Энергетические системы судовых дизельных энергетических установок: обоснование требований к надежности

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И МАШИННО-ДВИЖИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ

DOI: 10.24143/2073-1574-2017-4-40-48 УДК 621.436.629.5

И. А. Боровикова

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК: ОБОСНОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К НАДЕЖНОСТИ

Рассматриваются проблемы надежности энергетических систем судовых энергетических установок (СЭУ) в аварийных ситуациях, вызванных нарушением расходов рабочих сред с последующим их восстановлением. Математическая модель процессов позволяет определить характер изменения температуры воды и масла в системах СЭУ. Сформулированы требования к характеристикам систем автоматического управления СЭУ. Основные положения теории надежности завершены изложением методов расчетов показателей надежности сложных технических систем. Приведены результаты исследования нестационарных режимов и показателей надежности. Обоснованные требования к характеристикам систем автоматизированного управления получены в результате анализа параметров рабочих сред и оборудования в процессе нестационарных режимов. При этом критерием допустимости служило непревышение параметрами пределов, угрожающих безопасности оборудования СЭУ. Наряду с этим возможны режимы, являющиеся следствием аварийных ситуаций, вызванных отказом оборудования установки, поэтому для эксплуатации и проектирования важно исследовать характер изменения параметров рабочих сред в системах циркуляции в результате отказов насосов этих систем. Принципиальная схема систем смазки и охлаждения судовых дизельных энергетических установок (СДЭУ) принята согласно рекомендациям фирмы «MАN B&W» для малооборотных двигателей типоразмерного ряда серии МС. Из числа рекомендованных схем принята схема с автономным контуром охлаждения главного двигателя. Принципиальная схема энергетических систем СДЭУ выполнена по рекомендациям фирмы-разработчика двигателя. Технические характеристики оборудования, комплектующего системы СДЭУ, приняты стандартными для образцов, выпускаемых промышленностью. В качестве примера для исследования выбран главный малооборотный двигатель фирмы «МАN B&W» L90MC-C в четырехцилиндровом исполнении. Математическая модель, применительно к поставленной задаче, состоит из 10 алгебраических уравнений нестационарного расхода рабочих тел, а также 18 дифференциальных уравнений нестационарного теплообмена в теплообменных аппаратах систем и уравнений транспортного запаздывания в системах смазки ДВС.

Ключевые слова: система охлаждения и смазки, нестационарный режим, спецификаци-онный режим, системы резервирования.

Введение

Судовая энергетическая установка (СЭУ) является сложной системой. Ее особенность -наличие большого числа оборудования со сложными функциональными связями, что обуславливает необходимость рассмотрения ее как единого целого, где состояние одного элемента оказывает влияние на всю систему в целом. Следует иметь в виду, что проявление внешних воздействий часто носит недетерминированный, неопределенный характер, что, в свою очередь, требует привлечения для анализа поведения системы теории вероятностей, математической статистики, теории массового обслуживания и других специальных разделов высшей математики. Все это в полной мере используется в теории надежности, при разработке технических решений, обеспечивающих устойчивое функционирование СЭУ. Нарушение надежной работы

СЭУ может привести к невозможности использования судна по его назначению и, следовательно, к потере его прочих важнейших показателей, таких как экономическая эффективность, экологическая безопасность, технологичность и пр.

Разностороннее теоретическое и прикладное изучение проблемы надежности СЭУ в последние десятилетия развивалось в направлении обеспечения технической надежности, задачей которой является обеспечение безотказности - важнейшей составляющей надежности. При этом не менее важными следует считать мероприятия, направленные на обеспечение эксплуатационной надежности, проявляющейся в форме ремонтопригодности - второй составляющей надежности, практическая реализация которой заключается в поиске причин появления и устранении отказов.

Современные суда и их СЭУ отличаются высокой степенью автоматизации, развитыми системами дистанционного управления. Получают применение системы автоматизированного контроля состояния оборудования установок. Возникает необходимость научного обоснования требований к проектированию этих систем, а также технических требований к управлению и обслуживанию систем автоматизированного управления СЭУ. К их числу следует отнести требование к быстродействию. Быстродействие системы автоматизированного управления характеризуется временем реакции системы на отклонение контролируемых параметров и временем срабатывания элементов системы.

Обоснованные требования к характеристикам систем автоматизированного управления могут быть получены в результате анализа параметров рабочих сред и оборудования в процессе нестационарных режимов. При этом критерием допустимости должно служить непревышение параметрами пределов, угрожающих безопасности оборудования СЭУ.

