CC BY
356
DOI: 10.24143/2073-1574-2018-1-87-92 УДК 621.431.74:004.94
А. В. Соловьёв
СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ В ЭКСПЛУАТАЦИИ
Предложен обзор применяемых в настоящее время систем диагностики средне- и высокооборотных судовых дизелей. Рассмотрены параметры, контролируемые системами диагностики. Проанализированы преимущества и недостатки систем мониторинга судовых дизелей, спроектированных как единый программно-аппаратный комплекс. Отмечается, что универсальные системы мониторинга для двигателей любых моделей не создаются. Специализированные диагностические комплексы устанавливаются только на двигатели достаточно высокой мощности, которые применяются на морских судах, а на речных судах и судах смешанного (река-море) плавания такие комплексы до настоящего времени не применялись. По результатам проведенного анализа сформирован перечень диагностических параметров двигателей, необходимых для реализации алгоритмов безразборной автоматической технической диагностики. Приведен обзор выпускаемых промышленностью датчиков для измерения параметров рабочего процесса двигателей. Отмечается, что в настоящее время решение задачи технической диагностики судовых двигателей, а следовательно, и других, менее сложных, объектов судовых энергетических установок речных судов становится возможным, поскольку современные электронные системы управления позволяют осуществлять непрерывный мониторинг технических параметров, т. е. сбор и обработку информации, полученной от датчиков регулируемых величин и процессов.
Ключевые слова: системы диагностики, диагностические параметры, параметры рабочего процесса, техническая безопасность плавания.
Введение
Одной из важных предпосылок обеспечения технической безопасности плавания является мониторинг параметров судовых дизелей (главных и вспомогательных) в процессе их эксплуатации. Информация о текущих значениях параметров рабочего процесса судовых дизелей во время эксплуатации позволяет обслуживающему персоналу поддерживать нормальное техническое состояние дизелей и предупреждать возникновение аварийных ситуаций. На эксплуатируемых в настоящее время речных судах мониторинг параметров двигателей чаще всего сводится к периодическому контролю давлений и температур - с помощью максиметров персонал определяет максимальные значения давлений газов по цилиндрам (pmax) либо давления в конце процесса сжатия (pc) при отключенной подаче топлива. Помимо pmax, pc, температур воды и масла, можно выделить целый ряд других параметров, мониторинг которых во время эксплуатации дает возможность осуществлять более качественный контроль рабочего процесса дизеля и производить точную регулировку отдельных узлов. Так, контроль среднего индикаторного давления (pi) позволяет определить перегрузку отдельных цилиндров и равномерно распределить мощность по всем цилиндрам дизеля. Контроль максимальной скорости повышения давления при сгорании топлива (жесткости Др/Дф рабочего процесса) позволяет ограничить ударные нагрузки на подшипники отдельных цилиндров и выявить недостатки в работе топливной аппаратуры (ТА). С помощью контроля геометрических и действительных фаз топливоподачи производится комплексная оценка технического состояния ТА. Контроль фаз газораспределения во время работы дизеля позволяет оперативно оценивать техническое состояние газораспределительного механизма и поддерживать паспортные значения углов закрытия и открытия клапанов. Кроме вышеперечисленных, можно выделить еще целый ряд параметров рабочего процесса, мониторинг которых во время эксплуатации в значительной степени поможет обслуживающему персоналу поддерживать нормальное техническое состояние дизеля [1].
