Одним из важнейших этапов процесса проектирования судна является оценка, расчет и оптимизация требований к мощности судна. Почему? Потому что мощность судна является решающим фактором для многих других аспектов отрасли — как рынка, так и окружающей среды.
Судно с большей потребляемой мощностью автоматически потребует больше топлива для каждого рейса, что приведет к увеличению расходов на топливо. Кроме того, согласно последним тенденциям, общая эффективность судна количественно определяется индексом энергоэффективности конструкции (EEDI). Чем меньше EEDI судна, тем выше его эффективность с экологической и социальной точки зрения. Поскольку EEDI судна пропорционален требуемой мощности, проектировщики всегда предпочитают снижать потребляемую мощность судна всеми возможными способами. Это снижает EEDI и, в свою очередь, снижает выбросы углерода.
Прежде чем перейти к основной теме этой статьи, позвольте мне рассказать, о чем эта статья. В этой статье мы сначала рассмотрим способы определения требований к мощности для судовых дизельных двигателей и дизель-электрических пропульсивных систем (обратите внимание, что методы оценки номинальных мощностей для обеих систем существенно отличаются друг от друга).
Первый шаг: расчет сопротивления судна
Для расчета сопротивления судна первым шагом является проведение испытания в буксировочном танке. В случае новых форм корпуса предпочтительнее провести испытание в буксировочном танке. Однако, если форма корпуса судна в проекте уже была испытана в танке, предпочтительнее просто следовать методу масштабирования (который мы вскоре обсудим).
В ходе испытания буксировочного танка сопротивление модели определяется на компьютер. Затем оно масштабируется до масштаба судна с использованием набора шагов, рекомендованных Международной конференцией по буксировочным танкам (ITTC).
Однако буксировочный танк дает сопротивление голого корпуса судна. Сопротивление воздуха, сопротивление выступающих частей и корреляционный допуск добавляются для получения общего сопротивления судна. Это общее сопротивление, умноженное на скорость судна, дает эффективную мощность судна (ПЭ).
Второй шаг: выбор типа судовой двигательной установки
Это один из самых решающих шагов всего процесса. Выбор неправильного типа пропульсивной системы может привести к экономической катастрофе для судна в будущем. Годы опыта и исследований теперь дали нам четкое представление о том, какой тип пропульсивной системы следует предпочесть на различных типах судов.
Дизель-механическая силовая установка предпочтительна для большинства грузовых судов, следующих эконом-ходом, который даёт более низкие эксплуатационные расходы (эксплуатационные расходы на тяжелое топливо, используемое в судовых дизельных двигателях, меньше эксплуатационных расходов дизель-электрических силовых установок). В последнее время эконом-ход стал эффективным методом противодействия последствиям морской рецессии, и поэтому дизельная силовая установка предпочтительна для большинства грузовых судов (балкеров, нефтяных танкеров, контейнеровозов).
Дизель-электрическая силовая установка предпочтительна на судах, которым требуется больше электроэнергии (например, круизным судам требуется больше электроэнергии для работы их объектов, буровым судам, которым требуются системы динамического позиционирования для большей части времени работы и т. д.), а также на судах, которым требуется бесперебойная работа с изменяющимся крутящим моментом (например, буксиры). Это одно из самых заметных преимуществ дизель-электрической силовой установки. Там, где дизель-механические силовые установки не обеспечивают высокой эффективности при всех крутящих моментах, дизель-электрические силовые установки могут работать с высокой эффективностью практически при всех изменениях крутящего момента.
Рисунок 1: Операции с переменным крутящим моментом для дизельных двигателей и электротяги (Автор изображения: Изображение д-ра Хироясу КИФУНЕ)
На приведенном выше графике видно, что крутящий момент, создаваемый двигателем (дизельным двигателем), меняется в зависимости от скорости. То есть, более высокий крутящий момент может быть получен только при более высоких оборотах. Но если более высокие крутящие моменты (гребного винта) требуются при более низких скоростях (что имеет место в случае буксиров и систем динамического позиционирования), то выделяется электродвигатель (который используется в дизель-электрических пропульсивных системах).
Третий шаг: оценка номинальных характеристик двигателя или дизельного генератора
Для дизель-механической силовой установки:
Помните вопрос, который мы подняли в совете выше? Почему корабль не будет работать на проектной скорости, если мы зададим двигателям эффективную мощность?
Сопротивление, рассчитанное по результатам испытаний буксировочного танка, представляет собой только сопротивление голого корпуса, то есть влияние винта не учитывается в вышеизложенном. В то время как, когда винт работает позади судна, здесь необходимо учитывать следующее:
Сопротивление судна увеличивается от значения, рассчитанного в состоянии голого корпуса. Гребной винт должен работать с крутящим моментом, достаточным для преодоления этого увеличения сопротивления, а также для преодоления судном сопротивления голого корпуса.
Следовательно, из-за потерь в винте мощность, передаваемая винту (PD) на выходе вала, должна быть больше эффективной мощности (PE). Отношение эффективной мощности к передаваемой мощности называется квазипропульсивным коэффициентом (QPC). QPC обычно колеблется от 0,55 до 0,65.
Мощность на выходе двигателя (т.е. на входе вала) не полностью получается на выходе вала. Это происходит из-за потерь на трение и тепло, которые происходят по длине вала. Они называются потерями на валу. Потери на валу обычно принимаются равными 2 процентам.
