Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существущих способов выбора наиболее эффективных проектных вариантов топливной систем .10
1.1. Необходимость снижения потребления топлива и уменьшения затрат на него
1.2. Проектирование топливных систем дизельных энер-гетических установок
1.3. Анализ опыта проектирования топливных систем в части сравнения проектных вариантов .
2. Методология исследования и основ разработеш мате матической модели процесса шщионировашн топлив ной системы 23
2.1. Объект исследования
2.2. Общий подход к решению поставленной задачи. 29
2.3. Критерий эффективности и методика сравнения проектных вариантов топливной системы
2.3.1. Основная составляющая критерия эффек тивности
2.3.1.1. Полезный эффект
2.3.1.2. Капитальные затраты
2.3.1.3. Эксплуатационные затраты .
2.3.2. Оптимизация проектных вариантов топливной системы. Дополнительные составляющие кри терия эффективности
2.4. Основы разработки математической модели про цесса функционирования топливной системы 49
2.4.1. Принципы подхода к разработке математи-ческой модели 49
2.4.2. Определение области возможных технических решений. Внешняя математическая мо дель 60
2.4.3. Внутренняя математическая модель 63
3. Разработка математической модели и программного обеспечения .71
3.1. Внешняя имитационная математическая модель 75
3.2. Внутренняя математическая модель функционирова- ния топливной системы . 75
3.2.1. Характеристики основных элементов топливной системы 79
3.2.2. Учет вязкости применяемого сорта топлива 80
3.2.3. Функционирование топливной системы . 90
3.3. Программное обеспечение математической модели . 90
3.3.1. Общие положения
3.3.2. Логическая структура и методы разработки программы 91
3.3.3.1. Подпрограмма DAHWEL .96
3.3.3.2. Подпрограмма ISDAN .96
3.3.3. Алгоритм функционирования программы .
3.3.3.3. Управляющий комплекс UPRAl
3.3.3.4. Управляющий комплекс J1PR$2 *
3.3.3.5. Подпрограмма POEFF 106
3.3,4. Использованные технические средства. Вызов и загрузка программы
4. Анализ качества математической модели III
4.1. Общие положения ПІ
4.2. Адекватность модели исследуемому объекту .115
4.3. Результаты проверки адекватности модели 118
4.3.1. Проверка внешней части математической модели 118
4.3.2. Проверка степени совпадения значений случайных величин в расчете на один год эксплуатации судна 122
4.3.2.1. Длительность ходового времени судна за месяц 126
4.3.2.2. Расход топлива за ходовое время судна за месяц 128
4.4. Чувствительность математической модели 131
5. Анализ результатов использования матежтйчвской мо дели и область ее практического применений 138
5.1. Подготовка машинных экспериментов 138
5.1.1. Основные характеристики судна и его энергетической установки 138
5.1.2. Исследованные проектные варианты топливной системы 142
5.2. Использование математической модели для внбора оптимального проектного варианта топливной системы 147
5.2.1. Проектные варианты топливной системы для топлива марки ДМ 148
5.2.2. Проектные варианты топливной системы для различных марок топлива 154
5.3. Анализ результатов, выводы и рекомендации 162
Заключение 168
Список основной использованной литературы 171
Приложения 183
- Проектирование топливных систем дизельных энер-гетических установок
- Критерий эффективности и методика сравнения проектных вариантов топливной системы
- Внутренняя математическая модель функционирова- ния топливной системы
- Длительность ходового времени судна за месяц
Введение к работе
После топливо-энергетического кризиса в начале 80-х годов особое внимание стало уделяться проблеме экономии нефте-ресурсов. Во многих странах мира ведется поиск путей повышения эффективности использования органических топлив. В связи с задачами, поставленными ХХУІ съездом КПСС в СССР, а также X съездом СЕПГ в ГДР, необходимо решить проблему рационального использования топлива на транспорте в целом и на морских судах в частности. Исходя из этого одним из основных направлений научно-исследовательской деятельности ученых наших стран в области проектирования и эксплуатации судовых энергетических установок (C3SO является разработка способов обеспечения максимального снижения расхода топлива в двигателях, а также перехода на использование менее качественных, а следовательно и более дешевых сортов топлива. Основное внимание при этом обращается на качество подготовки топлива на борту судна, которая реализуется в топливной системе СЭУ.
При постройке или модернизации судна с дизельной энергетической установкой (ДЭУ) в настоящее время возможна разработка различных проектных вариантов топливной системы. Последние могут различаться не только типом применяемых видов оборудования, но и принципиальными схемами перекачки, очистки или подкачки топлива к двигателям, т.е. как количеством оборудования, так и способами его компоновки. Кроме того, применение низкосортных топлив требует специальных мероприятий для их химико-динамической обработки и подготовки, что ведет к дополнительному усложнению общей схемы топливной системы.
Как показывает анализ, проектирование топливной системы конкретного судна до сих пор в основном базируется на опыте проектантов. Для выбора проектного варианта топливной системы и обоснования состава оборудования, комплектующего систему, характерен эмпирический подход, основанный на использовании прототипов и интуиции проектанта. Однако в условиях отмеченной тенденции к постоянному усложнению общей схемы топливной системы и сильного влияния ее структуры на эффективность использования топлива такой подход становится уже недопустимым.
Целью настоящей диссертации является разработка научно-обоснованной методики технико-экономической оценки и сравнения проектных вариантов топливной системы судовой ДЗУ.
Для достижения указанной цели представляется необходимым:
- исследовать существующие способы решения аналогичных задач и выбрать наиболее оптимальный из них;
- разработать и обосновать соответствующую математическую модель, построенную на основе теории сложных систем и позволяющую определять технико-экономические показатели проектного варианта топливной системы;
- обосновать и разработать алгоритм сравнения различных проектных вариантов топливной системы и выбора оптимального из них по технико-экономическим показателям;
- реализовать принятую модель путем разработки соответствующего комплекса вычислительных программ;
- оценить качество предложенной модели в целях подтверждения ее достоверности;
- произвести сравнение предложенных промышленностью проектных вариантов топливной системы конкретного судна на основе количественного обоснования выбора наиболее эффективного варианта.
Автор настоящей диссертационной работы защищает:
- имитационную математическую модель процесса функционирования топливной системы, позволяющую определить основные технико-экономические показатели проектного варианта топливной системы;
- методику сравнения различных проектных вариантов топливной системы и выбора из них оптимального по основным технико-экономическим показателям;
- результаты сравнения по предложенной методике проектных вариантов топливной системы танкера типа "Победа".
Основное содержание диссертации излагается в пяти главах.
Проектирование топливных систем дизельных энер-гетических установок
Проектирование топливной системы дизельной энергетической установки начинается после получения и согласования технического задания на проектирование судна. На стадиях технического предложения и эскизного проекта судна приступают непосредственно к проектированию энергетической установки и ее обслуживающих систем, в том числе и топливной системы / 27, 78 /. Проектирование последней выполняется в соответствии с такими руководящими документами, как ОСТ 5.4187-76 "Система топливная судовых энергетических установок. Правила и нормы проектирования" / 79 / и методические указания, относящиеся к топливным системам дизельных энергетических установок / 68 /. С учетом назначения и конструктивных особенностей судна, а также конкретных типов используемых на нем главных и вспомогательных дизелей, применяемых видов топлива и ряда других факторов разрабатывается принципиальная схема топливной системы. Характерной особенностью данного этапа проектирования является поиск компромиссных решений, направленных на достижение наивысшей эффективности топливной системы и удовлетворение требований к ее качеству. Поэтому на основе принципиальной схемы проектируются варианты системы, различающиеся как по ее конструктивному исполнению, так и по комплектации основным оборудованием / 16 /. Далее сравниваются эти варианты, и определяется основной проектный вариант топливной системы. Однако весь процесс принятия основных технических реше ний по создаваемой системе, которые в будущей эксплуатации будут определять ее эффективность, зачастую строится на "чистом" опыте проектантов. Состав основного оборудования топливной системы, как правило, определяется при помощи прототипов, а для расчетов используются несложные формулы. Однако лишь в некоторых случаях, если имеется детально разработанный прототип системы, хорошо зарекомендовавший себя в эксплуатации и соответствующий требованиям проектируемого судна, конструктивное решение топливной системы может быть выбрано однозначно, хотя и в этом случае требуется проверка его оптимальности.
Отмеченная тенденция к усложнению топливных систем фактически делает невозможным выбор оптимального варианта путем умозрительных заключений, без строгой проверки и оценки параметров элементов системы, внутренних и внешних связей и влияний. Здесь к внутренним факторам относятся: способ включения элементов в схеме топливной системы; тип и количество насосов, подогревателей, фильтров и других видов оборудования; их основные параметры (производительность, пропускная способность, срок службы и т.д.); а также их массы, габариты и КПД. Под внешними факторами понимаются: тип и количество ГД; качество и стоимость применяемого топлива; продолжительность и характер работы ГД; действующие цены на элементы системы; условия электроснабжения элементов; возможность проведения ремонтов и т.п. Від авторов /4, 16, 51 / справедливо считают, что однозначный выбор оптимального перспективного варианта в настоящее время невозможен в виду того, что в процессе проектирования необходимо учитывать обилие факторов и сравнивать достаточно большое количество вариантов. Даже, если проектанту удается выполнить вручную эту громоздкую работу в заданный срок, то все же остаются сомнения в правильности всего исследования и обоснованности выбора варианта - слишком много факторов влияют на элементы топливной системы и слишком многообразны взаимосвязи между ними. Кроме того, при расчетах без использования электронно-вычислительных машин (ЭВМ) весьма вероятны ошибки и, следовательно, не исключен и неверный выбор варианта системы. Здесь также следует помнить, что принятые на начальных стадиях проектирования основные технические решения должны быть, по возможности, окончательными и не подвергаться на более поздних стадиях принципиальным изменениям. Поэтому на начальных этапах особенно важно иметь достаточно строгий математический аппарат, с помощью которого можно было бы сравнивать и анализировать проектные варианты, и с помощью точной количественной оценки обоснованно выбирать лучший.
В настоящее время опубликовано значительное количество статей, монографий и учебников, посвященных проектированию как СЭУ в целом, так и обслуживающих их систем. Так, в первой группе проанализированных работ / 4, 16, 25, 51, 108, 109 / достаточно подробно описаны конструкции топливных систем или даются их принципиальные схемы, но данных и рекомендаций относительно сравнения проектных вариантов топливных систем и выбора наилучшего варианта топливной системы для ДЗУ конкретного судна, либо вообще нет, либо их недостаточно. Некоторые авторы / 4, 16, 51 / только упоминают о том, что необходимо проводить сравнительный анализ проектных вариантов топливной системы. В этих работах очень мало и очень неопределенно говорится о проведении сравнения проектных вариантов топливных систем по количественным критериям, о способах, методах и математическом аппарате, применимом для таких исследований. Так, например, в работе / 16 /, в которой изложена последовательность проектирования систем СШ, в заключение просто сказано, что окончательный вариант проектируемой системы должен иметь оптимальные показатели по надежности при относительно невысокой стоимости изготовления и эксплуатации. В работе / 51 / дополнительно, отмечается, что критерием оптимальности ряда возможных и сравниваемых вариантов в большинстве случаев служат экономические показатели.
Кроме перечисленных источников первой группы имеется достаточно большое количество работ / I, 2, 3, 9, 10, 50, 60, 72, 76 /, в которых описываются и рекомендуются конкретные варианты топливных систем и детально рассматриваются преимущества и недостатки каждого из них. Так, в работе / 3 / дается рекомендация: "Предусматривать на судне комплексный процесс топливо-подготовки, начиная от приема топлива на судно и кончая его подачей в двигатель", т.е. сложный последовательный процесс с многочисленными возможными вариантами его осуществления, а в заключение предлагается один оптимальный вариант топливной системы, оптимальность которого для всех дизельных судов далеко не очевидна.
Наиболее правильно существующее положение дел отражено в работе / 2 /, автор которой считает: "...в настоящее время нет достаточно четких рекомендаций по выбору оптимальных комплексов средств очистки топлива для систем СЭУ. Это приводит к появлению многих схем очистки, ухудшает экономические показатели W".
Критерий эффективности и методика сравнения проектных вариантов топливной системы
Целью сравнительного исследования различных проектных вариантов топливной; системы является поиск оптимального из них. С точки зрения технико-экономического анализа, оптимальное решение - это наиболее эффективное решение, где под эффективностью решения следует понимать соотношение между полезным эффектом (результатом) этого решения и затратами на получение этого эффекта / 71 /. Отсюда следует, что и критерий эффективности, как ее мерило, должен отражать это соотношение. Отметим также, что полезный эффект решения можно трактовать как результат, который должен быть обеспечен каждым отдельным вариантом топливной системы. Отсюда следует, что его не обязательно характеризовать только экономическими показателями.
Учитывая перечисленные обстоятельства, а также методические рекомендации по оценке технического уровня продукции / 66, 67 /, в качестве критерия эффективности принят интегральный показатель качества продукции. Согласно ГОСТ 22732-77 / 37 / и ГОСТ 15 467-79 / 34 /, он характеризуется следующим образом:
"Интегральный показатель качества продукции - это комплексный показатель ее качества, отражающий отношение суммарного полезного эффекта от эксплуатации и суммарных затрат на ее создание и эксплуатацию".
В роли продукции в данном случае выступает проектный вариант топливной системы. Так как срок службы топливной системы, согласно / 68 /,должен быть равен сроку службы судна и, тем самым, больше одного года, количественный критерий для оценки качества проектного варианта топливной системы может быть вычислен по формуле / 66 /:руб./э#ект, (2.2) где T.[t) 9Ii(t) - интегральный показатель качества продукции; /7Я - суммарный полезный эффект от эксплуатации или потребления продукции, выраженный в натуральных единицах, м, кг, шт. и т.д.; Зс - суммарные капитальные затраты на создание продукции, руб.; Зэ - суммарные эксплуатационные затраты, руб. При расчете интегрального показателя качества следует учесть, что капитальные затраты на создание топливной системы реализуются в сравнительно короткие сроки. Поэтому их можно считать единовременными и условно приходящимися на начало эксплуатации. Полезный эффект и эксплуатационные затраты имеют место в процессе эксплуатации судна, т.е. они являются текущими величинами, значения которых могут изменяться в течение всего периода эксплуатации. Следовательно, необходимо привести все составляющие уравнения (2.1) или (2.2) к единому времени, например, к концу последнего года срока службы. Тогда сум марные приведенные затраты на создание продукции могут быть вычислены по формуле сложных процессов / 101 /: где 30 - суммарные затраты на создание продукции к моменту начала ее эксплуатации, руб.; н - нормативный коэффициент экономической эффективности, равный 0,15 1/год / 37 /; t - срок службы продукции, лет. Суммарные приведенные эксплуатационные затраты и суммарный приведенный полезный эффект за весь срок службы продукции определяется по формулам / 3,101 /: где 3 - эксплуатационные затраты в Л -ом году эксплуатации, руб./год; Пд - полезный эффект от эксплуатации продукции в Л -ом: году эксплуатации, эффект/год; Еи - нормативный коэффициент экономической эффективности, 1/год; 1,2,.„9і- порядковый номер года эксплуатации продукции; І - срок службы продукции, лет. Подставив выражения (2.3), (2.4) и (2.5) в уравнение (2.2), получаем:
В следующих пунктах подробно излагается, что понимается для проектного варианта топливной системы под полезным эффектом, капитальными затратами и эксплуатационными затратами.
Как отмечалось выше, полезный эффект (результат) в практике обоснования решений можно измерять показателями как экономического, так и неэкономического характера, функциональное назначение топливной системы-ДЭУ состоит в обеспечении потребителей необходимым количеством топлива определенного качества. Предполагается, что каждый исследуемый проектный вариант топливной системы гарантирует достижение требуемого качества подготовки топлива, а его срок службы равняется нормативному сроку службы судна. Тогда, очевидно целесообразно, под полезным эффектом от эксплуатации топливной системы понимать суммарный расход топлива, т.е. то количество топлива, которое обработано системой, подкачано к потребителям и израсходовано ими за весь срок службы судна. Так как топливо расходуется только во время выполнения судном рейсов, справедливо определить суммарный полезный эффект от эксплуатации топливной системы как: где Пи - суммарное количество топлива, подкачанное топливной системой к потребителям; ЗІ - суммарный расход топлива потребителей в і -ом рейсе судна, т; t ,2,..., - порядковый номер рейса;
Внутренняя математическая модель функционирова- ния топливной системы
Гзработка внутренней математической модели базируется на принципиальной схеме топливной системы ДЭУ (см.рис.2.8) и на схеме внутренних связей между элементами в виде потоков различных энергоносителей (см.рис.2.9).
Основные характеристики отдельных элементов топливной системы должны быть определены в зависимости от конкретных параметров проектируемой ОЗУ. Так, например, топливоподкачи-вающий насос 20 каждого ГД, работающий во время функционирования ГД, должен подкачивать ему топливо с производительностью, определяемой по следующей формуле / 16, 27, 60 / где Q20 - производительность топливоподкачивающего насоса, м3/с; Зе - удельный часовой расход топлива ГД при его полной расчетной мощности, кг/(кВт»ч); - полная расчетная (Эффективная) мощность ГД, кВт; кг - коэффициент циркуляции топлива; Є - средняя плотность топлива, кг/м3. Производительность топливоперекачивающего насоса 3 должна обеспечить откачку топлива из наибольшей по объему цистерны основного запаса І за 2...4 часа. Кроме того, его производительность должна быть достаточной для перекачки суточного расхода топлива главным двигателям за І...2 часа /16, 27 /: где Q, - производительность топливоперекачивающего насоса, м с; Voz - объем наибольшей цистерны основного запаса топлива, м3; f - время откачки топлива из наибольшей по объему цистерны основного запаса топлива, ч; X - время перекачки суточного расхода топлива ГД, ч; п - количество ГД в данной СЗУ. Емкость расходной цистерны 18 обычно выбирают из соображений обеспечения работы ГД в течение 20,.,24 часов / 3, 16, 60 /: где Vjg - объем расходной цистерны, м3; Х1В - время работы ГД, ч; ki - коэффициент, у итывающий "загроможденность" и "мертвый" запас топлива в цистерне; /7j - количество ГД, обеспечиваемых топливом из данной цистерны. Отстойная цистерна 6 обычно вмещает в себе не менее суточного запаса топлива / 16 /: где Vg - объем отстойной цистерны, м3; f - время отстоя топлива, ч; / - коэффициент, учитывающий "загроможденноеть" и "мертвый" запас топлива в цистерне; Пг - количество ГД, обеспечиваемых топливом из данной цистерны. Кроме перечисленных характеристик отдельных элементов -типичных для большинства проектных вариантов - существуют также параметры, зависящие от конкретной последовательности включения элементов. Так, общая схема топливной системы предусматривает две возможности очистки топлива: 1. Путем его сепарирования в последовательно или параллельно включенных сепараторах (на рис.2.9 поз.II). 2. С помощью последовательного прохождения топлива через гомогенизатор и фильтрующую установку (соответственно поз.16 и 17).
В первом случае на практике придется соблюдать дополнительные ограничения, касающиеся производительности сепараторов: а) сепараторы должны за 16...20 часов / 60 / очистить та кое количество топлива, которое соответствует объему расходной цистерны (в некоторых работах / 16, 27 / рекомендуется прово дить очистку за 8...12 часов); б) для обеспечения необходимого качества очищенного топ лива производительность сепараторов с ростом вязкости очищае мого топлива должна резко уменьшаться / 72, 129 /. В общем ви де справедлива зависимость где Цц суммарная производительность сепараторов, м3/с; Q - относительная производительность сепараторов, за висящая от вязкости топлива, %; Хлл время непрерывной работы сепараторов, за которое происходит заполнение расходной цистерны, ч. Суммарная производительность нескольких сепараторов зависит также и от способа их соединения. При параллельном соединении справедливо равенство где Qi - производительность I -го сепаратора, м3/ ; П - количество сепараторов. При последовательном включении суммарная производительность определяется сепаратором с минимальной производительностью Для второго случая суммарная производительность гомогенизаторов вычисляется исходя из объема расходной цистерны и времени ее заполнения: производительность гомогенизаторов, м3/с; Т]Є " время непрерывной работы гомогенизаторов, необходимое для заполнения расходной цистерны, ч. Суммарная пропускная способность всей фильтрующей установки обычно соответствует производительности гомогенизаторов, т.е. Необходимая электрическая мощность, потребляемая при работе гомогенизаторов или сепараторов рассчитывается, исходя из номинальной производительности соответствующего оборудования.
Длительность ходового времени судна за месяц
Длительность ходового времени судна за месяц В качестве первой проверяемой случайной величины выбрана величина - "длительность ходового времени судна за месяц" (см. второй столбец в табл.4.I. и 4.2.). Определение закона распределения случайных величин производилось в соответствии с работой / НО /. Предполагалось, что их расхождение подчиняется нормальному закону. Результаты проверки обоснованности допущения о применимости нормального закона распределения приведены в табл.4.3. Здесь і =1 - выборка случайной величины судна-прототипа; I =2 - выборка случайной величины, полученной с использованием математической модели; I =1+2 - объединенная выборка; Sn_ - среднеквадратическое отклонение случайной величины; Ьг - вспомогательный параметр, используемый при проверке на соответствие закону нормального распределения с помощью критерия W ; W - вычисленное значение критерияW- — J1" ; W(n,so)- процентили (табличное значение) критерия W для вероятности fi «0,50 и объема выборки п ; Р - приближенное значение вероятности получения вычисленного значения W при допущении о нормальном законе распределения случайной величины. Результаты, приведенные в табл.4.3. для выборки і =1 и с =2, показывают, что вероятность W того, что каждая выборка взята из совокупности, распределенной по нормальному закону превышает 0,5. Приближенная вероятность V получить число, не превосходящее вычисленное значение W , если выборка берется из нормально распределенной совокупности, оказывается равной 0,92 и 0,58 соответственно. Эти вероятности достаточно высоки, и вследствие ограниченности имеющихся данных нет оснований отвергать допущение о том, что длительность ходового времени судна за месяц будет достаточно точно описана нормальным законом распределения.
В результате соответствующих расчетов согласно / 53 /, значениями параметров: - объем выборки П =24; - выборочное среднее X «265; - выборочная дисперсия S2 =1060 ( $n-i =32). Проверкой по критерию W установлено, что объединенная выборка с приближенной вероятностью Р =0,75 взята из совокупности, распределенной по нормальному закону (см. 3-ю строку табл.4.3.). Таким образом, подтверждается правильность гипотезы о принадлежности выборочных совокупностей прототипа и модели к одной генеральной совокупности.
В качестве еще одного примера приводятся результаты проверки адекватности случайной величины "расход топлива за ходовое время судна за месяц" (см. последний столбец в табл.4.I. и 4.2.). В соответствии с работой / 70 / проверены гипотезы относительно средних значений и дисперсий случайных совокупностей. При этом параметры распределения случайной величины, полученные путем статистической обработки результатов эксплуатации судна-прототипа (см.табл.4.1.), приняты за достоверные. Проверялось, адекватна ли совокупность, представленная в табл.4.2. случайной выборкой, действительной известной совокупности этих же величин. В таблице 4.4. приведены сводка процедур и результаты проверки следующих гипотез: а) среднее значение случайной совокупности эксперименталь ных данных /хг равняется известному среднему эксперименталь ных данных /ui ; б) средние значения двух рассматриваемых совокупностей /АЛ и /иг отличаются друг от друга не более чем на 3?6. Анализ табл.4.5. показывает, что принятая гипотеза также справедлива.
Приведенными примерами, таким образом, доказана адекватность основных случайных величин модели и натуры: а) длительности ходового времени судна в течении года его эксплуатации; б) расхода топлива за ходовое время судна в течении года его эксплуатации.
Проведенные исследования в целом позволяют с высокой вероятностью сделать вывод о достаточной степени адекватности модели исследуемому объекту и обосновать возможность ее применения на ранних стадиях проектирования.
Как уже отмечалось выше, анализ чувствительности модели проводится с целью ответа на вопрос: имеет ли место, и, если да, то как проявляется влияние изменения исходных параметров на конечный результат моделирования. Согласно п.3.3.3.5, конечным результатом одного "прогона" модели на ЭВМ является определение значения обобщенного критерия эффективности:
