Системы судовых энергетических установок

Баёв А.С. Энергетические установки судов и их технологии искусственного интеллекта: извлечение 5.СИСТЕМЫ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Системы, обслуживающие элементы ГЭК и ВЭК, обычно выполняют общими. Они связывают ГЭК и ВЭК в единый комплекс, обеспечивая его эффективное функционирование. СЭУ любого типа оборудуются топливной и масляной системами, системами охлаждения, сжатого воздуха, газовыпуска, управления и контроля. Специфическими для ПТУ являются, например, конденсатно-питательная система, а для ГТУ - системы промывки проточной части и обогрева входного устройства ГТД. 5.1.Топливная система Назначение - прием, хранение, перекачивание, подготовка к использованию и подача топлива к потребителям (главным и вспомогательным двигателям и автономным котлам). На судах используются только те топлива, температур а вспышки которых в закрытом тигле не ниже 60 оС. МОД и ПТД чаще работают на мазутах, а ПОД, ВОД и ГТД – в основном на дистиллятном дизельном топливе. СОД чаще используют остаточные моторные сорта топлива. Вспомогательные котельные установки, как правило, работают на сортах топлива, которые используют главные двигатели. При этом на каждом судне обязательно должен быть запас дистиллятного дизельного топлива в объёме, обеспечивающем работу главных двигателей в течение 2 суток, поскольку при пуске, остановке и при маневрировании судна (при прохождении каналов, при работе во льдах и т.п. ) они должны использовать это топливо. Прием топлива осуществляется с береговых или плавучих баз с помощью специальных рукавов (шлангов) через наливные втулки на главной палубе судна. Хранение каждого вида топлива отдельно: - основного запаса в цистернах основного запаса, которые располагаются по бортам или междудонном пространстве; - аварийного запаса (для работы СЭУ не менее суток) - в цистернах аварийного запаса. Перекачивание и подача топлива потребителям обычно производится шестеренными или винтовыми насосами. Подготовка легкого (дизельного) топлива состоит в его фильтрации и сепарации с целью удаления воды и механических примесей. Тяжелое остаточное топливо дополнительно может еще отстаиваться, подвергаться химической обработке, гомогенизации, компаундированию, а также подогреваться с целью создания однородной мелкодисперсной топливной смеси требуемой вязкости (перед двигателями и котлами не более 11 сСт). Фильтрация - это очистка топлива в основном от механических примесей путем прокачки его через фильтры. Различают фильтры грубой очистки (сетчатые, щелевые или пластинчатые) и тонкой очистки. Фильтры грубой очистки улавливают частицы размером до 20 мкм. Фильтры тонкой очистки обычно это емкостные (войлочные, бумажные) фильтры. Они улавливают частицы размером до 2-5 мкм. В настоящее время в качестве фильтрующего материала широко применяется технический поливинилформаль (ТПВФ). Он способен задерживать и воду. Фильтры обычно делают сдвоенными (спаренными). Сепарация (сепарирование) - это очистка топлива от механических примесей и воды с помощью сепараторов. Сепаратор – это устройство, в котором производится разделение жидкостей, имеющих разную плотность, под действием центробежных сил, возникающих при вращении ротора сепаратора. Сепарация дизельного топлива осуществляется с помощью одного сепаратора, а тяжелого обычно в двух последовательно соединенных: пурификаторе (очистителе) и кларификаторе (осветлителя). Первый отделяет воду и растворимые соли, а второй - нерастворимые механические примеси. Для этого в сепаратор 2 пурификатор подается не только топливо, но и горячая вода. Перед очисткой в сепараторах топливо подогревается до 55-70°С. Отстаивание – это выдержка топлива в отстойных или в расходно-отстойных цистернах в течение не менее 8 часов с подогревом до 45-50°С. В процессе отстаивания за счет гравитационных сил происходит предварительная очистка топлива от механических примесей и воды. Химическая обработка топлива выполняется путем ввода композиции присадок (например, ВНИИНГ - 101) с диспергирующими свойствами. Цель: ослабление связей между смолисто-асфальтеновыми компонентами топлива. Гомогенизация топлива состоит в гидродинамическом или механическом возмущении топливной среды. Цель: разрушение примесей и воды и образование однородной мелкодисперсной топливной смеси. Применяются гидродинамические, вибромеханические и ультразвуковые гомогенизаторы. После гомогенизации топлива необходимо фильтровать, т.к. гомогенизированное топливо имеет повышенную абразивность. Обычно химическая обработка и гомогенизация топлива используются совместно. Синергетический (совместный) эффект обеспечивает более эффективное разрушение топливных структур. Компаундирование (смешение) – процесс получения стабильных смесей различных топлив ( обычно дизельного и мазута) с помощью ультразвуковых смесителей-дозаторов. Подогрев остаточного топлива осуществляется с целью снижения его вязкости паровыми, водяными и реже электрическими подогревателями, которыми оборудуются все цистерны тяжелого топлива (запасные до 30-40°С, а расходно-отстойные - до 45-50°С). Кроме этого топливо подогревается перед сепараторами (до 60-70°С) и перед двигателями и котлами до 80-90°С. При использовании остаточного топлива топливная система состоит из двух подсистем: дистиллятного и остаточного топлив. Состав подсистемы дистиллятного топлива: 3 цистерны - запасная для хранения основного запаса топлива, расходные для хранения расходуемого запаса топлива и аварийного запаса для хранения аварийного запаса топлива; топливоперекачивающий насос, сепаратор, фильтры; трубопроводы с арматурой и КИП. Состав подсистемы остаточного топлива: цистерны - запасные для хранения основного запаса топлива, отстойные для отстаивания топлива, расходные(обычно отстойные и расходные совмещают) для хранения расходуемого запаса топлива, сточные для сбора сточного топлива, аварийного запаса для хранения аварийного запаса топлива и иногда грязного топлива для сбора отстоя и отходов сепарации; топливоперекачивающие насосы для перекачивания топлива из одной цистерны в другую; сепарационная установка из 2 сепараторов, фильтры, подогреватели, устройства для химической обработки, гомогенизаторы, смесители; трубопроводы с арматурой и КИП. При работе системы контролируются уровень топлива в цистернах, его температура в цистернах, на сепараторах, перед двигателями и котлами, давление топлива на фильтрах. Автоматически регулируются обычно уровень топлива в расходных цистернах и его температура перед двигателями и котлами. 5.2. Масляная система Назначение - прием, хранение, перекачивание, очистка и подача масла к потребителям (главным и вспомогательным двигателям, передачам). Выбор сорта смазочного масла – технико-экономическая задача, поскольку от этого в значительной степени зависят износы деталей узлов трения, потери на трение, нагаро- и лакоотложения на поверхностях деталей, уплотнение цилиндров, тепловое состояние узлов трения и в конечном 4 счете эксплуатационные расходы, так как стоимость масла в 4-5 раз больше стоимости топлива. Современные масла представляют собой смесь высокоочищенного базового масла и присадок, таких как: моющие, антикоррозионные, антиокислительные, вязкостные, депресантные (понижающих температуру застывания), антизадирные и антипенные. Тип присадок, а соответственно и сорт смазочного масла выбирается с учетом особенностей двигателей и марки используемых топлив, в частности содержания в них серы. В соответствии с ГОСТ 17479-85 моторные масла (используемые в ДВС) разделяются на шесть групп: А, Б, В, Г, Д и Е. Причём чем «старше» группа, тем качественнее и дороже масло. В мало- и среднефорсированных дизелях, работающих на малосернистых топливах, чаще используется среднещелочные (до 20-30 мг КОН/г) моторные масла группы В (на- пример, М-10В2С где 10 сСт – вязкость масла при 100 оС; индекс 2 – для дизелей – по международному стандарту ~ аналог SAE30), а при содержании серы в топливе свыше 1-1,5% - группы Г (например, М-10Г2ЦС, где ЦС – для циркуляционных систем). В высофорсированных дизелях чаще используется высокощелочное моторное масло группы Г (например, М-16Г2ЦС – по международному стандарту ~ аналог SAE40) или среднещелочное – группы Д. Последнее масло применяется, в частности при использовании высокосернистых топлив. В турбинных двигателях и турбокомпрессорах применяется специальное турбинное масло вязкость не более 75 сСт при 50оС (например, Тп-46 по ГОСТ 9972-74). Прием и хранение масла производится аналогично топливу. Для перекачивания и подачи масла потребителям, а также для прокачки его перед пуском двигателей обычно используются шестеренные циркуляционный и маслоперекачивающий насосы (последний при наличии отдельной расходной цистерны). 