Глава 3
АВАРИЙНОСТЬ В СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ ИЗ-ЗА НЕУДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНОЙ НАСТРОЙКИ ПЕРВИЧНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
12. Зависимость рабочих характеристик первичных двигателей судовых электроустановок от условий эксплуатации
Опыт эксплуатации многих судовых электроустановок показывает, что им приходится работать в условиях широкого диапазона изменений климатических условий: давления, температуры, влажности окружающего воздуха и температуры забортной воды.
Так, например, испытания ГЭУ транспортного рефрижератора «В. Серов» показали, что за время перехода из Мурманска к месту промысла температура наружного воздуха изменялась в диапазоне от —30 до +31,5° С, барометрическое давление менялось от 0,550 до 0,568 МПа, температура забортной воды от 4 до 30° С. В некоторых случаях при входе в теплые или холодные течения температура забортной воды может изменяться довольно быстро на значительную величину.
В качестве первичных двигателей в большинстве ГЭУ применяются дизели. Поэтому рассмотрим влияние внешних и эксплуатационных условий на режим работы дизелей.
Представляет интерес сравнить степень влияния различных показателей состояния наружного воздуха на режим работы дизелей. Для определения степени влияния влажности окружающего воздуха воспользуемся формулой по определению эксплуатационной мощности дизеля Ne:
где Ne ном номинальная мощность дизеля; В1 — барометрическое давление, Па; t0— температура воздуха в помещении, где установлен дизель, на расстоянии 1,5 м от места забора воздуха в дизель; °С; рп — парциальное давление во влажном воздухе при температуре и относительной влажности воздуха, замеренных в помещении, где установлен дизель, Па.
Значение рп определяется по графикам, представляющим семейство кривых (соответствующих различной влажности воздуха) функции pп=f(t0). Значения Ne, определенные для влажности воздуха 30 и 100% (максимально возможный диапазон изменения влажности наружного воздуха) при постоянном значении температуры t0/ = 30° C = const соответственно равны 0,97 ном и 0,94 ном, т. е. при максимально возможном изменении влажности забираемого дизелем воздуха рекомендуемые значения эксплуатационной мощности дизеля отличаются всего на 3%.
Результаты испытаний (рис. 86) подтверждают, что на эксплуатационные показатели двигателя заметно влияет изменение атмосферных условий. Внешние условия в период измерений изменялись следующим образом:
температура забортной воды tз.в от 5 до 28° С; температура наружного воздуха t0 от 8 до 30° С; барометрическое давление В1 от 0,1 до 0,102 МПа; относительная влажность воздуха φ от 50 до 80%. Ухудшение работы двигателя в южных районах было вызвано в первую очередь уменьшением массы заряда воздуха в цилиндре. Заряд воздуха зависит от состояния воздуха перед продувочными окнами, т. е. от его температуры ts и давления ps. Увеличение влагосодержания ухудшает наполнение цилиндра.
Рис. 86. Изменение основных показателей работы дизеля типа ЗД100 по нагрузочной характеристике (при nдз=760 об/мин) по данным теплотехнических испытаний в районах Северной Атлантики (◙·), средних широт (X), тропиков (О).
Рассмотрим влияние атмосферных условий на температуру продувочного воздуха и выходящих газов. Во время испытаний барометрическое давление менялось незначительно. Влагосодержание воздуха изменялось с изменением наружной температуры. Поэтому оценим работу двигателя на различных широтах в зависимости от температуры внешней среды.
Так как воздухозаборники двигателей находятся у машинных световых люков, то при прохождении воздуха через подводящие рукава температура его повышается на 2—7° С. После продувочного насоса (в зависимости от района плавания) температура воздуха повышается до 43—76° С при наружных условиях. Температура продувочного воздуха, измеренная в ресивере, хорошо согласуется с расчетной.
Воспользуемся уравнением политропического изменения состояния воздуха:
где Тс и Ts — температура воздуха соответственно до и после нагнетателя, °С; с — постоянный коэффициент; р0 и ps — абсолютное давление воздуха в тех же точках, Па; n=1,7— принятый показатель политропы сжатия нагнетателя объемного типа.
Полученные близкие значения действительной и расчетной ts, определяемой уравнением (17), подтверждают преимущественное влияние температуры входящего воздуха t0 на заряд цилиндра двигателя без воздухоохладителя. С другой стороны, испытания показали, что давление продувочного воздуха в тропиках снижается на 10—13% вследствие ухудшения коэффициента подачи нагнетателя.
Обращаясь к полученным характеристикам двигателя (рис. 86), видим, что кривые ts и tг, соответствующие трем районам плавания (северному, средним широтам и тропикам), проходят эквидистантно, что также свидетельствует о преимущественном влиянии температуры наружного воздуха на режим работы двигателя. В тропиках температура продувочного воздуха ts возросла на 22—25° С, а температура выпускных газов U на 80° С. Таким образом, повышение температуры наружного воздуха с 8 до 28° С сопровождалось увеличением температуры выпускных газов на 80° С при всех нагрузках двигателя. О теплонапряженности двигателя, работающего по нагрузочной характеристике, можно судить по температуре выпускных газов. Чтобы оградить двигатель от тепловых перегрузок, следует придерживаться условия tг=const.
Как показывают графики ίг, нагрузка в данном случае должна быть снижена на 20% от эксплуатационной в нормальных условиях.
Другим контрольным параметром оценки качества рабочего процесса двигателя является суммарный коэффициент избытка воздуха αΣ. Он наиболее полно отражает протекание индикаторного процесса в изменяющихся метеорологических условиях. Испытания показали, что в тропиках при неизменной нагрузке αΣ снижается. По графикам видно, что для обеспечения постоянства суммарного коэффициента избытка воздуха необходимо снизить мощность на 15%.
