Автоматизация судовой энергетической установки

Министерство образования, науки, молодежи и спорта Украины Одесская национальная морская академия

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ На соискание образовательно-квалификационного уровня специалиста Тема:

Автоматизация судовой энергетической установки контейнеровоза «Hyundai Singapore» с электронным регулятором оборотов DGS-8800e главного двигателя 12K98MC-C

РЕФЕРАТ Объект исследования — двигатель «MAN B&W» 12K98MC-C как объект регулирования по частоте вращения вала.

Цель работы — исследование совместной работы двигателя «MAN B&W» 12K98MC-C с электронным регулятором частоты вращения DGS-8800e, для подбора оптимальных параметров настройки регулятора, обеспечивающих безопасную эксплуатацию СЭУ.

Методы исследования — проведение расчетов винтовых и статических характеристик эффективной мощности, вычисление коэффициентов уравнения динамики, выбор оптимальных параметров настройки регулятора.

Также произведен расчет технико-экономического обоснования выбора данного регулятора и улучшения топливосжигания в святи с его выбором. Также проработаны вопросы охраны труда, причин загрязнения моря с судов, а также основных причин судовых пожаров.

СОДЕРЖАНИЕ Перечень условных обозначений Бланк задания Введение

1. Судовой двигатель как объект управления

1.1 Краткая техническая характеристика двигателя

1.2 Главный двигатель как динамическое звено

1.3 Определение приведенного момента инерции

1.4 Построение скоростных статических характеристик мощности пропульсивного комплекса судна

1.5 Расчет коэффициентов уравнения динамики двигателя на заданном режиме работы

1.6 Расчёт коэффициента усиления двигателя 12К90МС по параметру внешнего возмущающего воздействия л_р

2. Исследование динамики системы автоматического регулирования частоты вращения

2.1 Описание устройства и принципа действия регулятора частоты вращения DGU 8800е

2.2 Разработка функциональной схемы автоматического регулирования и формирование математической модели

2.3 Вывод характеристичного уравнения АСР

3. Расчет годового экономического эффекта

3.1 Технико-экономическое обоснование усовершенствования механизмов судовой энергетической установки

3.2 Технико-экономическое обоснование усовершенствования эксплуатации сэу путем улучшения топливосжигания

4. Расчет судовой электростанции

4.1 Максимальная интегральная мощность в ходовом режиме

4.2 Максимальная интегральная мощность в режиме стоянки без грузовых операций

4.3 Дополнительная мощность

4.4 Суммарная расчетная мощность в основных режимах

4.5 Суммарная расчетная мощность в режиме маневров

5. Судовые системы обслуживающие главный двигатель

5.1 Топливная система

5.2 Система сжатого воздуха

6. Описание и анализ работы системы дау Autochief 4

6.1 Функции системы Autochief 4

6.2 Система безопасности SSU-8810

7. Безопасность жизнедеятельности

7.1 Особенности и причины судовых пожаров

7.2 Мероприятия по обеспечению безопасности труда при эксплуатации судовой системы автоматики, контроля и сигнализации, измерения и защиты

7.3 Борьба за живучесть контейнеровоза

7.4 Основные виды и причины загрязнения моря с судов Выводы Список литературы Приложения ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ АДГ — аварийный дизель-генератор АПС — аварийно-предупредительная сигнализация АСУ — автоматизированная система управления ВМТ — верхняя мертвая точка ВТК — высокотемпературный контур ВФШ — винт фиксированного шага ГД — главный двигатель ГРЩ — главный распределительный щит ГТН — газотурбонагнетатель ДАУ — дистанционное автоматизированное управление ЗУ — задающее устройство ИМ — исполнительный механизм КШМ — кривошипно-шатунный механизм МО — машинное отделение НМТ — нижняя мертвая точка НТК — низкотемпературный контур ОР — объект регулирования ПКВ — поворот коленчатого вала САР — система автоматического регулирования СЭУ — судовая энергетическая установка ТНВД — топливный насос высокого давления ТО — техническое обслуживание ТЭ — техническая эксплуатация ЦПУ — центральный пост управления ВВЕДЕНИЕ Автоматическое управление технологическими процессами является одним из главных направлений научно-технического прогресса на морском транспорте.

Автоматизация СЭУ обеспечивает безопасное управление, решает задачи экономичности работы и производительности труда.

На автоматизированном судне безопасность, надежность и экономичность работы СЭУ зависит не только от технического состояния основного оборудования, но все в большей степени определяется эффективностью судовой АСУ, качеством взаимодействия судового механика со средствами автоматизации, уровнем его профессионального мышления. Дизельные установки современных морских судов обеспечивают движение судна с требуемой скоростью, снабжают электрической и тепловой энергией различных потребителей. Условия движения судна и работы ГД и вспомогательных механизмов не остаются постоянными в связи с изменением состояния моря и погоды, фарватера и района плавания, производственных заданий и рабочих режимов. При этом должны обеспечиваться высокая экономичность, надежность и длительность работы отдельных агрегатов и СЭУ в целом в соответствии с правилами технической эксплуатации. Выполнение этих требований в сочетании с повышением производительности и улучшением условий труда судовых экипажей возможно в результате автоматизации процессов СЭУ.

Автоматизация СЭУ значительно изменила функциональные обязанности судовых механиков и обеспечила переход к безвахтенному обслуживанию МО. Судовые службы ТЭ получили возможность больше внимания уделять ТО и ремонту оборудования. Вместе с тем, возросла ответственность судовых механиков за принятие правильных решений в результате оперативного анализа данных системы отображения информации, образованной совокупностью приборов, мнемосхем и дисплеев ЦПУ.

1. СУДОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ

1.1 Краткая техническая характеристика двигателя MAN & BW 12K98MC-C

MAN B&W 12K98MC-C — двухтактный, крейцкопфный, реверсивный, с газотурбинным наддувом, с прямоточно-клапанной системой газообмена (поперечный разрез главного двигателя представлен на рис. 1).

