Судовой электростанции

Согласно требованиям Морского Регистра Судоходства на каждом судне должно быть установлено не менее двух основных источников электрической энергии.

Если на судне предусмотрена возможность приведения СЭУ в действие при выходе из строя любого основного источника электроэнергии с независимым приводом, то одним из основных источников может быть валогенератор.

Мощность основных источников электроэнергии должна быть такой, чтобы при выходе из строя любого источника электроэнергии оставшиеся обеспечивали питание ответственных устройств в любых условиях плавания.

Суммарная мощность и мгновенная перегрузочная способность всех агрегатов СЭС, питающих судовую сеть, должна быть достаточной для пуска самого мощного электродвигателя с наибольшим пусковым током при выходе из строя любого из генераторов. При этом напряжение и частота тока не должны понижаться до пределов, при которых возможна остановка вспомогательных двигателей и отключение работающих потребителей.

Поскольку продолжительность плавания промысловых судов может достигать нескольких месяцев и они зачастую длительное время не заходили в порт, то часть регламентных работ по агрегатам СЭС выполнялась в море. В связи с указанными обстоятельствами необходим дополнительный резерв мощности СЭС.

Определенный резерв мощности СЭС целесообразно предусматривать и на начальных стадиях проектирования на случай модернизации судна.

6.1. Максимальная ожидаемая нагрузка СЭС в условиях промысла.

P_max=102+0,035·N_e+0,05·V_тр+0,04·Д+5,62·Q_ма+2,27·Q_м+1,25·Q_к+N_тр,

где V_тр=2100 м³ - суммарная мощность рефрижераторных трюмов;

Д=7500 т - водоизмещение судна;

Q_ма=80 т/сут - суточная производительность морозильных аппаратов;

Q_рму=75 т/сут - суточная производительность водомучной установки;

Q_к=21 туб/сут - производительность консервных линий;

N_тр=240 кВт - мощность траловой лебедки.

P_max=102+0,035·5694+0,05·2100+0,04·7500+5,62·80+2,27·75+1,25·21+240=1592 кВт.

6.2. Мощность СЭС.

Мощность СЭС должна выбираться с коэффициентом запаса К_з=1,2 при выходе из строя одного из основных источников электроэнергии:

,

где z=4 - количество агрегатов СЭС. кВт.

Принимаем по справочникам ВД «Нахаб поляр», Швеция, SF1RS (6ЧН25/32) с мощностью N_е=667,5 кВт и g_е=206 г/кВт*ч.

7. Расчет мощности вспомогательной котельной установки.

Основными потребителями пара на судах являются технологические линии, системы парового отопления, бытовые потребители (камбуз, прачечная, т.д.) Обычно используется насыщенный пар давлением 0,2¸0,7МПа и температурой 110¸130⁰С.

7.1. Производительность котельной установки.

Д_к=0,062·N_e+0,125·Д+75·Q_рму+1,25· Q_ма+15·Q_оп+87,5·Q_к+5·j,

где N_e=5694 кВт - номинальная мощность ГД;

Д=7500 т - водоизмещение судна;

Q_рму=75 т/сут - суточная производительность рыбомучной установки;

Q_ма=80 т/сут - производительность морозильных аппаратов;

Q_оп=60 т/сут - производительность опреснителя;

Q_к=21 туб/сут - производительность консервных линий;

j=75 чел - численность экипажа.

Д_к=0,062·5694+0,125·7500+75·75+1,25·80+15·60+87,5·21+5·75=9799кг/ч.

7.2. Расчетная производительность котельной установки.

Она должна быть на 15¸25% выше максимальной потребности, что компенсирует снижение паропроизводительности в процессе эксплуатации.

Д_к^рас=(1,15-1,25)·Д_к=(1,15-1,25)· 9799=(11268,85-12248,75) кг/ч.

Принимаем Д_к^рас=11500 кг/ч.

примем вспомогательный паровой котёл КАВ 16/16. Рабочее давление 0,16 МПа, производительность котельной установки равна Д_к=16 т/ч, КПД=0,78, масса котла М=19,4 т, расход топлива составляет 1300 кг/ч.

Более точно требуемая производительность котельной установки оценивается суммированием расходов пара всеми потребителями с учетом коэффициента одновременности работы. Однако в силу отсутствия необходимых данных в рамках курсового проекта данный расчет не производим.

