DISTRIBUTION OF ENERGY FLOW AND ANALYSIS OF INDUSTRIAL APPLICATION OF POWER COMPLEX OF CHEMICAL-PRODUCT TANKER
Abstract and keywords
Abstract (English):
The paper presents the power complex composition of 36 000 dwt chemical-product tanker. Based on the data from the log books, official protocols of tests and 3 000 complex measurements made during the process of ship exploitation the analysis of load distributions among the elements of the studied power complex and distributions of energy flows among consumers is made. The modes of loading power and vapor power complexes at the different stages of task performance are also analyzed. The list of calculations and the values of the factor of energy consumption and the factor of power generation presented in the form of e-tables are given.

Keywords:
ship, propulsion plant, energy flow, industrial application, energy utilization factor, energy generation factor
Text
В предлагаемой работе рассматривается энергетическая установка танкера химовоза-продуктовоза «CPO Germany» из крупной серии судов водоизмещением 36 000 т, в состав которой, наряду с машинно-движительным комплексом (МДК), включающим в себя главный двигатель (ГД) фирмы Hyundai MAN-B&W модели 6S50MC-C (6ДКРН 50/200), мощностью 9 480 кВт, валопровод и четырехлопастный гребной винт фиксированного шага также производства фирмы Hyundai, входят три вспомогательных дизель-генератора (ВДГ) фирмы HiMSEN 5H21/32 (5ЧН 21/32) и два паровых котла (ПК) фирмы AALBORG моделей MISSION OL и MISSION OC паропроизводительностью 18 000 и 3 100 кг/ч соответственно при давлении 0,7 МПа. Приводные генераторы HFC7 506-14K мощностью 780 кВт с напряжением 440 В и частотой 60 Гц обеспечивают все потребности судна в электроэнергии. Суда спроектированы и построены на класс LR 100A1 Ллойда Великобритании и имеют неограниченный район плавания (ледовое усиление ЛУ1 (неарктическое)). Имеется подруливающее устройство FRAMO мощностью 900 кВт; ГД, ВДГ и ПК работают на топливе с вязкостью до 700 мм2/с при температуре 50 °С. Система технического использования (ТИ) судов и судового энергооборудования предназначена для управления техническими средствами и организации использования топлив, смазочных масел и других рабочих тел. При этом решаются задачи обеспечения готовности технических средств к выполнению требуемых операций и их экономичной работы. Условия ТИ энергокомплексов определяются случайным характером процессов потребления энергии и отличаются разнообразием даже на судах одного типа. Кроме того, отсутствуют взаимосвязи в потреблении энергии различных видов (механическая, электрическая, тепловая). Судовая энергетическая установка (СЭУ) обеспечивает функционирование судна по прямому назначению – перевозку жидких грузов, работу других подсистем судна, жизнедеятельность экипажа, оказывает определяющее влияние на безопасность и эффективность эксплуатации танкера. Все расчеты, выполненные в ходе исследований, базируются на основе технической документации судна, статистической информации из судового и машинного журналов. Существует несколько характерных режимов работы танкера-химовоза: переход, стоянка в порту (на рейде), обогрев груза, промывка грузовых танков, переход без дополнительных операций, погрузка, выгрузка и смешанный режим. Для каждого из них характерны свои особенности распределения видов энергии. На основании информации, полученной из вахтенных журналов, выполнен анализ режимов нагружения ГД за рейс в грузу на переходе расстоянием 4 500 морских миль. Из рис. 1 видно, что 38 % времени рейса ГД работал на режимах нагружения близких к оптимальному, характеризующихся минимальным удельным эффективным расходом топлива ge и минимальным удельным расходом моторесурса. Отсутствовали предпосылки к перегрузке отдельных цилиндров и двигателя в целом. Рис. 1. Распределение нагрузки ГД за рейс На переходе, без обогрева груза, в работе попеременно находился один из трех ВДГ, за исключением моментов прохождения узкостей. Потребителями являются механизмы СЭУ и навигационное оборудование. Нагрузка на систему электроснабжения (СЭС) составляет при этом (14–15) % от номинальной. В процессе маневрирования и использования подруливающего устройства нагрузка на СЭС достигает до 70 % от номинальной. Во время разгрузочных операций нагрузка на СЭС составляет (75–95) % от номинальной за счет подключения гидроагрегатов. При погрузочных операциях гидроагрегаты не используются. Распределение нагрузки ВДГ и СЭС за рейс в целом представлены на рис. 2, а, б, в, г. Из рис. 2 видно, что ВДГ работают 90 % времени на долевых режимах, характеризующихся повышенным удельным эффективным расходом топлива, смазочного масла и моторесурса. Судовые потребители электроэнергии разделяются на основные и второстепенные. К основным относится оборудование, обеспечивающее движение и управление судном, безопасность мореплавания и борьбу за живучесть. Второстепенными потребителями являются системы вентиляции и жизнеобеспечения, палубные механизмы, грузовые устройства, системы гидравлики, система инертного газа, системы пароэнергетического комплекса. На судах рассматриваемой серии количество электроприводов составляет 121 единицу, общая мощность потребителей электроэнергии – порядка 3 000 кВт. Потребление электроэнергии определяется условиями выполнения судном поставленного задания. Этапы погрузки и выгрузки характеризуются стабильными уровнями потребления электроэнергии, а на этапе перехода уровень потребления электроэнергии зависит от вариантов использования оборудования пароэнергетического комплекса, обеспечивающего обогрев груза. На основании анализа нагружения судового оборудования в различных режимах работы судна представлены схемы распределения потоков электроэнергии по потребителям (рис. 3–5). а б в г Рис. 2. Распределение нагрузки: а – ВДГ 1; б – ВДГ 2; в – ВДГ 3; г – СЭС а б Рис. 3. Схема распределения потоков электроэнергии по потребителям на переходе с обогревом груза; а – собственно схема; б – описание схемы а б Рис. 4. Схема распределения потоков электроэнергии по потребителям при погрузке; а – собственно схема; б – описание схемы а б Рис. 5. Схема распределения потоков электроэнергии по потребителям при выгрузке; а – собственно схема; б – описание схемы В связи с необходимостью получения данных об эффективности использования электрической и тепловой энергии, а также численных значений коэффициента использования энергии и коэффициента ее выработки построены электронные таблицы для расчетов значений вышеперечисленных показателей. Так как все потребители электроэнергии не находятся в работе одновременно, интерес вызывают следующие вопросы ТИ СЭС и потребителей: - какое количество потребителей запитано от СЭС в данных условиях рейса; - каково их долевое потребление энергии от вырабатываемой СЭС в данных условиях рейса; - какова эффективность использования СЭС в данных условиях рейса. В табл. 1 приведены расчетные значения распределения потоков электроэнергии в условиях перехода судна с обогревом груза. В табл. 1 отражены: перечень потребителей, сгруппированных по своему назначению и судовым системам, к которым они относятся; количество потребителей своей группы, находящихся в работе; доля потребления энергии группой потребителей; коэффициент использования энергии потребителем (группой однотипных потребителей). Таблица 1 Результаты расчетов Потребители Системы и устройства Агрегат В работе Потребляемая мощность, кВт Суммарная потребляемая мощность, кВт КВЭ КТИ Основные Системы МДК и ВДГ 1. Насос з. в. ЦСО 1 из 3 42,60 42,6 0,184 0,039 2. Насос п. в. НТ контура ЦСО 2 из 3 42,60 85,2 0,078 3. Насос п. в. ВТ контура ЦСО 1 из 2 17,30 17,3 0,016 4. Масляный насос ГД 1 из 2 63,00 63 0,058 5. Компрессор пускового воздуха 1 из 2 35,00 35 0,032 6. Насос химической очистки воздухоохладителя ГД 0 из 1 1,73 0 0,000 7. Компрессор сервисного воздуха 1 из 1 22,00 22 0,020 8. Насос лубрикаторной системы ГД 1 из 2 2,20 2,2 0,002 9. Автоматический масляный фильтр ГД 1 из 1 0,09 0,09 0,000 10. Насос предварительной смазки ВДГ 1 из 3 0,85 0,85 0,001 11. Валоповоротное устройство 0 из 1 2,20 0 0,000 Системы ВПК и УК 1. Питательные насосы ВПК 1 из 2 21,30 21,3 0,354 