CC BY
32УДК 621.313.1
А.Н. Рак1, В.Г. Черников1, Г.А Капанадзе2
'Донецкий национальный технический университет, Донецк, 283000;
2Донецкий национальный университет, Донецк, 283000 e-mail: lion'[email protected]
РАСШИРЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМБИНИРОВАННЫХ СУДОВЫХ ПРОПУЛЬСИВНЫХ УСТАНОВОК
Применение главных двигателей с электронным управлением, входящим в состав пропульсивного комплекса морских судов, позволяет оптимизировать не только рабочий процесс, но сократить выбросы NOx с отработанными газами до норм, установленных MARPOL 73/78, снизить удельный расход топлива. Установка синхронной машины в линию вала позволяет получить дополнительный источник электрической энергии или источник движения, повышает эффективность и надежность пропульсивной установки судна. Регулирование частоты вращения источника движения осуществляется от частотного преобразователя фирмы SIEMENS - Sinamics S120. Наличие преобразователя частоты с активным выпрямителем позволяет обеспечить работу источника движения на частотах вращения ниже, чем это установлено правилами Регистра.
Ключевые слова: главный двигатель, валогенератор, электродвигатель, электронное управление, дизельный генератор, удельный расход топлива, нагрузка, активный выпрямитель, преобразователь частоты, векторное управление.
A.N. Rak1, V.G. Chernikov1, G.A. Kapanadze2
'Donetsk National Technical University, Donetsk, 283000; 2Donetsk National University,
Donetsk, 283000 e-mail: lion'[email protected]
ENHANCING FUNCTIONALITY AND EFFICIENCY OF COMBINED SHIP PROPULSION SYSTEMS
The use of electronically controlled main engines, which are part of the propulsion complex of marine vessels, makes it possible to optimize not only the workflow, but also reduce NOx emissions with exhaust gases to the standards established by MARPOL 73/78, and reduce specific fuel consumption. Installing a synchronous machine in the shaft line allows you to get an additional source of electrical energy or a source of movement, increases the efficiency and reliability of the propulsion of the vessel. Regulation of the frequency of rotation of the source of movement is carried out from the frequency converter of the company SIEMENS - Sinamics S120. The presence of a frequency converter with an active rectifier allows the movement source to operate at rotational frequencies lower than that established by the Register rules.
Ксу words: main engine, shaft generator, electric motor, electronic control, diesel generator, specific fuel consumption, loading, active rectifier, frequency converter, vector control.
В настоящее время все морские суда, независимо от назначения и водоизмещения, имеют в своем составе пропульсивные установки (ПУ) и в большинстве случаев с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Но увеличение цен на дизельное топливо вызывает необходимость создания для них энергосберегающих технологий.
Большинство ведущих мировых компаний-производителей ДВС, таких как MAN B&W, WARTSILA-SULZER, MHI и др., постоянно занимаются усовершенствованием не только конструкции, систем автоматизации и управления, а также повышением эффективности и экономич-
ности. Одной из главных задач является разработка способа оптимизации управления технологическими процессами ПУ, обеспечивающими улучшение эксплуатационных характеристик главных двигателей (ГД).
Дополнение VI к Конвенции МАКРОЬ 73/78, вступившее в действие 19 мая 2005 г. и ограничивающее выбросы вредных веществ в окружающую среду (окислы азота и серы), фактически направлено на создание более экономичных, безопасных и экологически чистых двигателей. Практически это означает переход от двигателей с механическим приводом распределительного вала к двигателям с электронным управленим. Как правило, кроме ГД в состав современных ПУ входит и синхронная машина (СМ), установленная в линию гребного вала (рис. 1). Она может работать как в режиме генерирования электрической энергии (ВГ), так и в режиме двигателя (Д).
Целью работы является обоснование возможности функционирования комбинированной ПУ морских судов с помощью СМ при ее работе в режиме двигателя до достижения ГД минимальных устойчивых частот вращения, обеспечивающих их надежную и безаварийную эксплуатацию.
ДГ № 1
ДГ № n
Рис. 1. Структурная схема комбинированной судовой пропульсивной установки
Рассмотрим работу ПУ на примере контейнеровоза «Mathilde Maersk» (IMO № 9359052) вместимостью 16 000 тыс. контейнеров, технические характеристики которого приведены в [1]. В качестве ГД на судне установлен малооборотный дизель (МОД) DOOSAN-WÄRTSILÄ-SULZER RT-flex96C с электронным управленим (ЭУ) номинальной мощностью 93 360 л. с. (68 640 кВт), частотой вращения 102 об/мин и номинальным моментом 7 603 850 Нм [2].
Как свидетельствует практика эксплуатации, ГД довольно часто работают в режимах с пониженной частотой вращения (прохождение каналов, плавание в тумане и др.). Естественно, что большое значение, с точки зрения обеспечения безопасности мореплавания, приобретает минимально устойчивая частота вращения ГД, работающего на винт. В соответствии с требованиями Регистра эта величина не должна быть ниже 0,3пном. Чем меньше минимально устойчивая частота вращения, тем лучше маневренные свойства судна. На некоторых современных МОД она составляет (0,16^0,18пном) и даже 0,05пном [3, 4]. Но это имеет и отрицательные последствия, о которых досконально изложено в [5].
