CC BY
191
УДК 621.436.0046
О. С. Можаев, Е. С. Попов ТОПЛИВНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Представлены: краткие характеристики судов проекта 36K HMD2123; состав и технические характеристики судовой электростанции (СЭС); анализ режимов нагружения СЭС для характерного рейсового задания. Предложена методика расчета коэффициента эффективности топливоиспользования с учетом основных эксплуатационных факторов, изменяющихся во времени. По результатам расчетов выполнен анализ причин снижения топливной эффективности СЭС и даны следующие рекомендации по ее повышению: использовать минимальное количество потребителей электроэнергии с точки зрения их загруженности и необходимости для выполнения судном конкретной операции; не допускать работы вспомогательных дизель-генераторов (ВДГ) на малых нагрузках; для характерных операций на борту должны иметься заранее просчитанные планы по управлению энергетической эффективностью судна в части выработки и потребления электроэнергии; производить своевременное техническое обслуживание двигателей электростанции; контролировать равномерность распределения активных и реактивных мощностей по генераторам, работающим в параллели, и своевременно устранять причины возникновения неравномерностей их распределения. Определены: коэффициент использования мощности вспомогательного двигателя, ресурсный коэффициент вспомогательного двигателя и коэффициент реактивной мощности, а также коэффициенты их значимости. Построен график и аппроксимирована зависимость изменения удельного эффективного расхода топлива от эффективной мощности с целью определения оптимального режима нагружения для двигателя типа 5ЧН 21/32 исходя из эксплуатационных данных по тепловой и механической напряженности, а также рекомендаций заво-да-изготовителя. Показано изменение коэффициента эффективности топливоиспользования ВДГ и СЭС в зависимости от ресурса двигателя, использования мощности двигателя и качества вырабатываемой дизель-генератором энергии. Рассмотрен факт влияния технического состояния топливной аппаратуры дизеля на его топливную эффективность, дана оценка этого влияния и сделан вывод о необходимости использования удельного эффективного расхода топлива в предложенной методике как параметра, неразрывно связанного с техническим состоянием двигателя.
Ключевые слова: судно, судовая электростанция, удельный эффективный расход топлива, коэффициент эффективности топливоиспользования, коэффициент значимости, анализ, расчет, танкер химовоз-продуктовоз, техническое состояние.
Введение
В свете мировых тенденций повышения требований к экономичности и экологичности судов в их эксплуатации очевидна необходимость оценки эффективности использования топлива их энергетическими установками. Одним из основных потребителей топлива на судах наряду с машинно-движительным комплексом (МДК) является судовая электростанция (СЭС). Оценка эффективности работы судовой электроэнергетической системы (СЭЭС) складывается из эффективности топливо-использования, связанной с выработкой энергии, ее распределением и потреблением. Предлагается методика расчета, позволяющая определить топливную эффективность СЭС.
Состав СЭС
В качестве примера рассматривается СЭС танкера химовоза-продуктовоза большой серии судов проекта 36K HMD2123 судостроительного завода «Hyundai MIPO». Суда спроектированы и построены на класс LR 100A1, Double Hull Oil and Chemical Tanker, Ship Type 2 ESP CSR LMC, UMS, Ice Class 1 AFS, COW, *IWS, LI, IGS Ллойда Великобритании, имеют неограниченный район плавания (ледовое усиление (ЛУ1) (неарктическое)), оснащены системами инертного газа и удовлетворяют основным международным требованиям и правилам.
Судовая электростанция включает в себя три вспомогательных дизель-генератора (ВДГ) 5H 21/32 (5ЧН 21/32), рассчитанных на топливо, вязкостью до 700 мм2/с при температуре 50 °С, и главный распределительный щит (ГРЩ), оборудованный автоматической системой распределения нагрузки «ACONIS». Основные элементы и характеристики электрогенераторных установок приведены в табл. 1.
