Назначение, классификация и состав СЭУ

- мощностные,

- массогабаритные,

- энергетической эффективности,

-маневренности.

Мощностные показатели:

- абсолютные,

- относительные.

К абсолютным относятся:

- суммарная эффективная мощность , кВт,

- мощность, передаваемая на винт , кВт,

- мощность судовой электростанции , кВт.

Для одномашинной установки - , для многомашинной установки - .

Мощность на винте - (прямая механическая передача)

, .

Ориентировочные значения абсолютных мощностей СЭУ:

- дизельные установки - мощность до 55 МВт

- паротурбинные установки – мощность от 50 до 100 МВт

- газотурбинные установки – мощность от 30 до 35 МВт

В практике используют также понятие буксировочной мощности

,

.

Относительные мощностные показатели:

- энергонасыщенность , кВт/т;

- относительная мощность СЭС , кВт/т;

- степень электрификации , кВт/т.

где - D_пор – водоизмещение порожнем, т, D – полное водоизмещение, т, N_сэс – мощность судовой электростанции, кВт.

Ориентировочные значения α _м, α _сэс и α _эу для различных типов судов

Тип судна	α м	α сэс
Танкеры и навалочники	0, 1…0, 3	0, 1…0, 2	0, 1…0, 25
Универсальные сухогрузные суда	0, 3…0, 7	0, 15…0, 25	0, 15…0, 3
Ролкеры	0, 5…1, 0	0, 2…0, 3	0, 25…0, 5
Пассажирские и автомобильные паромы	0, 8…0, 9	0, 2…0, 3	-
Ледоколы	1, 3…2, 5	0, 12…0, 25	0, 3…0, 4
Суда на подводных крыльях	30…100	-	-
Суда на воздушной подушке скеговые амфибийные	30…70 30…125	- -	- -

Суда с динамическими принципами поддержания имеют α _мна порядок выше, чем у водоизмещающих судов.

Массогабаритные показатели

При рассмотрении показателей различают следующие массы:

· масса собственно СЭУ (масса двигателей, генераторов, передач, валопроводов, котлов и других теплообменных аппаратов).

· масса рабочих жидкостей в системах СЭУ.

· масса предметов снабжения (расходные материалы, запасные части, инструменты).

· масса энергетических запасов (масло, топливо, вода).

К абсолютным показателям массы относятся:

- " " сухая" масса установки­­ - ,

- масса установки с запасами - (в рабочем состоянии),

- масса энергетических запасов -

, т.

К относительным показателям относятся:

- удельная масса СЭУ ,

- удельная масса энергетических запасов - обеспечивает заданную автономность судна.

Высокая энергонасыщенность может быть получена только при малой удельной массе.

На скоростных судах масса СЭУ может составлять 30% от D.

На сухогрузах и танкерах энергонасыщенность мала и масса СЭУ составляет < 1% от D.

Ориентировочные значения удельной массы СЭУ

Тип судна (по типам установок)	, кг/кВт
1. Суда с малооборотными двигателями (МОД)	80…110
2. Суда с дизель редукторными агрегатами (ДРА) со среднеобо-ротными двигателями (СОД)	60…70
3. ДРА для СПК с высокообо-ротными двигателями (ВОД)	5…7
4. Дизель электрические ледоколы и суда ледового плавания	90…110
5. Паротурбинные установки транспортных судов	50…60
6. Паротурбоэлектрические установки ледоколов и пассажирских судов	70…90
7. Газотурбинные установки тяжелого типа	25…35
8. Газотурбинные установки СДПП (лёгкого типа)	1, 2…3

Габаритные показатели. К абсолютным габаритным показателям относятся:

- длина МО L_мо, м;

- площадь МО F_мо, м²;

- объём МО V_мо, м³.

Из этих 3-х показателей наиболее важной является площадь МО.

Для определения длины машинного отделения на начальной стадии проектирования можно воспользоваться формулой , где: L_мо – расстояние между кормовой и носовой переборками МО на уровне расположения главных агрегатов, l_гд – длина главного агрегата, " а" – коэффициент, зависящий от места расположения МО

а = 1, 6…2, 2 - для одновальных дизельных установок при кормовом расположении,

а = 1, 3…1, 6 - то же при промежуточном и среднем расположении МО,

а = 2, 2 - для одновальных паротурбинных установок при кормовом расположении,

а = 1, 7…2, 0 для одновальных паротурбинных установок при промежуточном расположении.