В случае небольших судов, где обычно используются двигатели с высокой частотой вращения, редукторы используются для снижения частоты вращения вала или работают на разных оборотах. Потери, вызванные редуктором, классифицируются как потери в редукторе. Потери в редукторе составляют от 4 до 5 процентов.
Сопротивление, рассчитанное на этапе проектирования, не учитывает влияние волн. Из-за воздействия волн фактическое сопротивление судна выше, чем в условиях спокойной воды. Следовательно, запас в 15 процентов считается запасом хода, а мощность двигателя рассчитывается таким образом, чтобы преодолеть запас хода.
Всегда желательно поддерживать удельный расход топлива как можно ниже. Для судовых дизельных двигателей удельный расход топлива (SFOC) минимален, когда обороты двигателя соответствуют 85% от максимальной непрерывной мощности (MCR). Это означает, что проектная скорость должна быть достигнута не при номинальной MCR, а при 85% от MCR. Таким образом, для получения MCR учитывается соответствующий коэффициент 0,85.
В следующей таблице показан расчет, который используется для получения номинальной мощности двигателя из эффективной мощности двухмоторного судна с использованием вышеуказанных факторов:
Эффективная мощность двухмоторного судна
Для дизель-электрической силовой установки:
Я рассмотрю основные компоненты дизель-электрической силовой установки ровно в той мере, которая позволит читателю на предварительном этапе понять, о чем мы будем говорить при оценке номинальной мощности дизель-электрической силовой установки.
Основными компонентами дизель-электрической силовой установки являются:
Дизельные генераторы, трансформаторы, электродвигатели и нагрузки. Теперь нагрузками в системе могут быть электродвигатель, приводимый в движение движителем, или носовой подруливающий двигатель, или любой компонент нагрузки отеля (освещение, HVAC и т. д.)
Рисунок 2: Основные компоненты дизель-электрической двигательной установки
В этом случае электродвигатели, винты и другие нагрузки вместе образуют нагрузку всей электростанции. Но следует учитывать, что не все нагрузки будут работать в любых условиях. Например,
В порту двигательные нагрузки будут отсутствовать, тогда как гостиничные нагрузки будут присутствовать.
В случае операций динамического позиционирования будут задействованы как дополнительные нагрузки, так и пропульсивные установки. Таким образом, в этом случае нагрузка на дизель-генераторы будет максимальной.
Итак, нам в основном нужно будет рассчитать общую требуемую мощность, прежде чем принять решение о количестве дизельных генераторов, необходимых для удовлетворения всех условий. После того, как общая мощность будет определена, количество дизельных генераторов будет определено на основе определенных принципов, которые мы обсудим позже.
Во-первых, для расчета общей потребности в мощности, проектировщики готовят Карту нагрузки, в которой перечислены все электрические нагрузки на судне. И Карту нагрузки готовят, принимая во внимание три рабочих условия в целом:
Маневрирование.
В таблице нагрузок потребляемая мощность каждой электрической нагрузки на судне рассчитывается путем умножения максимальной номинальной мощности компонента на два коэффициента:
Коэффициент нагрузки: это отношение рабочей мощности к максимальной номинальной мощности компонента.
Коэффициент полезности: это фактор, который определяет степень работоспособности конкретного компонента в конкретных условиях.
Коэффициент полезного действия для оборудования рулевого механизма
Обратите внимание, что коэффициент полезности составляет 0,8 в условиях плавания и маневрирования, но 0 в условиях порта.условие, так как в порту рулевое устройство не используется. Таким образом, вклад оборудования рулевого устройства в общую потребляемую мощность при стоянке будет равен нулю.
Аналогичным образом, как показано выше, готовится диаграмма нагрузки для всех электрических компонентов на судне. Пример того же будет выглядеть следующим образом:
Рисунок 3: Диаграмма электрической нагрузки
После того, как график нагрузки подготовлен, общая потребность в мощности для каждого из трех условий (плавание, порт и маневрирование) рассчитывается путем сложения потребности в мощности для каждого компонента для каждого из условий (см. рисунок 4). Как только это станет ясно, мы теперь обратимся к рисунку 4, чтобы понять, как определяется общее количество дизельных генераторов.
Рисунок 4: Определение общего количества генераторов
При выборе количества генераторов необходимо соблюдать два правила:
Если в любых условиях работает более одного генератора, оба генератора должны распределять равную нагрузку. Нагрузка на каждый генератор в любом из трех условий не должна превышать 70 процентов от номинальной мощности генератора. (Или максимальная мощность каждого генератора определяется на основе условия, что семьдесят процентов от максимальной мощности больше, чем нагрузка на генератор в любом из трех условий) Один дополнительный генератор всегда должен быть включен, который предназначен для резервных целей. Обратите внимание, что этот резервный генератор не будет делить нагрузку ни в одном из трех вышеуказанных условий, если только какой-либо из рабочих генераторов не выйдет из строя. Таким образом, резервный генератор не включен в приведенный выше расчет, но он обычно имеет ту же мощность, что и другие генераторы.
Этот процесс повторяется путем изменения номинальных мощностей и количества генераторов до тех пор, пока не будут выполнены первые два условия, и не будет получена ситуация, аналогичная той, что показана на рисунке 4. Рекомендуется проанализировать первые два условия, используя приведенный выше рисунок, чтобы понять это из первых рук.