Расчет систем энергетической установки

 

Для обеспечения нормальной работы двигатели (главные и вспомогательные) и котельная установка оборудуются системами: топливной, масляной, водяного охлаждения, сжатого воздуха и газовыпуска. Каждая система может быть подразделена на две части: непосредственно связанную с двигателями и судовую.

В пояснительной записке по каждой системе следует привести принципиальную схему и дать краткое описание с указанием назначения, состава, параметров оборудования и механизмов систем в соответствии с требованиями Речного Регистра РФ [7] и данных, имеющихся в учебниках
[1-3]. Расчет элементов систем должен быть выполнен для судовых частей топливной и масляной систем, систем водяного охлаждения, сжатого воздуха и газовыпуска ГСЭУ. Целью этого раздела является оценка возможности использования при модернизации штатного оборудования или обоснование необходимости его замены с определением марки нового оборудования и его основных характеристик. Соответствующие выводы должны быть сделаны по каждой системе.

Топливная система предназначена для приема, перекачивания, хранения, подготовки к использованию (очистки, подогрева высоковязкого топлива) и транспортировки топлива к потребителям. Она состоит из системы топливоподготовки и системы топливоподачи, которая обслуживает двигатель непосредственно. Система топливоподготовки состоит из цистерн, топливоперекачивающих насосов, оборудования для подготовки топлива к использованию (фильтров, сепараторов, подогревателей) и систем трубопроводов с арматурой и контрольно-измерительными приборами (КИП).

При использовании на судах тяжелого (моторного) топлива [13] применяется двухтопливная система. Пуск дизеля из холодного состояния осуществляется на дизельном топливе с переключением на тяжелое топливо после прогрева двигателя. При работе главных двигателей на двух сортах топлива (дизельном и тяжелом) принимаются меры против смешивания тяжелого топлива с дизельным топливом для вспомогательных двигателей. Для удаления паровоздушных включений из трубопроводов подачи подогретого тяжелого топлива к насосам высокого давления установливатся деаэрационные устройства. В системах тяжелого топлива рекомендуется предусматривать установку автоматизированных фильтров. При наличии расходомеров последние не должны прерывать работу двигателя в случае их регулировки или выхода из строя. Подвод топлива к дизель-генераторам, предназначенным для использования в качестве аварийных, осуществляется от автономной расходной цистерны, расположенной в помещении аварийного дизель-генератора. Расход топлива из этой цистерны для других целей не допускается.

Расходные топливные цистерны, предназначенные для непосредственного питания главных двигателей в машинных помещениях без постоянной вахты, имеют устройство, подающее оптический и звуковой сигнал в рулевую рубку по допускаемому низшему уровню топлива в цистернах, или автоматическое наполнение расходной топливной цистерны. Для удаления воды в расходных и отстойных цистернах должны предусматриваться клапаны самозапорного типа и трубопроводы к сточным цистернам. На сточных трубопроводах устанавливаются смотровые стекла. При наличии поддонов вместо стёкол допускается применение открытых воронок.

Вместимость цистерн в м³ определяется:

- запасных:

в случае, если все потребители работают на одном сорте топлива V_эт=1,1(a_x· x· b_e· P_e+x_b· b_eb· P_eb+a_к· х_к· В_к)τ_а/ρ_т;

- в случае, если главный двигатель и вспомогательный котёл работают на моторном топливе, дизель-генератор на дизельном топливе:

запасная цистерна моторного топлива

V_эт=1,1((0,8÷0,85)a_x· x· b_e· P_e+ a_к· х_к· В_к)· τ_а/ρ_т;

запасная цистерна дизельного топлива

V_эт=1,1((0,15÷0,2) · a_x· x· b_e· P_e +x_b· b_eb· P_eb) τ_а/ρ_т;

- в случае, если главный двигатель и дизель-генератор работают на дизельном топливе, а вспомогательный котёл на моторном топливе

запасная цистерна дизельного топлива

V_эт=1,1(a_x· x· b_e· P_e+x_b· b_eb· P_eb) ·τ_а/ρ_т;

запасная цистерна моторного топлива V_эт=1,1a_к· х_к· В_к· τ_а/ρ_т;