Прежде чем перейти к детальному анализу, рассмотрим винтовые характеристики (рис. 2), которые представлены в [1]. Для судоводителей интерес представляют характеристики (1) и (2), а для судомехаников (3) и (4). На рис. 2 обозначены nmin = 30 об/мин - минимально допустимая частота вращения ГД в соответствии с требованиями Регистра; пном = 105 об/мин - номинальная частота вращения; np = 90 об/мин - рекомендованная частота вращения [7]. Как видим из рис. 2, при минимально допустимой частоте вращения nmin = 30 об/мин. Скорость судна составляет 7^8 узлов при мощности N = 30 000 кВт.
Как указывалось выше, в линию вала установлен ВГ/Д, который в соответствии с [1] может работать в режиме генератора (РТО) при частоте вращения ГД в диапазоне 45-85 об/мин, и в режиме двигателя (РТ1) с частотой вращения 40^90 об/мин. При работе ВГ/Д в режиме двигателя обеспечивается усиление работы ГД. Режимы работы ВГ/Д приведены на рис. 3.
N кВт
110000 105000
95000 ■ 90000 ■ й5;;; ■
воооо -
75000 -70000 -65000 -5:::: ■
55;;; -
5;;;; ■ -5;;; 40000 -35000 ■ 30000 -:5;;; -:;;;; -15000100005;;; -0;
у
/
/ у
/ ,
/ 1 /
2 1 1 /
}
/ /
/ /
/ /
У/ /У
/ /
/ //
// У у
//
„
-
п, об/мин на
: п, юо
95
п
85 ЙО 75 70 65 60
50 -5 40
Р
4 6 8 10 12 14 1й 20
2В V, уЗЛЫ
Рис. 2. Винтовые характеристики: 1 - N = /(у) в балласте с осадкой 6,0/9,9м; 2 - N = / (у) при загрузке с осадкой 15,0/15,0 м; 3 - N = / (п) в балласте с осадкой 6,0/9,9м; 4 - N = / (п) при загрузке с осадкой 15,0/15,0 м
СГ:2500 кВт
СГ:6000 кВт
устойчивости (95% Р)
и, об/мин
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Рис. 3. Нагрузочные диаграммы работы синхронной машины в режиме генератора и двигателя
Анализ нагрузочных диаграмм работы ВГ/Д (рис. 3) показывает, что она эксплуатируется только в режимах, когда обеспечивается устойчивая частота вращения ГД.
В связи с этим для улучшения эксплуатационных характеристик ПУ предлагается вариант силовой схемы с активным выпрямителем, обеспечивающим движение энергии в обоих направлениях (рис. 4). Наличие преобразователя частоты с активным выпрямителем позволяет обеспечить работу ВГ/Д на частотах ниже, чем 30 об/мин, т. е. в режиме (РТН).
Рис. 4. Силовая схема для работы синхронного ВГ/Д с судовой сетью
п
111111
Представленное выше схемное решение можно реализовать в преобразователях фирмы SIEMENS - Sinamics S120. Преимуществом такой схемы является возможность регулирования момента за счет применения принципов векторного регулирования. Основные уравнения явно-полюсной ВГ/Д при работе с постоянным потоком, записанные для вращающейся системы координат d - q, ориентированной по потоку ротора, позволяют составить структурную схему машины, представленную на рис. 5.
Рис. 5. Структурная схема синхронной машины в системе координат d - д
Поскольку принципы векторного регулирования позволяют реализовать свободную ориентацию вектора тока статора во вращающейся системе координат d - д, значение электромагнитного момента можно определить в соответствии с выражением:
3
МВГ =-• г, • „ • ^ „ • ^). (1)
Для структурной схемы (рис. 5) в соответствии с (1):
MRr = -■ z (V ■ i + i. ■ i ■(L. -L )), (2)
В1 ^ч p \ p sq sd sq \ sd sq j I ' v '
2
где Мвг - момент на валу ВГ/Д,
zp - количество пар полюсов машины,
- поток возбуждения, Lsd, - индуктивности статора по оси d и д,
- проекции тока статора на оси d и д соответственно. Только при строго перпендикулярном расположении тока статора по отношению к потоку проекции тока статора на ось d равен нулю. Тогда момент ВГ/Д можно определить в соответствии с выражением:
3
Мкг = - • г • г , (3)
В1 ^ Р Р 8<1 ^ '
т. е. для регулирования момента достаточным является влияние на проекцию тока статора на ось д
В таком случае система регулирования приобретает вид (рис. 6).