Математическая модель нестационарных процессов в энергетических системах судовых дизельных энергетических установок

Принципиальная схема систем смазки и охлаждения судовых дизельных энергетических установок (СДЭУ) принята согласно рекомендациям фирмы «MAN B&W» для малооборотных двигателей типоразмерного ряда серии MC. Из числа рекомендованных схем принята схема с автономным контуром охлаждения (АКО) главного двигателя. В качестве примера для исследования выбран главный малооборотный двигатель фирмы «MAN B&W» L90MC-C в четырехцилиндровом исполнении, агрегатной мощностью 4880 кВт при максимальной частоте вращения 83 об/мин.

Принципиальная схема энергетических систем СДЭУ выполнена по рекомендациям фирмы-разработчика двигателя и приведена на рис. 1.

Схемой предусматривается охлаждение забортной водой в центральном водоохладителе пресной воды и в водоохладителе АКО главного двигателя. Маслоохладители систем смазки механизмов движения главного двигателя и системы газораспределения, а также воздухоохладитель охлаждаются пресной водой от центрального водоохладителя.

Особенностью рассматриваемой принципиальной схемы энергетических систем является существенное сокращение протяженности трубопроводов забортной воды. Подобное решение позволяет экономить специальные материалы, обладающие коррозионной стойкостью в морской воде. Применение АКО главного двигателя пресной водой позволяет поддерживать в нем повышенное давление, исключающее кипение охлаждающей воды, что, в свою очередь, способствует повышению топливной экономичности ДВС в связи с тем, что сокращается поступление теплоты сгорания топлива в охлаждающую воду.

Математическая модель, составленная применительно к поставленной задаче, состоит из 10 алгебраических уравнений нестационарного расхода рабочих тел, а также из 18 дифференциальных уравнений нестационарного теплообмена в теплообменных аппаратах систем и уравнений транспортного запаздывания в системах смазки ДВС. Изменение тепловыделений, в функции времени, в охлаждающие среды (мощность тепловыделений) принято согласно экспоненциальному закону. Значения тепловыделений в начальном состоянии взяты по рекомендациям фирмы-разработчика ДВС, применительно к принятому типу двигателя, для наиболее тяжелых, тропических, условий плавания.

Заб. вода

Рис. 1. Принципиальная схема энергетических систем судовой дизельной энергетической установки: 1 - двигатель внутреннего сгорания (ДВС); 2 - цистерна смазки главного распределительного механизма; 3 - цистерна смазки ДВС; 4 - воздухоохладитель электромасляного насоса главного распределительного механизма; 5 - главные электромасляные насосы; 6 - электроцентробежный насос автономного контура питания; 7 - маслоохладитель главного распределительного механизма; 8 - главный маслоохладитель; 9 - воздухоохладитель; 10 - центральный водоохладитель пресной воды; 11 - водоохладитель автономного контура питания; 12 - электроцентробежный насос питательной воды; 13 - электроцентробежный насос забортной воды

Дополнительные параметры рабочих сред определены расчетом. Технические характеристики оборудования, комплектующего системы СДЭУ, приняты стандартными для образцов, выпускаемых промышленностью. Типоразмеры трубопроводных систем и их геометрические параметры приняты типовыми для транспортного судна с упомянутым выше главным двигателем. Математическая модель для исследования нестационарных процессов в энергетических системах СЭУ составлена с учетом ряда допущений. К числу таких допущений следует отнести представление маслоохладителей и водоохладителей в форме материальной точки, обладающей физическими свойствами реальных объектов. Сложность осуществления подобного решения заключается в приведении масс металла и рабочих сред (а именно масла и охлаждающей воды) к точке, аппроксимирующей реальные материалы. Другим решением подобного вопроса является модель с распределенными параметрами. В этом случае теплофизические параметры представляются распределенными по геометрическим параметрам теплообменника.

Подобная модель представляет интерес для изучения при проектировании собственно теплообменного оборудования, так, в частности, могут быть получены температурные поля, знание которых необходимо для прочностных расчетов теплообменников. Следует отметить, что система уравнений будет представлена уравнениями в частных производных, что усложнит интегрирование системы дифференциальных уравнений. Отмеченное выше, а также перечень допущений использованы при разработке математической модели для исследования нестационарных режимов энергетических систем СДЭУ.

Современные СЭУ отличаются высокой степенью автоматизации, поэтому необходимо научное обоснование требований к проектированию и обслуживанию этих систем, к числу которых следует отнести требование к быстродействию систем автоматического управления (САУ).