- расходных (расходно-отстойных) для главных двигателей:

дизельного топлива V_рт=1,1· 8· x· b_e· P_e/ρ_т,

тяжелого топлива V_рт=1,1· 12· x· b_e· P_e/ρ_т;

- расходных для вспомогательных двигателей

V_рт=1,1· 4· x_bк· b_eb· P_ebВ_к/ρ_т;

- расходных для вспомогательных автономных котлов

V_рт=1,1· 4· x_b· b_eb· P_eb/ρ_т;

- [C3] сточной

V_ст=(0,06÷0,12) · ΣР/1000;

- аварийного запаса топлива

V_ат=1,1· 24· x· b_e· P_e/ρ_т,

где x, x_b и х_к – количество главных двигателей, вспомогательных двигателей и автономных котлов;

P_e, P_eb и ΣР – номинальные эффективные мощности главного двигателя, вспомогательного двигателя и суммарная мощность всех дизелей СЭУ, кВт;

b_e и b_eb – удельные эффективные расходы топлива главного и вспомогательного двигателей, кг/(кВт· ч);

В_к - расход топлива автономного котла, кг/ч;

1,1 – коэффициент, учитывающий "мертвый" запас топлива;

8, 12, 4,и 24 - регламентируемая продолжительность потребления топлива из соответствующих цистерн, ч;

a_x – коэффициент ходового времени, принимаемый равным для пассажирских судов – 0,62, сухогрузных – 0,6, буксиров и толкачей – 0,65 и танкеров – 0,5;

a_к – коэффициент использования автономного котла, принимаемый равным 0,2...0,3;

τ_а – продолжительность автономного плавания, ч;

ρ_т – плотность топлива, принимаемая равной для дизельного топлива – 860 кг/м³, моторного – 930 кг/м³, моторного MDF – 910 кг/м³, моторного HFO – 990 кг/м³.

В случае, если для главных двигателей и автономных котлов используется высоковязкое моторное топливо, то запас можно принять равным 85% запаса топлива для главных двигателей и 100%, запаса топлива для автономных котлов. Остальное (15% запаса топлива для главных двигателей и 100% – для вспомогательных двигателей) – дизельное топливо.

Для перекачки топлива из запасных цистерн в расходные должны быть предусмотрены топливоперекачивающий насос с механическим приводом и резервный ручной насос. При наличии сепаратора топлива в качестве резервного изредка используется насос сепаратора. На судах с суточным расходом топлива менее 1т допускается устанавливать один ручной насос. Топливоперекачивающие насосы, а также насосы сепараторов, кроме местного управления должны иметь средства для их остановки из всегда доступных мест вне помещений, в которых они установлены.

В соответствии с требованиями Правил Речного Регистра РФ [7] подача Q_нт насоса для перекачивания топлива из запасных цистерн в расходные определяется:

Q_нт=V_рт/τ, м³/ч

где V_рт – вместимость расходной (расходно-отстойной) цистерны, м³;

τ = 0,5÷1,0 ч – время ее заполнения.

Расчёт и выбор марки перекачивающего насоса необходимо осуществлять для каждой системы перекачки топлива для главного двигателя и, вспомогательного двигателя и котла отдельно (приложение 1417).

Для выбора марки насоса необходимо определить мощность достаточную для обеспечения подачи Q_нт по формуле [1]:

N_нас=k_з· Q_нт· p_н/(3600· η_нас)

где k_з – коэффициент запаса мощности (для насосов мощностью не более

4 кВт k_з=1,2÷1,5, а для остальных k_з=1,1÷1,15);

p_н= (2,5÷5) · 100кПа – напор топливоперекачивающих насосов;

η_нас – коэффициент полезного действия насоса, который выбирается в пределах 0,38÷0,75 для шестерённых, 0,6÷0,85 – для винтовых насосов.

Производительность сепаратора Q_ст в м³/ч определяется из условия очистки суточной потребности топлива за 8-12 ч.:

Плотности топлив (ρ_т1 , ρ_т2) в этой формуле могут быть различными в зависимости от того, на каком топливе работают главные и вспомогательные двигатели.

