Сравнительный анализ вариантов комплектации судовой электроэнергетической установки

УДК 629.12.03.001.63

А. Г. Даниловский,

канд. техн. наук, доцент, СПГУВК;

И. А. Боровикова,

канд. техн. наук, СПбГМТУ

сравнительный анализ вариантов

КОМПЛЕКТАЦИИ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

THE COMPARATIVE ANALYSIS OF VARIANTS OF A COMPLETE SET OF SHIP ELECTROPOWER INSTALLATION

Выбор оптимального варианта судовой электроэнергетической установки затруднен большим количеством альтернативных вариантов, необходимостью анализировать влияние их системных параметров на эффективность судна, а также прогнозированием выводов на период, равный сроку жизни судна, когда состояние конъюнктуры рынка и условия использования судна с очевидностью могут изменяться. Предложена методика и выполнены примеры решения указанной сложной задачи.

The choice of optimum variant of ship electropower installation is complicated by a plenty of alternative variants, necessity to analyze influence of their system parameters on efficiency of a vessel, and also forecasting of conclusions for the period equal to term of life of a vessel, when a condition of market condition and the conditions of use of a vessel with evidence can change. The technique is offered and the examples of the decision of the specified complex task are executed.

Ключевые слова: судовая электроэнергетическая установка, варианты комплектации, сравнение,

анализ.

Key words: ship electropower installation, variants of a complete set, comparison, analysis.

УДОВАЯ электростанция — второй по значимости после пропульсивной установки комплекс в составе СЭУ, оказывающий существенное влияние на эффективность и безопасность эксплуатации транспортного судна. По длительности работы электростанция превосходит пропульсив-ную установку, так как она эксплуатируется не только на ходу, но и на всех стояночных и аварийных режимах, включается в работу до запуска главных двигателей и выключается после остановки последних, так как обеспечивает не только подготовку к запуску, но и режим расхолаживания.

Большим количеством фирм-произво-дителей выпускаются типоразмерные ряды дизель-генераторов (ДГ) с приводом от высокооборотных и среднеоборотных дизелей. ДГ на базе среднеоборотных дизелей (СОД) обладают повышенным ресурсом, определяемым

ресурсом приводного двигателя, составляющим от 35 до 45 тыс. ч. Одновременно масса и габариты дизель-генераторов с приводом от СОД относительно велики. Например, длина (важный системный параметр) дизель-гене-раторных агрегатов может превышать длину главных малооборотных дизелей. Удель -ный расход топлива обычно не превышает 200 г/кВтч и у лучших типоразмеров приближается к удельному расходу МОД.

ДГ на базе дизелей повышенной оборотности обладают умеренными массо-габаритными характеристиками, их удельный расход топлива в основном около 200 г/кВтч, но ресурс снижен до 15—18 тыс. ч. В источниках публикуется удельный расход на выработку мощности приводным двигателем. Для учета потерь энергии в системе генерации электроэнергии нужно ввести коэффициент, увеличивающий удельный расход — КПД

[117 I

Выпуск 3

Выпуск 3

электрогенератора, учитывающий в том числе потери в обмотках и затраты мощности на возбуждение.

При выборе оптимального состава генераторных агрегатов судовой электростанции представляет интерес обоснование схемы комплектации СЭС, выбора ДГ из типоразмерных рядов различных фирм-производителей, сравнение ДГ на основе СОД и ВОД, анализ эффективности применения валогенераторов, а также возможность привода генераторов от утилизационных турбин — газовых (УГТ) и паровых (УТГ).

Сравнение вариантов производится при значениях нагрузки СЭС на спектре режимов эксплуатации судна, определяемых в соответствии с руководящими документами отрасли [1; 2]. В связи с тем, что комплектование СЭС осуществляется на начальных этапах проектирования судов — обычно в процессе эскизного проектирования, когда состав пот-

ребителей электроэнергии еще не определен, вычисление расчетных значений нагрузок на основных и дополнительных режимах производится методом корреляционных зависимостей [1] в функции главных параметров судна и СЭУ, а также основных особенностей реализации производственных процессов на судне.