Одним из способов сохранения работоспособности установки является резервирование наиболее ответственного оборудования и средств коммуникации различных видов энергии [1-4].

Задержка ввода в действие резервного оборудования может носить как предусмотренный, так и случайный характер. Наряду с этим наибольшую опасность составляют аварийные ситуации, следствием которых является прекращение подачи энергии к двигателям оборудования СЭУ.

К числу причин аварийного состояния систем и оборудования СЭУ следует отнести нестационарные процессы в результате нарушения циркуляции охлажденной воды и масла в главном двигателе (ГД) СЭУ [5-7].

Широкое применение, для изучения нестационарных режимов, получило математическое моделирование технических средств [1, 2].

В работе приняты принципиальные схемы систем смазки и охлаждения СДЭУ согласно рекомендации фирмы «MAN B&W» для двигателя L90MC^ агрегатной мощностью 4880 кВт при максимальной частоте вращения 83 об/мин. Принята схема с АКО ГД [8, 9].

Результаты исследования нестационарных процессов в энергетических системах судовой дизельной энергетической установки

Результаты исследования приведены в таблице и на рис. 2-6.

Таблица содержит данные, полученные при условии отключения всех электрических циркуляционных насосов с последующим их включением на 20 секунд процесса и остановкой ДВС на 30 секунд. Изменения тепловых потоков в воду системы охлаждения ДВС и в масло циркуляционной системы смазки двигателя приняты согласно экспоненциальному закону.

Результаты исследования нестационарных процессов в энергетических системах СДЭУ

Время, с Температура, °С 0 6 12 18 24 30 36 42

Tp[1] 52 52 52 52 52 52 52 52

Tp[2] 52 61 72 82 89 53 45 45

Tp[3] 45 44 43 41 40 43 45 45

Tp[4] 49 49 49 49 49 48 46 46

Tp[5] 46 51 54 56 59 57 51 47

Tp[6] 40 40 40 39 39 40 43 43

Tp[7] 80 90 100 100 100 95 80 72

Tp[8] 65 62 60 57 55 60 65 63

Tp[9] 47 51 56 61 64 54 47 42

Tp[10] 44 45 47 48 52 49 43 38

Tp[11] 41 41 41 41 41 41 41 41

Tp[12] 36 35 34 34 34 39 36 34

Tp[13] 40 40 40 40 40 40 40 40

Tp[14] 51 54 59 63 69 60 49 39

Tp[15] 47 49 52 55 58 53 46 40

Tp[16] 177 177 177 177 177 177 52 41

Tp[17] 40 41 43 46 48 46 41 37

В таблице приведены следующие значения температур рабочих сред СДЭУ: — Тр[1] - температура масла в системе смазки ДВС на входе в главный маслоохладитель;

- Тр[2] - температура масла на выходе из ДВС;

- Тр[3] - температура масла на выходе из главного маслоохладителя;

- Тр[4] - температура масла на входе маслоохладителя главного распределительного механизма (МО ГРМ);

- ТР[5] - температура масла на выходе из системы смазки ГРМ;

- Тр[6] - температура масла на выходе из МО ГРМ;

- Тр[7] - температура пресной воды на выходе из ДВС;

- Тр[8] - температура пресной воды водоохладителя автономного контура охлаждения главного двигателя (ВО АКО);

- Тр[9] - температура забортной воды на выходе из ВО АКО;

- Тр[10] - температура забортной воды на входе в ВО АКО;

- Тр[11] - температура воды на выходе из МО;

- Тр[12] - температура воды на выходе из центрального ВО;

- Тр[13] - температура воды на выходе из МО ГРМ;

- ТР[14] - температура воды на выходе из ВО;

- Тр[15] - температура воды на входе в центральный ВО;

- Тр[16] - температура воздуха на выходе турбонагнетателя;

- Тр[17] - температура воздуха за ВО.

Некоторые, наиболее характерные, значения температур приведены на рис. 2. Время исследования принято равным 42 с, т. к. за это время происходит наибольшее изменение температур рабочих сред, и оно достаточно для системы пуска резервного оборудования и аварийной остановки ДВС.

Основные результаты исследований в виде графиков приведены на рис. 2-6.

Интервал времени - в секундах, расходы - в кг/с, температура в °С.

На рис. 2 показано изменение температуры и расхода пресной воды в АКО ДВС в составе двух насосов при резервировании замещением. Интервал времени - 6 с.

