Содержание к диссертации
Введение 5
Список используемых сокращений 13
Глава 1. Анализ существующих способов оценки эффективности
параллельной работы центробежных насосов 14
Анализ актуальности проблем параллельной работы грузовых насосов танкеров 14
Теоретические методы определения параметров насосов при их параллельной работе 20
Методы проведения измерений параметров работы центробежных насосов 33
Анализ уравнений гидравлических характеристик центробежных насосов 40
Постановка задачи исследования 46
Глава 2. Теоретическое исследование параллельной работы центробежных
насосов 48
Теоретическая и действительная характеристики центробежного насоса49
Работа грузового насоса на гидравлическую сеть терминала 53
Кавитационные параметры центробежного насоса 58
Влияние эксплуатационных факторов на работу центробежного грузового насоса 63
Согласование характеристик параллельно работающих центробежных насосов и береговой сети 76
Математическое описание гидравлических характеристик центробежных насосов 88
Математическая модель совместной работы параллельно включенных грузовых насосных агрегатов и береговой грузовой системы 91
2.8. Выводы по главе
Глава 3. Судовая компьютерная система управления выгрузкой танкера 99
Алгоритм и компьютерная программа адаптивного управления выгрузкой танкера. Состав и взаимодействие программных модулей 100
Метод расчета критериев безопасности работы насосной установки и неравномерности распределения нагрузки между насосами 104
Анализ результатов расчета параметров работы насосной установки.... 111
Судовая компьютерная система управления выгрузкой танкера 117
Расчет погрешности судовой компьютерной системы управления выгрузкой 122
Практические рекомендации грузовым помощникам танкеров 133
Глава 4. Повышение безопасности, устойчивости и эффективности
грузовых операций за счет компьютерного управления выгрузкой 139
Примеры использования компьютерной программы адаптивного управления выгрузкой 139
Оптимизация работы насосной установки танкера при использовании программы адаптивного управления выгрузкой 145
Экспериментальная проверка эффективности компьютерной программы управления выгрузкой на действующем танкере 151
Оценка адекватности программы управления выгрузкой статистическими методами 162
Заключение 165
Литература 167
Приложения 177
Приложение 1. Листинг компьютерной программы управления выгрузкой
(сокращенное название ViProg). Автор программы Маценко С.В 177
Приложение 2. Экспертный опрос персонала нефтяных танкеров 193
Приложение 3. Экспериментальная зависимость расхода топлива от
паропроизводительности котельной установки танкера "Tromso Trust" 197
Приложение 4. Акты о внедрении научно-практических результатов работы
Введение к работе
Грузовые системы подавляющего большинства судов, перевозящих сырую нефть, комплектуются центробежными насосами. Выбор в их пользу по сравнению с насосами других типов продиктован рядом преимуществ, таких как: простота конструкции, способность к саморегулированию развиваемого напора в зависимости от подачи, равномерный поток груза, высокие технико-экономические показатели. Выгрузка танкера, как правило, обеспечивается несколькими параллельно работающими грузовыми насосами.
Выполненные автором диссертации экспериментальные замеры параметров работы насосной установки при выгрузке действующего танкера показали, что в реальной эксплуатации подачи насосов значительно отличаются при равной частоте вращения. Кроме того, при работе грузовой системы на переходных режимах возможно самопроизвольное перераспределение подачи между насосами вплоть до снижения подачи одного из них до нуля. Учитывая опасность нагрева сырой нефти в корпусе насоса, такой режим работы установки является аварийным и необходимо принимать меры к тому, чтобы предотвратить эксплуатацию грузовой системы в таких условиях. Случаи перехода насосной установки при выгрузке на подобный режим имели место на танкерах «Лихославль», «Кавказ», «Tromso Trust». При отсутствии автоматики судовой персонал не в состоянии исключить неравномерность распределения нагрузки между насосами и переход насосной установки на аварийный режим работы. Но даже на современных танкерах, построенных в последние годы, не установлены средства автоматического контроля и управления выгрузкой, способные исключить влияние человеческого фактора на безопасность грузовых операций. Таким образом, разработка средств автоматического контроля равномерности нагрузки нескольких параллельно работающих грузовых насосов танкеров весьма актуальна для обеспечения безопасности технологии выгрузки нефти на береговой терминал.
Выполненный автором диссертации экспертный опрос командного состава нефтяных танкеров показал наличие проблемы неравномерного распределения нагрузки между насосами на многих судах. Обслуживающий персонал подтвердил, что случаи перехода насосной'установки на аварийный режим имеют место при проведении грузовых операций. Кроме того, анализ результатов экспертного опроса позволил заключить, что более 50 % отказов грузовых насосов связаны именно с неэффективностью их параллельной работы при выгрузке.
Наиболее существенный вклад в решение проблем, связанных с параллельной работой центробежных насосов внесли исследования ученых Подволоцкого Н.М., Егорова Г.В., Карассика И., Семеки В.А., Савченко В.А. и других. Однако, известные в настоящее время методы определения параметров совместной работы насосов не учитывают в полной мере особенности проведения выгрузки и поэтому не обладают точностью, достаточной для контроля безопасности и эффективности работы насосной установки. В частности, в существующих методах принято допущение, что в процессе эксплуатации характеристики насосов полностью совпадают, а внешние условия работы не оказывают влияния на распределение нагрузки между ними. Поэтому параллельная работа характеризуется равными напорами и подачами каждого из насосов, что не согласуется с данными выполненных автором диссертации экспериментальных замеров. Встречающиеся в литературе методы расчета гидравлических сетей позволяют определить параметры работы каждого из насосов с высокой точностью, однако их применение возможно только при наличии информации о конструктивных особенностях грузовой системы терминала (диаметры трубопроводов, их длина, количество и характер местных сопротивлений и т.д.) Поэтому область использования таких методов ограничена системой «конкретный танкер - конкретный терминал». В эксплуатационных условиях эти методы малопригодны для оценки безопасности, устойчивости и эффективности выгрузки, так как грузовому помощнику танкера приходится обеспечивать выгрузку на сотнях самых
разных береговых терминалов в различных странах мира, разброс гидравлических характеристик которых огромен и, главное, заранее неизвестен. Таким образом, проблема отсутствия автоматического контроля и адаптации параллельной работы грузовых насосов к условиям нефтяного терминала представляется актуальной. Ее решение позволит повысить:
безопасность грузовых операций за счет исключения перехода насосной установки на аварийный режим;
надежность грузовых насосов за счет исключения отказов, связанных с их неэффективной параллельной работой;
эффективность выгрузки за счет оптимизации работы насосной установки путем изменения числа работающих насосов и согласования их характеристик.
Объект исследования. Грузовые центробежные турбоприводные насосы крупнотоннажных танкеров.
Предмет исследования. Параллельная работа грузовых насосов при выгрузке танкера, неравномерное распределение нагрузки между насосами.
Цель исследования. Повышение безопасности, устойчивости и эффективности проведения грузовых операций на нефтяных танкерах.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.
Выполнено исследование неравномерности распределения подачи параллельно работающих насосов в зависимости от внешних (относительно грузовых насосов) эксплуатационных факторов, оценена значимость каждого фактора.
На основе исследования разработана математическая модель совместной работы двух комплексов: судового (несколько параллельно включенных грузовых насосных агрегатов) и берегового (грузовая система терминала).
Разработаны критерии безопасности работы насосной установки танкера и неравномерности распределения нагрузки между насосами, разработан метод расчета этих критериев на базе текущих параметров работы грузовых насосов.
Составлена компьютерная программа адаптивного управления выгрузкой, обеспечивающая безопасность, устойчивость и максимальную эффективность грузовых операций с учетом изменяющейся гидравлической характеристики сети терминала. Разработана схема судовой компьютерной системы оперативного управления грузовыми операциями . танкера, включающая в свой состав программу адаптивного управления выгрузкой.
Проанализирована эффективность использования программы при выгрузке танкера на основе данных судовой отчетной документации и экспериментальных замеров. Произведены расчеты, подтверждающие повышение безопасности грузовых операций и сокращение эксплуатационных расходов на грузовые операции при компьютерном управлении выгрузкой.
Научная новизна. В диссертационной работе получены оригинальные научные результаты:
разработана математическая модель совместной работы системы параллельно включенных насосных агрегатов танкера и береговой системы, учитывающая разнообразие их эксплуатационных параметров и характеристик;
предложены критерии, позволяющие оценить: безопасность работы каждого из насосов в составе грузовой системы при выгрузке; неравномерность распределения нагрузки между параллельно работающими насосами;
- разработан метод расчета этих критериев на базе параметров работы грузовых насосов;
на основе разработанных математической модели совместной работы и метода расчета критериев составлен алгоритм управления выгрузкой танкера, обеспечивающий адаптацию насосной установки танкера к изменяющимся параметрам береговой сети.
Научная достоверность и обоснованность результатов, защищаемых в настоящей работе, состоит в том, что в ее основу положены известные теоремы,
законы и методы математики, гидравлики, эксплуатации гидромашин и гидроприводов.
Практическая ценность. Апробация программы адаптивного управления выгрузкой на действующих танкерах показала, что ее применение приводит к приращению коэффициента безопасности работы насосной установки на величину до 7 % и снижению расхода топлива на привод грузовых насосов до 20 % в зависимости от режима работы грузовой системы.
Внедрение результатов работы. Научно-исследовательские результаты работы внедрены на шести танкерах дедвейтом 150000 т серии «SCF Valdai» компании «Unicom Cyprus Ltd» и двух танкерах дедвейтом 310000 т серии «Front Century» компании «Baltic Group International» (см. Акты внедрения в Приложении 5 диссертации). Теоретические результаты работы используются в учебном процессе Южного регионального центра дополнительного профессионального образования Новороссийской государственной морской академии (ЮРЦЦПО НГМА) на курсах специализированной подготовки командного состава танкеров различных типов.
На защиту выносятся следующие научные положения диссертации:
математическая модель совместной работы двух комплексов: судового
(несколько параллельно включенных грузовых насосных агрегатов
танкера) и берегового (грузовая система нефтяного терминала);
критерии оценки безопасности работы каждого из насосов в составе
грузовой системы и неравномерности распределения нагрузки между
параллельно работающими насосами;
метод расчета этих критериев на основе параметров работы грузовых
насосов;
алгоритм и компьютерная программа адаптивного управления
выгрузкой танкера. Апробация работы и публикации. Итоги диссертационной работы апробированы в следующих научных средах и подразделениях специалистов:
на кафедре «Теплотехники и СКВУ» Государственной морской академии имени Адмирала СО.'Макарова (г. Санкт-Петербург);
в представительстве государственного предприятия «Совкомфлот» в г. Новороссийске «Юником-Новороссийск»;
в представительстве фирмы «BGI» в г. Новороссийске «Балтик Груп Интернэшнл-Новороссийск»;
в учебном центре ОАО «Новороссийское морское пароходство (Новошип)». Основные результаты диссертации опубликованы в 8 (восьми) работах в
сборниках трудов научно-технических конференций регионального и международного статуса: «Компьютерное моделирование 2003» (г. Санкт-Петербург), «Проблемы технической и коммерческой эксплуатации и модернизации транспорта» (г. Новороссийск), в сборнике «Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион» (2003).
Диссертационная работа состоит из четырех глав.
Целью первой главы является выполнение литературного обзора существующих теоретических и эксплуатационных разработок в области оценки эффективности параллельной работы грузовых насосов танкера. Существующие теоретические и экспериментальные методы анализа параллельной работы центробежных насосов рассмотрены с точки зрения их пригодности для оценки безопасности и эффективности работы насосной установки танкера. На основании результатов обзора поставлены задачи научного исследования.
Вторая глава посвящена теоретическому исследованию параллельной работы центробежных насосов с учетом влияния внешних (относительно насосов) эксплуатационных факторов. Рассмотрены теоретические основы построения гидравлической характеристики центробежного насоса и на их основе проанализированы факторы, влияющие на отличие реальной гидравлической характеристики насосного агрегата от паспортной характеристики насоса. К таким факторам отнесены: внешние условия, техническое состояние насосов, режимы их работы и другие. Определена зона
11 допустимой работы грузового насоса танкера. Проанализирована работа грузовых насосов на гидравлическую сеть терминала, рассмотрены недостатки существующих методов математического описания совместной характеристики параллельно работающих центробежных насосов. Разработаны уточнения к известным теоретическим методам согласования совместной характеристики насосов с внешней сетью, позволяющие учитывать техническое состояние элементов грузовой системы и изменяющиеся параметры последней. Дано описание оригинальной математической модели совместной работы системы параллельно включенных насосных агрегатов танкера и береговой системы, учитывающая разнообразие их эксплуатационных параметров.
В третьей главе приведено описание оригинальной программы для ЭВМ, использующей разработанный автором диссертации алгоритм адаптивного управления выгрузкой танкера. Рассмотрены последовательность и особенности создания, обновления и использования баз данных параметров работы грузовых насосов, алгоритм проведения испытаний насосов. Приведен порядок расчета параметров, необходимых для анализа безопасности, устойчивости, равномерности распределения нагрузки и эффективности параллельной работы грузовых насосов, в том числе предложенных автором диссертации критериев, характеризующих работу насосной установки. Представлена схема и описание судовой компьютерной системы управления выгрузкой танкера и автоматической работы программы адаптивного управления выгрузкой в ее составе. Выполнен расчет погрешности системы при работе в ручном и автоматическом режимах.
Четвертая глава посвящена исследованию эффективности использования разработанной автором диссертации компьютерной программы адаптивного управления выгрузкой (сокращенное название ViProg) при грузовых операциях. Приведены примеры расчета показателей эффективности параллельной работы грузовых насосов танкера с различными внешними эксплуатационными условиями. С помощью программы проанализированы данные судовой отчетной документации по выгрузке. Для получения более достоверных
результатов апробация компьютерной программы адаптивного управления выгрузкой выполнена на борту действующего танкера. Приведены расчеты, подтверждающие повышение безопасности грузовых операций и сокращение эксплуатационных расходов в случае использования программы. Выполнена проверка адекватности результатов расчета с помощью методов математической статистики. По результатам проверок сделан вывод об эффективности применения программы и системы управления выгрузкой танкера при грузовых операциях.
