Лекция 2. ТЕМА: Показатели СЭУ

Мощностные показатели. Показатели массы. Габаритные показатели СЭУ. Показатели маневренности. Показатели надежности.

 

Для оценки тех или иных качеств СЭУ используют систему технико-экономических показателей. При выборе теплового двигателя важнейшим критерием его пригодности является мощность.

Мощностные показатели. Известно, что мощность представляет собой работу, совершаемую двигателями за секунду. В Международ­ной системе единиц СИ за единицу мощности принят 1 Ватт (Вт): 1 Вт = 1 Дж/с = 1 Н∙м/с.

Вращающий момент двигателя М_вр, Н • м, при угловой скорости , 1/с, развивает мощность

(2.1)

где п – частота вращения рабочего вала двигателя, с

 

Для измерения мощности СЭУ единица мощности 1 Ватт малопри­годна. Обычно пользуются величиной, в 10³ раз большей – 1 киловатт (кВт).

За механическую мощность теплового двигателя принимают мощность на выходном фланце рабочего вала; ее называют эффектив­ной мощностью, при этом предполагается, что номинальная эффектив­ная мощность развивается тепловым двигателем при номинальном вращающем моменте М_вр и номинальной частоте вращения п.

Агрегатная мощность любого типа современных двигателей превы­шает реальную потребную мощность не только промысловых судов, но и любого транспортного судна, т. Е. практически любое судно может быть оборудовано только одним главным двигателем любого типа.

Показатели тепловой экономичности главных двигателей. К таким показателям относятся удельный расход топлива g_е и эффективный КПД .

Удельный расход топлива представляет собой отношение часового расхода топлива G к мощности двигателя N_е, развиваемый на фланце рабочего вала

 

g_е= G/ N_е. (2.2)

 

Эффективный КПД двигателя и удельный расход топлива связаны cоотношением

 

=3600/( g_е Q ). (2.3)

 

В современных ДВС удельный расход топлива составляет 0,16…0,195 кг/кВт, эффективный КПД – 0,44 … 0,52.

Экономичность судовых паротурбинных установок (ПТУ) значи­тельно ниже, чем дизельных ( = 0,33…0,35). Газотурбинные установ­ки (ГТУ) по экономичности занимают промежуточное место между дизельными и паротурбинными энергетическими установками.

Экономичность главной СЭУ в целом оказывается несколько ниже экономичности главных двигателей из-за потерь в главной передаче и подшипниках судового валопровода, а также из-за расхода энергии на привод в действие вспомогательных механизмов систем главных двигателей. КПД главной СЭУ будет равен

, (2.4)

а удельный расход топлива, отнесенный к ступице гребного винта,

(2.5)

где КПД главной передачи и судового валопровода, соответственно;

коэффициент, учитывающий дополнительные затраты энергии на привод вспомогательных механизмов

 

Общий термический эффективный КПД гребной установки с учетом КПД гребного винта и влияния корпуса судна на его работу будет иметь вид:

 

(2.6)

 

где - пропульсивный КПД гребного винта;

(2.7)

где КПД гребного винта, t- коэффициент засасывания; w- коэффициент попутного потока

 

Значение КПД элементов МДК, входящих в уравнения (1.4) и (1.6), зависят от его мощности. Ориентировочно их значения приведены ниже.

 

Элементы МДК

Редуктор одноступенчатый………………………..0,98 …0,99

Редуктор двухступенчатый ……………………….0,96…0,98

Электрическая передача переменного тока………0,90…0,94

Электро- и гидродинамическая муфты …………..0,96…0,98

 

КПД судового валопровода зависит от числа опорных подшипников: для дизельный установок ; для турбинных установок (j - число опорных подшипников).

Коэффициент, учитывающий дополнительные затраты энергии на привод в действие вспомогательных механизмов лежит в пределах 0,93…0,97 и зависит от мощности главных ДВС. Для СЭУ современных судов КПД составляет 0,32…0,40, в зависимости от типа главной передачи и мощности. Применение высокоэкономичных ДВС позволит повысить КПД энергетической установки до 0,38…0,46.

