? улучшение безопасности и условий эксплуатации вследствие экономии топлива и бездымной работы.

Предотвращение утечек топлива обеспечивается: трубопроводом высокого давления с двойными стенками; системой сигнализации; удалением утечек.

Система поддерживает давление с колебаниями в пределах ±10 МПа т.е.около 0,5 %.

Срок службы элементов системы превосходит обычные узлы топливных систем.

Стоимость не превосходит обычных систем для конкретного двигателя.

Концепция и основные элементы ЭСУ функционированием ВОД фирмы Caterpillar

Двигатели этой фирмы относятся к массовой продукции, что находит специфическое отражение на применение в них ЭСУ по сравнению с МОД и СОД.

Управляющий компьютер дизеля - Electronic Control Module (ЕСМ) является «мозгом» двигателя. У двигателей типа РЕЕС и у всех последующих типов электронных двигателей ЕСМ включает две основных части - управляющий компьютер и персональный модуль. Управляющий компьютер имеет микропроцессор и электронную схему. Персональный модуль - Personality Module (РМ) представляет собой чип, содержащий программное обеспечение компьютера, рабочие таблицы, определяющие закон подачи топлива и закономерности функционирования в различных режимах, а также содержит информацию о конкретном применении двигателя (морской, дизель-генератор, локомотив и т.д.). Таким образом, ЕСМ имеет две части памяти: неперепрограммируемую, в которой заложены алгоритмы управления двигателем, и перепрограммируемую, получившую название персонального модуля. Информация о спецификационных параметрах двигателя, приведенная в информационной табличке двигателя, вносится в персональный модуль ЕСМ и может быть изменена только при получении заводских паролей с помощью специального инструмента.

Персональный модуль содержит такие параметры, как максимальная мощность и максимальный момент данного двигателя. Указанные параметры определяются заводом-изготовителем в зависимости от назначения конкретно взятого двигателя и от его мощности, частоты вращения и момента, т.к. одна и та же модель может иметь двух-, трехкратную разницу по уровню форсировки и, соответственно, различный ресурс и различную цену. Так, например, для двигателей 3500 серии ресурс до капитального ремонта в зависимости от величины номинальных оборотов и области применения находится в интервале от 8000 до 102000 часов. В общей сложности ЕСМ может иметь более ста различных программируемых параметров в зависимости от области применения дизеля и модели ЕСМ. Безусловно, для двигателей серии РЕЕС количество программируемых параметров минимально.

Файл, загружаемый в РМ и называемый флэш-файлом (Flash File -FF), может быть заменен из библиотеки, постоянно обновляемой фирмой через Интернет или с компакт-дисков. Персональный модуль может быть съемным или установленным стационарно. Если в съемный персональный модуль перезагружен FF, то эта операция называется флэш-загрузкой.

Изменение уставок мощности и момента выполняется не с помощью регулировочных болтов на регуляторе скорости, как на обычных дизелях, а при помощи специального электронного оборудования - компьютера со специальной программой. Это дает возможность значительно упростить процесс контроля и управления двигателем, увеличивает его надежность, частично снимает необходимость периодических регулировок. Адекватность загружаемого FF данному ЕСМ контролируется так называемой Inter lock (программой, первоначально загруженной в ЕСМ). Если, несмотря на выходящие предостережения, при загрузке несоответствующего FF оператору все же удастся его загрузить, двигатель не запустится из-за срабатывания внутренней защиты, блокирующей работу дизеля.

Помимо основных задач управления рабочими процессами дизеля, ЕСМ обеспечивает решение следующих задач:

- мониторинг показаний датчиков с выявлением некорректных

показаний;

самотестирование электронной системы с выводом активных кодов-

извещений (Active Code) о неисправностях компонентов электронной схемы в текущий момент времени;

сохранение в памяти имевших место выводов информации об активных кодах в прошлом (Logged Codes). При этом фиксируется количество

таких выходов, а также наработка, при которой логистический код имел

место в первый и последний раз (зарегистрированные коды могут быть

удалены с помощью специальной программы);

сохранение в памяти имевших место выходов рабочих параметров за

установленные пределы, т.е. неисправностей двигателя (Events), таких,

например, как перегрев, превышение установленных пределов оборотов,

низкое давления смазочного масла и др. Эта информация может быть уда

лена из памяти только с помощью специального инструмента при получении заводского пароля;

выполнение тестов и калибровок некоторых элементов по командам

от специальной программы. Датчики, установленные в различных системах двигателя, отслеживают параметры, после чего полученная информация посылается в ЕСМ.

В ближайшее время начнется оснащение двигателей ЕСМ нового образца - ADEM-IV, имеющих 170 контактов связи с двигателем и машиной. Вся электронная схема формируется за счет различных электронных и электрических контуров. Для всех видов систем электронного управления дизелем помимо ЕСМ необходим электронный контроль частоты вращения, который осуществляется соответствующим датчиком. Главной особенностью применения электронных двигателей на судах является необходимость установки на двигатель двух ЕСМ, двух датчиков частоты вращения и синхронизации.

Фирма активно работает в сегменте судовых энергетических установок для относительно небольших судов транспортного, ледокольного, рыболовного флота, и небольших круизных судов. Можно предположить, что основные компоненты процедур управления будут иметь много общего с электронными системами управления дизелей других фирм, за исключением некоторых особенностей.

В последние годы фирма инвестировала значительные средства в создание и развитие улучшенной технологии снижения эмиссии при сгорании (Advanced Combustion Emission Reduction Technology - ACERT), позволяющей за счет:

? совершенствования топливоподачи;

? совершенствования газообмена;

? широкого применения электроники;

? совершенствование процесса сгорания, -

добиться достижения потребительских свойств дизелей, опережающих требования потребителей. Основное направление применения новой технологии - снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами и снижение дымности, т. е. создание двигателей LEE - Low Emission Engine. Реализуя эту технологию, фирма рассчитывает добиться существенного улучшения экологических показателей.

