船舶主柴油机实船工况分析

大连海事大学┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊毕业论文┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊二○一四年六月

船舶主柴油机实船工况分析专业班级：轮机管理2010-1班姓名：指导教师：轮机工程学院船舶主柴油机实船工况分析1.1船舶柴油机发展历程自从18世纪末瓦特改良蒸汽机以来，蒸汽机成为推动世界发展的动力。1805年，富尔顿发明了实用的蒸汽机船，从此以后很多船舶开始用上了蒸汽机。不过早期的蒸汽机工作压力很低，结构极其笨重，效率不到5%。1876年，德国人奥托(N.A.Otto)第一次提出了四冲程循环(即进气、压缩、膨胀、排气这四个过程)原理，并发明了电点火的四冲程煤气机。1893年德国工程师RudolfDiesel申请了压缩发火内燃机专利，并于1897年在曼恩公司研制成功第一台使用液体燃料的内燃机(压燃式、空气喷射、定压燃烧)，其效率比煤气机提高了近一倍。内燃机的问世，是继蒸汽机之后发动机发展的又一个里程碑[1]。随着石油的开发，柴油却率先在船舶推进中得到极大应用。1903年，俄国的“万达尔”号（Vandal）油轮和法国的“佩迪特.皮埃尔”号（\o"Petite-Pierre(ship)(pagedoesnotexist)"Petite-Pierre）成为最早装备柴油机的船舶，第一艘柴油机动力军舰是1904年法国建造的“埃吉瑞特”号（Aigrette）潜艇。早期柴油机主要应用于内河船舶和近岸潜艇，在经历了最初的发展阶段后，柴油机技术日益成熟，单机功率和可靠性都有大幅提高，为柴油机航向大海和远洋创造了基础。1912年，是人类航海史上重要的一年。这一年，第一艘真正意义上的大型远洋轮船-“锡兰迪亚”号（MSSelandia，MS为MoterShip）建成，第一次世界大战后，柴油机性能有了新的提高，柴油机的装船数量开始上升，1921年左右柴油机已经开始在客轮上使用。1920年~1930年末，是柴油机技术发展的黄金时代，柴油机越造越大，功率越来越高。新技术的出现促进了柴油机的发展，主要技术革新来自于燃油喷射的改进和增压技术的采用。1930年代后，船用柴油机向大功率方向发展，二冲程的使用日趋普遍。对于两台气缸直径、活塞行程及转速等相同的柴油机，二冲程柴油机在一个循环中有1/2的冲程在作用，而4冲程柴油机仅有1/4时间做功，因此二冲程的输出功率要明显优于四冲程。实际上由于考虑到二冲程柴油机气缸上开有气口而使工作容积有所减少，机械传动的扫气泵也要消耗一定功率等因素，二冲程柴油机的功率只能增大60～80％。二冲程柴油机与四冲程柴油机基本结构相同，主要差异在配气机构方面。二冲程柴油机没有进气阀，有的连排气阀也没有，而是在气缸下部开设扫气口及排气口；或设扫气口与排气阀机构。二冲程柴油机还专门设置一个由运动件带动的扫气泵及贮存压力空气的扫气箱，利用活塞与气口的配合完成配气，从而简化了柴油机结构。二冲程内燃机换气后，气缸内残余多少废气，或者说气缸内能充入多少新鲜充量，直接影响内燃机性能。二冲程内燃机没有单独的排气冲程和进气冲程，不能利用活塞的推挤作用清除废气，要使气缸清扫干净比较困难，难以得到高的扫气质量。因此，改进二冲程内燃机的扫气作用是一项重要的工作。二冲程内燃机主要有横流、回流和直流3种扫气方式。在二战前，双动式的二冲程柴油机比较流行。这种柴油机在活塞的上下两边都设有燃烧室，可以推动活塞在两个方向都做功，因此称为双动。双动比单动能输出更大的功率。不过双动柴油机的结构比较复杂，而且活塞杆穿透气缸，因此对气密要求很高，现代柴油机已经不再采用这种双动的方式了。采用增压技术在柴油机的发展中是一个里程碑，增压技术显著提高了进气压力，空气的压缩比进一步提高，在同等条件下，增压显著减少了柴油机的尺寸和重量，提升了输出功率。1920年代，二冲程柴油机的兴起后，在排气过程中就必须用高压空气扫除气缸中的废气，并吹入新鲜空气，因此增压器的作用就更为重要了。1915年，布奇在苏尔寿的柴油机上进行了废气增压的试验。1927年，曼恩公司成功的在其生产的10缸4冲程柴油机上安装了废气增压装置，对功率提升非常明显，输出功率从1,250千瓦提升到1,765千瓦，提升幅度超过40%。二战结束后，船用柴油机经历了新一轮的发展，性能不断提高。从上世纪40年代-70年代，大功率低速船用柴油机继续向大缸径、大功率方向发展，同时进一步提高进气压力和气缸工作压力，加大气缸排气量。在柴油机结构上广泛使用了焊接结构，降低结构重量，普及涡轮增压，使用劣质燃油，提高经济性，这些都使柴油机技术有了飞跃发展。在缸径方面，1956年只有740-760毫米，单缸功率只有1,200-1,400马力；1960年达到840-900毫米，单缸功率达2,100-2,300马力；1965年缸径达930毫米，单缸功率2,750马力，1970年，缸径超过1米（达1,060毫米），单缸功率超过4,000马力，1977年达到4,600马力[2]。船用柴油机进入了黄金年代，在民船上完全取代了蒸汽动力。1970年代以后，爆发了两次石油危机，原油价格急剧上涨，运输成本不断提高，对燃油经济性的要求日显突出，柴油机主要以提高单机功率、降低比重量以及提高可靠性和经济性为主要改进方向[3]。1980年后，世界柴油机市场向巨头集中。1980年，德国曼恩公司收购丹麦B&W公司，1997年芬兰瓦锡兰公司与瑞士苏尔寿公司合并，实现了强强联合。各大柴油机公司经过了一轮新的整合，优胜劣汰之后，技术水平不断提高，机型有所减少。在技术方面，除继续增大单缸功率外，电子控制技术也在柴油机上得到广泛应用，燃油喷射、排气阀驱动、增压、气缸润滑等都可由全电子驱动，柴油机的电子化、信息化和智能水平不断提高，热效率进一步提高，并不断满足更高的排放标准要求。