船舶废气脱硫处理系统模块化研究＊

詹晓宇，王忠喜，刘 颖

（南通爱德普船舶科技有限责任公司，江苏 南通 226004）

1 研究背景

船舶建造的模块化概念始于二战期间美国的大规模造船，当时拥有160 多万造船工人的美国建造了1 768 艘之多的军用舰船。大量标准化船的建造促进了焊接技术和分段建造技术的发展，而这些技术又在20 世纪50 年代由日本造船业加以发展，60 年代则结合了成组技术产生了今天模块化建造技术的雏形。1971 年，前苏联正式提出了模块化造船方法，于1977 年用此方法建造了10 万t 级的“鲍里斯-布托玛”矿油两用船，如图1 所示，该船由马里兰州的伯利恒-法菲尔德船厂建造，从铺设龙骨到下水仅用时24 d。随后美国开始研究模块化造船方法并开始组织生产，到70 年代末，美国的模块化造船思想更趋成熟。

图1 俄制“鲍里斯-布托玛号”矿油两用船

20 世纪70 年代中期，德国B&V 公司通过模块化设计创造了MEKO 型护卫舰，如图2 所示。它的核心是标准化和模块化，针对不同用户的性能需求和成本限制来更换和增减不同的功能模块，因此具有适应性强、结构可靠、建造周期短和费用低廉的显著优点，为世界海军舰艇建造开创了新的模式。

图2 德制MEKO 型护卫舰

20 世纪80 年代中期，中国造船业顺利引入了模块化生产设计造船，开始了模块化技术的研究和探索，由于模块化设计造船具有明显的优越性而表现出强大生命力，从长远来看，它的推广和逐渐完善无疑将带来造船工业的一场革命。

与模块化建造方法带来的收益一样，模块化设计技术的发展也同样给造船业带来了巨大收益，降低设计成本，缩短设计周期，使个性化和系列化产品之间的维护、更新、回收和设计再造都变得更加方便。船舶模块化设计建造技术能够保证设计具有结构简单、功能齐全、目标多样、便于制造等优点，通过对船舶动力废气脱硫处理系统的模块化设计，将实现不同级别/等级船舶的快速设计转化应用，因为这些模块具有可选性部件，所以针对船东的要求可以进行随时更改与优化，并且还可以改变模块与船体之间的结构关系，同时也能够加强船舶制造的个性化与系列化，更加有助于船舶的维护、更新、回收以及设计。

2 模块化简介

模块化是一种新的设计方法，旨在帮助人们将复杂的系统简化，然后根据技术将各个小系统联系起来，最终完成船舶脱硫模块化的设计和建造。脱硫模块化设计改造中的地中海MSC 利沃诺集装箱船如图3 所示。模块化的系统理论要求在建造设计过程中，须把各种部件视为一个系统并深入了解各个系统的结构和功能，找寻各个系统之间、系统与环境之间、要素与系统之间的关系，从而找到优化系统结构的有效方法，实现系统的和谐统一，同时能够有效地降低设计成本，减少船舶改装制造周期，为船舶制造产业的发展带来非常可观的经济收益。

图3 脱硫模块化设计改造中的地中海MSC 利沃诺集装箱船

模块是一个相对独立的整体，但并不是一成不变，船舶设计师要善于利用模块的特性从开始就关注和参与模块的选型，主动向厂商提供设计的背景材料并提出具体设计要求，同时在审阅模块认可图纸时提出必要的个性意见，时刻关注与参与模块的设计，以便在项目设计中充分利用好模块的所有优点；在进行船舶设备制造时，要严格按照设计方案的要求和每个模块的建设特点，进行具体的操作。如果在进行模块化制造的同时存在与设计方案不相符的地方，必须及时与设计人员进行沟通与交流，避免最终制造出来的船舶设备在应用时出现严重质量问题；企业也应该聘请更加专业的人员做好制造现场的技术指导，确保每个模块的建设质量能够符合模块化设计方案的要求，这样才能保证最终制造出来的船舶设备在实际应用时具备更加完善的功能，同时为企业与社会带来更多的经济效益。

3 研究与开发

船舶脱硫系统的模块化设计和建造的首要问题就是所涉及的对象较为复杂，废气洗涤系统布置范围较广且体积庞大，包括了多个平台和功能模块，船舶的规模越大，其系统也越复杂，给安装设计带来不小的困难，要达到模块化设计的目标，就必须合理地对顶层进行规划。目前中国船舶的建造研究的主线还在纵向方面，即针对不同型号的产品来设计研发，而模块化生产的前提是跨型号的横向产品开发和研制，所以要先制定模块化体系，然后针对不同的产品类系进行研究和开发，逐步完善各个功能系统、装配对象生产模块化部件，并最终在生产体系中推广，这样才能保证船舶设计建造的模块化得以实施，同时也可以保证对新船型的研发和生产。

整个模块化生产的体系结构应具备必要的先进性，即在较长时间内应保持稳定，所有模块的设计都应当符合某一个系列的船舶长期应用，进而使之得到推广，并在典型化界面上保有一定的余量，提高其发展适应性。另外，在设计的过程中尽量借鉴国外的先进经验，少走弯路，此时并不是直接照搬经验而是应进行消化和理解，力求建立一套设计和制造符合中国国情并可以与国际接轨的模块开发体系，用以支持实际生产的发展需要。

