CC BY
141
УДК 621.182.3:629.2-843.9
Л.К. Капран, В.В. Маницын, З.П. Старовойтова, Дальрыбвтуз, Владивосток
ОПТИМИЗАЦИЯ МОЩНОСТИ И РАСХОДА ТОПЛИВА ГЛАВНЫМ ДИЗЕЛЕМ 6ЧНР 52,5/72 ТРАНСПОРТНОГО РЕФРИЖЕРАТОРА ТИПА «ТАТАРСТАН»
Приводятся уравнения винтовой и топливных характеристик, полигоны распределений мощности главного дизеля на режимах «переход» и «работа на промысле». Даются рекомендации по оптимизации мощности и расхода топлива главным дизелем в эксплуатации.
Во время глобальных кризисов отмечается, как правило, рецессия объёмов производства, поэтому проблема оптимизации мощности и расхода топлива дизелями на судах морского и промыслового флотов становится особенно актуальной в аспекте повышения эффективности эксплуатации флота.
Транспортный рефрижератор (ТР) типа «Татарстан» является головным судном, построенным на судостроительном заводе им. А.М. Горького, (г. Зеленодольск ТАССР) по проекту 1351 в 1978 г., которое предназначено для приёма рыбопродукции у добывающих судов непосредственно в районе промысла и доставки её в порты и для снабжения флота топливом, смазочным маслом, ЗИПом, орудиями лова и продуктами питания. В настоящее время на Дальневосточном бассейне эксплуатируются четыре ТР типа «Татарстан»: «Туркменистан», «Комсомолия Калининграда», «Комсомольская смена» и «Татарстан». Судовая пропульсивная установка ТР - дизельная с прямой передачей крутящего момента на винт фиксированного шага. В качестве главного дизеля (ГД) установлен четырёхтактный дизель с наддувом марки 6ЧНР 52,5/72 (61_525 НРБ) производства ЧССР. Номинальная мощность 2206 кВт, номинальная частота вращения 250 мин'1, среднее эффективное давление 1,16 МПа, Удельный расход топлива 206 г/кВт-ч + 5 %, марка дизельного топлива « Л» ГОСТ 30582.
Работа по оптимизации мощности ГД и расхода топлива начинается с определения текущей эффективной мощности ГД и её распределения на основных режимах эксплуатации. Текущая эффективная мощность определяется путём измерения крутящего момента, развиваемого дизелем на валу, и частоты вращения коленчатого вала
• п
"е
Л/ = —^------------кВт,
9551
где N - эффективная мощность; Мкр - крутящий момент; п - частота вращения коленчатого вала.
Крутящий момент измеряется при помощи переносного тензометра. Если ГД с прямой передачей крутящего момента на винт не оборудован приборами автоматической регистрации крутящего момента и эффективной мощности, то для этой цели могут быть применены косвенные методы. Это возможно при наличии данных стендовых или теплотехнических испытаний дизеля. Они дают удовлетворительные результаты (погрешность в пределах 5 %) лишь при соблюдении заводской регулировки газораспределения и расхода топлива. К косвенным методам относят определение эффективной мощности по часовому расходу топлива, температуре выпускных газов, частоте вращения газотурбокомпрессора или коленчатого вала ГД. Главный дизель ТР типа «Татарстан» не оборудован приборами контроля и регистрации текущей эффективной мощности, поэтому для ее определения в качестве косвенного параметра принята частота вращения коленчатого вала.
Результаты стендовых испытаний ГД 6ЧНР 52,5/72 приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты стендовых испытаний ГД 6ЧНР 52,5/72
Эффективная мощность N , кВт 551,5 1103 1654,5 2206
Относительная мощность N 0,25 0,50 0,75 1,00
Частота вращения коленчатого вала п, мин-1 160 201 229 250
Для перехода от частоты вращения коленчатого вала ГД к эффективной мощности можно воспользоваться зависимостью мощности, развиваемой дизелем, от частоты вращения коленчатого вала. Такая зависимость называется винтовой характеристикой. Винтовая характеристика дизеля в аналитической форме с достаточной точностью рассчитывается в виде кубической параболы
N =с-п3,
Є 1
— Л/
N..
п - частота вращения коленчатого вала; с -
коэффициент пропорциональности.
С использованием данных стендовых испытаний (см. табл. 1) и метода наименьших квадратов получен коэффициент с = 6,3081 -10-8, тогда
/\£ = 6,3081-10-8-п3.
Средняя ошибка аппроксимации при этом составляет 2,1 % и показывает хорошее соответствие эмпирических и теоретических данных. Графики эмпирической (см. табл.1) и теоретической
зависимостей относительной мощности N ГД от частоты вращения
коленчатого вала п представлены на рис. 1.