近十几年以来，船舶大型柴油机在民用船舶动力装置领域中更是占绝对的统治地位，不仅占领了VLCC、大型散装船和集装箱船等在传统上认为属于蒸汽动力装置的领域，而且还向蒸汽动力装置统治的最后一个堡垒——LNG船的动力装置发起了冲击[1]。1.2船舶柴油机特性1.2.1船舶柴油机结构船舶柴油机的结构比较复杂，它是由许多机构和系统组成。尽管各种柴油机的结构、型号各异，但从工作原理和总体结构上则有很多共同之处。柴油机主要由主要固定件（机座、机架、气缸和气缸盖等）、主要运动件（活塞、连杆组件、十字头和曲轴等）、配气机构及换气系统（进排气阀、气阀传动机构、凸轮轴及凸轮轴传动机构等）、燃油系统（喷油泵、喷油器和高压油管等）、润滑系统（气缸注油系统和曲轴箱油系统等）、冷却系统（泵、冷却器和温控器等）、起动和控制系统（气动马达、起动电机、气缸启动阀、压缩空气系统等）等。根据内部结构不同，船舶柴油机可分为十字头柴油机和筒形柴油机。1.2.2船舶柴油机工作原理根据工作原理不同船舶柴油机可分为四冲程柴油机和二冲程柴油机按工作循环可分为四冲程柴油机和二冲程机两类。柴油机的一个工作循环包括进气、压缩、燃烧、膨胀、排气五个过程，四冲程柴油机是曲轴转两转，也就是活塞运动四个行程完成一个工作循环，而二冲程柴油机是曲轴转一转，也就是活塞运动两个行程完成一个工作循环。二冲程柴油机的工作与原理为：第一冲程-活塞从下止点向上止点运动。当活塞处于下止点时，排气阀和进气孔已打开，扫气室中的压缩空气便进入气缸内，并冲向排气阀，这动产生清除废气的作用，同时也使气缸内充满新空气。当活塞由下止点向上止点运动时，进气孔首先由活塞关闭，然后排气阀也关闭；空气在气缸内受到压缩。第二冲程-活塞从上止点向下止点运动。活塞行至上止点前，喷油器将燃油喷入燃烧室中，压缩空气所产生的高温，立刻点燃雾化的燃油，燃烧所产生的压力，推动活塞下行，直到排气阀再打开时为止。燃烧后的废气在内外压力差的作用下，自行从排气阀排出。当进气孔被活塞打开后，气缸内又进行扫气过程。四冲程柴油机的工作循环经历进气、压缩、做功和排气四个冲程。柴油机在进气冲程吸人的是纯空气，在压缩冲程接近结束时，由喷油泵将高压柴油通过喷油器以雾状喷人气缸，在短时间内与压缩后的高温、高压空气混合，形成可燃混合气。混合气温度大大超过柴油的自燃点，柴油喷人气缸后，在很短的时间内即自行着火燃烧，燃气压力急剧上升，温度急剧升高，在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转做功。废气则经排气门、排气管等处排人大气。四冲柴油机在一个工作循环中，只有一个冲程做功，其余三个冲程都是为做功冲程创造条件的辅助行程。因此，单缸发动机工作不平稳，需要通过飞轮等保证其圆周运动。现代柴油机大多采用多缸结构，在多缸发动机中，所有气缸的做功行程并不同时进行，而尽可能有一个均匀的做功间隔。例如六缸发动机，在完成一个工作循环中，曲轴旋转两周即720度，曲轴转角每隔120度就有一个气缸做功。因而多缸发动机曲轴运转均匀，工作平稳，并可获得足够大的功率。1.2.3低速级中速机高速机的应用根据转速不同，船舶柴油机可分为低速柴油机（n≤300r/min）、中速柴油机（300＜n≤1,000r/min）和高速柴油机（n＞1,000r/min）。低速船用柴油机的特点是转速低（低于300转/分）、缸径大、冲程长、输出功率大，多用于1万马力以上的柴油机。低速柴油机结构上一般采用直列气缸、二冲程、多缸并联、十字头结构，具有大气缸，长行程，高压缩等特点。低速机一般可直接驱动大直径螺旋桨，能实现反转，省去了齿轮减速箱等传动要求，降低了成本，加之可以使用低质燃料油，运营成本远低于其它种类发动机。在大型商船上，低速柴油机装量占绝对统治地位。目前几乎世界上所有的大型商船都使用柴油机驱动。中速柴油机转速在350-1,200转/分之间，其体积较小，重量比轻，制动速度快。大功率中速机主要用于客运班轮、作业船、滚装船等。近年来，中速机在开发大缸径、提高整机功率方面做了大量工作，并在燃用劣质燃油、降低油耗、提高零部件的可靠性、提高使用寿命及高增压等方面取得显著成效。1.3船舶柴油机发展趋势国际海事组织（IMO）决定从2011年1月1日起实施IMOTierII排放法规。与IMOTieI相比，IMOTierII排放法规氮氧化合物（NOX）必须降低20%，IMOTierIII排放法规则规定降低80%。未来5～10年间，“京都议定书”及最近的’哥本哈根协议”也将生效，这些协议要求减少CO2的排放量。因此，未来船舶柴油机面临着既要降低排放，又要降低耗油率的双重挑战。调节喷油规律是减少NOX排放主要手段之一。NOX排放量越低，对喷油量的控制精度要求越高。传统柴油机使用的是机械控制系统，其响应特性、控制精度等均不能满足柴油机控制最优化的要求；同时，传统柴油机的设计指标是为额定工况优化的，而船舶行驶机动过程中，要求的柴油机运行区域很广，很多时候是偏离了额定工况的，此时柴油机的运行效率就会明显下降；再次，传统柴油机的燃料喷射系统是按照燃烧热效率最高来设计的，对燃烧过程中排放的大气污染物重视不够，在越来越重视污染控制的今天，也是不能满足要求的。随着电子技术和计算机技术的迅速发展，柴油机控制向机电一体化方向发展，从而迈出了柴油机发展史上第三次革命-电控发动机的步伐。由于电子技术的发展，柴油机运行信息的实时获取能力有了极大的提高，而微型计算机的出现，使得信息处理的能力有了质的飞跃。利用电子控制技术，柴油机可以将原来相当一部分机械传动的控制机构改为由电磁阀及相应的控制机构取代，可以实现高精度的实时精确控制，从而能够在广泛的运行区域内实现对柴油机运行工况的最优化控制，使得柴油机性能得到大幅度的提高。