5 Очистка масла обычно выполняется с помощью сепарационной установки в составе сепаратора, подогревателя и насоса. Сепарированное масло хранится в цистерне сепарированного масла, отходы от сепарации - в цистерне грязного масла, а отработавшее масло - в сточной цистерне. Состав масляной системы в основном определяется типом масляных систем двигателей. У дизельный двигателей системы смазки могут быть или с "мокрым" или с "сухим" картером. В первом случае маслосборником масла, циркулирующего в системе, является нижнее пространство двигателей (картер), а во втором – отдельная циркуляционная цистерна. В системах смазки турбинных двигателей последняя цистерна является обязательной, так как картеры у них отсутствуют. Состав масляной системы с циркуляционной цистерной следующий: цистерны – запасная для хранения основного запаса, циркуляционные для масла, циркулирующего в системе, сепарированного масла, сточная для отработавшего масла, грязного масла для отходов от сепарации; сепарационная установка; насосы - перекачивающий и резервный циркуляционный; трубопроводы с арматурой и КИП. При работе систем контролируются уровень масла в цистернах, его температура в сепараторе, давление на фильтрах масляной системы двигателей. Регулируется обычно температура масла на входе в двигатели. 5.3.Система охлаждения Назначение - отвод избыточной теплоты от главных и вспомогательных двигателей ( втулок цилиндров, крышек цилиндров, смазочного масла, наддувочного воздуха), компрессоров, подшипников главных передач и валопровода. В дизельных установках система водяного охлаждения, как правило, состоит из двух контуров: внутреннего (замкнутого) и внешнего (открытого). 6 Замкнутые контура, как правило, - это контура индивидуальные для каждого элемента установки, а открытый контур - контур общего пользования, который по-существу и является системой охлаждения СЭУ. Забортная вода внешнего контура забирается из кингстонов (днищевого и бортового – это специальные водяные ящики), прокачивается через фильтр, наружные контура охладителей ( у дизелей смазочного масла, наддувочного воздуха, воды внутреннего контура) элементов установки (или непосредственно через их полости охлаждения) и сливается за борт через невозвратно-запорный клапан. 5.4.Система сжатого воздуха Назначение - приготовление и хранение сжатого воздуха для пуска главных и вспомогательных двигателей, для работы тифона ( устройство для подачи звукового сигнала) и пневмосистем и для технических нужд. Состав: - компрессоры поршневые не менее 2 на судно, в том числе один может быть навешенным. Назначение приготовление сжатого воздуха. Широко применяются двухступенчатые компрессоры типа 2ОК с конечным давлением 3 и 6 МПа; - баллоны пусковые не менее 2 на каждый ГД и 1 на ДГ, тифонный и для технических нужд. Последние обычно совмещают. Баллоны предназначены для хранения сжатого воздуха под давлением 3 МПа, реже 6МПа (иногда до 15 МПа); - трубопроводы с арматурой и КИП, включая САУ компрессорами, воздухо- и маслоотделители, охладители до t<60°С, редукционные клапаны на 0,8-1,6 МПа для тифона и на 0,3-0,5 МПа для технических нужд. При работе системы контролируются давление сжатого воздуха в системе и его температура после компрессоров. Автоматически регулируется давление воздуха в пусковых баллонах. 7 5.5. Система газовыпуска Назначение - отвод в атмосферу выпускных газов главных и вспомогательных двигателей, котлов и камбуза. Состав: - газовыпускные трубопроводы на каждый ГД, ДГ и котел. Площадь сечения трубопроводов определяется из условия пропуска необходимой массы газов с давлением их в трубах не более 0,004 МПа и со скоростью, не превышающей 45 м/с от четырехтактных ДВС, 30 м/с от двухтактных ДВС и 25 м/с от котлов; - глушители для снижения шума; - искрогасители "мокрого" или "сухого" типа. В первых гашение искр выполняется струей воды, а во вторых - закручиванием потока газов. Обычно искрогасители выполняют и функции глушителей, а при наличии утиль-котла последний может выполнять обе эти функции. Исключение танкеры, где обязательно предусматривается искрогаситель "мокрого" типа; - компенсаторы между выпускными коллекторами двигателей и газовыпускными трубопроводами для компенсации удлинения труб при нагревании. При работе контролируются температура газов, давление и температура рабочей среды (воды или пара) утилькотлов. Регулируются давление и температура рабочей среды утилизационных котлов. 8 6. СБАЛАНСИРОВАННОСТЬ СОСТАВА СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Работа элементов судовой энергетической установки, особенно основных (главных и вспомогательных двигателей, котлов и т.д.), взаимосвязана и взаимозависима, поскольку большинство современных судов для повышения экономичности оборудуются утилизационными системами, предусматривающими возможность снабжения судна на ходу вспомогательными энергиями ( тепловой энергией – утилизационными котлами, а электрической – валогенераторами или утилизационными турбогенераторами ) и эксплуатационными ресурсами (в частности, пресной водой), используя энергию главных дви- гателей. В связи с этим эффективность функционирования установки в значительной степени определяется сбалансированностью её состава, в том числе согласованностью параметров выбранного энергетического оборудования и балансом генерации (производства) и потребления (расхода) энергий, зависящих не только от номинальных параметров элементов СЭУ, но и от режимов их работы, которых (режимов) множество, поскольку в свою очередь они определяются режимом и условиями эксплуатации судна. 6.1.Методика оценки сбалансированности судовых энергетических установок Для оценки сбалансированности состава СЭУ достаточно убедиться, что среди множества режимов её работы и работы её элементов существует режим (режимы), при котором вырабатываемые установкой энергии используются наилучшим образом (оптимально), в том числе обеспечивается и необходимый баланс между их генерацией и потреблением (в дальнейшем такой режим именуется режимом оптимального энергоиспользования). Режим оптимального энергоиспользования СЭУ – это совокупность относительного оптимального режима работы главных двигателей n/nно, параметров установки и судна, зависящих от n/nно, и схемы энерго- и ресурсообеспе9 чения судна на режиме n/nно, построение которой (схемы) осуществляется с помощью следующих логических формул: главных двигателей Хо = х; валогенераторов Хго =ЕСЛИ(хг = 0;0;ЕСЛИ((n/nно)/(n/nнэ) >= 1;хг;0)); дизель-генераторов Хво =ЕСЛИ(хг = 0;1;ЕСЛИ(Хго= хг;0;1)); утилизационных котлов Хуо =ЕСЛИ(ху = 0;0;ЕСЛИ((n/nно) >= (n/nнг);ху;0)); автономных котлов Хко =ЕСЛИ(хуо = 0;хк ;Qу(ху - Хуо)/(хкQк)); водоопреснителей установок Хоо =ЕСЛИ(хо = 0;0;ЕСЛИ((n/nно) >= (n/nнв );хо;0)), где Хо , Хго , Хво ,Хуо , Хко и Хоо - количество работающих на режиме n/nно элементов СЭУ соответственно главных двигателей, валогенераторов, дизель-генераторов, утилизационных котлов, автономных котлов и водоопреснителей; х, хг, хв , ху, хк и хо – количество установленных на судне главных двигателей, валогенераторов, дизельгенераторов, утилизационных котлов, автономных котлов и водоопреснителей соответственно; n/nнэ, n/nнг и n/nнв – ограничения режима работы главных двигателей, обеспечивающие эффективное функционирование валогенераторов ( в дальнейшем ограничение по электроэнергии), утилизационных котлов ( в дальнейшем ограничение по выпускным газам) и водоопреснителей (в дальнейшем ограничение по охлаждающей воде); Qу и Qк – теплопроизводительность утилизационного и автономного котла соответственно. Признаком сбалансированности состава СЭУ является то, что построенная таким образом схема энерго- и ресурсообеспечения судна будет содержать столько логических нулей, сколько предусмотрено, а именно: 10 обычно предполагается, что на устойчивом ходовом режиме во всём эксплуатационном диапазоне работы судна (в облегченных условиях при Кв = 0,8, в штатных при Кв = 1,0 и в утяжеленных при Кв = 1,25) при Хо = х должно быть Хво = Хко = 0, а Хго = хг, Хуо = ху, и Хоо = хо. Соответственно оценка сбалансированности состава СЭУ применительно к тем или иным условиям работы судна производится с помощью следующей логической формулы на основе импликации (ЕСЛИ (..)) и конъюнкции (И(..)) ЕСЛИ(И(Хо = х; Хво = 0; Хко = 0; Хго = хг; Хуо = ху; Хоо = хо);1;0), а во всём эксплуатационном диапазоне работы судна ЕСЛИ(И(при (Кв = 0,8) 1; при (Кв = 1,0) 1; при (Кв = 1,25) 1;);1;0), где логическая единица 1 свидетельствует о достаточной сбалансированности состава установки, а логический нуль 0 – о недостаточной сбалансированности (в частности, она может быть обеспечена не во всём эксплуатационном диапазоне работы судна). Таким образом для оценки степени сбалансированности состава СЭУ ключевым является определение оптимального режима работы главных двигателей ( режима наилучшим образом отвечающего некоторой целевой функции в рамках имеющихся ограничений и граничных условий) исходя из работы установки в целом. 