Диагностические параметры двигателей
До настоящего времени большинство систем мониторинга судовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) было спроектировано как единый программно-аппаратный комплекс, производящий запись параметров и частичный расчет рабочего процесса в режиме реального времени. Наиболее характерными системами такого типа являются NK-5, NK-100, NK-200 фирмы Autronica A/S, а также ряд аналогичных систем, разработанных компаниями Terasaki Electric
Co., Ltd, Konsberg, JRCS, Hyundai, Samsung, Honeywell, Sulzer [2]. Системы подобного типа призваны решать две задачи: получение данных в реальном времени и частичный расчет рабочего процесса, что позволяет производителям выпускать завершенные комплексы мониторинга судовых ДВС и предоставлять техническому персоналу судна большой объем информации, необходимой для качественной технической эксплуатации двигателей. Однако такой подход к решению задачи мониторинга ДВС имеет ряд недостатков:
- недостаточно полное (неточное) моделирование рабочего процесса;
- в качестве исходных данных используется ограниченное количество измеряемых параметров;
- не выявляются прогнозирующие тренды технического состояния двигателя;
- соединение измерительной и расчетной частей систем мониторинга ДВС значительно увеличивает их сложность; для передачи сигналов от двигателя к вычислительному комплексу используются длинные кабельные линии; устанавливаются дополнительные усилители и преобразователи сигналов, что снижает надежность функционирования системы в целом;
- стоимость систем подобного типа остается весьма высокой, поскольку складывается из стоимости не только датчиков и первичных преобразователей, но и всего промежуточного оборудования, включая стоимость вычислительного комплекса и программного обеспечения. Кроме того, компьютеры в таких системах задействованы только для решения задачи мониторинга ДВС [1].
Рассмотрим применяемые в настоящее время системы диагностики средне- и высокооборотных двигателей (СОД и ВОД).
Система CEDC фирмы «Зульцер» (Швейцария) предназначена для диагностирования цилиндропоршневой группы (ЦПГ), ТА, турбокомпрессора, охладителя наддувочного воздуха (ОНВ). Эта система установлена на дизелях типа 6RND-90 теплохода «Вилли де Страсбург» (Франция). Диагностическая система на базе мини-ЭВМ анализирует текущие параметры дизеля и его техническое состояние. При изменении диагностических параметров производится анализ тенденций их изменения во времени и устанавливается необходимый срок переборки узла. Поломка детали (узла) предупреждается сигналом о достижении предельного значения параметра. Таким образом, каждый раз производятся только те работы, которые необходимы для поддержания характеристик дизеля на оптимальном уровне. Диагностические системы состоят из трех основных частей: датчиков и преобразователей сигналов, установленных на дизеле или в непосредственной близости к нему; центрального обрабатывающего и регистрирующего устройства, размещенного в центральном пульте управления или в специальном помещении; средств связи «человек - машина», находящихся в центральном посту управления. Сигналы передаются в цифровом виде. Термическая нагрузка цилиндра измеряется термодатчиками, установленными в крышке цилиндра (2 шт.), верхней части втулки (4 шт.) и в нижней части втулки со стороны выпуска (1 шт.) на глубине около 6 мм от рабочей поверхности. Четыре термодатчика в верхней части втулки позволяют определить погрешность организации процесса сгорания, вращение и вибрацию поршневых колец, а также зафиксировать сухое трение, которое отмечает в основном датчик в нижней части втулки. Работа поршневых колец контролируется двумя дополнительными датчиками, расположенными в верхней части втулки. Эти датчики определяют плотность прилегания колец к втулке в момент прохождения кольцом места установки датчика и фиксируют потерю подвижности и поломку колец; при отсутствии кольца в ручье (поломка кольца) интенсивность сигнала падает не менее чем на 25 %. При анализе процесса сгорания характерные точки процесса (рс, pmax и др.) сравниваются с усредненными значениями за несколько циклов и с интервалом в 30 секунд полученные данные подаются на печатающее устройство. Предупредительный сигнал в системе вырабатывается не по абсолютной, а по относительной величине параметра, которая сохраняется в памяти ЭВМ, а также на магнитной ленте [3].
Система СИПВА фирмы «Зульцер» обеспечивает непрерывное измерение и регистрацию износа верхнего поршневого кольца дизеля, а также отмечает вращение колец или его отсутствие. Датчики - индуктивные. Верхние поршневые кольца главного двигателя специальной конструкции. Датчики устанавливаются в сквозных сверлениях втулки заподлицо с ее рабочей поверхностью. Вычислительное устройство по определенным программам оценивает общее техническое состояние дизеля и остаточный ресурс деталей ЦПГ, рекомендует время очередного профилактического обслуживания. Диагностическая система может быть соединена со штатными системами управления и регулирования - регулятором «Вудвард», системой регулирования циркуляционной и цилиндровой смазки - и принимать участие в общем процессе автомати-
ческого регулирования режима работы дизеля, вплоть до аварийной остановки его в случае опасного выхода за норму каких-либо контролируемых параметров, в том числе в системах подготовки топлива и масла, охлаждения и т. п. [3].