7.3. Утилизационный котёл.

Для глубокой утилизации теплоты и экономии топлива устанавливаем на судне утилизационный котел, который выбирается в соответствии с расходом и температурой отработавших газов.

G_г=g_e·N_e·(a·L_o+1),

где g_e=0.186 кг/(кВт·ч) – удельный эффективный расход топлива ГД;

a=1,9 - коэффициент избытка воздуха;

a_S=5400*g_e/t_Т=5400*0,186/295=3,4 – коэффициент избытка воздуха для четырёхтактных двигателей, t_Т=295 °С – температура газов за турбонагнетателем

G_г=0,186·5920(14,3·3,4+1)=54,6 т/ч] принимаем прямоугольный утилизационный паровой котёл типа КУП 150 С.

Таблица 8.1 – КУП 150 С.

Температура газов до котла, °С	Расход газов, т/ч	Температура газов за котлом, °С	Число змеевиков	Сопр. котла, мм вод ст.	Габариты утил. котла	Масса котла, кг
	42/55	225/235	(24) ряда		3080*2640* *4075	Сухого	С водой

Топливная система.

8.1. Определение производительностей и напоров топливоперекачивающих насосов

Для перекачивания каждого сорта топлива из танков основного запаса в отстойные и далее в расходные цистерны на судне предусматривается уста­новка топливоперекачивающих насосов (не менее двух). Подача каждого из насосов должна быть равна:

м³/ч, для мазута Ф12

м³/ч, для дизельного топлива

где G_max=2401,12 и 550,02 кг/ч – максимальный часовой расход мазута и дизельного топлива;

t= 0,5…1,0 ч – продолжительность работы насоса за один пуск, ч.

Примем t=0,7ч;

t₀ = 20 и 4 ч – время, необходимое для отстоя мазута и дизельного топлива;

r=960 и 860 кг/м³ – плотность мазута марки Ф₁₂ и дизельного топлива, кг/м³.

Расчёт ведём по ДТ ГД, поскольку он его потребляет в единицу времени при пуске и остановке больше, чем все ВДГ.

В то же время топливоперекачивающий насос должен обеспечивать перекачку суточного расхода соответствующего топлива за t₁= 1…2 ч, а также перекачку топлива из наибольшей по объему цистерны не более чем за время t₂= 2…4 ч (в м³/ч): м³/ч,

м³/ч,

Кроме того, топливоперекачивающие насосы судов ФРП должны обеспечивать передачу топлива другим судам с интенсивно­стью 100 м³/ч при водоизмещении судна более 1900т. Так как количество топливоперекачивающих насосов равняется двум, то производительность каждого должна быть 75 м³/ч.

Окончательно примем производительность топливоперекачивающих насосов равной 75 м³/ч.

Напор топливоперекачивающих насосов обычно составляет: 0,2…0,5 МПа.

Примем: p_н= 0,4 МПа.

8.2. Топливоподкачивающие насосы.

Топливоподкачивающие насосы предназначены для подачи топлива от расход­ных цистерн к топливным насосам высокого давления двигателей и к форсункам кот­лов. Подачу топлива (в м³/ч) соответствующего сорта можно определить по формуле:

м³/ч » 3 м³/ч, для мазута Ф12 (7.4)

м³/ч » 1,5 м³/ч, для дизельного топлива.

где k_з= 1,10…1,15 - коэффициент запаса.

Напор, создаваемый топливоподкачиваюшими насосами, составляет обычно 0,25…0,50 МПа, в некоторых установках до 1,2 МПа.

Примем: p_н = 0,5 МПа.

.

8.3. Сепараторы топлива.

Поскольку двигатель работает на тяжёлом топливе, а его пуск и остановка – на дизельном, то в системе топливоподготовки предусмотрим три сепаратора.

Производительность сепараторов для тяжёлого топлива (в м³/ч) определяем из выражения:

м³/ч, для мазута Ф12 (7.5)

м³/ч, для дизельного топлива.

где G_max – максимальный часовой расход топлива, кг/ч;

t_сеп= 7,5…11,5– время сепарации топлива в течение суток, ч;

k – коэффициент сепарации, представляющий собой отношение динами­ческих вязкостей топлива при нормальных условиях и условиях се­парации, для мазута Ф12 и для дизельного топлива k=0,444 и 1,0 соответственно.