Относительным габаритным показателем, характеризующим качество различных типов СЭУ, является энергонасыщенность помещений МО:

- по длине , кВт/м,

- по площади , кВт/м²,

- по объёму , кВт/м³.

Зависимость энергонасыщености помещений от типа СЭУ

Показатели надёжности

Надёжность – это способность СЭУ сохранять эксплутационные заданные характеристики в установленный период времени, это может быть ресурс или заданный срок службы.

Понятие " надёжность" включает в себя понятия безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Безотказность – это свойство СЭУ непрерывно сохранять работоспособное состояние, при котором значение всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют нормативно-технической и конструкторской документации. Нарушение работоспособности называется отказом. Отказ – событие, заключающееся в потере работоспособности.

Число отказов зависит от числа элементов изделия.

Долговечность – свойство СЭУ сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при соблюдении правил эксплуатации обслуживания и ремонта. Качественным показателем долговечности является ресурс.

Ремонтопригодность – это свойство СЭУ, которое состоит в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин отказов и повреждений, а также поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Сохраняемость – это свойство СЭУ сохранять значения показателей безотказности долговечности и ремонтопригодности в течение хранения и после транспортировки изделия.

Качественно показатели надёжности оцениваются коэффициентами:

- коэффициент технического использования К_ти ,

- коэффициент готовности К_г.

К_ти – представляет собой отношение времени, в течение которого оборудование находится в рабочем состоянии к времени простоев (время ремонта);

К_г – это коэффициент, который вычисляется также, как и К_ти только ограничивается временем между плановыми ремонтами.

Эргономические показатели

Характеризуют приспособленность СЭУ к обслуживанию личным составом. К этой группе относят:

- гигиенические показатели,

- антропометрические показатели,

- физиологические показатели,

- психологические показатели,

- психофизические показатели.

Гигиенические – оценивают соответствие СЭУ необходимым условиям обитаемости в части температуры, влажности, чистоты воздуха, допустимых уровней шума требованиям Минздрава.

Антропометрические показатели – показывают соответствие размеров и особенностей строения тела человека расположением и геометрическими размерами СЭУ

Физиологические и психофизиологические – показывают соответствие СЭУ силовым и скоростным возможностям человека, а также особенностям его органов чувств.

На судах приняты следующие цвета маркировки:

синий – газовые среды,

зелёный – забортная вода,

красный – пар,

коричневый – жидкое топливо,

желтый – масло.

Эстетические показатели – проявляются в продуманном расположении оборудования, форме фактуре, цветовом оформлении, в сочетании с качественным выполнением отделочных работ. Эти показатели оцениваются в сравнении с соответствующими характеристиками аналога.

Экологические показатели - требования по шуму, вибрации, чистоте воздуха.

Для ДВС требования по выбросам , в отношении СЭУ в целом дополнительно нормируют содержание нефтесодержащих вод, мусора.

Показатели технологичности

Показатели технологичности – определяют приспособленность СЭУ к современным, прогрессивным, типовым технологическим методам в сфере производства и в сфере эксплуатации. Все это способствует снижению затрат, экономии материалов, сокращению срока технологического цикла. К передовым прогрессивным технологическим процессам можно отнести:

- перенесение в максимально возможном объеме механосборочных и монтажных работ на специализированные заводы,

- выполнение основной части монтажных работ по насыщению корпуса судна на участки предстапельной сборки корпусных секций.

В зависимости от принципов компоновки в судостроении применяют следующие сборочно-монтажные единицы:

- панель – агрегатированная единица, состоящая из местных или магистральных трубопроводов;

- агрегат – объединение механизмов, оборудования, аппаратов и т.д., функционально связанных в одну установку или систему, собранные на общей фундаментной раме;

- модуль – унифицированный или стандартный агрегат, имеющий определенные размеры;

- функциональный блок – объединение механизмов по какому-либо функциональному назначению;

- зональный блок – агрегаты собираются по территориальному признаку.

Оценка технологичности производится с помощью коэффициентов:

- блочности ;

-функциональной блочности ;

- зональных блоков ,

где - суммарная масса отдельно монтируемых функциональных блоков;

- суммарная масса отдельно монтируемых зональных блоков;

- общая масса СЭУ;

- суммарная масса отдельно монтируемых функциональных блоков,

входящих в состав зональных блоков.

Жидкое топливо

Топливо – вещество, которое экономически целесообразно сжигать в энергетических установках для производства тепловой энергии.

Основным видом топлива для СЭУ следует рассматривать жидкое нефтяное топливо, получаемое путем переработки нефти.