由于柴油机的工作主要依赖燃料喷射燃烧来实现，电控喷油系统也就顺理成章的成为了电控柴油机的重点发展方向。第一代电控喷油系统是在传统的高压油泵-喷油器的组合中，结合了高速电磁阀进行喷射控制，其实现较为简单，但喷射压力和喷油量调节范围仍然受到了传统油泵的工况限制，尚未达到最优化控制的要求。为了进一步改进燃料喷射燃烧的控制效果，出现了第二代电控喷油系统-高压共轨式电控喷油系统，该系统使用了一个具有较大容量的高压燃油蓄压器（油轨）取代传统的高压油泵，另外设置专用的补油高压泵向油轨供油。由于蓄压器内的燃油压力远大于常见传统高压油泵的最大喷射压力，燃油喷射时的雾化程度更高，燃烧更完全，同时电磁阀可以在整个喷射过程中进行精确的喷射控制，无需顾虑传统喷射系统中燃油喷射压力下降的问题（由于油轨容积远大于单次最大喷油量，油轨内压力可视为基本上保持不变），不仅可以保证低工况时燃油的良好燃烧，改善低速时的转矩，还可以降低废气中污染物质的排放。由于循环供油量和喷油状态之间的差异变化很小，柴油机的动力性能也得到了显著的改善。目前，世界上主要的柴油机研发企业都已经在新一代柴油机上普及了共轨式燃油喷射系统。随着柴油机电控技术的进一步发展，未来具有更强控制能力和更好控制效果的“智能型”柴油机将会是发展的主要方向。当前船舶柴油机发展的基本目标仍然是强化、低耗、可靠、低排放和大功率，也可以概括为：以节能为中心，充分兼顾到排放与可靠性的要求，全面提高柴油机性能。根据此发展目标，今后船舶柴油机的研究和发展趋势仍然在下列几个方面:提高经济性的研究、柴油机电子控制技术的研究、降低柴油机排放的研究进一步提高柴油机的强化程度和提高柴油机的单缸和单机功率、改进柴油机的结构和提高可靠性与耐久性的研究以及代用燃料的研究[1]。本章小结：本章主要介绍了船舶柴油机的发展，分析了船舶柴油机的工作原理和内部结构。二、船舶主动力柴油机运行分析2.1柴油机特性船舶柴油机的特性反映出柴油机的动力性，经济性，和使用性能，它是柴油机的固有特性。由于在实际设计和使用过程中柴油机的应用场合和其工作条件的不同，它的性能指标和工作参数存在很大的差役。对柴油机特性的分析研究对合理使用柴油机特别是降低柴油机工作成本又很大的意义。2.1.1速度特性柴油机平均有效压力pe保持不变，有效功率Pe随船舶柴油机的转速n改变而改变，称该特性为速度特性。图2.1柴油机速度特性曲线2.1.2负荷特性柴油机的运转转速n保持恒定，通过改变船舶柴油机的平均有效压力pe来改变有效功率pe，称该特性为负荷特性。图2.2柴油机负荷特性曲线2.1.3推进特性船舶柴油机按照螺旋桨的特性正常工作时，各性能指标和工作参数随转速(或负荷)变化的规律，称为柴油机的推进特性。柴油机的特性曲线是船舶设计人员选用柴油机的重要依据。柴油机有诸多特性曲线，其中对于船舶设计最为重要的是功率—转速特性（P=f(n)）及燃油消耗率—转速、负荷特性（g=f(n,p)）。2.2船用柴油机工况曲线柴油机作为驱动机械结构运转的动力，其功率和转速是按照其带动的工作机械所需的功率和转速而变化的。在目前柴油机船舶上，柴油机主要作为推进主机、发电机原动机和应急发动机（应急发电机、空压机和消防泵的原动机）。根据目前柴油机在大型船舶上应用的不同条件，概括起来有三类工况：发电机工况、螺旋桨工况和其他工况。本文主要针对柴油机作为推进主机是的螺旋桨工况进行分析[2]。图2.3船用柴油机工况曲线曲线1：.发电机工况曲线2：螺旋桨工况曲线3：其他工况2.3船用柴油机选型区域每种型号的船舶柴油机都有其自己的选型区域（layoutdiagram），区域内任何一工况点都能被选定为约定最大持续功率（CMCR或SMCR）。约定最大功率是指船东和厂商商定的船舶实际运行过程中使用的最大功率。再确定完最大持续功率后，柴油机的运行范围即可确定。目前世界上最大的两家船舶柴油机供应商MAN和瓦锡兰公司都会提供他们设计生产的柴油机的选型区域。2.3.1MAN船舶柴油机选型图该主机适用选型区域按照功率与转速的组合进行定义：L1-L2-L3与L4，其中L1表示额定MCR。选型区域内转速与功率的任一组合均能用于选择选定最大持续功率(SMCR)点。（L1-L2为100%nb等转速线，L3-L4为75%nb等转速线，L1-L3为100%Pb平均有效压力线，L2-L4为80%Pb平均有效压力线。）图2.4MAN船舶柴油机选型图2.3.2瓦锡兰船舶柴油机选型图该主机适用选型区域按照功率与转速的组合进行定义：R1，R2，R3，与R4。其中R1表示为船舶柴油机最大持续功率（MCR即标定功率）。选型区域内转速与功率的任一组合均能用于选择选定最大持续功率(SMCR)点。（R2为100%标定转速和55%标定功率的交点，R3为72%标定转速和100%标定功率的交点，R4为72%标定转速和55%标定功率的交点。）图2.5瓦锡兰船舶柴油机选型图2.4螺旋桨推进特性2.4.1推进特性船舶推进系统中，船体、主机、螺旋桨三者处在同一推进系统中，组成一个有机统一的整体。当要求船舶在某一工况下航行时，决定了机、桨的运转点。当柴油机作为船舶主机带动螺旋桨工作时，二者总是必须要保持能量平衡。在稳定运转的条件下，如果不计如传动带来的损失，主机发出的功率Ｐe和转矩Ｍe等于螺旋桨的吸收功率Pp和转矩Mp。因为螺旋桨所需的功率与转速的三次方成正比，船舶主动力装置带动螺旋桨工作时就必须满足螺旋桨运行中的功率要求。如前所述，不计传动损失螺旋桨的吸收功率就等于主机功率。这样，主机功率Pe与转速也是三次方关系，Ｐe=Pp＝Ｃnp3（kW)。根据螺旋桨理论，桨的推力FP和转矩MP符合下列公式:Fp=KFρnp2D4Mp=Kmρnp2D5式中：ρ——水的密度，kg/m３D——螺旋桨直径，m；np——螺旋桨转速，r/min；KF——推力系数；Km——转矩系数。