Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 11
1.1. Обзор методов определения расчетных значений главных параметров и комплектации ВЭК основным оборудованием 11
1.2. Оптимизация проектных решений по СТС - объектам морской техники, подсистемам транспортного судна 17
1.3. Постановка задачи исследования 23
Глава 2. Модели определения потребностей судна во вспомогательных видах энергии и пресной воде и методика формирования альтернативных вариантов покрытия этих потребностей 29
2.1. Структура САПР эскизного проектирования ВЭК 29
2.2. Модели определения потребностей в электрической и тепловой энергии и пресной воде на ранних стадиях проектирования транспортных судов 33
2.3. Модели анализа ресурсов утилизации потерь энергии судовых двигателей 55
2.4. Разработка базы данных по характеристикам комплектующего оборудования ВЭК 65
Глава 3. Влияние параметров вспомогательных энергетических комплексов на эффективность транспортного судна и разработка моделей согласованной системной оптимизации ВЭК 74
3.1. Транспортное судно как сложная техническая система. Критерии эффективности СТС в целом 74
3.2. Влияние системных параметров ВЭК на показатели эффективности судов 77
3.3. Критерии согласованной системной оптимизации ВЭК 81
3.4. Модели согласованной оптимизации ВЭК 85
Глава 4. Исследование эффективности технических решений по вспомогательным энергетическим комплексам 91
4.1. Сравнительный анализ вариантов комплектации СЭС автономными источниками электрической энергии 91
4.2. Анализ эффективности применения валогенераторов и ТКС в сочетании с ВФШ . 100
4.3. Анализ эффективности применения валогенераторов в сочетании с ВРШ 105
4.4. Сравнительный анализ вариантов комплектации ВКУ 107
4.5. Влияние утилизационного комплекса на результаты оптимизации ПК с МОД и СОД 112
4.6. Анализ вариантов комплектования судовой опреснительной установки 115
Глава 5. Анализ устойчивости результатов оптимизации ВЭК в условиях нестабильности экономической ситуации и изменения условий использования судна 120
5.1. Анализ типа величин оказывающих влияние на выбор оптимальных технических решений по ВЭК 120
5.2. Анализ влияния изменения переменных, не обладающих повторяемостью, на эффективность вариантов СЭС с автономными дизель-генераторами 126
Заключение 138
Список литературы 140
Приложение 1 146
Приложение 2 161
Приложение 3 172
Приложение 4 194
- Оптимизация проектных решений по СТС - объектам морской техники, подсистемам транспортного судна
- Модели определения потребностей в электрической и тепловой энергии и пресной воде на ранних стадиях проектирования транспортных судов
- Влияние системных параметров ВЭК на показатели эффективности судов
- Анализ эффективности применения валогенераторов и ТКС в сочетании с ВФШ
Введение к работе
Транспортное судно - сложная техническая система (СТС) — совокупность оборудования, объединенного общей целью - доставкой грузов с наибольшей прибылью. Движение судна обеспечивается работой главной установки - пропульсивного комплекса. Решению основной задачи — перевозки грузов, способствуют вспомогательные энергетические комплексы (ВЭК) - судовая электростанция (СЭС), вспомогательная котельная установка (ВКУ) и опреснительная установка (ОУ), обеспечивающие выработку вспомогательных видов энергии и пресной воды для удовлетворения нужд судна, энергетической установки, обеспечения обитаемости на судне. Без видов энергии и рабочих тел, производимых вспомогательными энергетическими комплексами, решение основной задачи на современном судне невозможно.
Известны различные способы обеспечения работы вспомогательных установок - за счет первичного энергоносителя - топлива, либо за счет утилизации потенциальной энергии давления выхлопных газов и тепловых потерь судовых двигателей. Вариантов и схем обеспечения вспомогательных потребностей очень много. Они рассмотрены и проанализированы в технической литературе. Однако основное направление указанного анализа - обеспечение потребностей судна во вспомогательных видах энергии и пресной воде на спектре режимов эксплуатации в соответствии с требованиями классификационных обществ и указаний руководящих технических документов при минимизации прямых затрат на эксплуатацию ВЭК. Исследованию также подвергаются возможности наиболее глубокой утилизации тепловых потерь. Однако рассмотрению редко подвергаются потери и последствия применения различных схем обеспечения работы вспомогательных комплексов.
