- Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin

ISSN 1733-8670
ZESZYTY NAUKOWE NR 5(77)
AKADEMII MORSKIEJ
W SZCZECINIE
OBSŁUGIWANIE MASZYN I URZĄDZEŃ OKRĘTOWYCH
OMiUO 2005
Tadeusz Borkowski, Przemysław Kowalak, Monika Kijewska
Eksploatacyjna metoda analizy rozkładu obciążeń użytecznych
silników napędu głównego statku
Słowa kluczowe: okrętowe wolnoobrotowe silniki wysokoprężne,
główne napędy statków, eksploatacja statku
Okrętowe wolnoobrotowe silniki wysokoprężne stanowią zdecydowaną większość
głównych napędów dla statków handlowych. Instalowane są one w najprostszych układach napędowych, gdzie silnik jest bezpośrednio połączony ze śrubą. Taki układ zapewnia najwyższą sprawność i najniższe z możliwych zużycie paliwa. Warunkiem uzyskania
najlepszych rezultatów w tym zakresie jest utrzymywanie w czasie eksploatacji statku
określonych zasad eksploatacji głównego napędu statku. W artykule przedstawiono
uproszczoną metodę analizy istotnych wskaźników pracy głównego układu napędowego
statku. Metoda może być stosowana w eksploatacji silników wyposażonych w standardowe urządzenia pomiarowe.
Effective Load Analysis Method
of the Ship Main Propulsion Unit
Key words: marine slow speed diesel engines, ship propulsion, vessel maintenance
The marine diesel engine today is the prime mover for ship propulsion. The most
typical marine propulsion plant of modern merchant ships is a single, slow-speed turbocharged, two stroke diesel engine, directly coupled to the vessel’s single, fixed or controllable pitch propeller. This configuration can provide high power outputs and improved fuel economy. The paper deals with basic ship propulsion factors used for fuel
consumption calculations.
121
Tadeusz Borkowski, Przemysław Kowalak, Monika Kijewska
Wstęp
Najbardziej popularny współczesny układ napędowy statków to układ bezpośredni z wysokoprężnymi silnikami wolnoobrotowymi. Silniki te są dobierane
i wyregulowane pod względem jednostkowego zużycia paliwa, aby minimum
przypadało w obszarze przewidywanych parametrów eksploatacyjnych. Zależnie
od wzajemnych relacji (opory kadłuba, śruba lub skok śruby, prędkość pływania) przyjęte jest zapotrzebowanie mocy eksploatacyjnej. Przewidywane parametry eksploatacyjne (CSR1) mieszczą się zazwyczaj w granicach 0,85 – 0,95
mocy kontraktowej (CMCR2), gdyż w przeciętnych warunkach eksploatacji
statku taka moc jest wykorzystywana [4, 5]. Jeżeli takie warunki nie zostaną
określone, producent przyjmuje standardowo moc eksploatacyjną jako 0,9 mocy
kontraktowej. Podawane wskaźniki pracy silników wymagają przeprowadzenia
korekty osiągów, jeśli warunki ich pracy odbiegają od warunków standardowych. Przykładowo, zużycie paliwa wymaga uwzględnienia również jego jakości oraz tolerancji pomiaru, dokonywanego w czasie próby zdawczo-odbiorczej
[6]. W artykule przedstawiono sposób eksploatacyjnej oceny osiągów silnika
napędu głównego statku. Wykorzystano do tego celu zbiór danych, zebranych
w pierwszym okresie eksploatacji statku.
1. Charakterystyka statku i układu napędowego
Omawiany statek jest zbiornikowcem przystosowanym do przewozu ładunków chemicznych lub substancji ropopochodnych. Podstawowe dane techniczne
statku przedstawia tabela 1.
Tabela 1
Charakterystyka statku
Vessel specification
Długość całkowita
164,34 m
Szerokość
23 m
Zanurzenie
9,5 m
Nośność
Silnik główny, 6 cyl.
