Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Представлены: краткие характеристики судов проекта 36K HMD2123; состав и технические характеристики судовой электростанции (СЭС); анализ режимов нагружения СЭС для характерного рейсового задания. Предложена методика расчета коэффициента эффективности топливоиспользования с учетом основных эксплуатационных факторов, изменяющихся во времени. По результатам расчетов выполнен анализ причин снижения топливной эффективности СЭС и даны следующие рекомендации по ее повышению: использовать минимальное количество потребителей электроэнергии с точки зрения их загруженности и необходимости для выполнения судном конкретной операции; не допускать работы вспомогательных дизель-генераторов (ВДГ) на малых нагрузках; для характерных операций на борту должны иметься заранее просчитанные планы по управлению энергетической эффективностью судна в части выработки и потребления электроэнергии; производить своевременное техническое обслуживание двигателей электростанции; контролировать равномерность распределения активных и реактивных мощностей по генераторам, работающим в параллели, и своевременно устранять причины возникновения неравномерностей их распределения. Определены: коэффициент использования мощности вспомогательного двигателя, ресурсный коэффициент вспомогательного двигателя и коэффициент реактивной мощности, а также коэффициенты их значимости. Построен график и аппроксимирована зависимость изменения удельного эффективного расхода топлива от эффективной мощности с целью определения оптимального режима нагружения для двигателя типа 5ЧН 21/32 исходя из эксплуатационных данных по тепловой и механической напряженности, а также рекомендаций завода-изготовителя. Показано изменение коэффициента эффективности топливоиспользования ВДГ и СЭС в зависимости от ресурса двигателя, использования мощности двигателя и качества вырабатываемой дизель-генератором энергии. Рассмотрен факт влияния технического состояния топливной аппаратуры дизеля на его топливную эффективность, дана оценка этого влияния и сделан вывод о необходимости использования удельного эффективного расхода топлива в предложенной методике как параметра, неразрывно связанного с техническим состоянием двигателя.

Ключевые слова:
судно, судовая электростанция, удельный эффективный расход топлива, коэффициент эффективности топливоиспользования, коэффициент значимости, анализ, расчет, танкер химовоз-продуктовоз, техническое состояние
Текст
Введение В свете мировых тенденций повышения требований к экономичности и экологичности судов в их эксплуатации очевидна необходимость оценки эффективности использования топлива их энергетическими установками. Одним из основных потребителей топлива на судах наряду с машинно-движительным комплексом (МДК) является судовая электростанция (СЭС). Оценка эффективности работы судовой электроэнергетической системы (СЭЭС) складывается из эффективности топливоиспользования, связанной с выработкой энергии, ее распределением и потреблением. Предлагается методика расчета, позволяющая определить топливную эффективность СЭС. Состав СЭС В качестве примера рассматривается СЭС танкера химовоза-продуктовоза большой серии судов проекта 36K HMD2123 судостроительного завода «Hyundai MIPO». Суда спроектированы и построены на класс LR 100A1, Double Hull Oil and Chemical Tanker, Ship Type 2 ESP CSR LMC, UMS, Ice Class 1 AFS, COW, *IWS, LI, IGS Ллойда Великобритании, имеют неограниченный район плавания (ледовое усиление (ЛУ1) (неарктическое)), оснащены системами инертного газа и удовлетворяют основным международным требованиям и правилам. Судовая электростанция включает в себя три вспомогательных дизель-генератора (ВДГ) 5H 21/32 (5ЧН 21/32), рассчитанных на топливо, вязкостью до 700 мм2/с при температуре 50 ºС, и главный распределительный щит (ГРЩ), оборудованный автоматической системой распределения нагрузки «ACONIS». Основные элементы и характеристики электрогенераторных установок приведены в табл. 1. Таблица 1 Основные характеристики электрогенераторных установок Назначение, тип, марка Количество Мощность, кВт Напряжение, В Об/мин Род тока Частота, Гц HFC7 506-14K Вспомогательный генератор 3 730 440 720 Переменный 60 Характеристики вспомогательных двигателей Год и место постройки 2007, Южная Корея Завод-изготовитель Hyundai HiMSEN Тип, марка 5H21/32 