船舶廢氣脫硫處理系統(tǒng)模塊化研究＊

詹曉宇，王忠喜，劉 穎

（南通愛德普船舶科技有限責任公司，江蘇 南通 226004）

1 研究背景

船舶建造的模塊化概念始于二戰(zhàn)期間美國的大規(guī)模造船，當時擁有160 多萬造船工人的美國建造了1 768 艘之多的軍用艦船。大量標準化船的建造促進了焊接技術和分段建造技術的發(fā)展，而這些技術又在20 世紀50 年代由日本造船業(yè)加以發(fā)展，60 年代則結合了成組技術產生了今天模塊化建造技術的雛形。1971 年，前蘇聯正式提出了模塊化造船方法，于1977 年用此方法建造了10 萬t 級的“鮑里斯-布托瑪”礦油兩用船，如圖1 所示，該船由馬里蘭州的伯利恒-法菲爾德船廠建造，從鋪設龍骨到下水僅用時24 d。隨后美國開始研究模塊化造船方法并開始組織生產，到70 年代末，美國的模塊化造船思想更趨成熟。

圖1 俄制“鮑里斯-布托瑪號”礦油兩用船

20 世紀70 年代中期，德國B&V 公司通過模塊化設計創(chuàng)造了MEKO 型護衛(wèi)艦，如圖2 所示。它的核心是標準化和模塊化，針對不同用戶的性能需求和成本限制來更換和增減不同的功能模塊，因此具有適應性強、結構可靠、建造周期短和費用低廉的顯著優(yōu)點，為世界海軍艦艇建造開創(chuàng)了新的模式。

圖2 德制MEKO 型護衛(wèi)艦

20 世紀80 年代中期，中國造船業(yè)順利引入了模塊化生產設計造船，開始了模塊化技術的研究和探索，由于模塊化設計造船具有明顯的優(yōu)越性而表現出強大生命力，從長遠來看，它的推廣和逐漸完善無疑將帶來造船工業(yè)的一場革命。

與模塊化建造方法帶來的收益一樣，模塊化設計技術的發(fā)展也同樣給造船業(yè)帶來了巨大收益，降低設計成本，縮短設計周期，使個性化和系列化產品之間的維護、更新、回收和設計再造都變得更加方便。船舶模塊化設計建造技術能夠保證設計具有結構簡單、功能齊全、目標多樣、便于制造等優(yōu)點，通過對船舶動力廢氣脫硫處理系統(tǒng)的模塊化設計，將實現不同級別/等級船舶的快速設計轉化應用，因為這些模塊具有可選性部件，所以針對船東的要求可以進行隨時更改與優(yōu)化，并且還可以改變模塊與船體之間的結構關系，同時也能夠加強船舶制造的個性化與系列化，更加有助于船舶的維護、更新、回收以及設計。

2 模塊化簡介

模塊化是一種新的設計方法，旨在幫助人們將復雜的系統(tǒng)簡化，然后根據技術將各個小系統(tǒng)聯系起來，最終完成船舶脫硫模塊化的設計和建造。脫硫模塊化設計改造中的地中海MSC 利沃諾集裝箱船如圖3 所示。模塊化的系統(tǒng)理論要求在建造設計過程中，須把各種部件視為一個系統(tǒng)并深入了解各個系統(tǒng)的結構和功能，找尋各個系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與環(huán)境之間、要素與系統(tǒng)之間的關系，從而找到優(yōu)化系統(tǒng)結構的有效方法，實現系統(tǒng)的和諧統(tǒng)一，同時能夠有效地降低設計成本，減少船舶改裝制造周期，為船舶制造產業(yè)的發(fā)展帶來非常可觀的經濟收益。

圖3 脫硫模塊化設計改造中的地中海MSC 利沃諾集裝箱船

模塊是一個相對獨立的整體，但并不是一成不變，船舶設計師要善于利用模塊的特性從開始就關注和參與模塊的選型，主動向廠商提供設計的背景材料并提出具體設計要求，同時在審閱模塊認可圖紙時提出必要的個性意見，時刻關注與參與模塊的設計，以便在項目設計中充分利用好模塊的所有優(yōu)點；在進行船舶設備制造時，要嚴格按照設計方案的要求和每個模塊的建設特點，進行具體的操作。如果在進行模塊化制造的同時存在與設計方案不相符的地方，必須及時與設計人員進行溝通與交流，避免最終制造出來的船舶設備在應用時出現嚴重質量問題；企業(yè)也應該聘請更加專業(yè)的人員做好制造現場的技術指導，確保每個模塊的建設質量能夠符合模塊化設計方案的要求，這樣才能保證最終制造出來的船舶設備在實際應用時具備更加完善的功能，同時為企業(yè)與社會帶來更多的經濟效益。