Вместе с тем применение развитых систем обеспечения работы ВЭК связано с определенными потерями — необходимостью капитальных вложений в приобретение дополнительного оборудования, требованием площадей для его размещения и необходимостью перевозки дополнительной массы. Особенно это актуально для непременного элемента современных ВЭК - утилизационных установок, которые должны наиболее полно соответствовать характеристикам длительного эксплуатационного режима того оборудования, вторичные энергоресурсы которого утилизируются. Могут быть установлены утилизационные комплексы производящие большое количество энергии и рабочих тел на режиме номинальной МДМ главного судового двигателя, но на практике такой режим используется очень редко и установленное оборудование не может
быть эффективно использовано. Может быть установлен утилизационный парогенератор для утилизации выхлопных газов дизель-генератора, однако для большинства специализированных грузовых судов режим стоянки постоянно сокращается и такой УПГ не сможет себя оправдать ввиду кратковременности использования.
Наблюдаются противоположные тенденции в изменении количества располагаемых вторичных энергоресурсов и потребностей во вспомогательных видах энергии. Потребности в электрической и тепловой энергии и пресной воде постоянно увеличиваются в связи с ростом энергопотребления на судне, а также со стремлением обеспечить комфортные условия пребывания на судне пассажирам и членам экипажа. Эти условия не только не должны уступать, но и даже должны превосходить условия пребывания на берегу. Температуры же выхлопных газов судовых двигателей постоянно снижаются в связи с общим увеличением степени расширения газов. Кроме этого настройка двигателей на длительный эксплуатационный режим, связанная с уменьшением частоты и увеличением размеров движителей, уменьшает количество выхлопных газов и снижает располагаемые ресурсы потенциальной энергии последних.
Утилизационные устройства, устанавливаемые на выхлопном тракте, в определенной мере увеличивают сопротивление последнего и тем самым отрицательно влияют на выработку мощности двигателем. В качестве одного из видов утилизационных устройств может быть рассмотрен валогенератор. Сам он не потребляет вторичных энергоресурсов, но с одной стороны позволяет более полно использовать потенциальные возможности двигателя, работающего на режиме длительной эксплуатационной мощности (ДЭМ) с параметрами значительно ниже максимально допустимых, а с другой облегчает применение утилизационной газовой турбины в комплексных системах выработки и потреблении механической энергии. Одновременно применение валогенератора смещает режим ДЭМ в область повышенных ре, что связано с определенным увеличением удельного расхода топлива не только на выработку электроэнергии, но и на движение.
Вспомогательные энергетические комплексы теснейшим образом связаны с пропульсивным комплексом, оказывают на него влияние и сами подвергаются влиянию последнего. Их анализ с учетом совместного влияния на технические и экономические характеристики судна в специальной литературе отсутствует. Это и явилось основанием разработки настоящей диссертации, направленной на применение методов системного анализа для исследования влияния технических решений по вспомогательным энергетическим комплексам на эффективность использования транспортного судна по основному назначению.
Проектирование ВЭК осуществляется на ранних стадиях проектирования судна - в процессе эскизного и контрактного проектирования, когда потребности во вспомогательных видах энергии и воде ещё окончательно не определены в связи с недостаточной разработанностью ряда ответственных подсистем, в том числе энергетических систем СЭУ. В связи с этим необходимо привлечение методов компенсации неопределенности исходных данных для достаточно надежного определения указанных потребностей и выбора оптимального варианта комплектации ВЭК. Это достаточно острый и сложный вопрос общей теории проектирования энергетических подсистем судна. Надежное прогнозирование потребностей — без избытков и недостатков с одной стороны обеспечивает выполнение функций ответственных режимов эксплуатации судна и с другой оптимизирует характеристики оборудования энергетических комплексов, в том числе утилизационного комплекса, обеспечивая баланс производства и потребления видов энергии и рабочих тел, вырабатываемых ВЭК.
Погрешности определения характеристик судна и СЭУ на ранних стадиях проектирования требует применения в процессе оптимизации технических решений по вспомогательным энергетическим комплексам методов компенсации неопределенности данных. В качестве последних рассматривается применение согласованных критериев эффективности, обладающих повышенной информативностью в процессе анализа технических решений с малой значимостью, к каким обоснованно могут быть отнесены решения по анализируемым объектам.
В настоящей работе поставлена задача создания методики оптимизации вспомогательных энергетических комплексов как подсистем сложной технической системы - транспортного судна. Три вспомогательных энергетических комплекса, несмотря на различие видов энергии и рабочего тела производимых в них, имеют много общего и это позволяет рассматривать их в одной работе. Во-первых, они едины с точки зрения методов определения их производительности: через суммирование расходов на большое число мелких потребителей. Они статистически едины и это позволяет применять близкие методы анализа их производительности. Их производительность различается на отдельных режимах эксплуатации судна в связи с включением на режиме различных потребителей.
