40 000 DWT散貨船從半電噴到全電噴主機(jī)系統(tǒng)的改進(jìn)

王美龍

摘? ? 要：我司新系列40000DWT散貨船首次使用全電噴主機(jī)5S50ME-C9.7替代半電噴主機(jī)5S50ME-B9.3，船型和設(shè)備配置與舊系列船基本一樣。本文對(duì)使用全電噴主機(jī)后，主機(jī)控制系統(tǒng)的技術(shù)更新和應(yīng)用成果進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)比與半電噴主機(jī)的設(shè)計(jì)差異和耗油情況，以更好地掌握全電噴主機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：全電噴主機(jī);控制系統(tǒng);冗余備份;安全保護(hù)

中圖分類號(hào)：U664.12? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Main Engine Upgrade from Semi-EFI to Full-EFI for

40 000 DWT Bulk Carrier

WANG Meilong

（ Jiangmen Nanyang Ship Engineering Co.， Ltd.，? Jiangmen 529145 ）

Abstract： Our new series 40 000 DWT bulk carrier uses the full-EFI main engine 5S50ME-C9.7 instead of the semi-EFI 5S50ME-B9.3， ship type and equipment configuration is basically the same as the old series ship. This paper summarizes the technical update design and application results of the main engine control system after the use of the full-EFI main engine， and compares the design differences and fuel consumption of the semi-EFI main engine， in order to better grasp the design and use characteristics of the full-EFI main engine.

Key words： Full-EFI main engine; Control system; Redundant backup; Security protection

1? ? ?概述

我司在40 000 DWT系列散貨船上一直使用MAN公司半電噴主機(jī)S50ME-B9.3。由于MAN新推出更省油的全電噴主機(jī)5S50ME-C9.7，通過(guò)與主機(jī)廠溝通并綜合多方面因素考慮，我司決定在后續(xù)新系列的40000 DWT散貨船設(shè)計(jì)中，使用全電噴主機(jī)替代以前同檔次的半電噴主機(jī)，以獲得更優(yōu)的油耗數(shù)據(jù)，滿足更高的節(jié)能環(huán)保要求。主機(jī)換型升級(jí)后，新系列船型和船上其它設(shè)備基本一致。

全電噴主機(jī)與半電噴主機(jī)最大的差異是：全電噴主機(jī)完全取消凸輪軸，噴油和排氣都是電控方式，可以更好地控制噴油、排氣的時(shí)序和噴油量，自動(dòng)協(xié)調(diào)主機(jī)各個(gè)環(huán)節(jié)的工作;而半電噴主機(jī)只是噴油使用電控方式，排氣仍然使用傳統(tǒng)的凸輪軸驅(qū)動(dòng);另外，電噴系統(tǒng)所需要的高壓油伺服泵，在全電噴主機(jī)上正常航行時(shí)使用機(jī)帶泵拖動(dòng)，而半電噴主機(jī)全程使用電動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)。

使用全電噴主機(jī)后，主機(jī)控制系統(tǒng)的操作界面和控制連接都進(jìn)行了改進(jìn)，操作站顯示操作更加完善，同時(shí)主機(jī)控制系統(tǒng)與主機(jī)遙控系統(tǒng)和機(jī)艙報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接都重新考慮，在抗干擾和雙備用方面考慮的更全面，增加了控制系統(tǒng)的可靠性;通過(guò)主機(jī)臺(tái)架、碼頭系泊試驗(yàn)和試航檢驗(yàn)，對(duì)全電噴主機(jī)的使用進(jìn)行了全面的驗(yàn)證。與半電噴主機(jī)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，全電噴主機(jī)與半電噴主機(jī)相比省油明顯。