KF、Km均为螺旋桨进程比λp的函数。它们间的变化关系由实验测得,如图所示：图2.6螺旋水动力桨特性曲线2.4.2螺旋桨特性曲线进程比λp是指螺旋桨每转一转实际产生的位移与螺旋桨直径D之比，即：λp＝vp／（npD）＝hp／D式中：hp——螺旋桨每一转的进程；v——船速。λp是螺旋桨水动力性能的一个重要参数。对一定的螺旋桨，λp取决于船舶的航行状态，即取决于船舶的航行工况。当船舶在某一工况下稳定航行时，螺旋桨就有一个固定的λp值，KF和Km相应有一对应值。从图9-4中可看到，λp减小时，KF和Km增大，可视为Fp和Ｍp都增加。当λp=0时，KF和Km达最大值。此时当np一定时Fp和Mp达到最大值，这相当于系泊试验或船舶起航的情况(即vp＝0)。随着λp的增大，KF和Km递减，Fp和Ｍp随之减小，这相当于船舶阻力降低的情况。在λp＞1.0后，Kp和Ｋm先后为零，这相当于桨推力和零转矩情况。对一定的螺旋桨，直径是常数，海水的密度变化很小，也可以认为是常数。在特定的某一航行条件下(装载、气候、海面状况等条件不变)的各种转速下航行时，vp/np基本不变，λp、KF、Km皆可视为常数。这样，推力和转矩公式可写成：Fp=C1np2Mp=C2np2即螺旋桨的推力和转矩与其转速的平方成正比。螺旋桨所需功率Pp可由Pp=Mpn/9550来确定。可得出螺旋桨功率与转速的关系式Pp＝Cnp3上式反映出螺旋桨运转特性，即螺旋桨的吸收功率Pp与转速的三次方成正比。将Ｍp=C2np2和Pp＝Cnp3绘成Mp－np和Pp-np的关系曲线即为螺旋桨特性曲线。图2.7螺旋桨特性曲线2.4.3不同进程比时的螺旋桨特性曲线实际上，船舶的工况常常是变化的，在各个不同的航行条件下对应不同λp值。当λp值不同时，同一转速下螺旋桨的转矩和吸收功率也相应有不同的值。图示出在各种不同航行条件下螺旋桨功率与转速的关系曲线。在图中可看出随着航行阻力的增加(λp减小)，螺旋桨特性线变陡。图2.7不同进程比时螺旋桨特性曲线2.5航行工况（船舶阻力）对机桨配合点的影响。船舶阻力变化引起螺旋桨的工作状况变化以螺旋桨的进程比λp来表示。在船舶航行时，当船舶阻力增大(重载、污底、逆风、顶流、浅水窄航道航行等)或运动状态改变(系泊、起航、转弯、倒航等)时，会使λp减小，螺旋桨的特性线变陡，如图2.9所示。图中λpⅠ＜λpⅡ＜λpⅢ。当机桨配合时，桨特性线Ⅱ与柴油机速度特性线2相交于a点。若阻力增大时λp减小，桨特性线由Ⅱ变为Ⅰ，与速度特性线交于b点，柴油机转速、功率下降。当船舶阻力减小时λp变大，螺旋桨特性线变得平坦(曲线)Ⅲ。此时如果柴油机仍按原速度特性工作时，则工作点变到d点，柴油机的功率、转速均大于原功率和转速。如果a点是正确的机桨配合工作点，则b点时柴油机的功率未得到充分发挥。假如Ⅰ线太陡(外界阻力太大)，还会使柴油机工作在大转矩、低转速工况下，其热负荷较高，对柴油机的可靠性影响很大；d点时柴油机的转速太高，会使得柴油机的机械效率下降和机械负荷过大(由运动部件惯性力增加引起)。为了使柴油机转速不致太高，则要减少循环供油量，使其工作在c点。此时柴油机工作在部分负荷速度特性下，柴油机不能发出其全部功率[5]。图2.8柴油机与螺旋桨的配合图2.9不同配桨时机桨配合曲线2.6船舶主动力柴油机运行区域分析2.6.1船舶柴油机的运行区域图2.10瓦锡兰柴油机允许运行区域图2.11MAN柴油机允许运行区域图2.10和图2.11分别为SulzerRTA系列船用柴油机的允许运行区域图和MANB&WMC系列船用柴油机的允许运行区域图，由图可以看出，这两种系列的船用柴油机对于允许运行区域的规定是类似的。下面分述如下：对于SulzerRTA系列船用柴油机（图2.10），当船舶柴油机所需的约定最大持续功率点1确定后，其运行区域便由下列轮廓线限制，线①是一条过CMCR点的等平均有效压力线，即等扭矩限制线，沿该线向下，主机功率和转速都从100%下降至95%；线③是转速限制线，数值为104%NCMCR。对于降转速运行的柴油机（NCMCR≤0.98NMCR），如果不超过扭振极限，该限制线可扩展到线④，即106%NCMCR；线⑤由95％功率，95％转速（2点）和45％功率，70％转速点连接而成，其方程式为：P2/P1=（N2/N1）2.45。当运行点向线⑤趋近时，会导致柴油机进气量不足，导致排温升高，实际上这相当于一条等排温限制线；线②为标定螺旋桨特性线。由线①、③和⑤形成的区域代表了柴油机的工作范围。由标定螺旋桨特性线②、100%负荷限制线和转速限制线③限定的区域被推荐作为主机的持续工作区。而标定螺旋桨特性线②、线⑤和线①之间的区域应该是功率储备区域，用于船舶的加速、浅水区航行和常规的机动航行，这一区域不是主机理想的持续工作区。线①以上的区域为超负荷区。试航期间，在造机厂的授权代表在场时，允许主机在此区域运行一小时。对于MANB&WMC型柴油机的负荷图，它表示柴油机与螺旋桨的配合情况及柴油机的持续运转范围。该图采用对数坐标，纵坐标为功率的百分数，横坐标为转速的百分数。图中M点为约定最大持续运转功率点(约定MCR)。A点为基准工况点，通常A=M。O点为优化工作点，发动机增压器的匹配，发动机的定时和压缩比都是在此点优化调整的，其功率约为M点的85%~100%。线①是通过优化点O的螺旋桨特性线，线②是船舶在污底情况下的重负荷运行线，一般来说，两条线是重合的。线③为持续运转的最高转速，为标定转速的105%。线④为等过量空气系数限制线(在此限制下可提供足够的空气用于燃烧并对转矩和速度的最大值联合限制)。线⑤为平均有效压力限制线，线⑥是船舶在船体表面光滑清洁时的轻负荷特性线，线⑦为持续运转的最大功率，线⑧为超负荷限制特性线。在线④、⑤、⑦与虚线⑧之间为超负荷工作区，每12h允许工作1h。