Автоматизированное проектирование и оптимизация судовых вспомогательных энергетических комплексов

Транспортное судно — сложная техническая система (СТС) — совокупность оборудования, объединенного общей целью — доставкой грузов с наибольшей прибылью. Движение судна обеспечивается работой главной установки — пропульсивного комплекса. Решению основной задачи — перевозки грузов, способствуют вспомогательные энергетические комплексы (ВЭК) — судовая электростанция (СЭС), вспомогательная котельная установка (ВКУ) и опреснительная установка (ОУ), обеспечивающие выработку вспомогательных видов энергии и пресной воды для удовлетворения нужд судна, энергетической установки, обеспечения обитаемости на судне. Без видов энергии и рабочих тел, производимых вспомогательными энергетическими комплексами, решение основной задачи на современном судне невозможно.

Известны различные способы обеспечения работы вспомогательных установок — за счет первичного энергоносителя — топлива, либо за счет утилизации потенциальной энергии давления выхлопных газов и тепловых потерь судовых двигателей. Вариантов и схем обеспечения вспомогательных потребностей очень много. Они рассмотрены и проанализированы в технической литературе. Однако основное направление указанного анализа — обеспечение потребностей судна во вспомогательных видах энергии и пресной воде на спектре режимов эксплуатации в соответствии с требованиями классификационных обществ и указаний руководящих технических документов при минимизации прямых затрат на эксплуатацию ВЭК. Исследованию также подвергаются возможности наиболее глубокой утилизации тепловых потерь. Однако рассмотрению редко подвергаются потери и последствия применения различных схем обеспечения работы вспомогательных комплексов.

Вместе с тем применение развитых систем обеспечения работы ВЭК связано с определенными потерями — необходимостью капитальных вложений в приобретение дополнительного оборудования, требованием площадей для его размещения и необходимостью перевозки дополнительной массы. Особенно это актуально для непременного элемента современных ВЭК — утилизационных установок, которые должны наиболее полно соответствовать характеристикам длительного эксплуатационного режима того оборудования, вторичные энергоресурсы которого утилизируются. Могут быть установлены утилизационные комплексы производящие большое количество энергии и рабочих тел на режиме номинальной МДМ главного судового двигателя, но иа практике такой режим используется очень редко и установленное оборудование не может быть эффективно использовано. Может быть установлен утилизационный парогенератор для утилизации выхлопных газов дизель-генератора, однако для большинства специализированных грузовых судов режим стоянки постоянно сокращается и такой УПГ не сможет себя оправдать ввиду кратковременности использования.

Наблюдаются противоположные тенденции в изменении количества располагаемых вторичных энергоресурсов и потребностей во вспомогательных видах энергии. Потребности в электрической и тепловой энергии и пресной воде постоянно увеличиваются в связи с ростом энергопотребления на судне, а также со стремлением обеспечить комфортные условия пребывания на судне пассажирам и членам экипажа. Эти условия не только не должны уступать, но и даже должны превосходить условия пребывания на берегу. Температуры же выхлопных газов судовых двигателей постоянно снижаются в связи с общим увеличением степени расширения газов. Кроме этого настройка двигателей на длительный эксплуатационный режим, связанная с уменьшением частоты и увеличением размеров движителей, уменьшает количество выхлопных газов и снижает располагаемые ресурсы потенциальной энергии последних.

Утилизационные устройства, устанавливаемые на выхлопном тракте, в определенной мере увеличивают сопротивление последнего и тем самым отрицательно влияют на выработку мощности двигателем. В качестве одного из видов утилизационных устройств может быть рассмотрен валогенератор. Сам он не потребляет вторичных энергоресурсов, но с одной стороны позволяет более полно использовать потенциальные возможности двигателя, работающего на режиме длительной эксплуатационной мощности (ДЭМ) с параметрами значительно ниже максимально допустимых, а с другой облегчает применение утилизационной газовой турбины в комплексных системах выработки и потреблении механической энергии. Одновременно применение валогенератора смещает режим ДЭМ в область повышенных ре, что связано с определенным увеличением удельного расхода топлива не только на выработку электроэнергии, но и на движение.