19980 dwt
MAN B&W 6S46MC-C, Pn 7860kW, nn 129 obr/min
Prądnica wałowa
Silniki pomocnicze – dwa
1
2
700 kW
MAN B&W typ 6L23/30, Pn 960 kW, nn 720 obr/min
Continous Service Rating
Contract Maximum Continous Rating
122
Eksploatacyjna metoda analizy rozkładu obciążeń użytecznych silników napędu głównego statku
Do napędu jednostki służy śruba nastawna, która wraz z prądnicą wałową
stanowi odbiornik mocy silnika głównego. Układ napędowy zaprojektowano
jako stałoprędkościowy, co pozwala czerpać korzyści płynące z wykorzystania
prądnicy wałowej podczas podróży morskiej i praca silnika głównego zawsze
odbywa się przy stałej, nominalnej, prędkości obrotowej wynoszącej
129 obr/min. Schematyczne zobrazowanie układu silnik-śruba-prądnica, wraz
z miejscami pomiaru wielkości charakterystycznych, przedstawia rysunek 1.
2
3
1
CPP
GS
Main engine
MAN B&W
Rys. 1. Schemat układu napędowego statku: 1 – pomiar kąta skoku śruby nastawnej Sw [%],
2 – pomiar mocy prądnicy wałowej Pel [kW], 3 – pomiar przemieszczenia listwy nastawy paliwowej hw [%]
Fig. 1. Ship propulsion unit arrangement
Prądnica wałowa (2) jest napędzana poprzez nierozłączne sprzęgło elastyczne typu Vulkan i przekładnię multiplikującą. Takie rozwiązanie wymaga
wysokiej dokładności stabilizacji prędkości obrotowej silnika, którą zapewnia
cyfrowy regulator obrotów i serwomotor (3) w postaci silnika krokowego. Czteroskrzydłowa śruba nastawna sterowana jest hydraulicznie za pomocą serwomotoru (1).
2. Struktura zbioru danych
Jednym z celów głównych analizy obciążenia użytecznego silnika oraz wynikających z tego aspektów ekonomicznych w postaci zużycia paliwa, jest możliwie najlepsze określenie dopasowania silnika układu napędowego statku do
warunków, w jakich jest on eksploatowany. Zebrany zbiór danych pochodzących ze statku posłużył do wykonania analizy trafności doboru układu napędowego, który został zaprojektowany do wykonywania określonego zadania
w ramach, wcześniej podpisanej, długoletniej umowy czarterowej. Ponieważ
planowana jest budowa dalszych sześciu jednostek tego typu, również podjęta
została próba oceny stopnia wykorzystania głównego układu napędowego statku, pierwszego już zbudowanego i wprowadzonego do eksploatacji.
Na potrzeby niniejszej pracy zostały zdefiniowane i zarejestrowane dane
tworzące zbiór wykorzystany do analizy i zawierający następujące wielkości:
123
Tadeusz Borkowski, Przemysław Kowalak, Monika Kijewska
 Sw – względny skok śruby nastawnej; stosunek wartości eksploatacyjnego skoku śruby do skoku nominalnego wyrażony w procentach;
 hw – względna wartość położenia listwy paliwowej; stosunek eksploatacyjnego przesunięcia listwy paliwowej, odpowiadającego eksploatacyjnej dawce paliwa do przesunięcia odpowiadającego dawce paliwa dla
mocy nominalnej, wyrażona w procentach;
 Pel – moc prądnicy wałowej;
 Pelp – względna moc prądnicy wałowej, moc wyrażona jako stosunek
mocy eksploatacyjnej do jej mocy nominalnej;
 Bv – dobowe, średnie zużycie paliwa przez silnik napędu głównego, pomierzone przepływomierzem objętościowym.
Dane służące do przeprowadzenia analizy zostały zarejestrowane w ciągu
pierwszych 546 dni eksploatacji statku i obejmują: skok śruby nastawnej, położenie listwy paliwowej, moc prądnicy wałowej oraz dobowe zużycie paliwa.
Z powyższej ilości próbek zostało wybranych 409, obejmujących wyłącznie stan
eksploatacyjny zwany podróżą morską. Można zatem obciążenia układu napędowego traktować jako niezmienne w dłuższym przedziale czasu, a następnie
z tym związaną próbkę obciążenia układu napędowego, raz w ciągu doby uznać
za wystarczającą i reprezentatywną dla przedziału 24 godzinnego.
Ponieważ rozpatrywany jest okres pierwszych 546 dni eksploatacji statku,
podczas których silnik główny przepracował około 10 000 godzin, główny układ
napędowy statku uznano za bardzo dobry, eliminując wpływ stanu technicznego
na jego osiągi. Strukturę zbioru danych obrazuje, w formie przykładowej –
fragmentarycznej, tabela 2.