Поверхность теплопередачи подогревателя топлива в м² определяется:

где x_к – количество автономных котлов;

k_тп=0,14÷1,304 кВт/(м²·к) – общий коэффициент теплопередачи от воды к топливу;

Δt_тпср=[(Δt_вт’- Δt_вт’’)]/2,3·lg(Δt_вт’/Δt_вт’’) – среднелогарифмическая разность температур для противоточных топливоподогревателей, °С;

Δt_вт’ и Δt_вт’’ – разность температур горячей воды и топлива на входе и выходе из подогревателя;

С_т – теплоемкость топлива (1,8÷2 кДж/кг·К);

δt_тп – требуемое повышение температуры топлива составляет примерно 10°С.

Понижение температуры воды в топливоподогревателе находится в

пределах 5÷20°С.

Масляная система предназначена для приема, хранения, очистки и подачи масла к потребителям. Масляные системы судовых энергетичесих установок состоят из следующих, по существу, независимых систем:

- смазочной и охлаждения трущихся деталей главных и вспомогательных дизелей;

-смазки редукторных и реверс-редукторных передач;

-гидропередач;

-компрессоров, сепараторов и прочего оборудования.

В состав каждой масляной системы входят: цистерны, маслоперекачивающие насосы, оборудование для очистки (фильтры, сепараторы), подогреватели и система трубопроводов с арматурой и КИП. Каждый двигатель должен иметь независимую масляную систему. Вместимость цистерн в м³ определяется:

- запасных

V_ам=[1,1(x·а_х·С_cir·P_e+x_b·C_cirb·P_eb)τ_a+a_м·ΣP]/ρ_м,

- циркуляционных (маслосборников)

для тихоходных дизелей (частота вращения коленчатого вала не более 800 об/мин) V_цм=(8,5÷13,6)Р_е·10^-4;

- циркуляционных (маслосборников)

для быстроходных дизелей V_цм=(5,5÷6,8)Р_е·10^-4;

- расходных (или сепарированного масла)

Р_рмV_рм=(1,1÷1,5)V_цм;

- сточных и отстойных

Р_рcoм=1,1(ΣV_цмг+ΣV_цмв);

где С_cir и C_cirb - удельные эффективные расходы масла главного и вспомогательного двигателей, кг/(кВт·ч);

a_м – удельная масса масла в сточных цистернах или картерах двигателей, принимаемая равной для тихоходных дизелей 2,7 кг/кВт, быстроходных – 2,95 кг/кВт;

ρ_м – плотность масла, принимаемая равной 900 кг/м³;

ΣV_цмг и ΣV_цмв – суммарная вместимость маслосборников или картеров главных и вспомогательных двигателей, м³.

При одном двигателе мощностью 220 кВт и более должно быть установлено не менее двух масляных насосов – основного и резервного, один из которых может иметь привод от двигателя. Подача резервного насоса должна быть не менее подачи основного насоса. При наличии двух и более главных двигателей резервный масляный насос не требуется.

Подача резервного циркуляционного насоса в м³/ч определяется:

Q_нц=(1,2÷1,6)а_тм·b_e·P_e·Q_н/(С_м·ρ_м·Δt_м)

Циркуляционные насосы применяются для главных двигателей, имеющих систему смазки “с мокрым картером”, используемых, как правило, на речных судах, поэтому расчет подачи циркуляционого насоса надо производить, если двигатель имеет данную систему смазки.

Подача маслоперекачивающего (для заполнения расходных цистерн) насоса определяется:

Q_мп=V_рм/τ,

где а_тм – доля теплоты, отводимая маслом, принимаемая равной для тихоходных дизелей 0,05÷0,07, быстроходных – 0,07÷0,08;

С_м – теплоемкость масла, принимаемая равной 2÷2,2 кДж/(кг·К);

Δt_м – разность температур масла на входе и выходе из дизеля, принимаемая равной 6÷12°С.