Как видно из рис. 86, при постоянной нагрузке дизеля и изменении внешних условий происходят изменения значений максимального давления в цилиндре ρζ и наиболее существенно — температуры выпускных газов.
Во время испытаний ГЭУ при вышеуказанных максимальных изменениях внешних условий и одной и той же мощности температура выпускных газов дизеля увеличилась на 80° С, что при номинальной температуре ίг.ном = 410°С составляет 19,5%. Максимальное же давление ρz с переходом в тропическую зону изменялось незначительно в сторону уменьшения: ∆рг=0,35 МПа, что составляет 4,37% ρz ном, равного 8 МПа.
Кроме того, на показатели режима работы дизелей в значительной мере влияют также эксплуатационные факторы (рис. 87).
В процессе испытаний ГЭУ транспортного рефрижератора «В. Серов» было замечено снижение эксплуатационных показателей двигателя при постоянной его нагрузке. Первопричиной этого явилось прогрессирующее нагарообразование выпускных окон. Вследствие этого вырастало сопротивление продувочновыпускного тракта.
Рис. 87. Изменение эксплуатационных показателей дизелей типа ЗД100 во времени, полученных при нагрузке N>e> = 1060 кВт, частоте вращения дизеля >nдз =760 об/мин, в тропической зоне.
Согласно записям в судовом машинном журнале, продолжительность работы двигателя между чистками составляла в среднем 250 ч. Момент остановки двигателя для профилактического осмотра определяется в практике эксплуатации ГЭУ по резкому повышению давления продувочного воздуха. При этом руководствуются, как правило, заводской инструкцией, в которой верхний предел давления ps = 0,033 МПа.
Для исследования влияния нагарообразования на эксплуатационные показатели двигателя был установлен 100-часовой режим. Заданные мощность Ne= 1060 кВт и частота вращения двигателя nдз=760 об/мин контролировались. Испытания проводились в тропической зоне. До назначения указанного режима двигатель отработал после чистки 130 ч.
Параметры, характеризующие протекание рабочего процесса, показали при этом ухудшение индикаторного процесса. При неизменной температуре продувочного воздуха ts=68° С его давление ps возросло от 0,026 до 0,031 МПа. Температура выпускных газов tг повысилась на 20° С (такой же рост был отмечен на двух других дизель-генераторах). Экономические показатели работы двигателя: часовой расход топлива Gч и удельный эффективный расход ge возросли на 2,2—2,5%.
В данном случае суммарный коэффициент избытка воздуха указывает на уменьшение расхода воздуха вследствие роста сопротивления выхлопу.
Таким образом, нагарообразование может привести к тепловым перегрузкам двигателя. Этот фактор также необходимо учитывать при назначении его эксплуатационной мощности.
Значительное повышение температуры выпускных газов свидетельствует об увеличении теплонапряженности дизеля, что может привести к существенному повышению его износа, а также понижению надежности работы установки в целом. При вышеуказанных изменениях pz и tг заметное уменьшение частоты вращения дизелей не имело места, поскольку точка установившегося режима работы не достигала внешней характеристики дизеля, а при работе на регуляторной характеристике частота вращения дизеля меняется незначительно, так как на транспортном рефрижераторе «В. Серов» установлены главные дизели с изодромными астатическими регуляторами.
В некоторых случаях эксплуатационным критерием является не минимум расхода топлива, а возможное максимальное использование мощности установки при плавании в различных температурных зонах. Тогда особенно остро встает вопрос защиты дизелей от перегрева. При значительных изменениях внешних условий важно своевременно заметить возрастание тепловой нагрузки дизелей, так как это может привести к аварийной ситуации, а иногда и к более тяжелым последствиям: появлению микротрещин в деталях цилиндро-поршневой группы дизеля и выходу последних из строя в ходе эксплуатации установки.
Защита, основанная на применении обратной связи по частоте вращения, в данном случае не может быть применена ввиду незначительности изменения частоты вращения при изодромном регуляторе дизеля. Применение обратной связи по ходу топливной рейки также нецелесообразно, так как малая величина хода топливной рейки и наличие в нем переменной составляющей не позволяют рассчитывать на погрешность ниже 2—3%. Относительное изменение температуры выпускных газов дизеля близко к относительному изменению средней температуры газов на линии сгорание—расширение и к относительному изменению температуры деталей цилиндро-поршневой группы. Поэтому обратная связь по температуре выпускных газов может быть рекомендована к применению в ГЭУ для защиты дизелей от тепловой перенапряженности. Она должна входить в систему возбуждения ГЭУ и реализовать условие постоянства температуры выпускных газов tг=const в основных ходовых режимах. Разумеется, в маневренных режимах эта обратная связь должна быть исключена, что можно осуществить посредством блокировки в посту управления ГЭУ или других средств. Если обратная связь применяется с отсечкой, то не может быть реализовано условие tг=const и обратная связь играет лишь роль защиты дизеля от тепловых перенапряжений, уменьшая нагрузку дизеля при достижении tг максимально допустимого значения. Обратная связь по tг обеспечивает также защиту дизелей от тепловых перенапряжений при быстрых изменениях температуры забортной (охлаждающей) воды.
При отказе от вахтенной службы в машинном отделении вопрос защиты дизелей от тепловой перегрузки становится особенно острым, что должно быть учтено при проектировании ГЭУ, а также судовых электростанций с дизель-генераторами.