Вспомогательные энергетические комплексы теснейшим образом связаны с пропульсивным комплексом, оказывают на него влияние и сами подвергаются влиянию последнего. Их анализ с учетом совместного влияния на технические и экономические характеристики судна в специальной литературе отсутствует. Это и явилось основанием разработки настоящей диссертации, направленной на применение методов системного анализа для исследования влияния технических решений по вспомогательным энергетическим комплексам на эффективность использования транспортного судна по основному назначению.

Проектирование ВЭК осуществляется на ранних стадиях проектирования судна — в процессе эскизного и контрактного проектирования, когда потребности во вспомогательных видах энергии и воде ещё окончательно не определены в связи с недостаточной разработанностью ряда ответственных подсистем, в том числе энергетических систем СЭУ. В связи с этим необходимо привлечение методов компенсации неопределенности исходных данных для достаточно надежного определения указанных потребностей и выбора оптимального варианта комплектации ВЭК. Это достаточно острый и сложный вопрос общей теории проектирования энергетических подсистем судна. Надежное прогнозирование потребностей — без избытков и недостатков с одной стороны обеспечивает выполнение функций ответственных режимов эксплуатации судна и с другой оптимизирует характеристики оборудования энергетических комплексов, в том числе утилизационного комплекса, обеспечивая баланс производства и потребления видов энергии и рабочих тел, вырабатываемых ВЭК.

Погрешности определения характеристик судна и СЭУ на ранних стадиях проектирования требует применения в процессе оптимизации технических решений по вспомогательным энергетическим комплексам методов компенсации неопределенности данных. В качестве последних рассматривается применение согласованных критериев эффективности, обладающих повышенной информативностью в процессе анализа технических решений с малой значимостью, к каким обоснованно могут быть отнесены решения по анализируемым объектам.

В настоящей работе поставлена задача создания методики оптимизации вспомогательных энергетических комплексов как подсистем сложной технической системы — транспортного судна. Три вспомогательных энергетических комплекса, несмотря на различие видов энергии и рабочего тела производимых в них, имеют много общего и это позволяет рассматривать их в одной работе. Во-первых, они едины с точки зрения методов определения их производительности: через суммирование расходов на большое число мелких потребителей. Они статистически едины и это позволяет применять близкие методы анализа их производительности. Их производительность различается на отдельных режимах эксплуатации судна в связи с включением на режиме различных потребителей.

Во-вторых они являются подсистемами сложной технической системы — судна и, хотя являются частью судовой энергетической установки, на большинстве режимов в основном обслуживают нужды судна, а не СЭУ, и от этого в большой степени зависят от параметров и назначения судна. Эффективность элементов сложной технической системы анализируется исходя из эффективности сложной технической системы в целом. В третьих, вспомогательные энергетические комплексы могут быть вкшочены в системы утилизации тепловых потерь и поэтому методы анализа их возможной производительности также едины — исходя из наличия определенных вторичных энергоресурсов.

За годы застоя в период смены экономической формации отечественная промышленность была оторвана от процесса проектирования новых судов и СЭУ и практически утратила способность реализовать начальные этапы проектированияважнейшие этапы, на которых закладывается более 90% последующей эффективности судна. Практика приобретения проектов судов за рубежом и последующее доведение их до постройки путем выполнения рабочего и технологического проектирования с использованием CAD — САМ систем типа Tribon и Cadmatik окончательно добивает проектный потенциал ведущих проектных бюро при судостроительных предприятиях. Отсутствие опыта реализаций начальных стадий проектирования, занятость исключительно механической работой по прокладке трубопроводов, а также не разработанность экспертных систем не позволяет проектным организациям даже оценить эффективность того, что они приобретают.

Таким образом, поставленная в настоящей работе задача имеет не только высокую научную значимость, но и значительную практическую ценность, направленную на создание возможности проведения экспертиз приобретаемых проектов и их обоснованную критику путем выдвижения более совершенных проектных решений.

Практика выбора комплектующего оборудования вспомогательных энергетических комплексов из типоразмерных рядов, предлагаемых большим количеством производителей, многообразие вариантов комплектации ВЭК, применение различных схем утилизации теплоты главных и вспомогательных двигателей, включение в состав теплоэнергетических установок котлов инсенираторов и другие варианты вспомогательных установок делает общее число альтернативных вариантов исключительно большим. Это, а также необходимость анализировать варианты с выходом на показатели судна делает задачу оптимизации вспомогательных энергетических комплексов исключительно трудоемкой, требующей широкого применения при её решении информационных технологий — программного обеспечения, баз данных, систем анализа эффективности. Именно поэтому в настоящей работе поставлена задача создания систем автоматизированного проектирования ВЭК, способных обеспечить анализ оптимальности принимаемых решений по вспомогательным энергетическим комплексам с учетом системных связей с подсистемами СТС — судна и с судном в целом.