В такой системе регулирования полярность сигнала задания на момент будет определять режим работы ВГ/Д, т. е. при положительном задании ВГ/Д будет работать двигателем, при отрицательном - генератором. Быстродействие контуров тока обеспечивается ПИ-регуляторами совместно с блоком компенсации ЭДС. Процесс регулирования осуществляется во вращающейся системе координат d - д, ориентированной по потоку ротора. Необходимая ориентация вектора напряжения в пространстве обеспечивается модулятором, работающим на частоте модуляции -8 кГц, при этом обеспечивается качественная форма тока ВГ/Д.
Таким образом, представленная система регулирования способна обеспечить все основные режимы ВГ/Д в составе с судовой ПУ.
Рис. 6. Структура системы регулирования момента синхронной машины
Схема системы регулирования и результаты ее моделирования в программной среде МаШЬАВ (в относительных единицах) приведены на рис. 7 и рис. 8 соответственно.
Рис. 7. Схема системы регулирования ВГ/Д
Рис. 8. Результаты моделирования системы регулирования ВГ/Д: - потокообразующая компонента тока статора; ¡щ - моментообразующая компонента тока статора (пропорциональна моменту); м>т - частота вращения
Для определения мощности, потребляемой ВГ/Д, необходимо выполнить пересчет значений момента ГД, который для морских судов осуществляется в соответствии с соотношением (4), приведенным в [2]:
Л
MRx = MR1
nRx
n
\ R1 У
(4)
где МК1 - значение номинального момента; пК1 - номинальная частота вращения; п^ - частота вращения в заданном режиме.
Определение мощности, потребляемой двигателем для обеспечения движения судна, выполняется в соответствии с известным соотношением:
р = МьУЪь (5)
9,55
Из расчетов следует, что мощность будет составлять 5 МВт. Считаем, что для его питания будет достаточно мощности двух ДГ, включенных в параллельную работу. Паспортные данные генераторов, входящих в состав судовой электростанции, представлены в [1] и табл. 1.
Таблица 1
Паспортные данные генераторов
Генератор Тип Мощность, кВА Частота вращения, об/мин Напряжение, В Ток, А Частота, Гц oos ф
ДГ (3) «Siemens» 1DK4531-8BF05-Z 3 600 1 800 6 600 315,3 60 0,7
ТГ (1) «Siemens» 1FJ4805-4SB62 7 000 1 800 6 600 613,1 60 0,86
ВГ (1) «Siemens» 65L3710-8LG424 AW0 3 571 45-82 6 600 328,5 60 0,7
Аварийный «CATERPILLAR» SR4 1 700 1 800 440 2 457 60 0,8
Анализ удельных затрат топлива (УЗТ) для ГД и дизельного генератора (ДГ), приведенные в [8] и на рис. 9, показывает, что затраты топлива для двух ДГ составляют 1,2 т. При работе ГД с частотой вращения nmin = 30 об/мин и N = 30 000 кВт затраты топлива составят 5,6 т.
УЗТ, 240 г/кВт ч
220 200 180
160 0 20 40 60 30 100 120
Нагрузка, %
Рис. 9. Удельные затраты топлива для ГД и ДГ
Применение преобразователя частоты с активным выпрямителем позволяет повысить эффективность ПУ, обеспечив при этом более высокую маневренность судна и безопасность мореплавания. При этом предусматривается возможность противоаварийного управления, сокращаются затраты топлива, повышаются экономические показатели, обеспечиваются требования Конвенции МЛИРОЬ 73/78.
Литература
1. 'M'class container ship. Operating manual lind0 new building L. 216. m/s «Mathilde Maersk». -Odence Steel Shipyard Ltd., 2008. - 561 с.
2. SULZER RTA96C Marine Installation Manual [Electronic resource] / Issue May 2004. - URL: https://ru.scribd.com/doc/11498707/RTFLEX96C.
3. Дизели. Справочник / Под общ. ред. В.А. Ваншейдта, Н.Н. Иванченко, Л.К. Коллерова. -Изд. 3-е, перераб. и доп. - Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1977. - 480 с.
4. Marine Machinery & Engine 2013 Marine [Electronic resource]. - URL: https://www.mhi-mme.com/cms_docs/products_en.pdf (дата обращения: 10.03.2019).
5. Судновий мехашк: Довщник / Авт.кол.: За ред. А.А. Фока, д-ра техн. наук, суднового старшого мехашка. - У 3-х т. - Т. 1. - Одеса: Фешкс. 2008 - С. 714-715.
6. Технико-экономические характеристики судов морского флота РД 31.03.01-90. - М.: Мор-техинформреклама, 1992. - 232 с.
7. Возницкий И.В. Двигатели MAN B&W модельного ряда МС 50-98. Конструкция, эксплуатация, техническое обслуживание / И.В. Возницкий. - М.: Моркнига, 2008. - 264 с.
8. Рак А.Н. К вопросу настройки и эксплуатации дизелей с электронным управлением / А.Н. Рак, А.В. Корощенко, Г.А. Капанадзе // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Международной научно-практической конференции (17-19 октября 2018 г.). В 2 ч. / Отв. за вып. О.А. Белов. - Ч. 1. - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2019. - С. 97-102.
