Выбор оборудования и устройств систем СЭУ

Основой для выбора оборудования и устройств систем СЭУ является:

- тип и мощность главных двигателей, расходы топлива и масла;

- габариты отсека МКО, принципы размещения основного оборудования;

- виды комплектации оборудования (агрегаты, блоки, модули);

- параметры рабочих сред;

- условия эксплуатации установки;

-состав вспомогательного комплекса (автономные и утилизационные котлы, водоопреснительная установка, СЭС).

В определение параметров оборудования входят расчеты подачи насосов и мощности их приводов, а также площади поверхности теплообменных аппаратов.

Трубопроводы являются элементами СЭУ, по которым производится транспортировка рабочих сред к потребителям пропульсивной установки и общесудовым потребителям. Трубопроводы систем СЭУ выполняются из стандартных элементов, регламентированных ГОСТ, ОСТ и судостроительных нормалей. Характеристикой любого трубопровода является условный проход, который однозначно связан с размерами всех входящих в него элементов. Основой для выбора материала для трубопроводов служит условное давление и температура рабочей среды.

Основными для СЭУ являются системы сжатого воздуха, охлажде­ния, масляная, топливная и газовыпуска .

Последовательность проектирования и объем работы на каждом этапе приведены ниже.

1. Разрабатывают принципиальные схемы каждой системы главной и вспомогательной энергетических установок с учетом требований надежности, живучести и удобства эксплуатации, предусмотренных Правилами Регистра.

Схему вычерчивают в одну линию без соблюдения масштаба, лучше это сделать на плане машинного отделения. Взаимное расположение механизмов и оборудования принимается близким к фактическому его размещению на судне.

В разработанной схеме должны быть предусмотрены все необходимые механизмы, оборудование и емкости, которые подлежат дальнейшему расчету.

2. Производят расчет параметров механизмов, объемов цистерн и другого оборудования входящего в состав систем.

3. На основании расчета выбирают по каталогам комплектующее оборудование с оптимальными показателями по КПД, массе и габаритам.

Система сжатого воздуха

Система обеспечивает сжатым воздухом необходимого давления пуск и реверс главных двигателей, пуск вспомогательных двигателей, работу пневматических систем автоматики и управления, работу при­боров звуковой сигнализации, продувку кингстонов, работу пневмати­ческого инструмента и другие общесудовые и специальные нужды.

Прежде чем приступить к расчёту и выбору механизмов, необходимо дать краткое описание системы с указанием ее назначения, состава оборудования и его характеристик (баллоны пусковые и тифонные, компрессоры, воздухоочистители), давление воздуха в системе, материала труб и арматуры. Далее производится определение емкости пусковых баллонов из условия обеспечения необходимого числа пуска двигателей в соответствии с требованиями Правил Регистра. Расход воздуха на пуск двигателя и минимальное пусковое давление сжатого воздуха принимают по техническим условиям на заданный двигатель. Давление сжатого воздуха в пусковых баллонах рекомендуется принимать для МОД и СОД - 2,5…3 МПа, для ВОД - до 7,5 МПа. В некоторых случаях в установках с МОД и СОД давление доводят до 6…7,5 МПа. Это позволяет уменьшить габариты баллонов. В тех случаях, когда вспомогательные двигатели имеют электростартёрный запуск, ёмкость пусковых баллонов рассчитывается только на пуск главных двигателей. Число баллонов для пуска главных двигателей должно быть не менее двух с равной ёмкостью.

Суммарную ёмкость баллонов определяют по формуле

м³ ,

где v - расход пускового воздуха на м³ объема цилиндра двигателя, который составляет 6…9 м³/м³; - рабочий объём цилиндра двигателя (D_ц – диаметр цилиндра, м; S – ход поршня, м); z – число цилиндров двигателя; n – число двигателей, учитываемых в расчете; m – число последовательных пусков, принимаемое равным для двигателей: главных реверсивных – 12, вспомогательных и главных нереверсивных – 6; P_o - давление окружающей среды, МПа; P - принятое рабочее давление в баллонах, МПа; P_min - минимальное давление , при котором возможен запуск двигателя, в установках с МОД и СОД принимают P_min=1…1,5 МПа, для установок с ВОД значение P_min может доходить до 2,5 МПа.