Двигатель предназначен для работы в качестве главного с прямой передачей на гребной винт. Благодаря преимуществам прямоточно-клапанной системы газообмена в организации рабочего процесса двигатель B&W зарекомендовал себя достаточно экономичным, с высокой степенью использования объема цилиндров в рабочем процессе.

Фундаментальная рама коробчатой формы состоит из высоких продольных балок, сваренных со сварно-литыми поперечными балками, в которых размещены постели рамовых подшипников из стального литья. Станина сварная и имеет высокую жесткость; блок цилиндра чугунный. Фундаментная рама, станина и цилиндровый блок стянуты между собой длинными анкерными связями.

Втулка цилиндра опирается на блок цилиндров, причем верхняя ее часть выведена из блока и охватывается тонкой рубашкой, создающей полость охлаждения водой, подводимой по сверленным тангенциальным каналам, благодаря чему температура зеркала цилиндра на верхнем уровне кольца при положении поршня в ВМТ не превышает 160−180°С, что обеспечивает надежность работы и увеличивает срок службы поршневых колец. Втулка имеет простую симметричную конструкцию, в нижней части которой расположены продувочные окна, равномерно распределенные по всей окружности. Оси каналов, образующий продувочные окна, направлены по касательной к окружности цилиндра, что создает закручивание потока воздуха при его поступлении в цилиндр. Штуцера для подвода цилиндрового масла расположены в верхней части втулки (несколько выше верхней полки блока цилиндров).

Рис. 1.1 Чертеж двигателя MAN B&W 12K98MC-C

Крышка цилиндра стальная кованная колпачкового типа, поэтому при нахождении поршня в ВМТ головка поршня располагается выше района в разрезе уплотнении крышки и втулки цилиндра. Крышка отличается легкостью демонтажа. Для интенсификации охлаждения у самой поверхности огневого днища просверлены отверстия радиальных каналов, по которым циркулирует охлаждающая вода. В крышке размещается корпус выпускного клапана с клапаном, две форсунки, а также пусковой и предохранительные клапаны. Выпускной клапан имеет гидропневматический привод. Гидропривод передает усилия поршневого толкателя, приводимого от кулачковой шайбы распределительного вала, через гидросистему на поршень серводвигателя, действующего на шпиндель выпускного клапана. Для проворачивания клапана применена крылатка, что повышает надежность их сопряжения с охлаждаемыми седлами. Клапанное гнездо охлаждается водой. Форсунки неохлаждаемого типа, их температура регулируется циркулирующим топливом. Сопла выполнены стеллитовыми и имеют достаточно большой срок службы.

Одноступенчатая, много компрессорная, изобарная, с охладителями воздуха, регулируемая система воздухоснабжения предназначена для подачи воздуха, необходимого для сгорания топлива и продувки цилиндра.

Система воздухоснабжения состоит из центробежных газотурбокомпрессоров с неохлаждаемыми корпусами, теплообменников, сепаратов влаги, ресиверов, воздуховодов, глушителей.

Компрессоры предназначены для увеличения массы заряда воздуха путем предварительного повышения его плотности при сжатии и дальнейшего перемещения в ресивер наддува.

В теплообменниках плотность воздуха меняется за счет изменения его температуры.

Снижение температуры продувочного воздуха в рекуперативном воздухоохладителе способствует снижению расхода топлива. Сепараторы влаги предназначены для отвода их охлажденного воздуха конденсата водяных паров. Однотрубный коллектор служит для равномерного воздуха по всем цилиндрам двигателя. Глушители снижают уровень шума системы воздухоснабжения.

Изобарная система газоотвода (газовыпуска) с умеренной утилизацией теплоты обеспечивает наиболее рациональный отвод отработавших в цилиндре газов. Система газоотвода состоит из выпускных коллекторов, утилизационных газовых турбин, газоводов (трубопроводов). Выпускной коллектор предназначен для отвода из цилиндров отработавших газов с максимально возможным сохранением их энергии, способствует очистке цилиндров от остаточных газов. Утилизационные газовые турбины преобразуют механическую энергию отработавших в цилиндрах газов в крутящий момент, утилизационные котлы — тепловую энергию отработавших газов в энергию пара (воды). Глушители шума предназначены для снижения вредного звукового воздействия отработавших газов на окружающую среду.

Система управления с пневматически управляемыми пусковыми клапанами, заменой кулачковых шайб переднего хода шайбами заднего хода, командной связью и смешанного типа, предназначена для пуска и остановки двигателя, изменения направления и частоты вращения коленчатого вала. Система управления включает в себя посты управления, устройства запуска, механизм реверсирования, блокирующие устройства, а также связи между составляющими систему. Пост управления служит для ввода команды на выполнение какой-либо операции. Устройство запуска предназначено для первоначальной раскрутки КШМ с целью приведения двигателя в действие. Механизм реверсирования обеспечивает правильное чередование и изменение фаз распределения органов пуска, газораспределения, топливоподачи, также реверсирование навешанных на двигатель вспомогательных механизмов.

Система регулирования и контроля первой степени автоматизации А1 обеспечивает поддержание заданного режима работы двигателя и значений отдельных его параметров в допустимых пределах, а также контроль показателей, характеризующих режим и состояние работающего двигателя, а это регулирование частоты вращения, температуры в системе охлаждения и регулированием по концу подачи, индивидуальные для каждого цилиндра, вертикальное положение втулки плунжера внутри ТНВД меняется в зависимости от нагрузки двигателя, что способствует снижению расхода топлива. Форсунки предназначены для впрыскивания топлива в цилиндр и распыления его на мельчайшие капли. Особенностью форсунок является центральный подвод топлива к сопловому наконечнику распылителя без дополнительного охлаждения. Система высокого давления обеспечивает: впрыскивание точно дозированной цикловой подаче топлива; заданные фазы топливоподачи (начало и конец) и характеристику впрыскивания, благоприятствующие рабочему процессу дизеля на любом его эксплуатационном режиме; качественное распыление топлива, т. е. высокое его давление перед распыливающими отверстиями на всех эксплуатационных режимах дизеля, включая малые нагрузки и холостой ход. Система высокого давления выполнена разделенно-разветвленного типа. Регулирование системы высокого давления заключается в изменении ее цикловой подачи, а также начала и окончания процесса впрыскивания.