2? ? 兩種主機(jī)參數(shù)對(duì)比

全電噴主機(jī)5S50ME-C9.7與半電噴主機(jī)5S50ME - B9.3 的功率參數(shù)，見(jiàn)表1。

兩款主機(jī)基本參數(shù)相同：缸徑500 mm;沖程2214 mm;缸數(shù)5缸。

從表1可以看出：兩款主機(jī)的最大連續(xù)功率MCR和連續(xù)服務(wù)功率CSR的功率值和對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速一樣;兩個(gè)系列船的航速要求也基本一樣，在連續(xù)服務(wù)功率CSR時(shí)，航速13.6 kn;不同點(diǎn)主要是合同最大連續(xù)功率CMCR不同，全電噴主機(jī)更高一點(diǎn);平均有效壓力和最大爆壓也不同，全電噴主機(jī)為17.6 bar（CMCR時(shí)）和200 bar，半電噴主機(jī)為16.9 bar（CMCR）和186 bar。

總體來(lái)說(shuō)，兩種主機(jī)的主要差異在于主機(jī)電控方式，全電噴主機(jī)是全電控方式，半電噴主機(jī)只有噴油電控。

3? ? 主機(jī)控制系統(tǒng)

全電噴主機(jī)與半電噴主機(jī)在船廠的機(jī)械安裝和油、水、氣連接差異不明顯。對(duì)于船廠設(shè)計(jì)的差異主要體現(xiàn)在主機(jī)控制系統(tǒng)方面：

3.1? ?主機(jī)控制系統(tǒng)總圖

主機(jī)控制系統(tǒng)是電噴主機(jī)控制中心，全電噴主機(jī)噴油和排氣都采用電控方式，取消了全部凸輪軸;主機(jī)控制系統(tǒng)中，全電噴主機(jī)和半電噴主機(jī)都采用冗余雙CAN總線網(wǎng)連接，但全電噴主機(jī)控制系統(tǒng)接口單元EICU增加了雙備用，保證主機(jī)控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠;同時(shí)，由于控制功能的增加，主機(jī)機(jī)身增加了一個(gè)控制箱。

全電噴和半電噴主機(jī)控制系統(tǒng)連接圖，如圖1、圖2所示。

3.2? ? 主機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備組成

（1）相互備用的兩個(gè)操作站MOPA/MOPB位于集控臺(tái)臺(tái)面，人機(jī)接口，負(fù)責(zé)操作主機(jī)控制系統(tǒng)，監(jiān)視主機(jī)工作狀態(tài)，設(shè)置各種參數(shù)，是主機(jī)控制系統(tǒng)的控制核心;

（2）全電噴主機(jī)相互備用的的兩個(gè)輸入輸出接口單元EICUA和EICUB，位于集控室，負(fù)責(zé)與主機(jī)遙控系統(tǒng)和機(jī)艙報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息接口;半電噴主機(jī)只有一個(gè)輸入輸出接口單元EICU。

（3）全電噴主機(jī)有兩個(gè)主機(jī)控制箱，安裝在主機(jī)機(jī)體。由兩個(gè)相互備用的主機(jī)控制單元ECUA/B、三個(gè)輔助控制單元ACU1/2/3、掃氣控制單元SCU、5缸的氣缸控制單元CCU1～5等組成，負(fù)責(zé)收集主機(jī)各種信息用于電噴控制，操作主機(jī)各氣缸電噴系統(tǒng)所有相關(guān)工作以及接入轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù);半電噴主機(jī)只有一個(gè)主機(jī)控制箱，控制功能在CCU1～5中完成;

（4）主機(jī)缸套冷卻水控制箱CWCU，安裝在主機(jī)機(jī)體，負(fù)責(zé)主機(jī)缸套冷卻水溫度控制，兩種主機(jī)一樣;

（5）主機(jī)控制系統(tǒng)所有設(shè)備使用雙CAN網(wǎng)絡(luò)連接，雙網(wǎng)互為備用，任何一路CAN出現(xiàn)故障會(huì)報(bào)警提醒，但不影響主機(jī)模塊的通信，兩種主機(jī)一樣。

3.3? ? 全電噴主機(jī)其它輔助系統(tǒng)

（1）電源系統(tǒng)

帶UPS的兩個(gè)電源單元互為備用，位于集控室，為主機(jī)控制系統(tǒng)所有設(shè)備供電，斷電后可以維持主機(jī)控制系統(tǒng)30分鐘以上的供電，兩種主機(jī)一樣。

（2）主機(jī)管理系統(tǒng)