Во-вторых они являются подсистемами сложной технической системы - судна и, хотя являются частью судовой энергетической установки, на большинстве режимов в основном обслуживают нужды судна, а не СЭУ, и от этого в большой степени зависят от параметров и назначения судна. Эффективность элементов сложной технической системы
анализируется исходя из эффективности сложной технической системы в целом. В третьих, вспомогательные энергетические комплексы могут быть включены в системы утилизации тепловых потерь и поэтому методы анализа их возможной производительности также едины - исходя из наличия определенных вторичных энергоресурсов.
За годы застоя в период смены экономической формации отечественная промышленность была оторвана от процесса проектирования новых судов и СЭУ и практически утратила способность реализовать начальные этапы проектирования -важнейшие этапы, на которых закладывается более 90% последующей эффективности судна. Практика приобретения проектов судов за рубежом и последующее доведение их до постройки путем выполнения рабочего и технологического проектирования с использованием CAD - САМ систем типа Tribon и Cadmatik окончательно добивает проектный потенциал ведущих проектных бюро при судостроительных предприятиях. Отсутствие опыта реализаций начальных стадий проектирования, занятость исключительно механической работой по прокладке трубопроводов, а также не разработанность экспертных систем не позволяет проектным организациям даже оценить эффективность того, что они приобретают.
Таким образом, поставленная в настоящей работе задача имеет не только высокую научную значимость, но и значительную практическую ценность, направленную на создание возможности проведения экспертиз приобретаемых проектов и их обоснованную критику путем выдвижения более совершенных проектных решений.
Практика выбора комплектующего оборудования вспомогательных энергетических комплексов из типоразмерных рядов, предлагаемых большим количеством производителей, многообразие вариантов комплектации ВЭК, применение различных схем утилизации теплоты главных и вспомогательных двигателей, включение в состав теплоэнергетических установок котлов инсенираторов и другие варианты вспомогательных установок делает общее число альтернативных вариантов исключительно большим. Это, а также необходимость анализировать варианты с выходом на показатели судна делает задачу оптимизации вспомогательных энергетических комплексов исключительно трудоемкой, требующей широкого применения при её решении информационных технологий - программного обеспечения, баз данных, систем анализа эффективности. Именно поэтому в настоящей работе поставлена задача создания систем автоматизированного проектирования ВЭК, способных обеспечить анализ
оптимальности принимаемых решений по вспомогательным энергетическим комплексам с учетом системных связей с подсистемами СТС — судна и с судном в целом.
Не меньшее значение имеет настоящая разработка и в учебном процессе в вузах. Привитие студентам вузов навыков проведения оптимизационных исследований с применением информационных технологий и CAD — САМ систем, что обеспечено выпуском ряда монографий и учебных пособий по результатам настоящей работы, способно повысить качество подготовки специалистов по судовой энергетике.
Оптимизация проектных решений по СТС - объектам морской техники, подсистемам транспортного судна
В работе [18] выполнен анализ транспортного судна как сложной технической системы [2, 11] - совокупности большого числа элементов, подсистем и оборудования, объединенных единой целью - решением задач, стоящих перед судном с наибольшей эффективностью. В процессе анализа применены три принципа декомпозиции сложной технической системы: — функциональный — по степени законченности выполняемой функции; - по пространственной локализации - по принципу объединения оборудования в функциональные и зональные агрегаты и монтажные блоки; - по уровню поставки на судостроительное предприятие.
Применение системного анализа для изучения характеристик, проектирования и оптимизации СЭУ требует обнаружения всех устойчивых и существенных признаков сложной технической системы. Эти признаки вполне очевидны: — сложный иерархический состав; - иерархическая соподчиненность целей функционирования оборудования; - наличие системных связей между параметрами оборудования на различных уровнях. Каждый вид оборудования можно достаточно полно описать совокупностью параметров. Некоторые из них могут быть "системными" или "системно-важными", так как их изменение приводит к изменению характеристик объектов более высокого уровня.
Например, изменение массы оборудования изменяет провозоспособность судна или требует изменения водоизмещения. Изменение энергетической эффективности какого либо механизма или системы приводит к тому же результату, так как требует изменения массы запасов топлива. Но водоизмещение и провозоспособность - важнейшие характеристики верхнего уровня, прямо влияющие на конечный результат - количество перевезенного груза и доходы от его перевозки. Иерархическая схема сложной системы судно - подсистемы - оборудование изобилует подобными связями. Их установление, количественная оценка влияния на показатели верхнего уровня и являются основной целью анализа судна как сложной технической системы.