Таблица 1
Основные характеристики электрогенераторных установок
Назначение, тип, марка Количество Мощность, кВт Напряжение, В Об/мин Род тока Частота, Гц
ОТС7 506-14К Вспомогательный генератор 3 730 440 720 Переменный 60
Характеристики вспомогательных двигателей
Год и место постройки 2007, Южная Корея
Завод-изготовитель Нуц^аї HiMSEN
Тип, марка 5Н21/32
Количество 3
Номинальная мощность, кВт 780
Частота вращения коленчатого вала, об/мин 720
Число цилиндров 5
Диаметр цилиндра, мм 210
Ход поршня, мм 320
Система охлаждения пресной водой 2-контурная
Система запуска Воздушная (пневмостартер)
Удельный эффективный расход топлива, г/(кВт • ч) 194,36
Среднее эффективное давление в цилиндре, МПа 2,41
Выбор оптимального режима работы ВДГ
По результатам стендовых испытаний ВДГ, которыми оборудованы суда рассматриваемого проекта, построена и аппроксимирована зависимость удельного эффективного расхода топлива ge от эффективной мощности на валу дизеля f (Ые) (рис. 1).
Ме, кВт
Рис. 1. Зависимость удельного эффективного расхода топлива от эффективной мощности вспомогательного дизеля 5Н 21/32
Исходя из эксплуатационных данных по тепловой и механической напряженности, а также рекомендаций завода-изготовителя о диапазоне нагружения ВДГ (75-85 % паспортного значения, обеспечив баланс ресурса дизеля, запаса по располагаемой мощности и экономичности работы) выбран оптимальный режим нагружения ВД (точка «оптимум»).
Из рис. 1 видно, что оптимальный с точки зрения эксплуатации режим нагружения двигателя не характеризуется минимальным ge. Это связано с проектными особенностями дизеля, минимум по ge достигается при 100 % режиме нагружения.
Существует несколько характерных режимов работы танкера-химовоза: переход, стоянка в порту (на рейде), обогрев груза, промывка грузовых танков, переход без дополнительных операций, погрузка, выгрузка и смешанный режим. Для каждого из них характерны свои особенности распределения электрической энергии. Результаты расчета характерных режимов нагружения СЭС приведены в табл. 2.
Таблица 2
Характерные режимы нагружения СЭС по опыту эксплуатации
Параметр Морской переход Выгрузка Стоянка в порту
Без дополнительных операций Помывка танков
Суммарная нагрузка на СЭС, кВт 390 660 1740 350
Мощность генератора, кВт 730 730 730 730
Количество генераторов в работе, уст. 1 2 3 1
КВЭ, % 53 45,2 79,5 48
Из табл. 2 видно, что на режиме перехода судна без дополнительных операций коэффициент выработки энергии (КВЭ) [1] составляет 53 %, что на 30,5 % ниже проектного значения.
Методика расчета коэффициента эффективности топливоиспользования СЭС
Суть данной методики заключается в анализе статистической информации о режимах нагружения и выводе ряда формул, позволяющих оценить топливную эффективность электростанции и выработанной ею энергии.
Результаты мониторинга параметров электрогенераторной установки в эксплуатации на режиме перехода без дополнительных операций представлены в табл. 3.
Таблица 3
Выдержка из протокола мониторинга основных параметров электрогенераторной установки в эксплуатации
Гене] ратор № 2
Активная мощность генератора, P, кВт Средневзвешенное значение токов обмоток генератора, I, A Средневзвешенное значение напряжения в щитах, U, В Частота тока, f, Гц Реактивная мощность генератора, Q, квар Полная мощность, S, кВ • A Эффективная мощность на валу дизеля, Ne, кВ Средневзвешенное значение сдвига по фазе между векторами тока и напряжения, cos f
390 634 447 60 298 491 422 0,795
383 632 447 60 305 489 415 0,783
402 655 447 60 309 509 437 0,794
380 626 449 60 304 487 411 0,781
384 632 449 60 307 492 416 0,781
393 647 449 60 314 503 425 0,781
400 646 449 60 304 502 433 0,796
391 648 449 60 318 504 423 0,776
398 630 449 60 286 490 431 0,812
396 634 449 60 294 493 429 0,803
380 635 450 60 317 495 411 0,768
384 645 449 60 323 502 416 0,766
385 650 449 60 328 505 417 0,762
387 648 449 60 323 504 419 0,768
Показания приборов снимались четыре раза за сутки в течение часа с интервалом 1 мин. В течение контрольного времени производился также замер расхода топлива. Эксперимент повторялся как для каждого ВДГ в отдельности, так и при их работе в параллели на шины главного распределительного щита (ГРЩ). Массив данных, накопленных за 5 лет эксплуатации судов рассматриваемого проекта, позволил вывести некоторые зависимости, отражающие эффективность эксплуатации СЭС.
