Повышение энергетической эффективности судовой энергетической установки

Тип работы:
Дипломная
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Содержание

  • Введение
  • 1. Выбор и обоснование задач дипломного проекта
  • 1.1 Анализ роли судов проекта Р18А в транспортном процессе
  • 1.2 Анализ технического уровня оборудования СЭУ
  • 1.3 Анализ мероприятий, направленных на повышение энергетической эффективности СЭУ
  • 1.4 Постановка задач дипломного проекта
  • 2. Модернизация судовой главной энергетической установки
  • 2.1 Обоснование и выбор главных двигателей
  • 2.2 Разработка принципиальной схемы валопровода
  • 2.3 Расчет на прочность основных элементов валопровода
  • 2.4 Разработка рекомендаций по использованию СГЭУ
  • 3. Модернизация судовой вспомогательной энергетической установки
  • 3.1 Расчет судовой электростанции
  • 3.2 Выбор и обоснование режимов работы электрогенерирующих устройств
  • 3.3 Расчет судовой котельной установки
  • 3.4 Выбор оптимальной схемы теплоэлектроснабжения
  • 4. Модернизация систем обслуживающих СЭУ
  • 4.1 Расчет и модернизация топливной системы
  • 4.2 Расчет и модернизация системы смазки
  • 4.3 Расчет и модернизация системы охлаждения
  • 4.4 Расчет и модернизация системы сжатого воздуха
  • 4.5 Расчет и модернизация системы газовыпуска
  • 5. Разработка мероприятий по повышению энергетической эффективности сэу и комплектующего оборудования
  • 5.1 Оценка возможности использования теплоты охлаждающей воды
  • 5.2 Оценка возможности использования теплоты отработавших газов
  • 5.3 Оценка возможности использования тепловых аккумуляторов
  • 6. Безопасность жизнедеятельности и охрана труда
  • 6.1 Экологическая безопасность и охрана окружающей среды. Анализ условий труда плавсостава теплохода проекта Р18А
  • 6. 2 Охрана труда. Расчёт уровней вибрации опорных поверхностей дизеля 6ЧН30/38 в октавных полосах частот и выбор виброизоляторов
  • Выводы
  • 6.3 Безопасность жизнедеятельности. Оценка пожароопасной обстановки в населенном пункте
  • 6.3.1 Общие сведения
  • 6.2.2 Исходные данные для оценки пожароопасной обстановки в населенном пункте
  • 6.2.3 Оценка пожароопасной обстановки
  • 6.2.4 Анализ полученных результатов
  • 6.2.5 Рекомендации по предотвращению пожара на судне
  • 6.2.6 Действия экипажа при пожаре на судне
  • Литература

Введение

В условиях роста цен на топливно-энергетические ресурсы проблема их рационального использования стоит перед всем народным хозяйством страны. Один из путей ее решения на речном флоте состоит в повышении экономичности судовых энергетических установок (СЭУ). Повышение эффективности топливосжигания на дизельных и газотурбинных судах достигается: повышением коэффициента полезного действия (КПД) отдельных элементов (двигателей, турбин, компрессоров), входящих в энергетическую установку (ЭУ), путем улучшения их конструкции и применения более совершенных схем; повышением начальных параметров термодинамического цикла путем применения более жаропрочных материалов и оптимальных систем охлаждения; совершенствованием тепловых схем дизельных и газотурбинных ЭУ посредством рационального использования теплоты отработанных газов двигателей и охлаждающей воды в утилизационных установках; грамотной технической эксплуатацией ЭУ.

Оптимальное использование вторичных энергоресурсов (ВЭР) в теплоутилизационных контурах является одним из основных средств повышения технико-экономических показателей перспективных судовых энергетических комплексов.

На речном флоте осуществляется широкая программа работ по решению этой проблемы. Среди них особое внимание уделяется совершенствованию технической эксплуатации судов в аспекте повышения экономичности их энергетических установок.

Речной транспорт — неотъемлемая составная часть транспортной системы России и его развитию присущи те же тенденции, что и развитию транспортной системы в целом. Такими тенденциями являются: ресурсосбережение; повышение надежности, безопасности и экологической чистоты; повышение производительности за счет роста грузоподъемности, вместимости, увеличения скорости перевозок, компьютеризации, механизации и автоматизации, а также снижения собственной массы транспортных средств; повышение «гибкости» и мобильности за счет максимальной унификации и стандартизации грузовых единиц (модулей), обеспечения их технологической совместимости; повышение качества транспортных услуг, в том числе, комфортности и безопасности пассажирских перевозок.

Объективно расширение внутренних водных перевозок можно рассматривать, как развитие транспортной системы страны согласно приведенным тенденциям, поскольку использование естественных водных путей создает предпосылки к тому, что полные удельные капитальные вложения в речной транспорт при прочих равных условиях оказываются в 5−10 раз меньше, чем в железнодорожный и в 2−5 раз меньше, чем в автомобильный транспорт. В результате энергоемкость и металлоемкость транспортной продукции при внутренних водных перевозках становятся заметно нише по сравнению с этими конкурирующими видами транспорта.

Основными требованиями к судовым источникам энергии являются: обеспечение необходимой автономности судов; минимально-допустимое влияние на провозоспособность судов и окружающую среду; иметь достаточные запасы и обеспечивать возможность пополнения их на судне; иметь относительно небольшую стоимость, возможность управления процессом использования и приемлемые затраты на подготовку к использованию в судовых условиях.

Современное развитие транспортного флота характеризуется созданием высокопроизводительных грузовых, буксирных и пассажирских судов; повышением их мощности и скорости хода; оборудованием высокоэффективными и экономичными механизмами, устройствами, системами, средствами механизации и автоматизации; стандартизацией и унификацией отдельных механизмов и судовых энергетических установок в целом.