Если в топливе присутствуют только углеводородные фракции с числом атомов углерода С 5, то имеем дело с газообразным топливом, если 5< С 25 – с жидким топливом, если С> 25 –твердым угольным.

Топливо, которое получают не из нефти, относят к альтернативным (искусственное топливо).

1 - влагосолеотделитель;

2 – подогреватель;

3 - атмосферная колонна;

4 – вакуумная колонна;

Все нефтяные топлива подразделяют на:

- легкие дистиллятные – дизельное, газотурбинное топливо;

- тяжелые – смеси дистиллятного и остаточного топлива; имеют повышенную вязкость и делятся на вязкие (моторные), и высоковязкие (мазуты).

В СЭУ топливо подразделяют на 4 группы:

- дизельные (дистиллятные) – состоят из керосиновых и соляровых фракций;

- моторные – получают при смешении керосиновых и мазутных фракций;

- флотские мазуты – получаются при перегонке нефти или путем смешивания дистиллятных фракций с остаточными;

- котельные мазуты – это остаточные продукты перегонки нефти.

Газообразное топливо

Метан – имеет максимальную теплоту сгорания 49кДж/кг. Требует больше воздуха на 20%, имеет низкую температуру вспышки, воспламеняется при 585⁰С. При концентрации от 5, 5…15% метан становится взрывоопасным.

Водород – экологически чистое топливо.

Твердое топливо

Теплота сгорания зависит от его возраста:

- торф,

- бурый уголь,

- каменный уголь,

- антрацит.

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания называется стехиометрическим.

Коэффициент избытка воздуха: ,

где - количество (масса) поданного для сгорания воздуха; - стехиометрическое количество (масса).

Ассортимент топлива для СЭУ

По ГОСТ 305-82 топливо для высокооборотных ДВС делится на:

- летнее, при температуре использования Т> 0⁰С);

- зимнее (Т> -20⁰С);

- арктическое (Т> -50⁰С).

Обозначение сорта топлива:

Л-0, 2-61 – Л - летнее; 0, 2 – содержание серы; 61 – температура вспышки;

З-0, 2-35 – Зимнее; 0, 2 – содержание серы; 35 – температура замерзания.

Для малооборотных и среднеоборотных двигателей применяются сорта: ДТ – дизельное топливо; ДМ- дизельный мазут.

Газотурбинное топливо ГОСТ10433 (ТГВК. ТГ)

Бензиновые марки имеют в обозначении букву и число:

А – автомобильный;

Б – авиационный;

Цифра – октановое число;

И - исследовательский метод определения октанового числа (АИ-95)

Мазуты выпускаются по ГОСТ 10585 и имеют обозначение:

- флотский: 5; 10; 12 (Ф5, Ф10, Ф12), применяются в СОД и МОД.

- топочные: М40, М40В – средние мазуты;

М100, М100В – тяжелые мазуты.

Характеристики применяемых топлив

Характеристика топлива	Норма	ДТ	ТГВК	Ф12
Л	З
Цетановое число не менее			-	-	-
Плотность при 200С, кг/м3					-
Вязкость кинематическая сСт	3…6	1, 8…5	-	-	-
Температура вспышки, 0С
Температура застывания, 0С	-10	-35			-8
Вязкость условная, 0ВУ	-	-			-
Содержание серы, %	0, 2	0, 2	0, 5		0, 8
Зольность, %	0, 01	0, 01	0, 04	0, 01	0, 1
Содержание воды	отсутствует	отсутствует	0, 5	0, 2

Смазочные масла

Смазочные масла в СЭУ предназначены в основном для уменьшения трения в трущихся деталях и их охлаждения (отвода теплоты трения).

В СЭУ применяют:

1. Минеральные масла, получаемые из нефтепродуктов, подразделяются на:

- дистиллятные;

- остаточные;

- смешанные.

2. Синтетические масла – имеют лучшие характеристики, но они при этом существенно дороже.

Свойства масел:

1. Вязкость – оценивается индексом вязкости.

Чем ниже интенсивность изменения вязкости от температуры, тем выше индекс вязкости и большие нагрузки выдерживает масляный слой (85…95). Снижение вязкости на 20…25% считается предельной.

2. Маслянистость – характеризует способность масла образовывать прочную пленку на поверхности детали.

Показателем маслянистости служит индекс задира, который характеризует способность масляной пленки защищать трущиеся детали от повреждения.

3. Плотность при Т=20⁰С – составляет 892…967 кг/м³.