Расчёт и выбор марки перекачивающего насоса необходимо осуществлять для каждой системы подачи масла для главного двигателя, вспомогательного двигателя и котла отдельно (приложение 1418). Расчёт мощности насоса производится по формуле, представленной в разделе топливной системы. Напор насоса выбирается в пределах: p_н=(2÷3)·100кПа для дизелей с частотой вращения, не превышающей 300 об/мин; p_н=(3÷5)·100кПа для дизелей с частотой вращения 300-1000 об/мин; p_н=(4÷12)·100кПа для дизелей с частотой вращения, превышающей 1000 об/мин. Коэффициент полезного действия насоса выбирается в пределах 0,7÷0,75.

Производительность сепаратора Q_см в м³/ч определяется из условия обеспечения необходимой кратности очистки масла

Q_см=(l,5÷3,5)ΣV_цм/τ_с,

где 1,5÷3,5 – кратность очистки масла (большие значения для тихоходных дизелей);

ΣV_цм – суммарная вместимость маслосборников главных и вспомогательных двигателей, м³;

τ_с – время работы сепаратора в сутки, равное 8÷12 ч.

 

Система водяного охлаждения предназначена для отвода теплоты от втулок цилиндров, крышек цилиндров, смазочного масла, газовыпускного коллектора у крупных дизелей без наддува и других механизмов энергетической установки. В дизельных установках система водяного охлаждения, как правило, двухконтурная. Вода внутреннего контура охлаждает двигатели, а в открытом внешнем контуре через водяной и масляный охладители (холодильники) прокачивается забортная вода. Циркуляция воды в системе охлаждения осуществляется обычно центробежными насосами. Поршневые насосы могут использоваться для работы в системе забортной воды.

На судах классов "М" и "О" с одновальной установкой [13] предусматривается один насос с независимым приводом достаточной подачи для резервирования работы насосов внешнего и внутреннего контуров, при мощности установки менее 220 кВт резервный насос допускается не устанавливать. Допускается охлаждать несколько двигателей одним насосом с независимым приводом. Подача насоса в этом случае должна быть достаточной для одновременного охлаждения всех двигателей при их работе с максимальной нагрузкой. Если каждый из вспомогательных двигателей имеет самостоятельный насос водяного охлаждения, то резервные насосы не требуются. Если для группы вспомогательных двигателей предусматривается общая система охлаждения, достаточно иметь один резервный насос для внутреннего и внешнего контуров.

Подача насосов в м³/чопределяется:

- внутреннего контура

Q_вв=(l,2÷1,3)а_тв·b_e·P_e·Q_н/(С_в·ρ_в·Δt_в),

- внешнего контура

Q_ва=(l,4÷1,5)(а_тв+а_тм)b_e·P_e·Q_н/(С_а·ρ_а·Δt_а),

где а_тв – доля теплоты, отводимая водой, принимаемая равной для тихоходных дизелей с наддувом 0,12÷0,17, быстроходных - 0,15÷0,20;

С_в и С_а – теплоемкости пресной воды внутреннего контура и забортной воды внешнего контура, равные 4,19 и 3,98 кДж/(кг·К) соответственно;

ρ_в и ρ_а – плотности воды внутреннего контура и забортной воды, равные 1000 и 1020 кг/мг соответственно;

Δt_в и Δt_а – разности температур воды во внутреннем контуре на выходе и входе в дизель и во внешнем контуре на выходе и входе в холодильник, принимаемые равными 10÷12°С и 15÷25°С соответственно.

В целях унификации обычно принимают Q_вв=Q_ва.

Расчёт и выбор марки насоса проводится для систем внешнего контура для главного и вспомогательного двигателя. Насосы внутреннего контура поставляются вместе с двигателем, так как крепятся на его корпус и приводятся в движение от коленчатого вала. Расчёт мощности насоса производится по формуле, представленной в разделе топливной системы. Напор насоса выбирается в пределах p_н=(2÷3)·100кПа. Коэффициент полезного действия центробежного насоса выбирается в пределах 0,35÷0,75.

