Модернизация cсудовой энергетической установки грузового судна

1. Анализ показателей судна и его энергетической установки

Для выполнения последующих обоснований и расчётов необходимо привести краткую характеристику указанного в задании проекта судна (табл. 1.1) и его энергетической установки (табл. 1.2).

Таблица 1.1

Характеристика судна проекта 559Б

Параметры, единицы измерения	Значения
Класс	“О”
Размерения корпуса, м: длина ширина	80 15
Водоизмещение, т	1632
Грузоподъёмность, т	1200
Мощность, кВт	588
Осадка, м	1,7
Скорость в полном грузу, км/ч	16,6
Автономность, сут.	6
Число мест для экипажа	12
Количество движителей	2
Тип движителя	ГВН
Сухая масса СЭУ, т	35
Габариты машинного отделения, м: длина ширина	18 14

Таблица 1.2

Характеристика основных элементов ЭУ судна проекта 559Б

Элементы ЭУ и их параметры, единицы измерения	Значения
Главные двигатели:
количество	2
марка	8NVD36
номинальная эффективная мощность, кВт	294
номинальная частота вращения коленчатого вала, мин-1	500
род топлива	дизельное
удельный эффективный расход, кг/(кВтч):
топлива	0,228
масла	0,00163
Главная передача мощности:
тип	прямая
Судовая электростанция:
количество дизель-генераторов	2
марка дизель-генераторов (дизеля)	ДГ-50/1 (6Ч12/14)

Продолжение табл. 1.2

Элементы ЭУ и их параметры, единицы измерения	Значения
номинальная эффективная мощность (дизеля), кВт	50 (58,8)
номинальная частота вращения коленчатого вала, мин-1	1500
удельный эффективный расход топлива, кг/(кВтч)	0,269
КОТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА:
марка автономного котла	КОАВ-68
количество	1
теплопроизводительность, кДж/ч	285600
расход топлива, кг/ч	8,2

На основе данных табл. 1.1 и 1.2 выполняется расчёт показателей установки судна.

Эффективная мощность главной ЭУ:

кВт,

где – количество главных двигателей СЭУ;

кВт – номинальная эффективная мощность главного двигателя СЭУ.

Энергооснащённость судна:

кВт/т,

где т – водоизмещение судна в полном грузу.

Энергонасыщенность по отношению к длине машинного отделения:

кВт/м,

где – количество вспомогательных двигателей;

кВт – номинальная эффективная мощность вспомогательного двигателя;

м – длина машинного отделения.

Энергонасыщенность по отношению к площади машинного отделения:

кВт/м²,

где м² – площадь машинного отделения.

Энергоёмкость работы судна:

кДж/(ткм),

где т – грузоподъёмность судна;

км/ч – скорость судна в полном грузу.

Удельная масса ЭУ:

кг/кВт,

где т – сухая масса ЭУ.

Абсолютный КПД установки:

,

где кг/ч – общий расход топлива на СЭУ;

кДж/кг – низшая удельная теплота сгорания дизельного топлива.

Эффективный КПД установки:

,

где кг/(кВтч) – удельный эффективный расход топлива главного двигателя;

кг/(кВтч) – удельный эффективный расход топлива вспомогательного двигателя;

– количество автономных котлов;

– КПД вспомогательного автономного котла;

кДж/ч – теплопроизводительность автономного котла.

КПД судового (пропульсивного) комплекса:

,

где – эффективный КПД главного двигателя:

;

– КПД главной передачи установки;

– КПД валопровода;

– пропульсивный КПД.

КПД энергетического комплекса:



где – эффективный КПД вспомогательного двигателя:

;

– КПД электрогенератора;

кг/ч – расход топлива автономным котлом.

Результаты расчёта представлены в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Показатели энергетической установки судна проекта 559Б

Наименование показателей, единицы измерения	Значения
Эффективная мощность главной ЭУ, кВт	588
Энергооснащённость, кВт/т	0,36
Энергонасыщенность по отношению к: длине МО, кВт/м площади МО, кВт/м2	39,2 2,8
Энергоёмкость работы судна, кДж/(ткм)	106

Продолжение табл. 1.3

Наименование показателей, единицы измерения	Значения
Удельная масса ЭУ, кг/кВт	59,5
Эффективный КПД установки	0,286
Абсолютный КПД установки	0,286
КПД судового комплекса	0,214
КПД энергетического комплекса	0,362

2. Обоснование состава главной энергетической установки

Целью данного раздела является обоснование и выбор главных двигателей, а также выбор типа главной передачи.

