CN115468107A - 一种船舶起动空气定量供给系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船舶起动空气定量供给系统，包括起动空气系统，起动空气系统包括主空压机、主空气瓶、主空气瓶压力传感器，所有的主空压机的出口通过第一起动空气管路连接所有主空气瓶的进口，每个主空气瓶上均对应设有主空气瓶压力传感器；还包括起动空气供给系统，起动空气供给系统包括用于控制供气量给主机的定量供给装置，所有主空气瓶的出口通过第二起动空气管路连接到定量供给装置进口，定量供给装置出口通过第三起动空气管路连接到主机起动空气进口。本发明根据主机起动空气耗量的特点，充分发挥起动空气的有效势能，大幅减少高压起动空气的能量浪费，提出了起动空气定量供给系统及装置，既保证主机的正常起动，又能降低系统能耗。

Description

一种船舶起动空气定量供给系统
技术领域
本发明涉及一种船舶起动空气定量供给系统，属于船舶及海洋工程技术领域。
背景技术
一般地，船舶主机采用压缩空气进行起动，对于用压缩空气起动的主机，必须配置起动空气系统，起动空气系统由主空压机、主空气瓶、阀、压力传感器、管路及各种附件组成。
已授权的发明专利(授权公告号CN 212672127 U)主要描述一种船用压缩空气系统管路的设计方法，该专利主要保护的主机起动空气管路和海水箱吹除管路之间的相互备用。该专利仅仅考虑压缩空气管路之间的备用关系，没有考虑到主机起动空气采用高压压缩空气(25～30bar)，海水箱压缩空气吹除采用低压压缩空气(～2bar)，两者之间压力值悬殊较大，仅通过配置一个减压阀组是不能保证气源的稳定性，一旦减压阀失效，备用管路阀件开启时，高压压缩空气容易导致海水箱结构变形。
尚未授权的发明专利(申请号CN201910812241.9)主要描述一种船用压缩空气系统的设计方法，该专利主要保护主机SCR吹除空气、工作空气与其它杂用空气之间的备用关系，主要是提高系统之间的冗余性，在某单一设备故障时，能够通过备用管路提供必须的气源，提高压缩空气系统的稳定性。
一般地，当前船舶采用30bar或25bar的起动空气系统的设计，根据船舶试航测试数据，起动空气压力越高，主机单次起动的空气耗量越大；随着主空气瓶压力的降低，主机单次起动的空气耗量越低。
对于同一主机来说，电磁阀口径是确定的，当电磁阀打开时，如果起动空气压力高，单位时间流过电磁阀的空气量就多，起动空气压力降低时，单位时间流过电磁阀的空气量就减少，直至达到主机起动要求的最低起动空气设定值。主机起动一次，在主空气瓶高压力起动工况下，更多的压缩空气是逃逸了，相当于做无用功，而主空压机要把大气压下的空气压缩成高压空气，消耗的能量更多，需要设置更大的主空气瓶，相应地主空压机的容量也需要加大。
主机厂推荐的起动空气数据考虑了20％的余量，又由于不同船舶的轴系和螺旋桨转动惯量差异较大，根据实船试航的数据分析，当前船舶起动空气系统在设计余量偏大，特别时在压缩空气高压段，单次起动空气浪费大约50％的高压空气；实船中主机的最低起动压力也低于主机要求的设定值。综合以上因素，起动空气系统存在较大的优化空间。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何减少高压起动空气的能量浪费。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种船舶起动空气定量供给系统，包括起动空气系统，起动空气系统包括主空压机、主空气瓶、主空气瓶压力传感器，所有的主空压机的出口通过第一起动空气管路连接所有主空气瓶的进口，每个主空气瓶上均对应设有主空气瓶压力传感器；其特征在于，还包括起动空气供给系统，起动空气供给系统包括用于控制供气量给主机的定量供给装置，所有主空气瓶的出口通过第二起动空气管路连接到定量供给装置进口，定量供给装置出口通过第三起动空气管路连接到主机起动空气进口。
优选地，所述的起动空气系统包括至少两台主空压机、至少两个主空气瓶、至少两个主空气瓶压力传感器及至少三条起动空气管路；起动空气管路至少包括第一起动空气管路、第二起动空气管路、第三起动空气管路。
优选地，所述的定量供给装置包括至少2套互为备用减压阀组和1个定量空气瓶；所有减压阀组出口均连接定量空气瓶进口，定量空气瓶出口通过第三起动空气管路连接至主机；所有减压阀组进口连接第二起动空气管路一端，第二起动空气管路另一端连接所有主空气瓶的出口。
优选地，所述的定量空气瓶上设有对应的定量空气瓶压力传感器；当定量空气瓶的压力低于主机的最低起动压力设定值时，输出报警信号到机舱的监测报警系统。
优选地，所述的减压阀组为压力可调节式减压阀组；减压阀组的压力设定值可根据满足主机的正常起动需求进行调节。
优选地，所述的定量空气瓶和减压阀组的压力设定值可根据主机需要的最低起动空气压力计算得出；根据主机提供的该起动空气压力下的起动空气耗量，确定定量空气瓶的容积，同时考虑10％的容积余量，以确保主机的正常起动。
优选地，所述的主机单次起动空气耗量V为：在船舶试航和营运过程中，主机7每起动一次，通过主空气瓶的压力传感器，采集主空气瓶前后压力值，采用理想气体状态方程，可以计算出主机单次起动空气耗量；玻义耳定律为：在定量定温下，理想气体的体积与气体的压强成反比。
优选地，所述的主机单次起动过程中起动空气的参数如下：
主空气瓶初始压力P1，主空气瓶最终压力P2；
主空气瓶初始容积V1，主空气瓶最终容积V2＝V1；
主机起动空气需求压力P3，主机起动空气需求量V3；
根据玻义耳定律有：
P1*V1＝P2*V2+P3*V3；
所以主机起动空气需求量V3＝(P1*V1-P2*V2)/P3；
其中，定量空气瓶的容积V＝(1～1.1)×V3。
优选地，所述的定量供给装置设于靠近主机的起动空气进口的位置。
优选地，所述的各个主空气瓶对应的主空气瓶压力传感器分别连接机舱的监测报警系统。
本发明根据主机起动空气耗量的特点，充分发挥起动空气的有效势能，大幅减少高压起动空气的能量浪费，提出了起动空气定量供给系统及装置，既保证主机的正常起动，又能降低系统能耗。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
根据主机需要的最低起动空气压力值和起动空气耗量，根据波义耳公式计算出定量空气瓶的容积和减压阀组的设定压力值，同时考虑10％的容积余量。
本发明设置了定量供给装置，按照主机实际需求，系统供给定量定压力的起动空气，满足主机正常起动的需要，保证了主机起动的稳定气源和系统的稳定运行，减少了高压工况下起动空气的做无用功，在满足规范要求的最低起动次数要求下，降低了主空压机和主空气瓶的容量配置(主空压机总容量和主空气瓶的总容积降低了50％)，大大降低了建造成本，降低了系统能耗，减轻了设备重量，降低了设备的安装空间需求，综合成本降低了～45％，为船厂建造施工带来了巨大的便利。考虑到主空压机负荷分配更加合理，延长了主空压机的使用寿命，经济效益更加显著。
本发明的船舶起动空气定量供给系统和装置，可以根据实船试航的数据分析，按照需求调整起动空气供给系统(定量供给装置)的压力设定值，以期达到较低压力工况下能够正常起动主机，提高了起动空气系统有效转化；可以将定量空气瓶的压力数据值通过压力传感器实时传送给机舱监测系统，在集控台仪表盘上显示；可以降低主空压机和主空气瓶50％的容量，综合成本降低～45％。降低主空压机和主空气瓶的容量后，设备尺寸和重量也显著下降，有利于设备的布置，便于设备运输、安装、维保。
附图说明
图1为一种船舶起动空气定量供给系统的流程图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明提供了一种船舶起动空气定量供给系统，如图1所示，其包括起动空气系统和起动空气供给系统。
起动空气系统由至少两台主空压机、至少两个主空气瓶、多个阀件附件、至少两个主空气瓶压力传感器及至少三条起动空气管路(至少包括第一起动空气管路8、第二起动空气管路9、第三起动空气管路10)组成；所有的主空压机的出口通过第一起动空气管路8连接所有主空气瓶的进口，每个主空气瓶上均对应设有主空气瓶压力传感器。各个主空气瓶对应的主空气瓶压力传感器分别连接机舱的监测报警系统。
其中，阀附件是属于空气管路的附属设备，可作为管路的一部分理解，在原理图中没有画出来，不影响对系统原理的理解。阀附件布置在主空压机的出口,主空气瓶的进出口,空气定量空气瓶的进出口，主机7的进口，阀附件都是常开，只有在系统需要检修的时候才开关阀件。
起动空气供给系统由1个定量供给装置11构成，其中定量供给装置11由至少2套互为备用减压阀组和1个定量空气瓶6组成。所有减压阀组出口均连接定量空气瓶6进口，定量空气瓶6出口通过第三起动空气管路10连接至主机7。所有减压阀组进口连接第二起动空气管路9一端，第二起动空气管路9另一端连接所有主空气瓶的出口。定量空气瓶6上设有对应的定量空气瓶压力传感器5，可实时监测定量空气瓶6的压力，当定量空气瓶6的压力低于主机7的最低起动压力设定值时，输出报警信号到机舱的监测报警系统。减压阀组为压力可调节式减压阀组，根据主机7的实际需要，可以调节减压阀组的压力设定值，满足主机7正常起动的需求。
定量供给装置11设于主机7和主空气瓶之间，所有主空气瓶的出口通过第二起动空气管路9连接到定量供给装置11进口，定量供给装置11出口通过第三起动空气管路10连接到主机7起动空气进口。定量供给装置11应尽量靠近主机7的起动空气进口。
本实施例中，主空压机有两台，分别为一号主空压机1-1和二号主空压机1-2；主空气瓶有两个，分别为一号主空气瓶2-1和二号主空气瓶2-2；主空气瓶压力传感器有两个，分别对应一号主空气瓶2-1和二号主空气瓶2-2的一号主空气瓶压力传感器3-1、二号主空气瓶压力传感器3-2；起动空气管路有三条，分别为第一起动空气管路8、第二起动空气管路9、第三起动空气管路10。定量供给装置11的套减压阀组有两套，分别为一号减压阀组4-1、二号减压阀组4-2。
本发明的工作原理如下：
根据主机7需要的最低起动空气压力，计算出定量空气瓶6和减压阀组的压力设定值，根据主机7提供的该起动空气压力下的起动空气耗量，确定定量空气瓶6的容积，同时考虑10％的容积余量，以确保主机7的正常起动。
由于定量空气瓶6的压力和容积是按照主机7最低起动空气需求来设计的，避免了主空气瓶高压力工况下气体的逃逸，提高了起动空气的有效使用率，所以可以降低主空气瓶的容积；随着主空气瓶容积的减小，主空压机的容量也可以相应地减少，从而降低了船舶的建造成本，节省了设备的布置空间，降低了设备的重量。
主机7单次起动空气耗量V：在船舶试航和营运过程中，主机7每起动一次，通过主空气瓶的压力传感器，采集主空气瓶前后压力值，采用理想气体状态方程，可以计算出主机单次起动空气耗量。
根据玻义耳定律：在定量定温下，理想气体的体积与气体的压强成反比。
具体实施例如下：
主机7单次起动过程中起动空气的参数如下：
主空气瓶初始压力P1，主空气瓶最终压力P2；
主空气瓶初始容积V1，主空气瓶最终容积V2＝V1；
主机7起动空气需求压力P3，主机起动空气需求量V3；
根据玻义耳定律有：
P1*V1＝P2*V2+P3*V3；
所以主机7起动空气需求量V3＝(P1*V1-P2*V2)/P3；
其中定量空气瓶6的容积V＝(1～1.1)×V3；
注：按实际情况考虑一定设计余量。
本发明的工作过程如下：
1、一号主空压机1-1和二号主空压机1-2通过第一起动空气管路8向一号主空气瓶2-1和二号主空气瓶2-2充注压缩空气，当一号主空气瓶2-1和二号主空气瓶2-2的压力达到设定的压力值时，一号主空压机1-1和二号主空压机1-2停止工作。
3、一号主空气瓶2-1和二号主空气瓶2-2分别对应的一号主空气瓶压力传感器3-1、二号主空气瓶压力传感器3-2的压力数据输送到机舱监测报警系统。
4、一号主空气瓶2-1和二号主空气瓶2-2通过第二起动空气管路9向定量供给装置11的一号减压阀组4-1和二号减压阀组4-2提供起动空气。
5、一号减压阀组4-1和二号减压阀组4-2将起动空气减压至设定值，然后提供给定量空气瓶6，一号减压阀组4-1和二号减压阀组4-2的起动空气减压设定值需要根据主机及推进系统进行初步计算，再根据实船试航厚的数据进行微调，使系统达到最佳状态，所以一号减压阀组4-1和二号减压阀组4-2的是可调式的减压阀组。
6、主机7起动时，定量空气瓶6通过第三起动空气管路10将起动空气提供给主机7。
7、根据规范的要求，起动空气系统的主空气瓶(即一号主空气瓶2-1和二号主空气瓶2-2)的充满时间不能超过1小时。
8、根据规范的要求，起动空气系统要满足船舶瘫船起动时间不能超过30分钟。
下面对某型船舶的常规设计和采用本发明定量供给装置后的设计进行对比：
Figure BDA0003846494210000061
Figure BDA0003846494210000071
从实施例中可以看出，主空压机总容量和主空气瓶的总容积均降低了50％，大大降低了建造成本，节约了能耗，减小了安装空间，降低了设备重量，综合成本降低了～45％。考虑到主空压机负荷分配更加合理，延长了主空压机的使用寿命，经济效益更加显著。
现有船舶起动空气系统的设计仅按照主机制造商的推荐值来选取主空压机和主空气瓶，在主机厂的说明书中，他时按照主机适配的最大轴系和螺旋桨来配置主空压机和主空气瓶的，同时还考虑了余量。通过对大量船舶实船数据的收集与分析，起动空气系统的起动次数能达到18～25次，远大于规范要求的12次，所以起动空气系统设计存在较大的优化空间。本发明在实船的数据分析和系统特点的基础上，通过设置定量供给装置，最大限度的利用压缩空气的有效势能，满足主机起动的需求，大大降低了能耗，对船东最直接的影响就是减小了主空压机和主空气瓶的容积，降低了建造成本和设备维护成本。
本发明的定量装置是根据实船大数据的分析，深入研究船舶主机起动的机理，通过理论计算，在满足船舶设计规范的前提下设计出来的装置及系统，切实降低了主空压机和主空气瓶的数量，船舶压缩空气系统的综合成本降低了45％，对航运公司而言，这是一个可观的收益。定量装置的设计要综合考虑设备选型、布置位置要求、机舱温度变化、船舶运行状态等综合因素，才能设计出正确的定量装置。对新造船和旧船改造都能够适用，面对庞大的船舶数量，该定量装置能为船舶行业的节能减排做出一定的贡献。
对于船舶设计人员来说，大大降低了设备的布置空间需求，减轻了设备重量，对船舶的设计有着重要的现实意义。例如23000TEU及超大型箱船，采用本发明的系统后，主空压机容量从4×440m3/h减少为2×440m3/h，空气瓶从2×25m3/h减少为2×12m3/h，大大减少设备的空间需求。

Claims (10)

1.一种船舶起动空气定量供给系统，包括起动空气系统，起动空气系统包括主空压机、主空气瓶、主空气瓶压力传感器，所有的主空压机的出口通过第一起动空气管路(8)连接所有主空气瓶的进口，每个主空气瓶上均对应设有主空气瓶压力传感器；其特征在于，还包括起动空气供给系统，起动空气供给系统包括用于控制供气量给主机(7)的定量供给装置(11)，所有主空气瓶的出口通过第二起动空气管路(9)连接到定量供给装置(11)进口，定量供给装置(11)出口通过第三起动空气管路(10)连接到主机(7)起动空气进口。
2.如权利要求1所述的一种船舶起动空气定量供给系统，其特征在于，所述的起动空气系统包括至少两台主空压机、至少两个主空气瓶、至少两个主空气瓶压力传感器及至少三条起动空气管路；起动空气管路至少包括第一起动空气管路(8)、第二起动空气管路(9)、第三起动空气管路(10)。
3.如权利要求1所述的一种船舶起动空气定量供给系统，其特征在于，所述的定量供给装置(11)包括至少2套互为备用减压阀组和1个定量空气瓶(6)；所有减压阀组出口均连接定量空气瓶(6)进口，定量空气瓶(6)出口通过第三起动空气管路(10)连接至主机(7)；所有减压阀组进口连接第二起动空气管路(9)一端，第二起动空气管路(9)另一端连接所有主空气瓶的出口。
4.如权利要求3所述的一种船舶起动空气定量供给系统，其特征在于，所述的定量空气瓶(6)上设有对应的定量空气瓶压力传感器(5)；当定量空气瓶(6)的压力低于主机(7)的最低起动压力设定值时，输出报警信号到机舱的监测报警系统。
5.如权利要求4所述的一种船舶起动空气定量供给系统，其特征在于，所述的减压阀组为压力可调节式减压阀组；减压阀组的压力设定值可根据满足主机(7)的正常起动需求进行调节。
6.如权利要求5所述的一种船舶起动空气定量供给系统，其特征在于，所述的定量空气瓶(6)和减压阀组的压力设定值可根据主机(7)需要的最低起动空气压力计算得出；根据主机(7)提供的该起动空气压力下的起动空气耗量，确定定量空气瓶(6)的容积，同时考虑容积余量，以确保主机(7)的正常起动。
7.如权利要求1所述的一种船舶起动空气定量供给系统，其特征在于，所述的主机(7)单次起动空气耗量V为：在船舶试航和营运过程中，主机7每起动一次，通过主空气瓶的压力传感器，采集主空气瓶前后压力值，采用理想气体状态方程，可以计算出主机单次起动空气耗量；玻义耳定律为：在定量定温下，理想气体的体积与气体的压强成反比。
8.如权利要求7所述的一种船舶起动空气定量供给系统，其特征在于，所述的主机(7)单次起动过程中起动空气的参数如下：
主空气瓶初始压力P1，主空气瓶最终压力P2；
主空气瓶初始容积V1，主空气瓶最终容积V2＝V1；
主机(7)起动空气需求压力P3，主机(7)起动空气需求量V3；
根据玻义耳定律有：
P1*V1＝P2*V2+P3*V3；
所以主机(7)起动空气需求量V3＝(P1*V1-P2*V2)/P3；
其中，定量空气瓶(6)的容积V＝(1～1.1)×V3。
9.如权利要求1所述的一种船舶起动空气定量供给系统，其特征在于，所述的定量供给装置(11)设于靠近主机(7)的起动空气进口的位置。
10.如权利要求1所述的一种船舶起动空气定量供给系统，其特征在于，所述的各个主空气瓶对应的主空气瓶压力传感器分别连接机舱的监测报警系统。
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