PRODUCTION OF THE FUEL CONSUMPTION RATE AS A RESULT OF STEPWISE LOAD CONTROLLING METHOD FOR SHIP IC ENGINES WORKING PARALLELY

Transkrypt

1 Journal of KONES Internal Combustion Engines 2002 No. 3 4 ISSN PRODUCTION OF THE FUEL CONSUMPTION RATE AS A RESULT OF STEPWISE LOAD CONTROLLING METHOD FOR SHIP IC ENGINES WORKING PARALLELY Andrzej Balcerski Politechnika Gdańska i Akademia Marynarki Wojennej w Gdyni tel. (58) Jerzy Herdzik Akademia Morska w Gdyni tel. (58) georgher@wsm.gdynia.pl Abstract In the paper the load controlling method leading to the fuel consumption rate reduction for IC engines working parallely is described. Fuel consumption characteristics for the engines as well as the effects of the method application are considered. ZMNIEJSZENIE ZUŻYCIA PALIWA W WYNIKU STOSOWANIA KROKOWEJ METODY RÓŻNICOWANIA OBCIĄŻEŃ OKRĘTOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH PRACUJĄCYCH RÓWNOLEGLE Streszczenie Referat prezentuje możliwość zmniejszenia sumarycznego zużycia paliwa przez okrętowe silniki spalinowe pracujące równolegle w wyniku różnicowania obciążenia między nimi. Omówiono przykłady charakterystyk zużycia paliwa silników okrętowych. Podano podstawy teoretyczne i opracowaną, oryginalną metodę krokowego różnicowania obciążenia oraz przykład efektów jej stosowania.. Charakterystyki zużycia paliwa spalinowych silników okrętowych W referacie poddano analizie charakterystyki obciążeniowe wysokoprężnych silników okrętowych. Otrzymuje się je w wyniku przeprowadzenia pomiarów zużycia paliwa w określonym czasie oraz wyznaczenia aktualnie rozwijanej mocy (momentu obrotowego i prędkości obrotowej). Dla celów pracy dalszą analizę przeprowadza się z wykorzystaniem charakterystyk określonych punktowo lub charakterystyk opisywanych analitycznie, otrzymanych w wyniku aproksymacji. Ciągły pomiar chwilowego zużycia paliwa przez okrętowe silniki spalinowe jest sporadycznie spotykany w eksploatacji statków marynarki handlowej. Przyczyną takiego stanu są dodatkowe koszty związane z zakupem, montażem i zaimpletowaniem do systemu automatyki urządzeń do pomiaru zużycia paliwa. Spalinowy silnik okrętowy jest urządzeniem na tyle złożonym, że obserwuje się istnienie różnic w zużyciu paliwa już dla nowo zbudowanych silników (tab.) []. 3

2 Jednostkowe zużycie paliwa b [g/kwh] serii silników typu 6AL25/30D Tablica Względne obciążenie silnika [%] Nr silnika średnia rozrzut 4.4% 3.2% 6.68% 0.903% 0.947% W czasie wieloletniej eksploatacji silników okrętowych dochodzi do koincydencji różnych czynników (uszkodzeń, niesprawności, czasu pracy, sposobu eksploatacji, doświadczenia eksploatatora itp.) mających wpływ na zmianę charakterystyki zużycia paliwa. Dochodzi do sytuacji gdzie różnice w zużyciu paliwa pomiędzy silnikami tego samego typu osiągają znaczące wartości [] (tab.2). Tablica 2 Godzinowe zużycie paliwa B ZP [kg/h] przez silniki zespołów prądotwórczych typu 6AL20/24 na statkach typu ms. Kopalnia Siersza po około 0 latach eksploatacji Względne obciążenie zespołu [%] Nr zespołu ZP ZP 2, ZP 4,5, ZP ZP ZP ZP średnia rozrzut % % Zmiany charakterystyk paliwowych silników okrętowych w czasie eksploatacji są trudne do przewidzenia. Dla celów pracy przyjmuje się założenie, że nie ulegają one zmianie w okresie między pomiarami. Sytuacją nadzwyczaj korzystną dla potrzeb stosowania krokowej metody różnicowania obciążeń jest to, że: rozpatrywane silniki pracują w tych samych warunkach zewnętrznych tj. tej samej siłowni, zasysają powietrze o tych samych parametrach itd.; są zasilane tym samym paliwem, o tych samych parametrach (temperatura, lepkość, wartość opałowa). 4