4. Температура застывания – 10…25⁰С (исключения - масла для холодильников).

5. Температура вспышки – характеризует способность масла образовывать взрывоопасные смеси с воздухом.

6. Температура воспламенения – зависит от марки масла – 180…270⁰С.

7. Кислотность – характеризует содержание в масле органических и других кислот

8. Термоокислительная стабильность – свойство масла противостоять окислению при повышенной температуре.

9. Удаление влаги из масел осуществляется в сепараторах с подогревом.

Присадки, улучшающие свойства масел:

1. Моющие – препятствуют слипанию мелких частиц нагара и удерживают их в взвешенном состоянии.

2. Антикоррозионные и антиокислительные – замедляют процесс окисления масел и защищают от коррозии.

3. Вязкостные – улучшают вязкостно-температурные характеристики

4. Присадки, понижающие температуру застывания.

5. Присадки, повышающие смазочную способность масел.

6. Противопенные.

Масла, применяемые в различных механизмах, СЭУ, классифицируются по следующим признакам:

1. По области применения:

- авиационные (для авиационных ГТД);

- моторные (для ДВС);

- турбинные (для паровых и газовых турбин;

- вакуумные (для холодильных машин);

- компрессорные (для компрессоров).

Выпускающиеся моторные масла делятся на 6 групп:

группа А – для нефорсированных двигателей (карбюраторных и дизельных двигателей) ГОСТ 17779;

группа Б – для малофорсированных двигателей;

группа В – для среднефорсированных двигателей (с присадками);

группа Г – высокофорсированные двигатели;

группа Д – масла для высокофорсированных двигателей, работающих в тяжелых условиях;

группа Е – для малооборотных дизелей, работающих на тяжелом топливе.

Масла групп Б, В, Г имеют дополнительные индексы: Б₁ – для карбюраторных двигателей, Б₂ – для дизельных, при отсутствии индекса – масло универсальное.

2. По вязкости, сСт, при 100⁰С.

Маркировка и область применения масел:

- М10В₂ – моторное, 10-вязкость сСт, среднефорсированный дизель;

- Тп-30, Тп-46; " п" – наличие дополнительных присадок; в паротурбинных установках;

- МС-20, в авиационных газотурбинных установках;

- К-12 компрессорные, для компрессоров низкого давления; К-19 - для компрессоров высокого давления;

- густые смазки – жировой и синтетический солидол марок Ж и С – в малонагруженных узлах;

- Специальные масла для холодильников: ХА-20, ХМ-35 – для аммиачных холодильников; ХФ-12, ХФ-16 – для фреоновых холодильников.

Судовые котельные установки

Котельная установка – это установка, предназначенная для получения пара нужных параметров (перегретого или влажного) или горячей воды.

Водяной пар используется для главных двигателей (паровые турбины или машины), а также для нагревания воды топлива и других сред в различных теплообменных аппаратах.

На судах с ДВС и ГТУ пар предназначен для обеспечения санитарно- бытовых нужд (хозяйственных, технологических).

В любом случае источником теплоты в любом котле служит теплота сгорания топлива.

Классификация котлов

1. По назначению

- главные – вырабатывают пар высоких параметров (давление и температура) для главных паровых турбин;

- вспомогательные (топливные и утилизационные) - вырабатывают влажный насыщенный пар или горячую воду. Вырабатываемый пар может быть использован для обеспечения хозяйственных, технологических нужд, средств пожаротушения, для пропаривания цистерн танкеров.

Утилизационные котлы в качестве источников тепловой энергии используют теплоту отходящих газов от ДВС или ГТД.

2. По конструктивному исполнению:

- водотрубные

- газотрубные

В водотрубных котлах – вода и пароводяная смесь движется внутри труб. В газотрубных котлах – дымовые газы перемещаются по трубам, а вода омывает эти трубы снаружи.

3. По принципу движения воды и пароводяной смеси.

- с естественной циркуляцией (только из - за разности плотностей горячей и холодной воды);

- с принудительной циркуляцией (циркуляция обеспечивается при помощи специального насоса).

Главные и вспомогательные котлы, как правило, выполняются водотрубными с естественной циркуляцией, а утилизационные - газотрубные с принудительной циркуляцией.

4. По давлению в топке:

- котлы с вентиляторным дутьём

- с наддувом - с компрессорным дутьем.

5. В зависимости от кратности циркуляции воды в котле.