Количество 3 Номинальная мощность, кВт 780 Частота вращения коленчатого вала, об/мин 720 Число цилиндров 5 Диаметр цилиндра, мм 210 Ход поршня, мм 320 Система охлаждения пресной водой 2-контурная Система запуска Воздушная (пневмостартер) Удельный эффективный расход топлива, г/(кВт ∙ ч) 194,36 Среднее эффективное давление в цилиндре, МПа 2,41 Выбор оптимального режима работы ВДГ По результатам стендовых испытаний ВДГ, которыми оборудованы суда рассматриваемого проекта, построена и аппроксимирована зависимость удельного эффективного расхода топлива ge от эффективной мощности на валу дизеля f (Ne) (рис. 1). Рис. 1. Зависимость удельного эффективного расхода топлива от эффективной мощности вспомогательного дизеля 5H 21/32 Исходя из эксплуатационных данных по тепловой и механической напряженности, а также рекомендаций завода-изготовителя о диапазоне нагружения ВДГ (75-85 % паспортного значения, обеспечив баланс ресурса дизеля, запаса по располагаемой мощности и экономичности работы) выбран оптимальный режим нагружения ВД (точка «оптимум»). Из рис. 1 видно, что оптимальный с точки зрения эксплуатации режим нагружения двигателя не характеризуется минимальным ge. Это связано с проектными особенностями дизеля, минимум по ge достигается при 100 % режиме нагружения. 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 электрической энергии. Результаты расчета характерных режимов нагружения СЭС приведены в табл. 2. Таблица 2 Характерные режимы нагружения СЭС по опыту эксплуатации Параметр Морской переход Выгрузка Стоянка в порту Без дополнительных операций Помывка танков Суммарная нагрузка на СЭС, кВт 390 660 1740 350 Мощность генератора, кВт 730 730 730 730 Количество генераторов в работе, уст. 1 2 3 1 КВЭ, % 53 45,2 79,5 48 Из табл. 2 видно, что на режиме перехода судна без дополнительных операций коэффициент выработки энергии (КВЭ) [1] составляет 53 %, что на 30,5 % ниже проектного значения. Методика расчета коэффициента эффективности топливоиспользования СЭС Суть данной методики заключается в анализе статистической информации о режимах нагружения и выводе ряда формул, позволяющих оценить топливную эффективность электростанции и выработанной ею энергии. Результаты мониторинга параметров электрогенераторной установки в эксплуатации на режиме перехода без дополнительных операций представлены в табл. 3. Таблица 3 Выдержка из протокола мониторинга основных параметров электрогенераторной установки в эксплуатации Генератор № 2 Активная мощность генератора, P, кВт Средневзвешенное значение токов обмоток генератора, I, A Средневзвешенное значение напряжения в щитах, U, В Частота тока, f, Гц Реактивная мощность генератора, Q, квар Полная мощность, S, кВ ∙ A Эффективная мощность на валу дизеля, Ne, кВ Средневзвешенное значение сдвига по фазе между векторами тока и напряжения, cos f 390 634 447 60 298 491 422 0,795 383 632 447 60 305 489 415 0,783 402 655 447 60 309 509 437 0,794 380 626 449 60 304 487 411 0,781 384 632 449 60 307 492 416 0,781 393 647 449 60 314 503 425 0,781 400 646 449 60 304 502 433 0,796 391 648 449 60 318 504 423 0,776 398 630 449 60 286 490 431 0,812 396 634 449 60 294 493 429 0,803 380 635 450 60 317 495 411 0,768 384 645 449 60 323 502 416 0,766 385 650 449 60 328 505 417 0,762 387 648 449 60 323 504 419 0,768 Показания приборов снимались четыре раза за сутки в течение часа с интервалом 1 мин. В течение контрольного времени производился также замер расхода топлива. Эксперимент повторялся как для каждого ВДГ в отдельности, так и при их работе в параллели на шины главного распределительного щита (ГРЩ). Массив данных, накопленных за 5 лет эксплуатации судов рассматриваемого проекта, позволил вывести некоторые зависимости, отражающие эффективность эксплуатации СЭС. В результате вводится коэффициент эффективности использования топлива ВДГ: = , где - коэффициент использования мощности ВДГ (power utilization factor of generator plant), представляющий отношение значения текущей мощности к рекомендуемой длительной эксплуатационной ; - коэффициент значимости использования мощности ВДГ (generator plant power utilization significance factor), представленный отношением удельных эффективных расходов топлива и при и режимах нагружения ВДГ; - коэффициент ресурсный ВДГ (auxiliary engine service life factor), представляющий отношение выработанного ресурса к паспортному ; - коэффициент значимости ресурсного показателя (auxiliary engine service life significance factor), представленный выражением [1-/(+)], где - увеличение удельного эффективного расхода топлива по мере вырабатывания ресурса ВДГ; - коэффициент реактивной мощности (reactive power factor), представляющий отношение изменения средневзвешенного значения к его наилучшему расчетному значению; - коэффициент значимости реактивной нагрузки (reactive power significance factor), представленный отношением реактивной мощности генератора Q к его активной мощности P или . Все указанные технико-эксплуатационные показатели отнесены к наилучшему значению для приведения к безразмерному виду [2] для расчета коэффициента эффективности топливоиспользования ВДГ: . (1) Расчетные значения коэффициента эффективности топливоиспользования одного генератора, работающего на шины ГРЩ, представлены в табл. 4. Таблица 4 Результаты расчета KFEG одного генератора Величина Обозначение Значение 1 2 3 4 5 6 7 Экспл. оптимум Длительная эксплуатация Мощность дизеля, % % 78 78 78 78 53 53 53 Ток, А I 898,1 850,0 920,0 916,0 626,0 635,0 642,0 Напряжение, В U 450 450 450 450 450 450 450 Косинус cos f 0,800 0,741 0,750 0,770 0,781 0,768 0,759 Реактивная мощность генератора, квар Q 420 444 473 456 304 317 326 Активная мощность генератора, кВт P 560 560 560 560 380 380 380 Полная мощность генератора, В × А S 700,0 661,0 715,5 714,0 486,8 494,9 500,4 КПД генератора h 0,9243 0,9243 0,924 0,9243 0,9237 0,9237 0,9237 Эффективная мощность дизеля, кВт Ne 606 606 606 606 411 411 411 Наработка, тыс. ч R 0 2 9 25 25 25 25 Коэффициент реактивной мощности KQ 0,000 0,074 0,063 0,038 0,024 0,040 0,051 Коэффициент использования мощности KPUG 1,000 1,000 1,000 1,000 0,679 0,679 0,679 Коэффициент ресурсный KRG 0,000 1,000 0,281 0,781 0,781 0,781 0,781 Коэффициент значимости (реактивной мощности) 0,750 0,793 0,845 0,813 0,801 0,834 0,857 Коэффициент значимости (использования мощности) 1,000 0,985 0,933 0,980 0,895 0,895 0,907 Коэффициент значимости (ресурса) 0,000 0,015 0,067 0,020 0,105 0,105 0,093 Удельный эффективный расход топлива, г/(кВт ∙ ч) ge 196,0 199,0 210,0 200,0 219,0 219,0 216,0 Коэффициент эффективности топливоиспользования КFEG 1,00 0,91 0,86 0,93 0,51 0,49 0,50 С увеличением часов наработки агрегата (значения 1-3) происходит уменьшение топливной эффективности его использования, связанное с ухудшением технического состояния двигателя. Рост реактивной мощности вызван увеличением количества запитанных активно-индуктивных потребителей. Это связано с производственными и техническими нуждами и приводит к уменьшению cos f, негативно отражаясь на качестве использования вырабатываемой энергии. Плановая переборка топливных насосов высокого давления (ТНВД) на 16 тыс. ч и замена резиновых уплотняющих колец на тефлоновые манжеты, в соответствии с циркуляром компании HiMSEN о модификации ТНВД, привела к уменьшению протечек топлива между корпусом и втулкой ТНВД, что, в свою очередь, повлияло на уменьшение удельного эффективного расхода топлива, т. к. измерение проводилось по показаниям счетчиков объемного расхода и учитывало протечки внутри корпуса ТНВД (точка 4 как результат). Таким образом, очевидна необходимость использования удельного эффективного расхода топлива в предложенной методике как параметр, неразрывно связанный с техническим состоянием двигателя. Значения 4-7 отражают изменение топливной эффективности использования генераторной установки в относительно короткий промежуток времени, который не превышает 1000 ч при общей наработке 25 т/ч. Уменьшение КFEG (значения 4-5) характеризуется уменьшением нагрузки на генератор, уровень которой характерен для большей части времени работы ВДГ [3]. Дальнейшее снижение КFEG (значения 5-6) связано с увеличением реактивной составляющей мощности и, соответственно, с уменьшением cos f. Испытание дизель-генератора, проведенное после планового технического обслуживания (ТО) двигателя, показало, что с падением удельного эффективного расхода топлива на 5 % эффективность топливоиспользования установкой увеличилась на 7 % (значение 4). Результаты расчета, приведенные в табл. 4, представлены в графической форме, где отражено значение в каждом из отдельно рассматриваемых случаев (рис. 2). Рис. 2. Графическое представление результатов расчета коэффициента эффективности топливоиспользования по (1) Для расчета коэффициента эффективности топливоиспользования СЭС (KFEPP) при работе двух и более генераторов в параллели на шины ГРЩ предлагается использовать следующую формулу: , (2) где - коэффициент эффективности топливоиспользования j-го дизель генератора; n - количество генераторов, работающих в параллели на шины ГРЩ. По экспериментальным данным рассчитывается коэффициент выработки электроэнергии (КВЭ) [1]: КВЭ = Pсум/(n × Pген), (3) где Pсум - суммарная активная мощность на шинах ГРЩ, принимается равной суммарной мощности потребителей, находящихся в работе в данных условиях, не учитывающая реактивной составляющей; Pген - суммарная номинальная мощность генераторов, параллельно работающих на шины ГРЩ [1]. Коэффициент использования СЭС (КИсэс) рассчитывается следующим образом: КИсэс = Pсум/Pсэс, (4) где Pсэс - суммарная номинальная активная мощность генераторов судовой электростанции. В табл. 5 приведены результаты расчета по (2)-(4) для одного из характерных рейсовых заданий. Рассматриваются режимы работы СЭС на океанском переходе судна с периодическим обогревом груза, последующей выгрузкой и стоянкой в порту. Таблица 5 Результаты расчета эффективности использования СЭС и выработанной ею энергии для характерного рейсового задания Параметр Морской переход Выгрузка Стоянка в порту Без дополнительных операций Обогрев груза Суммарная нагрузка на СЭС, кВт 400 790 1217 380 Количество генераторов в работе, уст. 1 3 3 1 КВЭ, % 54,8 36,1 55,6 52,1 КИСЭС, % 18,3 36,1 55,6 17,4 KFEPP, % 52,2 10,8 58,6 51,7 Графически результаты расчета представлены на рис. 3. Режим морского перехода с обогревом груза характеризуется большим запасом по располагаемой мощности СЭС (низкий КВЭ) и низкой топливной эффективностью (KFEPP). Данный факт отражает неэффективность использования технических средств, что ведет к перерасходу топлива и ресурса механизмов. Рис. 3. Графическое представление результатов расчета эффективности использования СЭС и выработанной ею энергии для характерного рейсового задания Расчеты показывают, что при работе генераторов в параллели при малых нагрузках коэффициенты топливной эффективности ВД снижаются вследствие увеличения ge и снижения качества использования выработанной энергии (рис. 4). Рис. 4. Расчетные коэффициенты эффективности топливоиспользования ВДГ при работе в параллели Сравнительные различия KFEG в данном случае в большей мере обусловлены неравномерностью распределения реактивной мощности и токов между генераторами, работающими в параллели. Причиной высокой реактивной мощности, влияющей на качество использования выработки энергии является работа трех электродвигателей насосов системы гидравлики (каждый номинальной мощностью 440 кВт) на режиме близкому к холостому ходу, что является фактом неэффективного использования технических средств. Заключение По результатам анализа даны следующие рекомендации для оптимизации работы СЭС - повышения ее топливной эффективности и качества использования выработанной электроэнергии (ЭЭ): 1. Использовать минимальное количество потребителей ЭЭ с точки зрения их загруженности и необходимости для выполнения судном конкретной операции. 2. Не допускать работы ВДГ на малых нагрузках (повышение КВЭ, уменьшение ge). 3. Для характерных операций на борту должны иметься заранее просчитанные планы по управлению энергетической эффективностью судна в части выработки и потребления ЭЭ. 4. Производить своевременное ТО двигателей электростанции. 5. Контролировать равномерность распределения активных и реактивных мощностей по генераторам, работающим в параллели, и своевременно устранять причины возникновения неравномерностей их распределения.
Список литературы

1. Попов Е. С. Анализ использования энергии СЭУ танкера химовоза-продуктовоза / Е. С. Попов, О. С. Можаев // Материалы 9-й Междунар. конф. «Морская индустрия, транспорт и логистика в странах региона Балтийского моря: новые вызовы и ответы». Калининград: Изд-во БГАРФ, 2011. 74 с.

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

3. Попов Е. С. Анализ технического использования энергокомплекса танкера химовоза-продуктовоза / Е. С. Попов, О. С. Можаев // Материалы 8-й Междунар. конф. «Морская индустрия, транспорт и логистика в странах региона Балтийского моря: новые вызовы и ответы». Калининград: Изд-во БГАРФ, 2010. С. 149-161.