ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ПАССАЖИРСКИХ СУДОВ С ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЕМ ДЛЯ ВНУТРИГОРОДСКИХ И ПРИГОРОДНЫХ ЛИНИЙ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.122

Е.В. Купальцева, аспирант ФГБОУВО «ВГУВТ»

Е.П. Роннов, д.т.н., зав. каф., профессор, ФГБОУ ВО «ВГУВТ»

603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5

ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ПАССАЖИРСКИХ СУДОВ С ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЕМ ДЛЯ ВНУТРИГОРОДСКИХ И ПРИГОРОДНЫХ ЛИНИЙ

Ключевые слова: пассажирское судно, электродвижение, математическая модель, экономическая эффективность.

Оценка экономической эффективности судов с нетиповым комплексом судовой энергетической установки (СЭУ) производится для «малых» пассажирских судов, работающих на внутригородских и пригородных линиях. Результатом разработанной методики является программный продукт в среде Visual Basic For Application (VBA). При определенных исходных данных с его помощью возможно рассчитать критерии экономической эффективности для судна как с классической СЭУ, так и с заданным нетиповым комплексом.

Создание более экологически привлекательной техники с точки зрения снижения вредных выбросов и ресурсосбережения является важнейшей целью разработки и продвижения инновационных проектов в различных сферах деятельности, в том числе и на транспорте. Концепция использования электродвижения на транспорте сводится к системе использования исключительно электрического двигателя либо совместно с двигателем внутреннего сгорания (так называемая комбинированная или гибридная установка).

На водном транспорте, ввиду растущих цен на топливо и ужесточающихся требований к выбросам, также стимулируется переход к использованию судовых энергетических установок современного исполнения или так называемых зеленых судов. Однако, в отличие от наземных транспортных средств, в судовых системах практически невозможно получать энергию рекуперации, что, в свою очередь, делает менее очевидным экономический эффект от применения комбинированного либо полностью электрического привода [1].

Согласно исследованиям [2, 3] рациональность использования электрических двигателей и аккумуляторных батарей в качестве накопителей энергии может иметь перспективу на судах, для которых характерны короткие линии эксплуатации, относительно небольшие размеры и скорости. К таким типам можно отнести и пассажирские суда внутригородского и пригородного сообщения, которые условно относят к «малым» пассажирским судам, а за рубежом их часто называют «водные маршрутные такси». Конструктивные и эксплуатационные особенности судов подобного типа рассмотрены в нашей работе [4]. Задача состоит в определении условий эксплуатации, обосновании главных элементов и характеристик судов с электродвижением, когда они по экономическим показателям будут сопоставимы с такими же судами, но с дизельной энергетической установкой. Противоречивость вытекает из того, что единица мощности, подводимая к движителю, источником которой является электроэнергия от берегового источника, дешевле, чем вырабатываемая судовым дизелем. С другой стороны стоимость аккумуляторной СЭУ при определенном скоростном режиме и протяженности линии становится выше дизельной. Для решения стоящей задачи была разработана математическая модель проектирования и расчета эксплуатационно -экономических показателей работы на линии судна с электродвижением, позволяющая анализировать влияние изменения той или иной определяющей величины на его

показатели в целом. Особенности модели и алгоритм расчета по ней, приведенные в нашей работе [5], легли в основу программного продукта, созданного как приложения в среде VBA (Visual Basic for Application).

В качестве вариантов комплекса оборудования СЭУ судна с электродвижением в математической модели рассмотрены следующие:

- полностью электрический (All-El): питание энергией гребного электродвигателя производится от аккумуляторных батарей (АКБ), заряжаемых от береговой станции;

- комбинированный (Hyb a/b): параллельная система питания гребного электрического двигателя (ЭД) от АКБ и от судового дизель-генератора (ДГ) с различным соотношением долей энергии, передаваемой аккумуляторами либо генератором. При этом АКБ заряжаются при помощи ДГ, установленном на судне. Показатель a/b при обозначении данного типа показывает долю того или иного источника энергии в процентах;

- комбинированный полный (FullHyb): является одним из вариантов комбинированной СЭУ при 100% обеспеченности энергией гребного электродвигателя от АКБ, заряжаемых судовым ДГ.

