Устройство определения перерасхода топлива судовых дизель-генераторных агрегатов

Полезная модель относится к области технической диагностики и эксплуатации судовых дизель-генераторных агрегатов (ДГА), а именно к устройствам автоматизированного функционального диагностирования  ДГА в условиях эксплуатации.
Известны системы, которые при диагностике судового оборудования требуют вывода из действия оборудования и его разборку (Васильев, Б.В. и др. Диагностирование технического состояния судовых дизелей. - М.: Транспорт. 1982. - 144 с.)
Такие устройства используют при возникновении отказа и при техническом обслуживании ДГА. Однако с их помощью нельзя предупредить отказ оборудования без вывода из действия и разборки последнего и определить причину его возможного возникновения.
Одним из наиболее близких аналогов предлагаемого устройства по технической сущности является «Устройство определения дефекта судового дизель-генераторного агрегата» (патент на полезную модель №146253, опубл. 03.09.2014 г.). Устройство, выбранное за прототип предлагаемого решения, содержит датчики рабочих диагностических параметров и расхода топлива, измерительно-нормирующие преобразователи, преобразующие входные сигналы в унифицированные электрические сигналы, модуль вычисления текущих значений параметров, программный модуль с диагностической моделью исправного ДГА, модуль определения регрессионной зависимости расхода топлива от коэффициентов вида дефектов (КВД), модуль определения наличия дефектов, блок хранения текущих значений КВД, блок прогнозирования вида дефекта и дисплей. Для определения коэффициентов вида дефектов (КВД) используется компьютерная модель исправного ДГА,  в которую предусматривается ввод данных, получаемых по результатам заводских испытаний, приводимых в паспортных данных ДГА. В дальнейшем в процессе эксплуатации определяется регрессионная зависимость между диагностическими параметрами (ток, напряжение, электрическая мощность и др.) и коэффициентами вида дефекта (КВД), определяется вид и наличие дефекта по величине потерь мощности, приведенных к соответствующему значению расхода топлива, и действительным расходом топлива. Анализ полученных регрессионных зависимостей и тенденций изменения КВД позволяет судить о наличии дефекта и прогнозировать его появление.
Недостатком способа является необходимость периодических измерений расхода топлива при разной потребляемой мощности и сложных вычислений коэффициентов вида дефекта (КВД), соответствующих техническому состоянию СДГ агрегата на текущий момент.
Заявляемое устройство позволяет получить новый технический результат, заключающийся в определении перерасхода топлива с целью определения технического состояния и соответствия используемого топлива штатному  дизельному топливу.
Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков.
В устройство определения перерасхода топлива ДГА, содержащее, также как и прототип, датчики тока, напряжения и расхода топлива ДГА с подключенными к ним измерительно-нормирующими преобразователями (ИНП) для определения фактических значений активной  электрической мощности, отдаваемой на шины главного электрораспределительного щита (ГРЩ), коэффициента мощности нагрузки и расхода используемого топлива, а также дисплей, в отличие от прототипа дополнительно введен программируемый логический контроллер (ПЛК) для расчета регрессионной зависимости расхода топлива от активной электрической мощности, отдаваемой на шины ГРЩ, и коэффициента мощности нагрузки ДГА с учетом постоянных коэффициентов, зависящих от технического состояния ДГА и вида топлива и первоначально определяемых на основе заводских испытаний, блок сравнения фактического расхода используемого топлива в рассматриваемом режиме работы ДГА и рассчитанного расхода штатного топлива исправного ДГА в этом режиме, при этом выходы датчиков тока и напряжения ДГА подключены к входам ИНП для определения активной электрической мощности, отдаваемой на шины ГРЩ, и ИНП для определения коэффициента мощности, кроме этого, вход ИНП для определения коэффициента мощности соединен с выходом ИНП для определения активной электрической мощности; выходы ИНП для определения активной электрической мощности и коэффициента мощности подключены к входам ПЛК, а выход ПЛК подключен к одному входу блока сравнения, другой вход блока сравнения подключен к выходу ИНП определения фактического расхода используемого топлива, вход которого соединен с выходом датчика расхода топлива, а выход блока сравнения подключен к входу дисплея.
Г
Г
П
Г
В указанном исполнении устройство осуществляет непрерывные измерения электрической мощности P и cosφ ДГА, которые вводятся в ПЛК, где с использованием регрессионной зависимости расхода топлива Q(P, cosφ) от активной мощности и коэффициента мощности определяется величина расхода топлива Q(P, cosφ), соответствующая исправному состоянию ДГА и штатному дизельному топливу, используемому при заводских испытаниях.
г
П
Г
Э
Г
г
После расчета (при измеренных активной мощности P и коэффициенте мощности cosφ) в ПЛК значения расхода топлива Q(P, cosφ), соответствующего исправному состоянию ДГА и штатному  дизельному топливу, это значение сравнивается с фактическим значением расхода топлива Q(P, cosφ) при тех же измеренных значениях активной мощности P и коэффициента мощности cosφ, результаты сравнения, информация о техническом состоянии, качестве топлива и рекомендации выводятся на дисплей.