Применение ЭСУ позволило снизить удельную массу по дизелям 3406 и 3508 на 8% в первом случае и на 32 % - во втором.

Прогноз наиболее вероятных направлений и перспектив развития в области конструирования и испытаний судовых дизелей с электронным управлением.

В области конструирования следует ожидать дальнейших поисков оптимальных решений в части принципиальной схемы обеспечения впрыска топлива. Для МОД с ЭСУ наиболее вероятной представляется унификация этих решений на основе компьютерного управления гидравлическим приводом ТНВД. Это направление развивается фирмой MAN B&W.

Для систем топливоподачи СОД и ВОД в обозримом будущем сохранится преобладание концепции "Common Rail ".

В области испытаний судовых дизелей с электронным управлением в ближайшие годы следует ожидать разработки методов анализа последствий отказов системы управления и двигателя в целом. На основе этих методов, проектировщики таких двигателей должны выработать процедуры проведения испытаний системы электронного управления, а также оценочные критерии, которые могли бы гарантировать надежную работу единой электронной системы управления вместе с двигателем. Такие методы, процедуры и критерии должны быть разработаны как для стендовых испытаний на заводе-изготовителе, так и для испытаний на судне в швартовных и ходовых условиях. При этом можно с уверенность ожидать распространения концепции фирмы Caterpillar в части включения управляющего компьютера в состав обязательного и постоянного элемента каждого дизеля с использованием такого микро-чипа для информационного обеспечения всех процессов изготовления и использования дизеля в течение всего жизненного цикла, начиная с изготовления и кончая списанием и утилизацией.

Лекция № 7. Судовая электростанция По П.С.Емельянову

7.1 Назначение, классификация, состав, основные потребители

Судовая электростанция генерирует электроэнергию необходимых параметров и распределяет ее между судовыми потребителями в соответствии с режимами работы судна. Она должна обеспечивать бесперебойное снабжение электроэнергией высокого качества всех ответственных потребителей на всех режимах работы судна и удовлетворять требованиям простоты, удобства обслуживания, высокой надежности при минимально возможных начальной стоимости, массе, габаритах и эксплуатационных затратах.

По назначению судовые электростанции подразделяются на главные, общесудовые и аварийные. Главные электростанции обеспечивают питание электроэнергией гребных электродвигателей дизель-электроходов и входят в состав гребных электроэнергетических установок. На некоторых судах с ДУЭП может предусматриваться частичный или полный отбор мощности от главной электростанции на другие судовые потребители.

Судовая электростанция (общесудового назначения) вырабатывает электроэнергию для питания всех судовых потребителей на всех основных режимах эксплуатации судна.

Аварийная электростанция питает электроэнергией ограниченное число жизненно важных потребителей в случае выхода из строя судовой электростанции.

По роду тока судовые электростанции делятся на электростанции переменного и постоянного тока.

Почти все вспомогательные механизмы морских судов являются электроприводными. Как правило, от электродвигателей приводятся в действие насосы, вентиляторы, компрессоры и т.д., как обслуживающие силовую установку, так и судовые системы и другие нужды. Широко применяются на морских судах электрофицированные механизмы судовых устройств: грузовые лебедки и краны, брашпили, швартовные шпили, шлюпочные лебедки и т.д. Электрогидравлическими, как правило, являются двигатели рулевых устройств. За последние годы все шире стали применяться гидравлические лебедки, краны, брашпили и т.д. Гидравлические устройства этих механизмов, а также механизированные закрытия грузовых трюмов обслуживаются электроприводными масляными насосами.

Таким образом, как на теплоходах, так и на судах с другими типами установок, почти все вспомогательные механизмы являются потребителями электроэнергии. Лишь турбопитательные насосы на судах с паротурбинными установками приводятся в действие паровой турбиной. Другие применяемые на судах морского флота паровые механизмы, как правило, либо являются резервными, либо работают сравнительно кратковременно. Так на танкерах часто применяют турбоприводные грузовые насосы и поршневые паровые зачистные насосы, работающие только в период выгрузки, а также некоторые другие кратковременно работающие паровые механизмы, например, брашпили и шланговые лебедки.

Для обеспечения работы всех вспомогательных электрических устройств и систем, необходимых для поддержания эксплуатационного состояния судна и нормальных условий обитаемости на нем в составе судовой энергетической установки предусматриваются вспомогательные двигатели. Они приводят в действие генераторы электрического тока, обеспечивающие нагрузку судовой электростанции, расположенной в самом машинном отделении. Кроме указанных целей электроэнергия необходима для обеспечения безопасности судна и людей в различных аварийных ситуациях.

Основной источник электроэнергии должен состоять как минимум из двух генераторов. Мощность генераторов должна быть такой, чтобы при остановке одного из них, ее хватало для питания устройств и систем, обеспечивающих нормальные эксплуатационные условия движения и безопасности судна, а также поддержания минимума комфортности экипажа и пассажиров. Должна обеспечиваться работа устройств и систем приготовления пищи, отопления, бытовых холодильников и искусственной вентиляции, снабжение пресной водой и водой для санитарных нужд. При выходе из строя одного из генераторов или первичного источника энергии оставшиеся должны обеспечивать работу электрических устройств и систем, необходимых для пуска главных механизмов при нерабочем состоянии судна.

На паротурбинных судах генераторы судовой электростанции приводятся в действие от вспомогательных паровых турбин. Как правило, вспомогательные турбогенераторы используют пар тех же самых параметров, что и главный турбозубчатый агрегат. Паровая турбина обеспечивает привод генератора через одноступенчатый редуктор и имеет самостоятельный конденсатор. В качестве примера можно привести параметры отечественного турбогенератора мощностью 600 кВт. Частота вращения турбины - 8,5 тыс. об/мин, а генератор делает 1 тыс. об/мин. Турбина имеет семь активных ступеней давления.