6.2.Режимы работы главных двигателей и судов Режим работы главных двигателей - это их некоторое функциональное состояние, которое характеризуется совокупностью определенных показателей двигателей ( например, мощностью, частотой вращения, КПД и расходом топлива). Различают установившиеся (стационарные) и неустановившиеся (нестационарные) режимы работы. Установившийся режим - это режим, при котором показатели двигателей остаются неизменными ( перманентными), а неустановившийся режим – это режим, при котором при неизменном положении органов управления показатели двигателей изменяются во времени. 11 Большинство эксплуатационных режимов работы главных двигателей СЭУ являются неустановившимися. Например, к неустановившимся режимам работы главных двигателей СЭУ относятся пуск, прогрев, реверс, остановка, переход с одного установившегося режима на другой и т.д. Однако по продолжительности работы преобладают установившиеся режимы - это режимы работы установки при ходе судна на прямом курсе в штатных навигационных ( в частности, на глубокой воде (при H/T > 15, где Т –осадка; Н – глубина под килём), климатических и метеорологических условиях. Режим работы главных двигателей определяется режимом работы судна, среди которых выделяются: ходовые – это режимы при движении судна на малом, среднем и полном ходах при различных условиях ( в грузу, порожнем, в балласте, толкании, буксировке, на глубокой воде, мелководье, в шторм, в штиль, на ровном киле, при ходе с креном, дифферентом и т.д.); маневровые – разгон, реверсирование, торможение, циркуляция, съёмка с якоря и т.д.; специальные – режимы при выполнении производственных функций (лов рыбы, дноуглубление, пожаротушение и т.д. ); а также - стояночные (с выполнением погрузо-разгрузочных работ и без них) и аварийные (при пожаре, при затоплении и т. д.). Режим работы судна, а соответственно и главных двигателей обуславливает эффективность работы, тепловую и механическую (динамическую) напряженность последних. Для оценки показателей главных двигателей на установившихся режимах используются их характеристики. 6.3.Характеристики главных дизельных двигателей Характеристики главных двигателей – это графические зависимости их показателей от некоторого аргумента - параметра, принимаемого за независимое. Характеристики главных двигателей СЭУ разделяются на скоростные и нагрузочные. В первом случае в качестве аргумента используется частота вращения коленчатого вала, а во втором – мощность двигателя. Главные двигатели судов с механиче- 12 ской главной передачей работают по скоростным характеристикам. Скоростные характеристики ГД - это графические зависимости мощности (или крутящего момента ) от частоты вращения выходного вала при неизменном положении органов управления ( в частности для дизелей, прежде всего, топливоподачей). В первом случае характеристика называется мощностной, а во втором – моментной. Скоростные характеристики главных двигателей как независимых источников механической энергии разделяются на внешние, регуляторные и ограничительные. Имеются еще регулировочные характеристики. Они не относятся к скоростным. У регулировочных в качестве аргумента регулируемая величина. Они используются для определения оптимального значения регулируемого параметра. Внешние характеристики строятся по результатам испытаний дизелей на стенде предприятия-изготовителя при отключенном регуляторе частоты вращения коленчатого вала, а регуляторные – при включенном и настроенном на определенную частоту регуляторе (регулятор – это устройство, которое поддерживает заданную частоту вращения вала). В зависимости от топливоподачи (g) внешние и регуляторные характеристики разделяются на максимальной, номинальной и долевых (частичных, парциальных) мощностей, в частности минимальной мощности. Первые строятся по результатам испытаний дизеля при максимально возможной подаче топлива (при подаче на упоре), вторые – при подаче, соответствующей номинальному режиму его работы, а третьи – при подачах, обеспечивающих определенную долю от номинальной мощности (75%, 50%,…), в частности минимальной мощности – при подаче, обеспечивающей минимально устойчивую частоту вращения коленчатого вала ( у дизелей nmin/nн = 0,2…0,3, где nmin и nн – минимальная и номинальная частота вращения коленчатого вала). То есть, внешние и регуляторные характеристики – это семейство эквидистантных кривых, проходящих через точки соответствующих режимов работы дизеля и являющихся функцией от частоты вращения коленчатого вала в первой степени. 13 На рис. 6.1 в относительных координатах представлены внешние и регуляторные характеристики максимальной и номинальной мощностей главного дизельного двигателя, оборудованного всережимным регулятором частоты вращения коленчатого вала и внешняя характеристика минимальной мощности. Ƒ Р/Рн 1,1 А Рзmax 1 Ррmax Рз Р Рр О Д Рзmin Ƒ 1 1,03 nmin/nн Ƒ n/nн Рис. 6.1. Cкоростные характеристики главных дизельных двигателей: Рз и Рр – внешняя и регуляторная номинальной мощности; Рзmax и Ррmax – внешняя и регуляторная максимальной мощности; Рзmin – внешняя минимальной мощности Внешняя и регуляторная характеристики максимальной мощности проходят через точку с координатами 110% номинальной мощности и 103% номинальной частоты вращения. Продолжительность работы дизеля по внешней максимальной мощности не более часа. Внешняя и регуляторная номинальной мощности проходят через точку номинального режима дизеля (точка А). Продолжительность работы по внешней номинальной мощности в пределах ресурса не ограничена. Наклон внешних к оси n тем больше, чем меньше nн. То есть, МОД обладают более пологими внешними характеристиками, чем СОД, ПОД и ВОД. Объясняется это противоположным действием нескольких факторов, в частности, при уменьшении n снижается механический КПД, но за счет уменьшения потерь во 14 впускном коллекторе двигателя повышается индикаторный КПД (тем заметнее, чем больше nн). Характер регуляторных характеристик зависит от типа регулятора частоты вращения коленчатого вала дизеля: если дизель и регулятор образуют статическую систему, то регуляторные характеристики наклонные линии, а если астатическую - то линии перпендикулярные оси n. Регуляторные характеристики отражают то, что при превышении установленной частоты вращения регулятор снижает топливоподачу, и мощность двигателей резко падает ( вплоть до нуля ). Внешние характеристики номинальной и минимальной мощностей в диапазоне от минимальной частоты вращения до регуляторной номинальной мощности (в практических условиях обычно до номинальной частоты ) образуют область допустимых режимов (ОДР) двигателей (на рис. 6.1 область АОДРА) – это режимы дизелей, на которых в пределах ресурса обеспечивается устойчивая их работа без ограничения по времени. 6.4. Характеристики винтов фиксированного шага В общем виде уравнение скоростных характеристик ВФШ водоизмещающих судов - это уравнение кубической параболы (параболы третьего порядка), которое записывается в следующем виде Р/Р н = Кв (n/nн) 3, где Кв – коэффициент режима работы винта, по сути судна, так как значение его для конкретного ВФШ в основном зависит от условий эксплуатации судна ( степени его загрузки, климатических, метеорологических и навигационных условий плавания, а также технического состояния корпуса, винта и т. д.). Для штатных (расчетных, номинальных) условий работы судна и винта (при нормальном его состоянии, хорошем состоянии корпуса судна, паспортной загрузке последнего, нормальных климатических, навигационных и метеорологических условиях) Кв = 1. Полу- чаемая при этом характеристика проходит через точку номинального режима (рис. 6.2) и поэтому её принято называть номинальной. 15 Работу судна в более легких эксплуатационных условиях (тех, которые принято называть "легкий" винт)) отражает облегченная характеристика. Для неё Кв < 1. Она проходит более полого (ниже номинальной) и соответствует, например ходу судна порожнем, в балласте, при неполной загрузке, при попутном ветре и т.п. Кв >> 1 Ƒ Р/Р н Кв > 1 Кв = 1 Н Ш 1 v=0 У А Кв < 1 О 1 Ƒ n/nн Рис .6.2. Характеристики винтов фиксированного шага: Ш - швартовная; У – утяжеленная; Н – номинальная; О - облегченная Работу судна в более тяжелых эксплуатационных условиях (тех, которые принято называть "тяжелый" винт)) отражает утяжеленная характеристика. Для неё Кв > 1. Она проходить круче (выше номинальной) и соответствует работе винта при загрузке судна больше паспортной, при ходе на мелководье, в шторм, с креном и дифферентом, при обрастании корпуса судна, при повреждении винта и т.