Система смазки обеспечивает подачу масла к трущимся поверхностям для уменьшения их трения, отвода теплоты, выделяющейся при трении, а также для очистки поверхностей трения от продуктов износа, нагара и других посторонних частиц. Смазка подается по втулке цилиндров, подшипников коленчатого вала, и распределительных валов, турбокомпрессоров, насосов, направляющие клапанов, толкатели топливных насосов и механизма газораспределения, приводов клапанов. Система смазки включает в себя масляные насосы, масляные фильтры, кожухотрубные водомасляные охладители, напорные, циркуляционные, запасные масляные цистерны (емкости) маслопроводы. Масляные насосы служат для непрерывной или периодической подачи определенного количества масла в нагнетательный трубопровод, масляные фильтры — для очистки масла от посторонних включений (нагара, отложений металлических частиц). В охладителях масло отдает теплоту, отведенную им от горячих поверхностей деталей двигателя.

Система охлаждения служит для охлаждения двигателей, нагревающихся от сгорания топлива и от трения, для отвода теплоты от рабочих жидкостей (масло, топливо, воды) и надувочного воздуха. Система охлаждения состоит из водяных насосов, охладителей расширительной цистерны, терморегуляторов, трубопроводов. Водяные насосы обеспечивают непрерывное движение (циркуляцию) охлаждающей воды в системе. Охладители предназначены для отвода в воду избыточной теплоты от охлаждаемых жидкостей и надувочного воздуха. Расширительная цистерна (бачок) служит для компенсации изменений объема воды в системе вследствие изменения ее температуры, для восполнения потерь воды в системе из-за утечек и испарения, а также удаления из системы воздуха и водяных паров. Терморегуляторы автоматически поддерживают температуру воды, а также охлаждаемых жидкостей в заданном диапазоне. Поршень воспринимает силу от давления газов и передает ее через шатун на коленчатый вал. Днище поршня воспринимает давление и теплоту горячих газов, ограничивает и формирует камеру сгорания. Поршневой шток, выполняемый, из углеродистой стали, служит для соединения поршня с крейцкопфом, передачи КТТТМ усилия от давления газов на поршень. Шатун преобразует возвратно-поступательное движение поршня со штоком во вращательное коленчатого вала, передает усилие от поршня коленчатому валу, соединяется мотылевой шейкой коленчатого вала посредством мотылевого подшипника и с поперечиной крейцкопфа. Шатун подвергается действию силы от давления газов, сил инерции поступательно движущихся масс и сил инерции, возникающих при качании шатуна. Коленчатый вал — одна из наиболее ответственных, дорогих и сложных в изготовлении деталей. Эффективная мощность, развиваемая дизелем, снимается с фланца коленчатого вала. Крутящий момент через линию валопровода передается гребному винту. Маховик на выходном кормовом конце коленчатого вала, имеющий большую расчетную массу для поддержания заданной степени неравномерности вращения коленчатого вала и линии валопровода, аккумулирует избыточную энергию во время рабочего хода поршней и отдает ее в систему при других вспомогательных ходах поршня.

Комбинированный механизм газораспределения предназначен для управления процессами впуска и выпуска в соответствии с принятыми фазами газообмена; состоит из рабочих клапанов и деталей, передающих движение от коленчатого вала к клапанам, распределительного вала, роликовых толкателей, гидроприводов выпускных клапанов. Выпуск газов осуществляется через клапаны, управляемые механизмом газораспределения, открытие и закрытие продувочных окон — верхней кромкой днища поршня. Моменты открытия и закрытия клапанов и продувочных окон, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала (ПВК), называют фазами газораспределения. Процессы газообмена осуществляются на части ходов расширения и сжатия до и после НМТ. Диаграмма имеет относительно симметричный вид по отношению к НМТ за счет наддува при постоянном давлении и длительного продувания.

Топливная система обеспечивает подачу топлива в рабочие цилиндры, поэтому является одной из важнейших систем дизеля. Она состоит из систем высокого и низкого давления.

Система низкого давления предназначена для подготовки и подачи топлива к системе высокого давления и включает в себя цистерны, фильтры, насосы, сепараторы, подогреватели и топливопроводы.

Параллельно с расходной цистерны тяжелого топлива система низкого давления включает в себя, также сдвоенную цистерну дизельного топлива, на котором двигатель работает в период пусков, маневров, перед остановкой и нередко на малых нагрузках. Система высокого давления осуществляет впрыскивание топлива в камере сгорания двигателя и включает в себя топливный насос высокого давления (ТНВД) и форсунки, соединенные топливопроводом высокого давления ТНВД — золотникового типа.

Сплошной отлитый из чугуна ресивер продувочного воздуха вместе с диафрагмой охлаждается водой, что способствует большей безопасности эксплуатации дизеля.

Поршень рассчитанный на повышение давления сгорания, выполнен из хромолибденовой стали, и охлаждается маслом, которое подводится по телескопическому устройству к штоку поршня в районе крейцкопфного соединения. В связи с периферийным расположением форсунок днище поршня имеет полусферическую форму.

Шатун имеет сравнительно короткий стержень, что способствует снижению общей высоты двигателя.

Коленчатый вал сварного типа, причем сварка осуществлена посередине рамовых шеек. Упорный вал составляет одно целое с коленчатым валом, что уменьшает общую длину двигателя с упорным подшипником.

Распределительный вал приводится во вращение от коленчатого вала цепной передачей, которая хорошо себя зарекомендовала в эксплуатации.

Распределительный вал приводит в движение золотниковые топливные насосы высокого давления и поршни гидравлических приводов выпускных клапанов. Топливные насосы золотникового типа со смешанным регулированием подачи обеспечивают низкие расходы топлива.