Tabela 2
Zbiór danych zarejestrowanych i wykorzystanych do analizy
Recorded ship propulsion parameters data set
Sw
hw
Pel
Pelp
Bv
[%]
[%]
[kW]
[%]
[dm3/24 h]
1
70
64
0
0
26 670
2
75
66
380
54,3
259 800
...
...
...
...
...
408
78
64
385
55
269 100
409
78
62
360
51,4
266 700
Nr.
próbki
124
…
Eksploatacyjna metoda analizy rozkładu obciążeń użytecznych silników napędu głównego statku
3. Metodyka obliczeń
Eksploatacja statku w ramach umowy czarterowej zawierała warunek pokrywania kosztów zaopatrzenia statku w paliwo przez czarterującego. Z tego
względu zwykle starano się dobierać prędkość statku w zakresach najniższego
zużycia paliwa przez silnik napędowy statku. Wartość skoku śruby nastawnej
w tym przypadku jest wielkością zadawaną bezpośrednio przez obsługę statku
i ma związek z prowadzeniem podróży z założoną prędkością jednostki względem dna. Zależy ona też od aktualnych warunków atmosferycznych – stanu morza i siły wiatru, dryfu i załadowania statku. Ponieważ statek operuje na regularnych liniach, wpływ takich czynników jak przeciwne prądy morskie niwelują się
w dłuższym czasie obserwacji. Na tej podstawie można założyć zależność chwilowej charakterystyki pracy układu napędowego [7]:
Ps Sv , n, v, k   k (Sv , v)  n m(v)
(1)
gdzie:
Ps – moc zapotrzebowana przez śrubę,
n – prędkość obrotowa śruby,
k – współczynnik zależny od skoku śruby, warunków pływania, sprawności śruby i prędkości statku,
m – współczynnik zależny od charakterystyki oporowej kadłuba, jego
stanu i prędkości statku.
Można również w pewnym przybliżeniu założyć, że dla stałej prędkości obrotowej śruby, moc przez nią zapotrzebowana jest liniową funkcją jej skoku.
Założenie to nie uwzględnia takich zjawisk jak zmienna sprawność śruby czy
zmiana warunków pływania (zanurzenie, warunki meteorologiczne), lecz na
potrzeby niniejszej pracy zostało uznane za dopuszczalne, uwzględniając tym
samym potrzeby eksploatacyjne. Wówczas, w celu umożliwienia porównywania
wielkości, można traktować wartość procentową skoku śruby jako tożsamą z jej
zapotrzebowaniem na moc wyrażonym w procentach, w stosunku do jej zapotrzebowania na moc w warunkach nominalnych. Moc użyteczną silnika można
wyznaczyć, korzystając z zależności:
Pe  Be Wr e [kW]
(2)
gdzie:
Be – sekundowe zużycie paliwa, kg/s,
Wr – wartość opałowa paliwa użytkowanego, kJ/kg,
e – sprawność ogólna silnika.
125
Tadeusz Borkowski, Przemysław Kowalak, Monika Kijewska
Dla rozpatrywanego przypadku przyjęto stałą, średnią wartość opałową zużywanego paliwa, należącego do kategorii ISO-F-RME25 według zależności
[1]:

Wr  52 ,190  8,802 g 2  10 6  3,167 g  10 3

 1  0,01x  y  s   0,019,420 s  2,449 x 
gdzie:
g
x
y
s
–
–
–
–
(3)
gęstość paliwa w temperaturze 15C, kg/m3,
zawartość wody, % (m/m),
zawartość pozostałości po spopieleniu, % (m/m),
zawartość siarki, % (m/m).
Paliwo zwykle pochodziło od jednego dostawcy i zawsze było bunkrowane
jako produkt tej samej klasy jakościowej. Zatem, uwzględniając stałą sprawność
ogólną silnika pracującego przy stałej prędkości obrotowej, można zapisać następującą zależność:
Pe
B
 e
Pnom Bnom
gdzie:
Pe –
Pnom –
Be –
Bnom –
(4)
moc użyteczna eksploatacyjna silnika, kW,
moc nominalna silnika, kW,
zużycie paliwa dla eksploatacyjnego obciążenia silnika, kg/s,
zużycie paliwa dla nominalnego obciążenia silnika, kg/s.