Для турбогенераторов может использоваться и пар от вспомогательных котлов, расход пара при этом составляет 7-9 кг/кВт*ч. На судах с газотурбинными установками нагрузка электростанции может обеспечиваться газотурбогенераторами.

На теплоходах в качестве двигателей для привода генераторов служат преимущественно среднеоборотные и высокооборотные дизели с прямой передачей мощности на генератор агрегатной мощностью до 1000 кВт и более.

Для получения электроэнергии часто используют отбор мощности от пропульсивной установки на валогенератор. При наличии валогенератора вспомогательные дизель-генераторы в ходовом режиме не работают. Это увеличивает ресурс дизель-генераторов и позволяет экономить топливо в эксплуатации. Валогенераторы целесообразно применять в тех случаях, когда главный двигатель работает длительное время при постоянном, близком к номинальному, мало изменяющемся режиме (при высоком проценте ходового времени в эксплуатации). При установке валогенератора необходимо, чтобы при уменьшении частоты вращения валопровода ниже 80% номинальной он автоматически отключался от распределительного щита, а в работу включался резервный дизель-генератор для обеспечения электроэнергией потребителей на ходовом режиме. На выключение валогенераторов и включение в работу резервного дизель-генератора затрачивается 10 - 15 с, поэтому для бесперебойной подачи электроэнергии потребителям, не допускающим ее перерыва (рулевое управление, сигнализация, автоматика и т.п.), следует иметь буферную батарею, автоматически включающуюся в сеть питания.

Нагрузку электростанции на ходовом режиме можно обеспечить электроэнергией и от утилизационного турбогенератора на дизельных судах с мощностью главного двигателя выше 10 тыс. кВт. Однако полностью удовлетворить потребности судна на ходовом режиме в паре и электроэнергии за счет систем утилизации можно при мощности главного двигателя более 15 тыс. кВт (для режима не менее 90% от номинала). Для типовых судовых утилизационных турбогенераторов приняты следующие начальные параметры: давление пара в сепараторе 0,6 МПа, давление перегретого пара 0,5 МПа, а его температура 255 - 285°С, давление в конденсаторе 0,005-0,006 МПа. На основании опыта эксплуатации утилизационных турбогенераторов на судах можно сделать следующие выводы:

- параллельная работа турбогенератора и дизель-генератора значительно экономичнее и надежнее, чем работа турбогенератора от утилизационного и вспомогательного котлов;

- более эффективна параллельная работа турбогенератора и валогенератора, т.к. последний может обеспечить любую, самую малую недостающую мощность;

- параллельная работа турбогенератора от утилизационного и вспомогательного котлов удобна лишь во время мойки цистерн, при сжигании топливных отходов и производства инертных газов на ходу.

Для большинства транспортных судов применение утилизационных турбогенераторов для обеспечения нагрузки судовой электростанции возможно начиная с мощности около 7 тыс. кВт для среднеоборотных дизелей, около 10 тыс. кВт для малооборотных дизелей с прямо-точно-клапанной продувкой (фирмы «Бурмейстер и Вайн») и 15 тыс. кВт для малооборотных дизелей с контурной (петлевой) продувкой (фирмы MAN и «Зульцер»).

Как правило, на новых грузовых транспортных дизельных судах с винтом фиксированного шага устанавливают 3-4 дизель-генератора, а если позволяет мощность, то 2 - 3 дизель-генератора и утилизационный турбогенератор. При наличии винтов регулируемого шага устанавливают 2 (реже 3) дизель-генератора и валогенератор.

На судах с паротурбинными установками электростанция часто включает два турбогенератора, из которых один является резервным, и дизель-генератор, работающий во время стоянок судна, когда судовые грузовые механизмы не работают, а котлы бездействуют.

7.2 Род тока, напряжение и частота

Для судовых потребителей Регистром разрешается применять переменный трехфазный ток напряжением 133, 230 или 400 В и частотой 50 Гц или постоянный ток напряжением 27, 115 или 230 В. Правилами Российского морского регистра судоходства [50] допускается применение на судах как переменного, так и постоянного тока. На теплоходах предпочтительны электростанции на переменном токе. Номинальное напряжение должно поддерживаться постоянным, с отклонениями не более 2,5% независимо от нагрузки в сети. Род тока судовой электростанции определяется подавляющими по числу и суммарной мощности потребителями электроэнергии. Остальные потребители питаются от преобразователей или выпрямителей.

В отечественных судовых электростанциях переменного тока используется ток стандартной частоты 50 Гц, в судовых электростанциях ряда зарубежных стран 60 Гц. Для специальных потребителей и радионавигационных устройств, работающих на токе повышенной частоты, устанавливают преобразователи частоты, допускается применение тока частоты 60 и 400 Гц. Колебания частоты не должны превышать ±2,5% номинальной.

Частота вращения двигателей, обеспечивающих непосредственный привод судовых генераторов переменного тока, должна быть кратна частоте тока.

При параллельной работе нескольких дизель-генераторов переменного тока они должны иметь регуляторы частоты вращения, обеспечивающие равномерное распределение активной нагрузки, пропорционально каждому дизель-генератору с точностью ±10% номинальной при любой суммарной нагрузке. Регуляторы должны автоматически поддерживать постоянную частоту вращения при сбросе и набросе нагрузки в пределах 10% и постоянную частоту вращения вала дизель-генератора в пределах 5%. Время переходного режима должно быть минимальным, но не более 15 с. Генераторы монтируются на общей раме с дизелем и соединяются с ним эластичной или полужесткой муфтой.

Мощность дизель-генераторов обычных транспортных судов зависит от типа и назначения судна, а также от общей мощности энергетической установки и составляет в среднем 10 - 25% мощности главного двигателя (главных двигателей). Для пассажирских судов она увеличивается до 25 - 40% и более. Потребляемая мощность электростанции определяется с учетом нагрузок генераторов на различных режимах работы судна: ходовом (в грузу, в балласте), съемка с якоря, стоянка с грузовыми операциями, стоянка без грузовых операций, маневренные режимы, аварийные режимы. Для судов специального назначения учитываются также назначение и специфика работы судна (для буксиров -буксировка воза, для ледоколов - ход во льдах и т.п.). Для обычного сухогрузного транспортного судна можно ограничиваться тремя основными режимами работы электростанции: ходовом в грузу, в балласте и стояночным с грузовыми операциями.

