船舶动力装置控制技术发展

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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)螺旋桨推进推进控制器回转控制器螺旋桨推进装置回转机构吊舱推进舵机变速箱推进控制器舵角控制器螺旋桨艉轴推进装置艉轴推进推进控制器回转控制器螺旋桨推进装置回转机构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40kn1.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BJf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NSNSNS交流磁场运动方向感应磁场运动方向(水流)水流切割磁场产生感应电流..NSNSNS.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MANB&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、类型推进主机螺旋桨船舶ppTn,ppFn,,V舵机操舵控制ref推进控制L艉轴推进:推进控制与航向控制不相关舵机变速箱推进控制器舵角控制器螺旋桨艉轴推进装置2.船舶动力装置组成、类型推进主机螺旋桨船舶ppTn,,V回转控制pppFn,,ref推进控制L回转机构pZ型推进或吊舱推进:推进控制与航向控制相关推进控制器回转控制器螺旋桨推进装置回转机构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原动机调速器发电机调压器ON/OFFSYdniu,EddTn,fiu,,电能管理SSSfiu,,①②fNf1f0P1P2P1PABCDP油门L2.船舶动力装置组成、类型频率与有功功率调整fNf1P2PA1B111PP12①②B2A221PP12P22①②UNU1U0Q1Q2Q1QABCDQ励磁电流IL2.船舶动力装置组成、类型电压与无功功率调整UNU1Q2QA1B111QQ12①②B2A221QQ12Q222.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推进主机轴带发电机螺旋桨fiu,,变流装置SSSfiu,,调压器iu,E转速控制YddTn,调距桨控制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辅助锅炉L燃烧系统给水系统pQ,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(Marinemainengineremotecontrol)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))((9063551011221181151VVVVPVVVHAHEADstart))((9063561011221181151VVVVPVVVHASTERNstart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控制气源停车命令途经阀件信号汇合作用对象V16V1V100V80V127V102V64V84V125V103V38V128V23V85V117至燃油泵,断油至空分器,待机停车控制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控制气源换向命令途经阀件信号汇合作用对象V1VVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV10010210310410529101130913141557868788896970645880至燃油泵换向机构至空分器换向机构换向控制)(8670641051029141ReVVVVVVVVHAHEADAHEADAHEADverse)(8870641051029151ReVVVVVVVVHASTERNASTERNASTERNverse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MANB&W智能化柴油机的“智能化”构成。排气阀控制增压器控制调速器气缸滑油剂量控制燃油泵控制各缸平均压力控制各缸最大压力控制气缸状况监视填料函环/衬套气缸压力监视扭振监视运行模式控制程序燃油经济模式机器保护模式高速反转/急停模式排放控制模式机器运行控制程序机器工况监视程序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。运行模式控制程序燃油经济模式机器保护模式高速反转/急停模式排放控制模式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。气缸状况监视填料函环/衬套气缸压力监视扭振监视机器工况监视程序扫排气监视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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