在图中线④、⑤、⑦、③范围之内为柴油机的允许运行区域（即持续运转区）。线⑥为船体光滑清洁时的螺旋桨特性曲线，螺旋桨的设计点(PD)就通过该线。在经过一段时间的使用之后，船体和螺旋桨可能脏污，导致推进特性线左移，螺旋桨在重负荷线②运行。为了维持船的航速，就需要为螺旋桨提供更大的功率，两者之差就是船体工作储备，此时的工作点为柴油机的持续营运功率点，见图７-10(b)中SP点，柴油机的优化工作点即以此为基础确定的。在良好天气时，螺旋桨的加重程度将说明是否需要清洁船体和抛光螺旋桨。线①和④之间的区域可用于浅水、恶劣天气和加速工况，这样就保证了柴油机在任何情况下都能良好工作。2.6.2实船数据分析为了更好的分析研究船舶主机的经济性，针对实际船舶营运制定相应最经济的航行以及维护保养计划，我们选取实际船舶在营运中的记录数据，通过统计学和船舶柴油机的特性进行分析。对实船数据（大连远洋运输公司“远珍湖”轮）进行整理，数据如以下表格所示：表1.1船舶数据日期F.ORACKSHIP'SPENG.SPMER.P.MM.E.EXHAUSTTEMPERATUREAVRSLIPF.OCONS11-298514.614.365.7319-1.78%63.6911-307413.612.758.2331-7.03%49.5812-016211.511.251.5331-2.28%33.6412-027313.612.758.4330-6.67%49.7312-036512.911.452.1327-13.41%34.9212-068014.214.063.9321-1.78%59.8712-077614.713.561.8329-8.95%58.6512-087713.113.662.13313.38%58.3212-098012.413.863.233110.13%62.1312-10811513.963.7331-7.86%61.2512-117213.112.858.6334-2.39%52.9312-12731312.958.9325-1.09%50.3112-137212.612.758.13300.67%48.8512-147112.612.456.6327-1.96%43.0912-157112.112.456.73272.25%41.8912-248512.714.566.232412.13%66.4412-258713.214.767.332110.16%69.2712-268913.615.068.53219.06%72.9312-278613.314.867.63249.88%67.8712-288612.914.667.132711.94%69.8612-298512.714.465.832711.60%66.1712-31801113.762.732519.64%53.7101-018311.314.164.832920.13%63.9301-027711.713.36133012.15%54.3201-037611.713.461.332912.58%56.8701-04638.510.749.231520.87%34.8501-058411.113.461.232516.93%57.3401-06871214.46632816.72%66.3801-078711.514.164.632718.46%65.32续表：日期F.ORACKSHIP'SPENG.SPMER.P.MM.E.EXHAUSTTEMPERATUREAVRSLIPF.OCONS01-088511.214.064.232520.09%64.2801-098812.314.767.232716.16%68.8201-109310.714.66732826.85%73.5301-119111.314.566.532822.17%72.7301-129614.515.5713256.46%83.3501-139212.215.068.831918.78%78.8201-148612.314.566.531115.28%67.9301-19701212.657.83074.91%39.94将这些数据进行分析整理，做出数据表格。由所给的原始数据我们可以得知，此船起航经过马六甲海峡到达阿联酋，然后装载原油，驶往营口鲅鱼圈。根据所给的表中数据，选取航次行程明确的数据进行分析整理，做出相应的数据曲线。对数据进行整理，我们将其分为三段，即过马六甲至阿联酋航段、阿联酋至马六甲海峡航段和马六甲至营口鲅鱼圈航段。对这三个航段的数据进行统计处理，绘制出散点图，计算出回归趋势曲线。即如下图所示：马六甲至阿联酋航段：图2.12MER.P.M-SHIP'SP图2.13MER.P.M-F.OCONS图2.14SHIP’SP–F.OCONS

阿联酋至马六甲航段：图2.15MER.P.M-SHIP'SP图2.16MER.P.M-F.OCONS

图2.17SHIP’SP–F.OCONS马六甲至营口鲅鱼圈（大风浪天航行）：图2.18MER.P.M-SHIP'SP