3 研究與開發(fā)

船舶脫硫系統(tǒng)的模塊化設計和建造的首要問題就是所涉及的對象較為復雜，廢氣洗滌系統(tǒng)布置范圍較廣且體積龐大，包括了多個平臺和功能模塊，船舶的規(guī)模越大，其系統(tǒng)也越復雜，給安裝設計帶來不小的困難，要達到模塊化設計的目標，就必須合理地對頂層進行規(guī)劃。目前中國船舶的建造研究的主線還在縱向方面，即針對不同型號的產品來設計研發(fā)，而模塊化生產的前提是跨型號的橫向產品開發(fā)和研制，所以要先制定模塊化體系，然后針對不同的產品類系進行研究和開發(fā)，逐步完善各個功能系統(tǒng)、裝配對象生產模塊化部件，并最終在生產體系中推廣，這樣才能保證船舶設計建造的模塊化得以實施，同時也可以保證對新船型的研發(fā)和生產。

整個模塊化生產的體系結構應具備必要的先進性，即在較長時間內應保持穩(wěn)定，所有模塊的設計都應當符合某一個系列的船舶長期應用，進而使之得到推廣，并在典型化界面上保有一定的余量，提高其發(fā)展適應性。另外，在設計的過程中盡量借鑒國外的先進經驗，少走彎路，此時并不是直接照搬經驗而是應進行消化和理解，力求建立一套設計和制造符合中國國情并可以與國際接軌的模塊開發(fā)體系，用以支持實際生產的發(fā)展需要。

其設計主要步驟如下。

第一步，獲取用戶需求。主要負責和外界客戶的交流，獲取客戶的需求信息，并對獲得的需求信息進行整理、分析和綜合，生成能反映客戶的真實想法且格式規(guī)范的客戶需求集。

第二步，匹配設計實例。系統(tǒng)根據格式規(guī)范的需求集，首先查找產品數據庫，計算各客戶需求向和產品數據庫中提供的擠出產品的對應項的相似度，從而找到相似度最大的基礎產品。如果滿足當前需求，則可以直接反饋給客戶；如果某些特殊要求不能滿足，則通過替換或增添模塊來完成當前項的特殊要求。

第三步，功能分解。如果沒有獲得滿意的相似設計實例，在產品客戶需求建立的基礎上，將客戶需求轉化為總功能需求，同時將總功能逐級分解為子功能，獲得功能結構圖然后進行功能求解，此過程中需要設計知識和設計規(guī)則的支持，因此要建立設計知識庫、數據庫等作為設計的支撐。

第四步，模塊配置。可以通過兩種驅動方法來進行模塊配置：需求驅動和功能驅動，利用數據庫中的配置規(guī)則和約束條件，遵循產品模塊化設計方案，從對應的各類模塊中進行選取與組合；如果結構模塊數據庫中現有的模塊不能滿足某些功能需求，則要根據這些模塊信息進行虛擬模塊的設計，并將這個結果存入結構模塊數據庫。

第五步，方案評估。即對所獲得的若干個可行方案進行綜合評價，選出最優(yōu)方案作為產品概念設計的最終方案進行提交。

第六步，輸出結果，同時存入產品數據庫，這也是概念設計的最后一步，將滿足用戶需求的最優(yōu)方案輸出，以供審查、分析和反饋，同時將此方案最新的實例加入產品數據庫中，以便保留設計經驗。

以上6 個設計過程不是相互獨立的，而是互相關聯的一個有機的整體。用戶需求的獲得與處理是設計的第一步，同時也是后續(xù)所有階段的前提；功能分級必須依賴于所獲得的信息和專家的設計知識與設計經驗；模塊配置是在前兩個階段的基礎上進行的，且模塊配置過程同時又影響著產品的總功能的分解方式；方案的評價則是對產生的后續(xù)方案進行評價，如符合要求則輸出滿意方案，否則根據方案評價信息重新進行功能分解、模塊配置和方案評價，直至得出復合設計要求的設計方案。因此，可以看出流程開始于用戶需求的獲取，終止于方案的客戶端輸出，從而保證了客戶需求的準確表達。

