production of the fuel consumption rate as a result of stepwise load

production of the fuel consumption rate as a result of stepwise load

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2002 No. 3‐4 ISSN 1231 ‐ 4005 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) – 3472022
Jerzy Herdzik
Akademia Morska w Gdyni
tel. (58) – 6901430 e-mail [email protected]
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.
1. 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.1) [1].
13
Tablica 1
Jednostkowe zużycie paliwa b [g/kWh] serii silników typu 6AL25/30D
Nr silnika
1
2
3
4
5
6
7
średnia
rozrzut
25
234
240.8
232
235.7
230.5
235.6
231.6
234.14
4.4%
50
211.1
211.0
211.3
211.8
205.1
211.0
206.0
209.61
3.2%
Względne obciążenie silnika [%]
75
100
200.5
199.0
204.0
199.2
202.9
200.7
201.2
199.7
196.8
198.9
210.3
199.4
198.0
199.0
201.96
199.41
6.68%
0.903%
110
199.8
200.4
201.7
200.6
200.0
200.8
201.4
200.67
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 [1] (tab.2).
Tablica 2
Godzinowe zużycie paliwa BZP [kg/h] przez silniki zespołów prądotwórczych typu 6AL20/24
na statkach typu ms. „Kopalnia Siersza” po około 10 latach eksploatacji
Względne obciążenie zespołu [%]
Nr zespołu
25
100
ZP 1
45.28
147.37
ZP 2,3
44.21
146.58
ZP 4,5,6
47.50
144.99
ZP 7
44.99
159.19
ZP 8
33.18
180.37
ZP 9
44.40
177.43
ZP10
43.66
168.12
średnia
43.32
160.58
rozrzut
33.05 %
22.03 %
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).
14
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.1 zobrazowano sposób postępowania w przypadku różnych charakterystyk
aproksymowanych liniami prostymi.
Rys. 1. 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/δN1 = δB/δN2 = ... = δB/δNi = ... = δB/δNj = ... δB/δNn
(1)
prowadzi to do następującego układu równań:
15
∂B / ∂N 1 = ∂B / ∂N 2
⎧
⎪
∂B / ∂N 1 = ∂B / ∂N 3
⎪
⎪
...........................
⎪
⎪
∂B / ∂N 1 = ∂B / ∂N i
⎨
............................
⎪
⎪
∂B / ∂N 1 = ∂B / ∂N n
⎪
⎪ N 1 + N 2 + ... + 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:
16
• 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
17
Na rys.3a pokazano hipotetyczne wartości hipotetyczne przyrostów zużycia paliwa w
przedziałach obciążeń dla dwóch silników nr 1 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)1<(ΔB/ΔN)2 to
łączny wzrost obciążenia w przedziale (2N÷2N+ΔN) powinien być zrealizowany poprzez
dociążanie elementu 1 (linia A-B), zaś obciążenie elementu 2 powinno być stałe (linia A-C).
Ponieważ pokazany na rys.3a punkt zużycia paliwa elementu 1 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 1 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 1 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.
18
2 2 0
2 0 0
godzinowe zużycie paliwa [kg/h]
1 8 0
G
G
G
G
1 6 0
Z
Z
Z
Z
1
2
3
4
1 4 0
1 2 0
1 0 0
8 0
6 0
4 0
2 0
0
0
1 0 0
2 0 0
3 0 0
4 0 0
5 0 0
o b c ią ż e n ie [k W ]
6 0 0
7 0 0
8 0 0
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 – BGZ=a1×NGZ2+b1×NGZ +c1 [kg/h] lub B GZ= a2× N GZ2+ b2× N GZ+c2 [-]
Zestaw 4 zespołów
GZ(1+2+3+4)
Bnom
[kg/h]
749,0
Współczynniki 1
b1
c1
a1
2E-5
0,1529
120,8
Współczynniki 2
a2
b2
0,2405
0,6003
c2
0,1592
Do obliczeń podczas pracy na łowisku przyjęto: ciągłą pracę czterech głównych zespołów
prądotwórczych oraz czas pracy w tym stanie eksploatacji tpł = 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:
(GGZ)pł = 2 098 146 kg ≈ 2 098,1 t
Wyznaczone oszczędności wynoszą (ΔBGZ)pł =11,01 kg/h, oszczędności bezwzględne wynoszą
ΔGGZ)pł= 53 640,72 kg ≈ 53,6 t , co stanowi 2,61%.
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
19
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÷10 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
1. 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 1997.
2. 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 1991.
3. 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 1998.
4. Herdzik J.: „Metoda zmniejszenia zużycia paliwa podczas pracy równoległej elementów
okrętowych układów energetycznych”, praca doktorska, Politechnika Gdańska, Wydział
Mechaniczny, Gdańsk 2001.
20