Типовыми вариантами комплектации СЭС являются: 1) применение трех одинаковых ДГ; 2) применение двух одинаковых ДГ и одного «стояночного» ДГ меньшей мощности; 3) применение четырех одинаковых ДГ; 4) применение двух одинаковых ДГ и ВГ; 5) применение трех одинаковых ДГ и ВГ.

На основных режимах — ходовом и стояночном без грузовых операций, занимающих основную часть эксплуатационного периода, — целесообразно применение одного ДГ с нагрузкой не менее 70 % от номинальной. Рекомендуемое использование генераторов на производных режимах приведено в табл. 1.

Таблица 1

Использование ГА на производных режимах СЭС

Типовые варианты комплектации СЭС Режим маневров Режим стоянки с грузовыми операциями

1 * 2 ДГ * 2 ДГ

2 * 2 ДГ 1 ДГ

3 * 3 ДГ * 3 ДГ

4 ВГ и * 2 ДГ 1 ДГ

5 ВГ и * 2 ДГ * 2 ДГ

Сравнение вариантов комплектации СЭС производится на основе анализа значений согласованного критерия эффективности Кгсогл [2] — полного изменения прибыли по судну от применения альтернативного варианта технического решения по сравнению с базовым:

Кг — АР + А Г)~ + АО,:

согл полн Ь ’

____ АР =Кг =Р - Р6ш

ПОЛИ ЛОК ПОЛН ПОЛИ*

118

полн т кос V а р сн / н ?

АОг = ДС7 • Кг  Ь  7,  Рг;

Ст ПОЛН (г пл р 5

А £>, = Д£, -К, ВНЯ К, -Г -Рг,

ь м ь оЬплр ’

где АРполн — локальный критерий — приращение полных расходов по альтернативному варианту СЭС по сравнению с базовым вариантом (приращение приведенных затрат); А00 — поправка на изменение полной массы варианта СЭС и возможность перевозки дополнительного груза на судне; АОь — поправка на изменение длины варианта СЭС и возможность размещения дополнительного груза на судне; К — стоимость варианта СЭС; Рт — расходы на топливо за анализируемый период.

Таблица 2

Нагрузка на режимах и базовый вариант комплектования электростанции

Режимы работы судна Расчетная нагрузка, кВт Число и мощность работающих генераторов, кВт Число и мощность резервных генераторов, кВт

Ходовой 413,14 1 ДГ х 500 2 ДГ х 500

Маневры 893,03 2 ДГ х 500 1 ДГ х 500

Ход с обогревом груза 444,38 1 ДГ х 500 2 ДГ х 500

Стоянка без грузовых операций 241,89 1 ДГ х 500 2 ДГ х 500

Стоянка с грузовыми операциями 726,69 2 ДГ х 500 1 ДГ х 500

Аварийный с работой основной СЭС 418,78 1 ДГ х 500 2 ДГ х 500

На танкере пр. 17120 применена электростанция в составе трех отечественных ДГ марки ДГР 2А 500/500 и одного аварийного ДГ марки АДГФ 100/1500. В табл. 2 приведены нагрузки СЭС танкера на спектре режимов эксплуатации

в соответствии с техническим проектом судна.

В табл. 3 приведены альтернативные варианты комплектации СЭС для танкера 17120, а в табл. 4 характеристики альтернативных дизель-генераторов.

Таблица 3

СЭС танкера пр. 17120

Альтернативные варианты

№ варианта Схема комплектации СЭС

1

2 Три ДГ с СОД 6L16/24

3 Два ДГР 2А 500/500 + ДГ 250 с ВОД

4 Четыре ДГР 2А 300/750

Таблица 4

Характеристики альтернативных дизель-генераторов

J Марка ДГ N эл b т G L B H

1 ДГР 2А 500/500 500 212 21,3 6350 1900 2925

2 ДГ с СОД 6L16/24 515 207 10,5 4616 1000 2226

3 ДГР 2А 300/750 300 219 11,3 5120 1460 2250

4 ДГ 250 с ВОД (MAN) 250 205 2,84 2800 1300 1300

На рис. 1 приведены результаты расчета составляющих согласованного критерия в функции величины линии эксплуатации судна.