Система DETS фирмы «Норконтрол» (Норвегия) представляет собой измерительный комплекс, дающий информацию о системе впрыскивания топлива и процесса сгорания в дизеле в виде распечатанных значений параметров и графиков. Система использует два датчика (давления впрыска топлива и давления в цилиндре) пьезоэлектрического типа. Два магнитных датчика дают информацию об угле ПКВ и частоте вращения. Дополнительно устанавливается датчик давления продувочного воздуха. Регистрируются следующие характерные параметры: рь рс, ртах, давление расширения в точке 40° после ВМТ, момент максимального давления, град, ПКВ; разность между наибольшим и наименьшим значениями р^ в течение пяти ходов поршня. Для визуального контроля строится диаграмма давления сжатия в зоне ВМТ и кривая давления впрыскивания [3].
Система РЕD фирмы «Пилстик» (Франция) впервые была установлена на дизеле 18РС2-5У теплохода «Ренор». С помощью системы диагностируются среднеоборотные дизели фирмы «СЕМТ-Пилстик» серий РС-2, РС-3, РС-4. Диагностической системой контролируется состояние коренных подшипников коленчатого вала и верхнего поршневого кольца, агрегатов турбокомпрессора. Датчики системы измеряют следующие параметры: температуру и давление за ОНВ, температуру охлаждающей воды на входе в ОНВ, давление воздуха за турбокомпрессором, положение реек топливных насосов высокого давления (ТНВД), частоту вращения ротора турбокомпрессора, вибрацию подшипников турбокомпрессора с выдачей предупредительных сигналов при повышенной вибрации с помощью датчика состояния подшипников (бесконтактного датчика перемещения). Датчик дает возможность выявить нарушения центровки коленчатого вала. Состояние верхнего кольца контролируется индуктивным датчиком «Нипп» фирмы «Виброметр» [3].
Система «Виброметр» фирмы «Виброметр» (Швейцария) диагностирует следующие узлы: ЦПГ, системы впрыска топлива, турбокомпрессора, поршневых колец. Диагностическая система испытывалась на двух- и четырехтактных малооборотных дизелях, СОД и ВОД. Диагностическая система контролирует следующие узлы дизеля: поршень (появление стуков, задиры); клапаны, детали клапанных приводов (распределительный вал, коромысло и т. д.) ТНВД; подшипники (износ), а также такие параметры, как частота и направление вращения коленчатого вала, ртах и характеристики впрыска. В диагностической системе используются пьезоэлектрические датчики, которые собирают информацию об акустических сигналах, после обработки которых делается вывод о нормальном или анормальном состоянии узлов. Пьезоэлектрическая система оценки звуковых волн «Нисс» включает пьезоэлектрический акселерометр, который обнаруживает разбаланс ротора и износ подшипников турбокомпрессора. Состояние поршневых колец контролируется при помощи датчика «Нипп». Информация выводится на дисплей [3].
Система МЕКОМ фирмы «Статроник» (Норвегия) предназначена для диагностирования дизелей, турбин, котлов, с ее помощью регистрируются следующие параметры: уровень вибрации механизмов, температуры подшипников турбин, втулок цилиндров, температура выпускных газов, давление в различных точках газовоздушного тракта [3].
Современные диагностические системы дизелей контролируют изменение давления в цилиндрах в зависимости от времени, угла ПКВ или хода поршня. Диаграмма рц = f (фПКв) изображается на экране осциллоскопа и вводится в память ЭВМ для последующего анализа, в процессе которого устанавливаются величины р, рс, ртах, угол ПКВ, которому соответствует максимальное давление в цилиндре. Значения этих параметров, а также других, имеющих отношение к рабочему процессу (давление и температура наддувочного воздуха, частота вращения коленчатого вала), выводятся или могут быть вызваны на дисплей (табло) устройства. Так работает прибор N^2, входящий в диагностическую систему фирмы «Аутроника» (Норвегия), АСЕА (Швеция) и др. [3].