Задачи, стоящие перед транспортным судном — перевозка грузов определенных типов в заданном количестве с заданной скоростью [70]. Мерой эффективности решения данной задачи является получение наибольшей прибыли от эксплуатации судна по прямому назначению за определенный характерный период. В качестве такого характерного периода эксплуатации обычно применим среднестатистический год, в качестве которого может быть принят пятый год с начала эксплуатации. Рассматривают также варианты анализа эксплуатации судна за так называемый «срок жизни» - ожидаемое число лет эксплуатации до исчерпания судном планируемого ресурса. Это - так называемые глобальные критерии экономической эффективности, рассчитываемые по объекту верхнего иерархического уровня сложной технической системы - по судну в целом. Методы определения составляющих глобального критерия эффективности рассмотрены в работах [7,17,33,70,72,77].
Модели для определения составляющих и расчета критериев эффективности рассмотрены в работах [16, 18]. Здесь приведено описание пакета прикладных программ для определения первоначальной стоимости судов, судовых энергетических установок, главных судовых двигателей, судового энергетического оборудования, текущих расходов по эксплуатации судового комплекса и его отдельных составляющих, доходов от эксплуатации судна.
Для упрощения использования моделей экономического анализа они структурированы по степени законченности функции, выполняемой в рамках процесса оптимизации технических решений. Модели, реализующие определенную элементарную законченную функцию в рамках экономического анализа - расчет стоимости объекта, текущих расходов или доходов от эксплуатации судна названы "базовыми модулями", что подчеркивает возможность их использования в качестве элементарных кирпичиков в более сложных алгоритмах экономического анализа.
Обсуждаются модели экономического анализа более высокого иерархического уровня - "расчетные варианты" - программы, реализующих определенные, законченные алгоритмы экономического анализа, построенные на использовании базовых модулей в качестве подпрограмм и обеспечивающие определение критериев эффективности -глобальных, локальных и согласованных. Ввиду неприменимости глобальных критериев для обоснования технических решений по вспомогательным энергетическим комплексам на ранних стадиях проектирования судна [54] рассматриваются более информативные критерии экономической эффективности - локальные [62] и согласованные [53, 54, 71, 73]. Применение моделей имитационного моделирования [46, 76] позволяет осуществлять сравнение вариантов с использованием всех перечисленных выше критериев, изменяется только метод вычисления составляющих критерия эффективности. Ряд работ [20, 36, 43, 44, 52, 75 и др.] посвящен разработке методов компенсации неопределенности данных при проектировании судов, СЭУ, судовых комплексов.
Применение стохастического моделирования порождает проблему сравнения вариантов технических решений, оцениваемых распределениями и отличающимися основными моментами и типом распределения. В основе сравнения таких распределений -построение кривых безразличия. Если задана доверительная вероятность (1-а) того, что случайная реализация критерия эффективности не будет выше (или ниже, если предпочтительнее большее значение критерия) некоторого уровня Э0, то вероятность несоблюдения этого условия может быть выражена следующей зависимостью: а= Р[Э Э0] = Р[(Э-Эот)/о(Э)й (Э0-Эот)/о(Э)] = Рп[(Э0-Эот)/о(Э), М3(Э), М4(Э)Ъ где Э - случайная реализация критерия эффективности; Эот, а(Э), Мз(Э), M4(3) - четыре старших момента распределения критерия эффективности; Р - вероятности соответствующих событий; Рп - функция нормированного распределения Пирсона.
Из данного выражения можем освободить первый аргумент и получить формулу для расчета кривой безразличия - линейной зависимости между математическим ожиданием случайной величины и ее средним квадратичным отклонением при заданной степени риска: Эот = Э0+ о(Э) Р.Д а, М3(Э), М4(Э)], где Р.1 - табулированная функция а-процентилей нормированного распределения Пирсона.
Линейному соотношению Эот и о(Э) соответствует параболическая функция математического ожидания критерия эффективности от его дисперсии. Решения выше кривой предпочтительны, ниже ее - рискованные. Решения на кривой равно эффективны по данному критерию. Очевидно, что увеличение заданной доверительной вероятности (1-а) повышает значимость дисперсии по сравнению с математическим ожиданием. Т.е. одни и те же решения при одной доверительной вероятности предпочтительны, а при другом рискованны. Это свидетельствует о том, что произвол при выборе решения перенесен на другой уровень - на выбор допустимой степени риска. В то же время различные варианты технических решений могут сравниваться этим методом при постепенном изменении доверительной вероятности, когда одно решение будет по одну сторону кривой безразличия, а другое по другую, или они оба будут на этой кривой, а значит будут равнозначны и для их отбора следует применить другие критерии.
К недостаткам следует отнести и исключительную ненадежность нормативной базы. Стандартное математическое обеспечение статистической обработки данных обеспечивает отсев выбросов. Неоднократно поступали предложения отсеять все статистические данные при том, что уже сама выборка не соответствовала требованиям по объему. Было разработано специальное программное обеспечение по обработке малых выборок [6], позволившее проверять однородность нескольких малых выборок для их последующего объединения и совместной обработки.