Экономичность вспомогательных дизель-генераторов на 10…20% ниже, чем главных ДВС. С учетом КПД генераторов ( 0,90…0,94) удельный расход топлива на 1 кВтч электрической энергии 0,215…0,225 кг\(кВтч), у лучших же образцов 0,200 кг/(кВт∙ч).

Агрегатированные вспомогательные паровые котлы (ВПК) отечественного производства с рабочим давлением пара 0,5…0,7 МПа имеют КПД 0,80…0,82.

Общепринятого показателя теплотехнического совершенства СЭУ в целом пока не существует. В свое время предпринимались попытки представить такой показатель в виде

(2.8)

где - мощность рабочих агрегатов судовой электростанции (СЭС), кВт; - паропроизводительность ВПК, кг\ч; - энтальпия свежего пара в котле и питательной воды соответственно; кДж/кг; - часовой расход топлива главными ДВС, агрегатами СЭС и ВКУ соответственно, кг/ч; - теплота сгорания топлива, используемого в главных двигателях, агркгатах СЭС и ВКУ соответственно, кДж/кг

 

В числителе выражения (2.8) представлена полезная работа, выполненная всеми элементами СЭУ в килоджоулях, а в знаменателе – суммарная теплота сгорания топлива, израсходованного главными двигателями, агрегатами СЭС и ВКУ. Таким образом, этот показатель отражает КПД СЭУ, однако он не может объективно отражать теплотехническое совершенство СЭУ.

Показатели массы. Масса СЭУ характеризуется тремя показателями: абсолютной массой, относительной массой и удельной массой отдельных элементов СЭУ – главных двигателей, агрегатов СЭС и ВКУ.

В массу СЭУ входят:

- МДК с механизмами и оборудованием систем, которые его обслуживают;

- агрегаты СЭС с главными распределительными щитами;

- ВПК и УПК с механизмами и оборудованием обслуживающих их систем;

- центральные и местные посты управления СЭУ и ее отдельных элементов;

- трубопроводы с арматурой, изоляцией и окраской для канализации рабочих тел, используемых в СЭУ.

Массы двигателей, котлов, механизмов и оборудования принима­ются в состоянии готовности к действию, но без запасов рабочих тел.

Масса СЭУ зависит от мощности ее основных элементов и степени форсировки рабочих процессов. Поэтому абсолютная масса СЭУ мало­показательна и чаще оперируют относительной массой, представляю­щей собой долю массы СЭУ в полном водоизмещении судна

 

, (2.9)

где D - полное водоизмещение судна, т; - абсолютная, т, и относительная массы энергетической установки

 

Относительная масса СЭУ сильно зависит от водоизмещения судна. Так, на малых судах , на средних рыболовных траулерах = 0,16 ... 0,18, на крупнотоннажных траулерах = 0,08... 0,10 и т. д. Удельная масса отдельных элементов СЭУ также не отличается стабильностью.

Например, масса главных ДВС, приходящаяся на 1 кВт их мощности, зависит от степени форсировки по среднеэффективному давлению и частоте вращения, тактности, а также и от конструктивных особенностей двигателей (тронковый, крейцкопфный, с рядным или V-образным расположением цилиндров и др.). Сказанное в полной мере относится и к дизель-генераторам. Представление об удельных массах главных ДВС и дизель-генераторов можно получить при рас­смотрении данных табл. 2.1.

Значительно большей стабильностью отличаются удельные массы ВПК. Например, удельные массы агрегатированых ВПК, выпускаемых отечественной промышленностью, составляют 1,7...4,0 кг пара в час на кг массы. Удельная масса главных паровых котлов меньше 1 кг • ч/кг.