Системы «Комос-01, -02, -03, -04» фирмы МН1 (Япония), использующие электроннолучевую трубку и систему диалога, предназначены для диагностирования главного и вспомогательных двигателей. Измеряемые значения сравниваются с эталонными, хранящимися в памяти ЭВМ [3].
Из представленного анализа существующих диагностических систем ДВС можно сделать следующие выводы:
- в настоящее время каждый производитель ДВС в первую очередь озабочен мониторингом параметров (диагностикой) только своего двигателя, универсальные системы мониторинга для двигателей любых моделей не создаются;
- установка специализированных диагностических комплексов осуществлялась на ДВС достаточно высокой мощности, применяемых на морских судах; на речных судах и судах смешанного (река-море) плавания такие системы до сих пор не применялись. Техническая диагностика двигателей на судах с классом Речного регистра сводится к снятию индикаторных гребенок, теплотехническому контролю и последующей «ручной» обработке полученных результатов судовыми механиками или теплотехническими партиями. Однако достижения технического прогресса и установленные Правительством РФ ориентиры требуют пересмотра подходов в области технической диагностики судовых технических средств на внутреннем водном транспорте, тем более что прогресс в области управления объектами СЭУ и диагностики их технического состояния неизбежно потребует перехода организаций по классификации на новый уровень реализации процедур классификации и освидетельствования судов [4].
Анализ рассмотренных выше и других, не описанных в статье, систем позволяет сформулировать перечень диагностических параметров двигателей, необходимых для реализации алгоритмов безразборной автоматической технической диагностики (табл.).
Перечень диагностических параметров двигателей, перспективных для использования
в системах мониторинга и диагностики
Диагностируемый объект Контролируемый параметр
Двигатель (эффективные показатели) Крутящий моментМк,¡ на фланце двигателя, кН-м (мощность, кВт)
Расход топлива GT¡, кг/ч
Частота вращения коленчатого вала ni, мин-1
Рабочий процесс Максимальное давление цикла pmaxi, МПа
Скорость нарастания давления (dp/dtp), МПа/°п.к.в.
Угол п.к.в фшахь соответствующий Pmasd, °П.к.в.
Температура выпускных газов по цилиндрам tr¡, °С
Давление в газовыпускном трубопроводе pri, МПа
Система топливоподачи Давление впрыскивания топлива pri, МПа
Цикловая подача топлива g^, кг/цикл
Угол опережения впрыска топлива а„.вь °п.к.в.
Давление р™ за топливоподкачивающим насосом, МПа
Температура tri топлива перед ТА высокого давления, °С (если применимо)
Цилиндропоршневая группа Давление конца сжатия pci, МПа
Расход масла двигателем G„i, кг/ч
Вибрация в районе крышек цилиндров (виброскорость Ущ, мм/с)
Коленчатый вал Вибрация в районе коленчатого вала (виброскорость Укв,, мм/с)
Температура вкладышей подшипников скольжения или температура постелей подшипников качения коленчатого вала tni, °С
Система смазывания и система охлаждения двигателя Давление масла рм
Температура масла на выходе из двигателя tм2ь °С
Температура масла на входе в двигатель t^, °С
Температура охлаждающей жидкости на выходе из двигателя °С
Температура охлаждающей жидкости на входе в двигатель t^u, °С
Циркуляция (проток) охлаждающей жидкости
Система управления Время Tnnrt переходного процесса пуска, с
Время Xnnpi переходного процесса реверса, с
Точность регулирования частоты вращения s, мин-1
Время Хпп,в переходного процесса изменения частоты вращения, с
Турбонагнетатель Давление наддува pki, МПа
Температура наддувочного воздуха tu, °С
Вибрация турбонагнетателя (виброскорость уД мм/с
Частота вращения ротора, n™, мин-1
Давление перед турбиной pni, МПа
Вредные выбросы в атмосферу Эмиссия eN0xi в выпускных газах двигателя, г/(кВтч)
Эмиссия ecoi в выпускных газах двигателя, г/(кВт ч)
Дымность Дi выпускных газов двигателя (коэффициент N ослабления светового потока, приведенный к шкале дымомера оптического типа, %)
Проведенный автором анализ современных датчиков, оставшийся за рамками настоящей работы, позволяет сделать вывод о том, что технических ограничений по измерению диагностических параметров на современном этапе технического прогресса нет.
В настоящее время промышленностью выпускаются разнообразные датчики, позволяющие измерять параметры рабочего процесса самого сложного для диагностирования объекта СЭУ - ДВС. Для контроля давления газов в цилиндрах наиболее широко применяются следую-
щие неохлаждаемые датчики: тензометрические датчики GT-20 (20А, 21) фирмы Autronica A/S; пьезоэлектрические датчики фирмы Kistler; оптические датчики Optrand; емкостные датчики PS-16 DEPAS. Особенностью указанных датчиков является широкий диапазон рабочих температур - от 40 до 500 °С. Типичный рабочий диапазон измеряемых давлений 200-250 бар. Для анализа процесса впрыска топлива применяют датчики давления, рассчитанные на работу при высоких импульсных нагрузках с максимальным давлением до 2 000-3 000 бар. Рабочий температурный диапазон датчиков давления топлива достигает 150 °С. Для измерения температуры и давления применяются датчики серий Sentry и GT фирмы Konsberg. Для измерения виброскорости возможно использование датчиков типа ДВС-И (ООО «Энергогазприбор»), имеющих два независимых канала измерения - канал Х и канал Y. Для замеров вредных выбросов в атмосферу могут быть использованы датчики фирм NGK Spark Plugs и Siemens VDO. В качестве примера можно привести интеллектуальный датчик с многослойным сенсорным элементом ZrO2, который разработан совместно с NGK и выпускается Siemens VDO. Датчик допускает как прямое измерение NOx, так и соотношения «воздух/топливо». Интеллектуальный датчик включает газовый сенсорный элемент и электронный блок, генерирующий три сигнала: NOx, двоичный, линейный. Данные передаются к ECU двигателя посредством шины CAN [5].
Заключение
На основании выполненного анализа можно констатировать, что в настоящее время решение задачи технической диагностики судовых двигателей, а следовательно, и других, менее сложных объектов СЭУ речных судов, становится возможным, поскольку современные электронные системы управления позволяют осуществлять непрерывный мониторинг технических параметров, т. е. сбор и обработку информации, полученной от датчиков регулируемых величин и процессов. В этой связи задача установки специализированных диагностических комплексов становится неактуальной, т. к. информация, полученная от электронных систем управления двигателем и другими объектами СЭУ, может обрабатываться центральным компьютером управления или компьютером машинного отделения в целях управления и диагностирования всей СЭУ [6], а не только ее отдельных объектов.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Ивановский В. Г., Варбанец Р. А. Мониторинг рабочего процесса судовых дизелей в эксплуатации. // Всеукр. науч.-техн. журн. 2004. Вып. 2. С. 138-141.
2. Данилян А. Г., Чимшир В. И., Разинкин Р. А., Найденов А. И. Совершенствование систем технического диагностирования малооборотных судовых дизелей // Молодой ученый. 2015. № 2 (82). С. 138-142. URL: https://moluch.ru/archive/82/14613/.
3. Характеристика систем диагностики судовой дизельной установки в судовых дизелях. URL: http://vdvizhke.ru/sudovye-dizelnye-ustanovki/puskoreversivnye-sistemy-dvigatelja/harakteristika-sistem-diagnostiki-sudovoj -dizelnoj -ustanovki-v-sudovyh-dizelj ah.html.
4. Соловьёв А. В. Интеллектуальная система управления классификационной деятельностью на водном транспорте // Речной транспорт (XXI век). 2017. № 84. С. 40-42.
5. Сысоева С. Новые тенденции и перспективные технологии автомобильных датчиков систем Powertrain и контроля эмиссии. Ч. 1. Состояние и перспективы рынка датчиков положения, скорости, датчиков концентрации кислорода (газа), массового расхода воздуха и давления // Компоненты и технологии. 2006. № 60. C. 86-94.
6. Соловьёв А. В. Концепция единого целеориентированного управления судовой энергетической установкой // Вестн. гос. ун-та мор. и реч. флота им. адм. С. О. Макарова. 2017. Т. 9. № 5. С. 1027-1039.