Модели определения потребностей в электрической и тепловой энергии и пресной воде на ранних стадиях проектирования транспортных судов
В технической литературе наиболее разработаны методы расчета потребной мощности СЭС. Здесь рекомендованы различные методики определения расчетной мощности СЭС на основе корреляционных зависимостей. Для придания созданным в настоящей работе моделям практической значимости мы полагаем целесообразным использование промышленных методик, установленных последними изданиями отраслевых стандартов и руководящих документов по этой проблеме. В частности руководящий документ ЯКУТ 28-004-96 регламентирует для ранних этапов проектирования судов, когда характеристики потребителей ещё не определены, применение вероятностного метода, базирующегося на использовании корреляционных зависимостей.
В соответствии с этой методикой требуемая мощность генераторов СЭС анализируется на спектре режимов эксплуатации в двух климатических зонах: 1 и 2 -ходовой режим соответственно в умеренной и тропической климатических зонах; 3 и 4 -стояночный режим без грузовых операций в аналогичных условиях; 5 и 6 - режим маневров в соответствующих климатических зонах;? и 8 - режим стоянки с грузовыми операциями в умеренной зоне и тропиках. Для наливных судов рассматриваются четыре режима с грузовыми операциями: 7 и 8 — стоянка под наливом в умеренной зоне и тропиках; 9 и 10 - стоянка под сливом в аналогичных климатических зонах. Могут быть рассмотрены и другие режимы, специфические для анализируемого судна и отличающиеся потребностью в количестве вырабатываемой электроэнергии.
В качестве основных расчетных режимов рассматриваются ходовой и стояночный режим в умеренной климатической зоне - режимы 1 и 3 в соответствии с классификацией, приведенной выше. На этих режимах с доверительной вероятностью 99,7% определяется значение максимальной интегральной мощности Ртах стандартных потребителей электроэнергии, качественно одинаковых для любого типа судна с дизельной энергетической установкой, как сумма математического ожидания Рср и трех значений среднего квадратичного отклонения а (принято допущение о возможности применения усеченного нормального распределения).
В число стандартных потребителей электроэнергии входят: механизмы, постоянно включенные при работе главных двигателей, компрессоры пускового воздуха, сепараторы топлива и масла, перекачивающие насосы всех назначений, испарительная установка, вентиляция МКО, вентиляция жилых и служебных помещений, вентиляция грузовых помещений, кроме помещений предназначенных для перевозки техники с топливом в баках, рулевые машины, рефрижераторная установка провизионных камер, общесудовые насосы в обычных режимах использования, валоповоротные устройства и тельферы, палубные механизмы, вспомогательные грузоподъемные устройства в кратковременном режиме, средства радиосвязи и автоматизации.
В соответствии с рассмотренным методом определения нагрузки СЭС на спектре режимов эксплуатации разработаны компоненты САПР, реализующих начальный блок структуры, рассмотренной в параграфе 2.1. Эти материалы приведены в Приложении 1 к настоящей работе.
Корреляционные зависимости для определения составляющих нагрузки СЭС, приведенные в нормативных документах, нуждаются в корректировке, так как с течением времени происходят изменения требований к характеристикам СЭС со стороны потребителей электрической энергии на судне. Со временем энерговооруженность судов увеличивается. Этот вполне очевидный факт ярко, характеризуется изменением корреляционных коэффициентов зависимостей для определения Рср в двух последовательных изданиях РД «Технико — эксплуатационные требования к оптимальной комплектации СЭС морских транспортных судов», ссылки на которые приведены в первой главе настоящей работы. В издании 1996 года рекомендована зависимость (2.3), приведенная выше.
Другой вопрос, нуждающийся в разрешении: как определить значения коэффициентов, актуальных на определенный отрезок времени. Единственным источником информации для этого могут быть данные по новым проектам судов -прототипов, близких к разрабатываемому по назначению характеристикам и особенностям. Найти такие данные достаточно трудно, так как отечественная судостроительная промьшшенность на протяжении длительного периода не ведет проектирования новых судов, или ведет его весьма ограничено.
Проекты закупаются у зарубежных фирм и доводятся до постройки в результате выполнения рабочего проектирования. В проектных материалах, представляемых с приобретаемым проектом, не всегда содержится таблица нагрузок СЭС в привычном для нас виде. Безусловно, спецификация, представляемая с проектом, содержит характеристики всего комплектующего оборудования, установленного на судне, однако определение коэффициентов загрузки представляет определенные сложности.