3 Powszechne stosowane zasady (zwane dobrą praktyką morską) zakładają eksploatację silników, pracujących równolegle, ze zbliżonymi obciążeniami względnymi i w sposób zapewniający zbliżone liczby godzin pracy (tzw. motogodziny lub resurs). Podana dalej metoda odchodzi od podanych wyżej zasad. 2. Zasady różnicowania obciążeń w celu zmniejszenia zużycia paliwa Ogólna zasada różnicowania obciążeń, w celu zmniejszenia łącznego zużycia paliwa, w przypadkach charakterystyk o zróżnicowanych kształtach, polega na dociążaniu elementu, którego przyrost zużycia paliwa przy tym wzroście obciążenia jest mniejszy niż spadek zużycia paliwa elementu odciążanego o tę samą wartość obciążenia [4]. Powyższe uwagi pokazują kierunek różnicowania obciążeń prowadzący do zmniejszenia łącznego zużycia paliwa. Nie określają natomiast, granic takiego różnicowania. W przypadku elementów o różnych charakterystykach prostoliniowych różnicowanie obciążeń może zachodzić w całym zakresie dopuszczalnych obciążeń eksploatacyjnych elementów (od mocy biegu jałowego do obciążenia nominalnego). Na rys. zobrazowano sposób postępowania w przypadku różnych charakterystyk aproksymowanych liniami prostymi. Rys.. Schemat wyjaśniający zmianę zużycia paliwa przy zróżnicowaniu obciążenia dwóch silników w przypadku charakterystyk prostoliniowych o różnym nachyleniu Natomiast w przypadku silników o charakterystykach skierowanych wypukłością ku górze lub dołowi, kierunek różnicowania obciążeń może dotyczyć ograniczonego zakresu, przekroczenie którego prowadzi do efektu przeciwnego (rys.2). Granicą różnicowania obciążeń są punkty leżące na charakterystykach, w których następuje zrównanie się nachylenia stycznych (czyli zachodzi równość pierwszych pochodnych względem obciążenia) charakterystyk zużycia paliwa. W przypadku n silników będzie: δb/δn = δb/δn 2 =... = δb/δn i =... = δb/δn j =... δb/δn n () prowadzi to do następującego układu równań: 5

4 N + N B B B... B = B N = B = B... 2 = B i N i n n = ΣN. (2) Rys. 2. Schemat wyjaśniający ograniczenie zakresu różnicowania obciążeń przy charakterystykach zużycia paliwa wygiętych ku dołowi Rozwiązanie układu równań (2) określa podział obciążenia między elementy wybranego zestawu do pracy równoległej zapewniający minimalne sumaryczne zużycie paliwa. Stosowana powszechnie aproksymacja charakterystyk zużycia paliwa wielomianem stopnia drugiego umożliwia proste rozwiązania analityczne. Zbliżenie się do rzeczywistego przebiegu charakterystyk zużycia paliwa może być osiągnięte poprzez: zwiększenie liczby punktów pomiarowych; użycie do aproksymacji wielomianów wyższych stopni. 3. Metoda krokowego różnicowania obciążeń silników okrętowych Różnicowanie obciążeń w celu zmniejszenia zużycia paliwa stosuje się od wielu lat w energetyce lądowej dla zespołów kocioł-turbina parowa-prądnica. W obszarze okrętowych układów energetycznych proponowana metoda krokowego różnicowania obciążeń dotyczyć może: 6

5 siłowni wielosilnikowych diesel-elektrycznych oraz układów ze zbiorczymi przekładniami redukcyjnymi; zespołów prądotwórczych elektrowni okrętowej; opalanych kotłów parowych pracujących równolegle (nie będą tu rozpatrywane). Ze względu na zmienność charakterystyk zużycia paliwa w czasie eksploatacji, punktem wyjścia do praktycznych zastosowań metody winny być wartości zużycia paliwa uzyskane w czasie pomiarów. W dalszym postępowaniu, charakterystyki zużycia paliwa mogą być interpolowane liniowo między punktami pomiarowymi. Przykład takiego schematu postępowania pokazano na rys. 3. Rys. 3. Schemat wyjaśniający sposób różnicowania obciążeń dwóch silników przy wzrastającym obciążeniu: a) wykres przyrostów zużycia paliwa w przedziałach obciążeń; b) sposób obciążania obu silników; b) c) sposób różnicowania obciążeń obu silników według proponowanej metody 7