Необходимая ёмкость пусковых баллонов для вспомогательных двигателей находится по формуле, как и для главных двигателей.

Объём тифонных баллонов определяют по формуле

м³,

где v_н - расход свободного воздуха тифоном, зависящий от условного прохода тифона, давления воздуха и тона звука, v_н = 1...7 м³/мин; - время подачи сигнала без пополнения баллона, =10 мин; Р_2т - минимальное давление в тифонном баллоне, равное 0,5 МПа; Р_1т - на­чальное давление в тифонном баллоне, принимаемое для большинства судов 3 МПа.

Характеристики применяемых на судах тифонов приведены в табл. 3. Таблица 3

Типы судов	Услов-ный проход, мм	Тон звука	Услов-ное дав- ление, МПа	Расход свободно- го воздуха
Малые речные и СПК Речные толкачи, грузовые и крупные пассажирские Мелкие и средние морские Крупные морские		Альт   Тенор   Баритон   Бас	0,4   0,4   0,4   0,4

Общая емкость баллонов для тифона и хозяйственных нужд по опытным данным, в зависимости от размеров судна, составляет на малых судах 0,2…2м³, средних 3…5м³ и крупнотоннажных до 10м³.

После выбора характеристик тифонов по табл. 3 и произведения соответствующих расчетов выбирается тифонный баллон и приводятся его основные характеристики.

Подача компрессора из условия заполнения пусковых баллонов в течение времени 1 ч от P_min, при котором возможен последний пуск и маневр, до рабочего давления P:

м³/ч,

где - суммарный объем пусковых баллонов главного двигателя, м³.

Если в установке имеется больше двух компрессоров, их суммарная подача должна быть достаточной для заполнения в течение 0,5 ч всех баллонов от P_min до рабочего Р.

Система охлаждения

Прежде чем приступить к расчету, нужно дать краткое описание системы: назначение, состав оборудования (донная арматура, фильт­ры, насосы, холодильники, расширительные бачки и др.), тип системы охлаждения, материал труб и арматуры, контрольно-измерительные приборы, способ охлаждения автономных компрессоров и дейдвудных подшипников.

В машинном отделении должно быть не менее двух приемных кингстонов. Причем один кингстон устанавливают на днище судна, а другой на борту или на ящике забортной воды. Кингстоны соединяют между собой и воду отбирают от соединительной перемычки. На линии охлаждающей воды устанавливают парные фильтры. Насосы пресной (внутреннего контура) и забортной воды, также холодильник на судах речного флота обычно навешены на двигатель, поэтому их не рассчитывают и не выбирают. На судах морского флота эти насосы обычно автономные, и в этом случае необходимо определить потребную подачу и выбрать насос.

Подачу насоса пресной (внутреннего контура) воды определяют по формуле

, м³/с,

где k_З - коэффициент запаса подачи, k_З = 1,2…1,3; a - доля теплоты, отводимая пресной (внутреннего контура) водой от всего количества теплоты, введенного с топливом, определяемая по формуле: ; - плотность воды, равная 1000 кг/м³; c - теплоемкость пресной воды, равная 4,19 кДж/кг·К; Δt – разность температур воды на входе и выходе из двигателя, принимаемая 10…12 ^оС.

Подача насоса забортной воды рассчитывается по формуле

, м /c,

где - коэффициент запаса, учитывающий расход забортной воды на охлаждение компрессоров, дейдвудных подшипников и т.д., равный 1,4...1,5; а_м - доля теплоты, отводимая с маслом, рассчитанная по формуле ; - теплоемкость забортной воды. Если вода соленая, то её можно принять в среднем равной 3,98 кДж/кг·К; Δt – расчётный перепад температуры забортной воды, равный 15...20°С.

С целью унификации насосы пресной и забортной воды рекомендуется принимать с одинаковой подачей. Необходимое давление насосов должно быть не менее 0,2…0,3 МПа.