0,019 2. Питательные насосы УК 1 из 2 8,60 8,6 0,080 0,008 3. Дутьевой вентилятор ВПК 1 из 1 64,00 64 0,058 4. Форсунка УК 1 из 1 4,60 4,6 0,004 5. Дистиллятный насос опреснительной установки (ОУ) 1 из 1 0,75 0,75 0,001 6. Насос рабочей воды эжектора ОУ 1 из 1 17,30 17,3 0,016 Системы подготовки ГСМ 1. Вискоратор и автоматический фильтр 1 из 1 0,09 0,09 0,025 0,000 2. Циркуляционные насосы топливного модуля 1 из 2 4,60 4,6 0,004 3. Топливоподкачивающие насосы ГД и ВДГ 1 из 2 2,53 2,53 0,002 4. Циркуляционный насос дизельного топлива (ДТ) ВДГ 0 из 1 1,30 0 0,000 5. Топливные насосы ВПК 1 из 2 3,60 3,6 0,003 6. Циркуляционные насосы форсунки УК 1 из 2 0,50 0,5 0,000 7. Сепараторы ВТ 1 из 2 5,50 5,5 0,005 8. Насос сепаратора ВТ 1 из 2 1,27 1,27 0,001 9. Сепараторы масла 2 из 2 5,50 11 0,010 10. Насос сепаратора масла 2 из 2 0,86 1,72 0,002 11. Насосы перекачки ВТ 1 из 1 6,33 6,33 0,006 12. Насосы перекачки ДТ 0 из 1 6,33 0 0,000 13. Насос перекачки масла 0 из 1 1,73 0 0,000 Системы управления судном 1. Насос рулевой машины (РМ) 1 из 2 35,00 35 0,045 0,032 2. Маслоохладитель РМ 1 из 2 0,30 0,3 0,000 3. Навигационные приборы и освещение 1 из 1 30,00 30 0,027 Системы безопасности жизнедеятельности 1. Осушительный насос 0 из 1 0,75 0 0,020 0,000 2. Пожарный насос 1 ск 0 из 2 98,00 0 0,000 2а. Пожарный насос 2 ск 1 из 2 29,00 29 0,026 3. Насос пенообразователя 0 из 1 5,50 0 0,000 4. Шлюпочная лебедка 0 из 1 5,50 0 0,000 5. Насос сплинклерной СПР 0 из 1 5,50 0 0,000 6. Аварийный пожарный насос 0 из 1 34,50 0 0,000 7. Аварийный воздушный компрессор 0 из 1 6,70 0 0,000 Продолжение табл. 1 Потребители Системы и устройства Агрегат В работе Потребляемая мощность, кВт Суммарная потребляемая мощность, кВт КВЭ КТИ Второстепенные Грузовые устройства 1. Провизионный кран 0 из 1 11,00 0 0,000 0,000 2. Кран для грузовых шпангов 0 из 1 45,00 0 0,000 Система инертного газа 1. Вентиляторы СИГ 0 из 2 62,00 0 0,000 0,000 2. Топливный насос СИГ 0 из 2 1,25 0 0,000 3. Насос орошения СИГ 0 из 1 86,00 0 0,000 4. Насос гидроуплотнения СИГ 0 из 2 2,53 0 0,000 5. Форсунка СИГ 0 из 1 0,09 0 0,000 Системы вентиляции 1. Вентиляторы МКО 4 из 4 15,00 60 0,077 0,055 2. Вентиляторы СКВ 1 из 1 17,30 17,3 0,016 3. Компрессор СКВ 1 из 2 34,50 34,5 0,032 Системы гидравлики 1. Электрогидроагрегат FRAMO 1 из 3 420,00 420 0,304 0,384 2. Бустерный насос FRAMO 2 из 3 11,00 22 0,020 3. Маслоперекачивающий насос FRAMO 0 из 1 1,30 0 0,000 4. Система дистанционного управления клапанов грузовой и балластной систем 1 из 2 1,75 1,75 0,002 Системы жизнеобеспе-чения 1. Камбуз 1 из 1 4,00 4 0,016 0,396 0,004 2. Вдувной вентилятор 1 из 1 0,43 0,43 0,000 3. Вытяжной вентилятор 1 из 1 0,43 0,43 0,000 4. Компрессор провизионной рефрижераторной установки 1 из 2 6,33 6,33 0,006 5. Вентиляторы воздухоохладителей 3 из 3 0,20 0,6 0,001 6. Насосы гидрофоров 1 из 2 2,53 2,53 0,002 7. Циркуляционный насос горячей воды 1 из 1 2,53 2,53 0,002 8. Вакуумный насос санитарной установки 2 из 2 2,55 5,1 0,005 9. Вентилятор санитарной установки 1 из 1 0,90 0,9 0,001 Другие системы и устройства 1. Лебедка парадного трапа 0 из 2 3,70 0 0,000 0,000 2. Кран МКО 0 из 1 2,75 0 0,000 3. Насос перекачки шлама 0 из 1 4,60 0 0,000 Аналогично рассчитывается распределение потоков электроэнергии в любом другом режиме работы танкера. Данная методика применима для любых типов судов. По данным табл. 1 рассчитываем коэффициент выработки электроэнергии (КВЭ): КВЭ = Nсум/Nген = 1094,63/1460,00 = 0,75, где Nсум – мощность на шинах главного распределительного щита (ГРЩ), принимается равной суммарной мощности потребителей, находящихся в работе в данных условиях, и не учитывает реактивной составляющей; Nген – суммарная номинальная мощность генераторов, параллельно работающих на шины ГРЩ. Коэффициент использования СЭС (КИсэс) рассчитывается по формуле КИсэс = Nсум / Nсэс = 1094,63/2190,00 = 0,50, где Nсэс – мощность судовой электростанции. Коэффициент технического использования (КТИ) элемента или коэффициент использования энергии потребителем рассчитан для каждого потребителя (группы