CC BY
36Г.И. Коробко, В.В. Лебедев, П.В. Ахлестин
Моделирование судовой электроэнергетической системы с активным компенсатором ...
[2] Российский Речной Регистр. Правила классификации и постройки судов (в 4-х томах) Т. 3. -Москва, 2008.
[3] Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. - М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. - 288 с.
[4] Лебедев В.В. Активный вольтодобавочный компенсатор нелинейных искажений напряжения судовой сети: диссертация ... кандидата технических наук, специальность 05.09.03. - Н. Новгород, 2014. - 132 с.
[5] Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах промышленного электроснабжения пром-предприятий; 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - 331 с.
SIMULATION OF SHIP'S ELECTRIC POWER SYSTEM WITH ACTIVE COMPENSATOR HARMONIC DISTORTION
G.I. Korobko, V. V. Lebedev, P. V. Ahlestin
Keywords: ship power system, an active compensator voltage nonlinear distortion, a 12-pulse converter, the most responsible consumers.
The article discusses the modeling of ship power system and the impact on it of powerful non-linear consumers. The active compensator is used to improve power quality, on the basis of booster devices to connect consumer data. The comparison is made on the influence of THD voltage, when 12-pulse and 6-pulse converter used in SPS.
Статья поступила в редакцию 28.10.2016 г.
УДК 62-531.9
А.В. Соловьев, к.т.н., старший преподаватель ФГБОУВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5 П.И. Бажан, д.т.н, профессор, заместитель начальника Центра разработки Правил ФАУ «Российский Речной Регистр», Верхне-Волжский филиал Российского Речного Регистра И.В. Голубев, научный эксперт Центра разработки Правил ФАУ «Российский Речной Регистр»,
Верхне-Волжский филиал Российского Речного Регистра 603001, г. Нижний Новгород, ул. Рождественская, 38в
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СУДОВ
Ключевые слова: энергетическая эффективность судов, проверка, критерии, управление судовой энергетической установкой, освидетельствование судна.
В статье излагается концепция модели целеориентированного автоматического управления судовой энергетической установкой (СЭУ). Рассмотрены вопросы энергетической эффективности судов. Излагается методика определения энергетической эффективности судов после их постройки, предназначенная для реализации в компьютерной модели целеориентированного автоматического управления СЭУ при первоначальном освидетельствовании.
1. Целеориентированное автоматическое управление СЭУ. Выполненные предварительные исследования и опыт эксплуатации электроэнергетических установок судов речного флота позволили предложить концепцию модели целеориентированного автоматического управления судовой энергетической установкой, предусматри-
вающей несколько вариантов управления, образующих линейку настроек. Одним из вариантов настроек является управление объектами СЭУ с целью обеспечения максимальной экономичности СЭУ. При данной настройке объекты СЭУ с момента прохождения сигнала о соответствующем действии (намерении) судоводителя переключаются на режим обеспечения максимальной экономичности СЭУ. Такой режим может быть назначен судоводителем, если имеется запас ходового времени по сравнению графиком движения, задаваемым расписанием. Система управления функционирует в режиме обеспечения максимально возможной степени энергосбережения в зависимости от путевых, гидрометеорологических условий, потребности судна в электрической энергии, горячем водоснабжении, отоплении, кондиционировании воздуха. Режим работы главных двигателей, электроэнергетической установки, комплексной системы утилизации теплоты, автономного котла устанавливается системой управления по результатам анализа составляющих критерия энергосбережения. Общесудовые системы функционируют в режиме ручного управления. Система определения технического состояния объектов СЭУ функционирует в «спящем» режиме. Система АПС функционирует в штатном режиме.
Анализ возможных действий системы с данной настройкой управления показывает, что требуется разработка критерия результативности, на который должна быть ориентирована система управления. Таким критерием может быть энергетическая эффективность.
2. Энергетическая эффективность судна, контролируемая на стадиях проектирования судна и после его постройки. Для проверки энергетической эффективности судна на стадии проектирования специалистами Российского Речного Регистра с участием авторов разработан калькулятор энергетической и экологической эффективности, внедренный в практику работы проектных организаций, начиная с 2012 г. На нем мы подробно останавливаться не будем.
При постройке судна возможна замена типов оборудования, предусмотренного проектом, или установка судовых технических средств с иными по сравнению с зал о-женными в проекте техническими характеристиками. Такие замены, безусловно согласовываются с Речным Регистром, однако при первоначальном освидетельствовании судна, когда автоматическая система целеориентированного управления уже функционирует и в ее базу заложены все необходимые фактические значения параметров объектов СЭУ и судна в целом, требуется новая проверка энергетической эффективности судна после постройки.
Ниже излагается разработанная с участием авторов методика определения энергетической эффективности судов после их постройки, предназначенная для реализации в компьютерной модели целеориентированного автоматического управления СЭУ при первоначальном освидетельствовании.
Учитывая, что к полезной энергии на судне могут быть отнесены:
- энергия, которая используется для осуществления движения судна и (или) выполнения транспортной работы, энергия, затрачиваемая вспомогательными двигателями на привод технических средств вспомогательного назначения (грузовых, пожарных насосов), технических средств специального назначения;
- вырабатываемая на судне электрическая энергия, необходимая для нужд судна и его обитаемости;
- вырабатываемая на судне теплота для нужд горячего водоснабжения, отопления и кондиционирования воздуха.
Пренебрегая работой инсинератора, принимая допущение об оценке энергетической эффективности в наиболее неблагоприятный с точки зрения расходования топлива момент навигации и несущественности учета графика топливоиспользования во времени навигации, методика определения энергетической эффективности судна ЕП после постройки базируется на следующей формуле:
Е =
Полезно используемые на судне мощность и тепловыепотоки РеЪ + Фпс11 +Фэс6 (1) Тепловой поток сгоревшего на судне топлива Фст
где ФСТ - тепловой поток сгоревшего на судне топлива, кВт:
ФСТ = 3600 + (ФК " ФУТ ) ^ П К'
0Тт - часовой расход топлива т-м двигателем внутреннего сгорания на судне топлива
на судне: т = 1 - главные двигатели; т = 2 - дизель-генераторы;
т = 3 - приводной двигатель грузового насоса (если он есть); т = 4 - приводной двигатель специального устройства (если оно есть); кг/ч; 2нт - низшая теплота сгорания топлива, используемого т-м двигателем, для дизельного топлива Qн = 42700 кДж/кг, для моторного топлива марки ДТ -41000 кДж/кг;
Ре-£ - суммарная эффективная мощность работающих на судне двигателей, кВт; ФЛш - сумма тепловых потоков, необходимых на судне для целей отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха; ф - тепловой поток автономного котла, если его значение не приведено в технической документации, то для автономных паровых котлов
Б
Фк =—— • г ; к 3600 р
Б - паспортная паропроизводительность котла, кг/ч;
Г - теплота парообразования при паспортном абсолютном давлении пара р, кДж/кг; цк - КПД автономного котла;
ФУТ - суммарный тепловой поток ФУТОЖ утилизаторов теплоты охлаждающей жидкости и утилизаторов теплоты выпускных газов ФУТВГ, кВт:
ФУТ = ФУТОЖ + ФУТВГ;
Фэсб - суммарная эффективная мощность энергосберегающих устройств (утилизационного турбогенератора, ветрогенератора, «гибридного» электродвигателя и др.). Отметим, что на современных речных судах пока не внедрены энергосберегающие технологии и перечисленные устройства. В 70-х годах прошлого века была реализована идея установки утилизационных турбогенераторов на буксирах-толкачах типа «Маршал Блюхер», но эти турбогенераторы оказались неэффективными в условиях изменяющихся эксплуатационных режимов. Однако неудачный опыт не должен заслонять достижения технического прогресса - когда-то и наземные ветрогенераторы были забракованы как вырабатывающие некачественную электрическую энергии, тем не менее, в зонах интенсивного действия ветров на территории европейских стран (страны Бенилюкса, Испания, Великобритания и др.) в настоящее время установлены тысячи ветрогенераторов, вносящих существенный вклад в энергосберегающую электроэнергетику этих стран. Однако для целей рассматриваемой методики будем считать Фэсб = 0.
Рассмотрим методы определения параметров, входящих в формулы (1) и (2). Эффективную мощность двигателей РеГД, РеДГ и т. д., расход топлива ОТГд, 0ТдГ и т.д. определяют по паспортным характеристикам каждого двигателя на номинальном режиме его работы. Тепловые потоки, требуемые для нагрева воды горячего водоснабжения, водяного, воздушного отопления или кондиционирования воздуха, рас-
считывают в процессе проектирования судна. Для оценок в первом приближении могут быть использованы следующие зависимости:
При определении теплового потока системы горячего водоснабжения
ЩгВС (Ппс + пэк )
647
(3)
где т1ГВС - масса горячей воды, потребляемая одним человеком на судне, кг. На пассажирских круизных судах с учетом работы ресторанов следует принимать т1гас = 600.. .650 кг, на остальных судах т1ГВС = 300.. .350 кг;
ипс - паспортная пассажировместимость судна, чел.;
пэк - число членов экипажа и специального персонала, чел.
При определении теплового потока отопления и кондиционирования воздуха можно использовать следующее выражение, кВт:
Фот = 1,4 , (4)
где пк - число отапливаемых кают на судне, то есть число пассажирских кают плюс число кают членов экипажа плюс общие туалеты, душевые, сушилки, отапливаемые кладовые и другие помещения.
3. Энергетическая эффективность судна, контролируемая при проведении освидетельствований. Энергетическая эффективность судна в эксплуатации может быть определена по формуле:
£ Сэкономленная вследствие энергосбережения на судне энергия топлива . ^ Э Предусмотренная проектомсудна энергия топлива, необходимая для осуществления всех заявленных функций судна
Энергия, описанная в числителе формулы (5), может быть представлена разностью между предусмотренной проектом судна (располагаемой) энергией топлива и фактически использованной (полезной) энергией топлива. Тогда формула (5) может быть представлена в виде
Еэ = (QrCп - Qф)/QrCn, (6)
где - энергия топлива, количество которого предусмотрено проектом судна для
осуществления всех заявленных функций судна за отчетный период времени, то есть за период с начала навигации до момента запроса (располагаемая энергия), кДж:
брсп = вгд + вдг + вк ; (7)
в - энергия, полученная за отчетный период времени в результате использования
потребителями на судне топлива, количество которого определено по факту топ-ливоиспользования, кДж (полезная энергия):
2Ф = Ё (Мтфвн ),' (8)
1=1
МТф - масса топлива, фактически израсходованного на судне за отчетный период, кг; 2 - располагаемая энергия топлива, количество которого предусмотрено проектом
судна для сжигания в цилиндрах главных двигателей:
Огд = 2ГД X (РеГДЬеГД ) I Qнl; (9)
<■=1
О - располагаемая энергия топлива, количество которого предусмотрено проектом судна для сжигания в цилиндрах дизель-генераторов:
п
одг 2ДГ ХТш' (РеДГЬеДГ ) 1 Qн, ■ (10)
<=1
Если на судне установлены ходовые и стояночный дизель-генераторы и zдГ = 1, то
Одг =(Одг>Тх + вдсТт ) / Тн ■ (11)
О - располагаемая энергия топлива, количество которого предусмотрено проектом
судна для сжигания в цилиндрах ходовых дизель-генераторов; О - располагаемая энергия топлива, количество которого предусмотрено проектом
судна для сжигания в цилиндрах стояночного дизель-генератора; О - располагаемая энергия топлива, количество которого предусмотрено проектом судна для сжигания в топках автономных котлов (автономного котла):
п
ок = i (мткон х; (12)
¡=1
п - количество видов топлива, используемого на судне;
г - порядковый номер топлива, используемого на судне, например, г = 1 - дизельное
летнее; г = 2 - дизельное зимнее; г = 3 - моторное ДТ и т. д.; 2щ - количество главных двигателей на судне;
- эффективная паспортная мощность одного главного двигателя на номинальном режиме работы, кВт;
^^ - удельный эффективный паспортный расход топлива главным двигателем на
режиме номинальной мощности, кг/(кВт-ч); Т - ходовое время за отчетный период, ч (т , - ходовое время за отчетный период
при работе на г-том виде топлива, ч); 2дГ - количество одновременно работающих на судне дизель-генераторов, следует
принимать с учетом принципа резервирования равным количеству дизель-генераторов на судне, деленному пополам; РеДГ - эффективная паспортная мощность одного дизель-генератора на номинальном режиме работы, кВт. Если на судне установлены ходовые и стояночный дизель-генераторы и zдГ = 1, то в качестве РеДГ принимается средневзвешенное значение эффективной паспортной мощности ходового и стояночного дизель-генераторов:
РеДГ =( РеДгТх + РдТтп ) ' Т„ , (13)
а формула (11) не используется;
6 - удельный эффективный паспортный расход топлива дизель-генератором,
кг/(кВт-ч). Если на судне установлены ходовые и стояночный дизель-генераторы и zдГ = 1, то в качестве 6 принимается средневзвешенное значение удельного эффективного расхода топлива ходового и стояночного дизель-генераторов:
Ьдг =(ЬеДГхТх + ЬеДГсТст ) / Т„ , (14)
а формула (11) не используется;
Тяав - продолжительность отчетного периода, например, навигации, ч (^ - продолжительность работы дизель-генератора на г'-м виде топлива, ч); Т - стояночное время: Т = Т -Т ;
ст 1 ст н х 7
QЯj - низшая теплота сгорания топлива г'-го вида, кДж/кг;