Отрицательные значения на рис. 1 свидетельствуют о превосходстве альтернативных вариантов над базовым. Для варианта 4 полные расходы больше, чем в базовом варианте, но за счет меньшей массы получен общий выигрыш. При сравнении вариантов

выигрыш от уменьшения длины ДГ не учитывался, так как в базовом варианте танкера МКО на уровне ДГ (нижняя платформа) развито в сторону румпельного отделения.

Выбор комплектующего оборудования и других технических решений, оптимизирующих показатели эффективности судна, производится при определенном сочетании влияющих факторов. Судно установлено на оп-

Выпуск 3

Выпуск 3

ределенную линию эксплуатации, на данной линии учитываются определенные условия погоды, температуры окружающего воздуха и воды, судно имеет определенную степень шероховатости и обрастания корпуса, оно эксплуатируется с определенным грузом и в определенных условиях конъюнктуры рынка, выражающейся в уровне фрахтовых ставок, себестоимости эксплуатации, капитальных затрат и других факторов.

Рис. 1. Влияние величины линии эксплуатации судна на разницу полных расходов ДРп , потерь прибыли от перевозки полной массы СЭС ДБа и полной потери прибыли судном Д^Е для вариантов комплектования СЭС 2, 3 и 4 по сравнению с базовым вариантом 1

Перечисленные параметры могут изменяться в связи с изменением погодных условий, времени года, уровня солнечной радиации, коррозии, обрастания и проведением очистки корпуса, конъюнктуры рынка от случайных колебаний и дрейфа параметров. В связи с тем, что оптимизация ведется на одни параметры, а фактическая работа будет происходить при других, справедлива постановка вопроса: сохранятся ли выводы об оптимальности принятых решений в новых условиях?

Поставленная задача проверки устойчивости решения задачи оптимизации не может быть решена в общем виде без конкретизации типа изменяющихся параметров и величины возможных отклонений. В случае если влияющие параметры являются стохастическими, возможно применение в анали-

зе эффективности вероятностных оценок их математического ожидания. Это относится, например, к параметрам рейсов. Достаточные условия применения математических ожиданий в качестве оценки достоверного значения стохастической величины — наличие повторяемости и линейная зависимость критерия эффективности от вероятностных факторов, что и имеет место при расчете составляющих согласованного критерия эффективности.

Ряд характеристик могут иметь отклонения от среднего и не обладать повторяемостью. Это многие характеристики, определяемые при проектировании однократно, и потом при постройке объекта также однократно реализующиеся. К таким параметрам относятся, например, характеристики первоначальной стоимости, процентная ставка за пользование капиталом, цены на топливо, связанные определенным образом со стоимостью природных энергоносителей. Выполним исследование влияния перечисленных факторов на устойчивость выбора оптимального варианта СЭС.

На рис. 2 приведены результаты варьирования процентной ставки за пользование капиталом на составляющие согласованного критерия для вариантов комплектования СЭС для танкера пр. 17120, указанных в табл. 3. Процентная ставка за пользование капиталом изменяется в пределах от 0,025 до 0,15.

Как видно из рис. 2, для вариантов 2 и 3 полные расходы при увеличении процентной ставки изменяются противоположно, что является следствием различных значений номинальной мощности генераторов. При увеличении величины линии эксплуатации судна полные расходы вариантов 2 и 3 сближаются и при величинах линии более 8 тыс. миль сравниваются, что видно на рис. 2, а. Однако процентная ставка за пользование капиталом не оказывает влияния на прочие составляющие согласованного критерия, и поэтому вариант 2 остается оптимальным по общей прибыли по судну, что видно на рис. 2, б, полученного суммированием величин, представленных на рис. 2, а, и величины выигрыша от изменения полной массы, представленной на рис. 1 штриховыми линиями. Приведенные на рис. 1 зависимости полных расходов получены при значении процентной ставки за поль-

Рис. 2. Влияние процентной ставки за пользование капиталом и величины линии эксплуатации судна на разницу полных расходов ДРп и потери прибыли судном Ддля вариантов комплектования СЭС

зование капиталом, равной 0,15. Эти кривые представлены также и на рис. 2, а.