Мощность, кВт, потребляемая насосом:

где Q - подача насоса, м³/с; Р - давление, кПа; η_н - КПД насоса; k - коэффициент запаса мощности, равный 1,3…1,5 при мощности электродвигателя до 4 кВт и 1,1…1,2 при мощности свыше 4 кВт;

Поверхность охлаждения холодильника системы охлаждения определяется по формуле

, м²,

где k - коэффициент теплопередачи, который составляет для холодильника без турбулизаторов: трубчатый с d = 10…15 мм k =1,4 кВт/м²К, трубчатый с d < 10 мм k =3 кВт/м²К; с турбулизаторами в круглых трубках или плоскими трубками кВт/м²К; Δt_ср- средняя логарифмическая разность температур:

,

при ; ^oC,

где - температура пресной (внутреннего контура) воды на выходе из двигателя, равная 60…65°С для МОД и 75…90°С для СОД и ВОД; – температура пресной (внутреннего контура) воды за холодильником, принимаемая на 8…10°С меньше температуры за двигателем; - температура забортной воды перед водяным холодильником равная 33…35°С (после масляного холодильника); - температура забортной воды после водяного холодильника, равная, 45…50^oС.

Масляная система

Приступая к расчету, вначале необходимо дать описание системы с указанием назначения системы, состава оборудования (перечислить расходные, циркуляционные, масляные цистерны, насосы, сепараторы, цистерны отработавшего масла, холодильники, фильтры, терморегуляторы и др.). Затем указываются: тип системы смазки – с «сухим» или «мокрым» картером, количество и марка масла в системе, срок службы масла главных и вспомогательных дизелей, материал труб и арматуры, контрольно-измерительные приборы. Все эти данные можно взять из технических условий на поставку главных и вспомогательных дизелей или в инструкциях по эксплуатации.

Оборудование масляной системы, относящееся непосредственно к двигателю, т.е. навешенное на него, не рассчитывают, но указывают при его описании.

Далее определяются параметры комплектующего оборудования.

По назначению масляные насосы могут быть: перекачивающие, циркуляционные (нагнетательные и откачивающие) и прокачивающие (для прокачки двигателя перед пуском).

Перекачивающие насосы служат для перекачки масла из одной емкости в другую. Подачу такого насоса м /с, выбирают, исходя из необходимого времени перекачки требуемого объема масла:

,

где V - объем масла, м³; τ - время перекачки, которое может быть принято равным 0,5…1 ч., но не должно превышать 3 ч.; k - коэффициент запаса по подаче, равный 1,15…1,18.

Как правило, подача циркуляционных насосов определяется заво­дом и в проекте не рассчитывается. При отсутствии данных о подаче насоса она определяется в зависимости от общего количества теплоты, которую необходимо отвести.

Подача масляного насоса Q_м, м³/с, определится по формуле

где = 830…850 кг/м³ - плотность масла; - теплоемкость масла, кДж/кг К; - температурный перепад масла в масляном холодильнике, ^OC.

Подача откачивающих масляных насосов принимается в 2…2,5 раза выше, чем подача нагнетательного, но при меньшем давлении (не более 0,1…0,15 МПа).

Мощность, потребляемая насосом, определяется аналогично мощности насоса системы охлаждения. Давление циркуляционного масляного насоса для МОД составляет 0,2…0,3 МПа, для СОД - 0,3…0,5 МПа и для ВОД - 0,4…1,2 МПа.

Для предпусковой прокачки двигателя маслом ставят ручной или электронасос с небольшой подачей. Циркуляционные цистерны заполняются маслом также с помощью ручного насоса.

Для очистки масла в систему включается сепаратор. Производи­тельность сепаратора Q_v, м³/ч, выбирают из расчета возможности пропустить за 1...3 ч всё масло циркуляционной системы. Она определяется по формуле

,

где V_мц - объем масла в циркуляционной системе, м³; τ = 1…3 ч - время прокачки.

Число сепараторов принимают равным 1…2 в зависимости от их производительности. Для сбора отходов сепарации должна быть предусмотрена цистерна грязного масла.