Каждый из представленных вариантов дополнительно был рассмотрен при условии наличия фотоэлектрических модулей, установленных на открытых палубах судна и обеспечивающих получение добавочной электроэнергии.

С применением отмеченного выше приложения был выполнен широкий численный эксперимент, позволяющий проанализировать по экономическим показателям условия целесообразного применения «зеленых» судов.

Исходными данными являются определенные с использованием программы SPV-OPTIMUM [8] оптимальные главные размерения, пассажировместимость и эксплуатационные данные (скорость, длина линии эксплуатации) при заданном архитектурно-конструктивном типе (АКТ) и районе эксплуатации судна с дизель-механической установкой. Дополнительно задавалось значение инсоляции (количество солнечной энергии, поглощаемой одним квадратным метром поверхности) для рассматриваемого региона.

Задача обоснования целесообразности применения судов с электродвижением решалась сопоставлением их экономической эффективности с соответствующими показателями такого же судна, но с традиционной механической СЭУ по условию

Э'(x )

—J-—— > 1 Э j ( x, ) " '

где ЭЦ,Э . -j-й показатель экономической эффективности судна с электродвижением

и с дизель-механической СЭУ соответственно, полученные при xt совокупности

варьируемых параметров.

Варьировались различные значения пассажировместимости, скоростей хода и протяженности линии эксплуатации, поскольку от этих величин непосредственно зависит количество потребляемой судном энергии, расчетная ёмкость АКБ, их количество, масса и стоимость СЭУ и судна.

На рис. 1 приведены соотношения эксплуатационных расходов Е судна с электродвижением с эксплуатационными расходами такого же судна, но с дизельной СЭУ. Зависимости даны для различных значений варьируемых параметров, таких как скорость и длина линии эксплуатации при одинаковых данных судна пассажировме-стимостью 200 чел.

а)

б)

а) FullHyb;

б) Hyb 40/60;

Обозначение

в) А11-Е1 — ■ - 35 км

Рис. 1. Соотношение эксплуатационных расходов по судну с различными вариантами СЭУ

Проводя анализ полученных зависимостей, можно сделать вывод о том, что для судов полностью электрических (All-El) при скорости движения до 15 км/ч, в предположении работы на линиях эксплуатации до 80 км, эксплуатационные расходы имеют меньшие значения, чем для варианта судна с ДВС. При меньших скоростях хода протяженность линии экономически эффективной эксплуатации судна без подзарядки аккумуляторов увеличивается. При малых скоростях, в пределах обозначенного диапазона, длина маршрута использования «зеленого» судна может достигать 90-95 км. Это связано с тем, что с уменьшением скорости и, соответственно, необходимой мощности пропульсивной установки, уменьшается ёмкость АКБ и время их зарядки. Стоит отметить, что масса энергетической установки сопоставляемых вариантов изменяется незначительно, а затраты на энергию (топливо для ДВС или электричество для ЭД) в силу существующей ценовой политики уменьшаются.

При других (комбинированных) вариантах СЭУ с электродвижением эксплуатационные расходы выше, а их сопоставимость с традиционным дизельным вариантом проявляется только при очень маленьких скоростях хода. При этом вариант «возить» на судне дизель-генератор для зарядки АКБ (вариант FullHub) является наименее эффективным и может рассматриваться как вынужденный при отсутствии другого способа зарядки аккумуляторов.

Характерное значительное увеличение расходов для «зеленых» судов при скоростях более 17 км/ч и длине линии эксплуатации более 35 км связано с тем, что при росте скорости необходимая мощность пропульсивного комплекса возрастает пропорционально v3, км/ч. Это приводит к значительному росту «банка батарей», их массы (рис. 2), расходов на зарядку, увеличению водоизмещения судна, его строительной стоимости (рис. 3) и эксплуатационных расходов, зависящих от нее. У дизельного варианта судна эти расходы увеличиваются менее интенсивно.

такб/D 0.3 Ъ 0.3

,

0.25

0,2 У

0,15 Л "

^ *

ОД 0.05

12 и .6 18 20 22

V, kw/Ч

Рис. 2. Относительная масса АКБ в полном водоизмещении судна

3,5

Ст'/Ст

3 2,5 2 1,5 1

Обозначение

/

__^ -

1П

17

14

1R

1R

?П

V, км/ч

Рис. 3. Соотношение строительной стоимости судна варианта «All-El» и судна с дизельной СЭУ

Как видно из рис. 3, строительная стоимость «зеленого» судна выше обычного, и превышение может достигать более 2,5 раз. Это объясняется, прежде всего, тем, что для таких значений скоростей стоимость АКБ играет решающую роль. В зависимости от скорости и длины маршрута доля стоимости АКБ в строительной стоимости судна составляет от 11 до 35%.

Другим важным показателем экономической эффективности является срок окупаемости судна, отражающий отношение капитальных вложений на строительство судна к прибыли от его эксплуатации. На рис. 4 приведены соотношения сроков окупаемости Т судна с электродвижением к судну с механической СЭУ.

1 2 14 б) Hyb 40/60;

в) А11-Е1

Обозначение -----10 км — ■ - 35 км

■60 км

ВО км

Рис. 4. Соотношение срока окупаемости судов с различными вариантами СЭУ

Анализ этих зависимостей позволяет сделать выводы о том, что для любого варианта судна с электродвижением срок окупаемости больше, чем для судна дизель-механической СЭУ. Прежде всего, это объясняется тем, что увеличение строительной стоимости значительно превышает увеличение прибыли от эксплуатации судна с перспективной гребной установкой. Таким образом, несмотря на уменьшение эксплуатационных расходов при соответствующих скоростях (рис. 1) окупаемость капитальных вложений «зеленых» судов хуже, чем традиционных.

В отношении других типов СЭУ судов с электродвижением и, в частности, вариантов НуЬ а/Ь стоит отметить, что чем меньшая доля использования энергии, накопленной АКБ, тем более близок вариант по экономическим показателям к судну с ДВС. С комплексом FullHyb, когда на борту располагается 100% батарей и ДГ для их подзарядки, в вариантах высоких скоростей имеет менее выгодные показатели относительно всех остальных. Объясняется это, прежде всего, тем, что наличие на судне дизель-генератора, используемого только для зарядки АКБ по понятным причинам увеличивает строительную стоимость судна и срок его окупаемости. Это особенно существенно при относительно высоких скоростях хода.

Оценить влияние пассажировместимости на рассмотренные выше относительные критерии можно по графикам, приведенным на рис. 5. На них показан характер изменения относительных критериев при различных эксплуатационных данных. Расчеты производились для различных показателей пассажировместимости при длине линии эксплуатации 15 км.

Рис. 5. Влияние пассажировместимости на показатели экономической эффективности «зеленого» судна

Оценивая характер кривых, можно отметить, что с ростом пассажировместимости характер изменения критериев имеет тенденцию улучшения. При невысоких скоро-

стях и относительно коротких длинах линии эксплуатации электродвижение, вне зависимости от числа пассажиров становится не хуже, чем с дизельной СЭУ.

Обобщающий вывод оценки рациональной области использования «малых» пассажирских «зеленых» судов, полученный на основании анализа данных систематических расчетов, приведен на рис. 6. Заштрихованная область соответствует сочетаниям скорости хода и протяженности линии эксплуатации, при которых эксплуатационные расходы по судну с вариантом СЭУ полностью электрическим (All-El) не превышает таковых судна с традиционной дизель-механической СЭУ. Подчеркнем, что главные элементы и характеристики сопоставляемых судов оптимальные, получаемые по программе SPV-OPTIMUM. Поскольку значения пассажировместимости и протяженности линии эксплуатации сопоставляемых судов одинаковы, то можно говорить, что в заштрихованной области затраты на перевозку одного пассажира на «зеленом» судне меньше.