Принимаем по два сепаратора Q_сеп=15 м³/ч для мазута Ф12 и Q_сеп=3 м³/ч для дизельного топлива.

8.4. Подогреватели топлива.

8.4.1. Количество тепла, необходимого для подогрева мазута.

Q_т=G^мазут_мах ·С_т·(t_т2-t_т1),

где G^мазут_мах=2401 кг/ч – максимальный часовой расход мазута;

С_т=2,1 – теплоёмкость мазута;

t_т1=10 ^оС, t_т2=80 ^оС – температура мазута до и после подогревателя соответственно.

Q_т=2401 ·2,1·(80-10)=352947 кДж/ч.

8.4.2. Количество пара, необходимое для подогрева мазута.

,

где i_к, i₁ – энтальпии греющего пара и дренажа соответственно.

кг/ч.

8.4.3. Температурный напор в подогревателе.

,

Где t_s=150 ^оС – температура насыщения греющего пара.

^оС.

8.4.4. Площадь поверхности нагрева.

,

где К-коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к мазуту, К=90-200 Вт/(м²·К), принимаем К=150 Вт/(м²·К);

м².

8.5. Отстойные цистерны.

Если топливные танки используются в качестве балластных, целесообраз­но предусматривать 1-2 отстойные цистерны, емкость которых выбирают ис­ходя из среднечасового расхода топлива и необходимого времени отстоя, м³:

м³, для мазута Ф12 (7.6)

м3/ч, для дизельного топлива.

где t_от –время отстоя, ч;

k_от = 1,05…1,08 – коэффициент, учитывающий загромождение цистерн набором и арматурой.

Примем: V_оц=60 м³ для мазута Ф12 и V_оц=5,5 м³ для дизельного топлива.

8.6. Расходные цистерны.

Для каждого сорта топлива на судне устанавливают сдвоенные расходные цистерны. Емкость каждой из них должна быть достаточной для обеспечения СЭУ соответствующим сортом топлива не менее, чем на четырехчасовую вахту:

м³, для мазута Ф12 (7.7)

м³, для дизельного топлива.

k_рц = 1.05…1.08 – коэффициент, учитывающий загромождение цистерн набором и арматурой.

Рисунок 2. Топливная система: 1 - танки запаса; 2 - клапанная коробка; 3 - приемный фильтр; 4, 14 - топливоподкачивающие насосы; 5 - отстойные насосы; 6 - расходные насосы; 7 - газовая ловушка; 8 -расходная цистерна; 9 - пробковый кран; 10 - расходомер; 11 - подогреватели; 12 - смесительная цистерна; 13 - фильтр Г.О.; 15 - клапаны постоянного давления; 16 - ТНВД; 17 - дизель; 18 - фильтр Т.О.; 19 - автоматический регулятор вязкости; 20 - сепараторы тяжелого топлива; 21 - сепаратор дизельного топлива; 22 – подогреватель топлива.

9. Система смазки.

9.1. Насосы.

9.1.1. Маслоперекачивающий насос.

На судне должен быть один маслоперекачивающий насос, подача которого не регламентируется. В зависимости от мощности СЭУ и запасов масла на борту подача маслоперекачивающего насоса составляет 3¸15 м³/ч.

9.1.2. Циркуляционный насос смазки ГД.

Подачу циркуляционного насоса определяют из условий отвода теплоты трения.

,

где a_тр=0,4¸0,45 - доля теплоты трения, отводимая маслом, принимаем a_тр=0,45;

h_м=0,8¸0,9 - механический КПД ГД, принимаем h_м=0,88.

кДж/ч, для ГД

кДж/ч, для ВДГ

Подача циркуляционного насоса.

,

где К_з=1,5 - коэффициент запаса подачи;

С_м=1,7¸2,1 кДж/(кг·К) - теплоемкость масла, принимаем С_м=2,0 кДж/(кг·К);

r_м=830¸850 кг/м³-плотность масла, принимаем r_м=840 кг/м³;

t_м2, t_м1 –температура масла на выходе из двигателя и маслоохладителя соответственно, (t_м2-t_м1)=10 ⁰С.