д. В частности, для судов река-море плавания Кву может достигать 1,25 и более. Например, опытным путем установлено, что при циркуляции утяжеление характеристик внутренних винтов может составлять 120-125%, наружных – 110-115%, а при работе одного главного двигателя двухвальной установки – 125%. Наиболее тяжелыми условиями работы винта являются условия работы при неподвижном судне, когда v = 0, Кв >> (значительно больше) 1. К этим условиям близки условия ра16 боты винтов при трогании судна с места, снятии с мели, во льдах и реверсировании. Их отражает швартовная характеристика, при которой значение мощности внешней характеристики номинальной мощности двигателя достигается при 50…60% номинальной частоты вращения. В связи с этим в первом приближении коэффициент режима работы винта при работе по швартовной Квш может быть определен исходя из следующих соображений. Часто принимают Pш = 4,6P0,6(n/nн)3, где Pш и P0,6 – координаты швартовной и внешней характеристики номинальной мощности дизеля при n = 0,6nн. 3 3 Тогда из Pш = КвшPн(n/nн) = Pз0,6 = 4,6P0,6(n/nн) имеем КвшPн = 4,6P0,6. С другой стороны, из выражения для внешней характеристики номинальной мощности Pз в канонической его форме (когда Δ р = 0) при n/nн = 0,6 имеем P0,6 = Pн(0,36 + 1,2/5ηm). Отсюда Квш = 4,6(0,36 + 1,2/5η m) и при ηm = 0,9… 0,95 для канонических условий получаем Квш = 2,8…2,9. Рассмотренные характеристики называются винтовыми. Между облегченной и швартовной характеристиками располагается поле возможных режимов работы ВФШ. 6.5. Работа главного энергетического комплекса на установившихся режимах Скоростные характеристики главных двигателей показывают их возможности как независимых источников механической энергии. В составе же СПК при механической главной передаче они работают по закону движителей. Поэтому потребность в мощности определяется характеристиками движителей и на установившемся режиме с учетом потерь сохраняется равенство между мощностями, развиваемой главным двигателем и потребляемой движителем. В связи с этим для оценки работы СПК на установившемся режиме достаточно совместить скоростные характеристики главных двигателей и движителей. На рис. 6.3. представлены скоростные характеристики элементов СПК водоизмещающего судна с ВФШ: главного двигателя ( внешняя и регуляторная номинальной мощности ) и винтовые (швартовная, номинальная и облегченная). 17 Ƒ н Р/Рн ш А 1 Рз Р о О Рр Э Д Ƒ nmin/nн Ƒ n/n н 1 Рис. 6.3. Совмещенные характеристики элементов СПК: Рз и Рр – внешняя и регуляторная номинальной мощности; Ш – швартовная; Н – номинальная; О – облегченная; АОДЭРА – область эксплуатационных режимов (ОЭР) 0,6 Из анализа характеристик вытекает, что при работе судна в штатных условиях ( Кв = 1) только на номинальном режиме имеется баланс мощностей главных двигателей и ВФШ. На других режимах до номинальной частоты вращения наблюдается недогрузка, а после – перегрузка двигателей по мощности. Причем, указанные несоответствия тем больше, чем выше nн (чем оборотистее (быстроходнее) двигатель), поскольку с понижением nн внешние характеристики идут более полого ( ближе к оси n). В связи с этим при работе по утяжеленным характеристикам снижение потребляемой мощности тем меньше, чем выше nн. То есть, быстроходные двигатели в этом смысле больше приспособлены для работы с ВФШ. Именно этим, в том числе, объясняется применение СОД, как правило, с ВФШ, а ВРШ используются преимущественно с МОД. Для СЭУ с дизельными главными двигателями и ВФШ совокупность режимов, ограниченных: сверху - частью внешней номинальной мощности АР и швартовной РЭ; 18 снизу – частью облегченной ДО (практически до точки пересечения с номинальной частотой n/nн = 1); слева – минимальной частотой вращения коленчатого вала ЭД; справа – частью регуляторной номинальной мощности ОА (практически номинальной частотой n/nн = 1) - это область эксплуатационных режимов (ОЭР) главных дизельных двигателей. ОЭР - это область режимов, при которых обеспечивается длительная устойчивая и надежная работа двигателей в эксплуатации. 6.6. Безопасные режимы работы главных двигателей В общем случае режим работы главных двигателей должен обеспечивать требуемую скорость движения судна, быть безопасным и экономичным. При механической главной передаче требуемый скоростной режим работы главных двигателей назначается исходя из пропорциональной зависимости скорости движения судна от частоты вращения коленчатых валов главных двигателей, а безопасность работы главных двигателей может обеспечиваться тремя способами: первый - базируется на непосредственном контроле теплового, механического и технического состояния дизелей; второй - предполагает использование косвенных параметров для оценки напряженности двигателей. В качестве такого параметра часто используется температура отработавших газов. Однако достоверность такого контроля не всегда оказывается достаточной, особенно, когда условия работы и техническое состояние двигателей отличаются от штатных. Кроме того, у дизелей с высоким наддувом при снижении частоты вращения для уменьшения температуры отработавших газов, их тепловая напряженность повышается, поскольку коэффициента избытка воздуха при этом становится меньше; третий - основан на использовании ограничительных характеристик. Ограничительные характеристики – это зависимости мощности главных двигателей от частоты вращения выходного вала при сохранении их тепловой и (или) механической напряженности в установленных пределах. 19 Для дизелей с умеренным наддувом (pe до 1,2 МПа) обычно в качестве ограничительной характеристики по тепловой и механической напряженности используется ограничительная характеристика по крутящему моменту М кр = const (или что одно и тоже ре = const, поскольку Мкр = ре(D2iR/2тт)) это зависимость мощности дизеля от частоты вращения коленчатого вала при постоянном значении крутящего момента на фланце коленчатого вала, не превышающего расчетной величины. Графически она представляет собой прямую Pк, соединяющую начало координат и точку номинального режима (рис. 6.4) и поэтому её координаты могут быть определены с помощью следующей зависимости: Pк = Pн(n/nн). При работе двигателей, если их мощность не будет превышать значений, определяемых этой прямой, то напряжения элементов коленчатого вала не превысят установленные пределы. Ƒ н Р/Рн b ш А 1 Рз Рк о О Рэ Б Рр b Э bmin Д 0,6 Ƒ n/n н Ƒ nmin/nн nэ/nн 1 Рис. 6.4. Обобщенные характеристики элементов СПК: Рз и Рр – внешняя и регуляторная номинальной мощности; Рк – ограничительная по крутящему моменту; b – кривая удельного расхода топлива; Ш – швартовная; Н – номинальная; О - облегченная 20 Область режимов между частью ограничительной характеристики ( в данном случае по крутящему моменту), частью швартовной и облегченной винтовыми в диапазоне от минимальной до номинальной частот вращения ( в общем случае до регуляторной номинальной мощности ) (АОДЭБА) - это область безопасных режимов (ОБР) главных двигателей в эксплуатации. Координаты режимной точки ОБР на швартовной характеристике, ограничивающие режим работы двигателей по безопасности (в данном случае в швартовных условиях), определяются из равенства Pк = Pн(n/nн) = Pв = Кв Pн(n/nн)3. Откуда, например, при Кв = 2,9 n/nн = (1/Кв)0,5 = (1/2,9)0,5 = 0,59. 6.7.Обоснование экономичного режима работы главных двигателей Выбор конкретного режима работы главных двигателей зависит от требуемой скорости движения, технического состояния судна и пропульсивного комплекса, эксплуатационных условий и некоторого дополнительного требования, конкретизирующего цель выбора (целевую функцию). Для главных дизельных двигателей часто таким требование является обеспечение минимума удельного расхода топлива. Практически для выбора из ОБР экономичного режима (режима с минимальным удельным расходом топлива) на характеристики главных двигателей накладывается сглаженный график зависимости удельного расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала (рис. 6.4). Далее нижняя точка кривой удельного расхода топлива (минимальный удельный расход топлива bmin) проецируется на оси b, n и через соответствующую винтовую характеристику - на ось P. В результате находятся показатели экономичного режима главного двигателя: минимальный удельный расход топлива bmin, кг/кВт*ч; 21 частота вращения коленчатого вала, при котором обеспечивается минимальный удельный расход топлива nэ, об/мин; мощность главного двигателя, при которой обеспечивается минимальный удельный расход топлива при работе по соответствующей винтовой характеристике Pэ, кВт, а также другие показатели с помощью следующих зависимостей: - эффективный КПД η э = 3600/(Qнbmin); - часовой расход топлива Bэ = bminPэ, кг; - среднее эффективное давление 2 pэ = 0,12τтPэ/(πD S*i*nэ), МПа, где Pэ в кВт, D и S в м, а nэ в об/мин; - экономия топлива ΔB = 100[1 - Bэ/(bнPн)],%. 