6 Na rys.3a pokazano hipotetyczne wartości hipotetyczne przyrostów zużycia paliwa w przedziałach obciążeń dla dwóch silników nr i nr 2. Rys.3b przedstawia sposób obciążania obu elementów tak, aby w całym zakresie obciążeń eksploatacyjnych łączne zużycie paliwa było jak najmniejsze. Punkt A odpowiada sytuacji gdy obciążenie każdego z elementów wynosi N, zaś łączne obciążenie ma wartość 2N. Ponieważ w przedziale obciążeń elementów (N N+ΔN) przyrost zużycia paliwa (ΔB/ΔN) <(ΔB/ΔN) 2 to łączny wzrost obciążenia w przedziale (2N 2N+ΔN) powinien być zrealizowany poprzez dociążanie elementu (linia A-B), zaś obciążenie elementu 2 powinno być stałe (linia A-C). Ponieważ pokazany na rys.3a punkt zużycia paliwa elementu w przedziale (N+ΔN N+2ΔN) jest większy niż przyrost zużycia paliwa elementu 2 w przedziale (N N+ΔN), to przy zwiększaniu łącznego obciążenia w przedziale (2N+ΔN 2N+2ΔN) powinien być dociążany element 2 (linia C-D), zaś obciążenie elementu powinno być stałe (linia B-D). Sposób dalszego obciążania elementów odbywa się zgodnie z przedstawiona powyżej zasadą. Na drodze D-E dociążany jest element 2, zaś element pracuje ze stałym obciążeniem (linia D-F). Obciążenia zrównują się w punktach G oraz H, w którym oba elementy pracują z obciążeniami nominalnymi. Rys.3c przedstawia hipotetyczne oszczędności w zużyciu paliwa. 4. Przykładowe efekty stosowania metody Ocena oszczędności zużycia paliwa może dotyczyć wartości bezwzględnych i względnych. Ich określenie wymaga wyznaczenia: bezwzględnych wartości oszczędności zużycia paliwa przez silniki okrętowe, pracujące w określonym stanie eksploatacji przy stosowaniu metody różnicowania obciążeń; całkowitego zużycia paliwa przez silniki okrętowe, pracujące w określonym stanie eksploatacji bez stosowania metody różnicowania obciążeń. Wyznaczenie bezwzględnych wartości oszczędności zużycia paliwa przez elementy w wyniku stosowania metody wymaga znajomości: wartości oszczędności zużycia paliwa w każdym przedziale obciążeń, dla których różnicowano obciążenia; rozkładu (histogramu) obciążeń eksploatacyjnych. Rozkłady takie mogą być wyznaczone na podstawie analiz chwilowych obciążeń eksploatacyjnych, odnotowanych w dziennikach maszynowych lub analiz wyników systematycznych pomiarów obciążeń eksploatacyjnych. Wykonane badania wskazują, że rozkłady te mogą być opisywane rozkładem normalnym obciętym [2]. W celu określenia oszczędności zużycia paliwa w wyniku krokowego różnicowania obciążeń silników okrętowych wykorzystano dane z pomiarów zużycia paliwa przez główne zespoły prądotwórcze trawlera rybackiego (układ energetyczny typu diesel-elektrycznego) dla wybranego stanu eksploatacji. Charakterystyki godzinowego zużycia paliwa silników przedstawia rys. 4. 8

7 godzinowe zużycie paliwa [kg/h] G Z G Z 2 G Z 3 G Z obciąże n ie [k W ] Rys. 4. Charakterystyki obciążeniowe godzinowego zużycia paliwa przez silniki trawlera W tab. 3 przedstawiono aproksymowane wielomianem stopnia drugiego sumaryczne charakterystyki czterech silników pracujących równolegle przy założeniu proporcjonalnego podziału obciążenia (w tym przypadku są to jednakowe obciążenia). Tablica 3 Charakterystyka łącznego zużycia paliwa przez zestaw czterech zespołów pracujących równolegle B GZ =a N 2 GZ +b N GZ +c [kg/h] lub B GZ= a 2 N 2 _ GZ + b 2 N GZ +c 2 [-] Zestaw 4 zespołów B nom Współczynniki Współczynniki 2 [kg/h] a b c a 2 b 2 c 2 GZ(+2+3+4) 749,0 2E-5 0,529 20,8 0,2405 0,6003 0,592 Do obliczeń podczas pracy na łowisku przyjęto: ciągłą pracę czterech głównych zespołów prądotwórczych oraz czas pracy w tym stanie eksploatacji t pł = 203 doby w ciągu roku. Przy założeniu rozkładu obciążeń w tym stanie eksploatacji, uzyskano, że łączne zużycie paliwa przez pracujące równolegle 4 zespoły będzie wynosić: (G GZ ) pł = kg 2 098, t Wyznaczone oszczędności wynoszą (ΔB GZ ) pł =,0 kg/h, oszczędności bezwzględne wynoszą ΔG GZ ) pł = ,72 kg 53,6 t, co stanowi 2,6%. 5. Uwagi ogólne o możliwościach realizacji metody Spełnienie warunku odpowiedniego rozdziału mocy między współpracujące silniki, wymaga stosowania mechanizmu automatycznie regulującego podział obciążenia między nimi. Najprostszym i najczęściej stosowanym sposobem jest właściwy dobór charakterystyk statyzmu regulatorów silników pracujących równolegle [3]. Powszechnie stosowanym sposobem, zmiany podziału obciążeń między silniki zespołów prądotwórczych pracujących równolegle, jest bezpośrednia zmiana prędkości obrotowej (przy użyciu pokrętła na GTR w polu danej prądnicy). Działaniu w kierunku wzrostu prędkości obrotowej prądnicy towarzyszy wzrost jej obciążenia, kosztem odciążenia pozostałych. Działanie w kierunku odwrotnym prowadzi do efektu przeciwnego. Lepszym sposobem jest zastosowanie regulatorów dwuparametrowych, w których oprócz sygnału prędkości obrotowej doprowadzony jest dodatkowo drugi sygnał, którym może być 9

