Система автоматического выбора топливных режимов для судовых двухтопливных двигателей внутреннего сгорания
AUTOMATIC FUEL SELECTION SYSTEM FOR MARINE DUAL-FUEL INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Изобретение относится к управлению топливным режимом судовых двухтопливных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано для автоматического выбора одного из двух видов топлива в судовых ДВС, в частности для выбора газового или дизельного топлива.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны технические средства для расширения контролируемых диагностических и функциональных параметров судовых двигателей внутреннего сгорания (судовые ДВС), позволяющие реализовать возможности раннего выявления зарождающихся дефектов в конструкциях, узлах и агрегатах двигателей для повышения общего уровня эксплуатационной надежности ДВС. В процессе автоматизированного контроля и управления двигателями наиболее важной эксплуатационной составляющей, оказывающей существенное влияние на показатели безопасности, является процедура использования различных типов топлива. Производителем задается ряд принципиальных требований как к показателям качества каждого вида используемого топлива и режимам работы на них, так и к режимам смены типов топлива, которые могут быть выполнены как при остановленном двигателе, так и «на ходу», при выполнении определенных условий по коэффициенту нагрузки и режиму работы. Топливная система таких двигателей существенно отличается от традиционно используемых в судовых ДВС и разделена на три подсистемы - для газа, для основного жидкого топлива и для запального топлива (pilot fuel). Исследования показали, что наиболее точное соблюдение эксплуатационных манипуляций и процедур обеспечивается при полной автоматизации данных процессов.
Известен патент РФ №2432488 МПК F02M 43/00, опубл. 27.10.2011 г.
«СПОСОБ ВЫБОРА И ПОДАЧИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ». Изобретение относится к топливной аппаратуре двигателей внутреннего сгорания. Способ выбора и подачи различных видов топлива в двигатель внутреннего сгорания включает подбор видов топлива, их пропорцию и управление подачей при работе двигателя электронным блоком управления по сигналам от датчиков температуры и нагрузки на двигатель. В электронный блок управления дополнительно подаются сигналы от контроллера управления двигателем, от датчиков давления впускного коллектора, датчиков температуры и давления топлива, а также от датчика кислорода двигателя, с учетом которых электронный блок управления в автоматическом режиме подбирает вариант и количество топлива или смесей топлив для различных режимов эксплуатации двигателя.
Известен патент РФ №2683589, МПК F02D 19/08, опубл. 29.03.2019 «СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ». Изобретение относится к управлению расходом топлива в двигателе системы гибридного транспортного средства. Техническим результатом является повышение топливной экономичности в системе гибридного транспортного средства. Результат достигается тем, что в случае изменения требуемой водителем мощности во время работы двигателя контроллер может принять решение о переходе на использование другого топлива или о продолжении использования того же топлива с использованием накопленной мощности. Выбор может быть произведен с учетом сочетания вида топлива и изменения запаса мощности, обеспечивающего наибольший КПД двигателя при наименьшей стоимости использования топлива.
Технические решения по данным патентам предполагают автоматизацию топливного режима транспортного средства, однако, неприменимы для судовых ДВС.
Наиболее важной эксплуатационной особенностью судовых ДВС, оказывающей существенное влияние на показатели безопасности, является использование различных типов топлива, поскольку производителем задается ряд принципиальных требований как к показателям качества каждого вида используемого топлива и режимам работы на них, так и к процедурам смены типов топлива, которые могут быть выполнены как при остановленном двигателе, так и «на ходу», при выполнении определенных условий по коэффициенту нагрузки и режиму работы.
Технические требования процедуре перевода одного вида топлива на другое имеются в судовой технической документации, которая не подлежит публикации в открытой печати. Для различных производителей главных двигателей СЭУ эта процедура одна и та же, основные принципы последовательности действий данной процедуры положены в основу подготовки вахтенных механиков. Обобщенный опыт перехода с одного вида топлива на другое в судовых ДВС представлен в учебном пособии «Тренажерная подготовка судовых механиков. Элементы правил технической эксплуатации судовых технических средств с использованием тренажера МО «NEPTUNE MC90-IV» = Training of a ship's engineers. The Ship's Equipment operational instructions elements with usage the ER Simulator «NEPTUNE MC90-IV»: учебное пособие / А.Г. Таранин. - Новороссийск: РИО ГМУ им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2020. - 150 с.»
В пособии описаны действия по переводу работы с тяжелого топлива на легкое, причем, рассматривается только ручной режим смены вида используемого топлива.