图2.19MER.P.M-F.OCONS图2.20SHIP’SP–F.OCONS从马六甲至阿联酋航段曲线中，即图2.12、图2.13和图2.14，船速，油耗，主机转速之间都成近似的增长关系（转速船速曲线近似直线关系：y=0.2262x-0.3871R²=0.3833，转速油耗曲线近似直线关系：y=2.671x-107.12R²=0.9476）。大部分的数据点都在回归趋势曲线附近，个别点可能由于实时海况条件不同偏离曲线较大。自曲线中我们可以看出，随着主机转速提高，油耗和船速也在不断的增加。大部分油轮都是单程运载原油运行，去程大都为压载水压载保证航行状态，因此，在这个航段内航行时，船舶主机可以根据船舶营运安排的需要选择合适的工作工况点，在航期安排较宽松的情况下主机运行工况点应该选择主机运行效率最高时的工况点。从阿联酋至马六甲航段中，即图2.15、图2.16和图2.17，燃油消耗随主机转速的提高而增加，而且变化较大。在图2.15中我们可以看出，船速随主机转速的增加出现小幅的变化。在主机转速在60-63r/min时，船速随着主机转速增加出现小幅的降低。在63-69r/min时船速随着转速的增加而增加（曲线方程：y=-0.0261x3+5.1371x2-336.89x+7362.1R²=0.9477）。由于船速随主机转速变化非常小，因此，在阿联酋到马六甲的航段内，主机工作状态点可以定位为转速61r/min，此时船舶可以维持正常的运营航速，而且此时主机油耗较低，主机转速较低，推进效率较高。经过马六甲海峡到营口鲅鱼圈区间航段内，即图2.18、图2.19和图2.20，船速、主机转速和油耗也成近似的增长关系（转速船速曲线：y=0.494x-21.285R²=0.6942，转速油耗曲线：y=-0.0247x3+5.0037x2-334.48x+7456.5R²=0.9002），但是相对的线性系数则增大（转速油耗近似线性关系方程：y=2.8294x-117.25R²=0.8995转速船速曲线：y=0.494x-21.285R²=0.6942）。从中午报告原始记录汇报的数据中，我们可以得知在这段航行区间内是大风浪航行状态。由于在航行区间内海况恶劣，处于大风浪状态，所以在运载相同货油的状态下，由于外界阻力增大，船舶主机的转速和船舶的航速会降低，如果只为了保证船速，则主机的转速会相应的提高，导致船舶油耗相对正常运行时刻会出现较大的上升，同时船舶主动力柴油机运行功率也会上升。大风浪天海况恶劣，为了保证运输船舶的安全和船舶营运航期的安排，因此主机应当避免长时间处于大负荷状态，合理控制油门，适当降低主机转速和船速，同时加强对主机运行的监控，保障主机的运行状态。因此如果在此航段内大风浪天航行时，主机转速可以设为64r/min或略低。当船舶在航线上正常运行时，外界的风浪天气、洋流等会使螺旋桨的滑失比发生变化，对船舶的正常运行造成一定个的影响。因此曲线图上部分点会偏离回归曲线较远。同时，船舶在海上运行一段时间后，船体和螺旋桨表面必然会出现脏污的情况。因此根据船舶主动力柴油机运行区域图，推进特性必然会向左移，螺旋桨必然会在重载线上运行，必然会导致同一条航线上同一季节相同载货不同时间内主机运行状态会出现一定的偏差，因此加强船体和螺旋桨的维护对于主机运行状态的维护是比较重要的。由于选取的数据数量有限，所以曲线的计算和分析中可能会存在一定的误差。为了减小分析中存在的误差和错误，在分析这条航线的主机运行工况时，我们应当收集这条船舶在此航线多年的运行数据，分季节分航段的进行整理分析。在采集数据时，可以适当提高数据采集的频率、种类和数量，以求更真实的反映船舶的实时运行状态。采集主机数据的过程中，我们也可以结合卫星定位技术，采集船舶实时的运行航线，结合相应海域的水文资料以及船舶的实时数据，分析主机的运行状态，更好的制定出主机运行的操作和维护方案。本章小结本章主要分析船舶主动力柴油机的特性和特性曲线以及通过分析实船数据提出当前船舶柴油机最佳运行点。通过分析处理数据，分航段对船舶实际数据进行分析，找出每个航段船舶主机的最佳运行点。

三、船舶主动力装置工况维护保障的措施船舶动力装置运行使用成本在船舶运营成本占较大比重，因此控制船舶主动力装置的经济性对于控制船舶运营成本，提高船舶营运收益具有很大的意义。通过对船舶主机运行状况的实际分析，降低船舶主动力装置的运行成本应当通过：优化船速和操船步骤、及时检查维护船体和螺旋桨、加强船舶燃润油管理以及主机运行状态的监控和优化。3.1船速优化1.1船速优化应考虑的因素包括：船舶的营运方式、租船合同、燃油价格、货物运价、船期、水文气象条件、该航次航线及航路对船速的要求和限制、船舶状况、船舶装载状态、燃油质量、船舶实际营运中的优化、船舶机器设备等等。1.2船舶应考虑上述因素，选择使用下列航速：1）服务航速。指不考虑气象因素（有利或不利的）影响，在主机额定功率85%左右RPM某个数值下的船速。2）最经济航速。指保证船舶持续工作的最低航速3）超慢速航行。指速度低于最经济航速，需要额外的锅炉和主机辅助风机运行。4）定时到达调整速度。指调整主机转数到接近最经济的速度，以便在指定的时间之前到达或正点到达。1.3航速优化是直接有效的节能措施。最佳航速并不是指最小航速，应参照主机制造商的功率/燃油消耗曲线和船舶螺旋桨曲线。1.4低速航行可能的负面后果包括增加的震动和积炭，这些应予以考虑。但运价太低时，在保证船舶安全的前提下，降低船速，减少燃油消耗，对公司的效益会有一定的帮助。1.5船舶应根据航线航程和受载期确定最佳的航速，以使消耗的燃油等资源尽可能达到最低。轮机长提供必要的数据支持，据此确定最佳的航速时需要考虑的因素如下：1）主机转速尽量靠近单位海里最低燃油耗率，使用最经济航速，但不应该超出必要的限度（通常情况下主机功率在70%-90%MCR范围内，极端降速情况下主机功率在50%-60%MCR范围），并且连续运行在减速状态2天以上，需要加速到额定的90％状态下运行2小时，以保证主机状态正常。针对机械和热效率而言，船舶的经济航速是在主机额定功率的85%左右；但因船型不一，装载状况不同而变化。常用主机功率与转速关系的海军公式计算，即不同功率与额定功率之比等于不同转速与额定转速之比的立方：即不同功率与额定功率之比等于不同转速与额定转速之比的立方：Ni/N额=(ni/n额)3[6]。2）航行时间的变化导致燃油消耗的变化。3）沿途海况等外部因素的影响。4）船舶航速与耗油在租船合同或航次指示中有相应规定。应确保船舶能够按照租船合同指明的速度行驶，并保持主机燃油消耗在许可或规定范围内达到优化航速的目的。