судовая энергетическая установка

С ростом грузоподъемности и скорости хода судов увеличиваются их энергооснащенность и мощность главных двигателей. В связи с этим судовые энергетические установки, затраты на которые составляют около 35% общей строительной стоимости судов, оказывают большое влияние на технико-эксплуатационные и экономические показатели флота. Большое значение в повышении эффективности работы речного транспорта имеет техническая эксплуатация флота; на нее приходится около 50% расходов, относимых на себестоимость перевозок грузов и пассажиров.

Объективно расширение внутренних водных перевозок можно рассматривать, как развитие транспортной системы страны согласно следующим тенденциям: ресурсосбережение; повышение надежности, безопасности и экологической чистоты; повышение производительности за счет роста грузоподъемности, вместимости, увеличения скорости перевозок, компьютеризации, механизации и автоматизации, а также снижения собственной массы транспортных средств; повышение «гибкости» и мобильности за счет максимальной унификации и стандартизации грузовых единиц (модулей), обеспечения их технологической совместимости; повышение качества транспортных услуг, в том числе, комфортности и безопасности пассажирских перевозок.

Тем не менее, потенциальные возможности внутренних водных перевозок используются крайне неэффективно. Несмотря на то, что в стране имеется огромная сеть естественных водных путей общей протяженностью около 2,5 млн. км, для регулярного судоходства используется около 5%.

Мероприятия по улучшению экологических характеристик дизелей обычно реализуются совместно с работами по повышению топливной экономичности и надежности и включают малотоксичные регулировки топливной аппаратуры (например, уменьшение угла опережения впрыска топлива), промежуточное охлаждение наддувочного воздуха, отключение части цилиндров на малых нагрузка: '', использование водо-топливных эмульсий и различных присадок к топливу (например, присадки «Продукт — 42»).

Снижение трудоемкости технического обслуживания и ремонта дизелей достигается повышением их надежности, эксплуатационной технологичности и приспособленности к проведению ремонтно-профилактических работ, а также совершенствованием системы технического обслуживания и ремонта (СТОиР) двигателей. Перспективы развития СТОиР дизелей связываются:

— на целевом уровне — с переходом от управления техническим состоянием двигателей к обеспечению необходимого уровня их эксплуатационной надежности;

— на организационном уровне — с переходом к стратегии технического обслуживания и ремонта по состоянию;

— на технологическом уровне — с адаптивной реализацией процессов обслуживания и ремонта в зависимости от конкретных условий функционирования двигателей.

Такое совершенствование СТОиР базируется на компьютеризации процессов анализа и принятия решений и развитых системах диагностирования дизелей.

Экономический эффект использования тепловой энергии топлива в целом для всего судна зависит не только от эффективного КПД главных двигателей, он определяется также затратами энергии на привод вспомогательного оборудования, систему теплоснабжения и т. п. Рациональное использование отходов тепла дизелей на судах может дать значительную экономию топлива, что позволит снизить себестоимость перевозки грузов.

1. Выбор и обоснование задач дипломного проекта

1.1 Анализ роли судов проекта Р18А в транспортном процессе

Темой настоящего дипломного проекта является модернизация энергетической установки буксирного теплохода проекта Р-18А, типа «БАЙКАЛ» (рис. 1. 1). Это большие буксиры класса «река-море» советской постройки 60-х гг. Однопалубный двухвинтовой буксир с удлиненным баком. Предназначен для буксировки плотов-сигар по озеру Байкал. Спроектирован ЦТКБ. Головное судно «Байкал» построено на судоверфи имени Ярославского в 1967 году. Краткая характеристика судна проекта Р18А приведена в табл.1.1 и 1.2.

Рис. 1.1 Буксирное судно проекта Р18А

Таблица 1. 1

Характеристики судна проекта Р18А

Параметры, единицы измерения

Численные значения

1

Класс

М

2

Размерения корпуса, м:

длина

ширина

41

9,0

3

Водоизмещение, т

541

4

Мощность, кВт

883

5

Осадка, м

3,1

6

Скорость, км/ч

с составом

порожнем

5

21

7

Тяговое усилие, кН

149

8

Число мест для экипажа

21

9

Автономность, сут.

10

10

Тип движителя

Гребной винт в насадке

11

Количество движителей

2

12

Диаметр винта, м

1,8

13

Шаг винта, м

1,52

14

Сухая масса СЭУ, т

48,0

15

Габариты машинного отделения, м:

длина

ширина

10

9

Таблица 1. 2

Характеристика основных элементов ЭУ судна проекта Р18А

Элементы ЭУ и их параметры, единицы измерения

Численные значения

1

ГЛАВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Количество

2

Марка

8НВД48АУ

Номинальная эффективная мощность, кВт

442

Номинальная частота вращения коленчатого вала, мин-1

330

Род топлива

Моторное; дизельное

Удельный эффективный расход, кг/ (кВтч):

топлива

масла

0,224

0,168

2

ГЛАВНАЯ ПЕРЕДАЧА МОЩНОСТИ

Тип

Прямая

3

СУДОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Количество дизель-генераторов

2

Марка дизель-генераторов

ДГ-100−3

Марка дизеля

6Ч18/22

Номинальная эффективная мощность, кВт

110

Номинальная частота вращения коленчатого вала, мин-1

750

Удельный эффективный расход топлива, кг/ (кВтч):

0,234

Удельный эффективный расход масла, кг/ (кВтч):

0,136

4

КОТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Марка автономного котла (тип)

КОАВ-200

Количество

1

Теплопроизводительность, кДж/ч

840 000

Расход топлива, кг/ч

21

Марка утилизационного котла (котел-глушитель)

КАУ-6

Количество

2

Теплопроизводительность, кДж/ч

302 400

1.2 Анализ технического уровня оборудования СЭУ

На основе данных табл.1.1 и 1.2 выполняется расчет показателей установки судна (табл.1. 3):

эффективной мощности главной ЭУ, судна проекта Р18А

,

где х и Ре — количество и номинальная эффективная мощность главного двигателя СЭУ судна в кВт;

энергооснащенности судна проекта Р18А

,

где Q — водоизмещение судна в полном грузу, т;

энергонасыщенности по отношению к:

длине машинного отделения (МО) судна проекта Р18А

где Рв — мощность вспомогательных двигателей СЭУ, кВт; Lмо — длина МО в м;

площади МО судна проекта Р18А

где Sмо — площадь МО в м2;

энергоемкости работы судна проекта Р18А

,

где Мп = 10 Rt = 10 149 = 1490 (Rt — тяговое усилие, кН); V — скорость судна с составом, км/ч;

удельной массы ЭУ судна проекта Р18А

,

где Gмо — сухая масса энергетической установки судна проекта Р18А (см. табл.1. 1), т;

КПД судового (пропульсивного) комплекса судна проекта Р18А

где be — удельные эффективные расходы главных двигателей судна проекта; п — КПД главной передачи судна проекта Р18А — прямой передачи п = 1,0; в — КПД валопровода, принимаем в = 0,98; пр — пропульсивный КПД, принимаем пр = 0,5;

Таблица 1. 3

Показатели энергетической установки судна проекта Р18А

п. п

Наименование показателя, единицы измерения

Численные значения

1

Эффективная мощность главной ЭУ, кВт

883

2

Энергооснащенность, кВт/т

1,634

3

Энергонасыщенность по отношению к:

длине МО, кВт/м;

площади МО, кВт/м2

110,4

12,3

4

Энергоемкость работы судна, кДж/ (ткм)

427,2

5

Удельная масса ЭУ, кг/кВт

54,3

6

КПД судового комплекса

0,1853

Поскольку заданием предусмотрено повышение энергетической эффективности ЭУ, то решать ее целесообразно в первую очередь за счет установки более совершенных главных двигателей, которые в первую очередь определяют эффективность СЭУ.

1.3 Анализ мероприятий, направленных на повышение энергетической эффективности СЭУ

Доля расходов на топливо в общих эксплуатационных затратах на судно составляет 25−30% и возрастает с увеличением грузоподъемности и скорости хода судна, агрегатной мощности главных и вспомогательных дизелей. Поэтому снижение расхода топлива является одной из главных задач, решаемых на этапах проектирования и эксплуатации теплоходов.

Экономичность каждого из элементов дизельной энергетической установки (ДЭУ) оценивается его КПД и в различной степени отражается на экономичности ДЭУ в целом.

Для транспортного судна, энергия, используемая по прямому назначению на перевозку, сохранение грузов и обслуживание пассажиров, относится к полезной, а энергия, затрачиваемая на обслуживание главных и вспомогательных дизелей, экипажа и судна в целом, — к потерям.

Современные ДЭУ оборудуются турбогенераторами, работающими на паре от утилизационного котла (УК), вакуумными водоопреснительными установками (ВОУ), использующими тепло воды, охлаждающей дизели, валогенераторами, гидроприводом вспомогательных механизмов (ВМ). При этом не только уменьшаются расходы топлива, масла, но повышается ресурс вспомогательных дизелей, котлов.

Экономичность ДЭУ во многом зависит от согласования режимов работы механизмов, их технического состояния, использования средств утилизации, рационального распределения расходов топлива на главные и вспомогательные потребители. Всё это отражается на КПД установки. Исходя из этого под КПД установки понимается отношение полезной энергии, потребляемой на транспортные расходы (перевозка, подготовка и сохранение груза, и обслуживание пассажиров), ко всей энергии, затрачиваемой на установку.

К возможным путям увеличения КПД установки относят повышение КПД главных двигателей и снижение потерь энергии в передаче. Однако экономичность главных дизелей оказывает решающее влияние на КПД установки, так как доля расхода топлива на этот потребитель является наибольшей. В то же время режим работы с максимальным КПД главных дизелей не обязательно соответствует максимуму КПД установки. При увеличении частоты вращения КПД установки растёт до тех пор, пока приращение доли расхода топлива на главные дизели преобладает над уменьшением эффективного КПД главного дизеля. Максимум КПД установки достигается при больших частотах вращения, чем максимум эффективного КПД главных дизелей.

При уменьшении частоты вращения КПД установки снижается быстрее эффективного КПД главных дизелей из-за уменьшения доли расхода топлива на главные дизели.

Решающим фактором повышения эффективного КПД главных дизелей являются:

дальнейшее форсирование дизелей на основе совершенствования систем газообмена и наддува и повышение КПД турбокомпрессоров;

использование конструкций, допускающих организацию рабочего цикла с высоким значением максимального давления сгорания Pz;

применение длинноходовых и сверхдлинноходовых дизелей с прямоточно-клапанной продувкой (отношение S/D = 2. 5−3. 85);

согласование эксплуатационных режимов с характеристикой удельного расхода топлива, be= f (n);

применение керамики и композитных материалов, ограничивающих теплообмен между газом и стенками цилиндра;

использование энергии выпускных газов в силовых турбинах комбинированных дизелей.

Дальнейшее повышение экономичности на 2 — 3% путём согласования эксплуатационных режимов с характеристикой ben является результатом совместного действия конструктивных и эксплуатационных факторов.

Одним из средств повышения КПД судовых дизелей и ДЭУ в целом, как отмечалось выше, является применение силовой турбины. При КПД турбокомпрессора та >0. 65 необходимые параметры наддува (давление и расход воздуха) можно получить, направляя в турбину не весь поток газов, а только его часть (90% и более). Остальной газ параллельным потоком отводится в силовую турбину, связанную через муфту и редуктор с валом дизеля. Соответствующая автоматика управляет газоперепускным клапаном и муфтой. При снижении мощности дизеля до 55% клапан закрывается, муфта отключается, и весь газ направляется в наддувочный турбокомпрессор. Таким образом, осуществляется своеобразное регулирование мощности турбокомпрессора, улучшение параметров наддува и экономичности дизеля во всём диапазоне эксплуатационных режимов.

Дальнейшее повышение КПД установок после мероприятий, связанных с увеличением КПД главных дизелей и передач, может быть осуществлено путём глубокой утилизации тепловых потерь и применяемых способов привода вспомогательных механизмов.