МТК/ - масса топлива, израсходованного автономным котлом при работе на г'-м виде топлива за отчетный период, кг:
М„,. = ШТК.Т ., (15)
ТК1 ТК1 П1 7 у '
к - коэффициент использования теплового потока котла или коэффициент использования навигационного времени автономным котлом зависит от количества вторичной теплоты, утилизируемой на судне и соотношения суммы тепловых потоков горячего водоснабжения и отопления к тепловому потоку автономного котла. Обычно паспортный тепловой поток котла не менее чем на 50%, а то в два раза больше тепловых потоков, требуемых для нужд горячего водоснабжения и отопления. Это объясняется тем, что номенклатура типоразмерных рядов производимых промышленностью котлов ограничена, и тепловые потоки котлов в этих рядах разнятся значительно. При подборе котла тепловой поток нужно выбирать с запасом, и порой запас получается даже не двукратным, а многократным. Поэтому автоматика котла настраивается на режим периодической работы: когда через некоторое время после включения котла установленные параметры воды или пара достигаются, котел отключается; когда значения этих параметров снижаются и становятся меньше нижнего установленного предела - котел включается. Для оценок в первом приближении коэффициент к использования навигационного времени автономным котлом без учета утилизации вторичной теплоты на судне можно принимать равным 0,6. Для целей определения энергетической эффективности судна в эксплуатации допускается принимать к = 1/сзап, где сзап - коэффициент запаса котла по тепловому потоку (отношение паспортного теплового потока котла к реально требуемому для осуществления всех необходимых функций судна тепловому потоку в самых неблагоприятных условиях эксплуатации, например, в случае эксплуатации судна зимой в качестве отеля или в холодный период навигации, в последнем случае без учета утилизации вторичной теплоты), рассчитывается по определенному в эксплуатации фактическому расходу топлива котлом, запитывая его из отдельной цистерны основного запаса топлива; Отю - паспортный расход топлива котлом, кг/ч.
В том случае, когда на судне используется топливо одного вида, формула для определения энергетической эффективности судна в эксплуатации существенно упрощается и сводится к виду
„ _ (2ГДТхРеГДЬеГД + 2ДГТяРе ДГЬе ДГ + ТКТн ) -МТф . (16)
Еэ= Т \ '
(2ГДТхРеГДЬеГД + 2ДГТнРеДГЬеДГ + k Х ^ТКТн )
Из анализа формул (1) и (16) следует, что сравнивать между собой численные значения энергетической эффективности судна в постройке и энергетической эффективности судна в эксплуатации, то есть обращать внимание на определенное отличие значений этих параметров одного и того же судна на разных стадиях его жизненного цикла при Еэ > 0,42, например, снижение энергетической эффективности с возрастом судна, вряд ли правомерно вследствие различных подходов к определению рассматриваемых показателей.
Следует принимать во внимание, что главные двигатели и первичные двигатели генераторов в эксплуатации очень редко работают на режиме номинальной мощности [1]. Обычно эксплуатант выбирает в качестве основного эксплуатационного режима главных двигателей режим минимума удельного эффективного расхода топлива (если кривая удельного эффективного расхода топлива паспортной винтовой характеристики имеет минимум при частоте вращения меньшей, чем номинальная), но чаще всего независимо от местоположения минимума удельного эффективного расхода топлива по винтовой характеристике во избежание перегрузки двигателя вследствие «утяжеления» винтовой характеристики (например, при кратковременном попадании судна на мелководье, при встречном ветре, волнении) - режим п/пном = 0,88-0,92, что соответствует Р'еГД /РгГД = 0,66-0,76. Здесь п и Р' - соответственно частота вращения коленчатого вала, мин-1, и эффективная мощность двигателя, кВт, на основном эксплуатационном режиме его работы, пном и Р - то же на режиме номинальной мощности. Дизель-генераторы большую часть времени работают с нагрузкой, которая существенно ниже номинальной РеДГ и составляет (0,3 ... 0,7) РеДГ. Так, на круизных теплоходах проекта № 92-016 дизель-генераторы работают:
- на режиме (0,1-1,0) Р^г 25% навигационного времени;
- на режиме (0,4-0,7) Р^г 48% навигационного времени;
- на режиме (0,0-0,4) Р^г 27% навигационного времени.
Вследствие этого значение всегда будет больше и перед эксплуатантом
стоит задача максимально возможного снижения расхода топлива на судне.
4. Энергетическая эффективность СЭУ как критерий результативности при целе-ориентированном управлении. Важным достоинством формул (6) и (16) является то, что параметр ^ на любом режиме регулирования СЭУ не изменяется, и задача достижения максимальной экономичности решается путем минимизации расхода топлива на судне, что может быть достигнуто выбором наиболее экономичных режимов работы пропульсивных установок судна, электроэнергетической установки, утилизацией вторичной теплоты, позволяющей в отдельных случаях отказаться от использования автономного котла (котлов).
Однако зависимости, расшифровывающие составляющие формулы (6), не всегда могут быть использованы в записанном выше виде при настройке модели целеориен-тированного управления СЭУ на обеспечение максимальной экономичности, так как ориентированы на определение энергетической эффективности за определенный промежуток времени. Критерий результативности управления СЭУ при настройке на обеспечение максимальной экономичности, по значениям которого в целом и его составляющих должен оценивать энергетическую эффективность в текущий момент времени, подчиняя управление СЭУ цели достижения максимальной экономичности.
Поэтому, отказавшись от использования параметров Тх, Тст, Тн , сокращая члены числителя и знаменателя на QН (сравниваются расходы топлива, указанные в паспортных данных двигателей, котлов на том виде топлива, часовой расход От которого измеряется в момент определения системой энергетической эффективности, и фактические расходы топлива) и на 3600, иначе, переходя от операций с энергиями топлива Qрсп и Qф к операциями с расходом топлива, получим вместо зависимости (6) следующую формулу:
Е °тгд,- Е а1ГЛ |+| Е 0ГДГ - Е аТт |+| Е атк1 - Е | (17)
Е °ГГД, + Е °тдп + Е °т
,=1 у=1
У
Г,
ТКк
Еэ =
где z - количество работающих в момент определения системой энергетической эффективности главных двигателей; u - количество работающих в момент определения системой энергетической эффективности дизель-генераторов; y - количество работающих в момент определения системой энергетической эффективности котлов (на судне может быть два и более котлов, один из которых предназначен для работы на систему горячего водоснабжения, а остальные - для отопления судна в зимний период и подогрева груза в зависимости от того, что применимо);
- паспортный расход топлива i-м главным двигателем на режиме номинальной
мощности, кг/ч: СтгЛ = Ретьет; Отдп - паспортный расход топлива j-м дизель-генератором на режиме номинальной
мощности, кг/ч: отдг} = Pembem;
Grja - паспортный расход топлива k-м котлом, кг/ч: GJM =3600Фн /QH;
Оэ - измеренный в момент определения системой энергетической эффективности
ттд,
расход топлива г'-м главным двигателем, кг/ч; Оэ - измеренный в момент определения системой энергетической эффективности
тдт
расход топлива j-м дизель-генератором, кг/ч; Оэ - измеренный в момент определения системой энергетической эффективности
расход топлива k-м котлом, кг/ч.
Выполненное автором предварительное исследование показало, что при рассматриваемой настойке управления не является обязательным обеспечение требований пунктов 382 и 215 технического регламента «О безопасности объектов внутреннего водного транспорта» в отношении значения энергетической эффективности, другими словами энергетическая эффективность, определенная по формуле (17) может отличаться от таковой, рассчитанной по формуле (6). В этом и состоит смысл использования параметра ЕЭ в качестве критерия результативности управления СЭУ - при получении значений ЕЭ < 0,42 система управления начнет искать пути топливосбережения, изменяя мощность главных двигателей, дизель-генераторов, их количество, перенастраивая комплексную систему утилизации теплоты, подключая энергосберегающие устройства, технологии и т. д.
Список литературы:
[1] Бажан П.И. Техническая эксплуатация речного флота: справочник / П.И. Бажан, М.И. Бра-славский, М.И. Войников и др.; под ред. А.Ф. Видецкого. - М.: Транспорт, 1995. - 319 с.
ENERGY EFFICIENCY OF SHIPS
A. V. Soloviev, P.I. Bazhan, I. V. Golubev
Key words: energy efficiency of ships, examination, criteria, ship's power plant handling, ship's survey
The article dwells on the model concept of target-oriented automatic handling of ship's power plant. Some issues of energy efficiency of ships are considered. Methods of defining ships' efficiency after start-up are stated, being aimed at implementation on the computer-designed model of target-oriented automatic handling of ship's power plant at first examination.