8 wartość nastawy listwy paliwowej na silniku wiodącym, wartość momentu na wale silnika, wartość poślizgu sprzęgła. Najczęściej spotyka się rozwiązanie z kopiowaniem lub kopiowaniem z uchybem nastawy listwy paliwowej silnika wiodącego przez silniki podporządkowane. Na drodze pneumatycznej zostało to zrealizowane w układzie zwanym MASTER & SLAVE (M&S) przez firmę Woodward. W układach z regulatorami elektrycznymi możliwa jest korekcja obciążeń silników w wyniku bezpośredniego porównywania obciążeń wszystkich silników pracujących równolegle np. z wykorzystaniem tzw. bloku pracy równoległej. W przypadku współpracy regulatorów elektro-hydraulicznych z przystawkami elektronicznymi możliwa jest ciągła kontrola obciążeń wszystkich współpracujących silników i programowy rozdział obciążeń między nimi, w wyniku wygenerowania w przystawce, odpowiedniego sygnału sterującego regulatorem. Efekty zmniejszenia zużycia paliwa przy zastosowaniu tej metody zależą od wielu dodatkowych czynników, takich jak: określenia wartości progowej (strefy nieczułości) po przekroczeniu, której będą podejmowane działania operatora; okresu czasu stosowania metody; przestrzegania zalecanych wartości różnicowania obciążeń. Zmniejszenie różnicowania obciążeń powoduje uzyskanie mniejszych oszczędności paliwa. Zastosowanie, metody krokowych zmian obciążeń, będzie korzystne dla statków będących od wielu lat w eksploatacji, które nie są wyposażone w nowoczesne układy automatyki. Dla takich statków, ze względu na możliwe duże różnice w charakterystykach zużycia paliwa, efekty mogą być znaczące. Oceniając przydatność metody różnicowania obciążeń, w odniesieniu do występujących rozwiązań, można stwierdzić, że obszarem możliwych największych korzyści mogą być siłownie diesel-elektryczne o dużych mocach. Siłownie takie, o liczbie głównych zespołów prądotwórczych 4 0 i mocy kilkadziesiąt MW, pracujących przy znacznie zróżnicowanych obciążeniach w zależności od stanu eksploatacji, są stosowane na dużych promach, statkach wycieczkowych, jednostkach wiertniczych, lodołamaczach i innych. Zastosowanie metody pozwoli zarówno na wybór najkorzystniejszego wariantu zestawu zespołów prądotwórczych (np. trzech zespołów spośród ośmiu), ale również na zaistnienie korzyści wynikających z różnicowania ich obciążeń eksploatacyjnych. Niesłychanie ważnym czynnikiem, przemawiającym za celowością wprowadzenia opracowanej metody jest, zwłaszcza w przypadku wykorzystania charakterystyk zużycia paliwa, jej bezinwestycyjny charakter. Literatura. Herdzik J., Balcerski A., Kneba Zb. Różnice w zużyciu paliwa przez okrętowe silniki tego samego typu, W: [Mat] XII Sympozjum Paliw Płynnych i Produktów Naftowych w Gospodarce Morskiej, Szczyrk Balcerski A., Korsunov L.P.: Możliwości określania charakterystyk rozkładów obciążeń eksploatacyjnych elementów okrętowego układu energetycznego przy pracy równoległej, W:[Mat] XIII Sympozjum Siłowni Okrętowych, Gdynia Balcerski A., Herdzik J.: Możliwości różnicowania względnych obciążeń okrętowych silników spalinowych pracujących równolegle poprzez kształtowanie charakterystyki zadającej w regulatorach prędkości obrotowej, W: [Mat] Konferencja Naukowo-Techniczna Explo-Diesel 98, WSM Szczecin, Szczecin Herdzik J.: Metoda zmniejszenia zużycia paliwa podczas pracy równoległej elementów okrętowych układów energetycznych, praca doktorska, Politechnika Gdańska, Wydział Mechaniczny, Gdańsk