Ponieważ zużycie paliwa w wąskim zakresie mocy silnika jest liniową
funkcją położenia listwy paliwowej, można powyższy związek zapisać w postaci:
Pe
h
 e
Pnom hnom
(5)
gdzie:
he – nastawa listwy paliwowej w warunkach eksploatacyjnych, %,
hnom – nastawa listwy paliwowej w warunkach nominalnego obciążenia,
%.
Powyższa zależność może być uważana za prawidłową tylko w przypadku
zasilania silnika paliwem standardowym. Wartość jednostkowego zużycia paliwa silnika w eksploatacji (inny rodzaj paliwa) można określić według zależności:
W
(6)
be  bstd  std
Wr
126
Eksploatacyjna metoda analizy rozkładu obciążeń użytecznych silników napędu głównego statku
gdzie:
be
bnom
– jednostkowe zużycie paliwa w warunkach eksploatacyjnych,
g/kWh,
– jednostkowe zużycie paliwa przy zasilaniu paliwem standardowym
dla parametrów nominalnych pracy i dla warunków otoczenia ISO,
g/kWh.
Zależność umożliwiająca wyznaczenie rzeczywistego jednostkowego zużycia paliwa dla dowolnego punktu chwilowej charakterystyki śrubowej powinna
uwzględniać dodatkowe czynniki eksploatacyjne i przyjmie postać:
 b  W
be  bnom  b 1  eot   std  1,03
 100  Wr
(7)
gdzie:
b – poprawka jednostkowego zużycia paliwa wynikająca z innego położenia punktu optymalizacji, g/kWh,
beot – poprawka jednostkowego zużycia paliwa uwzględniająca warunki
otoczenia, g/kWh.
W przypadku stosowania gorszych gatunków paliwa również osiągi silnika
ulegają zmianie stosownie do jego jakości (ciepła spalania i wartości opałowej).
Jeśli dawki objętościowe paliwa podawane do cylindrów silnika pozostają niezmienione, moc użyteczna silnika ulega zmianie. Gdy silnik w warunkach eksploatacyjnych obciążany jest programowo – według nastawy skoku śruby lub
prędkości statku, wówczas zależność (5) należy zastąpić równaniem:
he 
Pe Wstd

 hstd
Pstd Wr
(8)
gdzie:
Pstd – moc użyteczna silnika przy zasilaniu paliwem standardowym, kW.
Ostatecznie można zatem traktować względne położenie listwy paliwowej
jako tożsame z względną mocą silnika [2, 3].
4. Analiza wyników zarejestrowanych zdarzeń
Przebieg dobowych zmian skoku śruby, z pominięciem okresów nie należących do zbioru określonego jako podróż morska, ilustruje rysunek 2. Na przedstawionym wykresie zaznaczono częstości występowania nastawy skoku
w charakterystycznych przedziałach czasu, oraz liniową aproksymację trendu
przebiegu zmian wartości nastaw. Dodatkowo, na wykresie wbudowanym
127
Tadeusz Borkowski, Przemysław Kowalak, Monika Kijewska
zaznaczono histogram rozkładu ilości obserwacji n, nastawy skoku śruby względem ich wartości. Największe natężenie występowania ma wartość z przedziału
74 – 78% – 150 próbek. Jednak wartości wyższe, z przedziału 78 – 93% charakteryzują się wysokim natężeniem, malejącym w miarę wzrostu nastawy skoku
śruby.
100
80
70
60
200
150
n [- ]
Nastawa skoku śruby - Sw [%]
90
50
100
50
40
0
50.7
54.6
58.6
62.5
30
66.4
70.4
74.3
78.3
82.2
86.1
90.1
94.0
Sw [%]
20
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Liczba dni jazdy morskiej
Rys. 2. Przebieg zmian nastawy skoku śruby i histogram rozkładu nastawy śruby
Fig. 2. Pitch propeller settings history and pitch value position histogram
Liczba próbek
Przestawiony na rysunku 3 histogram wartości obciążenia użytecznego
wskazuje na charakterystyczny wąski przedział (59 – 65%) wysokiej intensywności występowania i przedział wyższego obciążenia (65 – 90%) silnika, z wyraźną malejącą gęstością występowania wraz ze wzrostem wartości obciążenia.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1731.9
50% Pnom
3036.0
4340.2
75% Pnom
5644.4
6948.5
Pe [kW]
Rys. 3. Rozkład wartości obciążeń użytecznych silnika napędu głównego
Fig. 3. Main engine effective load histogram
Sposób eksploatacji układu napędowego statku w rozpatrywanym okresie
obserwacji pozwala wnioskować o wzrastającym oporze kadłuba i wynikającemu z tego przesuwaniu się charakterystyki napędowej. Tendencje te potwierdza128
Eksploatacyjna metoda analizy rozkładu obciążeń użytecznych silników napędu głównego statku
ją liniowe aproksymacje przebiegu zmian obciążenia silnika na rysunku 4 oraz
analogiczna funkcja na rysunku 2, dotycząca zmiany nastawy skoku śruby.
