Показатель технического уровня систем охлаждения судовых дизельных установок

УДК 629.12.03-843.6-71





                ПОКАЗАТЕЛЬ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
                СУДОВЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК




К. Ю. Федоровский

   Система охлаждения судовой энергетической установки (ЭУ) является одним из важнейших ее элементов. В практике известно большое количество схемных решений этой системы, что связано с типом судна и спецификой его эксплуатации. Все системы охлаждения характеризуются определенными показателями, основными из которых являются: затраты мощности на прокачивание теплоносителей W, масса М, занимаемые габаритные объемы VVₗ стоимость С, затраты на техническое обслуживание и ремонт, и надежность. Указанные единичные показатели часто взаимосвязаны. Так, например, желание повысить надежность, как правило, приводит к усложнению системы, увеличивает ее стоимость и м ассо -паб а ритн ые п ока з а тел и.
   В настоящее время техническое сравнение различных систем ведется на основе сопоставления их отдельных (единичных) показателей, например, при различных мощностях установки [1]. Необходимость общей оценки и определения перспектив дальнейшего совершенствования требует интегрального критерия, связывающего воедино единичные показатели. Для этого целесообразно использовать понятие приведенных затрат, в соответствии с которым затраты относятся к полученному при этом полезному эффекту. Такой подход имеется и в работе [1], где, например, затраты на прокачивание теплоносителя отнесены к транспортируемой теплоте, что, впрочем, соответствует хорошо известному в теплопередаче критерию Кирпичева.
   Основным функциональным назначением системы охлаждения является отвод (перенос) теплоты. Это соответствует получаемому полезному эффекту. Затраты же удобно связать с отмеченными выше единичными показателями: мощностью, стоимостью, массой и т. д. Поскольку эффект выражается в тепловых единицах, то очень желательно установить такую, возможно в некоторой степени условную, связь на энергетической основе. Подобный подход применен в работе [2] при

3 Судостроение № 2, 1989 г.

оценке различных теплообменных аппаратов. Наиболее просто вопрос стоит в отношении тепловых затрат в Дж на прокачку теплоносителя, которые равны


3600ЛД£ти£иэ >                      (1)
^ЭУ

где т — рассматриваемый промежуток времени, ч; £ти — коэффициент технического использования системы; Лиэ— коэффициент интенсивности эксплуатации системы; ^эу — КПД судовой ЭУ.
    Масса судна и требуемая для его перемещения мощность связаны между собой посредством известного показателя, называемого энерговооруженностью. Его значения для различных типов судов приведены в [3]. Тогда тепловые затраты на систему охлаждения массой М будут равны (Дж):

3600Л4амт£тиА>иэ — ₜ                  (2)
^ЭУ


где <хм — энерговооруженность, Вт/кг.
    Имеется аналогичный показатель kᵥ [3], соответствующий объему помещений машинного отделения, приходящемуся на 1 Вт мощности дизельной ЭУ судна. С его использованием тепловые затраты на систему с суммарным габаритным объемом ее элементов Vᵣ равны


3600 т^ти^иэ Т •                       (3)
                        Kv           Чду


Отметим, что рассмотренные энергетические затраты приведены за счет использования КПД судовой ЭУ к теплоте сжигаемого топлива.
    Стоимость системы в значительной степени определяется расходом энергии на получение материалов, изготовление и монтаж оборудования. Тогда, используя цену на топливо, можно перейти к соответствующему количеству топлива и теплоты, полученной при его сжигании (Дж):



Л/Р и

^нлг>

                                   (4)

Результаты расчета ПТУ

                                            Составляющие ПТУ                              
    Варианты системы      Мощность                          Техническое  Вынужденный   ПТУ
                             на     Масса   Объем Стоимость обслуживание   простой        
                          прокачку                            и ремонт                    
        Вариант а         4,2-10-5  0,0039 0,0091 0,058     0,0276         0,0616    0,160
Разомкнутая двухконтурная                                                                 
        Вариант б         7,4-10-5  0,0052 0,0178 0,088     0,0242         0,0456    0,181
Разомкнутая трехконтурная                                                                 
        Вариант в         4,68-10-ь 0,0113 0,0079 0,054     0,0206       0,0276      0,121
Замкнутая двухконтурная                                                                   

где Н?— низшая теплотворная способность топлива, Дж/кг; Цт—цена топлива, руб./кг; &н=0,15— коэффициент нормативного отчисления за год; пг — число лет.
    Применительно к техническому обслуживанию и ремонту системы охлаждения, с учетом стоимости единицы трудоемкости, может быть использован аналогичный подход. Тогда соответствующее выражение имеет вид (Дж):

(5)

где 7Т₀ и Трем — соответственно трудоемкости технического обслуживания и ремонта, чел.-ч; Дч_ч—стоимость одного чел.-ч трудоемкости, руб./чел.-ч.