其设计主要步骤如下。

第一步，获取用户需求。主要负责和外界客户的交流，获取客户的需求信息，并对获得的需求信息进行整理、分析和综合，生成能反映客户的真实想法且格式规范的客户需求集。

第二步，匹配设计实例。系统根据格式规范的需求集，首先查找产品数据库，计算各客户需求向和产品数据库中提供的挤出产品的对应项的相似度，从而找到相似度最大的基础产品。如果满足当前需求，则可以直接反馈给客户；如果某些特殊要求不能满足，则通过替换或增添模块来完成当前项的特殊要求。

第三步，功能分解。如果没有获得满意的相似设计实例，在产品客户需求建立的基础上，将客户需求转化为总功能需求，同时将总功能逐级分解为子功能，获得功能结构图然后进行功能求解，此过程中需要设计知识和设计规则的支持，因此要建立设计知识库、数据库等作为设计的支撑。

第四步，模块配置。可以通过两种驱动方法来进行模块配置：需求驱动和功能驱动，利用数据库中的配置规则和约束条件，遵循产品模块化设计方案，从对应的各类模块中进行选取与组合；如果结构模块数据库中现有的模块不能满足某些功能需求，则要根据这些模块信息进行虚拟模块的设计，并将这个结果存入结构模块数据库。

第五步，方案评估。即对所获得的若干个可行方案进行综合评价，选出最优方案作为产品概念设计的最终方案进行提交。

第六步，输出结果，同时存入产品数据库，这也是概念设计的最后一步，将满足用户需求的最优方案输出，以供审查、分析和反馈，同时将此方案最新的实例加入产品数据库中，以便保留设计经验。

以上6 个设计过程不是相互独立的，而是互相关联的一个有机的整体。用户需求的获得与处理是设计的第一步，同时也是后续所有阶段的前提；功能分级必须依赖于所获得的信息和专家的设计知识与设计经验；模块配置是在前两个阶段的基础上进行的，且模块配置过程同时又影响着产品的总功能的分解方式；方案的评价则是对产生的后续方案进行评价，如符合要求则输出满意方案，否则根据方案评价信息重新进行功能分解、模块配置和方案评价，直至得出复合设计要求的设计方案。因此，可以看出流程开始于用户需求的获取，终止于方案的客户端输出，从而保证了客户需求的准确表达。

4 注意事项

模块化船舶产品设计的基本原则与一般产品的设计大体相同，总体来说就是船舶产品的组成、结构布局、产品的各组成部分的功能、接口关系及要求等，关键是实现有效的模块化设计，所以不仅需要从整体系统的观点出发，更要从建造的观点出发进行提前设计，在应用时需注意以下几个方面：①坚持以型号之间通用化和标准设计方案为基础，建立船舶脱硫系统模块的成套设计标准文件。②为了在脱硫系统实践中广泛地采用模块化设计，就必须建立标准的、典型的模块系列。③在选择模型种类时，应遵循相关规定，即在基本型模型基础上设计的船舶系列，应在船体结构和安装、装配单元的基础上，统一技术措施和共用性，保证建立结构模块和技术模块的标准尺寸系列；在多用途平台基础上设计的单元系列，应根据完工组合体和相关配套设备来统一技术，以保证功能模块的建立及尺寸系列的完善；在综合基本型模块基础上设计的船舶系列，应当统一技术措施的共用性，以保证建立典型和标准的功能性总体模块。

5 优点

随着越来越多的航运公司选择对已有和新造船只加装脱硫设备来控制污染排放，从而使船舶的脱硫模块化设计成为了一种高效的解决途径，模块化产品也可以被广泛地应用，从而提高修造船效率。模块化设计的核心思想是将产品进行模块划分后，通过对某些模块进行重新设计或变形设计得到新的产品，以满足客户对产品个性化的需求，非常侧重于实用功能，尤其是对某一特定类型的产品，它的使用范围是非常广泛的，随着产品个性化和大规模定制模式的兴起，模块化设计已成为实现多样化和快速设计的关键技术之一。船舶配套设备的模块化设计还是一种进行分类组合的设计。它非常特殊，主要强调的是一种整体的思想，并且注重内部的配合和协调，通过各种组合来满足多样需求，具有很大的灵活性。模块化设计更应该注重设计，不仅是对船舶的本身，更应该对整个系统进行一个完全的升级，达到更多的组合，在降低产品开发成本、缩短建造周期的同时，也能满足客户的个性化需求。此外模块化设计既能便于船舶脱硫设备与系统的操作与维护管理，又利于船舶功能的日后修复与改装，大大提高了船舶产品整个生命周期的经济性。目前，模块化技术得到了广泛的研究，为全球造船业争相开发应用。

6 结论

综上所述，模块化技术在造船业已经得到了广泛的应用和发展，无论在军舰制造还是民船研究方面都有了很大的突破。模块化设计技术也已成为船舶脱硫设计建造的一把利器，面对目前船舶设计建造并行工程技术的应用，相应模块化设计除对产品本身的设计资源分析形成产品模块以外，还需针对船舶产品的复杂性及其相应的设计过程进行必要的分析，从而提高设计效率的目标，具备更加优越的性能并发挥更大的作用，最终实现模块系统闭环结构，形成持续优化模块系统的良性循环，同时实现各阶段产品数据交换的现实需求。企业在进行船舶配套设备生产制造时，还可以借鉴一些成功的设计经验，根据自身的生产现状对于生产环节进行改善和优化，使得生产出来的产品设备在应用时能够发挥更大的价值，为船舶制造行业带来更多的综合效益。在这种大发展趋势环境下还需加大引进和学习先进的计算机、人工智能等技术，同时深入研究科学的生产管理方法，这对未来提升中国的造船水平都具有重要的意义。