Утилизация тепловых потерь в главных, а в некоторых случаях и вспомогательных дизелей, позволяет существенно уменьшить расходы топлива на вспомогательные потребители. Часть энергии выпускных газов традиционно используется в утилизационных котлах для получения водяного пара. В зависимости от системы охлаждения газов и способа использования пара возможны различные схемы утилизации:

1) Пар от утилизационного котла во время хода направляется в систему подогрева топлива, воды, воздуха и на другие нужды, т. е. происходит замена вспомогательного котла утилизационным, в которых из-за ограниченной производительности срабатывается 1/3 — ½ часть располагаемой теплоты газов (в этом случае такие системы называют системами частичной утилизации).

2) Основная часть пара используется в утилизационной паротурбинной установке, работающей по циклу Ренкина (утилизационный турбогенератор вырабатывает электроэнергию, идущую на привод вспомогательных механизмов, освещение и другие потребители); в этом случае утилизационная установка во время хода полностью или частично замещает вспомогательные дизели и в связи с повышенной производительностью котлов утилизируется большая часть (2/3 — ¾) располагаемой теплоты газов и такие системы называются системами глубокой утилизации.

3) Излишки пара не сбрасываются в конденсатор, а в виде избыточной энергии на режимах полного хода (Nегд > 50%) передаются на винт. В этом случае совместная работа главного дизеля и утилизационного турбогенератора на винт осуществляется через механизм отбора избыточной мощности турбогенератора на редуктор главной передачи. При этом автоматически обеспечивается стабилизация частоты вращения генератора в рабочем диапазоне частот вращения главного дизеля. В такой схеме кроме утилизации части теплоты наддувочного воздуха, предусматривается возможность дополнительного отбора теплоты выпускных газов путём генерирования пара низкого давления, направленного в последнюю ступень турбины.

4) Утилизация энергии выпускных газов силовой турбины, работающей совместно с валогенератором главного дизеля на замещение вспомогательных дизелей. В высокоэкономичных судовых дизелях с низкой температурой газов за турбиной (220. 240°С) такая схема позволяет рационально сочетать простые схемы утилизации с высокой топливной экономичностью, низкой стоимостью, малыми затратами на обслуживание установки. В этом случае энергетический КПД установки повышается вследствие совместного воздействия на эффективный КПД главного дизеля и снижения расхода энергии на вспомогательное потребление.

Наиболее широкое распространение получила первая схема утилизации тепловых потерь. Но из-за малых расходов пара и отсутствия постоянных потребителей эффективность её ограничена, особенно при плавании в летнее время или в тропических районах.

Реализация схемы глубокой утилизации с валогенератором возможна при использовании высокофорсированных четырёхтактных дизелей, которые имеют повышенную температуру выпускных газов. При условии полного замещения вспомогательных дизелей и вспомогательных котлов избыточная мощность утилизационного турбогенератора на режимах полного хода (Nегд > 50%) может превышать потребности судна в электроэнергии в 2 — 3 раза.

В современных ДЭУ используются и схемы утилизации второй основной потери тепла главных дизелей — тепла охлаждающей воды.

Вода, вышедшая из дизелей, может использоваться как греющая среда в различных теплообменных аппаратах (подогревателей воды, топлива, масла), в испарителях котловой и питьевой воды, а иногда и для отопления. Однако достаточно широкое применение нашли пока только вакуумные водоопреснительные установки, которые дают возможность «срабатывать» значительный теплоперепад и достигать существенного экономического эффекта. Расчёты и опыт показывают целесообразность приготовления пресной воды в рейсе из забортной для увеличения грузоподъёмности судна и повышения КПД установки. Расход тепла на водоопреснительные установки для сухогрузного теплохода составляет 1. 7−2.8% расхода тепла на главный двигатель и возрастает до 2−3.4% для танкера в связи с большими расходами пресной воды на питание котлов.

Наиболее экономичными являются вакуумные водоопреснительные установки поверхностного типа. Расход электроэнергии на ВОУ такого типа составляет 4−6 кВт/ч на тонну дистиллята (для безповерхностных 12−15 кВт/ч). В качестве греющей среды используется охлаждающая вода главных дизелей с температурой 60 — 65 °C. Испарение забортной воды происходит при низкой температуре 30 — 40 °C и соответствующем давлении 0. 0043−0. 0075 МПа, что обеспечивает высокую надёжность и малое накипеобразование. Испаритель подключён параллельно к водоохладителю главного дизеля. Это даёт возможность поддержать оптимальные температуры воды в системе охлаждения независимо от режима работы испарителя и использовать его как резервное средство охлаждения пресной воды в случае выхода из строя основного водоохладителя. Возможна и последовательная схема включения. По выходе из испарителя температура пресной воды понижается на 5−15°С и возвращается в систему охлаждения дизеля за водоохладителем. Забортная вода подаётся в конденсатор испарителя из напорной магистрали забортной воды. Температура её по выходе из конденсатора повышается на 4 — 8 °C. Испаритель питается забортной водой от эжекторного насоса через измерительное устройство (ротаметр). Расход забортной воды, подаваемой в камеру испарения в 3 — 4 раза больше производительности испарителя. При нормальной работе испарителя содержание хлоридов не превышает 6 мг/л. Допускаемая температура забортной воды 28 — 30 °C.

На режиме полного хода в испаритель направляется часть охлаждающей пресной воды, так что используемое тепло составляет примерно ¼ располагаемого. Повышение КПД дизельной энергетической установки при использовании тепла охлаждающей воды в вакуумном испарителе оценивается условно исходя из предложения, что при его отключении такое же количество дистиллята получается в обычном испарителе, работающем на паре от вспомогательного котла.

