CC BY
34УДК 621.431.74
А.Н. Рак, А.В. Корощенко, Г.А. Капанадзе
Донецкий национальный технический университет, Донецк, 283000 e-mail: metod@donntu. org
К ВОПРОСУ НАСТРОЙКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ДИЗЕЛЕЙ С ЭЛЕКТРОННЫМ
УПРАВЛЕНИЕМ
Установлено, что предлагаемая в известной литературе для большинства типов дизелей аппроксимация характеристики удельных затрат топлива (УЗТ) является неточной. Для наиболее распространенных фирм - изготовителей судовых дизелей предложены аппроксимирующие формулы характеристики УЗТ. Дано описание основных принципов настройки и эксплуатации дизелей с электронным управлением.
Ключевые слова: малооборотный дизель, пропульсивный комплекс, морское судно, электронное управление, главный двигатель, удельные затраты топлива, настройка топливной аппаратуры, моторесурс, уровень эмиссии дыма.
А.№ Rаk, А^. Koroshchenko, G.A. Kapanadze
Donetsk National Technical University, Donetsk, 283000 e-mail: [email protected]
ELECTRONICALLY-CONTROLLED DIESEL SETTING AND OPERATION
It is established that the offered approximation of the fuel unit cost characteristic is inexact for the majority of diesel types. The approximative formulas of the fuel unit cost characteristic are proposed to the most common manufacturers of marine diesel engines. The description of the basic principles of electronically-controlled diesel setting and operation is given.
Key words: slow-running diesel, propulsion system, sea-going craft, electronic control, propulsion engine, fuel unit cost, fuel gear setting, engine resource, smoke emission level.
Высокая надежность, большой моторесурс, простота конструкции и высокая экономичность являются отличительными чертами малооборотных дизелей. Этим, а также возможностью обеспечить высокие агрегатные мощности определяется их преимущественное использование в про-пульсивных комплексах (ПК) морских судов. В настоящее время малооборотные двигатели (с частотой вращения до 300 об/мин) производят три фирмы: MAN B&W (МАН и Бурмейстер и Вайн), WÀRTSILÀ-SULZER (Вяртсиля - Зульцер) и MHI (Митсубиши) [1]. Ужесточение требований международной конвенции MARPOL 73/78 по сокращению выбросов NOx с отработавшими газами с одной стороны, а с другой стороны подорожание моторных топлив и стремление к сокращению их удельного расхода привело к появлению систем с электронным управлением (СЭУ) главными двигателями (ГД). Применение СЭУ позволило повысить гибкость в управлении углом опережения впрыска топлива, изменять законы его подачи и выполнять их оптимизацию во всем диапазоне рабочих режимов. За работу ГД и систем, его обеспечивающих, как правило, отвечают судовые механики. Но на судах, где установлены двигатели с СЭУ и дистанционным автоматическим управлением (ДАУ), очень большой объем работ по настройке, профилактике и ремонту этих систем лежит все же на судовом электромеханике, хотя у него в соответствии с уставом есть свой круг обязанностей.
Цель - ознакомление судовых механиков и электромехаников с основными принципами настройки и эксплуатации дизелей с СЭУ.
Известно, что управление любыми устройствами и механизмами с помощью СЭУ осуществляется в соответствии с разработанными алгоритмами, занесенными в память управляющих систем. СЭУ ГД обеспечивают непрерывный контроль за средним эффективным давлением, давлением свежего воздуха, давлением воздуха турбокомпрессора, температурой клапанов и отработавших газов, удельными затратами топлива (УЗТ). Из этого следует, что контроль за УЗТ является очень важным с точки зрения эксплуатации.
Проанализируем характеристики УЗТ ГД. В [2] указывается, что для большинства типов дизелей, используемых в качестве ГД, УЗТ можно аппроксимировать полиномом второй степени и представить выражением:
ШТГД = 0,01 • L -1,513• L + 226,33, (1)
где L - нагрузка ГД, %.
Данная зависимость приведена на рис. 1. Анализ источников [3-5] и аппроксимация кривых УЗТ для ГД указанных выше фирм-производителей, выполненные нами и представленные выражениями (2)-(4) и на рис. 1, показывают, что они отличаются от выражения (1):
UZTМа = 0,011Z2 -1,704Z + 234,479, (2)
UZTMAN = 0,0078L2 -1,164L + 207,3, (3)
UZTMttsubtsht = 0,00633L2 - 0,956L + 206,083 . (4)
Наиболее близкой к данному выражению является кривая УЗТ для ГД WARTSILA-SULZER. Форма кривой УЗТ для ГД MAN B&W идентична форме кривой 1, но проходит ниже, что может привести к большим погрешностям в расчетах, в частности к завышенным прогнозным показателям экономии топлива. УЗТ ГД MHI занимает промежуточное положение. Все это указывает на необходимость индивидуального подхода к настройке топливной аппаратуры.
Как видно из рис. 1, снижение нагрузки на ГД также приводит к снижению УЗТ, а также при этом повышается КПД гребного винта [1]. Для судовых ГД обычно требуется обеспечить устойчивые режимы «малых ходов» (при пкс « 33 25% от пном). У ряда МОД (например, фирмы MAN B&W) пэкс mm удается снижать при маневрировании до 20% (и ниже) от пном. Однако при таком режиме резко снижаются параметры дизеля (ре до 1,6, р2 до 20 и рф до 200 кгс/м2), ухудшается процесс смесеобразования и сгорания, а также усиливается нагарообразование в цилиндрах и выпускном тракте, могут возникнуть опасные вибрации.
ь
Рис. 1. Аппроксимация кривых удельных затрат топлива
Переход к пониженным оборотам позволяет перейти к т. н. экономической скорости иэк, под которой понимается такая сниженная иэк < ин скорость, которая при наличии резерва ходового времени позволяет судну своевременно прибыть в порт назначения, обеспечивая максимальную экономию топлива прежде всего ГД. Но при этом должно соблюдаться условие, что длительная работа на этом режиме не приведет к снижению его надежности. Здесь имеются в виду факторы, перечисленные выше. В связи с этим продолжительность работы дизеля на минимальных п обычно ограничивается временем от 30 до 60 мин [1, 6].
Соответственно, в этом случае в качестве длительной эксплуатационной мощности задается мощность, обеспечивающая режим экономичного хода.
Режим экономичного хода собственно дизеля ECR (Economy Continuous Rating), оптимизированный по be = bemin, будет отличен от MCR и от CSR, однако с целью обеспечения всех остальных критериев, возможно, потребуется и перерегулировка дизеля, а именно фаз топли-воподачи и газораспределения, т. к. дизель перейдет на частичную характеристику. Также может быть нарушен оптимальный режим работы гребного винта.
В режиме ECR как и в основном режиме (MCR или CSR) появится свой минимум be (рис. 2, кривая 2), поэтому переход от MCR к ECR для многих дизелей является вопросом судовладельца по способу интерпретации понятий этих мощностей.
Выбор режима экономической работы ECR может быть осуществлен по специальным диаграммам (рис. 3), в построение которых положен приведенный выше принцип фирмы «MAN B&W».
Линии I, II и III - взяты по уже обоснованной для современных форсированных судовых дизелей схеме построения ограничительных характеристик (для линии I здесь принято ограничение n = 100%, т. е. n = пн) в логарифмических координатах.
Ъе, г/кВт-ч
174
170
166
У "\
1
тЧ к
Рис. 2. Форма кривых Ье = Ье(Ые) для исходного режима MCR (кривая 1) и ECR (кривая 2) для двухтактного дизеля
Рис. 3. Схема выбора экономического режима
Линии IV - линии постоянной скорости судна, характеризующие мощность дизеля для различных значений n = пр; при этом предполагается, что для каждого значения частоты вращения гребной винт имеет максимальный КПД.
Если принять, что при и = const для любого соотношения мощностей в логарифмических
координатах NeJNe2 соблюдается Ne1 « Ne2 (n1ln2 )a , то угол наклона линий и = const будет зависеть от показателя степени а. Для судов с полными обводами (танкеры, балкеры) а ~ 0,3; для специальных (контейнеровозы, рефрижераторы) а ~ 0,2.
Поскольку удельный эффективный расход топлива соответствует значению ре, а ре ~ n2, то линии Ье и ре в логарифмических координатах совпадают. Нанеся на диаграмму величину ДЬе
в % от ЬеМ(Ке), получим в данном случае, что режим экономической скорости, а значит и режим ЕСЯ, имеет место при 78% Ые для номинальной винтовой характеристики.
На диаграмме рис. 4, построенной также в логарифмических координатах, прямая 1 представляет спецификационную винтовую характеристику. Параллельная ей линия представляет собой характеристику легкого винта 6, а ломаная 4-5 - ограничительные характеристики. Зона между линиями 4-5 и ломаной 7 относится к зоне перегрузок.
и
100 95 90
Нагрузка [%Ш]
Рис. 4. Диаграмма нагрузок дизеля и режимов перегрузки
С целью обеспечения всех режимов работы необходима более точная настройка топливной аппаратуры.
Для примера рассмотрим порядок настройки ГД с ЭУ WARTSILA-SULZER ЯТ-йех на снижение содержания КОх или удельного расхода топлива, который приведен в [3] и на рис. 5 и рис. 6 соответственно. Для этого выбирается область близкая к номинальному режиму, которая
должна находиться в пределах 85-90% от номинальной мощности (рис. 5). Область близкая к номинальному режиму определяется следующими точками: R1 - точка максимальной допустимой продолжительной мощности/частоты вращения; R2 -100% скорость и 70% мощность от R1; Rз - 85% частоты вращения и 90% мощности от R1; И4 - 85% частоты вращения и 70% мощности от R1 и линиями, их соединяющими. Для других типов ГД выбор области близкой к номинальному несколько отличается и по внешнему виду, и от значений, представленных выше [4, 5].
Работа в этой области целесообразна с точки зрения увеличения моторесурса ГД [7]. В ней выделяется т. н. настроечный треугольник (рис. 5). Далее путем определения полноты сгорания топлива, [%я1] следовательно, и содержания КОх в отработавших газах, выполняем оптимальную настройку топливной системы (рис. 6).
Возможность изменения закона подачи топлива и, тем самым, снижения температуры цикла,
75
80
85 90 95 100 Частота вращения
Рис. 5. Область близкая к номинальному режиму работы и настроечный треугольник
позволила существенно снизить содержание окислов азота в выхлопных газах, до норм, установленных Приложением VI (MARPOL 73/78), которые приведены на рис. 7, и уровня эмиссии дыма до норм, приведенных на рис. 8 [4, 8].
Из рис. 7 следует, что нормы выбросов NOx в соответствии с нормами IMO, начиная с 2016 г. для малооборотных дизелей должны сократиться практически в 4 раза по сравнению с нормами 2000 г., но они остаются практически постоянными для частот вращения до 100 об/мин и должны снизиться в 6 раз для двигателей с частотами вращения до 300 об/мин.
1 4
я" 3
ш
с 2
§ 1
S 0
Sä -1
I -21 -3
1 Ф
ГО -6 ш
g. -8-с
о -9
Нагрузка
Рис. 6. Настройка двигателя на снижение содержания NOx
Рис. 7. Нормы выбросов NОх в соответствии с МО
Из рис. 8 следует, что эмиссия дыма в двигателях с электронным управлением находится значительно ниже рекомендованных норм.
0.40
ч 0.30
с;
s ■&
о
0.20
га п
га ^
о IZ
0.10
0.00
RTA96C Ур ювень дым юсти
RT-flex96C
20
40
60
80 100 Нагрузка, %
Рис. 8. Кривые эмиссии дыма для двигателей ЯТ-/1ех96С и ЯТА96С Подводя итоги вышесказанному, можно сделать следующие выводы:
1. Применение СЭУ ГД позволяет повысить гибкость в управлении ГД и тем самым сократить не только УЗТ, но и путем оптимизации режимов работы обеспечить соблюдение требований международной конвенции MARPOL 73/78 по сокращению выбросов NOx с отработавшими газами.
0
2. Настройка параметров СЭУ и пересчет параметров мощности в режимах отличных от номинального выполняется в области близкой к номинальному режиму.
3. Обеспечение устойчивых пониженных оборотов ГД позволяет перейти к экономической скорости, позволяющей обеспечить максимальную экономию топлива ГД.
Литература
1. Возницкий И.В. Двигатели MAN B&W модельного ряда МС 50-98. Конструкция, эксплуатация, техническое обслуживание. - М.: Моркнига, 2008. - 264 с.
2. Exploitation of shaft generators for green efficient ship operation - Electric machine selection and operation on ship's electrical power system / E. Chatzinikolaou, C. Patsios, A. Sarigiannidis, A. Kladas // 5th and 6th Marinelive Workshops "Ship Electric Grids" & "Power Management Systems".
3. SULZER RTA96C Marine Installation Manual: Issue. - SULZER RTA96C Marine Installation Manual: Issue. - May 2004. - URL: https://ru.scribd.com/doc/11498707/RTFLEX96C.
4. Pounder's Marine Diesel Engines and gas Turbines. Eighth edition. Elsevier ButterworthHeinemann Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP 200 Wheller Road, Burlington, VF 01803.
5. Возницкий И.В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. - М.: Моркнига, 2008. -Т. 1. - 282 с.
6. Дизели. Справочник. Изд. 3-е, перераб. и доп. / Под общ. ред. В.А. Ваншейдта, Н.Н. Иванченко, Л.К. Коллерова. - Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1977. - 480 с.
7. Технико-экономические характеристики судов морского флота РД 31.03.01-90.
8. Возницкий И.В., Пунда А.С. Судовые двигатели внутреннего сгорания. - М.: Моркнига, 2008. - Т. 2. - 470 с.