Сущность предлагаемого решения состоит в следующем.
Г
Г
Г
Перерасход  топлива в конкретном режиме работы ДГА при заданных значениях мощности P и коэффициента мощности cosφ электрической нагрузки может быть определен как разность расхода топлива, измеренного по показаниям штатного расходомера, и расхода топлива, рассчитанного по паспортным данным исправного ДГА при использовании штатного дизельного топлива. Решение этой задачи усложняется тем, что в паспортных данных обычно приводятся результаты заводских испытаний при активной электрической нагрузке (cosφ=1), а судовая электрическая нагрузка активно-индуктивная, и cosφ может быть существенно меньше единицы. В связи с этим для определения перерасхода топлива необходимо получить аналитическую зависимость расхода топлива ДГА от отдаваемой на шины главного распределительного щита (ГРЩ) активной мощности P и cosφ электрической нагрузки, которые позволят рассчитать расход топлива, соответствующий паспортным данным исправного ДГА при использовании штатного топлива при фактических значениях отдаваемой на шины ГРЩ активной мощности P и cosφ.
Г
Расход топлива, соответствующий паспортным данным ДГА и фактическим значениям cosφ и P, определяют согласно (заявка на изобретение RU 2019100773 от 10.01.2019 «Способ определения  перерасхода топлива в судовых дизель-генераторных агрегатов», решение о выдачи патента 12.09.2019 г.) по формуле
<maths num="1"><img file="00000001.jpg" he="12" wi="91" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>,    кг/ч,
[1]
где
, кг/ч – постоянная составляющая расхода, соответствующая расходу топлива на холостом ходу;
2
, кг/(кВт∙ч), , кВт /А – постоянные коэффициенты, первоначально определяемые по паспортным данным ДГА;
, кВт – постоянная составляющая потерь мощности, соответствующая потерям в генераторе на холостом ходу;
U, В – напряжение генератора.
Э
Г
Наличие перерасхода топлива в анализируемом режиме работы ДГА за счет снижения уровня технического состояния или пониженного качества используемого топлива определяют путем сравнения расхода топлива, рассчитанного по формуле [1], с измеренным его значением Q(P, cosφ)
<maths num="6"><img file="00000006.jpg" he="6" wi="79" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
[2]
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет определить перерасход топлива, который может быть вызван снижением технического состояния ДГА и (или) вследствие использования нештатного топлива, то есть судить о техническом состоянии ДГА и качестве топлива.
Сравнение предлагаемого устройства с прототипом показало, что поставленная задача решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие заявленной полезной модели критерию патентоспособности «новизна».
Структурная схема устройства показана на фиг. 1.
Г
П
Г
Г
П
Г
пост
Д
Г
П
Устройство определения перерасхода топлива судового дизель-генераторного агрегата (ДГА) в условиях эксплуатации содержит датчики фактических значений: тока (1) и напряжения (2) генератора, подключенные к цепи ДГА, соединяющей ДГА с шинами главного распределительно щита (ГРЩ), расхода топлива ДГА (3), а также измерительно-нормирующие преобразователи для определения (4) – отдаваемой на шины ГРЩ активной мощности P, (5) – коэффициента мощности нагрузки cosφ и (6) – расхода используемого топлива; входы нормирующих преобразователей (4) и (5) соединены с выходами датчиков (1) и (2), кроме этого вход преобразователя (5) соединен с выходом преобразователя (4) для определения cosφ, а вход нормирующего преобразователя (6) – с выходом датчика (3). Выходы нормирующих преобразователей (4) и (5), преобразующих входные сигналы в соответствующие унифицированные электрические сигналы (0-20 и 4-20 мА; 0-10 и 2-10 В), подключены к входам программируемого логического контроллера (7), содержащего программную модель расхода топлива ДГА и выполняющего расчет значения расхода штатного топлива Q(P, cosφ) исправного ДГА, соответствующего текущим значениям отдаваемой на шины ГРЩ активной мощности P и коэффициента мощности cosφ. Для вычисления Q(P, cosφ) в контроллер (7) вводят постоянные коэффициенты формулы [1] Q, К, К, P, определяемые первоначально по результатам заводских испытаний и зависящие от технического состояния ДГА и типа топлива. С выхода контроллера (7) сигнал поступает на вход блока сравнения (8), на другой вход которого поступает сигнал с выхода измерительно-нормирующего преобразователя (6), вход которого соединен с выходом датчика (3),  фактического расхода топлива ДГА. Сигналы, поступающие с блоков (7) и (6) на входы блока (8), сравниваются и анализируются в блоке (8), который соединен с входом дисплея (9), на экране которого отображаются  значения перерасхода топлива, фактического расхода топлива и соответствующего рассчитанного расхода штатного топлива исправного ДГА.
Заявленная полезная модель была разработана специалистами кафедры Судовых автоматизированных электроэнергетических систем (САЭЭС) ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова» для использования в судовых электростанциях. Устройство было смоделировано. Проведенные исследования дали положительный результат, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели критерию «промышленная применимость».