1.6船舶进港、抵达锚地的主机操纵，应适时早停车，充分利用船舶惯性冲程（特别是大型油轮惯性冲程很大）减少用车降低耗油。尽可能避免快车抵锚地高速倒车“急刹”的操作方法。离泊位开航应监视引航员的不当用车。通常船舶出港航行到海上定速时，主机转数的增加应根据对应的转数/航速表进行，即达到现有转数的航速时再增加到更高一级转数档，这样既节油又能起到保护主机的作用[7]。1.7离开港口或河口时航速的逐渐增加并将发动机载荷保持在一定限制范围内有助于减少燃料消耗。3.2螺旋桨和船体检查2.1船体和螺旋桨的海洋附着物生长会增加船舶阻力。定期的船体清洗可以减少阻力，减少燃料消耗总量。2.2船舶应对船体涂层及油漆进行监控并适当调整ICCP装置，以减少海生物附着进而减少船体阻力。2.3船舶因较长在海上停泊或锚泊，水下船体容易附着海生物。船舶应在条件适宜时进行水下船体清洁。2.4船舶应做好船体和螺旋桨的维护和保养工作，根据实际情况对船体状况进行水中检查和清洁，以保证螺旋桨的清洁和抛光。发现船体污底现象并严重影响船舶航速、或发现螺旋桨缠上鱼网时，应及时对船体进行清污或清除螺旋桨绞缠物。3.3船舶燃润油管理3.1船舶应装载最经济的燃油量。购买的所有燃油都应符合公认的相关的国际认可标准。3.2燃油质量的影响。由于劣质燃油热值低，要达到同样的转速，需要耗用更多的燃油。因此，可能时租船合同中应增加燃油热值的要求，燃油订购应考虑燃油的发热值[8]。3.3船舶应避免不同加装时间或地点加装油品的混合，以免混合后发生不相溶而使油品质量发生变化，导致船舶无法正常使用的情况发生。3.4轮机部应当根据船舶的航次计划及船舶燃油实际存量并结合船舶的航线特点，合理申请燃油的添加量。按制定科学严谨的加装计划及相关的检查内容，确保安全作业，负责接收计量的准确性。3.5船舶应科学地存储及使用燃油，燃油的使用应当在取得油样化验报告并合格后使用，燃油的在船存储时间尽量不要超过一年。燃油消耗应秉承先进先用原则。燃油存放时间越长，燃油中固体物质更可能沉降出来，船舶也更可能面临过滤器堵塞和其他潜在的可靠性等问题。无法继续使用的燃油需要尽快停用并与航运部燃油管理员协调后续处理办法。3.4主机运行状态的监控和优化4.1机器最优化程序由两部分组成：视觉检查和机器绩效监控(示功器)。机器绩效监控允轮机员调整“可变喷油定时”(VIT)以优化气缸压力。这两个程序确保机器最佳性能的优化。4.2影响主机能耗的因素，除天气、海况、污底、装载状态外，还包括：1）主机燃油供给系统工况：主高压油泵状态、主机喷油器状态、出油阀状态。2）主机扫气、换气系统工况：排气阀状态、透平效率、空冷器效果、废气锅炉通畅状态。3）主机燃烧室空间几何尺寸、密闭状态：缸套内径尺寸、气缸盖内部尺寸、活塞头尺寸及天地间隙、活塞环状态。4）定时控制系统：喷油定时系统状态、排气阀定时系统状态、VIT系统状态。5）主机转速运行区间。4.3轮机部应充分考虑到以上提到的影响主机油耗的因素，测量和监测整体的燃油消耗，并精确记录。研究燃油耗量的变化趋势，保证设备处于最佳运行工况[9]。4.4主机油耗的监控。轮机部应根据装载状况，通过功率测算，整理出满载和压载航行状态下的主机在各个转速下的燃油消耗率,吨/天（或g/Kwh），并确定出主机实际最低油耗率,吨/天（或g/Kwh）以及相对应的主机转速。操作程序应包括：1）对主机状况进行评估，保证主机及其附属设备处于最佳工况下进行测算，使测出的数据具有真实性及可参考性。2）对船体、螺旋桨的状态进行评估，保证处于良好状态，使测算出的数据具有可参考性。3）测算时应考虑到环境因素包括风速﹑风向、海流、水深及船舶吃水差，与主机相关的内在因素包括燃油的品质及相关的运行参数。4）测算时应选择良好的海况下，宽阔、深水海域进行，最后折算到静水条件下的经验数值。5）测量仪器应认真检查调整，确保仪器工作在良好状态。测量时按操作规程规范操作，保所得数据的准确性及精确性。4.5船舶测取的机器工况报告应及时报送安技部船技部，以便机务监督员能了解船舶设备的工作情况，并根据报告的内容提出指导意见。4.6日常使用维护船舶主机是应当量化主机的技术指标，严格遵守说明书的规定及船技部技术通报的要求，监视主机各运行参数，确保各温度，压力，油位等在说明书要求范围内。按照检修周期进行常规保养。保证高压油泵，出油阀，高压油管，喷油器，排气阀等工作状态良好，确保主机油头试验台正常；主机爆炸压力表正常；主机示功器正常；主机拐档表正常；主机缸套内径千分尺正常，保证主机的正常运行状态。本章小结本章主要提出保证船舶主动力柴油机在正常工况下工作的一些日常操作和维护措施，通过这些措施的实施和执行可以控制船舶主动力柴油机的运行状态。结论船舶主柴油机实船工况分析研究对于控制船舶运输成本有着重大意义。保证最佳的船舶主动力柴油机经济性需要船舶在最佳经济航速和主机处于最佳转速，同时也要加强对船舶的保养和维护，保障船舶的最佳状态即让船舶主柴油机处于最佳工况。

参考文献[1]李斌.船舶柴油机[M].大连海事大学,2007.[2]马智宏王新全.船舶动力装置进程的历史、现状与展望[J].航海技术,2003(3).[3]张泉乐.运输船舶营运经济性分析与研究[D].武汉理工大学,2004.[4]陆威崙.现代船用柴油机特性曲线的研讨[J].柴油机,2005(4).[5]刘爱华.船舶动力系统配置设计及优化方法研究[D].哈尔滨工程大学,2010.[6]吴恒.船舶动力装置技术管理[M].大连海事大学,1999.[7]陈晓梅,许伟.集装箱船舶航速优化对班轮营运的重要性分析[J].中国储运,2014(2).[8]信海旭.营运船舶船速优化探讨[J].中国水运,2011(01).[9]王强.船舶主机降功率节能减排技术的优化研究[D].大连海事大学,2013.