7.3 Источники электроэнергии

Судовые генераторные агрегаты состоят из приводных (первичных) двигателей и генераторов электрического тока. В качестве первичных обычно используются двигатели, однотипные с главными. Генераторный агрегат, состоящий из дизеля и генератора, называется дизель-генератором и обычно поставляется и устанавливается на судно комплектно. Основные данные некоторых отечественных ДГ даны в табл.4.14.

В качестве первичных двигателей на теплоходах используются средне- и высокооборотные (преимущественно четырехтактные) дизели с частотой вращения n = 750?1500 об/мин агрегатной мощностью от 3 до 1000 кВт и более, с прямой передачей мощности на генератор. По сравнению с аналогичными по мощности двухтактными, четырехтактные дизели отличаются несколько большим ресурсом (при равной напряженности), лучшей экономичностью, а также полной уравновешенностью. Для привода мощных генераторов ( > 300?500 кВт) используются двигатели с газотурбинным наддувом, однако такие ДГ отличаются повышенной длительностью переходных процессов из-за большой инерционности турбокомпрессора. Для привода аварийных генераторов мощностью до 100 кВт применяют высокооборотные четырехтактные дизели с воздушным или радиаторным охлаждением, что существенно упрощает их компоновку. В дизельных установках, к которым предъявляются жесткие требования по массе и габаритам оборудования, могут применяться ДГ малой и средней мощности и частотой вращения дизеля 1500 об/мин и выше. Однако небольшие сроки службы и повышенная шумность ограничивают область их применения на гражданских судах.

К первичным двигателям дизель-генераторных установок предъявляются следующие основные требования:

– постоянная готовность к быстрому запуску и возможность быстрою приема нагрузки;

– малая степень неравномерности вращения - не более 1/100?1/150 для ДГ постоянного тока и 1/150?1/200 для ДГ переменного тока (при их параллельном включении 1/250?1/300);

– наличие двух- или всережимного регулятора, обеспечивающего устойчивую раздельную и параллельную работу ДГ;

– максимальная автономность систем и агрегатов, обслуживающих двигатель;

– наличие дистанционного автоматического управления пуском и режимами работы установки из ЦПУ или с главного распределительного щита (ГРЩ).

Особенно жесткие требования предъявляются к первичным двигателям при параллельной работе нескольких ДГ переменного тока. В этом случае регуляторы частоты вращения дизелей должны обеспечивать распределение активной нагрузки между параллельно работающими ДГ пропорционально их мощности с точностью ±10% номинальной при любой суммарной нагрузке. Регуляторы должны автоматически поддерживать постоянство частоты вращения при сбросе и набросе нагрузки с допустимыми мгновенными изменениями в пределах 10% и постоянство установившейся частоты вращения в пределах 5%. Время переходного режима должно быть минимальным, причем не более 15 с. Удельные расходы топлива в судовых ДГ обычно не превышают 0,201?0,26 кг/(кВтч) на номинальном режиме.

В мощных ГДУ ( > 5?7 тыс. кВт) с глубокой утилизацией теплоты и достаточной паропроизводительностью утилизационного котла применяются турбогенераторы, обеспечивающие все потребности судна в электроэнергии на ходовом режиме. Применение утилизационного ТГ заметно повышает экономичность установки и дает наибольший эффект при комплексной утилизации тепловых потерь ГД. Турбогенераторы на теплоходах могут также устанавливаться при использовании на судне мощной вспомогательной котельной установки (например, на крупных танкерах с паровым приводом грузовых насосов). Примерный расход пара в ТГ составляет 7,0?9,0 кг/(кВтч). На судах с комбинированными дизель-газотурбинными ЭУ возможно применение газотурбогенераторов. Фирма АВВ предлагает на двигателях мощностью более 13,75 тыс. кВт применять TCS с автономным газотурбогенератором, смонтированным в единый монтажный блок на одной раме.

Судовые генераторы электрического тока выполняются с самовентиляцией или с принудительным (замкнутым) охлаждением, на подшипниках качения или скольжения; изоляция предусматривается по классу В или Н (предельно допустимый нагрев соответственно до 130 или до 180°С).

Генераторы постоянного тока выпускаются серии П, ПД, ПГ, ГПМ и 2ПГК, со смешанным возбуждением.

В качестве генераторов переменного тока применяются синхронные генераторы с трехфазной обмоткой статора, соединенной в звезду. Ротор состоит из полюсов с обмоткой возбуждения постоянного тока. Для дизель-генерагоров ( < 1500 об/мин) применяются явнополюсные синхронные генераторы. Отечественной промышленностью выпускаются синхронные генераторы следующих серий: МС ( = 25?1000 кВт), MCK ( = 25?500 кВт), MCC ( = 220?400 кВт), ГМС ( = 200?500 кВт) при коэффициенте мощности = 0,8. Генераторы МС выпускаются с электромашинными возбудителями, что снижает их надежность. Остальные серии генераторов имеют самовозбуждение.

Генераторы соединяются с дизелем эластичной или полужесткой муфтой и, как правило, монтируются на общей с ним раме. Большинство генераторов допускает перегрузку на 10% в течение 1 ч, на 25% - в течение 10 мин (при = 0,7) и на 50% - в течение 2 мин (при = 0,6).

В соответствии с Правилами Регистра судоходства на морских судах должно устанавливаться электрооборудование морского исполнения, способное надежно работать в условиях длительного крена судна до 15°, дифферента до 10° и бортовой качки до 22,5°, в среде с влажностью воздуха до 95±3% при температуре 25±2°С, а также при ударных сотрясениях с ускорением до 3 м/с². В зависимости от рода помещений применяют электрооборудование открытого, защищенного, влагозащищенного, брызгонепроницаемого, водозащищенного, герметичного и взрывозащищенною исполнения. Вид исполнения регламентирован Правилами РС.

