CC BY
24
УДК 629.5.062
О К. КОЛЕБАНОВ, В В. ПОЛИВОДА
Херсонська державна морська академiя
А.А. ОМЕЛЬЧУК
Херсонський нацюнальний техшчний унiверситет
ДОСЛ1ДЖЕННЯ МОЖЛИВОСТ1 ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДУ ДЛЯ МОДЕРН1ЗАЦП ВАНТАЖНО1 СИСТЕМИ ТАНКЕРА
В данш po6omi до^джуеться можливкть збшьшення швидкостi перекачування нафтопродуктiв на maHKepi шляхом впровадження систем електроприводу насосних агрегатiв.
Рух piдини трубопроводами вантажног системи нафтового танкера вiдбувaеmься вiдповiдно до фгзичних закотв гiдpaвлiки. Вiдповiдно до загальноприйнятих у фгзиц пpинципiв збереження енергИ в гiдpaвлiчних системах, для двох перетитв потоку при сталому руd величини гiдpaвлiчних енергш piдини piвнi.
Дане твердження демонструе piвняння Бepнуллi. З якого, зокрема, випливае висновок, що за iнших piвних умов, при розширент трубопроводу частина ктетичног енергИ потоку piдини переходить в потенцшну енергт тиску. В peзульmami цього загальна гiдpaвлiчнa eнepгiя piдини залишаеться без змт.
Запас гiдpaвлiчноi енергИ piдини знижуеться в мipу руху потоку по трубопроводу вна^док нaявносmi гiдpaвлiчного опору. Чим бшьша довжина трубопроводу, чим бшьше на нш мкцевих опоpiв, чим вище встановлений приймальний резервуар, тим бшьше мехатчног енергИ поmpiбно докласти для перекачування piдини.
За характером мехатчног ди на piдину насоси дШться на динaмiчнi та об'емнi. У динaмiчному насос потт piдини створюеться в проточтй кaмepi, де розмщуеться обертове робоче колесо. До динaмiчних насоСв вiдносяmься: вiдцeнmpовi, лопameвi, осьовi, вихpовi, водокiльцeвi, шнeковi, дисковi, сmpумeнeвi та т. На нафтовому maнкepi в якосmi основних вантажних зaсобiв перекачування нaфmопpодукmiв (вантажних насоав) використовуються вiдцeнmpовi насоси.
Застосування пристрогв плавного регулювання частоти обертання двигунiв нaсосiв, xpiм економИ електроенерги, надае ряд додаткових переваг. Плавний пуск i зупинка двигуна виключае шюдливий вплив пepeхiдних процеав в натрних трубопроводах i meхнологiчному облaднaннi танкера. Стае можливим пуск двигуна при сmpумi, обмеженому на piвнi номтального значення, що тдвищуе довговiчнiсmь двигуна, знижуе вимоги до поmужносmi мepeжi i комутуючог апаратури. Створюеться можливкть модертзаци дтчих meхнологiчних aгpeгamiв без замти насосного обладнання.
Ключовi слова: танкер, судновi системи, перекачування нафти, пapовi насоси, електропривод, частотний перетворювач.
А.К. КОЛЕБАНОВ, В.В. ПОЛИВОДА
Херсонская государственная морская академия
А.А. ОМЕЛЬЧУК
Херсонский национальный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЛЯ МОДЕРНИЗАЦИИ ГРУЗОВОЙ СИСТЕМЫ ТАНКЕРА
В данной работе исследуется возможность увеличения скорости перекачки нефтепродуктов на танкере путем внедрения систем электропривода насосных агрегатов.
Движение жидкостей по трубопроводам грузовой системы нефтяного танкера происходит в соответствии с физическими законами гидравлики. В соответствии с общепринятыми в физике принципами сохранения энергии в гидравлических системах, для двух сечений потока при установившемся движении величины гидравлических энергий жидкости равны.
Данное утверждение выражает уравнение Бернулли. Из которого, в частности, вытекает вывод, что при прочих равных условиях, при расширении трубопровода часть кинетической энергии потока жидкости переходит в потенциальную энергию давления. В результате этого общая гидравлическая энергия жидкости остается без изменений.
Запас гидравлической энергии жидкости снижается по мере движения потока по трубопроводу вследствие наличия гидравлического сопротивления. Чем больше длина трубопровода, чем больше на ней местных сопротивлений, чем выше установлен приёмный резервуар, тем больше механической энергии требуется приложить для перекачки жидкости.
По характеру механического воздействия на жидкость насосы делятся на динамические и объемные. В динамическом насосе поток жидкости создается в проточной камере, где размещается
вращающееся рабочее колесо. К динамическим насосам относятся: центробежные, лопастные, осевые, вихревые, водокольцевые, шнековые, дисковые, струйные и др. На нефтяном танкере в качестве основных грузовых средств перекачки груза (грузовых насосов) используются центробежные насосы.
Применение устройств плавного регулирования частоты вращения двигателей насосов, кроме экономии электроэнергии, предоставляет ряд дополнительных преимуществ. Плавный пуск и остановка двигателя исключает вредное воздействие переходных процессов в напорных трубопроводах и технологическом оборудовании танкера. Становится возможным пуск двигателя при токе, ограниченном на уровне номинального значения, повышая долговечность двигателя, снижая требования к мощности сети и коммутирующей аппаратуре. Появляется возможность модернизации действующих технологических агрегатов без замены насосного оборудования.
Ключевые слова: танкер, судовые системы, перекачка нефти, паровые насосы, электропривод, частотный преобразователь.
A.K. KOLEBANOV, V.V. POLYVODA
Kherson State Maritime Academy
A.A. OMELCHUK
Kherson National Technical University
RESEARCH OF THE POSSIBILITY OF APPLICATION OF ELECTRIC DRIVE FOR MODERNIZATION OF THE TANKER CARGO SYSTEM
In this paper, the possibility of increasing the speed ofpumping oil products on a tanker by introducing electric drive systems for pumping units, is investigated.
The movement of liquids through the pipelines of the cargo system of an oil tanker occurs in accordance with the physical laws of hydraulics. In accordance with the principles of energy conservation in hydraulic systems generally accepted in physics, for two flow sections with steady motion, the values of the hydraulic energies of the fluid are equal.
This statement expresses the Bernoulli equation. From which it follows that when the pipeline expands, part of the kinetic energy of the fluid flow transforms into potential pressure energy. As a result, the total hydraulic energy of the fluid remains unchanged.
The supply of hydraulic energy of the fluid decreases as the flow through the pipeline due to the presence of hydraulic resistance. The greater the length of the pipeline, the greater the local resistance on it, the higher the receiving tank is installed, the more mechanical energy is required to apply for pumping fluid.
By the nature of the mechanical effect on the fluid, the pumps are divided into dynamic and volumetric. In a dynamic pump, fluid flow is created in a flow chamber where a rotating impeller is placed. Dynamic pumps include: centrifugal pumps, impeller pumps, axial pumps, vortex pumps, liquid ring pumps, auger pumps, disc pumps, jet pumps, etc. On an oil tanker, centrifugal pumps are used as the main cargo transport facilities (cargo pumps).
The use of devices for smooth regulation of the rotational speed ofpump motors, besides energy saving, provides a number of additional advantages. Soft start and stop of the engine eliminates the harmful effects of transients in the pressure pipelines and technological equipment of the tanker. It becomes possible to start the engine at a current limited to the level of the nominal value, increasing the durability of the engine, reducing the power requirements of the network and switching equipment. It becomes possible to upgrade existing technological units without replacing pumping equipment.
Keywords: tanker, ship systems, oil pumping, steam pumps, electric drive, frequency converter.
Постановка проблеми
Нафтовий танкер - це судно, призначене для перевезення нафти наливом. Поява сучасних швидшсних танкер1в та вдосконалення !х конструкцп i устаткування можуть забезпечити значне збшьшення обсяпв перевезення нафти i нафтопродукпв одним судном, за рахунок ютотного скорочення витрати часу на вантажно-розвантажувальш операцп у порту.
Одним з основних компоненпв вантажно! системи танкеру е насосш установки. Вони призначаються для вивантаження нафтопродукпв з таншв i подачi !х через систему берегових трубопроводiв у спещальш емносп. До складу таких установок входять, як правило, декшька вантажних та зачисних насоав. Новггш танкери зазвичай мають одне насосне вщдшення, розмщене у кормовш частиш судна мiж вантажним простором i машинним вщдшенням, однак юнують i iншi варiанти розмщення. Танкери, перевозячи нафту i продукти li переробки, використовують вантажш системи лшшного типу, шльцев^ з перепускними перебiрними клшкетами та зануреними насосами.
Аналiз останшх дослiджень i публiкацiй
Досвiд проектування i експлуатацп систем вантажного комплексу танкера показуе, що вони повинш вiдповiдати наступним вимогам: вивантаження у заданий час; взаемозамшшсть вантажних i
зачисних насоав; роздшьне вивантаження нафтопродукпв рiзних сортiв; перемщення вантажу мiж окремими танками; спшьну роботу насосiв при !х паралельному i послiдовному включеннi; пожежну безпеку; надшну роботу за умови крену, диференту i вiбрацil; простоту техшчного обслуговування [1].
Формулювання мети дослвдження Метою роботи було дослiдження можливосп збiльшення швидкостi перекачування нафтопродуктiв на танкерi шляхом впровадження систем електроприводу насосних агрегатiв.
Викладення основного матерiалу дослiдження Основний склад танкерного флоту використовуе для проведения вантажних операцш вантажнi системи лiнiйного типу. У таких системах в нижнш частиш танкера прокладаеться магiстральний трубопровiд з прийомними вiдростками в цистерни. Число прокладених на днище магiстралей дорiвнюе числу вантажних насосiв. Вантажний об'ем танкера роздметься на групи таншв, кожна з яких обслуговуеться одним вантажним насосом. У кожиiй груш таншв перевозиться один сорт вантажу. Для забезпечення взаемозамшносп насосiв мапстральш трубопроводи мають подвiйнi запiрнi клапани, встановленi у танках. Вiд вантажних насоав вантаж подаеться по стояках на палубу, далi до роздавально! колонки, а вiд не! по гнучких шлангах в береговi трубопровщ i емностi (рис. 1).
Рис. 1. Схема розвантаження танкера: 1, 2 - зачисш трубопроввд i насос; 3, 4 - вантажш трубопровiд i насос; 5 - нагштач системи iнертних газ1в; 6 - шланг; 7,8 - 6eperoBi насос i емшсть; 9 - палубний вантажний насос; 10 - горловина; 11 - трубопроввд системи газоввдводу; 12 - днищевий n;i6i|);
13 - занурений бустерний насос; 14, 15 - приймачi вантажно'1 i зачисно'1 систем
У таблиц 1 вказаш найбiльш розповсюдженi типи насоав для вантажних систем TaHKepiB: паротурбшний, електричний та паровий прямодшчий. KpiM вказаних у тaблицi, на танкерах використовуються дизельнi, гiдрaвлiчнi (як на приклад, можна навести досить поширеш гiдрaвлiчнi вaнтaжнi установки FRAMO виробництва фiрми Frank Mohn Fusa A/S, Норвепя) та менш розповсюджеш гaзотурбiннi приводи. На середнiх i великотоннажних танкерах у якостi головних вантажних насоав
зазвичай використовуються вертикалью або горизонталью вiдцентровi насоси. На менших суднах частiше застосовуються поршневi i гвинтовi насоси [1].
На сучасних танкерах шльшсть вантажних насоав варшеться вiд двох до семи, у залежносп вiд кiлькостi сорпв нафтопродуктiв, що перевозяться. Слiд зазначити, що у залежностi вiд схеми вантажно! системи танкера, зачиснi операцп теж можуть виконуватися вантажними насосами. Тиск, який мае розвиватися насосами, повинен бути достатньо високим, щоб забезпечити перекачку в'язких нафтопродуктiв на значш вiдстанi, долаючи гiдравлiчний спротив трубопроводiв [1].
Таблиця 1
Найбмьш розповсюджем приводи для вантажних та зачисних иасосчв_
Тип насоса Номшальш значення Р!зновид приводного двигуна
Потужшсть привода, МВт Частота обертання, об/хв.