N
—♦—Эмпирическая кривая —«—Теоретическая кривая
Рис. 1. Винтовая характеристика ГД6ЧНР 52,5/72
На рис. 1 приведена винтовая характеристика, соответствующая работе ГД при движении полностью загруженного судна в спокойную погоду. Эта характеристика при правильно подобранном винте должна на полной скорости (номинальный режим ГД) судна пересекаться с внешней номинальной характеристикой. При средней скорости судна частота вращения гребного вала обычно составляет 67 % от пНСм = 250 мин-1, соответственно уменьшается и мощность ГД. На малой скорости - п = 33 % от Пнем и на самой малой скорости - п = 20-25 % от пнаи- Если сопротивление движению судна возрастёт, то винт при той же частоте вращения потребует от ГД большей мощности. В связи с этим новая винтовая характеристика будет располагаться левее номинальной винтовой характеристики. При уменьшении сопротивления корпусом судна новая винтовая характеристика будет располагаться правее номинальной характеристики, что приведёт к увеличению эффективной мощности ГД.
Расчет параметров распределения мощности ГД на основных режимах эксплуатации судна
Основными режимами эксплуатации ТР являются «переход» в район промысла и в порт, а также «работа на промысле». В эксплуатации текущая эффективная мощность ГД носит случайный характер. Она изменяется во времени в зависимости от режима эксплуатации, от условий внешних факторов и от состояния пропульсивного комплекса. Поэтому для получения достоверных результатов расчета параметров распределения мощности дизелей требуется располагать большим количеством исходной информации, для обработки которой использован вероятностно-статистический метод. Этот метод имеет преимущества по сравнению с методом теплотехнических испытаний ГД. Результаты теплотехнических испытаний ГД не позволяют получить достоверные данные о мощности ГД для различных условий эксплуатации ТР.
Для исследования характера распределения мощности ГД использовались вахтенные машинные журналы. По ТР типа «Татарстан» для ГД обработано 10817 наблюдений. Такой объем наблюдений гарантирует минимальную ошибку результатов расчетов (и 5 %).
Обработка фактической мощности ГД сводится к расчёту средней относительной мощности и её среднеквадратического отклонения.
Данные по мощности ГД 6ЧНР 52,5/72 на режимах «переход» объединены в одну группу, так как они на этих режимах незначительно отличаются друг от друга (табл. 2).
Таблица 2
Данные по мощности ГД на режиме «переход»
Относительная Продолжительное Относительная
мощность N ть работы ГД 1, ч продолжительност ь работы ГД }
0,05 0 0,0000
0,15 89 0,0084
0,25 10 0,0009
0,35 6 0,0006
0,45 10 0,0009
0,55 8 0,0007
0,65 3666 0,3446
0,75 6640 0,6242
0,85 206 0,0194
0,95 3 0,0003
Итого: 10638 1,0000
По данным табл. 2 построен полигон распределения мощности ГД на режиме «переход» (рис. 2).
ГД 97 % времени работает с относительной мощностью, изменяющейся от 0,6 до 0,8 при среднем значении относительной
мощности Л/с =0,71 и среднеквадратичном отклонении <т = 0,075 , при этом эффективная мощность изменяется от 1324 до 1765 кВт. На этом режиме работы мощность ГД имеет одномодальное распределение.
Данные по мощности ГД 6ЧНР 52,5/72 на режиме «работа на промысле» приведены в табл. 3.
0,05 0,15 025 0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 0,35 0,95
Рис. 2. Полигон относительной продолжительности работы ГД в режиме «переход»
Таблица 3
Данные по мощности ГД на режиме «работа на промысле»
Относительная Продолжительность Относительная
мощность N работы ГД f,ч продолжительность работы ГД ^
0,05 39 0,218
0,15 35 0,196
0,25 2 0,011
0,35 0 0,000
0,45 9 0,050
0,55 0 0,000
0,65 31 0,173
0,75 56 0,313
0,85 7 0,039
0,95 0 0,000
Итого: 179 1,000
По данным табл. 3 построен полигон распределения мощности ГД на режиме «работа на промысле» (рис. 3).
Рис. 3. Полигон относительной продолжительности работы ГД в режиме «работа на промысле»
Режим «работа на промысле» характеризуется малыми
значениями мощности ГД и двухмодальным распределением относительной продолжительности работы ГД, из которого следует, что ГД ТР типа «Татарстан» 41 % времени работает с относительной мощностью, изменяющейся в интервале от 0,05 до 0,20 и 49 % времени в интервале от 0,60 до 0,80. При этом среднее значение относительной
мощности Л/с = 0,45 и среднее квадратическое отклонение а = 0,31. Это связано со спецификой работы ТР по передаче добывающим судам доставленного груза и приемом рыбопродукции в районе промысла на малых ходах работы ГД. Интервал отклонения мощности на режиме «работа на промысле» от её среднего значения составляет от 309 до 1677 кВт.