К – кратность циркуляции, :

где: D_П – паропроизводительность котла, кг/ч; G_K – количество воды, поступившей в котёл, кг/ч;

К = 1 – прямоточный котёл (самый лучший по массогабаритным характеристикам);

К = 10 – котлы с многократной принудительной циркуляцией.

На практике предпочтительнее использовать котлы с малой кратностью циркуляции с К = 1.15 1.3.

Схема котельной установки

1 – Верхний пароводяной коллектор (в равновесном состоянии находится пар и вода), 2 – Пароперегреватель, 3 – Первый пучок конвективного нагрева, 4 – Экранная поверхность нагрева (пучок сплошных труб), 5 – Изоляция, 6 – Фильтр топливный, 7 – Топливный насос, 8 – Вентилятор, 9 – Нижний водяной экранный коллектор, 10 – Нижний водяной коллектор, 11 – Опоры (одна должна быть подвижной), 12 – Второй конвективный пучок, 13 – Питательный насос, 14 – Подвод воздуха, 15 – Воздухоподогреватель, 16 - Экономайзер (для подогрева питательной воды), 17 – Дымосос, 18 – Форсунка, 19 – Топка.

Котельная установка в общем случае включает в себя:

Собственно котёл, вспомогательное оборудование и системы, необходимые для работы (система водоподготовки, топливная система, система воздухоподачи, …)

Котёл – это та часть котельной установки, в которой происходит образование пара (нагрев воды).

Котёл состоит из двух пучков водогрейных труб 3, 12 закреплённых в корпусе пароводяного 1 и водяного 10 коллекторов, труб топочного экрана 4 сверху и нижним водяным коллектором 9 снизу.

Трубы пучков 3 и 12 крепятся на расстоянии друг от друга для обеспечения прохода газов. Трубы экранного пучка представляют собой сплошной ряд.

Вода в трубах пучков совершает циркуляцию: в трубах пучка 3 поднимается, в трубах пучка 12 опускается.

Топка 19 предназначена для сжигания топлива.

Пароперегреватель 2 предназначен для получения перегретого пара. В пароводяном коллекторе вода и пар находится в равновесном состоянии при соответствующих давлении и температуре.

В воздухоподогревателе 15 происходит подогрев воздуха, необходимого для сгорания топлива; для нагрева используется теплота уходящих газов.

Экономайзер 16 предназначен для подогрева питательной воды. Для подогрева используется теплота уходящих газов.

Тепловая изоляция 5 предназначена для снижения потерь теплоты в окружающую среду.

Опоры 11 предназначены для надёжного крепления каркаса котла к фундаменту. Опоры должны быть рассчитаны на эксплуатацию при наличии крена и дифферента.

К вспомогательному оборудованию относятся:

- тяго – дутьевое устройство, обеспечивающее подачу воздуха в топку и удаление из котла продуктов сгорания, в его состав входят вентилятор 8 и дымосос 17,

- питательная система, которая состоит из трубопроводов, механизмов и устройств, предназначенных для подготовки и подачи питательной воды в котёл. В состав системы входят:

- питательные насосы,

- фильтры,

- воздухонагреватели, расположенные вне котла,

- установка для умягчения воды (водоопреснительная установка),

- устройство и система для сжигания, подачи и хранения топлива (форсунки 18, фильтры 6, насосы 7, емкости для хранения топлива).

Форсунки, применяемые в топливных котлах, бывают двух типов:

- паровые (топливо распыляют в объёме топки паром);

- механические (распыливание топлива производится либо за счёт потенциальной энергии (создаётся высокое давление), либо за счёт центробежных сил - центробежные).

Теплообменные аппараты

Теплообменными аппаратами (ТА) принимаются элементы СЭУ, в которых происходит теплообмен между нагретым телом и менее нагретым телом. В общем случае в таких элементах могут происходить процессы нагрева рабочего тела или его охлаждения, испарения или конденсации.

В топливных системах СЭУ, где рабочим телом является мазут ДМ, ДТ для снижения вязкости необходимо осуществить подогрев. Подогрев для температуры, при которой вязкость составляет порядка 4 – 5 ВУ⁰. Этот элемент называется подогревателем.

В циркуляционных масляных системах главных и вспомогательных двигателях масло во время работы нагревается. Для поддержания нормального температурного режима двигателя масло необходимо охлаждать в маслоохладителях.

В паротурбинных установках для повышения экономичности их работы воду необходимо предварительно нагревать. Подогрев осуществляется преимущественно паром, отбираемым от турбины. Подогрев производится в испарительных установках – испарителях.

В паротурбинных установках используются конденсаторы пара.