На рис. 3 приведены результаты расчета влияния стоимости топлива на полные расходы на генераторные агрегаты СЭС. Стоимость топлива увеличивается в 2,6 раза по сравнению со значениями, принятыми при расчете составляющих согласованного критерия, представленными на рис. 1.

тыс. миль

Рис. 3. Влияние стоимости топлива и величины линии эксплуатации судна на разницу полных расходов ДРп для вариантов комплектования СЭС. Коэффициенты увеличения стоимости топлива нанесены на рисунок

Результаты расчета на рис. 3 подобны представленным на рис. 2, а, но влияние коэффициентов увеличения стоимости топлива качественно одинаково для всех вариантов: при увеличении стоимости топлива различия с базовым вариантом увеличиваются. Преимущество варианта 2 по сравнению с прочими при увеличении линии эксплуатации количественно уменьшается, так что различия становятся близкими к погрешности расчетов, что свидетельствует о неразличимости вариантов по полным расходам.

Стоимость топлива, так же как и процентная ставка за пользование капиталом, оказывает влияние только на полные расходы по варианту комплектации СЭС. Выигрыш же от изменения полной массы остается неизменным и равен зависимостям, представленным на рис. 1 штриховыми линиями.

На рис. 4 представлены зависимости приращения доходов от эксплуатации судна — сумма зависимостей, представленных на рис. 3, и зависимостей, представленных на рис. 1 штриховыми линиями. Как видно из рис. 4, при величинах линии эксплуатации судна до 5 тыс. миль варианты 2 и 3 одинаково эффективны в связи с различиями в пределах погрешности расчетов.

Выпуск 3

Выпуск 3

тыс. миль

Рис. 4. Влияние стоимости топлива и величины линии эксплуатации судна на разницу доходов по судну для анализируемых вариантов комплектования СЭС

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Варианты СЭС, анализируемые при проектировании, при одинаковых значениях главного параметра—мощности, необходимой для обеспечения судовых нужд на спектре режимов эксплуатации, отличаются схемой комплектации и выбором генераторных агрегатов из различных типоразмерных рядов. Вследствие этого они отличаются совокупностью системно-важных параметров, в том числе массой и габаритами генераторных агрегатов, удельным расходом топлива, долговечностью, первоначальной стоимостью и др.

2. Сравнение вариантов комплектации СЭС производится на основе анализа значе-

ний согласованного критерия эффективности — полного изменения прибыли по судну от применения альтернативного варианта технического решения по сравнению с базовым (обобщенным выражением эффективности на случай изменения системных параметров).

3. Выбор комплектующего оборудования и других технических решений, оптимизирующих показатели эффективности судна, производится при определенном сочетании влияющих факторов. В связи с тем, что судно эксплуатируется длительный период времени, отсутствует гарантия того, что принятое сочетание влияющих факторов останется неизменным. Необходимо анализировать устойчивость выводов об оптимальности выбранных технических решений относительно возможного изменения влияющих факторов.

4. В качестве представителей параметров, обладающих повторяемостью, выступает их математическое ожидание, то есть возможна детерминированная постановка задачи оптимизации. Одновременно целый ряд влияющих факторов не обладает повторяемостью. Необходимо проведение исследования устойчивости оптимальности вариантов комплектации СЭС при направленном варьировании таких параметров.

5. Приведены примеры исследований для СЭС танкера. Установлена значимость составляющих согласованного критерия эффективности и возможность изменения выводов об оптимальности вариантов комплектации СЭС при направленном варьировании факторов, не обладающих повторяемостью. Показаны задачи, ожидающие своего решения.

Список литературы

1. Технико-эксплуатационные требования по оптимальной комплектации электростанций морских транспортных судов: [текст] / ЯКУТ 28-004-96: утв. 20.12.1996 г. — СПб.: ЦНИИМФ, 1996.

2. Даниловский А. Г., Боровикова И. А. Автоматизированное проектирование и оптимизация судовых вспомогательных энергетических комплексов: [текст]. — СПб.: ИЦ СПГУВК, 2008.