К числу потерь энергии в ДЭУ относятся и потери в приводе вспомогательных механизмов (ВМ). В ДЭУ транспортных теплоходов подавляющее число ВМ, в том числе и обслуживающих главные дизели, имеют автономный привод от электродвигателей. В ДЭУ малой мощности часто применяют дизели с навешенными механизмами. Несмотря на ряд конструктивных и эксплуатационных достоинств, для автономного электрического привода характерны сравнительно низкий КПД. Потери в передаче, состоящие из потерь в генераторах, в сети и электродвигателях, составляют 20 — 35% от передаваемой мощности. Учитывая, что КПД вспомогательных дизелей ниже КПД главных, поэтому становится ясным проявление практического интереса к схемам привода механизмов от валогенераторов. Чаще всего использование валогенераторов отмечается в многомашинных ДЭУ с винтом регулируемого шага. Через муфту сцепления и повышающий редуктор они связываются с главной редукторной передачей и на режимах n=const полностью обеспечивают установку электроэнергией (коэффициент замещения вспомогательных дизелей Кп=1). Использование валогенератора даёт экономию топлива, соизмеримую с экономией, получаемой от утилизации тепла выпускных газов.

1.4 Постановка задач дипломного проекта

В современных условиях совершенствование СЭУ осуществляется по следующим основным направлениям:

повышение надежности и безопасности установок;

улучшением энергетической эффективности и экологической чистоты.

Предметом рассмотрения дипломного проекта является главным образом энергетическая эффективность СЭУ.

Для достижения поставленной цели предусматривается:

1. Замена Г Д на более совершенные с более низкими удельными расходами топлива;

2. Разработка систем, обеспечивающих работу ГД;

3. Разработка судового валопровода и его элементов;

4. Разработка вспомогательной энергетической установки;

5. Выполнение обоснования эксплуатационных режимов работы СЭУ;

6. Разработка комплексных мероприятий по повышению энергетической эффективности СЭУ;

7. Разработать технологический процесс монтажа ГД;

8. Разработать мероприятия по охране труда и безопасности жизнедеятельности;

9. Выполнить технико-экономическое обоснование проекта.

2. Модернизация судовой главной энергетической установки

2.1 Обоснование и выбор главных двигателей

Целью данного раздела является обоснование и выбор главных двигателей и выбор типа главной передачи.

Исходными данными при выборе главных двигателей являются: мощность главной энергетической установки (ЭУ) судна Ру; количество и частота вращения движителей nд.

Поскольку заданием предусмотрено повышение энергетической эффективности СЭУ, то мощность главной энергетической установки остается прежней, однако главные двигатели должны быть заменены на более совершенные. Количество главных двигателей следует принимать равным числу их судна, указанного в задании.

Развитие мирового дизелестроения выделило основные пути совершенствования дизелей: стабильный рост среднего эффективного давления, снижение расхода топлива, повышение надежности двигателей.

Теплоход проекта Р18А имеет силовую установку, состоящую из двух двигателей внутреннего сгорания марки 8НВД48АУ (8ЧРН32/48) мощностью 442 кВт каждый при 330 об/мин. Двигатели восьмицилиндровые, четырехтактные с наддувом. Один двигатель правого вращения, второй — левого. Управление двигателями централизованное, из рулевой рубки. Кроме того сохранена возможность управления главными двигателями из моторного отделения, не нарушая регулировки централизованного управления. Пуск двигателей — воздушный.

Двигатели 8НВД48АУ морально устарели. В качестве альтернативы этим двигателям можно рассмотреть применение двигателей фирмы ОАО «Коломенский завод» марки 6ЧНР30/38 мощностью 442 кВт при 330 об/мин, т.к. они приспособлены работать на тяжелом топливе и двигатели типа 6ЧНСП18/22−600 мощностью 530 кВт при 1000 об/мин. Оба двигателя уже устанавливались на некоторых речных судах.

Для обоснования марки главного двигателя необходимо выбранные двигатели сравнить с установленными на судне по комплексному параметру качества

К0 = а1 р / рмах + а2 mmin / m + а3 bmin / be + а4 bеmin / b + a5 г / гмах + a6 j / 1 + a7 cmin / c,

где К0 - комплексный параметр качества дизеля; р = Ре / (I s h) — удельная мощность дизеля, кВт/м3; Ре — номинальная эффективная мощность дизеля, кВт; I, s и h — длина, ширина и высота дизеля в м; рмах — максимальное значение удельной мощности среди рассматриваемых двигателей, кВт/м3; m = М / Ре — удельная масса дизеля, кг/кВт; М — масса дизеля, кг; mmin — минимальное значение удельной массы среди рассматриваемых двигателей, кг/кВт; be — удельный эффективный расход топлива дизеля, кг/ (кВтч); bеmin — минимальное значение удельного эффективного расхода топлива среди рассматриваемых двигателей, кг/ (кВтч); b — удельный эффективный расход масла дизеля, кг/ (кВтч); bmin — минимальное значение удельного эффективного расхода масла среди рассматриваемых двигателей, кг/ (кВтч); г — ресурс дизеля до капитального ремонта, тыс. ч; гмах — максимальное значение ресурса среди рассматриваемых двигателей, тыс. ч; j — условный показатель рода топлива, используемого дизелем (для тяжелого топлива j = 1, а для легкого (дизельного) — j = 0); c = 0,77 (Ре0,87 г0,48) / (be1,58 b0,23) — стоимость дизеля; cmin — минимальное значение стоимости среди рассматриваемых двигателей; а1 (i = 17) — коэффициенты весомости (а1 =1). При выборе двигателей для крупных транспортных судов можно принимать а1 = 0,1; а2 = 0,12; а3 = 0,24; а4 = 0,14; а5 = 0, 19; а6 = 0,14; а7 = 0,07. Сопоставление удобно производить в табличной форме, приведенной в табл.2.1.

