。精确的定时可保证所有气缸油直接送到活塞环所需之处。涉及到喷油频率的确定等一系列控制策略细节。,4柴油机推进控制新技术,4.4 电子调速技术,柴油机调速控制经过了机械式调速器、全制式液压调速器、电子调速器、具备喷油定时的电子调速器四个阶段。 目前，数字式电子调速系统的功能已不仅仅是完成柴油机调速这一功能。诸如工况限制、安全保护、状态监测、故障报警和诊断、增压控制、冷却水温控制、配气定时控制、变速齿轮箱控制、调距桨控制、负荷分配控制、喷油正时控制、燃油/空气比例控制等。调速技术向智能化方向发展。,4柴油机推进控制新技术,4柴油机推进控制新技术,（1）电子调速器原理框图,4柴油机推进控制新技术,直接油门调节 比例-积分调节 微分调节,4柴油机推进控制新技术,（2）死区控制,4柴油机推进控制新技术,（3）执行器位置伺服控制,4柴油机推进控制新技术,（4）调速器安全保护限制,4柴油机推进控制新技术,4.5 可调螺距控制技术,可调螺距桨在实际应用中存在以下问题： 实船调距桨的船-机-桨匹配，设计时根据一般原则确定的，难以达到在实际船-机-桨优化匹配的目的。 不能适应船舶负载多变的现实，其结果是：在船舶不同工况下，给定主机功率和转速不能获得最大航速；给定航速时，不能获得最佳的节油效果。,4柴油机推进控制新技术,（1）给定功率（恒功率）下的最大航速控制,满足以下条件： 主机必须工作在标定功率外特性曲线上； 螺旋桨必须工作在优化螺距的最大效率点上； 螺旋桨功率-速度曲线必须和船舶推进功率-速度曲线相匹配。 计算最大航速所对应的螺距，即计算最优螺距：,柴油机功率-转速特性 螺旋桨效率-进速特性 船舶速度-阻力特性 由此求得相应的螺距比。,4柴油机推进控制新技术,（2）给定航速（恒速）下的最小油耗控制,为保持一定航速V，主机可以有若干组输出功率PE和转速n组合满足需求，但各组小时耗油量不同。要想耗油最小，必须通过精确调节螺距比才能达到目的。其计算必须满足前述三项条件。,船舶阻力-推进功率特性 螺旋桨进速-效率特性 不同进速下的螺旋桨功率-油耗率计算 由最小油耗率求得相应的螺距比。,4柴油机推进控制新技术,4.6 船舶减摇控制技术,由于船舶横摇运动阻尼很小，所以船舶在风浪中会产生剧烈的横摇、纵摇和艏摇，严重影响船舶的推进性能和操纵性能。 减摇鳍； 减摇水舱； 舵。,鳍,舭,4柴油机推进控制新技术,（1）船舶鳍减摇控制,船两舷安装减摇鳍，在鳍容量和鳍型以及相应的随动系统确定后，减摇鳍的效果与采取的控制策略密切相关。 被动减摇，固定鳍； 主动减摇，可调鳍。,影响减摇效果的主要因素： 船舶运动模型是复杂的非线性运动； 环境信息（风浪流）不完备，风浪流预报困难。,4柴油机推进控制新技术,（2）船舶舵减摇控制,与减摇鳍相比，利用舵在操舵时产生的横摇力矩（或艏摇力矩）进行减摇的舵减摇装置造价低，所占船内空间少，使用维修方便。故舵减摇技术引起了人们的广泛关注。 操舵可以使舰船产生一个横倾力矩，舵减摇就是利用这个横摇力矩来抵消波浪引起的横摇扰动力矩，即利用操舵产生的横摇来抵消波浪产生的横摇。,影响减摇效果的主要因素： 舵减摇控制对于船舶参数高度敏感而很容易使减摇控制失败； 舵所产生的转船力矩和横倾力矩同时存在，高度耦合； 低船速时舵效较差。,4柴油机推进控制新技术,（3）舵鳍联合控制,谢 谢 ！,