Рис. 2. Изменение расхода пресной воды при включении резервного насоса через 10 с (1); изменение температуры пресной воды при включении резервного насоса через 10 с (3);

изменение расхода пресной воды при включении резервного насоса через 20 с

На рис. 3 показаны максимальная температура пресной воды и максимальная температура масла на выходе из ДВС при отключении всех насосов систем с последующей остановкой ДВС.

а

а

£

а

<и

а

а

<и Н

120 100 80 60 40 20

\

0 1 2 2,4

Время, с

Рис. 3. Максимальная температура пресной воды (1) и максимальная температура масла (2) на выходе из ДВС при отключении насосов всех систем с последующей остановкой ДВС через 10, 15, 20 с

На рис. 4 показано изменение температуры масла в системе смазки ДВС в составе двух насосов.

120

7,8

9,4

10

-20

Время, с

Рис. 4. Изменение температуры масла в системе смазки ДВС в составе двух насосов при работе ДВС на мощности 100 % (2) и на мощности 50 % (3) и изменение подачи масла в системе смазки (1) при резервировании насосов замещением с последующим пуском резервного насоса через 20 с и при остановке двигателя через 30 с

На рис. 5 показано изменение температуры и расхода пресной воды в АКО ДВС в схеме с двумя одновременно работающими насосами, ДВС работает на мощности 100 %.

0

3

0

1

2

4

6

8

Время, с

Рис. 5. Изменение температуры (2), (4) и расхода пресной воды (1), (3) в АКО ДВС в схеме с двумя одновременно работающими насосами

На рис. 6 показаны зависимости температур масла в системе смазки ДВС при работе ГД на мощности 100 %. В составе системы смазки 3 насоса. Предусмотрено резервирование замещением, при отказе одного насоса с последующим включением резервного насоса через 20 с. Прочие насосы систем работают в спецификационном режиме. Интервал времени - 6 с.

Рис. 6. Зависимости температур масла в системе смазки ДВС при работе ГД на мощности 100 %: 1 - расход масла; 2 - температура масла на выходе из ДВС; 3 - температура масла на входе в ДВС; 4 - температура масла при отказе включения резервного насоса в указанное время

Прочие насосы систем СЭУ работают в спецификационном режиме. При отказе одного насоса (вариант 1) подача пресной воды в системе при работающем 1-м насосе составляет 50 % от номинальной. При подаче воды по варианту 2 резервный насос включается через 20 с.

Заключение

1. Как следует из рис. 2, 3 и 4, в системах охлаждения и смазки, состоящих из двух насосов с замещением при отказе работающего насоса и включении резервного насоса через интервалы времени, температура охлаждающей воды и масла начинает существенно расти, достигая предельных значений через 10 и 20 с соответственно. Остановка ГД через 10 с не исключает недопустимого роста температуры охлаждающей воды и масла в системе смазки. Отсюда следует, что данная схема резервирования предъявляет чрезвычайно жесткие требования к быстродействию САУ пуском насосов и остановкой ДВС. Это приводит к нецелесообразности применения подобных систем резервирования, несмотря на их массогабаритные и стоимостные преимущества.

2. Как следует из рис. 5, температура охлаждающей воды достигает 92,8 °С в пределах контролируемого времени, равного 60 с, и 89 °С - при включении резервного насоса через 20 с. Предельная температура масла на выходе из ДВС (рис. 6, позиция 2) равна 57,3 °С, она остается постоянной при задержке пуска резервного насоса и снижается до расчетного значения при пуске насоса через 20 с. При отказе насосов системы (рис. 6, позиция 4) значение температуры масла на входе в двигатель практически не изменяется и не превышает требуемых разработчиком ГД 45 °С. Отмеченное подтверждает, что применение подобных схем систем резервирования в составе СЭУ предпочтительно.

3. Как следует из рис. 4, максимальная температура масла составляет 73,3 °С на режиме 50 % номинальной мощности ДВС против 103,6 °С на расчетном режиме. Это ослабляет напряженность обеспечения надежности на рассматриваемом частичном режиме использования СЭУ, однако схема резервирования должна выбираться исходя из условий работы установки на номинальной мощности.

1. Ракицкий Б. В. Термодинамический анализ судовой энергетической установки // Тр. СПБГМТУ. 2010. № 2. 34 с.

2. Ракицкий Б. В. Энергетический расчет СЭУ. Основы теории надежности технических систем: мо-ногр. СПб.: СПбГМТУ, 2000. 60 с.

3. Артемов Г. А. Системы судовых энергетических установок. Л.: Судостроение, 1987. 480 с.

4. Сизых В. А. Судовые энергетические установки. М.: РКонсульт, 2003. 264 с.