Таблица 2. 1

Сопоставление параметров судовых дизелей

Наименование параметра,

Марка дизеля

единицы измерения

8НВД48АУ

6ЧНР30/38

6ЧНСП18/22−600

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Номинальная эффективная мощность, кВт

442

442

463

Ном. частота вращения коленчатого вала, мин-1

330

330

1000

Реверсивность

1

1

0

Род топлива

1

1

0

Удельный эффективный расход топлива, кг/ (кВтч)

0,224

0, 204

0,220

Удельный эффективный расход масла, кг/ (кВтч)

0,0017

0,0011

0,95

Ресурс до капитального ремонта, тыс. ч

36

75

50

Габаритные размеры, м: длина* ширина *высота

5,15×1,76х

2,16

4,2×1,6х

2,51

4, 19×1,09х

2,165

Масса, кг

19 045

17 000

6650

РАСЧЕТНЫЕ ДАННЫЕ

Удельная мощность, кВт/м3

22,58

31,03

46,83

Удельная масса, кг/кВт

43,09

28,81

14,36

Стоимость

39 686,1

78 552,1

56 904,6

ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ:

Удельная мощность, а1 р / рмах

0,048

0,066

0,100

Удельная масса, а2 mmin / m

0,040

0,060

0,120

Удельный расход топлива, а3 bmin / be

0,219

0,240

0,223

Удельный расход масла, а4 bеmin / b

0,078

0,121

0,140

Ресурс, a5 г / гмах

0,091

0, 190

0,127

Род топлива

1

1

0

Стоимость, a7 cmin / c

0,070

0,035

0,049

КОМПЛЕКСНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ КАЧЕСТВА

0,608

0,731

0,618

Тип главной передачи

Прямая

Прямая

Реверс-редуктор

КПД СУДОВОГО КОМПЛЕКСА

0,1853

0, 2035

0,1830

1. Реверсивному дизелю присваивается 1, а нереверсивному — 0.

2. Для дизеля, работающего на моторном и дизельном топливе, присваивается 1, а только на дизельном топливе — 0.

В качестве главного двигателя судна следует выбирать дизель, имеющий наибольшее значение комплексного параметра. При равных значениях К0 предпочтение отдается дизелю, который в составе главной ЭУ имеет больший КПД судового комплекса ск. На основе анализа данных табл.2.1 выбираем двигатель 6ЧНР30/38, так как в этом случае получаем большее значение К0 = 0,731 и большое значение ск = 0, 2035.

При изменении скорости движения судна (увеличение или уменьшение мощности главного двигателя) необходимо новую мощность согласовать с работой гребного винта, т. е. определить основные его элементы. В рассматриваемом проекте мощность двигателя, диаметр винта и обороты гребного вала остаются неизменными. Поэтому согласование производить не нужно.

2.2 Разработка принципиальной схемы валопровода

Судовой валопровод является одним из основных элементов СЭУ и служит для передачи механической энергии от ГД к движителю, а также передачи развиваемого движителем упора корпусу судна. Нарушение работоспособности валопровода приводит к снижению скорости хода судна или полной потере хода. Ремонты валопровода в большинстве случаев требуют вывода судна из эксплуатации и постановки его в док. В связи с этим к надежности валопровода предъявляются особо высокие требования.

В разрабатываемой установке применена прямая передача. Валопроводы имеют уклон 052' по отношению к основной линии и идут параллельно диаметральной плоскости. Каждый движительный комплекс состоит (рис. 2. 1) из гребного вала 8 защищенного кожухом 4, ленточного тормоза 11, дейдвудной трубы 7 с уплотнением 6 дейдвуда в водонепроницаемой переборке 5, кормовой опоры 3 гребного вала, гребного винта 2 с обтекателем 1, кормового опорного роликового подшипника 9, опорного шарикового подшипника 15 проставочного вала 16 присоединенного к маховику двигателя, упорного шарикового подшипника 12, и упорного вала 13, а также эластичной муфты 14. Гребной и упорный валы соединены с помощью конической муфтой 10.

При расположении винта на консоли длиной l2 в м

l2 = (1,6ч3,3) dг + (2,5ч3) dг / 2 = 2 0,175 + 2,5 0,175/2 = 0,57 м.

Рис. 2.1 Схема валопровода

Длина дейдвудного пролета l1 в м

,

где dг — диаметр гребного вала, м, предварительно принимаем dг = 0,175 м;

л — коэффициент, принимаемый л = 14 т.к. n? 500 мин — 1,n — номинальная частота вращения гребного вала (с учетом того, что передача прямая), мин-1, n = 330 мин-1.

Принимаем длину дейдвудного пролета вала l1

м.

По Правилам Регистра валы судовых валопроводов должны изготовляться из стальных поковок с временным сопротивлением 430−690 МПа. В качестве материала для валов можно использовать сталь Ст5 с временным сопротивлением в — 500 600 МПа и пределом текучести дт = 260 290 МПа. Выбираем сталь Ст5.

Диаметры валов для СЭУ с четырехтактными главными двигателями должны быть не менее в мм:

промежуточного dпр и упорного dу для судов классов «М» и «О»

dу = dпр = 24,7 [ (Рпр (1+0,4 km) / nпр] 1/3 = 24,7 [ (442 (1 + 0,41,15) / 5,5] 1/3 = 143 мм;

упорного в районе гребня

dу` = 1,1 dпр = 1,1 143 = 157 мм;

гребного dг

dг = 1,1 dпр + kг Dв = 1,1 143 + 7 1,86 = 174 мм,

где Рпр — номинальная мощность, передаваемая промежуточным валом, кВт;

km — коэффициент, учитывающий неравномерность крутящего момента и принимаемый равным для 6 цилиндровых четырехтактных ДВС 1,15, для 8 цилиндровых — 1,0, принимаем km = 1,4;

nпр — номинальная частота вращения промежуточного вала, с-1, принимаем равной частоте вращения главного двигателя с учетом передаточного числа редуктора, т.к. реверс-редукторная передача nпр = 330/60 = 5,5 с-1;

kг — коэффициент, принимаемый равным для валов без облицовки 10, с облицовкой 7, принимаем вал с облицовкой, следовательно kг = 7;

Dв — диаметр гребного винта, м, Dв = 1,86 м.

Найденные диаметры валов округляются в большую сторону до значений, оканчивающихся на 5 или на 0. Поэтому окончательно принимаем dу = 145 мм; dу` = 160 мм; гребного dг = 175 мм.