однотипных потребителей) по следующей формуле и приведен в табл. 1: КТИ = Nпотр/ N`сумм = Nпотр/ Nсум, где Nпотр – мощность потребителя; N`сум – мощность, вырабатываемая СЭС в данных условиях (принимается численно равной Nсум, без учета потерь при передаче электроэнергии от ГРЩ к потребителю). Количество генераторов, работающих в параллели на шины ГРЩ, – два из трех, суммарная мощность Nген при этом составляет 1 460 кВт. Проведен также анализ распределения потоков электроэнергии в случаях погрузки и выгрузки. По данным расчетов построены гистограммы энергопотребления основными и второстепенными потребителями (рис. 6, а), значений КВЭ (рис. 6, б) и коэффициента использования судовой электростанции (рис. 6, в). а б в Рис. 6. Гистограммы: а – распределения потоков электроэнергии; б – значений КВЭ; в – коэффициента использования СЭС Выполнен анализ режимов нагружения пароэнергетического комплекса на этапах выполнения задания (рис. 7). Рис. 7. Распределение нагрузки пароэнергетического комплекса: 1 – переход и стоянка в порту с обогревом груза; 2 – переход и стоянка в порту с промывкой грузовых танков; 3 – переход и стоянка в порту без дополнительных операций На основании анализа использования потребителей пара на переходе и разгрузке с подогревом груза представлена схема распределения потоков тепловой энергии (рис. 8). Основными потребителями являются элементы СЭУ и система борьбы с пожаром. К второстепенным относятся системы жизнеобеспечения, венлиляции, подогрева груза. Общая паропроизводительность комплекса в данном случае составляет 20 000 кг/ч, из которых 16 % производимого пара расходуется основными потребителями и 77,5 % – второстепенными, а 6,5 % пара сбрасывается регулирующим клапаном в конденсатор. По результатам анализа использования потребителей пара на переходе и стоянке в порту с промывкой грузовых танков представлена схема распределения потоков тепловой энергии (рис. 9). а б Рис. 8. Схема распределения потоков тепловой энергии по потребителям на переходе и выгрузке в порту с подогревом груза; а – собственно схема; б – описание схемы а б Рис. 9. Схема распределения потоков тепловой энергии потребителям на переходе и стоянке в порту с промывкой грузовых танков; а – собственно схема; б – описание схемы Общая паропроизводительность комплекса в данном случае составляет 17 000 кг/ч, из которых 16 % производимого пара расходуется основными потребителями и 70 % второстепенными, а 14 % пара сбрасывается регулирующим клапаном в конденсатор. По результатам анализа использования потребителей пара на переходах и стоянке в порту без дополнительных операций представлена схема распределения потоков тепловой энергии (рис. 10). При отсутствии операций, связанных с обогревом груза или промывкой грузовых танков, потребление пара не превышает 2 000 кг/ч и обеспечивается работой утилизационного комбинированного парового котла. При этом 70 % производимого пара расходуется основными потребителями и 30 % – второстепенными. В связи со спецификой перевозки различных жидких грузов на танкере в некоторых случаях возникает необходимость их длительного и безостановочного обогрева, что, в свою очередь, вызывает необходимость дополнительной выработки большого количества тепловой энергии в виде насыщенного пара. В табл. 2 приведены расчетные значения распределения потоков тепловой энергии в условиях перехода судна с обогревом груза. В табл. 2 отражены: перечень потребителей, сгруппированных по своему назначению и судовым системам, к которым они относятся; количество и нагруженность потребителей своей группы, находящихся в работе; доля потребления энергии группой потребителей; коэффициент использования энергии потребителем (группой однотипных потребителей); КВЭ. а б Рис. 10. Схема распределения потоков тепловой энергии без дополнительных операций; а – собственно схема; б – описание схемы Таблица 2 Распределение потоков тепловой энергии по потребителям, результаты расчетов Потребители Система или устройство Агрегат/ Узел В работе D, кг/ч КВЭ КТИ Основные Системы борьбы с пожаром 1. Система паротушения 0,00 из 1 0 0,00 