Вщцентровий 0,35-2,5 750-1800 Паров! турбши, електродвигуни
Поршневий 0,04-0,4 30-60 подвшних ход!в Поршнев! прямодшч!, електродвигуни
Гвинтовий 0,05-0,7 600-1800 Електродвигуни, паров! турбши
У вiдповiдностi до рекомендацiй продуктивнiсть вантажного насоса (м3/год) повинна бути не меншою за
V
Q = —, (1)
п ■ /
де Q - об'ем вантажу м3, п - кшьшсть насосiв, t - час ввдкачки вантажу, год.
Перевагами вщцентрових насосiв е велика продуктившсть, невелик! габарити та маса, можливють використання рiзноманiтного привода, однак при збшьшенш в'язкосп рщини, що перекачуеться, ККД вiдцентрового насоса зменшуеться. Приводш поршневi насоси е простими в обслуговуванш, але мають вщносно низьку продуктившсть. Для обслуговування вантажних систем широко застосовують прямодшч! паровi насоси, яш у залежностi вщ положения осей цил!ндр!в под!ляються на горизонталью i вертикальнi [2].
Перевага вантажних систем з пдроприводом окремих насоав полягае в можливосп виробляти вантажиi операцп одночасно у багатьох танках при рiзноманiтних вантажах, виключаючи можливють змiшувания цих вантаж1в. Кр!м того, вони, практично, пожежобезпечнi, так як використовують в якосп робочо! рщини пдравл!чш масла.
У якосп електроприводу для вантажних насоав застосовують дво- ! тришвидшсш асинхронш електродвигуни з короткозамкненим ротором, з'еднаних з насосом - безпосередньо. Використання електродвигушв на дизельних суднах доцшьшше з економ!чно1 точки зору, шж парових турбш, що мають отримувати живлення вщ допом!жних котшв. Електропривод отримуе живлення вщ дизель-генератор!в. Частотне регулювання дозволяе усунути один з ютотних недолЫв електродвигушв з короткозамкненим ротором - постшну частоту обертання ротора електродвигуна, не залежну вщ навантажения. Частотне регулювання створюе можливють управлшня швидк1стю електродвигуна вщповщно до характеру навантаження. Це в свою чергу дозволяе уникати складних перехщних процеав в електричних мережах, забезпечуючи роботу обладнання в найбшьш економ!чному режим! [3].
Ефектившсть регулювання продуктивносп насосного агрегату за допомогою перетворювача частоти наочно видно з наведеного нижче рис. 2.
Рис. 2. Споживання потужност при рпних способах регулювання швидкост обертання насосш
Практика застосування частотних перетворювачiв для управлiння насосами i вентиляторами доводить доцiльнiсть не просто включения перетворювача для управлшня агрегатом, а створення спецiалiзованих систем управлшня технолопчним процесом. Саме такий пiдхiд дозволяе отримати економiчний ефект не тшьки вiд зниження споживано! з мереж1 електрично! потужностi, а й домогтися iстотного зменшення експлуатацшних витрат, полiпшення умов працi та збшьшення термiну служби обладнання. Сучасш перетворювачi частоти дозволяють отримувати бшьше 20 параметрiв стану електроприводу. Вшповшна обробка цих параметрiв дозволяе проводити глибоке дiагностування як обладнання системи, так i процесiв, що протжають. З'являеться можливiсть не тiльки реагувати на виниклу аварiю, але i попереджати И, що для таких судiв як танкери особливо важливо [4, 5].
Можна помiтити, що при дроселюванш енергiя потоку нафтопродукпв, стримуваного засувкою або клапаном, просто втрачаеться, не здiйснюючи шяко! корисно! роботи [6]. Застосування перетворювача частоти в складi насосних агрегатiв дозволяе просто задати необхiдний тиск або витрата, пiдвести сигнал зворотного зв'язку по параметру безпосередньо до перетворювача частоти, що забезпечить не тшьки економш електроенергп, але i зниження втрат транспортовано! речовини [7, 8].
Вантажш системи сучасних танкерiв оснащеш системами управлiния, що забезпечують безперервний в реальному масштабi часу дистанцшний контроль наступних параметрiв (рiвень та обсяг нафтопродукту в вантажних танках, рiвень та обсяг води у баластних танках, температуру нафтопродукту, тиск продукту у машфольд^ положення судна), а також автоматизоване дистанцшне керування обладнанням ватажно! i баластно! системи тд час проведення вантажних операцш (вантажними i баластними насосами, дистанцшно-керовано! запiрною арматурою). Приклад програмного середовища таких систем наведено на рис. 3.
а) структура система управлшня i мошторингу б) вiкно стану окремого насоса для
вантажноТ системи танкера перекачування нафтопродукпв
Рис. 3. Програмне середовище автоматизованот системи управлшня вантажною системою танкера
Висновки
Одними з найважливших тдсистем танкера е вантажна i баластна системи, як1 складаються з таких гiдравлiчних елементiв як: трубопроводи, насоси, клiнкети, емностi та ш. Найчастiше у якостi вантажних насосiв застосовуються вiдцентровi насоси. Для вщцентрового насоса гiдравлiчна характеристика мае форму параболи, плавно спадаючо! вщ точки максимального напору. Параметри роботи насоса на конкретний трубопровщ визначаються робочою точкою, яка знаходиться у точщ перетину гiдравлiчноl характеристики насоса i гiдравлiчноl характеристики трубопроводу. Особливютю вiдцентрового насоса е споживання мшмально! потужностi при нульовiй подачi. Як вщомо, пiд час запуску електродвигушв пусковi струми можуть досягати значних величин, в 2 - 3 рази перевищують споживану потужнiсть у номшальному режимi. Застосування електродвигунiв у якосп приводiв вантажних насосiв танкера е економiчно доцiльним. При використанш регульованого електроприводу для насосiв економiя електроенергп в середньому становить 50% вщ потужностi, споживано! насосами при дросельному регулюваннi. Застосування пристро!в плавного регулювання частоти обертання двигунiв в насосних агрегатах, ^м економп електроенергп, дае ряд додаткових переваг, а саме: плавний пуск i зупинка двигуна виключае шк1дливий вплив перехщних процесiв (типу гiдравлiчний удар) в натрних трубопроводах i технологiчному обладнаннц пуск двигуна здiйснюеться при струм^ обмеженому на рiвнi номiнального значення, що пiдвищуе довговiчнiсть двигуна, знижуе вимоги до потужностi мереж1 i комутуючо! апаратури; можлива модернiзацiя дшчих технологiчних агрегатiв без замiни насосного обладнання.
Список використаноТ лiтератури
1. Ситченко Л.С. Основы проектирования грузовых и обеспечивающих систем танкеров / Л.С. Ситченко, В.Г. Макаров. - Л.: Изд. ЛКИ, 1984. -104 с.
2. Судовой механик: Справочник.; под редакцией А.А. Фока. - Том 1, Одесса: Феникс, 2008. -1033 с.
3. Ловейшн В.С. Частотне керування асинхронним приводом / В.С. Ловейшн, Ю.О. Ромасевич. - Шжин.: 2011. - 98 с.
4. Канюк Г.1. Аналiз резервiв енергозбереження при керуванш насосними агрегатами нафтоперекачуваючих станцiй Укра!ни / Г.1. Канюк, О.В. Андреев, А.Ю. Мезеря, В.М. Князева // 1нтегроваш технологи та енергозбереження. - 2015. - № 4. - C. 3 - 15.
5. Виноградов, А.Б. Векторное управление электроприводами пе-ременного тока / ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетиче-ский университет имени В.И. Ленина». - Иваново, 2008. - 297 с.
6. Лебеденко Ю.О. Перспективи застосування матричних перетворювачiв частоти в автономних енергетичних системах / Ю.О. Лебеденко // Вюник Вшницького полгтехшчного шституту. -2012. - № 6. - С. 105 - 109.
7. Омельчук А.А. Математическая модель электропривода слиповой тележки / А.А. Омельчук, А.В. Рудакова, Ю.А. Лебеденко // Вестник Херсонского национального технического университета. - 2014. - № 3(50). - С. 390 - 394.
8. Лебеденко Ю.А. Нечеткая модель регулятора привода с переменным моментом инерции / Ю.А. Лебеденко, К.В. Тимофеев, Л.К. Тимофеев, В.Б. Сис // Вестник Херсонского национального технического университета. - 2013. - № 2(47). - С. 176 - 181.