8000
400
Pe
7000
350
Pe [kW]
250
5000
200
4000
150
3000
be [g/kWh]
300
6000
100
2000
50
be
1000
0
50
100
150
200
250
300
0
400
350
Liczba dni jazdy morskiej
Rys. 4. Przebieg zmian obciążenia silnika i jednostkowego zużycia paliwa w czasie
Fig. 4. Main engine effective load and specific fuel oil consumption history
Wnioski
Liczba
próbek
Przedstawiona w artykule metoda oceny wskaźników pracy silników napędowych statku odznacza się prostym i efektywnym sposobem realizacji. Uzyskane wyniki wskazują na prawidłowy dobór zasobu roboczego układu napędowego wyrażający się przewidywanym wzrostem oporu konstrukcyjnego kadłuba. Wzrost ten ma przewidywaną wartość 9 – 12% w pierwszych kilku latach
eksploatacji, stąd odnotowany relatywnie mniejszy wzrost efektywnego obciążenia układu napędowego.
150
100
50
0
300
be [g/kWh]
250
200
bemin
150
Peopt
100
3000
4000
5000
Pe [kW]
6000
7000
0
50 100 150
Liczba
próbek
Rys. 5. Rozkład obciążenia użytecznego i jednostkowego zużycia paliwa przez silnik
Fig. 5. Effective load and specific fuel consumption histogram
129
Tadeusz Borkowski, Przemysław Kowalak, Monika Kijewska
Adekwatne zmiany jednostkowego zużycia paliwa, pokazane na rysunku 5,
mają tendencję malejącą i osiągają wartość 185 g/kWh. Wartość ta wydaje się
być zawarta w przedziale optymalizacyjnym dla tego układu napędowego. Ostatecznie można stwierdzić, że w pierwszym okresie eksploatacji statku układ
napędowy statku mógł pracować pod wyższym obciążeniem (ok. 8%), co przyniosłoby nieznacznie większą średnią prędkość statku (0,15 – 0,20 węzła) przy
niższym jednostkowym zużyciu paliwa niż miało to miejsce.
Literatura
1. ISO, Standard reference conditions and declarations of power fuel consumptions and lubricating oil consumption, ISO 3046/1-1986 (E).
2. ISO, Test measurements, ISO 3046/III –1979 (E).
3. ISO, Test methods, ISO 3046/II-1977 (E).
4. MAN B&W, Basic Principles of Ship Propulsion, 3rd Edition June 2004.
5. MAN B&W, S46MC-C Project Guide Two stroke Engine, 2nd Edition
March 2003.
6. Rattenbury N., Development of Standards for Marine Engines – Prescriptive to Performance Based, paper No: 40, CIMAC Congress 2004, Kyoto,
Japan 2004.
7. Wojnowski W., Okrętowe siłownie spalinowe, Wydział Oceanotechniki
i Okrętownictwa Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 1992.
Wpłynęło do redakcji w lutym 2005 r.
Recenzenci
doc. dr inż. Vladimir Puchov
dr hab. inż. Jerzy Listewnik, prof. AM
Adresy Autorów
dr inż. Tadeusz Borkowski
mgr inż. Przemysław Kowalak
Instytut Technicznej Eksploatacji Siłowni Okrętowych
Zakład Siłowni Okrętowych
mgr Monika Kijewska
Instytut Matematyki, Fizyki i Chemii
Zakład Matematyki
Akademia Morska w Szczecinie
ul. Wały Chrobrego1/2, 70-500 Szczecin
130