Поверхность охлаждения в м² водяного холодильника:

F_xв=а_тв·b_e·P_e·Q_н/(3600k_тв·Δt_вср),

где k_тв – общий.коэффициент теплопередачи от воды к воде, равный для трубчатых холодильников 0,58÷0,82 кВт/(м²·К), пластинчатых 1,00÷1,16 кВт/(м²·К);

Δt_вср=[(t_в’-t_a’)-(t_в’’-t_a’’)]/2,3*lg[(t_в’-t_a’)/(t_в’’-t_a’’)] – среднелогарифмическая разность температур для противоточных холодильников, ⁰C;

t_в’ и t_в’’ – температуры воды во внутреннем контуре на выходе из дизеля и холодильника, принимаемые равными 75÷90°С и 65÷80°С соответственно;

t_a’ и t_a’’ – температуры забортной воды на входе и выходе из водяного холодильника, принимаемые равными 30÷32°С и 45÷50°С соответственно.

 

Система сжатого воздуха предназначена для обеспечения пуска главных и вспомогательных двигателей, подачи звукового сигнала, подпитки пневмоцистерн и работы пневматических систем автоматического регулирования и управления. В ее состав входят компрессоры, пусковые и тифонные баллоны, баллоны для технологических и хозяйственных нужд и систе­ма трубопроводов с арматурой и КИП. Система сжатого воздуха главных двигателей должна обеспечивать одновременный пуск и реверсирование всех главных двигателей.

Система пуска обеспечивает частоту вращения коленчатого вала, при которой обеспечивается надежное самовоспламенение топлива.

Системы пуска классифицируются [17]:

1. Системы, осуществляющие раскрутку коленчатого вала двигателя приложением к его выходному концу внешнего крутящегося момента. Устройства, с помощью которых выполняется раскрутка, называются пусковыми моторами или стартерами, а сам пуск стартерным.

2. Системы, осуществляющие пуск путем раскрутки вала двигателя внешними усилиями, приложенными к поршням двигателя. Этот вид пуска называется цилиндровым пуском.

Ручной пуск применяется толькодля двигателей мощностью до 18,3 кВт в агрегате при цилиндровой мощности £ 7,36 кВт. Электростартером называются малогабаритные электромоторы постоянного тока, снабженные специальным устройством для временного (на период пуска) сцепления с зубчатым венцом маховика двигателя.Кроме электростартерного пуска на современных двигателях применяют воздушный стартер или пневмостартер. Пневмостартер представляет собой воздушную турбину. Цилиндровый пуск осуществляется в судовых дизелях с помощью подачи в цилиндр сжатого воздуха и является основным для всех судовых малооборотных, среднеоборотных и форсированных высокооборотных дизелей. Источниками питания электростартеров являются аккумуляторные батареи.

Запас пускового воздуха из воздухохранителей главных двигателей может быть использован для работы тифона и на хозяйственные нужды при следующих условиях:

- один воздухохранитель (баллон) отделен от остальных невозвратным клапаном и предназначен только для пуска главных двигателей;

- предусмотрено автоматическое пополнение запаса воздуха в воздухохранителе и сигнализация, включающаяся при падении давления не более чем на 0,5 МПа ниже рабочего. Воздухохранители вспомогательных двигателей допускается пополнять воздухом из воздухохранителей главных двигателей, при этом должна исключаться возможность перепуска воздуха в обратном направлении.

Расчёт пусковых баллонов выполняется для главных и вспомогательных двигателей отдельно.

Вместимость баллонов в м³:

- пусковых ΣV_пб=u_п·V_s·z·x·п_р·р_о/(р_б1-р_б2);

- для тифона V_тб=k_н·u_т·τ_с·р_о/(р_т1-р_т2),

где u_п – удельный расход свободного воздуха на 1м³ объема цилиндра дизелей при пуске, который составляет 8÷10 м³/м³;

V_s=π·D²·S/4 – рабочий объем цилиндра, м³;

D и S – внутренний диаметр цилиндра и ход поршня, м;

z – число цилиндров двигателя;

х – число двигателей;

п_р – число последовательных пусков и реверсов двигателя, принимаемое равным 12 для реверсивных и 6 для нереверсивных дизелей;

р_о – давление окружающей среды, равное 0,098 МПа;