Большое распространение на теплоходах получили валогенераторы (ВГ), т. е. генераторы, приводимые от ГД непосредственно или через передачу, Использование ВГ дает целый ряд преимуществ: уменьшается число автономных ДГ, снижаются стоимость вырабатываемой электроэнергии, затраты на ремонт и обслуживание, а также уровень шума в МО.

На рис. 4.16 даны возможные схемы привода ВГ в дизельной установке с прямой передачей. По массогабаритным показателям предпочтительны схемы а, г, д, хотя они и более сложны. Схемы б и в используются на малотоннажных судах с ГД повышенной оборотности. В схемах г и д возможен двойной привод валогенераторов: от ГД через мультипликатор 4 и непосредственно от вспомогательного двигателя 5 (в TCS от СТ). В последнем случае необходима установка соединительно-разобщительных муфт 6.

Рис. 4.16. Схемы привода валогенератора в ДУ с прямой передачей: а - с клиноременной (или цепной) передачей; б - с передачей от свободного конца ГД, в - с ВГ, встроенным в линию вала; г - с мультипликатором от свободного конца ГД; д - с мультипликатором от валопровода 1 - ГД, 2 - ВГ, 3 - текстропная (или цепная) передача, 4 - мультипликатор, 5 - вспомогательный дизель; 6 - соединительно разобщительная муфта

Следует отметить, что по данным фирмы Рэнк, разрабатывающей передачи постоянной скорости с 1982 года, стоимость ВГ в комплекте с передачей на 3040% больше стоимости ДГ равной мощности.

На рис. 4.20 даны схемы привода ВГ в дизель-редукторных установках. В схемах а и в компоновка ВГ наиболее проста, однако частота вращения ВГ равна частоте вращения ГД, что при = 500?600 об/мин обусловливает необходимость применения тяжелых и крупных малооборотных генераторов. Установка по схеме в с двумя ГД разной мощности («отец и сын») используется на рыболовных траулерах: ГД малой мощности на промысле может отключаться от редуктора и полностью использоваться для привода генератора траловой лебедки. В схемах б и г применяются валогенераторы повышенной частоты вращения (= 1000?1500 об/мин) с отбором мощности от дополнительного или промежуточного колеса главного редуктора. При наличии разобщительной муфты в приводе от ГД к ведомому колесу редуктора в схеме б возможна работа валогенератора как на ходу, так и на стоянке, либо одного ГД на ВГ, а другого на гребной винт.

Рис. 4.20. Схемы привода ВГ в дизель-редукторных установках: а - от свободного конца вала ГД; б - от дополнительной наружной шестерни редуктора; в - с ВГ, встроенным в линию вала (ГД разной мощности - ДРУ «отец и сын»); г - от промежуточной шестерни редуктора; 1 - ГД, 2 - редуктор; 3 - BГ; 4 - разобщительная муфта

Еще одним примером может служить схема, реализованная на лайнере Finnmarken [73]. В ней два ГД работающие через разобщительные муфты и редукторы на винты, имеют отбор мощности через передачи постоянной скорости на два ВГ. Они обеспечивают электрическую мощность от 400 до 2300 кВт каждый и работают на одну сеть с двумя стандартными синхронными ДГ электрической мощностью по 2500 кВт. При этом двигатель ДГ может работать через разобщительную муфту и редуктор на винт, по типу ДРУ «отец и сын».

Наиболее часто валогенераторы используются в ДРУ с ВРШ при работе ГД по характеристике = const, особенно на промысловых судах, когда при работе на промысле имеются значительные неиспользуемые резервы мощности ГД. Особенности эксплуатации таких установок описаны в [8] и [9]. При работе ГД с постоянной частотой вращения обеспечивается необходимая стабильность частоты и напряжения валогенератора без каких-либо специальных устройств. В подобных установках суммарная мощность ВГ в зависимости от типа и назначения судна может достигать 3?5 тыс. кВт, а единичная 1,5?2,0 тыс. кВт. Постоянство частоты вращения ГД обеспечивается системой ДАУ путем изменения шагового отношения ВРШ. Однако при этом снижается КПД ГД и ВРШ вследствие их неполной загрузки. Правила [50] допускают длительные колебания напряжения тока в судовой сети не более ±2,5% и частоты не более ±5%, а кратковременные (в течение не более 5 с) - до ± 10%.

Валогенераторы ГДУ с ВРШ при paбoтe ГД с = const легко удовлетворяют этим требованиям.

Однако на случай внезапной остановки главного двигателя или резкого сброса оборотов должны быть предусмотрены меры по бесперебойному снабжению электроэнергией жизненно важных потребителей (рулевой машины, навигационною оборудования, освещения и др.). Один из путей решения этой проблемы - двойной привод валогенератора - от ГД и от ВД, постоянно находящегося в горячем резерве и автоматически включающегося в работу при резком падении частоты вращения или остановке ГД. При этом между ВГ и приводными двигателями предусматриваются автоматически управляемые разобщительные муфты. Другой путь решения задачи - включение в состав судовой электростанции автономных ДГ, способных быстро запускаться и принимать нагрузку от валогенератора при внезапном падении частоты вращения или остановке ГД (автоматически включающийся в работу «горячий резерв»). Удачное решение получается при совместной работе ВГ и утилизационного ТГ на ходу судна. В этом случае при внезапном снижении частоты вращения ГД до 75?80% от номинальной все наиболее ответственные потребители питаются от ТГ в течение времени, необходимого для передачи нагрузки автономному ДГ.