Масляные холодильники, как правило, поставляются с двигате­лем. При необходимости выбора холодильника его поверхность охлаждения F, м², определяют по формуле

где k – коэффициент теплопередачи, который составляет без турбулизатора 0,27…0,95 кВт/м²К, а для холодильника с турбулизатором 0,35…1,17 кВт/м²К; Δt_ср - средняя разность температур масла и воды:

^оС,

здесь - температура масла перед и за холодильником, принимается соответственно 45…55^оС и 35…40^оС; - температура забортной воды перед и за холодильником, принимается соответственно 28… 30°С и 33...35^оС, если несколько холодильников включено последовательно ^ОС.

Суммарное количество масла ∑G_м, т, заливаемое в картеры главных и вспомогательных двигателей, оценивают по формуле

где ρ_м - плотность масла, можно принять ρ_м= 900 кг/м³; ёмкость маслосборника главного двигателя, м³; V'_мс = ёмкость маслосборника вспомогательного двигателя,м³; k − количество главных двигателей; k' − количество вспомогательных двигателей; k – коэффициент, учитывающий "мертвый объём" маслосборников,

Объём сточно-циркуляционной цистерны принимают на 40…50% больше хранящегося масла. Это объясняется тем, что масло в цистерну поступает нагретым и вспененным, и поэтому цистерна заполняется обычно не более чем на 0,7...0,8 высоты. Объём сточно-циркуляционной цистерны, м³, определяют по формуле

где Q_v - подача насоса, м³/ч; z - кратность циркуляции масла для МОД равна 4…15, для СОД – 23…60, для ВОД – 75…100, для редукторов – 5…15, для газотурбонагнетателей - 7...12; k =1,05...1,07 - коэффициент, учитывающий "мёртвый" остаток.

Объем цистерн расходных или сепарированного масла, м³, зависит от вместимости систем смазки двигателей и определяется по формуле

,

где V_мсz – вместимость каждого маслосборника или картера работающих главных и вспомогательных двигателей, м³.

Топливная система

Вначале дается краткое описание системы с указанием: назначения системы, сорта топлива (марка, ГОСТ), используемого для главных, вспомогательных двигателей и автономных котлов, состава оборудования (отстойные, расходные и утечного топлива цистерны, дежурно-топливные и топливоперекачивающие насосы, сепаратора и т. д.). Указывается материал труб и арматуры, контрольно-измерите­льные приборы.

Далее определяют параметры комплектующего оборудования.

Подача насосов системы в общем случае определяется по выраже­нию

, м³/ч,

где V - объем топлива, который необходимо перекачать на номинальном режиме работы установки, м³; τ - время, в течение которого необходимо перекачать заданный объем, ч; i - число одновременно действующих насосов; k=1,15…1,18 - коэффициент запаса по подаче.

Мощность, потребляемая насосом, определяется аналогично мощности насоса системы охлаждения. При определении параметров топливоперекачивающего насоса принимается, что подача насоса должна быть такой, чтобы обеспечить откачку топлива, из наибольшей по объему цистерны основного запаса V_оз , м³, за время = 2...4 часа. В то же время насос должен обеспечить перекачку не менее суточного расхода топлива главным двигателем за время =1…2 часа.

где В - часовой расход топлива главным двигателем, кг/ч; b_е - удельный расход топлива, кг/кВт·ч; N_е - мощность главного двигателя, кВт; ρ - плотность топлива, кг/м³.

Давление, развиваемое насосом, принимается от 0,25 до 0,5 МПа. В установках, где поставлен отдельный топливоперекачивающий насос легкого топлива, его подача должна обеспечить перекачку не менее четырёхчасового расхода топлива за время τ₂ =0,2…0,5 ч при давлении 0,2…0,4 МПа.

Топливоперекачивающие насосы должны в 1,5…2,5 раза превышать часовой расход топлива двигателем. Давление, развиваемое насосом, принимается равным 0,25…0,5 МПа.

Для подачи топлива из цистерны основного запаса в расходную устанавливают дежурный насос, подача которого выбирается из условия заполнения расходной цистерны за 20…30 мин:

, м³/с,

где V - объём заполняемой цистерны, м³.

Расчетное давление дежурного насоса принимается 0,15…0,2 МПа.

Производительность устанавливаемого для очистки топлива сепаратора определяют из условия очистки суточного расхода топлива за 8...12 ч:

м³/ч.

В проекте следует предусмотреть установку цистерн приема остатков после сепарации и грязного топлива (отстоя).

Для поддержания вязкости топлива в допустимых пределах в состав системы включают подогреватели. При расчете подогревателя определяется теплообменная поверхность.

Расчет ведут в следующей последовательности. Поток теплоты Р, кВт, подводимой к рабочей жидкости для доведения ее до температуры, при которой она будет иметь требуемую вязкость, составит:

Греющая поверхность подогревателя F, м²:

Расход греющего пара G, кг/ч:

В этих формулах: Q_v - расход подогреваемой жидкости, м³/ч; ρ - плотность подогреваемой жидкости, кг/м³; с - теплоемкость подогреваемой жидкости (может быть принята с=1,68…2 кДж/кг·К); T₁, T₂ - начальная и конечная температура жидкости, К; k₁= 1,1…1,15 — коэффициент запаса греющей поверхности; k – коэффициент теплопередачи, который может быть принят: от воды к воде – 1,2…2,3 кВт/м²·К, от конденсирующегося пара к воде – 2,9…4 кВт/м²·К, от конденсирующегося пара к маслу (мазуту)– 0,12…0,4 кВт/м² ·К, - температурный напор; T_s – температура греющего пара при рабочем давлении МПа; i , i – энтальпия греющего пара и конденсата, кДж/кг; η =0,97…0,98 – КПД подогревателя.

Объём расходной цистерны принимается из условия хранения не менее 12-часового расхода тяжелых сортов топлива и не менее 8-часового расхода дизельного топлива, м³:

Целесообразно устанавливать отдельные расходные цистерны на каждый главный двигатель, а также на вспомогательные двигатели и автономные котлы.

Объём расходных цистерн для вспомогательных двигателей и автономных котлов определяют из условий обеспечения их работы в течение 4 часов (не менее), м³:

Объём отстойных цистерн выбирается таким, чтобы каждая вмещала суточный запас тяжелого топлива, м³:

Объём цистерн вспомогательного назначения составляет на 1000 кВт мощности: цистерны грязного топлива и масла 0,1…0,3 м³, цистерны сбора протечек топлива и масла 0,3…0,1 м³. Объём цис­терн сбора отходов сепарации должен составлять 8…12% суточного расхода топлива.

Газовыпускная система

Вначале дается краткое описание системы с указанием её назначения и состава оборудования (компрессоры, газоотводные трубы, компенсаторы, искрогасители глушители и т.д.), материал труб и изоляции.

Каждый главный двигатель, вспомогательный двигатель и автономный котел оборудуется самостоятельными газовыпускными трубопроводами, которые отводятся на палубу в общий кожух-трубу. Допускается газоотвод делать в корму или через борт в воду. Объединение трубопроводов главных двигателей допускается только после глушителей. При наличии утилизационных котлов и газотурбонагнетателей глушители можно не устанавливать.

Площадь проходного сечения трубопровода F, м², для главных и вспомогательных двигателей:

, м²;

для автономных котлов:

, м²,

где α - коэффициент избытка воздуха при горении, принимаемый для МОД и СОД - 1,7…2,2; для ВОД - 1,45…1,8; для котлов - 1,2…1,3; L - количество воздуха, теоретически необходимое для сгорания 1 кг топлива, кг/кг; = 287 Дж/кг·К - газовая постоянная продуктов сгорания; - температура выпускных газов, которую можно принять за двигателем 573…773К; за утилизационным котлом 453…473К; в газоотводах вспомогательных автономных котлов 423…573К; – давление газа в выпускном коллекторе, равное 103…104 кПа; - часовой расход топлива вспомогательным котлом, кг/ч; с - допускаемая скорость движения газов, принимаемая для четырехтактных ДВС 40…50 м/c; для двухтактных ДВС – 25…30 м/с; для автономных котлов 20…25 м/с.

На судах, перевозящих нефтепродукты и другие легковоспламеняющиеся грузы, а также на буксирах-толкачах, работающих с такими грузами обязательны к установке искрогасители.