 

Таблица 2.1. Удельные массы двигателей внутреннего сгорания

Тип двигателя	Частота вращения, мин	Удельная масса двигателей
рядного исполнения, кг/кВт	V-образного исполнения, кг/кВт
Высокооборотные Среднеоборотные То же, мощностью менее 500 кВт Малооборотные	1000; 750; 500; 500;   200; 90;	9…11; 12…15; 14…18; 25…30;   20…30; 40…50;	7…8; 10…12; 12…17; 18…25   -

 

Габаритные показатели СЭУ. О размерах помещений, необходимых для размещения СЭУ, судят по показателям мощностей насыщенно­сти длины , кВт/м, площади , кВт/м² и объема машинно-котельно­го отделения (МКО) , кВт/м³,

(2.10)

где - длина МКО между поперечными переборками, м; - площадь МКО, м ; - объем МКО, м³

Под площадью МКО понимают фактическую площадь на уровне настила трюма и площадь промежуточных палуб, а также платформ и цистерн, на которых размещены механизмы и оборудование и с кото­рых можно выполнять работы по их обслуживанию. В объем МКО включают геометрический объем отсека без учета объема размещен­ных в нем танков запаса топлива, смазки и пресной воды.

Иногда под площадью МКО подразумевают лишь площадь на уровне настила, хотя на крупных судах часть механизмов и оборудова­ния размещается и на платформах и промежуточных палубах, а в объем МКО включают также объем танков двойного дна, бортовых цистерн и машинных шахт. При такой трактовке площади и объема МКО заметно возрастает неопределенность показателей мощностной насыщенности площади и объема МКО.

 

Таблица 2.2. Характеристики мощностной насыщенности энергетических судов

Мощность главных двигателей, кВт	Мощностная насыщенность МКО
длины, кВт/м	площади, кВт/ м	объема, кВт/ м3
До 1000 2000…3000 3000…4000 Более 6000	80…100 140…180 180…200 350…4000	12…15 16…20 22…25 22…26	3,9…4,2 4,7…5,0 4,9…5,6 4,3…5,0

В выражениях (2.10) мощность агрегатов СЭС не учитывается. Между тем на промысловых судах она составляет 30... 60 %, а то и 100 % мощности главного ДВС. Это снижает показатели мощностного насыще­ния МКО промысловых судов, расширяет возможный диапазон их значений и делает их несопоставимыми с соответствующими показате­лями не только судов морского флота, но и других судов ФРП. Дейст­вительно, показатели мощностной насыщенности СЭУ с валогенераторами будут при прочих равных условиях значительно выше, чем у СЭУ с автономными агрегатами СЭС, поскольку мощность главных ДВС в СЭУ с отбором мощности будет значительно выше. Поэтому при расчете показателей мощностной насыщенности МКО необходимо учитывать и мощность агрегатов СЭС. В табл. 2.2 приведены значения мощностной насыщенности МКО некоторых типов промысловых судов (с учетом мощности агрегатов СЭС).

Мощностная насыщенность МКО, размещение механизмов и оборудования не должно препятствовать выполнению регламентных и ремонтных работ и соответствовать требованиям охра­ны труда машинных команд.

Показатели маневренности. Маневренность СЭУ представляет собой совокупность свойств, отражающих способность СЭУ изменять свое состояние или режим работы за единицу времени под воздействи­ем внешних импульсов, а также способность работать при предельных значениях некоторых параметров рабочего процесса. В последнем случае численной мерой маневренности являются предельные значе­ния параметров рабочего процесса и допустимая продолжительность работы СЭУ с этими параметрами.

Наиболее важные показатели маневренности главной энергетиче­ской установки следующие.

Время, необходимое на подготовку главной энергетической установки к пуску после стоянки. Оно зависит от типа и мощности главного двигателя. Для дизельных энергетических установок время подготовки к пуску в действие составляют 1... 2 ч, для паротурбинных 3... 4 ч.

Время, необходимое для выхода главной энергетической установ­ки на режим номинальной нагрузки. Для дизельных установок оно составляет 0,25... 2 ч в зависимости от мощности; паротурбин­ных до 2 ч.

Продолжительность реверса. Время реверса отсчитывают с момента подачи команды «Назад» до начала вращения гребного вала в противо­положном направлении. Время реверса зависит от начальной скорости судна. Для энергетических установок с ДВС при v=0, оно равно 5…10с. На полной скорости процесс реверсирования может носить затяжной характер.

Мощность главной энергетической установки на заднем ходу судна. У дизельных установок мощность на заднем ходу составляет примерно 80% от . Мощность турбин заднего хода согласно требованию Регистра должна составлять не менее 40 % мощности главных турбин, при этом , а . Время перехода энергетической установки с одного режима на другой.