6.8. Расход топлива главных двигателей Расход топлива – один из важнейших эксплуатационных показателей главных двигателей. Степень совершенства двигателей в целом характеризует удельный эффективный расход топлива ( в дальнейшем удельный расход топлива), долевое значение b которого при работе судна в штатных условиях работы (при работе главных двигателей по номинальной винтовой характеристике) и известном номинальном его значении bн можно определить с помощью следующей адаптивной зависимости b = bн[1- ηm(1 - n/nн)]/[(1 + Δb)(n/nн)], (6.1) где ηm – механический КПД дизеля на номинальном режиме; Δb – адаптивная поправка при соответствующей долевой частоте (n/nн). Подобные (6.1) зависимости при работе двигателей по характеристикам, отличным от номинальной винтовой, записываются bо = bнηm[((1/ηm) – 1)/Кво + n/nн)]/[(1 + Δb)(n/nн)]; bу = bнηm[((1/ηm) - 1)(Кву)0,5 + n/nн)]/[(1 + Δb)(n/nн)], 22 где величины с индексом «о» относятся к работе главного двигателя по облегченной, а с «у» - по утяжеленной винтовой характеристике. В штатных условиях работы экономичный режим работы дизельных двигателей, как правило, располагается в диапазоне 85-95%nн. Объясняется это тем, что с уменьшением нагрузки на двигатель наблюдается снижение механического КПД и, как следствие, рост удельного расхода топлива в области малых нагрузок, а с увеличением нагрузки удельный расход топлива повышается в связи с ухудшением процесса сгорания при пониженных коэффициентах избытка воздуха и, как следствие, уменьшается индикаторный КПД. 6.9. Обоснование экономичного режима работы главных двигателей дизель-электроходов Главные двигатели судов с электродвижением, с ВРШ и вспомогательные двигатели работают по нагрузочным характеристикам – это графические зависимости их параметров (часового В и удельного расхода b топлива, среднего эффективного давления p, эффективного КПД ηе, температуры отработавших газов tог и т.д.) от мощности P (или от среднего эффективного давления ) при постоянной частоте вращения коленчатого вала (рис. 6.5). Они позволяют определить: - мощность двигателей по кривой часового расхода топлива В = В(P) или по кривой температуры отработавших газов tог = tог(Р); - мощность механических потерь Рм по кривой В = В(P), графически продлив её до пересечения с осью мощности, или расчетом, пролонгировав кривую часового расхода топлива до условия В = 0 (при постоянной частоте вращения эффективная мощность дизеля прямо пропорциональна среднему эффективному давлению, так как в этих условиях она повышается только за счет подачи топлива. Следовательно, при Р = 0 вся мощность идет на механические потери); - экономичный режим их работы по кривой удельного расхода топлива b = b(P), координаты которой при работе дизеля по нагрузочной характеристике можно определить с помощью следующей зависимости: b = bв {[1- ηm(1 - δ)]/[(1 + Δb)δ)], 23 где δ = P/Pн - доля номинальной эффективной мощности двигателя; P и Pн – долевая и номинальная мощность вспомогательного дизеля, кВт; b и bв - его долевой и номинальный эффективный удельный расход топлива, кг/кВт*ч; ηm – механический КПД дизеля на номинальном режиме; Δb – адаптивная поправка при соответствующей долевой мощности (δ). b tог В р ηе b bmin Ƒ Рм/Рн Ƒ Рэ/Рн 1 Ƒ Р/Рн Рис.6.5.Нагрузочные характеристики главных двигателей судов с электродвижением: b – удельный расход топлива; В – часовой расход топлива; р – среднее эффективное давление; tог – температура отработавших газов; ηе – эффективный КПД Экономичный режим работы главных двигателей судов с электродвижением определяется также как у главных двигателей с механической передачей путем проецирования нижней точки графика b = b(P) на ось P. В результате находятся показатели экономичного режима двигателей: минимальный удельный расход топлива bmin, кг/кВт*ч; 24 мощность, при которой обеспечивается минимальный удельный расход топлива при работе по нагрузочной характеристике Pо, кВт, а также другие показатели с помощью следующих зависимостей: эффективный КПД ηо = 3600/(Qнbmin); часовой расход топлива Во = bminPо; среднее эффективное давление pо = 0,12τтPо/(πD2S*i*nн), МПа где Pо в кВт, D и S в м, а nн – номинальная частота вращения коленчатого вала, об/мин - экономию топлива ΔBb = 100[1 - Bо/(bвPн)],%. Обычно экономичный режим работы двигателей, работающих по нагрузочной характеристике, располагается в диапазоне 80…90% номинальной мощности. Отсюда важный вывод: для повышения экономичности загрузка дизель-генераторов должна быть не менее 70-80%. 6.10. Оптимизация работы судовых энергетических установок В предыдущих параграфах режимы главных двигателей СЭУ определялись как независимых преобразователей энергии без учета работы других составляющих установки. Между тем, работа элементов установки взаимосвязана и взаимозависима и поэтому более правильным обоснование оптимального режим главных двигателей исходя из работы энергетической установки судна в целом. Пример рассмотрения СЭУ, как единого комплекта энергетического оборудования – это обоснование режима её работы с минимальным путевым расходом топлива bv. Определяемая при этом технически экономичная скорость судна (скорость движения судна с минимальным путевым расходом топлива) обычно соответствует работе главных двигателей с частотой вращения их коленчатых валов 50-60% номинальной, которая, как правило, являются неблагоприятной для работы систем утилизации вторичных ресурсов установки. 25 Ограниченность такого подхода к обоснованию режима работы СЭУ состоит также и в том, что, во-первых, при расчете bv установка рассматривается как комплекс одной функции (обеспечение необходимой скорости движения судна), а во-вторых – не учитываются условия эксплуатации судна (в частности, очевидно, что расход топлива при ходе порожнем и в грузу будет заметно отличаться) и то, что главные и вспомогательные двигатели часто используют различные сорта топлива, которые энергетически и экономически не равноценны. Между тем СЭУ – это комплекс, по крайней мере, четырех функций: обеспечение необходимой скорости движения судна, его электро-, тепло- и ресурсоснабжение. Многофункциональность СЭУ приводит к необходимости рассматривать выбор режима её работы как решение некоторой оптимизационной задачи. Как известно, в общем случае модель оптимизации состоит из функционала, отражающего цель выбора, и системы ограничений и граничные условий, определяющих в конечном итоге область поиска решения. При этом оптимальным считается то решение, которое наилучшим образом отвечает цели выбора в рамках имеющихся ограничений и граничных условий. Функционал модели оптимизации обычно строится на основе целевой функции, то есть величины, которую необходимо максимизировать или минимизировать, и представляет собой функциональную зависимость целевой функции от параметров в данном случае элементов СЭУ. В общем случае при применении нескольких сортов топлива, учитывая, что СЭУ является источником различных видов энергии и работает в самых разнообразных условиях эксплуатации, рационально в качестве целевой функции использовать удельные затраты энергии на движение судна (е) и функционал модели представить в следующей виде: е = {b[ХКв Рн(n/nн) 3 -ХгР г]Q н + Хв Вв Qнв + ХкВкQ н - ХуQу - 105 ХоW о}/Gvн(n/nн) →min, где е – по размерности (кДж/т* км) это затраты энергии на единицу транспортной работы судна (иначе энергоёмкость транспортировки); 26 Pг – агрегатная мощность валогенератора, кВт; Вв и Вк – часовой расход топлива вспомогательного двигателя и автономного котла, кг/ч; Q нв – низшая удельная теплота сгорания топлива, используемого вспомогательными двигателями, кДж/кг; G и vн – водоизмещение судна в т и его паспортная (номинальная) скорость движения в км/ч; n/nн - относительная частота вращения коленчатого вала главных двигателей ( в данном случае параметр оптимизации). Система ограничений в общем случае включает приведенные выше ограничения параметра оптимизации по: - безопасности с точки зрения механической напряженности двигателей: n/nнб =ЕСЛИ(Кв <= 1;1,0;ЕСЛИ(Кв > 1;(1/Кв )0,5)); - топливной экономичности (топливу) главных двигателей - это их экономичный режим работы: n/nнт = ЕСЛИ(b1 = b0,8;0,9;ЕСЛИ(1 - 0,2(b1 - b0,9)/(b0,8 - 2b0,9 + + b1)>=1;1;(1 - 0,2(b1 - - b0,9)/(b0,8 - 2b0,9 + b1)))), где b0,8, b0,9 и b1 – удельный расход топлива главных двигателей при 80%-ной, 90%-ной и 100%-ной частоте вращения их коленчатых валов соответственно; - условиям обеспечения эффективного снабжения судна на ходу вспомогательными энергиями и ресурсами от главных двигателей по: - электроэнергии ( по работе валогенераторов) n/nнэ; - выпускным газам n/nнг = (ΣQу /Qгу)1/3, где ΣQу = хуQу и Qгу – номинальная потребность в тепловой энергии для работы утилизационных котлов и возможность её получения от утилизации выпускных газов главных двигателей на номинальном режиме их работы соответственно, кДж/ч; - охлаждающей воде n/nнв = (ΣQо/Qву)1/3, где ΣQо = 10 хоW о и Qву – потребность в тепловой энергии для работы опреснительных установок и возможности её получения 5 27 от утилизации охлаждающей воды главных двигателей на номинальном режиме их работы соответственно, кДж/ч. Первые два ограничения (n/nнб и n/nнт) лимитируют верхний предел (верхнюю границу) параметра оптимизации, выше которого работа главных двигателей небезопасна или нецелесообразна, а три остальных (n/nнэ, n/nнг и n/nнв ) ограничивают нижний предел (нижнюю границу) параметра оптимизации, ниже которого работа зависимого от главных двигателей оборудования становиться невозможной (валогенераторов) или неэффективной (утилизационных котлов и водоопреснителей). Граничные условия модели оптимизации содержат конкретные значения, входящих в функционал параметров (vн, Pн, Pг , Вв , Вк, Q нв , Qн, Qу, W о, G, vн и n/nн), или возможный диапазон их изменения. В общем случае при поиске решения с помощью рассмотренной модели варьируемыми являются условия работы судна (Кв ), скорость его движения, водоизмещение судна и число работающих элементов СЭУ (главных двигателей Х, дизельгенераторов Хв , валогенераторов Хг, автономных котлов Хк , утилизационных котлов Ху , водоопреснителей Хо) в зависимости от режима работы главных двигателей с учетом судовых потребностей в теплоте, электроэнергии и в пресной воде, а искомым оптимальная относительная частота вращения коленчатого вала главных двигателей (параметр оптимизации) n/nно. Процесс оценки сбалансированности состава СЭУ упрощается, если оптимальный режим работы главных двигателей определяется исходя из гарантированного обеспечения судна тепловой и электрической энергиями и пресной водой согласно следующей логической формуле n/nно =ЕСЛИ(МАКС(n/nнг;n/nнэ;n/nнв )<=(МИН(n/nнб ;n/nнт); МАКС(n/nнг;n/nнэ;n/nнв ); МИН(n/nнб; n/nнт)). (6.2) 28 7.ОСОБЕННОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 7.1.Особенности характеристик турбинных двигателей Для оценки особенностей характеристик главных турбинных двигателей удобно использовать их моментные внешние характеристики в сравнении с аналогичными дизельных двигателей. На рис.7.1 в относительных координатах приведены моментные внешние характеристики номинальной и минимальной мощностей и регуляторная номинальной мощности турбинного (сплошные линии) и дизельного (штриховые линии) двигателей. Ƒ М/Мн Р” 1 Ƒ Р А 1 3 2 Д” О Д Ƒ О” nmin/nн 1 Ƒ n/nн Рис.7.1. Моментная скоростная характеристика турбинного ( ___ ) и дизельного (- - - -) двигателей: 1 – внешняя номинальной мощности; 2 – внешняя минимальной мощности; 3 – регуляторная номинальной мощности Откуда следует, что внешние характеристики турбинных двигателей заметно отличаются от дизельных и прежде всего тем, что крутящий момент турбинных двигателей пропорционален частоте вращения выходного вала (Мкр = Du*сu*rо, где сu= сu(n)), а у дизельных не зависит от частоты вращения (Мкр = pe*D2*R*i/2*τт). Второе отличие состоит в том, что теоретически у турбинных двигателей отсутствует нижняя граница частоты 29 вращения (nmin) (практически минимальная частота вращения турбинных двигателей в 2-3 раза меньше чем у дизельных). В связи с этим ОДР турбинных двигателей (АО”Д”Р”А) существенно шире, чем у дизельных (АОДРА) и при страгивании судна (при nmin (теоретически при n = 0) крутящий момент турбинных двигателей может быть в 1,5…2 раза больше номинального. То есть, тягоманевренные свойства судов с турбинными двигателями заметно выше (лучше), чем с дизельными. 7.2. Особенности характеристик винтов регулируемого шага На рис. 7.2 в относительных координатах приведены скоростные характеристики винтов фиксированного шага (штриховые линии) – это облегченная, нормальная и швартовная и регулируемого шага (ВРШ) (сплошные линии) для минимального, номинального (расчетного) и максимально возможного шагового отношения, а также внешняя и регуляторная характеристики номинальной мощности главного двигателя. Из рисунка следует, что ВРШ позволяет заметно расширить область эксплуатационных режимов (АВСДЕА) главных двигателей, особенно в направлении облегченных характеристик. Дело в том, что ВФШ – это однорежимный (номинально режимный) движитель, поскольку в штатных гидродинамических условиях конкретный винт (с определенным диаметром, шагом, числом лопастей, дисковым отношением и т.д .) отражает только одна – номинальная характеристика. Остальные характеристики – это характеристики условий работы судна. ВРШ же – это многорежимный движитель, поскольку, изменяя шаговое отношение от минимального ( в пределе нулевого) до некоторого максимального значения, можно получить целое семейство винтовых характеристик от облегченной (при минимальном шаге) до швартовной (при максимальном шаге). Номинальная характеристика ВРШ является одной из этого семейства. Обычно это характеристика с шаговым отношением, при котором потребляемая для обеспечения паспортной скорости судна мощность минимальна. 30 Вообще говоря, нормальных характеристик ВРШ может быть несколько, поскольку скорость судна с ВРШ для заданных внешних условий определяется частотой вращения и шагом винта. Причем, с увеличением шагового отношения (винт становится "тяжелее") потребляемая мощность возрастает, и необходимая скорость судна будет обеспечиваться при меньшей частоте вращения винта и, наоборот: при уменьшении шагового отношения (винт становится "легче") потребляемая мощность снижается, а необходимая скорость судна будет обеспечиваться при большей частоте вращения винта. В связи с этим у судна с ВРШ каждой скорости судна будет соответствовать не точка, как при ВФШ, а линия. (Н/D)max Ƒ Р/Р н (Н/D)н Н Ш 1 А О Рз Е Рр (Н/D)min В Д Ƒ nmin/n н С 1 Ƒ n/nн Рис. 7.2. Характеристики ВРШ ( ____ ) и ВФШ (------): (Н/D)mах, Н/D)н и (Н/D)min – при максимальном, номинальном и минимальном шаговом отношении; Р з и Рр – внешняя и регуляторная главного двигателя номинальной мощности Таким образом, варьируя шагом и частотой вращения, ВРШ адаптируется к условиям эксплуатации ГЭК, что позволяет: - полнее и с большей экономичностью использовать мощность главных двигателей (особенно на долевых режимах); - применять более простые нереверсивные двигатели; - легче и оперативнее обеспечивать маневры (в частности реверс) судна. 31 Однако винты регулируемого шага заметно сложнее ВФШ конструктивно и в управления. Их также отличает меньшая надежность, большая стоимость и несколько меньший КПД (на 2-3%). 7.3. Особенности характеристик главных передач Из анализа режимов работы ГЭК следует, что: - частота вращения выходных валов главных двигателей, за исключением МОД, как правило, значительно превосходит оптимальную (расчетную) частоту гребных винтов; - cкоростные характеристики современных главных двигателей кардинально отличаются от идеальной гиперболической. Особенно это характерно для дизельных двигателей, что существенно снижает тягоманевренные показатели судов с ВФШ. Главные передачи (ГП) в известной степени позволяют нивелировать указанные недостатки ГЭК. Особенно это относится к гидравлическим и электрическим передачам (рис. 7.3). Гидротрансформаторная передача позволяет повышать крутящий момент при неподвижном винте ( при страгивании судна) до 3 раз, гидравлическая объёмная и электрические с ходовыми двигателями постоянного тока ( электрические постоянного и комбинированного (переменно постоянного) тока) - до 2 раз, а электрическая переменного тока с синхронными гребными двигателями - сохраняет номинальное значение. То есть, наилучшими тяговыми свойствами обладает гидродинамическая передача. Она также имеет достаточную маневренность, умеренные массу и габариты, но конструктивно сложнее и обладает сравнительно низкой экономичностью (КПД около 90%). Наилучшими маневренными свойствами обладают электрические постоянного и комбинированного тока. Они допускают неограниченное число реверсов в течение часа, обеспечивают плавное изменение частоты вращения и обладают достаточными тяговыми свойствами. Но имеют низкую экономичность (КПД до 85%), повышенные массу и габариты, сложность в конструкции и обслуживания. Эти передачи применяются на судах с повышенными тягоманевренными требованиями - пассажирских судах, ледоколах, паромах, портовых буксирах, буксирах-толкачах и т.