Статья поступила в редакцию 11.01.2018
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Соловьев Алексей Валерьевич — Россия, 603950, Нижний Новгород; Волжский государственный университет водного транспорта; канд. техн. наук; доцент кафедры информатики, систем управления и телекоммуникаций; [email protected].
A. V. Soloviev
SYSTEMS OF MONITORING MARINE DIESEL ENGINES IN OPERATION
Abstract. The article provides an overview of currently used diagnostic systems of medium- and high-speed marine diesel engines. The parameters controlled by diagnostic systems have been discussed. The advantages and disadvantages of the monitoring systems of marine diesel engines designed as a single software-hardware complex have been analyzed. As it has been stated, universal monitoring systems for engines of different models are not created. Specialized diagnostic systems are only installed in powerful engines which are used on sea-going ships, not on river vessels and mixed (river-sea) navigation vessels; such complexes have not been applied so far. According to the results of the analysis, there have been listed engine diagnostic parameters required for implementing algorithms of automatic diagnostics without disassembling. The paper presents a review of commercially available sensors for measuring parameters of engines in operation. It has been shown that currently the decision of tasks of technical diagnostics of marine engines and, therefore, other less complex mechanisms оf a ship power plant on the river vessels is possible because of modern electronic control systems that allow continuous monitoring of technical parameters, i.e. collecting and processing information received from sensors of the controlled variables and processes.
Key words: diagnostic systems, diagnostic parameters, workflow parameters, technical safety of navigation.
REFERENCES
1. Ivanovskii V. G., Varbanets R. A. Monitoring rabochego protsessa sudovykh dizelei v ekspluatatsii [Monitoring thr working process of the ship diesels under operation]. Vseukrainskii nauchno-tekhnicheskii zhurnal, 2004, iss. 2, pp. 138-141.
2. Danilian A. G., Chimshir V. I., Razinkin R. A., Naidenov A. I. Sovershenstvovanie sistem tekhnicheskogo di-agnostirovaniia malooborotnykh sudovykh dizelei [Improving technical diagnostic systems of marine low-speed diesels]. Molodoi uchenyi, 2015, no. 2 (82), pp. 138-142. Available at: https://moluch.ru/archive/82/14613/.
3. Kharakteristika sistem diagnostiki sudovoi dizel'noi ustanovki v sudovykh dizeliakh [Analysis of technical diagnostic systems of a ship diesel]. Available at: http://vdvizhke.ru/sudovye-dizelnye-ustanovki/puskoreversivnye-sistemy-dvigatelja/harakteristika-sistem-diagnostiki-sudovoj-dizelnoj-ustanovki-v-sudovyh-dizelj ah.html.
4. Solov'ev A. V. Intellektual'naia sistema upravleniia klassifikatsionnoi deiatel'nost'iu na vodnom transporte [Intelligent system of management of classification activity in water transport]. Rechnoi transport (XXI vek), 2017, no. 84, pp. 40-42.
5. Sysoeva S. Novye tendentsii i perspektivnye tekhnologii avtomobil'nykh datchikov sistem Powertrain i kontro-lia emissii. Chast' 1. Sostoianie i perspektivy rynka datchikov polozheniia, skorosti, datchikov kontsentratsii kisloroda (gaza), massovogo raskhoda vozdukha i davleniia [New trends and promising technologies of car sensors of powertrain systems and emission control. Part 1. Current state and prospectives of the market of sensors of position, speed, oxygen (gas) concentration, air mass flow and pressure]. Komponenty i tekhnologii, 2006, no. 60, pp. 86-94.
6. Solov'ev A. V. Kontseptsiia edinogo tseleorientirovannogo upravleniia sudovoi energeticheskoi ustanov-koi [Concept of unified goal-oriented operating of a ship power plant]. Vestnik gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova, 2017, vol. 9, no. 5, pp. 1027-1039.
The article submitted to the editors 11.01.2018
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Soloviev Alexey Valerievich - Russia, 603950, Nizhny Novgorod; Volga State University of Water Transport; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department of Informatics, Control Systems and Telecommunications; [email protected].