Способность к перегрузке. Главные ДВС допускают 10%-ю пере­грузку по мощности в течение часа.

Минимальная частого вращения рабочего вала главного двигателя. По механическим, термо- и газодинамическим условиям рабочего процесса ДВС в подавляющем большинстве работают устойчиво при частоте вращения, составляющей около 30 % номинальной. У ГТУ огра­ничиваются частотой вращения, исключающей помпаж в компрессоре.

Способность МДК к саморегулированию по вращающему моменту при изменении внешней нагрузки, т.е. изменять величину вращающе­го момента в сторону, соответствующую изменению внешнего нагру­зочного момента. Турбины и дизельные МДК с электропередачами постоянного тока обладают некоторой способностью к саморегулирова­нию по моменту.

Показатели надежности. Под надежностью СЭУ понимают ее спо­собность выполнять заданные функции, сохраняя сбои эксплуатацион­ные показатели в установленных пределах. Надежность СЭУ характе­ризуется безотказностью, долговечностью и ремонтопригодностью.

Безотказность - свойство СЭУ непрерывно сохранять работоспо­собность на протяжении некоторого времени без вынужденных пере­рывов. Количественно безотказность определяется вероятностью безотказной работы, средней наработкой на отказ, средним временем восстановления работоспособности и коэффициентом готовности. Перечисленные показатели носят вероятностный характер.

Долговечность - свойство СЭУ сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Состояние СЭУ, при котором дальнейшая ее эксплуатация становит­ся технически невозможной или нецелесообразной, называют предель­ным. Признаки предельного состояния СЭУ оговариваются в норматив­но-технической документации. К числу таких признаков можно отнести:

- ухудшение параметров рабочего процесса и уменьшение уровня безотказности;

- чрезмерные затраты на восстановление работоспособности, при которых дальнейшая эксплуатация экономически нецелесообразна;

- моральный износ, при наличии возможности замены элементов СЭУ более эффективными.

Мерой долговечности служит ресурс - наработка СЭУ до предель­ного состояния. Это так называемый полный ресурс. Кроме того, различают и ресурсы других видов:

- гарантированный, или наработка, до окончания которой постав­щик гарантирует безотказную работу элемента СЭУ и несет за это ответственность;

- до капитального ремонта - наработка восстанавливаемого элемента СЭУ до капитального ремонта;

- назначенный - наработка, по достижении которой эксплуатация элемента СЭУ должна быть прекращена независимо от его состояния в целях обеспечения высокого уровня безопасности эксплуатации СЭУ,

Ремонтопригодность - свойство СЭУ, заключающееся в ее приспо­собленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем технического обслуживания и ремонта.

Живучесть СЭУ — свойство, проявляющееся только в аварийных ситуациях (затопление отсеков, отказ части энергооборудования, пожар и т.п.) и заключающееся в приспособленности СЭУ сохранять при этом полностью или частично свою работоспособность.

Энергетическая установка, отличающаяся высокой надежностью в нормаль­ных условиях эксплуатации, может не обладать столь же высокой живучестью. Например, двухмашинная СЭУ (с двумя главными двигателями), имеющая низкие показатели надежности, оказывается более „живучей" в сравнении с энергетической установкой, оборудованной высоконадежным, но только одним главным ДВС. Ведь выход из строя единственного главного ДВС, как бы малове­роятен он ни был, лишает судно хода, в то время, как в двухмашинной СЭУ (с двумя двигателями) сохраняется возможность судна двигаться, хотя и с неполной скоростью.

Живучесть СЭУ можно существенно повысить за счет резервирования основного оборудования, а также амортизацией механического оборудования, рациональным размещением оборудования в соответствии с нормами проектиро­вания, уменьшающим вероятность возникновения аварийных ситуаций. Кроме того, живучесть обеспечивается на судах средствами противопожарной защиты, системами для выравнивания крена и дифферента при затоплении отсеков и средствами для выполнения аварийных работ.

Вопросы для самопроверки

Что представляет собой эффективная мощность?

Что представляет собой удельный расход топлива?

Какими свойствами характеризуются надежность СЭУ?

За счет чего можно повысит живучесть СЭУ?