CC BY
10
УДК 629.12.03-714.001.24
УСЛОВИЯ РАБОТЫ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ УСТАНОВКИ С ОХЛАДИТЕЛЯМИ МАСЛА И ВОДЫ
А. Р. Аблаев, кандидат технических наук, доцент, ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет»
Рассматривается вопрос совместной работы теплообменника с судовой энергоустановкой в зависимости от способа регулирования теплоотдачи. Разработана методика построения режимных характеристик судовой энергоустановки на основе теплотехнических характеристик охладителей масла и воды, полученных на адекватных математических моделях.
судовая энергоустановка, компьютерно-интегрированная система, тепловой расчет, судовой охладитель
Целью работы является анализ изменения режимных характеристик эксплуатации охладителей масла и воды и влияние этих факторов на изменение режимных характеристик судовой энергетической установки (СЭУ).
К основным системам обеспечения теплового режима судовых энергоустановок относятся: система водяного охлаждения и масляная система.
Системы водяного охлаждения могут быть одноконтурные, двухконтурные, трехкон-турные. Типовая судовая масляная система паротурбинной установки (ПТУ) представлена на рис. 1.
энергоустановки:
1 - турбонасос масляный; 2 - электронасос масляный; 8 - охладитель масла; 11 - фильтр масла; 16, 17, 19, 21, 23, 26, 27 - компенсатор; 33 - клапан невозвратный приемный; 36 - сетка на приемный клапан; 39 - клапан невозвратно-запорный угловой; 43 - клапан невозвратно-запорный проходной; 46, 49 - клапан запорный проходной;
52, 53 - клапан дроссельный проходной
Для обеспечения надежной работы судового главного турбозубчатого агрегата (ГТЗА), наряду с другим обслуживающим оборудованием, важным компонентом является охладитель масла с автономной системой автоматического регулирования температурного режима. Выбор температуры масла объясняется необходимостью его подачи в ГТЗА требуемой вязкости. При этом сам ГТЗА не является объектом регулирования. В качестве объекта регулирования в системе смазки ГТЗА применяется теплообменник (масло-забортная вода), в котором балансируется подводимая и отводимая теплота относительно масла при сохранении заданного значения его температуры на входе в ГТЗА.
Особая роль среди всех аппаратов систем охлаждения отводится маслоохладителям, которые являются одними из основных элементов маслоснабжения дизельных, паротурбинных и атомных энергоустановок.
Тепловой режим энергетической установки характеризуется температурными параметрами и расходами охлаждаемой среды в соответствии с техническими условиями на поставку оборудования в составе энергетической установки (ЭУ). В свою очередь эти параметры обеспечиваются, например, для охладителей масла, максимальной температурой масла на входе в охладитель и температурой на выходе, которая является, как правило, постоянной для поддержания теплового режима ЭУ. Аналогично для охладителей воды.
Указанные параметры обеспечиваются соответствующими теплообменными поверхностями (охладителей масла и воды) и расходом охлаждающей забортной воды.
Сложность работы судовых охладителей масла и воды заключается в том, что в процессе эксплуатации меняются параметры тепловой нагрузки на эти аппараты. Например, температура и соленость забортной воды в зависимости от района плавания [ 1, 2].
Рассмотрим главный турбозубчатый агрегат (ГТЗА) с номинальной мощностью около 8,13 МВт. Маслоохладитель ОКП 17-420-1 [3] отбирает 4% мощности от ГТЗА, что составляет Q = 325,4 кВт (tm = 40° C = const, GM = 2,78 кг/с, tTH = 20° С ), при номинальном (100%-ном режиме работы ГТЗА). Определение влияния работы охладителя масла ОКП 17-420-1 на изменение мощности ЭУ при изменении характеристик охлаждающего теплоносителя (забортной воды), таких как начальная температура, расход, соленость, без проведения дополнительных испытаний на каждом режиме затруднительно. Затруднительно также изменение солености и температуры забортной воды во время проведения испытаний. Таким образом, проектант ЭУ не знает, каким образом будут изменяться режимы её работы. На рис. 2 представлено изменение мощности ГТЗА с учетом изменения температуры и солености забортной воды при различном нахождении корабля (судна) в Мировом океане. Расчетная поверхность охладителя выбиралась при температуре 20°С и солености забортной воды - 20 %о.
160 140 120 100 z" 80 60 40 20 0
0 10 20 30 1|"
Рисунок 2 - Изменение мощности ГТЗА в зависимости от начальной температуры забортной воды
Из рис. 2 видно, что при повышении температуры забортной воды снижается мощность теплосъема охладителем масла от ГТЗА. Таким образом, ставится задача, чтобы в про-
цессе проектирования, не привлекая дорогостоящие стендовые испытания, разработчик аппарата мог оценить режимные характеристики при изменяющихся внешних условиях (температуры, солености, расходов рабочих сред и др.).
Решением данной задачи является создание интегрированной системы автоматизированного проектирования судовой энергетической установки, которая включает в себя неотъемлемую часть - интегрированную систему автоматизированного проектирования теплооб-менных аппаратов ЭУ, позволяющую на стадии проектирования исследовать, на адекватных математических моделях, изменение режимных характеристик эксплуатации ТА и ЭУ.
Используя разработанные алгоритмические и программные модули теплогидродина-мического расчета СТА [4, 5], можно наглядно показать, а в определенных случаях наиболее просто определить, возможные режимы работы ТА и соответственно определить режимы работы ЭУ.
В качестве примера определения режима работы теплообменного аппарата рассмотрим охладитель масла ОКП 17-420-1, установленный в масляной системе ПТУ с номинальной мощностью около 8,13 МВт. Маслоохладитель ОКП 17-420-1 отбирает 4% мощности от ГТЗА, что составляет Q = 325,4 кВт (t = 40° C = const, G = 2,78 кг/с, t = 20° С и
" " v мк " м " " тн
G = 7 кг/с) при номинальном (100%-ном режиме работы ГТЗА). Рассмотрим работу такой системы. Нагретое масло от ЭУ с температурой t^ поступает в охладитель масла, где охлаждается до температуры tm, причем очень важно, чтобы t^. = 40° C = const или колебалось в незначительных пределах. Параметр GM зафиксирован, а t^ зависит от режима работы ЭУ. Проектирование СТА проводится по расчетной температуре забортной воды согласно РД 5.4135-75 на номинальную мощность ЭУ. Однако известно, что температура забортной воды меняется от 0 до 34 °С, значит, на стадии проектирования необходимо численно проанализировать, какой теплосъем будет обеспечен СТА при изменении начальной температуры и солености забортной воды и дать рекомендации для эксплуатации ЭУ.
Для расчета примем температуру забортной воды 10, 20 и 30°С, а соленость 20 и 30 %о, при этом расход забортной воды постоянный. Результаты расчета приведены на рис. 3.
130 120 110 100 90 80 70 60 50
N
\
\
N
-30%о
20%о
10
15
20 tTH
25
30
Рисунок 3 - Изменение мощности ЭУ от режимов работы охладителя масла ОКП 17-420-1 (температуры и солености забортной воды)
Единственным параметром для регулирования режима работы СТА является расход забортной воды.
На этом же примере рассмотрим влияние изменения расхода, температуры и солености на мощность ЭУ. Изменение расхода примем 5, 6 и 7 кг/с. Результаты расчета приведены на рис. 4.
5
Рисунок 4 - Изменение мощ ности ЭУ при изменении режимов работы охладителя масла ОКП 17-420-1;
а - s=30%o, б - s=20%o
Выводы: в результате проведенных расчетов можно сказать, что при изменении внешних условий эксплуатации необходимо знать, каким образом будут изменяться режимные характеристики теплообменных аппаратов систем обеспечения теплового режима СЭУ для их соответствующей эксплуатации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Копачинский, П. А. Судовые охладители и подогреватели жидкостей / П. А. Копа-чинский, В. П. Тараскин. - Ленинград: Судостроение, 1968. - 244 с.
2. Справочник по теплообменникам: в 2-х т. / пер. с англ. под ред. В. С. Петухова, В. К. Шикова. - Москва: Энергоатомиздат, 1987. - Т. 1. - 560 с.
3. Охладители масла и воды кожухотрубные с прямыми трубками. Технические условия // ОСТ 5.4254-86. - Москва, 1987. - 51 с.
4. Медведев, В. В. Использование имитационного моделирования для прогноза риска эксплуатации судовых маслоохладителей с учетом загрязнения их поверхности / В. В. Медведев, М. В. Лакиза // «Имитационное и комплексное моделирование морской техники и морских транспортных систем» (ИКМ МТМТС 2017): труды Четвертой международной научно-практической конференции. - Санкт-Петербург: Изд-во АО «ЦТСС», 2017. - С. 9499.
5. Медведев, В. В. Оценка риска при проектировании и эксплуатации судовых тепло-обменных аппаратов с учетом загрязнения поверхностей теплообмена / В. В. Медведев, М. В. Лакиза // Морской вестник (Санкт-Петербург) - 2016. - № 4(60). - С. 59-62.
WORKING CONDITIONS OF SHIP POWER PLANT WITH OIL AND WATER COOLERS
A. R. Ablaev, Ph.D., Associate Professor Sevastopol State University
The issue of the joint operation of a heat exchanger with a ship power installation is considered depending on the method of heat transfer regulation. A method for constructing the regime characteristics of a ship power installation based on the thermal characteristics of oil and water coolers obtained on adequate mathematical models is developed.
ship power plant, computer-integrated system, thermal calculation, ship cooler