п. Электрические передачи с электродинамической муфтой, с асинхронными ходовыми двигателями и гидравличе32 ская с гидромуфтой ниже 40% номинальной частоты вращения работают неустойчиво. Они применяются в установках с мощностями менее 1000 кВт и, как правило, в сочетании с зубчатыми передачами. К достоинствам муфт относится высокий КПД (до 97%), мгновенность действия, компактность, легкость, простота управления и обслуживания. Ƒ М/Мн 1 4 1 2 5 А 3 ~ 0,4 1 Ƒ n/nн Рис. 7.3. Моментные характеристики главных передач: 1 – гидродинамической; 2 – гидравлической объёмной, электрической постоянного тока и электрической комбинированного тока; 3– электрической переменного тока с синхронными гребными электродвигателями; 4 – с гидромуфтой; 5 – с электродинамической муфтой и электрической переменного тока с асинхронными гребными электродвигателями Близкие к этим характеристикам имеют механические передачи с плавно изменяющимся передаточным отношением. Достоинства механических передач – экономичность (КПД прямой 1,0, а редукторных может достигать 99%), компактность, надежность и приемлемая маневренность. Тяговые свойства их ограничены, поскольку в силу жесткого соединения ГД и движителей их скоростные характеристики лимитируются возможностями главных двигателей и прежде всего повышенной минимальной частотой вращения. В настоящее время широко применяются переборные (с внешним зацеплением шестерен) одно- и двухступенчатые редукторы и реверс-редукторы, а также планетарные передачи (с внутренним зацеплением шестерен - сателлитов (шестерен с подвижными осями)). 33 9.ТЕХНОЛОГИИ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК СУДОВ 9.1. Общие сведения о цифровых технологиях и искусственном интеллекте В рамках Стратегии развития информационного общества в Российской Федерации разрабатывается федеральный проект «Цифровые технологии», целью которого является создание «сквозных» цифровых технологий преимущественно на основе отечественных разработок, в т. ч. нейротехнологий и искусственного интеллекта. Бытует мнение, что цифровые технологии (ЦТ) – будущее человечества. На самом деле они уже настоящее, которое значительно поменяло жизнь планеты и все больше наполняет окружающий нас мир. Как известно, ЦТ основаны на дискретном представлении информации в виде чисел обычно с использованием двоичной системы счисления ( логической единицы и логического нуля ), значения которых (чисел) и являются носителями информации. Искусственный интеллект совместно с другими «сквозными» цифровыми технологиями предоставляет широчайший спектр возможностей в самых разнообразных сферах человеческой деятельности и в экономике и в области общественных отношений. Термин искусственный интеллект (ИИ) был предложен в 1956 году и существует несколько его определений. Согласно Национальной стратегии развития ИИ [19] под искусственным интеллектом понимается «комплекс технологических решений, позволяющих имитировать когнитивные функции человека…, который ( комплекс технологических решений) включает в себя…, в том числе программное обеспечение, процессы и сервисы по обработке данных и поиску решений». В соответствии с этим применительно к технологиям искусственного интелекта энергетических установок судов под искусственным интеллектом понимается их программно-алгоритмическое обеспечение, позволяющее выполнять функции, которые традиционно считаются прерогативой человека, в частности способное автоматически реализовывать логику и действия человека при принятии решений. 34 Выделяется три вида инструментов, с помощью которых формируется и реализуется искусственный интеллект: первый вид – это инструменты на основе семантических сетей; второй - на основе простых нейронных сетей ( персептронов) и третий - на основе глубинных нейронных сетей ( каскадов персептронов). Любая сеть представляет собой ориентированный граф (орграф), вершинами которого являются объекты (иногда также используется термин понятия), а направленные дуги – отношения между объектами или их свойствами. Соответственно этому искусственный интеллект разделяется на: ИИ первого поколения, который отражает содержание (семантика – содержание, смысл) действий человека при принятии решений; ИИ второго поколения, который отражают работу (корректнее представление о работе) нейронов человеческого мозга при этом, и ИИ третьего поколения, который к тому еще наделен и способностью так называемого глубинного обучения, которое резко повышает эффективность искусственного интеллекта. Возможности ИИ на нейронных сетях значительно шире, чем на семантических сетях. Однако их разработка представляет известную сложность, требует специальных знаний о работе мозга, которыми человечество пока владеет ограниченно. В данном случае при разработке технологий искусственного интеллекта СЭУ используются семантические сети, отражающие действия человека при обосновании и принятии решений, и элементы так называемых прикладных систем искусственного интеллекта, построение которых обычно осуществляется по логическому принципу. 9.2.Технологии искусственного интеллекта СЭУ Технологиями искусственного интеллекта судовых энергетических установок (ТИИ СЭУ) называются системы (субтехнологии) интеллектуальной поддержки принятия решений по энергетическим установкам судов с использованием искусственного интеллекта. Основными элементами ТИИ СЭУ (по сути компьютерных программ в данном случае в среде пакета Excel) являются: 35 база данных (исходные данные и данные судового оборудования), которые размещаются в соответствующих ячейках на страницах пакета Excel, и банк знаний в виде предикатов ( в дальнейшем именуемых формулами) (предикаты – это конструкции, выражающих связь между объектами программ) ), отражающих логику и действия человека при обосновании и принятии решений по энергетическим установкам судов. Для формирования банка знаний ТИИ СЭУ применяется инструментарий искусственного интеллекта на основе семантических сетей, а именно: арифметические операции (сложения (+), вычитания (–), деления (/), умножения (*), (возведения в степень (^),…), операции булевой логики ( больше (<), меньше (>), равно (=), больше и равно (<=), меньше и равно (>=), …), аппарат цифровых технологий (логические числа, дискретность, …) и встроенные операции ( функции) пакета Excel, в том числе конъюнции (И(…)), дизъюнкции (ИЛИ(…)), импликации (ЕСЛИ(…)), МАКС(…), МИН(…), НАИБОЛЬШИЙ(…), НАИМЕНЬШИЙ(…), ИНДЕКС(…) и их комбинации. Выделяется три типа ТИИ СЭУ: проектировочные, эксплуатационные и комбинированные ( проектноэксплуатационные), которые отличаются целями принятия решений и используемым при этом инструментарием . К первому типу относятся ТИИ, которые предусматривают обоснование состава главного и вспомогательного энергетических комплексов и систем энергетических установок. Ко второму типу – ТИИ обоснования оптимальных параметров процессов технического использования, технического обслуживания и ремонта СЭУ, а к третьему типу, в частности, относится ТИИ оценки сбалансированности состава судовой энергетической установки, поскольку для выполнения указанной процедуры необходимо знать параметры режима оптимального энергоиспользования при эксплуатации судна. 9.3. Проектировочные технологии искусственного интеллекта СЭУ Цель проектировочных ТИИ – обосновать и выбрать сбалансированный состав судовых энергетических установок из стандартизованного судового оборудования. 36 Семантическая сеть обоснования состава судовой энергетической установки (рис. 9.1) состоит из 10 вершин, отражающих группы объектов ( в данном случае показателей судового оборудования и элементов СЭУ ) и 21 дуги, которые отражают связи между объектами в виде соответствующих предикатов (формул). Рис. 9.1. Укрупненная семантическая сеть обоснования и выбора состава СЭУ Первая вершина семантической сети отражает массив исходных данных и данных судового оборудования, который (массив) является базой данных ТИИ. Содержание остальных вершин формируется с использованием формул, 37 которые размещаются в соотвествующих ячейках пакета Excel, создавая банк знаний о связях между объектами. Эти два ключевых элемента (база данных и банк знаний) - основа технологии, в результате реализации которой осуществляется автоматическое многопараметрическое альтернативное обоснование и выбор элементов СЭУ из адаптивно оцифрованных баз стандартизованного судового оборудования. 9.4.