<0



Упрощенное изображение различных вариантов системы охлаждения:
а — разомкнутая двухконтурная; б — разомкнутая трехконтурная; а — замкнутая двухконтурная.
------— забортная вода; ------ — пресная вода



    Потеря работоспособности системы в силу малой надежности приведет к вынужденному простою судна и связанным с этим убыткам. Их денежное выражение, с учетом вероятности возникновения, может быть так же сопоставлено с количеством топлива и теплоты, полученной при его сжигании:

(6)



где Спр — стоимость простоя судна в течение одного часа, руб./ч; тпр — длительность простоя, определяемая временем отказа, ч; Р — вероятность безотказной работы системы.
    Остается установить величину отводимой за время т в системе теплоты, которая равна (Дж):

3600<7от^1И^ИЭ>                    (^)

где ^от — отводимая системой тепловая мощность, Вт.
    Таким образом, все основные единичные показатели системы охлаждения выражены в форме затрат тепловой энергии (1) — (6). Отнесем их к передаваемой тепловой энергии (7). В результате показатель технического уровня (ПТУ) системы охлаждения равен:

N + Л<ам + -JT-ПТУ =------------------E_ +
                               тОУ?от



                  + (Дб + ^рем)^ч-ч"Ь ^прспр(1 ^)] Z_4j
360с ^от^^ти^иэ



(8)

    Чем меньше безразмерное значение ПТУ, тем более совершенная система. Данный метод использован для оценки различных вариантов схем системы охлаждения ППБУ типа «Шельф», которые здесь максимально упрощены (см. рисунок), с целью иллюстрации только принципа. Первый вариант (рис. а) представляет собой широко используемую разомкнутую двухконтурную систему. При этом протяженность трубопроводов забортной воды оказывается весьма значительной, что определяет пониженную надежность эксплуатации. Второй вариант (рис. б) соответствует разомкнутой трехконтурной системе. В ней максимально сокращена протяженность трубопроводов забортной воды, расположенных в понтоне. На платформу установки подается пресная вода, охлажденная забортной. Эта пресная вода охлаждает в свою очередь пресную воду, циркулирующую непосредственно через энергетическое оборудование. Такое построение призвано обеспечить

повышение надежности системы. Третий вариант (рис. в) представляет собой замкнутую двухконтурную систему охлаждения, использующую только пресную воду. Подача теплоты забортной воде осуществляется через обшивку корпуса понтона за счет применения судовых обшивочных теплообменных аппаратов [4]. Система имеет повышенную надежность, поскольку не предусматривает прием забортной воды. В выполненных расчетах использовались исходные данные по комплектации (с учетом вспомогательного оборудования), массам, габаритам, стоимости и т. д. реальных вариантных проработок возможных систем охлаждения. Величины трудоемкости технического обслуживания и ремонта взяты из [1]. Расчеты велись при: #Иэ == 0,75; #ти = 0,95; ^эу = 0,3; kᵥ=. = 0,530 • 10~³ Вт/м³; ам=0,3*10-³ Вт/кг; Н’, =45 • 10⁶ Дж/кг; Цт =0,068 руб./кг; Цч_ц =5 руб./ч-ч; <?ОТ = 5590 • 10³ Вт; Спр=20 000 руб./ч; тпр = 7,5 ч. Время простоя определялось длительностью переборки наиболее трудоемкого механизма системы. Сравнение производилось для четырехлетнего срока эксплуатации. Результаты представлены в таблице.
    Анализируя составляющие ПТУ, видим, что наибольшие их значения связаны со стоимостью, затратами на техническое обслуживание и ремонт и потерями от возможного вынужденного простоя. Взаимное распределение между ними определяется конкретным вариантом системы. Чрезвычайно малыми на общем фоне являются затраты мощности на прокачивание теплоносителей.
    Следует подчеркнуть, что ПТУ не может восприниматься абстрактно. Он неразрывно связан с конкретным типом судна (его комплектацией, стоимостью простоя и т. д.), для которого ведется выбор наиболее целесообразного варианта системы охлаждения. Переход к другому типу судов изменяет величину и составляющие ПТУ.
    Для рассматриваемой ППБУ минимальное значение ПТУ — 0,121 соответствует третьему варианту системы. Действительно, по всем составляющим, кроме массы, она лучше

или не уступает другим системам. Большая масса связана с применением судового обшивочного теплообменного аппарата. Попутно заметим, что его объем в расчетах не учитывается, поскольку он размещается между элементами набора корпуса, по высоте не превышает их, и потому не занимает полезного пространства машинного отделения. Система имеет минимальную стоимость, так как не предусматривает применения трубопроводов из медно-никелевых сплавов. Минимальные затраты на техническое обслуживание и ремонт — следствие отказа от приема коррозионно-активной морской воды. Внедрение таких систем, однако, сдерживается отсутствием достаточного опыта их эксплуатации. Тем не менее к настоящему времени построены и успешно эксплуатируются три плавучих крана типа «Слава Севастополя» грузоподъемностью 500 т, оборудованные судовыми обшивочными теплообменниками. Их эксплуатация даст со временем необходимый опыт и позволит шире внедрять в практику замкнутые системы охлаждения.
   Разомкнутая трехконтурная система, в целом, несколько хуже разомкнутой двухконтурной. Это связано в первую очередь со значительно большими ее стоимостью и габаритами. Однако составляющие ПТУ по техническому обслуживанию

 и вынужденному простою у нее Меньше. Это часто является главенствующим для проектировщиков, в результате чего они отдают ей предпочтение.
     Таким образом, на основе безразмерного показателя технического уровня имеется возможность комплексно оценивать совершенство различных вариантов систем охлаждения судовых ЭУ, проанализировать составляющие и наметить пути дальнейшей модернизации.



 ЛИТЕРАТУРА

     1.    Маслов В. В. Совершенствование эксплуатации систем судовых дизелей. М., Транспорт, 1984.
     2.    Никитин Д. Г., Федоровский К. Ю. Повышение надежности и эффективности судового теплообменного оборудования. — Киев, Знание, 1986.
     3.    Овсяников М. К., Петухов В. А. Судовые дизельные установки. Справочник. Л., Судостроение, 1986.
     4.    Федоровский К. Ю. Исследование теплообменника в замкнутых системах охлаждения. — Судостроение, 1981, № 7.