В результате вводится коэффициент эффективности использования топлива ВДГ:
KFEG = [kpug x KPUg]-[krg x KRG]-[Ke x KQg],
где KPUG - коэффициент использования мощности ВДГ (power utilization factor of generator plant), представляющий отношение значения текущей мощности Nei к рекомендуемой длитель-
ной эксплуатационной Ne(CPT; KPgG - коэффициент значимости использования мощности ВДГ (generator plant power utilization significance factor), представленный отношением удельных эффективных расходов топлива geOPT и gei при NeOPT и Nei режимах нагружения ВДГ; KRG -коэффициент ресурсный ВДГ (auxiliary engine service life factor), представляющий отношение выработанного ресурса Ri к паспортному RCPT ; KRRG - коэффициент значимости ресурсного показателя (auxiliary engine service life significance factor), представленный выражением
[1— geOPT /(geOPT + AgeR )],
где AgeR - увеличение удельного эффективного расхода топлива по мере вырабатывания ресурса ВДГ; Kq - коэффициент реактивной мощности (reactive power factor), представляющий отношение изменения средневзвешенного значения A cos ф = cos q>OPT — cos ф; к его наилучшему расчетному значению; KQg - коэффициент значимости реактивной нагрузки (reactive power
significance factor), представленный отношением реактивной мощности генератора Q к его активной мощности P или tg ф .
Все указанные технико-эксплуатационные показатели отнесены к наилучшему значению для приведения к безразмерному виду [2] для расчета коэффициента эффективности топливоис-пользования KFEG ВДГ:
Расчетные значения коэффициента эффективности топливоиспользования одного генератора, работающего на шины ГРЩ, представлены в табл. 4.
Таблица 4
Результаты расчета К¥Еа одного генератора
KFEG
N
N_
ge
ge
Величина Обозначение Значение
1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7
Экспл. оптимум Длительная эксплуатация
Мощность дизеля, % % 78 78 78 78 53 53 53
Ток, А I 898,1 850,0 920,0 916,0 626,0 635,0 642,0
Напряжение, В U 450 450 450 450 450 450 450
Косинус cos f 0,800 0,741 0,750 0,770 0,781 0,768 0,759
Реактивная мощность генератора, квар Q 420 444 473 456 304 317 326
Активная мощность генератора, кВт P 560 560 560 560 380 380 380
Полная мощность генератора, В х А S 700,0 661,0 715,5 714,0 486,8 494,9 500,4
КПД генератора h 0,9243 0,9243 0,924 0,9243 0,9237 0,9237 0,9237
Эффективная мощность дизеля, кВт Ne 606 606 606 606 411 411 411
Наработка, тыс. ч R 0 2 9 25 25 25 25
Коэффициент реактивной мощности Kq 0,000 0,074 0,063 0,038 0,024 0,040 0,051
Коэффициент использования мощности KpuG 1,000 1,000 1,000 1,000 0,679 0,679 0,679
Коэффициент ресурсный Krg 0,000 1,000 0,281 0,781 0,781 0,781 0,781
Коэффициент значимости (реактивной мощности) Ksig KQ 0,750 0,793 0,845 0,813 0,801 0,834 0,857
Коэффициент значимости (использования мощности) Ksig PUG 1,000 0,985 0,933 0,980 0,895 0,895 0,907
Коэффициент значимости (ресурса) Ksig RG 0,000 0,015 0,067 0,020 0,105 0,105 0,093
Удельный эффективный расход топлива, г/(кВт • ч) ge 196,0 199,0 210,0 200,0 219,0 219,0 216,0
Коэффициент эффективности топливоиспользования К-yeg 1,00 0,91 0,86 0,93 0,51 0,49 0,50
С увеличением часов наработки агрегата (значения 1-3) происходит уменьшение топливной эффективности его использования, связанное с ухудшением технического состояния двигателя. Рост реактивной мощности вызван увеличением количества запитанных активно-индуктивных потребителей. Это связано с производственными и техническими нуждами и приводит к уменьшению cos f негативно отражаясь на качестве использования вырабатываемой энергии.
Плановая переборка топливных насосов высокого давления (ТНВД) на 16 тыс. ч и замена резиновых уплотняющих колец на тефлоновые манжеты, в соответствии с циркуляром компании HiMSEN о модификации ТНВД, привела к уменьшению протечек топлива между корпусом и втулкой ТНВД, что, в свою очередь, повлияло на уменьшение удельного эффективного расхода топлива, т. к. измерение проводилось по показаниям счетчиков объемного расхода и учитывало протечки внутри корпуса ТНВД (точка 4 как результат). Таким образом, очевидна необходимость использования удельного эффективного расхода топлива в предложенной методике как параметр, неразрывно связанный с техническим состоянием двигателя.
Значения 4-7 отражают изменение топливной эффективности использования генераторной установки в относительно короткий промежуток времени, который не превышает 1000 ч при общей наработке 25 т/ч. Уменьшение KFEG (значения 4-5) характеризуется уменьшением нагрузки на генератор, уровень которой характерен для большей части времени работы ВДГ [3]. Дальнейшее снижение KFEG (значения 5-6) связано с увеличением реактивной составляющей мощности и, соответственно, с уменьшением cos f.
Испытание дизель-генератора, проведенное после планового технического обслуживания (ТО) двигателя, показало, что с падением удельного эффективного расхода топлива на 5 % эффективность топливоиспользования установкой увеличилась на 7 % (значение 4). Результаты расчета, приведенные в табл. 4, представлены в графической форме, где отражено значение KFEG в каждом из отдельно рассматриваемых случаев (рис. 2).
Рис. 2. Графическое представление результатов расчета коэффициента эффективности топливоиспользования по (1)
Для расчета коэффициента эффективности топливоиспользования СЭС (КЕЕРР) при работе двух и более генераторов в параллели на шины ГРЩ предлагается использовать следующую формулу:
п
^ КЕЕО]
КРЕРР = ^-----------------------------------------------, (2)
п
где КРЕО]- - коэффициент эффективности топливоиспользования ]-го дизель генератора;
п - количество генераторов, работающих в параллели на шины ГРЩ.
По экспериментальным данным рассчитывается коэффициент выработки электроэнергии (КВЭ) [1]:
КВЭ = РСум/(п X Рген), (3)
где Рсум - суммарная активная мощность на шинах ГРЩ, принимается равной суммарной мощности потребителей, находящихся в работе в данных условиях, не учитывающая реактивной составляющей; Рген - суммарная номинальная мощность генераторов, параллельно работающих на шины ГРЩ [1].
Коэффициент использования СЭС (КИсэс) рассчитывается следующим образом:
Шэс = Р сум/Р сэс, (4)
где Рсэс - суммарная номинальная активная мощность генераторов судовой электростанции.
В табл. 5 приведены результаты расчета по (2)-(4) для одного из характерных рейсовых заданий. Рассматриваются режимы работы СЭС на океанском переходе судна с периодическим обогревом груза, последующей выгрузкой и стоянкой в порту.