Аварийная электростанция (аварийный дизель-генератор) обязательно предусматривается на судах вместимостью более 5 тыс. рег. т. Аварийный ДГ должен быть полностью автономным с запасом топлива не менее чем на 6 ч работы (на пассажирских судах - на 36 ч); его мощность должна обеспечивать питание аварийного освещения, радиооборудования, рулевой машины, пожарного насоса, сигнальных огней и навигационных приборов. Для малых и средних по тоннажу судов мощность таких ДГ обычно не превышает 10?100 кВт, а для крупных пассажирских судов может достигать 300 кВт и более. При использовании генератора в качестве аварийного источника электроэнергии в дополнение к нему предусматривается аккумуляторная батарея с емкостью, достаточной для питания названных выше потребителей в течение 30 мин. На пассажирских судах обязательна установка аккумуляторных батарей аварийного освещения (время питания не менее 30 мин)

В качестве аварийных источников электроэнергии должны использоваться полностью автономные агрегаты (ДГ, аккумуляторы, последние целесообразны при сравнительно небольшом потреблении энергии).

Мощность и число генераторов определяются следующими требованиями:

1) загрузка работающих генераторов (прежде всего на ходовом и других основных режимах) должна составлять не менее 65?70% их номинальной мощности,

2) число генераторов и их типов должно быть минимальным, во всех случаях, когда это возможно, целесообразно применять однотипные генераторы,

3) на каждом режиме (кроме аварийною) в резерве должно быть не менее одного генератора, способною заменить наибольший по мощности из работающих,

4) на режиме стоянки с грузовыми операциями допускается запас мощности ДГ не более 10%.

Число генераторов обычно составляет 2?3, хотя на некоторых типах судов может достигать 5?8. Наилучшие эксплуатационные и технико-экономические показатели судовой электростанции получаются чаще всего при ее комплектации однотипными генераторами. Высокая эффективность электростанции достигается также в том случае, когда каждый ДГ включен на отдельную секцию шин ГРЩ.

При обеспечении ходового и стояночного режимов работой одного ДГ предусматривается защита его oт перегрузки, позволяющая отключать второстепенные потребители во избежание внезапной перегрузки работающего ДГ. Такое решение оказывается целесообразным, так как по сравнению с параллельной работой двух ДГ обеспечивает более полную загрузку ДГ и его более экономичную работу.

Более трех ДГ применяется в том случае, если мощность, потребляемая на режиме стоянки, составляет не более 30% мощности одною из трех ДГ. В этом случае при четырех однотипных ДГ ходовой режим обеспечивается двумя ДГ, работающими параллельно, а на стоянке создается достаточная загрузка одного ДГ.

Выбор мощности и числа ДГ определяется не только загрузкой электростанции и необходимым резервом мощности, но и капитальными затратами, зависящими прежде всего от типа генераторов и их суммарной установленной мощности. Суммарная установленная мощность существенно уменьшается с увеличением числа ДГ, а капиталовложения обычно достигают минимума при трех-четырех ДГ (из них один находится в резерве).

Окончательно мощность и состав судовой электростанции определяются с учетом строительной стоимости, приведенных затрат и эксплуатационных расходов на топливо, ремонт и обслуживание и др.

Относительное использование номинальной (установленной) мощности судовой электростанции невелико и составляет обычно значения указанные в табл. ?4.21.

Таблица ?4.21 Использование номинальной мощности (%) судовой электростанции

Типы судов	Режим работы
	Ходовой	Аварийный ходовой	Маневры	Стоянка с грузовыми операциями	Стоянка без грузовых операций
Морские сухогрузные теплоходы	50	40	50	50	30
Морские танкеры	53	38	53	60	24
Морские ледоколы, паромы	55	44	55	40	15
Сухогрузные, танкеры внутреннего плавания	40	40	40	40	25
Толкачи	45	45	45	30	25
Пассажирские внутреннего плавания	40	30	40	30	15

Управление судовыми источниками тока производиться автоматически с помощью щита управления. На нем расположены: синхронизатор, устройства контроля изоляции электрической сети, аппаратура автоматического управления дизель-генераторами, системы защиты, световой и звуковой сигнализации. Для удобства технического обслуживания на щите электростанции нанесена мнемосхема ее функционирования.

Для первоначального задания режима работы судовой электростанции оператору требуется только запустить первый дизель-генератор, задать режим его работы и назначить резервный дизель-генератор. Автоматическое регулирование дизель-генераторов заключается в обеспечении надежности и устойчивой параллельной работы судовых дизель-генераторов на общую электрическую сеть главного распределительного щита.

При обесточивании главного распределительного щита в аварийных ситуациях автоматически запускается аварийный дизель-генератор, который предусмотрен на каждом судне. Аварийный агрегат - это независимый источник электрического тока, устанавливаемый вне машинного отделения возможно выше над ватерлинией (часто его устанавливают в тамбучинах на главной палубе).

Мощность аварийного дизель-генератора назначается, исходя из потребности в электроэнергии для аварийного освещения, для работы радиостанции, шлюпочных лебедок и некоторых механизмов, например, пожарного и осушительного насосов, работа которых может оказаться жизненно необходимой в случае аварии.

При стоянке судна в порту для питания судовой электросети током с берега на судне предусматривается щит питания с берега, оборудованный, как правило, автоматическим выключением и устройством для определения порядка фаз подаваемой на судно электроэнергии.

Главные распределительные щиты должны быть снабжены полным комплектом контрольно-измерительных приборов, позволяющих обеспечить постоянный надзор за работой электростанции, ее нормальное обслуживание и безопасность эксплуатации.

Лекция № 8. Вспомогательные теплопроизводящие установки По В.К.Румбу

8.1 Основные характеристики

Вспомогательная теплопроизводящая установка теплохода в общем случае предназначена для обеспечения паром (горячей водой) следующих потребителей:

– систем парового отопления;

– камбуза, душевых, прачечной;

– пожарной системы паротушения;

– системы обогрева кингстонов и другой донной и забортной арматуры;

– паровых водоопреснителей;

– систем подогрева тяжелого топлива;

– систем подогрева груза и мойки грузовых танков на танкерах;

– вспомогательных механизмов и устройств теплогенераторной установки;

– специальных вспомогательных механизмов с паровым приводом (например, грузовых и зачистных насосов танкеров);

– вспомогательных турбогенераторов электрического тока и др.