Расчёт оптимизированного расхода топлива ГД
Топливная система ГД включает цистерны основного запаса (ТЦОЗ), отстойные (ОЦ), расходные (РЦ) легкого топлива, фильтры грубой очистки (ФГО), топливоперекачивающий винтовой насос, фильтры тонкой очистки (ФТО), топливные сепараторы, топливоподкачивающий шестеренный насос, топливный насос высокого давления (ТНВД) и форсунки.
Топливо из ТЦОЗ перекачивается топливоперекачивающим винтовым насосом в ОЦ, а затем с помощью сепаратора топлива оно попадает в РЦ, а из неё топливоподкачивающим шестеренным насосом топливо подаётся в ТНВД и далее к форсункам.
Для расчёта оптимизированного расхода топлива необходима топливная характеристика и распределение мощности ГД. Топливная характеристика дизеля - это зависимость часового расхода топлива от его мощности, которая определяется по результатам стендовых
испытаний. Для расчета коэффициентов топливной характеристики ГД использовались результаты стендовых испытаний, которые приведены в табл. 4.
Таблица 4
Результаты стендовых испытаний ГД 6ЧНР 52,5/72
Эффективна я мощность ^ ,кВт Относительн ая мощность N Часовой расход топлива в , кг/ч Относительный часовой расход топлива в Удельный расход топлива д , кг/кВт ■ ч
551,5 0,25 131,5 0,275393 0,238
1103 0,50 231,8 0,485445 0,210
1654,5 0,75 351,9 0,736963 0,213
2206 1,00 477,5 1,000000 0,216
2426,6 1,10 543,6 1,138429 0,224
— (3 — А/ (3
Л/н =2206 кВт., вн = 477,5 кг/ч , в = — , Л/ = —^, д = — .
ен Ын Ые
Зависимость топливной характеристики от относительной мощности зададим уравнением второй степени, параметры которого определенны по методу наименьших квадратов с использованием данных табл. 4.
<3 = 0,27/У2 + 0,64 N + 0,1.
Средняя ошибка аппроксимации при этом составляет 0,54 %, что говорит о хорошем приближении эмпирических данных к теоретическим. На рис. 4 изображены эмпирическая и теоретическая линии топливной характеристики.
є
эмпирическая линия —теоретическая линия
Рис. 4. Топливная характеристики ГД 6ЧНР 52,5/72
На основании топливной характеристики ГД и параметров распределения мощности для основных режимов эксплуатации ТР типа «Татарстан» определен оптимизированный расход топлива. Результаты расчета расходов топлива для ГД приведены в табл. 5.
Таблица 5
Оптимизированный расход топлива ГД 6ЧНР 52,5/72
Наименование Режим «переход» Режим «работа на промысле»
Число наблюдений, ч 10638 179,00
Средний часовой расход топлива, кг/ч 330,91 221,42
Средней суточный расход топлива, кг/сут 7944 5314,0
Оптимизация мощности ГД по минимальному удельному расходу топлива
Одним из путей повышения эффективности эксплуатации ТР является оптимизация эксплуатационной мощности и расхода топлива, что приведёт к снижению затрат на топливо, а, следовательно, сокращению часового расхода топлива, зависящего от его удельного расхода и мощности, развиваемой ГД.
Зависимость удельного расхода топлива от относительной мощности ГД найдена по данным стендовых испытаний (см. табл. 4) в виде полинома второй степени, параметры которого определены по методу наименьших квадратов.
!?е(Л/) = 0,122Л/2 — 0,179Л/ + 0,274 .
Средняя ошибка аппроксимации при этом составляет 1,1 %, что говорит о хорошем приближении.
Условием минимума функции д (М) являются равенство нулю ее производной. Решением уравнения д^(Л/) = 0 является N = 0,734, а
удельный расход топлива при этом де(Л/) = 0,208 кг/( кВт ч) - это
минимальное значение функции. На рис. 5 изображены графики эмпирической и теоретической зависимостей.
дв=т
—♦—Эмпирическая кривая —«—Теоретическая кривая
Рис. 5. Г рафики зависимости удельного расхода топлива от относительной мощности ГД 6ЧНР 52,5/72
Если принять де(Л/) = 0,210 кг/(кВтч), то область изменения
предпочтительной относительной мощности N ГД будет находиться в пределах от 0,6 до 0,85. Эффективная мощность при этом изменяется от 1323,6 кВт до 1875,1 кВт.
Следовательно, для ГД предпочтительная мощность в указанной области характеризуется минимальными значениями удельного расхода топлива от 0,208 до 0,210 кг/( кВт ■ ч).
Библиографический список
1. Маницын В.В., Музалевский Н.В. Определение технически обоснованных норм расхода ГСМ СЭУ ТР типа «Татарстан» и «Кристалл-2»: отчет о НИР (промежуточ.); рук. В.В. Маницын. Владивосток, 1987. 94 с. № ГРО 1860044670. Инв. № 02880024350.
2. Елисеева И.И. и др. Эконометрика: учебник. М.: Финансы и статистика, 2007. 556 с.