Наддув осуществляется изобарными турбокомпрессорами с неохлаждаемыми корпусами. Реверсирование двигателя осуществляется без реверсирования распределительного вала. При перемене направления вращения двигателя реверсируют только воздухораспределитель и привод ТНВД. Реверсирование ТНВД осуществляется путем перестановки ролика толкателя плунжера в новое положение.

Экономичность двигателя повышается за счет утилизации тепла выпускных газов в стандартизированной турбокомпаундной системе, которая предлагается в двух вариантах: ГТН с электрогенератором, встроенным в воздушный фильтр-глушитель или утилизационный турбогенератор. При этом дополнительная энергия может отдаваться винту или в судовую электросеть.

1.2 Главный двигатель как динамическое звено

Схема компоновки пропульсивного энергетического комплекса судна, представленная на рис. 1 получила наибольшее распространение в мире. В качестве главного приводного двигателя в этой схеме используется один малооборотный двигатель с прямой передачей мощности на гребной винт фиксированного шага (ВФШ). Вывод уравнения динамики двигателя приводится именно для такого варианта компоновки главной силовой установки судна.

Главный судовой двигатель как объект (ОР) регулирования частоты вращения вала представлен на рис. 2 в виде звена с входными и выходными параметрами. За выходной параметр принята частота вращения n, т. е. число оборотов вала двигателя в минуту. Входными параметрами будем считать:

— внешнее возмущающее воздействие с как фактор условий работы судна, определяющих степень нагружаемости ГД со стороны потребителя мощности;

— регулирующее воздействие h в виде индекса положения рабочего органа, определяющего цикловую подачу топлива в цилиндры дизеля.

Уравнением динамики главного двигателя назовём уравнение, связывающее его входные и выходные параметры и описывающее поведение двигателя в переходных процессах.

В отношении рассматриваемого объекта возьмём основное уравнение динамики вращательного движения:

; (1)

где J — приведённый к оси вращения момент инерции двигателя и всех, связанных с его валом масс, включая присоединённые к гребному винту массы воды, кг м²;

— угловая скорость вращения вала двигателя, с^-1;

М — результирующий момент всех действующих на его валу сил, Н м.

Рис. 1.2 Принципиальная схема пропульсивной энергетической установки судна и функциональное представление главного дизельного двигателя как объекта регулирования частоты вращения вала Поскольку на практике в эксплуатации флота контроль частоты вращения главных двигателей принято осуществлять в количестве оборотов за минуту, поэтому целесообразно в уравнении (1) угловую скорость выразить через число оборотов n, воспользовавшись соотношением

(2)

где n — частота вращения вала двигателя, мин^-1.

Вместе с этим, результирующий момент М определим наиболее простым образом как алгебраическую сумму эффективного момента М_е, развиваемого двигателем, и момента сил сопротивления М_с, т. е. потребителя механической энергии, которые действуют на корпус и воспринимаются гребным винтом при движении судна.

Тогда уравнение динамики (1) ГД представим так:

; (3)

где моменты М_е и М_с определены как неявные функции соответствующих фазовых переменных, т. е. входных и выходной координат объекта регулирования, согласно его функциональной схемы (рис.1).

Использование уравнения (3) в исследованиях либо при моделировании динамических процессов требует аналитического представления функциональных зависимостей для моментов M_e(n, h) и M_c(n, c). Эти зависимости определяются эмпирически и такого рода эмпирические модели функций всегда нелинейны по отношению к определяющим их аргументам. Следовательно, уравнение (3) изначально является нелинейным дифференциальным уравнением.

При линеаризации нелинейных функций производится подмена нелинейных функций их некоторыми линейными эквивалентами от их аргументов, справедливыми для описания поведения рассматриваемого элемента лишь в достаточной близости относительно некоторого заданного установившегося режима работы.

Всем параметрам, относящимся к какому-либо конкретно рассматриваемому установившемуся режиму работы двигателя, будем присваивать индекс «0». В таком случае текущие значения фазовых координат объекта регулирования могут быть представлены в приращениях как

;

; (4)

.

Линеаризация функций M_e(n, h) и M_c(n, c) достигается разложением каждой их них в ряд Тейлора

;

. (5)

Очевидно, что в установившемся режиме работы двигателя С учётом этого обстоятельства, подставляя выражения (5) и первое из соотношений (4) в нелинейное уравнение (3), получим

.

Преобразуем это выражение

.

В конечном счёте, линеаризованное дифференциальное уравнение главного двигателя представим в виде

. (6)

в операторной форме

; (7)

где приняты следующие обозначения

c;

; (8)

;

где Т_Д — постоянная времени двигателя;

К_h — коэффициент усиления двигателя по регулирующему воздействию;

К_с — коэффициент усиления по внешнему возмущающему воздействию.

Коэффициенты Т_Д, К_h и К_с являются динамическими характеристиками главного двигателя как объекта регулирования частоты вращения вала. Постоянная времени Т_Д характеризует инерционные свойства двигателя; коэффициент усиления К_h — эффективность регулирующего воздействия на изменение скорости вращения вала по каналу подачи топлива, а коэффициент усиления К_с — силу воздействия на изменение числа оборотов двигателя внешнего возмущения.

Коэффициенты Т_Д, К_h и К_с уравнения динамики судового двигателя практически определяют экспериментально путем снятия, так называемых, разгонных характеристик, т. е. регистрируя переходные процессы объекта регулирования в режиме ручного управления при ступенчатых воздействиях на его соответствующие входы.

Если же существуют те или иные аналитические представления для нелинейных функций M_e(n, h) и M_c(n, c), то динамические характеристики судового дизеля рассчитаем согласно выражений (8) и используем в дальнейшем. В судовой документации по двигателю, в качестве обобщенной меры его нагруженности, всегда приводят значения развиваемой им мощности, которые установлены и определены на различных режимах во время ходовых испытаний судна. Результаты этих испытаний служат изначальными опорными ориентирами для обслуживающего персонала в процессе всей дальнейшей эксплуатации двигателя.