Наибольшая потребность в паре наблюдается у танкеров. Она связана с потребностью подогрева жидкого груза и обеспечения технологических нужд.

На дизельных судах используются вспомогательные парогенераторы (ВПГ), работающие на жидком топливе, утилизационные парогенераторы (УПГ) и водогрейные котлы (УВК), использующие теплоту отходящих газов главных дизелей, и комбинированные парогенераторы (КПГ), имеющие как топочную, так и утилизационную часть. На речных судах и судах прибрежного плавания для отопления и обогрева вместо парогенераторов могут быть установлены вспомогательные водогрейные котлы (ВВК) - бойлеры, а на небольших судах - электрические водонагреватели.

Основными общими требованиями, предъявляемыми к теплопроизводящей установке, являются:

– возможно более полное использование подводимой теплоты;

– малые габариты и масса;

– безотказность работы на любом режиме;

– высокая маневренность, т. е. быстрота пуска парогенератора в действие и перехода с одной нагрузки на другую;

– простота конструкции и удобство обслуживания и ремонта;

– возможность комплексной автоматизации;

– низкая стоимость изготовления.

8.2 Параметры пара и воды

Для бытовых нужд и для теплообменных аппаратов обычно используется насыщенный пар низкого давления (? 0,20,7 МПа, ? 110130°С), имеющий более высокий коэффициент теплоотдачи, чем перегретый. На речных судах (кроме крупных пассажирских судов и танкеров), морских судах каботажного плавания и небольших промысловых судах в качестве теплоносителя применяется не пар, а горячая вода с температурой 85115°С. Для утилизационных турбогенераторов используется слабоперегретый пар с давлением до ? 1,2?1,5 МПа (> 200°С).

На промысловых судах и крупнотоннажных танкерах с сильно развитой парогенераторной установкой, обеспечивающей технологические нужды, может применяться перегретый пар повышенного давления ( ? 2,5?4 МПа, ? 370?470°С).

8.3 Теплопроизводительность установки

Требуемая производительность вспомогательной теплопроизводящей установки на различных режимах работы судна определяется суммированием расходов теплоты всеми потребителями. Для этой цели сначала составляют табл. 4.1 нагрузки установки с учетом степени загрузки каждого потребителя на данном режиме (применяется коэффициент загрузки . Коэффициент принимается для потребителей теплоты в пределах от 0,5 до 0,9).

Таблица 4.1 Нагрузка теплопроизводящей установки

Потребители теплоты	Максимальный расход теплоты Qм, кДж/ч	Режим работы судна
		ходовой	стояночный
		Коэффициент загрузки, kз	Необходимое количество теплоты Qх, кДж/ч	Коэффициент загрузки, kз	Необходимое количество теплоты Qс, кДж/ч
Отопление
Бытовые нужды
Подогрев топлива, масла
Подогрев груза
И т.д.
	Qнх		Qнс

Максимальный расход теплоты для каждой группы потребителей может быть оценен по следующим соотношениям.

Часовой расход теплоты на обогрев помещений , кДж/ч

,

Где - наружная поверхность отапливаемого помещения, м²;

- объем отапливаемого помещения, м³;

- температура воздуха в помещении, °С;

- температура наружного воздуха, °С;

- число отапливаемых помещений.

Температура наружного воздуха зависит от района плавания судна, принимают от -5 до -12°С.

Температура воздуха в помещениях должна удовлетворять (табл. 4.2) санитарным правилам для морских или речных судов, соответственно.

Таблица 4.2 Температура воздуха в судовых помещениях при работе систем вентиляции и отопления в зимний период (температура наружного воздуха ниже 10°С), °С

Помещения	Морские суда	Речные суда
Жилые, общественные и медицинские	20	21?22
Душевые	25	25
Сушилки	45	45
Служебные	16?18	19?20
Энергетические: на рабочих местах у постов управления без ЦПУ и с ЦПУ при неработающих механизмах; в ЦПУ	Не ниже 12 18?20	Не ниже 12 19?21
Мастерские и другие производственные помещения, где расположены механизмы без тепловыделения	16	15?17
Хозяйственные кладовые	Не ниже 10	10?16

Часовой расход теплоты на бытовые нужды (камбуз, кипятильники, подогреватели мытьевой воды, прачечную), кДж/ч:

а) на пассажирских судах

,

где - число людей на судне;

б) на грузовых судах, танкерах и буксирах-толкачах

Часовой расход теплоты на подогрев топлива, масла и другие технические нужды, кДж/ч:

.

Часовой расход теплоты на поддержание температуры груза танкеров (тяжелых нефтепродуктов) на уровне 40?70°С, кДж/ч:

а) для морских танкеров в зимний период

,

где - грузоподъемность судна, т;

б) для речных танкеров в холодное время навигации:

для танкеров с двойными бортами и днищем

;

для танкеров без двойных бортов и днища

.

В приведенных выше формулах большие значения относятся к малым судам и судам, работающим в более суровых климатических условиях.

Кроме поддержания температуры груза не ниже 40°С в течение рейса от места погрузки до пункта назначения, при условиях перевозки с остыванием груза в течение рейса, необходимо дополнительно подогреть его перед выгрузкой с заданной интенсивностью до необходимой температуры. В этом случае, требуется дополнительное количество теплоты , кДж/ч, которое определяют по формуле

,

где - интенсивность подогрева груза, в зависимости от заданной продолжительности подогрева, принимается равной 5?10°С/ч.

Расход теплоты на танкерах для работы грузовых насосов в случае их привода от паровых турбин, кДж/ч:

,

где - суммарная мощность турбин грузовых насосов, кВт; = 0,35?0,45 - эффективный КПД турбин грузовых насосов.