致谢此篇论文是在陈海泉老师的悉心指导下完成的，无论是数据分析还是论文撰写都得到了陈老师莫大的支持。正是陈老师丰富的知识与一丝不苟的工作态度帮助我最终完成了此篇论文。通过这此数据分析和论文撰写，我不仅得到了知识的扩充，更是从老师身上学习到了严谨的治学作风。在此向导师表达崇高的敬意和衷心的感谢！在论文撰写的过程中，身边的同学给了自己很大的指导和帮助，在此向他们表示由衷的感谢和祝福！目录第一章总论 11.1项目背景 11.1.1项目名称及承办单位 11.1.2承办单位 11.1.3项目建设地点 11.1.4可行性研究报告编制单位 11.2报告编制依据和研究范围 11.2.1报告编制依据 11.2.2研究范围 21.3承办单位概况 21.4项目提出背景及必要性 31.4.1项目提出的背景 31.4.2项目建设的必要性 41.5项目概况 51.5.1建设地点 51.5.2建设规模与产品方案 51.5.3项目投资与效益概况 51.6主要技术经济指标 6第二章市场分析及预测 82.1绿色农产品市场分析及预测 82.1.1生产现状 82.1.2市场前景分析 92.2花卉市场分析及预测 112.2.1产品市场现状 112.2.2市场需求预测 122.2.3产品目标市场分析 132.3中药材产品市场分析及预测 132.3.1产品简介 132.3.2产品分布现状分析 152.3.3市场供求状况分析 162.3.4市场需求预测 17第三章建设规模与产品方案 203.1项目的方向和目标 203.2建设规模 203.3产品方案 213.3.1优质高产粮食作物种植基地 213.3.2无公害蔬菜种植基地 213.3.3中药材种植基地 213.3.4花卉种植基地 21第四章建设场址及建设条件 224.1建设场址现状 224.1.1建设场址现状 224.1.2厂址土地权属类别及占地面积 224.2建设条件 224.2.1气象条件 224.2.2水文及工程地质条件 234.2.4交通运输条件 234.2.5水源及给排水条件 244.2.6电力供应条件 244.2.7通讯条件 244.3其他有利条件 244.3.1农产品资源丰富 244.3.2劳动力资源充沛 254.3.3区位优势明显 25第五章种植基地建设方案 265.1概述 265.1.1种植基地运营模式 265.1.2种植基地生产执行标准 265.23000亩优质高产粮食作物种植基地建设方案 285.2.1品种选择 285.2.2耕作技术 285.2.3种植基地建设内容和产量预期 335.32000亩无公害蔬菜种植基地建设方案 345.3.1概述 345.3.2无公害蔬菜质量标准 345.3.3蔬菜栽培与田间管理 355.3.4种植基地建设内容和产量预期 375.42000亩中药材种植基地建设方案 385.4.1概述 385.4.2GAP基地建设要求 385.4.3选择优良品种 395.4.4金银花栽培与田间管理 395.4.5种植基地建设内容和产量预期 435.52000亩花卉种植基地建设方案 445.5.1概述 445.5.2技术方案 455.5.3种植基地建设内容和产量预期 49第六章田间工程及配套设施建设方案 516.1概述 516.23000亩绿色粮食作物种植基地灌溉方案 516.2.1总体布局 516.2.2设计依据 526.2.3灌溉制度的确定 526.2.4渠道衬砌工程设计 536.32000亩无公害蔬菜种植基地灌溉方案 556.3.1总体布局 556.3.2设计依据 556.3.3主要设计参数 566.3.4灌水器选择与毛管布置方式 566.3.5滴灌灌溉制度拟定 576.3.6支、毛管水头差分配与毛管极限长度确定 586.3.7网统布置与轮灌组划分 596.3.8管网水力计算 606.3.9水泵扬程及选型 646.42000亩中药材种植基地灌溉方案 656.4.1设计依据 656.4.2设计参数 656.4.3喷头选型和布置间距 656.4.4灌溉制度 666.4.5取水工程规划布置 686.4.6管网水力计算 706.4.7机泵选型 726.52000亩花卉种植基地灌溉方案 726.5.1设计依据 726.5.2微灌主要设计参数 726.5.3微灌灌水器选择与毛管布置方式 736.5.4微灌灌溉制度拟定 746.5.5微灌支、毛管水头差分配与毛管极限长度确定 756.5.6微灌网统布置与轮灌组划分 766.5.7微灌管网水力计算 776.5.8水泵扬程及选型 816.6田间道路工程 866.7灌溉工程 866.7.1机井工程 866.7.2提灌站改造 876.8沟道治理工程 896.9田间配套设施 906.9.1仓储工程 906.9.2农业技术培训中心 93第七章节能、节水 967.1研究依据 967.2能耗分析 977.3节能措施 97第八章环境与生态影响分析 988.1环境影响现状分析 988.2生态环境影响分析 988.2.1建设期对生态环境的影响 988.2.2运营期对生态环境的影响 98HYPERLI