5. Фарафонтов М. Ф. Испытания ДВС. Установки и приборы: учебн. пособ. Челябинск: ЧГТУ, 1995. 156 с.

6. Фрид Е. Г. Устройство судна. Л.: Судостроение. 1990. 344 с.

7. Сенков Г. И. Судовые энергетические установки и их эксплуатация и ремонт. Л.: Судостроение,

8. Emissions control, two-stroke low-speed diesel engines. Copenhagen: MAN B&W A/S, 1996. December.

9. MAN B&W leads: Sulzerincreasese Share // The Motor Ship. 1993. June. P. 58.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1986. 328 с.

Статья поступила в редакцию 19.05.2017

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Боровикова Ирина Анатольевна — Россия, 190121, Санкт-Петербург; Санкт-Петербургский государственный морской технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры судовых энергетических установок, систем и оборудования; seu_sio@ mail.ru.

I. A. Borovikova

ENERGY SYSTEMS OF MARINE DIESEL POWER PLANTS: SUBSTANTIATION OF REQUIREMENTS FOR RELABILITY

Abstract. The article touches upon reliability issues of energy management systems (EMS) of marine power plants in emergency situations caused by disturbance of the working media consumption and their subsequent recovery. The mathematical model of processes allows to determine the nature of changes in temperature and pressure of water and lube oil in EMS systems. The requirements to the characteristics of automatic control systems of the marine power plant have been formulated. Basic provisions of the reliability theory are followed by presentation of methods of calculating reliability indices of complex technical systems. The article presents the results of the study of non-stationary modes and reliability indices. Reasonable requirements for automated control systems were obtained through the analysis of working environments and of equipment operating in non-stationary modes, non-exceedance of safety limits of marine power plant operation being taken as the admissibility criterion. Besides, there are possible special modes resulted from emergency situations caused by the power plant equipment failure. Hence, for operation and design of the analyses it is important to study changes of working media in the circulation systems, which resulted from the failure of the pumps. Basic circuit of lubrication and cooling systems of the ship diesel power plants has been approved as recommended by the company "MAN B&W" for slow speed diesel engines standard series MC. Among the recommended schemes there was approved the scheme of the main engine with an autonomous cooling circuit. Schematic diagram of energy systems of a diesel power plant has been made under recommendations of the engine developer. Specifications of the component parts of the ship diesel power plant have been taken as standard for manufactured machinery. A low running L90MC-C four-cylinder main engine manufactured by "MAN B&W" was chosen as a research sample. A mathematical model, as applied to the given problem, consists of 10 algebraic equations for nonsteady working media consumption and 18 differential equations for nonsteady heat transfer in heat exchangers, as well as equations for transport delay in the lubrication systems of internal combustion engines.

Key words: cooling and lubrication system, non-stationary mode, specification mode, reservation systems.

REFERENCES

1. Rakitskii B. V. Termodinamicheskii analiz sudovoi energeticheskoi ustanovki [Thermodynamic analysis of the ship power plant]. Trudy SPBGMTU, 2010, no. 2, 34 p.

2. Rakitskii B. V. Energeticheskii raschet SEU»: monografiia [Calculation of energy balance of a ship power plant: monograph]. Saint-Petersburg, SPbGMTU, 2000. 60 p.

3. Artemov G. A. Sistemy sudovykh energeticheskikh ustanovok [The systems of the ship power plant]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1987. 480 p.

4. Sizykh V. A. Sudovye energeticheskie ustanovki [Ship power plants]. Moscow, RKonsul't Publ., 2003. 264 p.

5. Farafontov M. F. Ispytaniia DVS. Ustanovki i pribory: uchebnoe posobie [Internal combustion engine testing. Units and instruments]. Chelyabinsk, ChGTU, 1995. 156 p.

6. Frid E. G. Ustroistvo sudna [Arrangement of the ship]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1990. 344 p.

7. Senkov G. I. Sudovye energeticheskie ustanovki i ikh ekspluatatsiia i remont [Ship power plants, their operation and maintenance]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1986. 328 p.

8. Emissions control, two-stroke low-speed diesel engines. Copenhagen, MAN B&W A/S, 1996, December.

9. MAN B&W leads: Sulzerincreasese Share. The Motor Ship, 1993, June, pp. 58.

The article submitted to the editors 19.05.2017

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

Borovikova Irina Anatolievna - Russia, 190121, Saint-Petersburg; Saint-Petersburg State Maritime Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of Department of Ship Power Plants, Systems and Equipment; seu_sio @m ail .ru.