Адаптивная цифровизация баз судового оборудования Адаптивная цифровизация баз судового оборудования предусматривает: - систематизацию оборудования в базе по параметру (параметрам) назначения – основной параметр (параметры), определяющий пригодность оборудования выполнять необходимые функции; - расположение показателей оборудования в последовательности их размещения при выборе оборудования; - оценку соответствия показателей оборудования предъявляемым условиям ( требованиям) и присвоение оборудованию логической единицы, если тот или иной параметр соответствует предъявляемым требованиям, и логического нуля - если не соответствует; - цифровую ( в форме набора цифр) индексацию оборудования путем присвоения цифрового индекса, отражающего, например, его расположение в базе, если показатели оборудования отвечают всем предъявляемым требованиям или логического нуля, если показатели оборудования не соответствуют хотя бы одному из требований, с помощью комбинации из импликации и конъюнкции в виде цифровой индекс =ЕСЛИ(И(логическое выражение 1; логическое выражение 2; логическое выражение 3…); цифровой индекс; логический нуль)). В приложениях Б и Г представлена реализация рассмотренного алгоритма адаптивной цифровизации баз 38 применительно к главным передачам и котлам. Их оцифровывание отличаются тем, что в первом случае оно выполняется для каждого варианта передачи с помощью четырех логических выражений (на соответствие типа передачи, крутящего момента, передаточного числа и частоты вращения ведущего вала ) с разбивкой ключевого параметра ( в данном случае передаточного числа) на три диапазона, а во втором случае - с помощью двух логических выражений (на соответствие требованиям по типу и теплопроизводительности котлов) без разбивки параметров на диапазоны. Необходимость разбивки параметров на диапазоны особенно важна тогда, когда номенклатура обор удования с необходимыми показателями ограничена. Присвоенный таким образом оборудованию цифровой индекс имеет двоякий смысл: логический («да» - показатели оборудования удовлетворяют всем предъявляемым требованиям), и количественный – для автоматического выбора наибольшего из альтернатив, который ( выбор) производится с помощью комбинации из импликации, функций ИНДЕКС(…) и НАИБОЛЬШИЙ(…) в виде параметр оборудования =ЕСЛИ(логическое выражение; номер строки массива; ИНДЕКС(массив; номер строки; НАИБОЛЬШИЙ(массив цифрового индекса; порядковый номер наибольшего в массиве цифрового индекса))). Последняя логическая формула (предикат) является универсальной и с определенной корректровкой используется при выборе главных двигателей, главных передач, автономных и утилизационных котлов, дизель-генераторов и водоопреснительных установок, а также и оборудования систем СЭУ. 9.5. Комбинированная технология искусственного интеллекта СЭУ Цель комбинированной ТИИ – оценка сбалансированности выбранного состава СЭУ по согласованности параметров элементов установки и по балансу производства энергий и их расходу. 39 Как уже отмечалось, признаком сбалансированности состава СЭУ является то, что на оптимальном режиме работы главных двигателей схема энергообеспечения судна должна содержать столько логических нулей, сколько предусматривается (в данном случае два), а именно: предполагается, что на устойчивом ходовом режиме работы судна со сбалансированной СЭУ при Хо = х должно быть Хго = хг, Хуо = ху, Хоо = хо, а Хво = Хко = 0, где Хо, Хго, Хуо, Хоо ,Хво и Хко - количество номинально работающий на режиме оптимального энергоиспользования СЭУ главных двигателей, валогенераторов, утилизационных котлов, водоопреснительных установок, дизель-генераторов и автономных котлов, соответственно; х, хг, ху и хо - число главных двигателей, валогенераторов, утилизационных котлов и водоопреснительных установок в составе СЭУ. ТИИ оценки сбалансированности состава СЭУ (приложение Д) состоит из базы данных (исходные данные) и банка знаний. На первом этапе ТИИ определяет ограничения режимов работы главных двигателей в штатных (Кв = 1), облегченных (Кв = 0,85) и утяжеленных (Кв = 1, 25) условиях эксплуатации судна, а на втором - оптимальные режимы работы главных двигателей (режимы, обеспечивающие возможно минимальную энергоёмкость транспортировки при гарантированном снабжении судна вспомогательными энергиями и эсплуатационными ресурсами), параметры режимов оптимального энергоис- пользавания, строит схемы энерго- и ресурсообеспечения и делается оценку сбалансированности состава СЭУ. В данном случае обоснование оптимальных режимов работы главных двигателей выполняется с помощью логической формулы (6.2), а оценки сбалансированности состава СЭУ - с помощью следующей логической формулы ЕСЛИ(И(Хво = 0;Хко = 0;Хго = хг;Хуо = ху;Хоо = хо;Хо = х);1;0), где логическая единица свидетельствует, что сбалансированность состава обеспечена, логический нуль – нет. Практическое использование рассмотренных ТИИ становится не только возможным, но и необходимым, поскольку в современных условиях непременным атрибутом, по крайней мере, сложных судовых изделий, являются CALS-технологии на всех этапах их жизненного цикла. 40 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Акимов П.П. Судовые автоматизированные энергетические установки. М.: Транспорт, 1980. - 352 с. 2. Баёв, А.С. Энциклопедия энергетики судов смешанного плавания: монография / А.С.Баёв – Beau Bassin: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2020. – 320 с. 3. Баёв, А.С. Технологии искусственного интеллекта судовых энергетических установок: монография/ А.С.Баёв – Beau Bassin: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2019. – 186 с. 4. Баёв, А.С. Энергетические установки транспортных судов: монография / А.С.Баёв – Beau Bassin: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2019. – 378 с. 5. Баёв, А.С. Цифровые технологии судовой энергетики: учебное пособие / А.С.Баёв – Beau Bassin: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2019. – 116 с. 6. Баёв А.С. Тенденции развития энергетики транспорта в XXI веке. В кн. Интеллектуальные ресурсы интеграции: материалы российско-белорусского круглого стола (15 мая 2006 г. Минск). Вып.1/Под ред. П.А.Витязя. Сыктывкар, КРАГСиУ, 2007. 7. Баёв А.С. Судовая энергетика в XXI веке. //Морской вестник, 2003, № 2. - С.45-47. 8. Баёв А.С. Системы автоматизации судовых энергетических установок: учебное пособие. СПб.: СПбГУВК, 1998. - 114 с. 9. Баёв А.С., Глаголев А.Ф. Теплообменные аппараты судовых энергетических установок: учебное пособие. СПб.: СПбГУВК, 1996. - 54 с. 10. Баёв А.С. Энергообеспечение речных судов: учебное пособие. СПб.: СПбГУВК, 1995. - 63 с. 11. Болдырев О.Н. Судовые энергетические установки. Часть I. Дизельные и газотурбинные установки: учебное пособие. Северодвинск: Севмашвтуз, 2003. – 171 с. 12. Болдырев О.Н. Судовые энергетические установки. Часть II. Котлотурбинные энергетические установки: 41 учебное пособие. Северодвинск: Севмашвтуз, 2004. – 187 с. 13. Гогин А.Ф., Кивалкин Е.Ф., Богданов А.А. Судовые дизели: учебник. М.: Транспорт. 1988. - 438 с. 14. Енин В.И., Денисенко Н.И., Костылев И.И. Судовые котельные установки. М.: Транспорт, 1993. 15. Кане А.Б. Судовые двигатели внутреннего сгорания. СПб.: Судостроение, 1993. 16. Конаков Г.А., Васильев Б.В. Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация флота. М.: Транспорт,1980. - 423 с. 17. Курзон А.Г., Маслов Л.А. Судовые турбинные установки. Л.: Судостроение, 1991. - 192 с. 18. Лебедев О.Н., Калашников С.А. Судовые энергетические установки и их эксплуатация. М.: Транспорт,1987. 423 с. 19. Национальная стратегия развития искусственного интеллекта на период до 2030 года. Утверждена Указом Президента Российской Федерации от 10 октября 2019 года № 490. – 23 с. 20. Овсянников М.К., Петухов В.А. Судовые автоматизированные энергетические установки. М.: Транспорт, 1989. - 256 с. 21. Правила классификации и постройки морских судов. Том 1, 2 и 3. НД № 2-020101-072. - СПб.: Российский морской регистр судоходства, 2013. 22. Румб В.К., Яковлев Г.В., Шаров Г.И., Медведев В.В., Минасян М.А. Судовые дизельные энергетические установки: учебник/. СПб.: СПбГМТУ, 2007. - 535 с. 23. Судовые энергетические установки/Артемов Г.А., Волошин В.П., Захаров Ю.В., Шквар А.Я. Л.: Судостроение, 1987. - 480 с. 24. Суслов В.Ф., Даниловский А.Г., Ефимов О.И., Исаев И.И., Шаманов Н.П. Оптимизация судового машиностроительного оборудования. СПб.:СПбГМТУ, 2004. 42 Приложение А. Фрагмент ТИИ выбора главных передач Приложение Б. Адаптивно оцифрованная база главных передач 43 Приложение В. Фрагмент ТИИ выбора состава вспомогательного энергетического комплекса Приложение Г. Адаптивно оцифрованная база котлов 44 Приложение Д. ТИИ оценки сбалансированности состава судовой энергетической установки 45 Продолжение приложения Д 46