м³/ч

При использовании циркуляционного масла для охлаждения поршней подача циркуляционного насоса должна быть увеличена из расчета отвода теплоты трения:

кДж/ч, (10.3)

где a_пш= 0,05 - доля теплоты сгорания топлива, отводимая от поршней.

Для главной передачи

Q_p= кДж/ч, (10.4)

Тогда подача циркуляционного масляного насоса ГД будет равна:

м³/ч, для ГД

м³/ч, для редуктора,

м³/ч, для ВДГ.

Примем Q_ц= 250 м³/ч, 20 м³/ч и 25 м³/ч.

где Q_р– количество теплоты, отводимое маслом от главной редукторной передачи.

где 0,35 – доля теплоты трения главной редукторной передачи, отводимая маслом;

0,97 – КПД главной редукторной передачи.

Напор циркуляционных насосов масла составляет при охлаждении поршней 0,8 МПа.

9.2. Масляные сепараторы.

Центробежные сепараторы (1 или 2) подключают параллельно циркуляционному контуру. Примем количество центробежных масляных сепараторов равным двум, а их производительность равной Q_мс= 0,3 м³/ч.

9.3. Охладитель масла.

9.3.1. Температурный напор.

Температурный напор определяется температурами масла и забортной воды на входе и выходе из охладителей:

(10.6)

Значение t_м2 обычно принимают равным 55…65 °С, t_м1 ниже на 5…10 ⁰С, t_зв1 = 32 ⁰С, а степень ее подогрева не более 7…15 ⁰С.

Примем: t_м1= 65 ⁰С, t_м2= 55 ⁰С, t_зв2= 42 ⁰С, t_зв1= 32⁰С.

⁰С.

9.3.2. Площадь поверхности теплообмена маслоохладителя.

,

где К – коэффициент теплопередачи, который для трубчатых маслоохладителей составляет 180-600 Вт/(м²·К)

м², для ГД,

м², для ВДГ.

9.4. Подогреватель масла.

9.4.1. Количество тепла, необходимого для подогрева масла.

Для подогрева масла перед запуском ГД и перед сепарацией будем ис­пользовать один подогреватель. Площадь его поверхности должна быть доста­точной для передачи тепла (в кДж/ч):

(10.7)

где G_м= 250 кг/ч – количество подогреваемогомасла;

t_м1= 20 ⁰С и t_м2= 45 ⁰С – начальная и конечная температуры масла.

Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к маслу ориентировочно примем: с_м= 150 Вт/м².

кДж/ч, для ГД

кДж/ч, для ВДГ

Рассчитаем площадь поверхности нагрева подогревателя масла.

Температурный напор равен:

⁰С, (10.8)

где t_s= 320 ⁰C- температура насыщения греющего пара.

Площадь поверхности нагрева определяем по формуле:

м², для ГД (10.9)

м², для ВДГ.

9.5. Сточно-циркуляционные цистерны.

Емкость сточной цис­терны должна быть достаточной для размещения всего находящегося в системе масла при ее заполнении на 60…70 %. Количество масла в системе определяется кратностью циркуляции масла, которая равна примерно 40…50. Емкость цистерны рассчитывается по формуле (в м³):

м³, для ГД (10.10)

м³, для ВДГ

где Q_ц=250 м³/ч – подача циркуляционного насоса;

k = 1,03 – коэффициент, учитывающий загромождение цистерны арматурой, набором;

п=50 – кратность циркуляции, 1/ч.

9.6. Цистерна сепарированного масла.

На судах, где применяется непрерывная система циркуляционного масла сепараторами и имеется несколько цистерн для хранения запаса масла, цистерны сепарированного масла не устанавливаются.

Рисунок 3. Система смазки: 1- сливной танк; 2 - самоочищающийся фильтр ТО; 3 - автоматический регулирующий клапан; 4 - редукционный клапан подачи масла для смазки подшипников; 5 - приемная фильтрующая сетка; 6 - приемный масляный фильтр ГО; 7 - масляные насосы; 8 - манометры; 9 - сепараторы масла; 10 - термометры; 11 - смотровые стекла; 12 - цистерна запасного масла; 13 - цистерна для ручного разбора масла; 14 - танк циркуляционного масла.

10. Система охлаждения.

10.1. Циркуляционный насос пресной воды.