V, км/ч

Рис. 6. Зона эффективного использования судна с электродвижением

В целом можно отметить, что при рациональном сочетании эксплуатационных и проектных данных при относительно небольших скоростях и коротких маршрутах целесообразно использовать полностью электрические энергетические комплексы с возможностью подзарядки батарей на коротких по времени остановочных пунктах и в ночное время отстоя судна от береговой сети. Данный вариант, прежде всего, применим при работе на внутригородских линиях в качестве водных такси и экскурсионно-туристических судов. На пригородных и местных линиях, когда могут потребоваться более высокие скорости хода и их протяженности и при проблемах получения тока с берега наряду с чисто электрическим возможен один из комбинированных вариантов СЭУ с АКБ и дизель-генератором, расположенным на борту судна. Во всяком случае, целесообразность применения этих гибридных вариантов СЭУ в каждом случае требует более детального анализа, учитывающего особенности условий эксплуатации.

Исследование возможности сделать «зеленые» суда более экономически привлекательными определяют необходимость снижения эксплуатационных расходов и строительной стоимости судна. Современные тенденции в области использования возобновляемых источников энергии, например, солнечной, приводит к необходимости проведения оценки возможности и целесообразности использования подобных систем на судах. Выполненный анализ показал, что использование солнечных батарей на рассматриваемых судах приводит к некоторому снижению эксплуатационных расходов. Однако, в общем объеме потребной мощности «зеленого» судна процент аккумулируемой солнечной энергии относительно мал - около 10 %, что соответствует лишь обеспечению внутренней потребности в электроэнергии на судне (освещение, агрегаты систем, приборы и прочее).

С точки зрения снижения строительной стоимости судов, использующих электрохимические источники энергии, необходимо отметить следующее. В реалиях современных технологий в области разработок электрохимических накопителей энергии с

точки зрения снижения их стоимости и массы и увеличения ёмкости мировые тенденции развиваются медленно. Однако существуют векторы положительной мировой практики в этих отраслях. Согласно исследованиям, проводимым в рамках развития элетродвижения на наземном транспорте [7], видна тенденция снижения стоимости АКБ, увеличение их полезной емкости и, соответственно, доли их массы в полном водоизмещении судна. В настоящее время цена литий-ионной батареи, вырабатывающей энергии 1кВт/ч, колеблется в пределах 300...400$. В перспективе считается вполне достижимой при современных технологиях цена в 150$. Произведенные расчеты и оценка тенденции развития этих технологий показывают, что строительная стоимость «зеленого» судна, а соответственно, и срок его окупаемости относительно традиционного с ДВС могут уменьшиться на величину до 30%.

Применение электродвижения на судах также может положительно отразиться на экологии, так как в этом случае исключаются выбросы в атмосферу вредных выхлопных газов. По данным [8] при сжигании 1т дизельного топлива в воздушное пространство попадает около 24 кг сажи, до 50 кг углеводородов и прочих опасных веществ. Однако в настоящий момент доля штрафов за вредные выбросы в общих расходах по судну не превышает 0,05%, что не имеет существенного влияния на доходы судовладельцев. Мировая тенденция увеличения платы за нарушение экологического баланса с каждым годом существенно возрастает и в перспективе может существенно повлиять на целесообразность использования электродвижения на водном транспорте, особенно на судах внутригородских линий.

Список литературы:

[1] Völker T. Hybrid propulsion concepts on ships // Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni. 2013. - p. 66-76

[2] Review of All-Electric and Hybrid-Electric Propulsion Technology for Small Vessels // Nova Scotia Boatbuilders Association. Halifax. 2015. - 34 p.

[3] Веревкин В.Ф. Электроходы в рыбохозяйственном флоте Дальнего Востока // Научные труды Дальрыбвтуза. 2009. - 8 с.

[4] Купальцева Е.В. Анализ проектных характеристик главных элементов пассажирских судов для внутригородских и пригородных линий. // Вестник Государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. 2015. - № 2 (30). - с. 119-129.

[5] Купальцева Е.В. Особенности математической модели «малого» пассажирского судна с автономной электрической гребной установкой // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта - Н. Новгород.: ФГБОУ ВО «ВГУВТ», 2017. - №54. - С. 113-120.

[6] Купальцева Е.В. Математическая модель оптимизации пассажирских судов пригородного и местного сообщения // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта - Н. Новгород.: ФГБОУ ВО «ВГУВТ», 2017. - № 53. - С. 101-107.

[7] Nykvist B. Rapidly falling costs of battery packs for electric vehicles / B. Nykvist, M. Nilsson // Nature Climate Change. 2015. - 13 p.

[8] Расчет выбросов вредных веществ в атмосферу при свободном горении нефти и нефтепродуктов // ТГНУ - Тюмень, 2002 г. - 9 с.

SUBSTANTIATION OF ELEMENTS AND CHARACTERISTICS OF PASSENGER VESSELS WITH ELECTRIC PROPULSION FOR INTRAURBAN AND SUBURBAN LINES

E. V. Kupaltseva, E.P. Ronnov

Key words: passenger vessel, electric propulsion, mathematical model, economic efficiency

The estimation of the economic efficiency of vessels with an atypical complex of the ship power plant (SES) is made for «small» passenger vessels operating on intraurban and suburban lines. The result of the developed methodology is a software product in the Visual Basic For Application (VBA) environment. With certain initial data, it is possible to calculate

the economic efficiency criteria for a ship with both a classical SEM and a given non-typical complex.

Статья поступила в редакцию 06.04.2018 г.

УДК 629.5.061

С.В. Лебедева, к.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ»

В.И. Мерзляков, к.т.н., ст. преподаватель ФГБОУ ВО «ВГУВТ»

603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ДЕМПФИРОВАНИЯ ВОДЫ НА ГРАНИЦУ УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СУДНОМ С КОЛЕСНЫМ ДВИЖИТЕЛЬНО-РУЛЕВЫМ КОМПЛЕКСОМ

Ключевые слова: устойчивость, критерий Гурвица, самодемпфирование.

По критерию Гурвица исследуется влияние самодемпфирования, присущее системе

(или искусственно созданное) четвертого и пятого порядка на границу устойчивости.

Введение

В последнее время появился ряд публикаций, посвященных исследованию системы управления движением судна без использования рулевого комплекса. Исследования и разработка такой системы ведется под руководством д. т. н. В.И. Плющаева, зав. кафедрой радиоэлектроники ФГБОУ ВО «ВГУВТ» [1-4]. Разработанная система реализована на нескольких судах типа «ПКС-40» и хорошо себя зарекомендовала в эксплуатации. Аналогичные системы работают (или могут быть востребованы) не только на колесных судах (например, ледокол «Балтика»), но и в других областях техники, начиная от электромагнитных подвесов (ЭМП) роторов до квадрокоптеров. Изучение влияния отдельных факторов, учитываемых в математических моделях, представляет несомненный интерес.

Наиболее ярко это может быть проиллюстрировано на примере ротора на электромагнитных подшипниках. Исследований и публикаций по этой тематике достаточно много [5-10 и др.]. Достаточно сказать, что периодически проводятся международные конференции, посвященные этой тематике. Для системы управления электромагнитным подвесом ротора математическая модель аналогична модели управления судном с колесным движительно-рулевым комплексом (КДРК). Отличается только тем, что свойство самодемпфирования отсутствует (нужны дополнительные устройства, чтобы это демпфирование появилось).

Учет демпфирования среды проверен экспериментально в «ОКБМ Африкантов» применительно к системе электромагнитного подвеса [11]. Эксперимент проводился на осевом ЭМП, поскольку он состоял из двух независимых обмоток управления с магнитопроводами. Показано, что область устойчивости в плоскости параметров системы управления расширяется за счет ненулевого значения Кр при К = 0 (пропорциональный и дифференциальный коэффициенты). В результате получили возможность увеличения пропорционального коэффициента примерно в два раза.

Последующие попытки использовать то же решение применительно к радиальным подшипникам не увенчалось успехом, поскольку на радиальных ЭМП был только один (общий) магнитопровод. Для получения демпфирующего эффекта следовало