Способ заключается в следующем. Повышают температуру топлива на выходе подогревателя тяжелого топлива вспомогательного котла до значения более 80°С. Переводят работу вспомогательного котла с дистиллятного топлива на тяжелое топливо (мазут). Снижают нагрузку вспомогательного котла, понизив задания регуляторов расходов топлива и воздуха до 15%. Приостанавливают работу вспомогательного котла. Далее выполняют ручное регулирование содержания кислорода и уровня дымности выпускных газов вспомогательного котла. Постановка вспомогательного котла в автоматический режим работы.
Описанный процесс трудоемкий, требует проведения ряда подготовительных мероприятий, направленных на приведение топлива к стандартным условиям. Кроме того, непосредственное присутствие операторов обязательно, т.к. требует действий обслуживающего персонала.
Техническая задача предлагаемого изобретения - автоматическое управление топливным режимом и выбором вида топлива - газовым или жидким - дизельным, в соответствии с текущими и прогнозными условиями движения судна.
x
x
Технический результат - обеспечиваются условия смены топлива - газ-дизельное топливо - в зависимости от местоположения судна, режима работы (маневрирование) пропульсивного комплекса, соответствия существующим требованиям экологических норм в части выбросов SO, NO.
Техническая задача достигается тем, что предложена система автоматического выбора топливных режимов для судовых двухтопливных двигателей внутреннего сгорания, характеризующаяся тем, что содержит электронный блок с программным управлением, подсистему управляющих воздействий, включающую блоки управления главным двигателем, грузовой системой, топливной системой, модуль контроля эксплуатационных параметров, оснащенный датчиками запаса бункера, блоком контроля продолжительности работы главного двигателя на малых нагрузках, датчиками контроля степени сжатия в цилиндрах главного двигателя, контроля метанового числа газового топлива, температуры наддувочного воздуха после газотурбинного нагнетателя и параметров груза, модуль контроля состояния, динамики и прогноза внешних факторов, оснащенный датчиками системы глобального позиционирования, блоками контроля и прогноза метеорологических условий, контроля состояния и прогноза навигационной обстановки, датчиками обнаружения оледенения корпуса судна и механических воздействий на корпус, при этом модуль контроля эксплуатационных параметров и модуль контроля состояния, динамики и прогноза внешних факторов установлены с возможностью передачи данных в подсистему управляющих воздействий посредством электронного блока с программным управлением.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагаемая система обеспечивает выбор вида топлива в зависимости от внешних и эксплуатационных данных. Модуль контроля эксплуатационных параметров осуществляет контроль параметров состояния топлива, поступающих от датчиков контроля запаса бункера, контроля степени сжатия в цилиндрах главного двигателя, метанового числа газового топлива, температуры наддувочного воздуха после газо-турбонагнетателя (ГТН), параметров груза - сжиженного природного газа (СПГ) и блока контроля продолжительности работы главного двигателя на малых нагрузках. Модуль контроля состояния, динамики и прогноза внешних факторов получает данные о навигационной обстановке, о положении и маневрировании судна, о механических воздействиях на корпус судна, о метеорологических условиях.
Электронный блок в зависимости от полученных данных выбирает вид топлива - газ или дизельное топливо и оптимальный топливный режим, и посредством соответствующей подсистемы формирует управляющие воздействия на блоки управления главным двигателем, грузовой системы, топливной системы.
Условия перехода с одного вида топлива на другое заложены в алгоритме функционирования предлагаемой системы. При условии нахождения судна в зоне контроля выбросов (ЕСА - Emission Control Area), происходит переход на экологическое топливо - газ, при сжигании которого минимальный выброс вредных газов и примесей, в остальных случаях, в частности, при маневрировании судна используют более дешевое топливо - дизельное топливо. В конструкцию системы, включающую модули контроля внешних и внутренних факторов, заложены условия перехода с одного вида топлива на другое.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых на фиг. 1 приведена общая схема системы, на фиг. 2 приведен алгоритм функционирования системы для переключения ДВС между используемыми топливными режимами.
Система включает:
1 - электронный блок с программным управлением - AFSS (Automatic fuel selection system);
2 - подсистему управляющих воздействий и входящих в нее:
3 - блок управления главным двигателем МЕР (Main energy plant);
4 - блок управления грузовой системой CS (Cargo systems);
5 - блок управления топливной системой FOS (Fuel Oil System);
6 - модуль контроля эксплуатационных параметров и входящих в него:
7 - датчики запаса бункера Diesel Oil Level;
8 - блок контроля продолжительности работы главного двигателя на малых нагрузках MinCS;
9 - датчик контроля степени сжатия главного двигателя ГД CR;
10 - датчик контроля метанового числа газового топлива GMN;
11 - датчики температуры наддувочного воздуха после газотурбинного нагнетателя ГТН ТСА;
12 - датчики параметров груза CS;
13 - модуль контроля состояния, динамики и прогноза внешних факторов и входящих в него:
14 - датчики системы глобального позиционирования ЕСА;
15 - блок контроля и прогноза метеорологических условий WC;
16 - блок контроля состояния и прогноза навигационной обстановки NAV;
17 - блок обнаружения оледенения корпуса судна, механических воздействий на корпус судна IS.
Модуль контроля эксплуатационных параметров 6 и модуль контроля состояния, динамики и прогноза внешних факторов 13 установлены с возможностью передачи данных в подсистему управляющих воздействий 2 посредством электронного блока 1 с программным управлением.
На фиг. 2 условно показана последовательность действий по переключению ДВС с газового топлива на дизельное и наоборот (алгоритм функционирования системы).
Система автоматического выбора топливных режимов для судовых двухтопливных ДВС работает следующим образом.
Модуль контроля эксплуатационных параметров 6 передает данные, полученные от датчиков запаса бункера дизельного топлива 7 - Diesel Oil Level, блока контроля продолжительности работы ГД на малых нагрузках 8 - MinCS, датчиков контроля степени сжатия в цилиндрах ГД 9 - ГД CR, датчика контроля метанового числа газового топлива 10 - GMN, датчиков температуры наддувочного воздуха после ГТН 11 - ТСА, датчиков параметров груза 12 - CS и передает их на электронный блок 1 - AFSS.
Модуль контроля состояния, динамики и прогноза внешних факторов 13 передает данные, полученные от датчиков системы глобального позиционирования 14 - ЕСА, блока контроля и прогноза метеорологических условий 15 - WC, блоков контроля и прогноза навигационной обстановки 16 - NAV, блоков обнаружения оледенения корпуса, механических воздействий на корпус судна 17 - IS и передает их на электронный блок 1 - AFSS.
Алгоритм функционирования системы заключается в следующем. Электронный блок 1 - AFSS на основании данных, полученных от вышеперечисленных блоков и датчиков:
- переводит ГД на газовое топливо при снижении количества бункера дизельного топлива до уровня, недостаточного для завершения рейса и выполнении условий возможности;
- переводит ГД на газовое топливо или на 1 час увеличивает нагрузку до 70% при достижении периода работы ГД на нагрузке менее 10% в течение 100 часов;
- переводит ГД на дизельное топливо при снижении метанового числа и одновременном сопоставлении со степенью сжатия в цилиндрах ГД при сочетании MZ<80 CR=12 и MZ<70 CR<11;
- переводит ГД на дизельное топливо при снижении температуры наддувочного воздуха после ГТН менее 45°С;
- переводит ГД на газовое топливо при обнаружении избытка отпарного газа в грузовых танках и выполнении условий возможности;
- переводит ГД на газовое топливо при определении подхода судна к зоне контроля выбросов и выполнении условий возможности;
- переводит ГД на дизельное топливо при определении ухудшения метеорологических условий и навигационной обстановки;
- переводит ГД на дизельное топливо при обнаружении оледенения корпуса или увеличения механических воздействий на корпус судна (например, плавание во льдах);
- задействует грузовую систему в части запуска установки повторного сжижения газа при отклонении параметров груза от нормы.
Реализация условий данного алгоритма может быть осуществлена двумя способами, взаимно дополняющими друг друга в части автоматизации процедур: путем автоматизированного управления выбором вида топлива в соответствии с текущими и прогнозными условиями движения судна, параметрами судовых потребителей, грузовой системы и внешними факторами, а также автоматизированным исполнением технологических процедур переключения двигателя между различными видами используемого топлива без его выключения, то есть «на ходу».
Система автоматического выбора топливных режимов для судовых двухтопливных ДВС выполняет широкий спектр соответствующих функций, и обеспечивает стабильное функционирование ДВС в установившихся режимах при выполнении условий стабильности или плавного и незначительного изменения характеристик нагрузки, свойств топлива и прочих внешний условий.