Поэтому проведем некоторые преобразования с формулами (8), воспользовавшись справедливым для вращательного движения соотношением

;

где Р — мощность, Вт.

Это выражение определяет взаимосвязь между моментом М вообще, мощностью N, формирующей его, и частотой вращения его вала агрегата, механизма либо другого технического устройства. Подставляя формулу (2) в указанное равенство, представим его в виде

; (9)

где

N — мощность, кВт или л.с.;

k = 1000, если размерность мощности N принята в кВт и

k = 735,5, если мощность выражена в л.с.

С учётом того, что в неявном виде функции эффективной мощности N_e(n, h), и мощности сопротивления N_c(n, c) находятся в зависимости от тех же пар аргументов, что и функции соответствующих моментов в уравнении (3), дифференцируя выражение (9) по фазовым переменным объекта регулирования, найдем, что частные производные соответствующих моментных характеристик, входящие в выражения (8), можно представить как

;

;

; (10)

.

Подставляя соотношения (10) в выражения (8), а также имея в виду, что в установившихся режимах работы пропульсивного комплекса

;

окончательно для расчёта динамических параметров двигателя получим следующие формулы:

с;

; (11)

.

Равенства (11) выражают зависимость коэффициентов уравнения динамики главного двигателя от некоторых особенностей поведения энергетических характеристик комплекса «двигатель — движитель — корпус судна» в некотором установившемся режиме его работы. Частные производные в этих соотношениях определяют соответственно темп изменения эффективной мощности двигателя и мощности сопротивления потребителя по тому или иному аргументу, т. е. фазовой координате объекта регулирования. Знаменатель в выражениях (11)

; (12)

принято трактовать как фактор устойчивости двигателя. Этот динамический параметр характеризует его способность к самовыравниванию, т. е. самостоятельно (в отсутствии регулятора) приходить в состояние динамического равновесия в случае какого-либо нарушения последнего. Если F_Д > 0, установившийся режим работы двигателя считается устойчивым, при F_Д = 0 установившийся режим находится на границе устойчивости, если F_Д < 0 равновесный режим неустойчив и возможно недостижим как таковой вообще.

Коэффициенты усиления К_h и К_с двигателя, по сути, представляют собой чувствительность объекта регулирования по каналам входных воздействий, соответственно регулирующего и внешнего возмущающего воздействия. Оба коэффициента определяют насколько изменятся обороты вала двигателя, по отношению к какому-либо исходному установившемуся режиму его работы, при изменении на единицу измерения фазовой координаты соответствующего входного воздействия.

1.3 Определение приведённого момента инерции В формулу (11) для определения постоянной времени входит приведенный момент инерции J_пр, который должен учитывать инерционные свойства подвижных узлов и деталей собственно двигателя, приводимых им в действие масс навешенных механизмов, маховика, редуктора, валопровода, гребного винта и присоединенной к нему массы морской воды.

В высокои среднеоборотных двигателях обычно пренебрегают силами тяжести деталей движения ввиду их незначительной величины по сравнению с другими действующими силами; в малооборотных двигателях силы тяжести, как правило, следует учитывать.

Основные силы, действующие в КШМ являются силы давления газов и силы инерции движущихся масс. Силы инерции определяются массами движущихся деталей, ходом поршня и частотой вращения двигателя.

Согласно исходному варианту двигателя:

· диаметр цилиндра D=98 см

· ход поршня S=305.6 см

· число цилиндров двигателя i=12

Определим коэффициент для крейцкопфных двигателей, из опыта установлено, что для двигателей внутреннего сгорания отношение лежит в пределах 0,6−0,9.

Момент инерции КШМ одного цилиндра равен:

.

Момент инерции собственно двигателя определяется следующим образом:

где i — число цилиндров двигателя,

— коэффициент кратности единиц измерения, м/см

— коэффициент перевода момента инерции из технической системы единиц измерений в систему СИ.

Окончательно, с учетом всех остальных компонент пропульсивной энергетической установки судна, будем считать, что приведенный момент инерции в совокупности с ними составит величину:

.

1.4 Построение скоростных статических характеристик мощности пропульсивного комплекса судна Режим работы двигателя называется установившимся, если числовые значения всех названных (и многих других) параметров двигателя сохраняются постоянными во времени.

Диапазон изменений каждого параметра обуславливается назначением двигателя и ограничивается его прочностными, тепловыми и газодинамическими возможностями. Например, угловая скорость коленчатого вала ДВС может изменяться в ограниченных пределах. Ряд факторов не позволяет превышать заданной максимальной угловой скорости вала щ_max, т.к. это влечёт за собой превышение допустимых значений сил инерции в деталях двигателя с точки зрения их прочности, приводит к ухудшению качества протекания рабочих процессов в цилиндре двигателя, увеличивает термическое перенапряжение деталей двигателей и т. п.

В некоторых случаях двигателю приходится работать при самой малой частоте вращения вала. При этом скоростной режим должен быть таким, чтобы двигатель работал устойчиво. Если снизить угловую скорость вала ниже допустимого минимального предела щ_min, то появятся перебои в работе, в результате чего двигатель может самопроизвольно остановиться.

Анализ режимов работы пропульсивного комплекса, обеспечивающего движение судну, и расчёт динамических характеристик ГД производится на основе статических энергетических характеристик этого комплекса.

Статические характеристики зависимости мощности (момента) сопротивления вращения гребного винта от частоты вращения вала двигателя называются винтовыми характеристиками:

.(13)

Расчёт винтовых характеристик производят для 5-ти фиксированных значений параметра с, равных 0,6с_н, 0,8с_н, с_н, 1,2с_н, 1,4с_н. Статическая характеристика при называется номинальной винтовой характеристикой.

Паспортные данные двигателя позволяют, вычислить для номинального режима номинальное значение фазовой переменной внешнего возмущающего воздействия с_н :

где N_ен и n_н — номинальные значения эффективной мощности и частоты.