0,00 Системы подготовки ГСМ 1. Теплообменники танков и цистерн МКО 0,50 из 1 250 0,04 0,12 0,02 2. Теплообменники сепараторов высоковязкого топлива 1,00 из 2 98 0,01 3. Теплообменники сепараторов циркуляционной масляной системы 2,00 из 2 120 0,01 45. Спутниковый обогрев 1,00 из 1 20 0,00 5. Теплообменники топливного модуля 1,00 из 2 0 0,00 6. Топливоподогреватель ВПК 1,00 из 1 250 0,02 Системы ВПК И УК 1. Система сажеобдува ВПК 0,25 из 1 50 0,00 2. Теплый ящик. Паровой инжектор 0,25 из 1 38 0,00 3. Форсунка ВПК. Пар на распыл 1,00 из 1 1 200 0,08 0,07 4. Обогрев водяного пространства ВПК и УК 1,00 из 2 300 0,02 Система обогрева ГД 1. Пароводяной теплообменник системы охлаждения ГД 0,15 из 1 31 0,00 2. Опреснительная установка 0,00 из 1 0 0,00 0,00 Второстепенные Системы жизнеобеспечения 1. Водоподогреватели 1,00 из 1 10 0,00 0,72 0,00 2. Паровой обогрев помещения АДГ и СО2 0,00 из 2 0 0,00 Системы вентиляции 1. Теплообменники воздуха 1,00 из 2 200 0,01 0,01 Система обогрева груза 1. Циркуляция подогреватели груза 12 из 12 12 000 0,71 0,75 2. Змеевиковые обогреватели сборных цистерн 2,00 из 2 1 500 0,09 Система мойки танков 1. Кожухотрубный подогреватель моечной воды 0,00 из 1 0 0,00 0,00 Сброс излишнего пара на конденсатор 18 % из 100 % 2 933 2,04 Паровые котлы Вспомогательный паровой котел 1 из 1,00 18 000 Утилизационный комбинированный паровой котел Форсунка 0 из 1,00 0 19 000 Газы от ГД 1 из 1,00 1 000 Комбинир. 0 из 1,00 0 Таким же образом рассчитывается распределение потоков тепловой энергии в любом другом режиме работы танкера данной серии. По данным табл. 2 рассчитываем коэффициент выработки тепловой энергии (КВЭт): КВЭт = Dсум/ Dспк = 16067/19000 = 0,85, где Dсум – суммарное паропотребление; Dспк – суммарная номинальная паропроизводительность параллельно работающих судовых паровых котлов (СПК). Коэффициент использования (КИпэк) рассчитывается по формуле КИпэк = Dсум / Dпэк = 16067/21100 = 0,76, где Dпэк – суммарная номинальная паропроизводительность всех СПК. Коэффициент технического использования (КТИт) элемента или КВЭт потребителем рассчитан для каждого потребителя (группы однотипных потребителей) по следующей формуле и приведен в табл. 2. КТИт = Dпотр/Dсум, где Dпотр – паропотребление данным элементом. Выполнен анализ распределения потоков тепловой энергии в случаях погрузки и выгрузки. По данным расчетов построены гистограммы энергопотребления основными и второстепенными потребителями (рис. 11, а), коэффициентов выработки тепловой энергии (рис. 11, б) и коэффициентов использования ПЭК (рис. 11, в). а б в Рис. 11. Гистограммы: а – распределения потоков тепловой энергии; б – коэффициентов выработки тепловой энергии; в – коэффициентов использования ПЭК Случайность процессов потребления всех видов энергии на судах данного типа определяется рядом факторов, таких как заданный бюджет ходового времени, вид и количество перевозимого груза, зачистные и балластные операции. В общем случае задачи системы ТИ формируются следующим образом [1]: - выбор наивыгоднейших режимов работы судов и их энергокомплексов; - использование оптимальных методов контроля, регулирования и управления, позволяющих с помощью соответствующих технических средств обеспечить поддержание заданных эксплуатационных характеристик элементов судовых энергокомплексов; - поиск путей рационального использования энергоносителей; - разработка нормативов, положений и правил, способствующих решению ТИ с наименьшими затратами. Для решения поставленных задач необходимо иметь более полную информацию об условиях эксплуатации судов, что позволит сформировать характерные в конкретных условиях показатели потребления всех видов энергии. Использование методов имитационного и математического моделирования дает возможность с достаточной вероятностью прогнозировать распределение энергопотоков, режимы работы элементов энергокомплекса и потребления энергоносителей.
References

1. Petuhov V. A. Sovershenstvovanie ocenki effektivnosti toplivoispol'zovaniya v sudovyh dizel'nyh ustanovkah / V. A. Petuhov // Dvigatelestroenie. 1988. № 6. S. 40–42.