Таблица нагрузок СЭС может быть получена экспериментальным путем в соответствии с рекомендациями РД5.6168 - 92, поскольку её наличие на построенном судне является обязательным. Кроме этого по результатам выполнения технического проектирования судна, когда вся номенклатура электроприводного оборудования установлена, могут быть выполнен расчет нагрузки СЭС табличным методом. Для транспортных судов может быть применен метод постоянных нагрузок. Таким образом, на каждом из проектов, построенных на отечественных верфях и подведомственных РМРС (Российского Морского Регистра Судоходства), есть искомая таблица нагрузок СЭС. Предполагаем, что более или менее близкие суда — прототипы будет найдены. Таблицы нагрузки СЭС судов - прототипов следует положить в основу уточнения корреляционных зависимостей для требуемой мощности генераторов СЭС.
Корреляционные коэффициенты могут быть уточнены так: из нагрузки СЭС на длительных режимах хода и стоянки без грузовых операций следует исключить мощное специальное и дополнительное электроприводное оборудование, связанное со спецификой анализируемого судна и указанное в табл. 2 Приложения 1. Кроме этого следует исключить электрооборудование, предназначенное для эксплуатации в тропической зоне. Полученные значения должны быть подвергнуты корреляционному анализу с целью уточнения коэффициентов корреляции в зависимостях 2.3 - 2.8. Безусловно, это существенное дополнительное исследование и проводить его должна специализированная организация, например ЦНИИМФ, при периодическом пересмотре руководящих документов на оптимизацию состава СЭС. Должна быть рассмотрена выборка таблиц нагрузок судов — прототипов, необходимая и достаточная для достижения требуемой представительности.
Влияние системных параметров ВЭК на показатели эффективности судов
Транспортное судно предназначено для- перевозок грузов различного назначения и в зависимости от количества груза заданных категорий, перевезенного за расчетный период (цикл) эксплуатации на заданное расстояние, поступает доход от эксплуатации судна D. В процессе эксплуатации производятся определенные отчисления, составляющие эксплуатационные расходы Р. Разница между доходами и расходами за расчетный период составляет прибыль от эксплуатации судна П=/)-Р. Любой параметр вспомогательных энергетических комплексов, способный оказать влияние на составляющие прибыли, является системным или системно важным и должен анализироваться в процессе оптимизации ВЭК и их оборудования.
Следующие параметры оборудования вспомогательных энергетических комплексов способны оказать влияние на указанные выше и детализированные в параграфе 3.1 показатели эффективности транспортного судна. Это — масса G и габариты L, В, Н ВЭК, масса запасов топлива G3m на функционирование оборудования ВЭК за рейс транспортного судна, первоначальная стоимость К ВЭК, текущие расходы по ВЭК, показатели эксплуатационной надежности оборудования ВЭК, его ресурс. При сравнении альтернативных вариантов ВЭК должны рассчитываться указанные показатели по всему комплекту оборудования каждого из сравниваемых ВЭК, поскольку вносимые изменения могут оказывать разнонаправленное влияние на характеристики отдельных составляющих ВЭК. В то же время при сравнении альтернативных вариантов оборудования ВЭК возможен анализ показателей только исследуемого оборудования, если отсутствуют причины изменения прочих элементов ВЭК. Сами эти причины должны быть подвергнуты анализу. Взаимное влияние элементов ВЭК специфичны для каждого из них, поскольку определяются их функциональными особенностями.
Коэффициенты Кш, и Киг учитывают возможность размещения дополнительных грузов в связи с изменениями массы и габаритов ВЭК. Достаточно часто этот коэффициент равен нулю, так как оборудование ВЭК располагается в МКО и изменение габаритных характеристик ВЭК не приводит к изменению размеров МКО, то есть не влияет на размеры грузовых трюмов, грузовместимость и грузоподъемность судна. Однако, в некоторых случаях, особенно при ограниченных вертикальных габаритах МКО и практически одноплановом размещении СЭУ, такие влияния возможны и этот коэффициент принимает отличное от нуля положительное значение. Например, в случае изменения длины дизель-генераторов на судах внутреннего плавания.
Наличие резервного оборудования в составе ВЭК и высокая ремонтопригодность оборудования обеспечивает практически абсолютную надежность ВЭК, что позволяет не анализировать эти составляющие качества. Даже в случае использования резервного оборудования для покрытия пиков нагрузки на кратковременных режимах не оказывает влияния на эффективность судна, так как в случае маловероятного отказа оборудования на этом режиме возможно отключение менее значимого оборудования и покрытие потребностей этого более энергоемкого режима.
В связи с тем, что в справочных данных приведены значения удельного расхода топлива ДГ, отнесенные к номинальной мощности, для параметров окружающей среды и теплотворной способности топлива QPH = 42,7 МДж/кг и без допуска на величину 6едг, требуется уточнение этого параметра с учетом реальных условий эксплуатации, фактического износа ДГ и реальной марки применяемого топлива.