В системе охлаждения двигателя должны быть установлены два циркуляцион­ных насоса пресной воды. Т.к. каждый из вспомогательных двигателей имеет самостоятельный на­сос водяного охлаждения, то их резервирование не требуется.

Рисунок 4.Система забортной воды: 1- кингстонная коробка; 2- кингстон; 3- фильтр; 4- насосы забортной воды; 5- водоохладители; 7- байпасный трубопровод; 8- трубопроводы к охладителям системы охлаждения форсунок, ВДГ, компрессоров.

Рисунок 5. Система охлаждения пресной воды: 1- водоохладители; 2- клапан подвода забортной воды; 3,4- охлаждающие насосы; 5- расширительная цистерна; 6- автоматические регуляторные клапаны; 7- вспомогательные ВДГ; 8- ГД; 9- клапан подогрева ГД от ВДГ; 11- аварийный клапан забортной воды; 12- опреснитель.

Расход воды на главные и вспомогательные двигатели устанавливается заводом-изготовителем. Поскольку таких данных нет, то расход воды на охлаждение оцениваем по выражению:

(11.1)

где k_з = 1,1…1,2 – коэффициент запаса подачи;

= 0,15 – доля теплоты сгорания топлива, отводимая в пресную воду;

c_пр = 4,2 кДж/(кгК) –теплоемкость воды;

t_пр1 = 65 ⁰С, t_пр2 = 80 ⁰С - температура пресной воды на входе в двигатель и на выходе из него.

Производительность охлаждающего насоса пресной воды ГД: м³/ч.

Примем: Q^гд_пр= 150 м³/ч.

Производительность охлаждающих насосов пресной воды ВДГ:

м³/ч.

Примем: Q^вдг_пр = 16 м³/ч.

Обычно напор циркуляционных насосов пресной воды составляет 0,2…0,3 МПа.

Примем напор насосов равным: Н_пр = 0,3 МПа.

10.2. Циркуляционный насос забортной воды.

Все сказанное относительно количества насосов пресной воды распространяется и на насосы охлаждения забортной воды. В общем виде подача циркуляционных насосов устанавливается из условия отвода тепла от всех объ­ектов охлаждения при заданных температурных режимах:

, (11.2)

где с_зв = 4,0 кДж/ (кгК) – теплоемкость забортной воды;

= 1025 кг/м³ – плотность забортной воды;

Q _i – тепло, отводимое от i-ro объекта охлаждения, кДж/ч;

t_i – температура забортной воды на выходе из i-го объекта охлажде­ния, °С;

t_зв= 30 ⁰С – расчетная температура забортной воды;

Для ГД:

Величина тепла, отводимого с маслом, была найдена в предыдущем разделе:

Q_м = 2467340,6 кДж/ч, ГД; Q_м =223776 кДж/ч, редуктор; Q_м =120150 кДж/ч, ВДГ.

Найдем величину тепла, отводимого с пресной водой:

кДж/ч, для ГД

кДж/ч, для ВДГ.

Тогда производительность насоса забортной воды:

м³/ч, для ГД и редуктора,

м³/ч, для ВДГ.

Примем: Q_зв = 60 м³/ч и 6 м³/ч.

10.3. Охладители пресной воды.

10.3.2. Температурный напор.

⁰С,

где t_пр1 и t_пр2 – температура пресной воды на входе и выходе из холодильника;

t_зв1 и t_зв2 – температура забортной воды до и после холодильника.

10.3.3. Площадь поверхности охлаждения пресной воды.

,

где K=1200¸4000 Вт/(м²·К)- коэффициент передачи от воды к воде, принимаем К=4000 Вт/(м²·К).

м³, для ГД,

м³, для ВДГ.

10.4. Расширительные цистерны.

Объем расширительной цистерны должен быть не менее 10 % объема системы охлаждения пресной водой. Объем системы охлаждения можно оценить по удельному расходу пресной воды, ко­торый по статистическим данным составляет 45…60 л/(кВтч). Объем воды в системе охлаждения ГД:

л. Объем воды в системе охлаждения каждого ВДГ:

л л.

Объем расширительной цистерны ГД:

л.

Объем расширительной цистерны каждого ВДГ:

л.

11. Система сжатого воздуха.