Таблица 5
Результаты расчета эффективности использования СЭС и выработанной ею энергии для характерного рейсового задания
Параметр Морской переход Выгрузка Стоянка в порту
Без дополнительных операций Обогрев груза
Суммарная нагрузка на СЭС, кВт 400 790 1217 380
Количество генераторов в работе, уст. 1 3 3 1
КВЭ, % 54,8 36,1 55,6 52,1
КИсэс, % 18,3 36,1 55,6 17,4
Кеерр, % 52,2 10,8 58,6 51,7
Графически результаты расчета представлены на рис. 3. Режим морского перехода с обогревом груза характеризуется большим запасом по располагаемой мощности СЭС (низкий КВЭ) и низкой топливной эффективностью (КРЕРР). Данный факт отражает неэффективность использования технических средств, что ведет к перерасходу топлива и ресурса механизмов.
80,0
60,0
40.0
20.0 0,0
12 3 4
■ КиСЭС % ; ШKFEPP, %
52,2
55,6 58'6
Рис. 3. Графическое представление результатов расчета эффективности использования СЭС и выработанной ею энергии для характерного рейсового задания
Расчеты показывают, что при работе генераторов в параллели при малых нагрузках коэффициенты топливной эффективности ВД снижаются вследствие увеличения ge и снижения качества использования выработанной энергии (рис. 4).
Переход с Обогревом
Выгрузка
- ВДГ № 1; а- ВДГ № 2; 0- ВДГ № 3
Рис. 4. Расчетные коэффициенты эффективности топливоиспользования ВДГ при работе в параллели
Сравнительные различия KFEG в данном случае в большей мере обусловлены неравномерностью распределения реактивной мощности и токов между генераторами, работающими в параллели. Причиной высокой реактивной мощности, влияющей на качество использования выработки энергии является работа трех электродвигателей насосов системы гидравлики (каждый номинальной мощностью 440 кВт) на режиме близкому к холостому ходу, что является фактом неэффективного использования технических средств.
Заключение
По результатам анализа даны следующие рекомендации для оптимизации работы СЭС -повышения ее топливной эффективности и качества использования выработанной электроэнергии (ЭЭ):
1. Использовать минимальное количество потребителей ЭЭ с точки зрения их загруженности и необходимости для выполнения судном конкретной операции.
2. Не допускать работы ВДГ на малых нагрузках (повышение КВЭ, уменьшение ge).
3. Для характерных операций на борту должны иметься заранее просчитанные планы по управлению энергетической эффективностью судна в части выработки и потребления ЭЭ.
4. Производить своевременное ТО двигателей электростанции.
5. Контролировать равномерность распределения активных и реактивных мощностей по генераторам, работающим в параллели, и своевременно устранять причины возникновения неравномерностей их распределения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Попов Е. С. Анализ использования энергии СЭУ танкера химовоза-продуктовоза / Е. С. Попов, О. С. Можаев // Материалы 9-й Междунар. конф. «Морская индустрия, транспорт и логистика в странах
региона Балтийского моря: новые вызовы и ответы». Калининград: Изд-во БГАРФ, 2011. 74 с.
2. Петухов В. А. Совершенствование оценки эффективности топливоиспользования в судовых дизельных установках / В. А. Петухов // Двигателестроение. 1988. № 6. С. 40-42.
3. Попов Е. С. Анализ технического использования энергокомплекса танкера химовоза-продуктовоза / Е. С. Попов, О. С. Можаев // Материалы 8-й Междунар. конф. «Морская индустрия, транспорт и логистика в странах региона Балтийского моря: новые вызовы и ответы». Калининград: Изд-во БГАРФ, 2010. С. 149-161.
Статья поступила в редакцию 04.03.2014, в окончательном варианте - 26.08.2014
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Можаев Олег Сергеевич — Россия, 236035, Калининград; Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», канд. техн. наук, доцент; профессор кафедры «Эксплуатация судовых энергетических установок»; [email protected].
Попов Евгений Сергеевич — Россия, 236035, Калининград; Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет»; аспирант кафедры «Эксплуатация судовых энергетических установок»; [email protected].
O. S. Mozhaev, E. S. Popov SHIP’S ELECTRIC POWER PLANT FUEL EFFICIENCY
Abstract. The study presents the following information: brief characteristics of the chemical/product tanker of the project 36K HMD2123; structure and technical characteristics of ship electric power plant (EPP); analysis of load modes of EPP for the specified task. The method
of calculation of fuel efficiency coefficient taking into account the operational factors varied with time is given. Using the results of the calculations the analysis of the reasons leading to fuel efficiency reductions of EPP is carried out. There are given the following recommendations for its improvement: to use minimum consumers of electric energy in terms of their workloads and operational necessities subject to the current operation mode of the vessel; not to operate auxiliary engines on low loads; to develop and keep on board energy efficiency management plans for standard ship operations calculated for the specific vessel in advance, keep personnel familiar with them; to perform maintenance of auxiliary diesel generators in time and with appropriate quality; to share active and reactive power between alternators evenly and eliminate reasons of their unevenness.
In addition, power utilization factor, auxiliary engine life service factor and reactive power factor with their corresponding significance coefficients are calculated in order to obtain the presented method for variable basic conditions of the ship’s electric power plant operation, including condition of operation with low loaded consumers. In order to determine optimal operation rating for the diesel engine 5H 21/32 a specific fuel consumption curve was experimentally proved and approximated taking into account the operational data on heat and mechanical potential and the manufacturer recommendations. The change of the auxiliary engine and electric power plant fuel efficiency depending on the engine service lifetime, generated power utilization and generated power quality are described. The paper also considers the fact of the influence of engine technical condition on its fuel efficiency. Assessment of the above fact is given and the conclusion about the necessity to use specific fuel consumption in the presented calculation method as a parameter inseparably linked with technical condition of engine is made.
Key words: ship, electric power plant, specific fuel consumption efficiency, fuel consumption efficiency factor, significance factor, analysis, calculation, chemical/product tanker, technical condition.
REFERENCES
1. Popov E. S., Mozhaev O. S. Analiz ispol'zovaniia energii SEU tankera khimovoza-produktovoza [Analysis of using ship electric power plant of the chemical/product tanker]. Materialy 9-i Mezhdunarodnoi konferentsii «Morskaia industriia, transport i logistika v stranakh regiona Baltiiskogo moria: novye vyzovy i otvety». Kaliningrad, Izd-vo BGARF, 2011. 74 p.
2. Petukhov V. A. Sovershenstvovanie otsenki effektivnosti toplivoispol'zovaniia v sudovykh dizel'nykh ustanovkakh [Improvement of the assessment of fuel consumption efficiency in marine diesel plants]. Dvigate-lestroenie, 1988, no. 6, pp. 40-42.
3. Popov E. S., Mozhaev O. S. Analiz tekhnicheskogo ispol’zovaniia energokompleksa tankera khimovoza-produktovoza [Analysis of technical usage of the power complex of the chemical/product tanker]. Materialy 8-i Mezhdunarodnoi konferentsii «Morskaia industriia, transport i logistika v stranakh regiona Baltiiskogo moria: novye vyzovy i otvety». Kaliningrad, Izd-vo BGARF, 2010, pp. 149-161.
The article submitted to the editors 04.03.2014, in the final version - 26.08.2014
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Mozhaev Oleg Sergeevich — Russia, 236035, Kaliningrad; Baltic State Academy of Fishing Fleet of FSBEI HPE "Kaliningrad State Technical University"; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Professor of the Department "Exploitation of Marine Power Installations"; [email protected].
Popov Evgeniy Sergeevich — Russia, 236035, Kaliningrad; Baltic State Academy of Fishing Fleet of FSBEI HPE "Kaliningrad State Technical University"; Postgraduate Student of the Department "Exploitation of Marine Power Installations"; [email protected].