Мощность, требуемую для привода грузовых насосов танкеров (дедвейт = 20?200 тыс. т), можно оценить по зависимости, кВт:

,

где - мощность ЭУ танкера, кВт.

Мощность, затрачиваемая на привод грузовых насосов, может составлять до 20?30% мощности главных двигателей. Поэтому на танкерах с паровым турбоприводом грузовых насосов устанавливают водотрубные парогенераторы большой паропроизводительности.

В качестве зачистных на танкерах могут служить паровые поршневые насосы, обладающие хорошей всасывающей способностью. Расход пара на них составляет примерно 7?8 кг на 1 т перекачиваемого (зачищаемого) груза.

Количество теплоты, которое должно быть обеспечено работой теплопроизводящей установкой на судне в ходу и на стоянке , кДж/ч, определяется по формулам:

; ,

где - коэффициент запаса, расчетная производительность должна быть на 10?15% выше максимальной потребности, чтобы можно было компенсировать снижение паропроизводительности в процессе эксплуатации, поэтому принимается = 1,1?1,15; - коэффициент одновременности работы. Коэффициент обычно принимается равным 0,8?0,9 для ходового режима и 0,7?0,8 - для стояночного.

Полученные значения и , используются для расчета общей производительности теплогенераторов, что позволяет перейти к выбору их типа и числа.

8.4 Общие принципы выбора состава установки

На современных теплоходах в зависимости от принятой схемы теплоснабжения судна и рода теплоносителя (пар, горячая вода или их сочетание) теплогенераторная установка состоит из ВПГ и УПГ, УВК и ВК или их сочетания. Только суда небольшой мощности (до 200 кВт) и суда с маневренными режимами работы (портовые буксиры, малые рыболовные суда) имеют или один ВПГ, или один ВК.

В последнем случае теплопроизводительность котла должна обеспечивать наибольшее значение из и .

В остальных случаях следует определить количество теплоты , которое может быть получено на ходу судна в утилизационных котлах, кДж/ч, по формуле:

,

где - количество теплоты, которое может быть использовано в УК при работе главного двигателя, кДж/ч; - число главных двигателей.

Если равно или несколько больше , то теплопроизводительность утилизационного котла выбирается по значению (если один УК устанавливается, например, на два двигателя) или (если у каждого ГД свой УК). Если намного больше , то следует рассмотреть возможность установки турбогенератора (ТГ), работающего от УПГ, или применения турбокомпаундной системы. Если , то недостающая часть теплоты должна обеспечиваться параллельно работающим ВПГ или ВВК.

На судне обыкновенно устанавливается один ВПГ или ВВК, производительность или , соответственно, которого должна быть достаточной для обеспечения нужд судна в теплоте на стоянке или в ходовом режиме, без работы утилизационных котлов. Поэтому его производительность должна обеспечивать наибольшее значение из и . Если предусматривается установка ТГ, то котел должен быть паровым, его назначение состоит только в поддержании стабильной нагрузки ТГ при долевых режимах работы ГД, когда УПГ не обеспечивает потребности ТГ, поэтому производительность ВПГ выбирают без учета потребления пара турбогенератором.

Лекция № 9. Системы судовых энергетических установок

9.1 Общие требования к системам СЭУ Ввиду наибольшего распространения на судах дизельных энергетических установок, далее будут рассматриваться преимущественно системы СДЭУ. Системы других видов СЭУ рассмотрены в соответствующих разделах.

Системой называется совокупность специализированных трубопроводов с механизмами, аппаратами, приборами и устройствами, предназначенных для выполнения определенных функций, связанных с эксплуатацией судовой энергетической установки. Работа главных и вспомогательных двигателей СДУ обеспечивается соответствующими системами, подающими топливо к топливным насосам высокого давления дизелей, масло на смазку узлов трения, охлаждающие жидкости для отвода теплоты от нагретых деталей, сжатый воздух для пуска и реверса главного двигателя и для судовых нужд, свежий воздух для работы двигателей и отводящими отработавшие газы. Кроме двигателей, потребителем топлива и воды является вспомогательный парогенератор (ВП), который также должен иметь соответствующие системы.

При использовании в СДЭУ тяжелых вязких топлив предусматривают дополнительные механизмы и устройства для очистки и подготовки топлива перед подачей к двигателю. Длительный отрыв судна от базы требует создания специальных хранилищ топлива, масла, пресной воды. Кроме того, для обеспечения живучести и непотопляемости судна, а также жизнедеятельности обслуживающего персонала и для выполнения присущих судну операций в МО устанавливаются механизмы и устройства общесудовых систем, которые в той или иной степени могут быть связаны с системами, обслуживающими главную и вспомогательные энергетические установки.

Ясно, что нарушение работы элементов систем СЭУ или выход их из строя может привести к снижению эффективности работы установки или к аварии двигателей, что в свою очередь может повлечь за собой потерю хода судна и даже его гибель.

Каждая из перечисленных выше систем СДУ в условиях (эксплуатации должна обладать соответствующей надежностью и живучестью.

Под надежностью системы понимают ее свойство выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в определенных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям технического обслуживания, ремонтов и хранения.

Надежность системы обусловливается ее безотказностью, ремонтопригодностью и долговечностью элементов, из которых она состоит.

Безотказность системы -- свойство ее сохранять работоспособность без вынужденных перерывов в течение заданного времени эксплуатации. Безотказность системы зависит от безотказности ее элементов и характера их соединения, а также от условий эксплуатации.

В процессе эксплуатации многие элементы системы после отказа могут быть восстановлены посредством ремонта или замены. Поэтому надежность системы характеризуется показателем ремонтопригодности.

Под ремонтопригодностью системы понимают ее приспособленность к предупреждению, обнаружению и устранению отказов путем проведения текущих профилактических работ, планово-предупредительных осмотров и ремонтов. Ремонтопригодность зависит от конструкции элементов, входящих в состав системы, их расположения, трассировки трубопроводов, кабелей и других связей между элементами, от наличия запасных частей и ремонтных средств.

...