Под статической характеристикой двигателя N_e(n, h₀) понимают зависимость развиваемой им эффективной мощности N_e от частоты вращения n вала в установившихся режимах работы при некотором фиксированном положении h₀ топливорегулирующего органа.

Для построения статических характеристик двигателя воспользуемся эмпирической формулой:

;(14)

где — заданное, долевое, безразмерное значение мощности относительно номинала;

— соответствующее абсолютное значение эффективной мощности двигателя для скоростного режима его работы, когда n=n_зх ;

где n_зх — частота вращения вала, удовлетворяющая долевому значению м нагрузки двигателя, иначе, заданный ход судна при работе по некоторой винтовой характеристике.

В качестве опорных режимов зададим нормативно назначаемый ряд нагрузок двигателя при проведении ходовых испытаний силовой установки судна, для которых м составляет: 0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 1,1.

Данную совокупность эффективных относительных мощностей дополним значением м=0,15, которое, будем полагать, соответствует нагрузке двигателя в режиме минимально-устойчивых оборотов, когда F_Д = 0.

Рис. 1.2 Внешние и частичные характеристики эффективной мощности ГД и характеристики гребного ВФШ Определим для каждой статической характеристики двигателя соответствующий индекс топливоподачи h.

Рис. 1.3 График назначаемых индексов топливоподачи при работе двигателя по номинальной винтовой характеристике Таблица 1.1

Зависимость N_e от h

1.5 Расчет коэффициентов уравнения динамики двигателя

Определение постоянных коэффициентов двигателя производится по формулам (11). Основной проблемой при этом является определение частных производных. Частные производные должны быть рассчитаны в точке установившегося режима (равенство и). Для их определения используется графоаналитический способ.

Рис 1.4 К определению частной производной

Графоаналитическое дифференцирование состоит в том, что в точке заданного равновесного режима необходимо искусно провести касательную к соответствующей кривой. На каждой из касательных строят произвольных размеров прямоугольные треугольники. Геометрически производная истолковывается как тангенс угла наклона касательной к графику функции, определенной в размерностях физических величин, размещенных по координатным осям.

Рис. 1.5 К определению частной производной

Вычислив эти производные, определяют значения фактора устойчивости и постоянной времени двигателя:

Рис. 1.6 Изменение фактора устойчивости ГД на всех режимах работы при работе на номинальной винтовой характеристике Рис. 1.7 Изменение постоянной времени ГД на всех режимах работы при работе на номинальной винтовой характеристике Расчёт коэффициентов усиления и двигателя требует определения значений частных производных и. Для этого необходимы функции вида и .

Частные производные и вычислим ранее используемым графоаналитическим методом:

; .

Построим график зависимость мощности от внешнего возмущающего воздействия с, и график зависимость мощности двигателя от регулирующего воздействия h по подаче топлива:

Таблица 1.2

Зависимость N_c от с

Рис. 1.8 Зависимость мощности от внешнего возмущающего воздействия с Таблица 1.3

Зависимость N_e от h

Рис. 1.9 Зависимость мощности двигателя от регулирующего воздействия h по подаче топлива

(100%)

(75%)

(50%)

(25%)

Определим коэффициенты и по формулам:

Рис. 1.10 Изменение коэф. К_h ГД на всех режимах работы Рис. 1.11 Изменение коэф. усиления ГД по возмущающему воздействию на всех режимах работы при работе на номинальной винтовой характеристике

1.6 Расчёт коэффициента усиления двигателя 12К98МС по параметру внешнего возмущающего воздействия л_р

Как во многих научных исследованиях и источниках технической информации, применительно к главным двигателям в качестве фазовой переменной внешнего возмущающего воздействия примем относительную поступь гребного винта и будем считать, что Nc (n,). Относительная поступь, как числовая величина, на несколько порядков выше, чем фазовая переменная с. Это позволит на столько же порядков снизить порядок числового значения коэффициента усиления двигателя по каналу внешнего возмущающего воздействия относительно значения коэффициента усиления Кс.

В таком случае линеаризованное уравнение динамики главного судового двигателя приобретет вид:

;

Где

.

Относительная поступь гребного винта — понятие из области гидродинамики судовых движителей, или отношение скорости судна к частоте вращения вала. Аналитически этот параметр пропульсивной установки определяется выражением ,

где — скорость поступательного движения судна, ;

0,514 — коэффициент перевода морской меры линейной скорости в соответствующую меру системы единиц СИ, морская миля равна 1852 м;

— коэффициент попутного потока;

— частота вращения гребного винта, с^-1;

D — его диаметр, м.

Рассчитаем коэффициенты момента К₂ для каждой фазовой переменной внешнего возмущающего воздействия с по формуле, л_р определяем по номограммам действия гребных винтов:

.

; ;

; ;

; ;

; ;

;

Рис. 1.12 Зависимость коэффициента момента К₂ от относительной поступи л_р для гребных винтов при z=4

Рис. 1.13 Кривая действия К₂=К₂(л_р) гребного ВФШ при, Z=4

В результате пересчёта функции получим новую зависимость .

Графоаналитическим методом определим частную производную и К_лр по формулам:

кВт;

.

Таблица 1.4

Зависимость N_c от

Рис. 1.14 Зависимость мощности N_c потребителя энергии от внешнего возущающего воздействия л_p

(100%)

(75%)

(50%)

(25%)

Определив все коэффициенты, подставим их в уравнение динамики ГД:

.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

2.1 Краткая техническая характеристика, устройство и принцип действия регулятора Управление главным двигателем MAN B&W 12K98MC-C при изменениях внешней нагрузки гребного винта осуществляется с помощью системы электронного регулирования DGS 8800e (рис. 2.1). Система электронного регулирования оборотов DGS 8800е выполняет все требования по регулированию частоты вращения малооборотных, длинноходовых дизелей. Задание частоты вращения может быть произведено с двух различных постов управления.

На электронный регулятор поступают сигналы от внешней системы защиты — аварийная остановка, аварийное снижение частоты вращения дизеля, а также от системы ДАУ.

Система может быть приспособлена для управления как системами с ВРШ, так и ВФШ. На панели регулятора расположены индикаторы с кнопками управления для удобства выбора, настройки, и выполнения тестирования работы системы. Система состоит из двух отдельных подсистем, отвечающих за регулирование частоты вращения, и актуатора (исполнительный механизм).

Главная задача DGU 8800е — воздействие на исполнительный механизм (контроль положения топливной рейки), для поддержания заданной частоты вращения в соответствии с заданной уставкой оборотов. Перемещение топливной рейки осуществляется электрическим актуатором (исполнительным электродвигателем) посредством трехфазного безщеточного сервомотора.

Основные функции регулятора заключаются в следующем:

Вычисление опорного сигнала оборотов.

Измерение скорости и фильтрация.

Выработка сигнала управления и сигнала ограничения для регулирования топливоподачи.

В дополнение имеются несколько подфункций, таких как:

Вывод значений параметров.

Программирование параметров, зависимых от пользователя.

Оперативное тестирование.

Автономное тестирование.

Выбор режимов альтернативных действий.

Основное назначение актуатора в следующем:

Реагировать на команды положения от регулятора.

Перемещение топливной рейки в соответствии с заданным значением.

В дополнение имеются несколько второстепенных функций, таких как:

Ограничение скорости топливной рейки.

Индикация положения топливной рейки (актуатора).

Периодическое тестирование неисправностей системы.

На рисунке 2.1., представлена система DGS 8800е совместно с принадлежащими механизмами и приборами управления с мостика через систему ДАУ, и управлением из ЦПУ посредством отдельного рычага управления.

Система DGS 8800е состоит из следующих основных блоков:

1. блок электронного регулятора DGU 8800е;

2. электронный сервоблок DSU;

3. датчики частоты вращения (RРМ Detectors);

4. преобразователь давления продувочного воздуха (Scav. Air Transducer);

5. трансформатор, звено между сетью и сервоблоком (ТRAFO 001);

6. электрический актуатор (ЕLАСТ) — исполнительный механизм.

Рис. 2.1 Конфигурация системы регулирования частоты вращения Блок электронного регулятора (DGU) устанавливается в стандартную 19-ти дюймовую рейку и имеет встроенный модуль мощности для низковольтного питания. Рабочая панель регулятора позволяет оператору осуществлять непосредственное управление функциями системы (рис. 2.2). Сигналы от датчиков преобразуются в цифровой формат через индивидуальные встроенные адаптеры, имеющие опции всех стандартных форматов сигналов.

Рис. 2.2. Рабочая панель регулятора Трансформатор обеспечивает питанием усилитель мощности переменным напряжением 135V.

Сервоусилитель вместе с источником питания представляет блок электронного контроля электрического актуатора, который управляет его скоростью.

Система актуатора состоит из безщеточного сервомотора типа Parvex LS 620 EL с редуктором типа Cyclo FABS 25/89 (рис. 2.З). Сервомотор электромеханический и не содержит электронных компонентов. Система сертифицирована по степени защиты IP65, класс точности N и класс изоляции F. Сервомотор управляется сервоусилителем Parvex SBS 15/30.

Рис 2.3 Электрический сервомотор (актуатор) Сервомотор имеет встроенный тормоз, который сработает при возникновении неисправности, например: неисправность системы или неисправность источника питания. Тормоз будет удерживать топливную рейку в текущем положении, т. е. неисправно-безопасном состоянии, и двигателем будут поддерживаться определенные обороты. Имеется защита по перегрузке (термическая). Топливный индекс (или положение актуатора) измеряется датчиком абсолютного положения, установленным непосредственно на сервомоторе. Максимальное усилие развиваемое актуатором 2100N, статизм 0.1 мм, максимальная скорость 372 мм. сек, ход штока 100 мм при угле поворота 42° .

Система DGS 8800е состоит из двух отдельных, контролируемых микропроцессором подсистем, которые отвечают за:

Регулирование частоты вращения.

Управление подачей топлива.

Рис. 2.4 Упрощенная блок диаграмма электронного регулятора Рассмотрим функции регулятора:

Функция регулирования частоты вращения. Значения частоты вращения автоматически рассчитываются для всех режимов работы ГД таких как пуск/стоп, снижение оборотов, аварийный пуск и нормальная работа.

Разница между заданным и измеренным сигналом преобразуется в требуемый оптимальный корректирующий сигнал уставки подачи топлива, принимая также во внимание, как нагрузочные характеристики, так и текущую частоту вращения (рис. 2.5).

Рис. 2.5 Функция регулирования оборотов Максимальная подача топлива автоматически лимитируется в соответствии с допусками по частоте вращения и давления наддува.

Функция задания частоты вращения (рис 2.6)

Сигнал задания оборотов поступает либо от системы ДАУ, либо от системы ДУ из ЦПУ.

Оператор может уменьшить максимальные обороты посредством программирования команды функции ограничения.

Входящие управляющие сигналы автоматически активируют режим «НЕИСПРАВНОСТЬ», вызывающий остановку, снижение оборотов или дублирующий сигнал от датчика оборотов.

Функция ограничения скорости позволяет оператору ограничить разгон и торможение двигателя.

Предотвращение работы двигателя в зоне критических оборотов.

Функция ПУСК-СТОП автоматически подбирает требуемую подачутоплива.

Функция измерения частоты вращения (рис 2.7)

Импульсы по числу зубьев на маховике преобразуются в число оборотов.

Каналы, А и В подвергаются автоматической проверке на исправность.

Автоматическая фильтрация низкочастотных торсионных помех.

Высокочастотная фильтрация значений частоты вращения.

Дополнительная фильтрация и измерение значений для вывода на цифровой дисплей.

Рис. 2.6 Функция задания частоты вращения Рис. 2.7 Функция измерения частоты вращения Функция усиления регулятора (рис 2.8)

Сигнал уменьшение коэффициента усиления зоны нечувствительности для гашения низкоамплитудных помех. Зона нечувствительности настраивается.

Рис 2.8 Функция усиления регулятора Функция регулировки общего коэффициента усиления регулятора, для выбора необходимого качества переходного процесса. Автоматическая настройка интегральной составляющей системы в соответствии с рабочими параметрами двигателя. Автоматическая настройка общего усиления в соответствии с рабочими оборотами ГД.

Функция ограничения подачи топлива Ограничение подачи топлива при перегрузке двигателя по мощности и тепловому состоянию.

Ограничение подачи топлива по давлению воздуха наддува.

Ограничение подачи топлива при малом шаге ВРШ осуществляетсявручную при исполнении команды с мостика на повторных ПУСК.

Ручное ограничение подачи топлива для ограничения максимальновозможной подачи топлива.

Функция выбора всегда обеспечивает меньшие значение ограничений.

Компенсация нелинейности обусловленной положением актуатора.

Компенсация нелинейности обусловленной работой двигателя на малых оборотах.

Функция масштабирования для согласования входного сигнала актуатора и отклонения параметров топливных насосов.

Основные функции актуатора заключаются в следующем (рис 2.9)

Сигналы, обрабатываемые DGU8800e, являются командными для актуатора и выполняются так быстро, насколько это возможно. Электрические сигналы вкл/выкл связаны с эл.актуатором. Сигнал обратной связи от актуатора показывает действительное положение сервомотора.

Рис. 2.9 Функции актуатора Основные подфункции сервопривода:

Настройка ПИ — регулятора сервомотора.

Масштабирование выходного сигнала сервомотора.

Контроль сигналов управления, а в случае неисправности блокировкаактуатора.

2.2 Разработка функциональной схемы системы автоматического регулирования и формирование ее математической модели На основании полученного уравнения динамики ГД и выбранного регулятора частоты вращения DGS-8800e построим структурную схему САР.

Рис. 2.10 Структурная схема САР

2.3 Вывод характеристичного уравнения АСР Передаточная функция АСР:

Передаточная функция объекта:

Передаточна функция регулятора:

Характеристическое уравнение:

Также была разработана модель исследования САР частоты вращения вала двигателя в пакете MATLAB Simulink.(рис 2.11). Графики переходных процесов представлены на Рис. 2,12;2,13;

Графики переходных процесов представлены на Рис. 2,11;2,12;

Оценка постоянной работы системы автоматического регулирования с основной задачей при опредилении её готовности для експлуатации. Но не каждый процес, который проходит может удовлетворить данные условия. Если переходной процес проходит слишком долго и обороты вала в переходном процесе отклонения от заданного значения на допустимо большую величину работы регулятора не может быть признана удовлетворительной.

Рис. 2.11 Модель исследования в пакете MATLAB Simulink

Поэтому автоматический регулятор должен обеспечить не только длительную работу двигателя, но и заданное качество переходного процеса.

Важными показателями качества переходного процеса:

— Длительность переходного процеса Т_р;

— динамический заброс ф_д.

Для оценки качества регулирования частоти оборотов главных судовых двигателей используются требования (ГОСТ 10 511−72).

Получим переходные процессы САР.

Рис. 2.12 Переходной процесс АСР при Т_и = const, К_жос = var

Для данного переходного процесса:

Т_и = 0,5 К_жос = 0,2;

1) время регулирования — t_p = 3,7 c;

2) динамический заброс — ц_дин = 2,4 об/мин.

Т_и = 0,5 К_жос = 0,4;

1) время регулирования — t_p = 3,8 c;

2) динамический заброс — ц_дин = 2 об/мин.

Т_и = 0,5 К_жос = 0,6;

1) время регулирования — t_p =3,7 c;

2) динамический заброс — ц_дин = 1,8 об/мин.

Рис. 2.13 Переходной процесс САР при Т_и = var., К_жос = const

Для данного переходного процесса:

Т_и = 0,7 К_жос = 0,2

1) время регулирования — t_p = 4,2 c;

2) динамический заброс — ц_дин = 2 об/мин.

Т_и = 0,5 К_жос = 0,2

1) время регулирования — t_p = 3,6 c;

2) динамический заброс — ц_дин = 2,4 об/мин.

Т_и = 0,3 К_жос = 0,2

1) время регулирования — t_p = 2,8 c;

2) динамический заброс — ц_дин = 2,6 об/мин.

В результате исследования динамики и статики АСР частоты вращения вала двигателя были определены показатели качества, которые и являются оптимальными по быстродействию и соответствуют реальным физическим величинам.

Согласно полученным переходным процессам, наилучшими качествами обладает переходной процесс при Т_и = 0,7 и К_жос = 0,2.

В данной главе проведены исследование двигателя, как объекта регулирования частоты вращения вала, построены статические характеристики подвода, отвода энергии. Графо-аналитическим путем были найдены коэффициенты усиления, и постоянные времени двигателя на частичных режимах.

В результате исследования динамики и статики АСР частоты вращения вала двигателя были определены показатели качества, которые и являются оптимальными по быстродействию и соответствуют реальным физическим величинам.

судовой энергетический автоматический регулятор

3. РАСЧЕТ ГОДОВОГО ЭКОНОМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

3.1 Технико-экономическое обоснование усовершенствования механизмов судовой энергетической установки

Расчет выполним по методике, основанной на единых принципах определения экономической эффективности новой техники, изобретений и рационализаторских предложений, действующих на морском транспорте.

Применение разработанного режима работы двигателя с выбранным регулятором приведет к снижению затрат на техническое обслуживание и ремонт механизмов судовой енергетичной установки, к уменьшению времени ремонта, снижение затрат времени на поиск и устранение неисправностей.

Применение разработанного режима работы двигателя с выбранным регулятором позволяет прогнозировать остаточный ресурс технических средств и оценивать оптимальные сроки и объемы ремонта и технического обслуживания, а также позволяет вести расчет параметров состояния и технико-экономических показателей эффективности использования этой системы.