主機(jī)管理系統(tǒng)（EMS）只有全電噴主機(jī)配置，系統(tǒng)包含主機(jī)爆壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和主機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。所有爆壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳送到集控臺(tái)HUB，共享到集控臺(tái)操作站電腦和主機(jī)管理系統(tǒng)EMS電腦上;同時(shí)，機(jī)艙報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)MODBUS TCP/IP協(xié)議將主機(jī)所有狀態(tài)監(jiān)測(cè)和報(bào)警數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)管理系統(tǒng)，供主機(jī)管理系統(tǒng)使用;半電噴主機(jī)沒(méi)有主機(jī)管理系統(tǒng)，只有主機(jī)爆壓監(jiān)測(cè)PMI電腦。

（3）高壓伺服油系統(tǒng)

主機(jī)滑油通過(guò)機(jī)帶濾器后由高壓伺服油泵提供高壓伺服油為噴油系統(tǒng)提供服務(wù)。半電噴主機(jī)由兩個(gè)51 kW的電動(dòng)泵提供動(dòng)力;全電噴主機(jī)正常航行時(shí)使用機(jī)帶泵驅(qū)動(dòng)，只是在起動(dòng)階段使用兩個(gè)12 kW的互為備用電動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)。這樣主機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，全電噴主機(jī)可以節(jié)省大約50 kW的電功率消耗;伺服油泵控制和狀態(tài)信號(hào)接入主機(jī)控制系統(tǒng)，由主機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制。

（4）輔助鼓風(fēng)機(jī)

全電噴主機(jī)和半電噴主機(jī)輔助鼓風(fēng)機(jī)配置一樣，但全電噴主機(jī)輔助鼓風(fēng)機(jī)控制和狀態(tài)信號(hào)接入主機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制，由主機(jī)控制系統(tǒng)控制，控制鼓風(fēng)機(jī)不再需要主機(jī)遙控系統(tǒng)執(zhí)行;半電噴主機(jī)輔助鼓風(fēng)機(jī)控制和狀態(tài)信號(hào)接入主機(jī)遙控系統(tǒng)，由主機(jī)遙控系統(tǒng)控制。

（5）油霧探測(cè)、軸承磨損監(jiān)測(cè)與油含水監(jiān)測(cè)報(bào)警

全電噴與半電噴主機(jī)一樣，必須配置油霧、軸承磨損和滑油含水的監(jiān)測(cè)，為主機(jī)安全保護(hù)和報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供信號(hào)源。

4? ? 主機(jī)遙控、安全保護(hù)和報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

（1）主機(jī)遙控系統(tǒng)

由遙控廠家提供，相比于半電噴主機(jī)，全電噴主機(jī)的遙控系統(tǒng)稍微簡(jiǎn)單，主機(jī)部分控制直接由主機(jī)控制系統(tǒng)自己完成，主機(jī)遙控系統(tǒng)著重于車鐘和控制命令的傳送;主機(jī)控制系統(tǒng)和主機(jī)遙控的信息溝通，除了必要的觸點(diǎn)信號(hào)聯(lián)絡(luò)外，全電噴主機(jī)控制系統(tǒng)增加了互為備用的雙RS485通信到主機(jī)遙控系統(tǒng)，更多的控制和狀態(tài)信息方便在主機(jī)遙控和主機(jī)控制系統(tǒng)之間通信。

（2）主機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)

包括：自動(dòng)停車和自動(dòng)降速兩部分。信號(hào)由主機(jī)機(jī)身傳感器及主機(jī)控制系統(tǒng)提供;安全保護(hù)由主機(jī)遙控系統(tǒng)執(zhí)行：

① 主機(jī)自動(dòng)停車點(diǎn)。全電噴主機(jī)增加了兩個(gè)可越控停車保護(hù)點(diǎn)（主機(jī)推力軸承溫度高、主機(jī)控制系統(tǒng)可越控停車），以及三個(gè)不可越控自動(dòng)停車點(diǎn)（主機(jī)超速、主機(jī)滑油壓力低、主控控制系統(tǒng)不可越控停車）;

② 主機(jī)自動(dòng)降速點(diǎn)。全電噴與半電噴主機(jī)基本一樣。

（3）主機(jī)報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

主機(jī)報(bào)警監(jiān)測(cè)由機(jī)艙報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)執(zhí)行，主機(jī)控制系統(tǒng)故障信號(hào)、主機(jī)機(jī)身傳感器及其附屬設(shè)備（如電源、鼓風(fēng)機(jī)、伺服油泵、油霧探測(cè)、軸承磨損等）故障及傳感器，總共80多個(gè)報(bào)警點(diǎn)接入機(jī)艙報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，隨時(shí)監(jiān)測(cè)主機(jī)的燃油、滑油、冷卻水、控制空氣、主機(jī)及增壓器排氣、增壓器滑油的溫度和壓力、增壓器轉(zhuǎn)速等，以及主設(shè)備和所有附屬設(shè)備的工作狀態(tài)，有故障時(shí)及時(shí)給出報(bào)警，提醒輪機(jī)員及時(shí)處理故障，全面監(jiān)控主機(jī)的工作狀態(tài);全電噴主機(jī)還增加了主機(jī)的環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力和增壓器背壓等信息到機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的顯示。

全電噴主機(jī)應(yīng)用時(shí)，機(jī)艙報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用以太網(wǎng)，通過(guò)MODBUS TCP/IP協(xié)議將主機(jī)所有狀態(tài)監(jiān)測(cè)和報(bào)警數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)管理系統(tǒng)（EMS），供主機(jī)管理系統(tǒng)分析處理和保存。

5? ? 電纜敷設(shè)與接線工藝

不管是全電噴還是半電噴主機(jī)，其對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性要求較高。為了保證主機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，除了采取必要設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)雙冗余備用外，主機(jī)出廠前機(jī)身電纜連接要滿足工藝要求，船廠電纜敷設(shè)和接線也要滿足工藝要求，抗干擾能力要強(qiáng)，特別要注意以下幾點(diǎn)：

（1）所有電纜采用帶屏蔽的船用電纜;

（2）雙備用的網(wǎng)線和電源線，盡量分開(kāi)路徑敷設(shè);

（3）模擬信號(hào)和通信信號(hào)電纜與主電源電纜分開(kāi)敷設(shè);

（4）接線時(shí)，電纜屏蔽地線接牢靠，要特別關(guān)注主機(jī)電箱填料函的進(jìn)線屏蔽，電線布置整齊，盡量減少交叉。

6? ? 全電噴主機(jī)使用效果

我們?cè)诟鼡Q全電噴主機(jī)的控制系統(tǒng)計(jì)后，全程跟蹤了首制船主機(jī)的工廠臺(tái)架試驗(yàn)、碼頭調(diào)試、系泊試驗(yàn)和海試驗(yàn)證，全電噴主機(jī)工作穩(wěn)定可靠;，從收集的數(shù)據(jù)來(lái)看，全電噴主機(jī)省油效果滿足要求，見(jiàn)表2所列。

從表2可知：全電噴主機(jī)比半電噴主機(jī)省油4～5 g/kWh， 在CSR航行時(shí)，每小時(shí)省油約22.5 kg。

全電噴與半電噴主機(jī)另外一個(gè)影響油耗的因素是高壓油伺服油泵的驅(qū)動(dòng)不一樣，全電噴主機(jī)5S50ME-C9.7正常航行時(shí)使用機(jī)帶泵，不消耗電功率，只在起動(dòng)階段使用小功率電動(dòng)泵驅(qū)動(dòng);而半電噴主機(jī)5S50ME-B9.3全程使用大功率的電動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)，在這方面，全電噴相對(duì)于半電噴每小時(shí)省油約9 kg。

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全電噴主機(jī)首制船航行一個(gè)月共省油20多t，省油率為4%～5%。雖然不同主機(jī)油耗數(shù)據(jù)會(huì)有個(gè)體差異，但平均省油量基本位于這個(gè)水平，由此可以看到全電噴主機(jī)省油明顯。

7? ?結(jié)論

我司本系列船型的主機(jī)由半電噴到全電噴升級(jí)改造，滿足了設(shè)計(jì)要求和各項(xiàng)指標(biāo)，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)、系泊試驗(yàn)和試航檢驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的油耗要求。