р_б1 и р_б2 – начальное давление воздуха в баллоне после его заполнения и нижний его предел, при котором еще возможен пуск дизеля, принимаемые равными 3÷6 МПа и 0,5÷1,0 МПа соответственно;

k_н– коэффициент насыщения сигналами, принимаемый равным 0,128;

u_т – расход тифоном свободного воздуха, принимаемый равным 1÷6 м³/мин;

τ_с – продолжительность подачи сигнала, принимаемая равной для судов классов «Л» и «Р» – 3 мин, классов "0" и "М" – 5 мин, для судов класса "М-СП" – 10 мин;

р_т1 и р_т2 – начальное давление воздуха в баллоне после его заполнения и нижний его предел, при котором еще возможна подача сигнала, принимаемые равными 3 МПа и 0,5 МПа соответственно.

По Правилам Речного Регистра РФ [7] число пусковых баллонов n_б=ΣV_пб/V_б должно быть не менее двух для каждого главного двигателя и одного – для вспомогательного двигателя, где V_б - емкость пускового баллона по ГОСТ 9731-79 или ГОСТ 999-73, м³, а компрессоров - не менее двух на судно (один может быть навешен на двигатель). Регистровый объём пусковых баллонов выбирается из приложения 11 14.

Количество компрессоров, как правило, должно быть не менее двух, один из которых может быть навесным. При этом в случае выхода из строя компрессора наибольшей подачи, подача остальных компрессоров должна быть достаточной для заполнения воздухохранителей главных двигателей в течение 1 ч. На скоростных судах допускается установка одного независимого компрессора с приводом от вспомогательного двигателя, имеющего электро-стартерный или ручной пуск, или установка одного навесного компрессора, если предусмотрена возможность заполнения воздухохранителей береговыми средствами.

Подача компрессора по свободному воздуху определяется в м³/ч не менее

Q_к=ΣV_пб· (р_б1-р_б2)/(р_о·τ_а),

где τ_а – время заполнения баллонов, принимаемое равным 1ч. Выбор компрессора производится из альбомов оборудования речного флота [10].

Система газовыпуска предназначена для отвода в атмосферу выпуск­ных газов от главных и вспомогательных дизелей, котлов и камбуза.

В состав газовыпускной системы входят газовыпускные трубы на каждый главный и вспомогательный двигатель и автономный котел, компенсаторы, изоляция, глушители и искрогасители.

Площадь сечения газовыпускных трубопроводов F_т в м² определяется:

 

F_т=B(α·L_o+1)R·T/(3600·v_т·p_т),

где В – часовой расход топлива главным или вспомогательным двигателем или автономным котлом, кг/ч;

α – коэффициент избытка воздуха, принимаемый равным для малооборотных и среднеоборотных дизелей 1,8÷2,1, высокооборотных двигателей – 1,3÷1,7 и для автономных котлов – 1,2÷1,3;

L_o=14,3 кг/кг – теоретически необходимее количество воздуха для сгорания 1 кг топлива;

R – 0,287 кДж/(кг·К) - газовая постоянная продуктов сгорания;

Т – температура выпускных газов, принимаемая равной за дизелями 537÷773 К, за автономными котлами – 423÷573 К, за утилизационными котлами – 453÷473 К;

v_т – допустимая скорость движения газов в трубопроводе, принимаемая равной для четырехтактных дизелей 30÷45 м/с, двухтактных дизелей – 25÷30 м/с, для автономных котлов – 20÷25 м/c;

p_т – допустимое давление в трубопроводе, принимаемое равным (1,03÷1,04) ·100 кПа.

После расчёта площади проходного сечения выпускных труб главного, вспомогательного двигателя и автономного котла определяются диаметры проходных сечений.

На судах с утилизационными котлами, кроме танкеров, котлы могут одновременно выполнять функции глушителя и искрогасителя. На танкерах обязательно устанавливаются независимые искрогасители «мокрого» типа.

По данному разделу, используя результаты расчетов, необходимо выбрать стандартизованные элементы систем (насосы, сепараторы, теплообменники, баллоны и компрессоры) из каталогов и альбомов [6-10] и в пояснительной записке привести их основные показатели: тип. марку, потребляемую мощность, давление, подачу, массу, габариты и т.п.

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: