低速机实验室建设项目建议书.docx
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低速机实验室建设项目建议书
中国船舶工业集团公司
中船动力研究院有限公司
低速机实验室建设项目
项目建议书
中船动力研究院有限公司
二〇一四年十二月
中国船舶工业集团公司
中船动力研究院有限公司
低速机实验室建设项目
项目建议书
主管总经理:
主管总工程师:
项目主任工程师:
中船动力研究院有限公司
二〇一四年十二月
参加编制人员
~~~~~~~~~~~~~
一、中船动力研究院有限公司
吴朝晖、张志勇、刘博、桂勇
中船动力研究院有限公司
低速机实验室建设项目
项目建议书
~~~~~~~~~
第一部分说明书
第二部分:
附录(计4张)
1、工艺设备投资估算表
2、主要进口设备汇总表
3、已投资设备汇总表
4、实验室平面布置方案简图
1项目名称及承办单位
1.1项目名称
中船动力研究院有限公司低速机实验室建设项目
1.2承办单位
中船动力研究院有限公司
1.3法人代表
钱德英
2承办单位概况
中船动力研究院前身为上海中船沪东重机配套有限公司,是由沪东重机于2010年12月30日在临港重装备产业区设立的全资子公司,是中国船舶工业集团动力研发平台建设的实施单位。
为体现动力研发平台在国内船舶动力柴油机自主研发方面的领导地位与龙头作用,展现集团公司在科研方面的优势。
集团公司于2013年9月进行注资并将“上海中船沪东重机配套有限公司”更名为“中船动力研究院有限公司”,注资后集团公司占股比为51%,沪东重机占股比为49%。
1
2
2.1基本情况
中船动力研究院目前正在建设动力研发平台。
动力研发平台建设主要包括研发基础设施及环境建设、计量检测分析中心建设、设计开发能力建设和动力研发实验室建设以及研发团队和研发组织架构建设等项目内容。
项目最终建成“四大研发设计制造平台”(基础技术研发平台、产品设计开发平台、先进制造平台、应用评估平台),具备“三大核心能力”(基础技术研发能力、产品设计开发能力、先进制造技术开发能力),为开发具有自主知识产权的动力产品提供有力的支撑。
项目前期投资概算7.17亿元,主要用于工程建设和基础保障条件建设,目前临港的研发中试基地已于2013年动工,位于浦东黄浦江岸的动力研发大楼建设也得到了上海市政府的批复。
公司的研发部门是原沪东重机技术中心的项目研发团队,核心人员包括两名博士后、六名博士、三十余位硕士和高级工程师,承担过多项国家级别的船用动力的自主研发项目。
通过这些项目的研究,优化了研发团队的组织架构、理顺了研发流程、明确了各部门间的接口,形成了较清晰的研发体系,是目前国内低速机研发领域专业配置最全、实力和经验最丰富的一支队伍。
2.2现有科研实力
中船动力研究院作为集团内动力板块的唯一研发机构,汇集了集团内部动力板块各家企业的技术力量。
依托沪东重机国家级企业技术中心,研发人员长期承担国家科研项目任务,开展了大量的柴油机基础共性技术、关键技术的研究工作,建立了现代的研发设计平台—云设计平台。
目前,公司与沪东重机联合重启自主品牌低速柴油机的开发工作,在上世纪原有自主品牌型号的基础上,增加冲程,加强性能指标、降低排放并提高燃油经济性,满足当今市场和法规的要求。
通过新型号的开发,重点突破总体设计技术、满足TierII法规的性能排放技术以及减振降噪技术等各项技术,形成支撑自主低速柴油机产品开发的方法、流程、法则及规范。
作为研发的重要手段,公司自主设计了低速机单缸机,并将于近期完成制造装配。
3项目建设的背景
3
进入上世纪90年代,世界上基本上只剩下了三个品牌的低速机,德国的MANB&WDiesel(德国的MAN公司与丹麦的B&W合并)、瑞士的Sulzer(后被芬兰Wärtsilä收购)和日本的Mitsubishi,其它低速机厂商则多为这三个品牌的专利许可生产厂。
MANB&W品牌的低速机占据了80%以上的市场份额,剩余不到20%的市场由Wärtsilä和Mitsubishi瓜分。
两大低速机专利公司MAN和Wärtsilä公司已基本上停止了低速机制造业务,依靠产品设计、出售生产专利以及备件服务获得高附加值的收入。
他们重视新技术的开发,技术驱动进步,在较短的时间不断设计出代表世界先进水平的柴油机。
这一方面得益于先进的设计及分析软件体系,如柴油机三维设计软件、柴油机性能分析软件、柴油机零部件强度计算软件等,另一方面得益于长期积累并经试验验证的可指导研发工作的数据库和知识库。
由于他们本身不制造低速机产品,关键技术的研发都依靠以试验机为核心的试验平台,并在专利制造厂造出产品后进行验证和改进优化。
日本作为低速发动机技术发展的追随者和专利获得者,具备了双重的身份,其借助专利引进的契机,吸收消化德国曼恩和瓦锡兰两大阵营的低速发动机技术,开发出了具备自身特色的UEC系列柴油机,成为全球第三大低速发动机品牌,目前已经形成一体化研发设计体系,低速发动机的主要关键技术和关键零部件做到了完全自主化,但由于日本国内市场份额小,对其产业的研发支持不足,造成了其UEC低速发动机品牌的长期停滞不前,规模无法做大。
韩国作为全球最大的专利发动机制造国,通过专利制造积累了丰富的产品经验,目前虽然没有自行设计开发低速发动机产品,但已掌握了两大专利技术,同时在一些关键零部件和系统上有所创新,部分零部件和系统仍须依靠欧洲的专业厂商,但通过交叉专利,其专利费用有优惠。
不掌握关键技术、没有自己的专利产品,仅靠低端的制造装配是无法实现低速机产业健康、持续发展的。
排放法规日趋严格,是促使近年来低速机技术不断发展的主要动力之一,技术的创新离不开研发,而试验是研发中的重要环节。
国外的低速机设计公司都非常重视试验在研发中的作用,纷纷建立了自己的试验台及实验室。
图1MAN实验室4T50试验机
MAN公司实验室4T50试验机如图1所示,图1(左)为试验机台架,一直用来做EGR系统开发试验;图1(右)为基于4T50最新开发的光学可视化系统,可以直接监测缸内的喷雾及燃烧状况。
在2004年开始MAN就尝试在4T50ME-X上使用带有洗涤器的EGR系统;但是由于洗涤器效果不佳,于2006年设计新型EGR洗涤器并于2007年对新型EGR洗涤器进行测试,并且在试验机4T50ME-X上使用废气再循环技术有效降低了NOx排放。
在2009年MAN公司在4T50ME-X机型上进行极限EGR试验,引入了30%-40%的废气循环量,确认使用EGR技术确实能够达到TierIII标准。
MAN公司的低速机EGR系统目前已开展实船试航。
2010年3月,EGR系统在AlexanderMaersk船上开始运行,在使用重油情况下运行超过2000小时,NOx可下降60%。
2013年2月,首条使用EGR技术满足TierIII法规的MaerskCardiff号首航,其主机型号为6S80ME-C9,匹配EGR系统和两个涡轮增压器。
该EGR系统有两种运行模式,分别为满足TierII的轻EGR模式和满足TierIII的强EGR模式,运行时间比例为80%:
20%。
经过实船验证,即使是使用含硫量为3%的重油,强EGR模式下的柴油机运行状况仍然良好。
同MAN公司一样,瓦锡兰也建立有自己的实验室。
图2为瓦锡兰实验室RTX-5试验机。
其中图2(左)为试验台架,图2(右)为瓦锡兰开发的光学可视化系统。
图2瓦锡兰实验室RTX-5试验机
1998年,瓦锡兰公司在4RTX54试验研究了EGR对低速机的影响,结果显示EGR率为6%时,可以使得NOx排放降低22%。
2010年,瓦锡兰公司在报告中评价了现有技术手段降低NOx效果,认为缸内注水可降低50%NOx排放,废气再循环可降低60%NOx排放(见图14),选择性催化还原可降低80%NOx排放,气体机可降低85%NOx排放。
因此瓦锡兰选择的降低NOx途径主要是SCR技术和低速双燃料技术,在低速机EGR技术上瓦锡兰落后于MAN公司。
图3为三菱(Mitsubishi)公司实验室新型多缸试验机4UE-X3。
该试验机主要用来做EGR测试,以满足TierIII排放的要求。
2013年,三菱公司将自己设计的低压循环EGR系统装机进行了试验。
研究结果表明,EGR率为40%(扫气O2浓度近似为17%)时,NOx排放降低幅度超过80%,此时的油耗升高不超过1%。
三菱公司提出,对于EGR系统,洗涤器是其中最为关键的一个部件,它的性能会影响发动机的耐久性。
因此,三菱采用最新技术设计了湿式洗涤器IGS系统,该系统可以去除98%的SOx。
图3三菱实验室4UE-X3试验机
日本的三井(Mitsui)公司建立了自己的研发实验室。
图4为MAN公司生产的4S50ME-T多缸试验机,图5为九州大学和三井共同开发的两冲程光学单缸机,图6为MTE40低速单缸试验机。
为了实现IMOTierIII排放,三井公司同样采用了EGR策略,并于2012年在4S50ME-T9试验机上进行了EGR试验。
研究结果表明,EGR技术是实现TierIII排放非常有效的方法;在涡轮增压器截断模式下,采用EGR系统使得SFOC排放上升0-3g/kWh,在进气旁通模式下,采用EGR系统会使SFOC排放上升0-4g/kWh。
图4三井实验室
4S50ME-T试验机
图5九州大学/三井两冲程光学单缸机
图6三井MTE40低速单缸试验机
图7为日本川崎(kawasaki)公司建立的整机实验室,试验机为MAN公司生产的2T50试验机,目前主要用来进行高压循环EGR及乳化燃油(WEF)技术的试验研究。
研究结果表明,75%负荷下,采用水油比例40%的乳化燃油技术可以使NOx排放降低25%左右,采用35%的EGR可以使NOx排放降低75%;两者相结合,采用30%~35%左右的EGR及40%水油比例的乳化燃油,可以降低NOx排放近80%,从而实现TierIII排放。
图7kawasaki(川崎)实验室2T50试验机
通过以上介绍可以发现,实验室在研发中发挥着不可替代的作用。
本项目以建成国家级工程实验室为目标,建设周期为2015-2017年,低速机实验室的定位为世界顶级。
2014年7月,中船动力研究院有限公司收购了瑞士的瓦锡兰Wartsila二冲程低速机业务,成立合资公司WinGD。
今后的国内低速机研发任务与WinGD低速机研发任务将协同进行,国内与WinGD共同考虑低速机实验室的建设。
目前瓦锡兰Wartsila(瑞士)现将只留一台大缸径单缸机作为试验平台。
意大利特里亚斯特的RTX-5试验机在2015年完成试验任务后,不再使用。
日本DU公司已自投资金建造6X72DF试验机,租给瓦锡兰(瑞士)公司做试验使用,目前该机已投产,2016年建成,并承接瓦锡兰(瑞士)试验内容。
以上意味着集团公司并购瓦锡兰(瑞士)二冲程业务后,若我们没有建成相应的试验平台,将来研发试验的核心将转移到日本,这会大大降低我们并购其业务的预期效果。
胡问鸣书记对此事的批示:
此事要快,由动力院落实,资金不够,可以申请国有资本金。
4立项的必要性
4
4.1国家发展战略的需要
2006年8月16日国务院常务会议审议并原则通过了《船舶工业中长期发展规划》。
《规划》中明确指出,我国要自主开发、建造主流船型,并将实现标准化、品牌化,达到国际先进水平,具备自主设计高新技术船舶与海洋工程装备能力,突破大功率船用主机等配套产品产能不足、自主开发能力不强的瓶颈。
《船舶工业中长期发展规划》从国家层面上明确了未来五到十年我国船舶工业发展的指导方针、奋斗目标和主要任务,是指导我国船舶工业中长期发展的纲领性文件。
它的通过和实施,为我国船舶工业带来了前所未有的发展机遇,有力地推动了我国船舶工业新一轮的大发展。
根据中国船舶综合经济研究院的预估,预计2016年全球(大于2000总吨轮船)船舶完工量约1600艘,低速机需求为2400万马力;中国(大于2000总吨轮船)船舶完工量约750艘,低速机需求为1075万马力。
我国的低速机需求量占比44.8%,新接船舶订单量居全球首位,标志着我国从造船大国向造船强国迈出了坚实一步。
世界造船中心正加速向中国转移,三大造船国正由“韩日中”向“韩中日”过渡。
中国船舶工业可以保持这样的发展势头,我国必将成为世界造船强国。
为实现国务院通过的《船舶工业中长期发展规划》这一目标,作为船舶核心动力的低速船用柴油机必须同步发展,才能保证整个造船供应链的平衡和协调,造船才有配套保障。
4.2改变我国船用推进主机设计滞后于造船发展现状的需要
低速柴油机具有转速低、经济性好、油耗低、功率大、结构简单可靠、寿命长、可使用劣质燃料等优点,被广泛用于大型民用船舶主机。
根据中国船舶综合经济研究院的统计,2004-2013年,全球船用低速机装船量(大于2,000总吨)为13740台。
低速柴油机的市场份额在逐年增加,并将长期的在海洋运输船舶推进动力中占据支配地位。
新世纪以来,伴随着全球经济的快速增长,航运业也迎来了一波发展高潮,造船订单以及船用低速柴油机订单增长迅速,并在2009年左右达到了顶峰,见图8。
图8全球低速机订单量变化趋势
图9所示为MAN公司在2012年初统计的近几年低速柴油机年交付量及对未来的预测,2011年全球交付的低速柴油机总功率数达到了二千五百万千瓦(25GW),受2008年以来世界经济形势恶化的影响,在接下来的几年中,低速柴油机订单和年交付量会有所下降,但预计将在2015年左右走出低谷并逐步恢复到二千万千瓦年交付量的水平。
事实上,近年来低速柴油机市场好于金融危机后的预期,已于2014年提前走出低谷,见图10。
图9作为推进主机的低速机交付量趋势
图102013年低速机交付量统计和趋势预估
船用低速柴油机市场广阔,长期前景看好。
但作为造船大国和手持船舶订单总量世界第一的中国,所制造的低速柴油机都为引进国外生产许可证技术的专利机,没有自主品牌设计的低速柴油机产品。
由于我国的船用低速柴油机核心技术匮乏,柴油机设计研发工作滞后于造船工业的发展,自主品牌缺失,船用低速柴油机的生产受制于人,削弱了产业竞争力,处于行业竞争的下游。
技术积累方面,虽然经过多年努力,我们制造的专利机的国产化率50%以上,部分柴油机型号还作了一定的改进提高。
但与国外相比,我国不但整机开发能力不断萎缩,而且在基础关键技术研究能力、关键零部件的设计制造能力上的差距正在不断拉大,缺少相关技术人员,无法满足产业转型发展的要求,是我国从造船大国向造船强国转变这一战略部署的短板。
建立低速机实验室开发自主品牌低速机能从根本上解决船用低速柴油机生产受制于人的局面,提高船舶产业的核心竞争力,培养研发设计人才,改善整个行业的技术面貌。
4.3打破国外技术垄断对低速柴油机发展制约的需要
低速柴油机作为船舶的“心脏”及最重要的配套设备,其发展水平对船舶工业的发展起到决定性的作用。
主机的价格一般占总船价的10%左右。
目前国内生产的船用低速柴油机主要为引进专利,虽然技术先进、质量可靠,但由于价格昂贵,备配件成本高而无法被国内市场所接受,主要产品均用于全球航行的远洋船舶。
因此面向沿海型江海直达船,需要开发出性能指标较先进、制造使用成本较低的船用低速柴油机来满足国内需求。
国外专利公司不断更新产品研发技术,垄断柴油机品牌的研发,控制着核心高附加值零部件制造和全球备件服务网路,获取全球柴油机制造链最大份额利润,而作为产业下游的制造商却利润微薄,付出与收获不成比例。
面对近期船舶市场低迷的形势,拥有自主的技术和品牌才能提升产业竞争力,才更有机会生存下去,才能摆脱低水平竞争,才能在激烈的市场竞争中利于不败之地。
为打破国外的技术封锁和产品垄断,提高我国船舶工业的自主创新能力和市场竞争力,促进产业升级转型,有必要建立低速机实验室开展自主研发工作。
通过低速机实验室的建立开发具有自主品牌和知识产权的大功率低速柴油机样机,填补国内行业空白,提升我国船舶动力行业的创新力和在国际上的竞争力。
经过培养和锤炼,储备一批人才,形成国内大功率低速柴油机研发队伍。
4.4提高船用低速柴油机本土化率和降低成本的需要
较之日韩等先进造机国家,我国低速柴油机配套的本土化率低,大部分关键零部件依赖进口,配套成本相对较高。
通过建立低速机实验室,开展低速柴油机零部件关键技术及先进制造技术的研究,可极大的提升低速柴油机本土化率、降低成本,在国际市场竞争环境中占有一席之地。
4.5提升中国品牌自主研发能力的需要
2014年7月,中船动力研究院有限公司收购了瑞士的瓦锡兰Wartsila二冲程低速机业务,成立了合资公司WinGD。
今后的国内低速机研发任务与WinGD研发任务将协同进行。
瑞士合资公司WinGD现留有4缸RTX-50机1台,主要用于EGR试验研究。
意大利特里亚斯特目前有6RTFLEX-50DF试验机1台,目前正在进行双燃料试验研究,2015年完成试验任务后该机不再使用,2016年4月前需搬走,原计划试验完成后双燃料的试验研究转到日本新投建的6X72DF。
低速机实验室的建立为WinGD提供了试验条件,促使研发试验核心转移至中国。
低速机实验室的建立为WinGD创造了试验条件,同时培养大量的技术人才,提升了低速机的自主研发能力。
今后,WinGD是我们整个研发体系上重要的一环,WinGD将依靠我们完成低速机关键技术研究和产品开发。
综上,整合产学研资源,通过建立低速机实验室开展低速柴油机关键技术研究,打造开发验证平台,并面对市场,开发自主品牌的高效低排放低速船用柴油机样机,可以满足江海联运和近海航运的需要,进而促进产业升级,不断提高行业技术水平。
5任务与目标
5
5.1低速机实验室的主要任务
根据船用低速柴油机市场的发展和市场需要,低速机实验室的主要任务是:
(1)船用低速柴油机总体设计技术研究;
(2)船用低速机结构设计及冷却润滑技术研究;
(3)船用低速柴油机节能减排技术研究;
(4)船用低速柴油机电控技术研究;
(5)低速机先进制造技术研究;
(6)培养一流的工程技术和管理人才;
(7)推动国际合作与交流。
5.2低速机实验室的建设目标
低速机实验室的建设目标如图11所示,整个建设项目分两期进行。
1.近期目标
建设低速单缸机实验楼、低速多缸机实验楼、专项实验楼、研发办公楼以及相应的配套设施。
图11低速机实验室建设目标
重点建设:
单缸机实验室(含单缸试验机)、多缸机实验室(含多缸试验机)、专项实验室(气道稳流吹风实验室、喷雾及燃烧可视化实验室、热冲击实验室、排放物生成实验室等)。
2.中期目标
完成实验室二期建设内容,全面提升低速机实验室的技术创新能力和资源整合能力。
开展低速柴油机引进技术的逆向设计,重点突破总体设计技术、结构设计及冷却润滑技术、节能减排技术、电控技术以及先进制造技术,形成支撑低速柴油机产品开发的方法、流程、法规及规范,具备船用低速柴油机自主设计与开发能力。
紧跟国际低速柴油机发展趋势,突破低速柴油机系统和关键零部件的核心技术,形成自己的特色技术,开发、研制新产品,并使其符合工程化要求,完全掌握低速柴油机整机及零部件的自主开发能力。
整合瓦锡兰研发体系和研发团队,获得瓦锡兰低速发动机的研发技术和知识。
最终在中国形成完整的低速机技术研发体系和研发能力,带动行业发展。
6
6项目建设方案
6.1低速机实验室建设项目组成表
中船动力研究院有限公司低速机实验室建设总共分为两期建设,项目组成见表1。
一期主要建设专项实验楼、单缸机实验楼、多缸机实验楼及基础配套设施,同时完成单缸机实验室、多缸机实验室以及专项实验室(热冲击实验室、排放物生成实验室、喷雾及燃烧可视化实验室、气道稳流吹风实验室)内容建设,二期主要建设专项实验室(其他)内容建设。
表1低速机实验室建设项目组成表
编号
项目名称
一期
建筑面积
占地面积
建筑投资
设备投资
二期
设备投资
(m2)
(m2)
(万元)
(万元)
(万元)
1
专项实验楼
√
4704
6138.72
1358
1-1
热冲击实验室
√
288
1-2
排放物生成实验室
√
288
1-3
喷雾及燃烧可视化实验室
√
288
1-4
气道稳流吹风实验室
√
288
1-5
振动实验室
288
√
280
1-6
疲劳实验室
288
√
320
1-7
冷却系统开发实验室
288
√
250
1-8
摩擦和润滑实验室
288
√
290
1-9
SCR装置开发实验室
288
√
350
1-10
颗粒后处理装置开发实验室
288
√
350
1-11
SOx洗涤器装置开发实验室
288
√
250
1-12
WHR装置开发实验室
288
√
500
1-13
燃油系统开发实验室
288
√
550
1-14
双燃料系统开发实验室
288
√
550
1-15
配气机构开发实验室
288
√
180
1-16
电控产品开发实验室
576
√
500
1-17
安全及监控系统开发实验室
288
√
200
1-18
铸造技术研究实验室
288
√
550
1-19
焊接技术研究实验室
144
√
400
1-20
热处理技术研究实验室
144
√
450
1-21
加工技术研究实验室
576
√
650
1-22
噪声实验室
576
√
1000
1-23
公共设施面积
7200
2
低速单缸机实验楼
√
1584
1015.2
1498
2-1
单缸机实验室
√
1692
3
低速多缸机实验楼
√
2016
1209.6
8600
3-1
多缸机实验室
√
2016
4
配套设施
√
145
4-1
研发办公中心
√
4200
840
3360
4-3
LNG站
√
100
100
43.5
4-4
辅助管路
√
120
合计(31108.02万元)
22120
9244
11887.02
11601
7620
6.2低速机实验室区域规划
低速机实验室在沪东重机配套园区原有493亩地区域规划进行建设,如图12绿框范围所示。
图12低速机实验室区域规划
6.3建设内容
本项目(一期)重点建设:
(1)低速单缸机实验楼(含低速单缸机实验室)
(2)低速多缸机实验楼(含低速多缸机实验室)
(3)专项实验楼(含专项实验室4个)
●热冲击实验室
●排放物生成实验室
●喷雾及燃烧可视化实验室
●气道稳流吹风实验室
(4)配套设施
●研发办公中心
●LNG站
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