Рисунок 6. Система сжатого воздуха: 1,2,6,7-воздухохранители; 3- к потребителям; 4- ГД; 5- ВДГ; 8- влагомаслоотделитель; 9- аварийный компрессор; 11- главный компрессор.

11.1. Воздухохранители.

Запас сжатого воздуха для запуска ГД должен содержаться не менее чем в двух воздухохранителях или в двух группах воздухохранителей. При этом в каждом воздухохранителе должно содержаться не менее половины требуемого количества воздуха на 12 пусков каждого реверсивного ГД.

В случае установки на судне винта регулируемого шага запас воздуха может быть уменьшен, но при этом его должно быть достаточно не менее чем для 6 пусков. Для запуска вспомогательных дизелей предусматривается один воздухохранитель, объем которого был бы достаточным для 6 пусков самого мощного из них. Кроме того, должна быть предусмотрена возможность запуска вспомогательных двигателей от одного из воздухохранителей ГД. Суммарный объем воздухохранителей ГД:

11.1.1. Суммарный объем воздухохранителей ГД.

,

где g_в – удельный расход воздуха на запуск ГД, м³на 1 м³ рабочего объема всех цилиндров , g_e составляет 6…9 м³ на 1 м³ рабочего объема цилиндров;

z = 6 – число пусков (для судна с ВРШ);

i = 1 – число ГД;

P= 3,5 МПа – рабочее давление в воздухохранителях;

P_min –минимальное давление, при котором еще возможен пуск, примем: P_min= 1,2 МПа;

P₀ = 0,1 МПа – атмосферное давление.

м³, (12.2)

где z_ц = 16 – количество цилиндров;

D = 0,32 м – диаметр цилиндра ГД;

S = 0,35 м – ход поршня ГД.

м³.

Произведение g_вi представляет собой расход воздуха на запуск двига­теля из холодного состояния:

м³. (12.3)

Объем одного баллона сжатого воздуха:

м³.

От одного из воздухохранителей ГД допускается использовать воздух для работы тифона, а также на хозяйственные нужды при соответствующем увели­чении емкости воздухохранителей и обеспечении автоматической подкачки воздуха при понижении давления в воздухохранителях до 0,49 МПа. С учетом этого увеличим емкость каждого из баллонов до V ^гд_б = 0,25 м³.

Емкость воздухохранителей для вспомогательных двигателей определяет­ся аналогично:

g_в = 9 м³на 1 м³ рабочего объема всех цилиндров ВДГ;

z = 6 – число пусков;

P= 3,5 МПа – рабочее давление в воздухохранителях;

P_min= 1,2 МПа;

z_ц = 12 – количество цилиндров ВДГ;

D = 0,23 м – диаметр цилиндра ВДГ;

S = 0,28 м – ход поршня ВДГ.

м³. (12.4)

Таким образом, емкость баллона сжатого воздуха для пуска вспомогательных дизель-генераторов:

м³. (12.5)

Произведение g_в представляет собой расход воздуха на запуск вспомогательного дизель-генератора из холодного состояния:

м³. (12.6)

Так как на судне аварийный дизель-генератор отсутствует, а в качестве аварийного источника электроэнергии используются аккумуляторы, то предусматривать установку на судне других баллонов сжатого воздуха нет необходимости.

12.2.Определение производительности воздушных компрессоров

На судах неограниченного района плавания должно быть установлено два компрессора, один из которых может быть навешенным. В этом случае подача автономного компрессора должна составлять не менее 50 % от общей.

Общая производительность компрессоров должна обеспечивать заполне­ние воздухом (в течение 1 часа) всех воздухохранителей ГД, при этом давление изменяется от атмосферного давления Р₀ до рабочего Р:

м³/ч. (12.7)

Для первоначального пуска одного из дизель-генераторов на судне преду­сматривается компрессор с дизельным или ручным приводом, подача которого должна быть достаточной для заполнения отдельного воздухохранителя, рас­считанного на трехкратный запуск дизель-генератора:

м³. (12.8) м³/ч м³/ч (12.9)

12. Механизмы и оборудование вспомогательных КУ.

12.1.Определение производительности топливного насоса

Подача топливоперекачивающего насоса составляет:

м³/ч.

Подача топливного насоса может быть найдена из выражения:

м³/ч, (13.1)

где к_з = 1,1…1,15 – коэффициент запаса.