2.3 Расчет на прочность основных элементов валопровода

Расчет валов на прочность выполняется по приведенным напряжениям п с помощью следующей формулы:

п = (02 + 3к2) ½ тэ,

где о = сж + и +30 — наибольшие нормальные напряжения сжатия, МПа;

сж = 0,001 N/ dв2 — напряжение сжатия от упора движителя, МПа;

и = 0,01 Миз / dв3 — наибольшее напряжение при изгибе, МПа;

к = 0,0008 Рв / (nв dв3) — напряжения кручения, МПа;

кэ — запас прочности, принимаемый равным для промежуточного вала 2,8, а для гребного — 3,15;

N = 0,85 Рен зп зв зпр / V = 0,85 442 1,0 0,98 0,5/1,39 = 143 — упор движителя, кН;

Рен - номинальная мощность главного двигателя, кВт, Рен = 442 кВт;

Рв — номинальная мощность, передаваемая валом, кВт, Рв = 442 кВт;

nв — номинальная частота вращения вала, с-1, nв = 330/60 = 5,5 с-1;

dв — диаметр рассчитываемого вала, м;

V — скорость судна, м/с, V = 5/3,6 = 1,39 м/с;

Миз = l2 (0,42 Dв3 + 30 l2 dг2) = 0,57 (0,42 1,863 + 30 0,57 0,1752) = 0,71 —

максимальный изгибающий момент на гребном вале в кНм при расположении винта на консоли длиной l2 в м.

Производим расчет гребного вала диаметром dг = dв = 0,175 м, для него

п = (02 + 3к2) ½ = (36,02 + 3 13,22) ½ = 42,6 260 / 3,15 = 82,54,где о = сж + и +30 = 4,7 + 1,3 + 30 = 36,0 МПа;

сж = 0,001 N/ dв2 = 0,001 143/ 0,1752 = 4,7 МПа;

и = 0,01 Миз / dв3 = 0,01 0,71/0,1753 = 1,3 МПа;

к = 0,0008 Рв / (nв dв3) = 0,0008 442/ (5,5 0,1753) = 13,2 МПа;

кэ — запас прочности, для гребного — 3,15.

Условие прочности для гребного вала выполняется.

Производим расчет промежуточного вала диаметром dу = dв = 0,145 м, для него

п = (02 + 3к2) ½ = (39,12 + 3 23,22) ½ = 56,1 260 / 2,8 = 93, где о = сж + и +30 = 6,8 + 2,3 + 30 = 39,1 МПа;

сж = 0,001 N/ dв2 = 0,001 143/ 0,1452 = 6,8 МПа;

и = 0,01 Миз / dв3 = 0,01 0,71/0,1453 = 2,3 МПа;

к = 0,0008 Рв / (nв dв3) = 0,0008 442/ (5,5 0,1453) = 23,2 МПа;

кэ — запас прочности, для промежуточного — 2,8.

Условие прочности для промежуточного вала выполняется.

Необходимый запас по критической частоте вращения гребного вала обеспечивается, если

123 000 (1 — 3,3 l23/l13) (1+0,014 Dв / l2 dг 2)] dг / (l12 nг) =

= 123 000 (1 — 3,3 0,57 3/4,183) (1+0,014 1,86/0,57 0,175 2)] 0,175/ (4,182 330) = 72,6 1,2,

где l2 и l1 - длина дейдвудного пролета и консоли гребного вала, м;

nг - номинальная частота вращения гребного вала, мин-1.

Необходимый запас по критической частоте обеспечен.

Проверке гребного вала на продольную устойчивость подлежат валы, у которых

lмах? 20 dг = 20 0,175 = 3,5 м,

где lмах — максимальная длина дейдвудного пролета вала, м, выше определено lмах = l1 = 4,18 м.

Проверка необходима.

Для таких валов необходимый запас по продольной устойчивости обеспечивается, если

104 500 000 dг4/lмах2 = 104 500 000 0,1754/4,182 = 5600 2,75N = 2,75 143 = 393.

Условие продольной устойчивости соблюдается.

2.4 Разработка рекомендаций по использованию СГЭУ

В п. 2.1 дипломного проекта была обоснована замена главных двигателей 8НВД48 мощностью 442 кВт при 330 мин-1 на двигатели 6ЧНР30/38 мощностью 486 кВт при 330 мин-1.

Для обоснования области эксплуатационных режимов работы главных двигателей 6ЧНР30/38 выполняем расчет ограничительных характеристик главных двигателей (табл.2. 2).

Таблица 2. 2

Расчет координат ограничительных характеристик судовых дизелей

Наименование параметра, единица измерения

Численное значение

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Марка дизеля

6ЧНР30/38

Номинальная эффективная мощность Рен, кВт

486

Ном. частота вращения коленчатого вала nе, мин-1

330

Механический КПД на номинальном режиме

0,92

РАСЧЕТНЫЕ ДАННЫЕ

Доля ном. частоты вращения коленчатого вала

1,0

0,9

0,8

0,6

0,4

0,3

Дол. частота вращения коленчатого вала n, мин-1

330

297

264

198

132

99

Адаптивная поправка к КПД

0

0,05

0,06

0,07

0,15

0,2

КООРДИНАТЫ ОГРАНИЧИТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК:

Внешней номинальной мощности Рв

486

463

419

323

235

186

По тепловой напряженности (= const) P

486

421

356

227

97

32

По механической напряженности (Мкр = const) Pм

486

437

389

292

194

146

КООРДИНАТЫ ВИНТОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК:

Облегченной Ро

389

283

199

84

25

10

Нормальной Рн

486

354

249

105

31

13

Швартовой Рш

1485

1083

760

321

95

40

Координаты характеристик определяем с помощью следующих зависимостей:

внешней номинальной мощности

ограничительной по тепловой напряженности

ограничительной по механической напряженности

винтовой облегченной

винтовой нормальной и винтовой швартовой

где Р0,6 — значение координаты внешней характеристики номинальной мощности при n = 0,6ne.