Исходными данными при выборе главных двигателей являются:

 мощность главной энергетической установки судна;

 количество и частота вращения движителей.

Количество главных двигателей следует принимать равным числу их у судна, указанного в задании.

Требуемая мощность двигателей определяется делением суммарной мощности ЭУ на количество движителей или число главных двигателей судна:

кВт.

Для обоснования марки главного двигателя необходимо подобрать несколько дизелей, мощность которых близка к требуемой, и сравнить их с установленными на судне по комплексному параметру качества. В качестве главного двигателя судна следует принимать дизель, имеющий наибольшее значение комплексного параметра. При равных значениях комплексного параметра предпочтение отдаётся дизелю, который в составе ЭУ имеет больший КПД судового комплекса.

Расчёт комплексного параметра качества производим по формуле:

,

где  комплексный параметр качества дизеля;

 удельная мощность дизеля, кВт/м³;

 номинальная эффективная мощность дизеля, кВт;

 длина, ширина и высота дизеля в м;

 максимальное значение удельной мощности среди рассматриваемых дизелей, кВт/м³;

 удельная масса дизеля, кг/кВт;

 масса дизеля, кг;

 минимальное значение удельной массы среди рассматриваемых дизелей, кг/кВт;

 удельный эффективный расход топлива дизеля, кг/(кВтч);

 минимальное значение удельного эффективного расхода топлива среди рассматриваемых дизелей, кг/(кВтч);

 ресурс дизеля до капитального ремонта, тыс. ч;

 максимальное значение ресурса среди рассматриваемых дизелей, тыс. ч;

 условный показатель рода топлива, используемого дизелем (для тяжёлого топлива – , для дизельного  );

 стоимость дизеля, определяемая по формуле:

;

 минимальное значение стоимости среди рассматриваемых дизелей;

 коэффициенты весомости.

При выборе двигателей транспортных судов следует принимать ; ; ; ; ; ; .

Сопоставление удобно производить в табличной форме (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Сопоставление параметров судовых дизелей

Параметры, единицы измерения	Значения
Производитель	SKL	Дизельпром	Румо
Заводская марка	8NVD36	6V396TC4	6Ч23/30L
Обозначение по ГОСТу	8ЧРН24/36	6ЧН16,5/18,5	6ЧН23/30
Исходные данные
эффективная мощность, кВт	294	330	330
частота вращения коленчатого вала, мин-1	500	1775	1000
реверсивность	да	нет	нет
род топлива	дизельное	дизельное	дизельное
удельный расход топлива, кг/(кВтч)	0,228	0,203	0,217
удельный расход масла, кг/(кВтч)	0,00163	0,0007	0,002
ресурс до капитального ремонта, тыс. ч	36	60	30
габаритные размеры, м: длина ширина высота	4,415 2,370 1,600	1,753 1,352 1,517	2,980 1,120 2,100
масса, кг	10200	2440	5000
Расчётные данные
удельная мощность, кВт/м3	17,6	91,8	47,1
удельная масса, кг/кВт	34,7	7,27	15,2
стоимость	753000	1550000	787000
Относительные
удельная мощность	0,191	1	0,513
удельная масса	0,21	1	0,48
удельный расход топлива	0,89	1	0,935
удельный расход масла	0,429	1	0,35
ресурс	0,6	1	0,5
род топлива	0	0	0
стоимость	1	0,485	0,957
КОМПЛЕКСНЫЙ ПАРАМЕТР КАЧЕСТВА	0,502	0,824	0,544
Тип главной передачи	прямая	РР	РР
КПД СУДОВОГО КОМПЛЕКСА	0,214	0,236	0,220

В качестве главного двигателя выбираем дизель 6ЧН16,5/18,5 производства ОАО Дизельпром.

В качестве главной передачи выбираем реверс-редуктор с передаточным отношением 3,55.

3. Обоснование эксплуатационных режимов работы главных двигателей СЭУ

Для обоснования области эксплуатационных режимов работы главных двигателей необходимо выполнить расчёт ограничительных характеристик главных двигателей (табл. 3.1).

Координаты характеристик могут быть определены с помощью следующих зависимостей.

Внешней номинальной мощности:

,

где – механический КПД двигателя на номинальном режиме;

– адаптивная поправка к КПД.

Ограничительной по тепловой напряжённости:

.

Ограничительной по механической напряжённости:

.

Винтовой облегчённой:

.

Винтовой нормальной:

.

Винтовой швартовной:

,

где – значение координаты внешней характеристики номинальной мощности при .

Таблица 3.1

Расчёт координат характеристик судовых дизелей

Параметры, единицы измерения	Значения
Исходные данные
марка дизеля	6ЧН16,5/18,5
номинальная эффективная мощность , кВт	330
номинальная частота вращения , мин-1	1775
механический КПД на номинальном режиме	0,86
РАСЧЁТНЫЕ ДАННЫЕ
доля номинальной частоты вращения	1	0,9	0,8	0,6	0,4	0,3
долевая частота вращения , мин-1	1775	1598	1420	1065	710	533
адаптивная поправка к КПД	0	0,02	0,01	-0,03	-0,08	-0,11

Продолжение табл. 3.1

Параметры, единицы измерения	Значения
ОГРАНИЧИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
внешняя номинальной мощности , кВт	330	308	275	205	133	98
по тепловой напряжённости , кВт	330	286	242	154	66	22
по механической напряжённости , кВт	330	297	264	198	132	99
ВИНТОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
облегчённая , кВт	264	192	135	57	17	7
нормальная , кВт	330	241	169	71	21	9
швартовная , кВт	941	686	482	203	60	25

Для обоснования возможных режимов работы главных двигателей в эксплуатации по рассчитанным координатам строятся ограничительные и винтовые характеристики на одном чертеже (рис. 1). Совмещение характеристик позволяет установить область эксплуатационных режимов работы главных двигателей, которая для судовых дизелей с наддувом ограничивается:

– сверху: частью линии швартовной характеристики и ограничительной по тепловой напряжённости;

– справа: линией номинальной частоты вращения коленчатого вала;

– снизу: линией облегченной винтовой характеристики;

– слева: линией минимально-устойчивой частоты вращения коленчатого вала.

4. Выбор режима работы главных двигателей СЭУ

Для выбора рационального режима работы главных двигателей предварительно выполняется расчёт изменения их параметров при работе главных двигателей СЭУ по винтовой характеристике (табл. 4.1).

Показатели главных двигателей на долевых режимах могут быть определены с помощью следующих зависимостей.

Долевая мощность:

.

Эффективный КПД на режиме:

.

Удельный расход топлива на режиме:

.

Часовой расход топлива:

.

Среднее эффективное давление на режиме:

,

где – коэффициент тактности дизеля ( – для четырёхтактных, – для двухтактных);

– число цилиндров;

м – диаметр цилиндра;

м – ход поршня.

Таблица 4.1

Расчёт параметров главных двигателей по винтовой характеристике

Параметры, единицы измерения	Значения
Исходные данные
марка дизеля	6ЧН16,5/18,5
номинальная эффективная мощность , кВт	330
номинальная частота вращения , мин-1	1775
удельный расход топлива , кг/(кВтч)	0,203
механический КПД на номинальном режиме	0,86
диаметр цилиндра , м	0,165
ход поршня , м	0,185
число цилиндров	6
РАСЧЁТНЫЕ ДАННЫЕ
доля номинальной частоты вращения	1	0,9	0,8	0,6	0,4	0,3
долевая частота вращения , мин-1	1775	1598	1420	1065	710	533
адаптивная поправка к КПД	0	0,02	0,01	-0,03	-0,08	-0,11

Продолжение табл. 4.1

Параметры, единицы измерения	Значения
мощность двигателя на режиме , кВт	330	241	169	71	21	9
эффективный КПД на режиме	0,417	0,419	0,407	0,37	0,317	0,28
удельный расход топлива , кг/(кВтч)	0,203	0,202	0,208	0,229	0,267	0,303
часовой расход топлива , кг/ч	67	48,6	35,1	16,3	5,64	2,7
среднее эффективное давление , МПа	0,94	0,761	0,602	0,338	0,15	0,085

По результатам расчётов необходимо построить графики изменения показателей главных двигателей при работе их по винтовой характеристике (рис. 2).

Определяем наиболее экономичный режим работы двигателя (режим с ) и значения параметров на этом режиме:

об/мин; кВт; ; кг/(кВтч); кг/ч; МПа.

5. Расчёт показателей вспомогательных двигателей СЭУ

Для выбора рационального режима работы дизель-генераторов предварительно выполняется расчёт изменения их параметров при работе по нагрузочной характеристике (табл. 5.1).

Показатели вспомогательных двигателей на долевых режимах могут быть определены с помощью следующих зависимостей.

Долевая эффективная мощность:

.

Эффективный КПД на долевом режиме:

.

Удельный расход топлива на режиме:

.

Часовой расход топлива:

.

Среднее эффективное давление на режиме:

,

где – коэффициент тактности дизеля ( – для четырёхтактных, – для двухтактных);

– число цилиндров;

м – диаметр цилиндра;

м – ход поршня.

Таблица 5.1

Расчёт параметров вспомогательных двигателей по нагрузочной характеристике

Параметры, единицы измерения	Значения
Исходные данные
марка дизеля	6Ч12/14
номинальная эффективная мощность , кВт	58,8
номинальная частота вращения , мин-1	1500
удельный расход топлива , кг/(кВтч)	0,269
механический КПД на номинальном режиме	0,86
диаметр цилиндра , м	0,12
ход поршня , м	0,14
число цилиндров	6
тактность	2
РАСЧЁТНЫЕ ДАННЫЕ
доля номинальной эффективной мощности	1	0,9	0,8	0,6	0,4	0,3
долевая эффективная мощность , кВт	58,8	52,9	47	35,3	23,5	17,6
адаптивная поправка к КПД	0	0,02	0,01	-0,03	-0,08	-0,11
эффективный КПД на долевом режиме	0,315	0,316	0,307	0,279	0,239	0,211

Продолжение табл. 5.1

Параметры, единицы измерения	Значения
удельный расход топлива , кг/(кВтч)	0,269	0,268	0,276	0,303	0,354	0,401
часовой расход топлива , кг/ч	15,8	14,2	13	10,7	8,32	7,07
среднее эффективное давление , МПа	0,495	0,446	0,396	0,297	0,198	0,149

По результатам расчётов необходимо построить графики изменения показателей вспомогательных двигателей при работе их по нагрузочной характеристике (рис. 3).

Определяем наиболее экономичный режим работы дизель-генератора (режим с ) и значения параметров на этом режиме:

кВт; ; кг/(кВтч); кг/ч; МПа.

6. Расчёт систем энергетической установки

Для обеспечения нормальной работы двигатели (главные и вспомогательные) и котельная установка СЭУ оборудуются системами: топливной, масляной, водяного охлаждения, сжатого воздуха и газовыпуска. Каждая система может быть подразделена на две части: непосредственно связанную с двигателем и судовую. В этом разделе приведён расчёт судовых систем СЭУ, а также требования Речного Регистра РСФСР для данных систем.

Назначение систем СЭУ:

1. Топливная система – предназначена для приёма, перекачивания, хранения, подготовки к использованию (очистки, подогрева высоковязкого топлива) и транспортировки топлива к потребителям;

2. Масляная система – предназначена для приёма, хранения, очистки и подачи масла к потребителям;

3. Система водяного охлаждения – предназначена для отвода теплоты от втулок цилиндров, крышек цилиндров, смазочного масла, газовыпускного коллектора у крупных дизелей без наддува и других механизмов энергетической установки;

4. Система сжатого воздуха – предназначена для обеспечения пуска двигателей, подачи звукового сигнала, подпитки пневмоцистерн и работы пневматических систем автоматического управления и регулирования;

5. Газовыпускная система – предназначена для отвода в атмосферу выпускных газов от двигателей, котлов и камбуза.

6.1 Топливная система

Требования Регистра к топливной системе

Насосы.

Для перекачки топлива из запасных цистерн в расходные должны быть предусмотрены топливоперекачивающий насос с механическим приводом и резервный ручной насос. При наличии сепаратора топлива в качестве резервного может быть использован насос сепаратора.

На судах с суточным расходом топлива не менее 1 т допускается устанавливать один ручной насос.

Топливоперекачивающие насосы, а также насосы сепараторов, кроме местного управления, должны иметь средства для их остановки из всегда доступных мест вне помещений, в которых они установлены.

Расположение трубопроводов.

Топливные трубопроводы, как правило, должны быть отделены от трубопроводов других систем.

Трубопроводы, предназначенные для перекачки подогретого топлива под давлением, должны располагаться в хорошо видимых и доступных местах.

Топливные трубопроводы, как правило, не должны прокладываться над двигателями внутреннего сгорания, газовыпускными трубопроводами, паропроводами (за исключением паропроводов для подогрева топлива), паровыми котла ми и их дымоходами.

В исключительных случаях допускается прокладка топливных трубопроводов над указанным выше оборудованием при условии, что в этих районах трубопроводы не будут иметь разъемных соединений.

Приемные трубопроводы топлива от цистерн вместимостью более 50 л, расположенных вне междудонного пространства, а также трубопроводы, предназначенные для выравнивания уровня жидкости в цистернах, должны быть снабжены запорными клапанами, установленными непосредственно на цистернах. Эти клапаны должны иметь дистанционное закрытие из всегда доступных мест, расположенных вне того помещения, в котором находятся цистерны.

На расходных цистернах должны быть клапаны быстрозапорного типа.

Приемные трубопроводы из междудонных цистерн должны быть снабжены запорными клапанами, расположенными выше цистерн.

Устройства для подогрева топлива в системах.

Подогрев жидкого топлива может осуществляться только с помощью паровых или водяных змеевиков. Применение электронагревательных устройств для этой цели является предметом специального рассмотрения Речного Регистра.

Змеевики подогрева топлива должны располагаться в наиболее низких местах цистерн. В глубоких цистернах, в которых змеевики подогрева расположены на высоте, следует предусматривать возможность отключения отдельных секций змеевиков по мере снижения уровня топлива в цистернах.

Концы приемных топливных труб в расходных и отстойных цистернах должны располагаться над змеевиками подогрева таким образом, чтобы не происходило оголение последних.

Максимальная температура подогретого топлива в цистернах должна быть не менее чем на 10С ниже температуры вспышки паров топлива.

Для контроля за температурой подогреваемого топлива в необходимых местах должны быть установлены термометры.

Конденсат греющего пара должен проходить через смотровое устройство, позволяющее контролировать его чистоту.

Давление пара, применяемого для подогрева топлива, не должно превышать 0,5 МПа.

Устройства для удаления воды из топливных цистерн.

Для удаления воды в расходных и отстойных цистернах должны предусматриваться клапаны самозапорного типа и трубопроводы к сточным цистернам.

На сточных трубопроводах должны устанавливаться смотровые стекла. При наличии поддонов вместо стёкол допускается применение открытых воронок.

Устройства для сбора утечек топлива.

Вкладные цистерны, насосы, фильтры и другое оборудование в местах возможной утечки топлива должны снабжаться поддонами.

Сточные трубы от поддонов должны быть отведены в сточные цистерны.

Внутренний диаметр сточных труб должен быть не менее 15 мм.

Сточные трубы должны доводиться до днища сточной цистерны с минимальным зазором.

При расположении сточной цистерны в междудонном пространстве должны быть приняты конструктивные меры, предотвращающие поступление воды в машинные помещения через открытые концы сточных труб в случае повреждения наружной обшивки. Должна быть предусмотрена предупредительная сигнализация по верхнему предельному уровню в сточных цистернах.

Если сточная цистерна является общей для сточных труб от поддонов, расположенных в разных