Рассмотренные в параграфах 3.1 и 3.2 глобальный и локальный критерии эффективности не пригодны для обоснования технических решений и сравнения вариантов вспомогательных энергетических комплексов. Первый из них на ранних стадиях проектирования обладает значительной погрешностью, как вследствие не разработанности многих элементов и подсистем судна и СЭУ, так и отсутствием достоверных сведений о контрактной цене проекта, согласуемой только в конце контрактного проектирования. Погрешность определения глобального критерия эффективности не только превосходит наиболее крупные технические решения по судну и по СЭУ, таких, например, как выбор типа, типоразмера и числа главных двигателей на судне, но и на порядки превосходит возможные влияния ВЭК на эффективность судна. Локальный критерий при его высокой достоверности и малой погрешности не обладает требуемой степенью объективности. Минимизация полных расходов по ВЭК не всегда обеспечивает оптимизацию судна, так как не учитывает всего комплекса системных влияний оптимизируемого объекта на эффективность судна, например, массы и других показателей эффективности и качества.
Для обоснования решений на ранних стадиях проектирования предложено применение согласованных критериев эффективности [18, 53], являющихся приложением к данной проблеме метода системного анализа. Согласованный критерий - критерий экономической эффективности, представляющий собой полное изменение глобального критерия от применения анализируемого проектного решения по объекту проектирования по сравнению с базовым вариантом, включающим альтернативное решение. Это, например, полное изменение прибыли по транспортному судну из-за применения варианта комплектации СЭС валогенератором с гидромеханическим стабилизатором частоты и ТКС по сравнению с базовым вариантом судна, включающим альтернативный базовый вариант комплектации электростанции тремя дизель-генераторами.
Анализ эффективности применения валогенераторов и ТКС в сочетании с ВФШ
О, на режиме ДЭМ достигается минимальный удельный расход топлива на данной винтовой характеристике, однако этот удельный расход топлива больше, чем при отсутствии валогенератора и оптимизации комплекса МОД - ТНА в точке MP, вследствие перенесения режима оптимизации в область пониженных значений Ре. Как видно из рис.4.2, при оптимизации двигателя в точке О на режиме Е получено снижение удельного расхода топлива по сравнению с НМДМ (точка 1) на 3 г/л.с. час. Предполагая О - О] значением мощности привода ВГ и производя оптимизацию двигателя в точке Oi, получаем выигрыш Ье в точке Е равным 9 г/л.с. час.
В первом случае получение электроэнергии при меньшем значении Ъс, но мощность, отдаваемая на винт, получается больше за счет большего Ье. Во втором случае удельный расход топлива на получение электроэнергии больше, а на движение меньше. Что выгодней? Вьшолним сравнительный анализ годовых затрат на топливо на ходовых режимах для базового варианта судна, характеристики которого представлены в табл. 4.8.
Их всего семь: от S26 до L50. Все они пригодны для использования без валогенератора. Для заданной нагрузки на ходовом режиме 600 кВт подбираем валогенератор типа PTO/RCF - типоразмер 2, см. табл. 1.9, развивающем 609 кВт электрической мощности при обеспечении европейского стандарта частоты 50 ± 2,5 Гц. Применен электрогенератор с синхронной частотой 1500 об/мин. Частота поддерживается за счет мультипликатора и гидромеханического стабилизатора частоты с общим КПД около 90%. В случае применения такого валогенератора один двигатель выпал - S26 превысил число допустимых цилиндров в составе агрегата (12). Три двигателя нуждаются в увеличении числа цилиндров для привода валогенератора. Три двигателя не нуждаются в увеличении числа цилиндров, это 5Z42MC, 4S46MC и 4L50MC.
Как видно из табл. 4.15 часовой расход топлива двигателя с валогенератором на 0,5% больше, чем в случае раздельного привода винта и электрогенератора. Дополнительно следует учесть разницу в цене мазута для главного двигателя (М-40) и моторного топлива дизель-генератора. В результате расходы на топливо на ходовом режиме при раздельном приводе больше на 1,4%, чем в случае с совместным приводом. В случае работы ДГ на одном топливе с главными двигателями (мазут М-40) эта разница отсутствует, и выигрыш от применения раздельного привода не превышает 3,5 тыс. долл. в год, что находится в пределах погрешности расчета. Оба варианта получения электроэнергии на ходу по энергетической эффективности практически эквивалентны. !
Кроме энергетической эффективности при обосновании выбора ВГ следует учесть также изменение величины амортизационных отчислений, возможные изменения в , комплектации СЭС и составе пропульсивного комплекса, изменение длины агрегата ГД в случае распространенного привода ВГ от носового фланца двигателя, возможность подключения ТКС.
Как видно из табл. 4.14, в большинстве случаев навешивание валогенератора приводит к необходимости увеличения числа цилиндров главного двигателя. В рассмотренном примере это характерно для двигателей с цилиндрами S26MC, L35MC, S35MC, S42MC. Увеличение числа цилиндров в составе агрегата ГД приводит к увеличению его массы, стоимости и длины. Все перечисленные факторы снижают эффективность главного двигателя, уменьшают прибыль от эксплуатации транспортного судна.
Остальные двигатели из табл. 4.14, при отсутствии валогенератора, обладают сверхнормативными запасами мощности. Это двигатели 5L42MC, 4S46MC и 4L50MC. Именно это и позволяет безболезненно подключать ВГ и не приводит к необходимости увеличения числа цилиндров. Однако избыточная мощность не так безобидна. Вопросы энергетической эффективности решаются настройкой двигателя на эксплуатационный режим — выбором ГТН и газораспределения на режиме О, см. рис. 4.2 и пояснения к нему. Однако излишняя мощность на режиме номинальной МДМ определяет повышенную массу и стоимость агрегата по сравнению с минимально необходимыми, см. анализ в предыдущем абзаце. Кроме этого двигатели 4S46MC и 4L50MC имеют не только большую цилиндровую мощность, но ещё и большую габаритную и ремонтную высоту: соответственно 7,24/8,77 м и 7,89/9,59 м, что превышает высоту борта судна от основной линии до главной палубы пр. 1590К — 8,5 м и затрудняет установку таких двигателей на данном судне.
Для выполнения примера мы выбрали двигатель 5Z42MC, имеющий на режиме без валогенератора запас мощности 27%, а на режиме с валогенератором 15% от НМДМ, что вполне укладывается в рекомендации фирмы MAN — B&W [86], см. рис. 4.1. Оптимизация комплекса должна быть выполнена на режиме НМДМ. Располагаемые характеристики двигателя используются полностью, что само по себе хорошо. Габаритные характеристики двигателя (йгаб = 6,1 м) позволяют установить его в МКО пр.1590К. Таким образом, нами выбран не часто встречающийся случай агрегата двигателя, допустимый по многим ограничениям и не обладающий излишними запасами.
При навешивании ВГ на носовой фланец ГД увеличивается длина агрегата, в случае нашего примера приблизительно на 1,2 м. Это может привести к увеличению размеров МКО, снижению провозоспособности судна, потерям прибыли от эксплуатации судна. Однако, возможно применение валогенератора PTO/RCF по схеме IV - при подключении валогенератора в корму от главного двигателя с применением туннельного редуктора. Валогенератор располагается над линией валопровода и подвешивается снизу к нижней платформе. Так можно избежать отрицательного влияния ВГ на длину МКО.
Наличие мультипликатора или аналогичного ему туннельного редуктора облегчает подключение ТКС - утилизационной газовой турбины, работающей на выхлопных газах, излишних для привода ГТН. Такие излишки образуются при высокой степени загрузки ГД на режиме ДЭМ. В нашем случае при коэффициенте загрузки главного двигателя, работающего для совместного привода винта и генератора, на режиме ДЭМ равном 0,85 может быть получена мощность ТКС равная 0,04-0,7-4975 = 139,3 кВт. Использование этой мощности позволяет экономить за рейс 9,5 т топлива, принять дополнительный груз и получить дополнительный доход. За счет собственно экономии на топливе можно получит дополнительную прибыль около 25,8 тыс. долл. в год.
Применение валогенератора позволяет несколько изменить комплектацию СЭС -в типовом случае - при трех одинаковых ДГ один из них может быть снят и этим компенсируются затраты на ВГ и его привод. В нашем случае - при двух основных генераторах по 600 кВт этот вариант не проходит. На режиме стоянки с грузовыми операциями в резерве будет только стояночный ДГ и при отказе единственного основного генератора мощности стояночного не хватит для привода минимально необходимых потребителей, да и пуск главного двигателя становится невозможным, так как основные электроприводные вспомогательные механизмы должны быть запущены заранее и работать от автономного привода на всех режимах малых и средних ходов - в течение 1 -2-х суток до перехода на длительный стабильный режим ДЭМ, когда возможно переключение на питание от валогенератора.
Ресурс валогенератора определяется ресурсом приводного двигателя и при наличии в качестве главного двигателя МОД составляет 100 - 120 тыс. час, что определяет величину амортизационных отчислений 0,05 - 0,07. Применение валогенераторов с таким большим ресурсом позволяет экономить ресурс менее долговечных дизель-генераторов. Их ресурс вырабатывается в основном на стояночных режимах. Для судов с большой долей ходовых режимов это может стать существенным фактором, способствующим применению валогенераторов.