4 注意事項

模塊化船舶產品設計的基本原則與一般產品的設計大體相同，總體來說就是船舶產品的組成、結構布局、產品的各組成部分的功能、接口關系及要求等，關鍵是實現有效的模塊化設計，所以不僅需要從整體系統(tǒng)的觀點出發(fā)，更要從建造的觀點出發(fā)進行提前設計，在應用時需注意以下幾個方面：①堅持以型號之間通用化和標準設計方案為基礎，建立船舶脫硫系統(tǒng)模塊的成套設計標準文件。②為了在脫硫系統(tǒng)實踐中廣泛地采用模塊化設計，就必須建立標準的、典型的模塊系列。③在選擇模型種類時，應遵循相關規(guī)定，即在基本型模型基礎上設計的船舶系列，應在船體結構和安裝、裝配單元的基礎上，統(tǒng)一技術措施和共用性，保證建立結構模塊和技術模塊的標準尺寸系列；在多用途平臺基礎上設計的單元系列，應根據完工組合體和相關配套設備來統(tǒng)一技術，以保證功能模塊的建立及尺寸系列的完善；在綜合基本型模塊基礎上設計的船舶系列，應當統(tǒng)一技術措施的共用性，以保證建立典型和標準的功能性總體模塊。

5 優(yōu)點

隨著越來越多的航運公司選擇對已有和新造船只加裝脫硫設備來控制污染排放，從而使船舶的脫硫模塊化設計成為了一種高效的解決途徑，模塊化產品也可以被廣泛地應用，從而提高修造船效率。模塊化設計的核心思想是將產品進行模塊劃分后，通過對某些模塊進行重新設計或變形設計得到新的產品，以滿足客戶對產品個性化的需求，非常側重于實用功能，尤其是對某一特定類型的產品，它的使用范圍是非常廣泛的，隨著產品個性化和大規(guī)模定制模式的興起，模塊化設計已成為實現多樣化和快速設計的關鍵技術之一。船舶配套設備的模塊化設計還是一種進行分類組合的設計。它非常特殊，主要強調的是一種整體的思想，并且注重內部的配合和協調，通過各種組合來滿足多樣需求，具有很大的靈活性。模塊化設計更應該注重設計，不僅是對船舶的本身，更應該對整個系統(tǒng)進行一個完全的升級，達到更多的組合，在降低產品開發(fā)成本、縮短建造周期的同時，也能滿足客戶的個性化需求。此外模塊化設計既能便于船舶脫硫設備與系統(tǒng)的操作與維護管理，又利于船舶功能的日后修復與改裝，大大提高了船舶產品整個生命周期的經濟性。目前，模塊化技術得到了廣泛的研究，為全球造船業(yè)爭相開發(fā)應用。

6 結論

綜上所述，模塊化技術在造船業(yè)已經得到了廣泛的應用和發(fā)展，無論在軍艦制造還是民船研究方面都有了很大的突破。模塊化設計技術也已成為船舶脫硫設計建造的一把利器，面對目前船舶設計建造并行工程技術的應用，相應模塊化設計除對產品本身的設計資源分析形成產品模塊以外，還需針對船舶產品的復雜性及其相應的設計過程進行必要的分析，從而提高設計效率的目標，具備更加優(yōu)越的性能并發(fā)揮更大的作用，最終實現模塊系統(tǒng)閉環(huán)結構，形成持續(xù)優(yōu)化模塊系統(tǒng)的良性循環(huán)，同時實現各階段產品數據交換的現實需求。企業(yè)在進行船舶配套設備生產制造時，還可以借鑒一些成功的設計經驗，根據自身的生產現狀對于生產環(huán)節(jié)進行改善和優(yōu)化，使得生產出來的產品設備在應用時能夠發(fā)揮更大的價值，為船舶制造行業(yè)帶來更多的綜合效益。在這種大發(fā)展趨勢環(huán)境下還需加大引進和學習先進的計算機、人工智能等技術，同時深入研究科學的生產管理方法，這對未來提升中國的造船水平都具有重要的意義。