РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ И АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСА ТАНКЕРА ХИМОВОЗА-ПРОДУКТОВОЗА
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Представлен состав энергетического комплекса танкера химовоза-продуктовоза из крупной серии судов водоизмещением 36 000 т. На основании информации вахтенных журналов, официальных протоколов испытаний, а также на основе около 3 000 комплексных измерений, произведённых в процессе эксплуатации судна, был выполнен анализ распределений нагрузок на элементы исследуемого энергокомплекса и распределений потоков энергии по потребителям. Выполнен анализ режимов нагружения электро- и пароэнергетического комплексов на различных этапах выполнения задания. Приведены порядок расчета и значения коэффициента использования энергии и коэффициента выработки энергии в виде электронных таблиц.

Ключевые слова:
судно, машинно-движительный комплекс, поток энергии, техническое использование, коэффициент использования энергии, коэффициент выработки энергии
Текст
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.
Список литературы

1. Петухов В. А. Совершенствование оценки эффективности топливоиспользования в судовых дизельных установках / В. А. Петухов // Двигателестроение. 1988. № 6. С. 40-42.


Войти или Создать
* Забыли пароль?