Не меньшее значение имеет настоящая разработка и в учебном процессе в вузах. Привитие студентам вузов навыков проведения оптимизационных исследований с применением информационных технологий и CAD — САМ систем, что обеспечено выпуском ряда монографий и учебных пособий по результатам настоящей работы, способно повысить качество подготовки специалистов по судовой энергетике.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Вскрыты резервы повышения эффективности судна на этапе эскизного проектирования ВЭК, показана возможность и целесообразность их анализа в рамках подсистемы САПР ВЭК;

2. Разработана методика автоматизированного эскизного проектирования ВЭК, включающая математические модели и алгоритмы определения расчетных параметров и выбора из типоразмерных рядов технически допустимых вариантов комплектования ВЭК основным оборудованием;

3. Предложены метод и методика обоснования рациональных (оптимальных) технических решений по ВЭК транспортных судов, базирующихся на применении критерия согласованной системной эффективности, обладающего повышенной информативностью и пригодного к использованию на всех этапах жизненного цикла, включая этап эскизного проектирования;

4. Разработаны методика и модели анализа устойчивости оптимальных вариантов к изменениям конъюнктуры рынка и условий использования ВЭК, предусматривающие целенаправленное варьирование влияющих факторов для установления диапазонов оптимальности вариантов комплектации ВЭК. Общим случаем является условная оптимальность вариантов — соответствующая определенному сочетанию влияющих факторов. Абсолютная оптимальность варианта является частным случаем. Информация об условиях оптимальности сравниваемых вариантов ВЭК является необходимой для принятия решений по ВЭК в проектных организациях;

5. Методики автоматизированного проектирования, оптимизации и анализа устойчивости оптимальных вариантов реализованы в форме подсистемы САПР эскизного проектирования ВЭК, включающей программное обеспечение и автоматизированные базы данных для формирования допустимых вариантов комплектации ВЭК основным оборудованием, их сравнения по критериям эффективности и анализа значений этих критериев при направленном варьировании параметров конъюнктуры рынка. Подсистема САПР ВЭК взаимодействует с подсистемами САПР эскизного проектирования пропульсивного комплекса и СЭУ;

6. Проведенный численный эксперимент САПР ВЭК по результатам выполненных проектов грузовых транспортных судов показал хорошее совпадение расчетных значений с проектными данными. Абсолютная погрешность расчетных значений не превышает 5%. Это позволяет рекомендовать подсистему САПР ВЭК для практического использования;

7. Выполнены примеры применения разработанных методов, моделей и САПР для анализа влияния вариантов комплектования ВЭК основным оборудованием на эффективность ряда транспортных судов.

8. Применение ВГ уступает вариантам с автономным приводом генераторов от эффективных СОД, так как приводит к увеличению мощности главного двигателя, его массы, длины и стоимости и увеличивает расход топлива на движение.

9. За счет системных влияний на эффективность судна ДГ с приводом от высокооборотных ДВС могут оказаться более эффективными, чем ДГ с приводом от СОД, несмотря на снижение ресурса и увеличение затрат на топливо и смазку;

10. Показано, что применение в качестве топлива ГД высоковязких мазутов требует повышения параметров вспомогательных и утилизационных котлов. Это приводит к снижению производительности утилизационных котлов, до практически небольших значений.

11. Выполнены примеры применения методики анализа устойчивости выводов об оптимальности вариантов комплектации СЭС автономными ДГ. Исследование’показало предпочтительность вариантов с тремя одинаковыми ДГ с приводом от среднеоборотных ДВС фирмы MAN — B&W перед различными другими типовыми схемами комплектации СЭС в широком диапазоне изменения параметров конъюнктуры рынка и условий использования судна;

12. С использованием подсистемы САПР ВЭК, развитой в настоящей работе, намечено создание САПР контрактного проектирования СЭУ.