Для обоснования возможных режимов работы главных двигателей в эксплуатации по рассчитанным координатам строим ограничительные и винтовые характеристики, рис. 2.2.

Рис. 2.2 Обобщенные характеристики главного двигателя 6ЧНР30/38

Совмещение характеристик позволяет установить область эксплуатационных режимов работы главных двигателей, которая для двигателя 6ЧНР30/38, как двигателя с наддувом, ограничивается: сверху: часть линий швартовой характеристики и ограничительной по тепловой напряженности (= const); справа: линией номинальной частоты вращения коленчатого вала;

снизу: линией облегченной винтовой характеристики; слева: линией минимально-устойчивой частоты вращения коленчатого вала (обычно 0,3 nе).

Для выбора рационального режима работы главных двигателей выполняем расчет изменения их параметров при работе главных двигателей СЭУ по винтовой характеристике (табл.2. 3).

Таблица 2. 3

Расчет параметров главных двигателей по винтовой характеристике

Наименование параметра, единица измерения

Численное значение

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Марка дизеля

6ЧНР30/38

Номинальная эффективная мощность Рен, кВт

486

Ном. частота вращения коленчатого вала nе, мин-1

330

Удельный эф. расход топлива be, кг/ (кВтч)

0, 204

Низшая уд. теплота сгорания топлива Qн, кДж/кг

42 500

Механический КПД на номинальном режиме

0,92

Внутренний диаметр цилиндра D, м

0,30

Ход поршня S, м

0,38

Число цилиндров z

6

Тактность т

2

РАСЧЕТНЫЕ ДАННЫЕ

Доля ном. Частоты вращения коленчатого вала

1,0

0,9

0,8

0,6

0,4

0,3

Дол. частота вращения коленчатого вала n, мин-1

330

297

264

198

132

99

Адаптивная поправка к КПД

0

0,05

0,06

0,07

0,16

0,2

Мощность двигателя на режиме Рд, кВт

486

354

249

105

31

13

Эффективный КПД на режиме д

0,415

0,432

0,432

0,422

0,426

0,420

Удельный эф. расход топлива b, кг/ (кВтч)

0, 204

0, 196

0, 196

0, 199

0, 202

0, 202

Часовой расход топлива Вд, кг/ч

99,1

69,4

48,8

21,1

6,2

2,6

Среднее эффективное давление Рм, МПа

1,645

1,332

1,053

0,592

0,263

0,148

Показатели главных двигателей на долевых режимах определяем с помощью зависимостей:

долевая мощность

эффективный КПД на режиме

удельный расход топлива на режиме

часовой расход топлива

среднее эффективное давление на режиме

По результатам расчетов строим графики изменения показателей главных двигателей при их работе по винтовой характеристике, рис. 2.3.

Рис. 2.3 Изменение параметров главного двигателя при работе по винтовой характеристике

По графику на рис. 2.3 находим наиболее экономичный режим работы двигателей (bед = bедmin = 0, 196 кг/ (кВтч)) и графически определяем значения параметров на этом режиме: Рм = 1,33 МПа; Вд = 69,4 кг/ч; д = 0,437; Рд = 354 кВт.

3. Модернизация судовой вспомогательной энергетической установки

3.1 Расчет судовой электростанции

Судовая электростанция генерирует электроэнергию необходимых параметров и распределяет ее между судовыми потребителями в соответствии с режимами работы судна. Она должна обеспечивать бесперебойное снабжение электроэнергией высокого качества всех ответственных потребителей на всех режимах работы судна и удовлетворять требованиям простоты, удобства обслуживания, высокой надежности при минимально возможных начальной стоимости, массе, габаритах и эксплуатационных затратах.

Расчет мощности судовой электростанции производят в следующей последовательности:

· Выбирают в соответствии с Правилами Регистра [6] род тока и напряжение.

Они могут быть с одной стороны едиными для всей электростанции, но с другой различными для отдельных групп потребителей.

· Делят всех потребителей электроэнергии по назначению: палубные механизмы (рулевая машина, брашпиль, шпиль и др.), механизмы обслуживающие машинное отделение (компрессоры, масляный насос, насос топливный, вентиляторы и др.), а так же общесудовые механизмы (насос осушительный, пожарный, насос заборной воды, сигнализация и связь и др.).

· Составляют таблицу загрузки электростанции, в которой указываются все потребители. Согласно Правилам Регистра основными режимами работы судна являются: ходовой, стоянка в порту, маневровый режим (снятие с якоря), аварийный (возникновение пожара, получение судном пробоины). Кроме того, для отдельных судов могут быть введены дополнительные режимы.

· На основании таблицы загрузки выбирается количество и мощность электрогенераторов.

В соответствии с Правилами Регистра в качестве основного тока принимаем переменный ток, со следующими характеристиками: напряжением 230 В и частотой 50 Гц.

При расчете нагрузки судовой электростанции вначале считаем номинальную мощность потребителя, Pn, кВт, которая выражается из формулы коэффициента использования мощности электродвигателей потребителей:

kи = Pn / Pd,

где Pn и Pd - номинальные мощности потребителя и его электродвигателя, кВт, задаваясь коэффициентом использования kи = 0,85 ч 1, и зная мощность электродвигателя потребителя Pd, можем найти номинальную мощность потребителя, Pn, кВт, по следующей формуле:

Pn = kи · Pd

Далее считаем потребляемую мощность, кВт:

Активную

?P = kи · Pd · ny / зd

Реактивную

?Q = Pd · ny · tgц / зd

Выбирая коэффициент загрузки kз считаем потребную мощность на режиме, квар:

активную

Pреж = kо · kз · kи · Pd · ny / зd,

где kо - коэффициент одновременности работы потребителей, считается по формуле:

kо = n / ny,

где n и ny - количество одноименных потребителей, работающих на режиме и установленных на судне.

реактивную

Qреж = kо · Pd · ny · tgц / зd

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой