Масляная, газовыпускная и топливная система судна

Судовой энергетической установкой называется комплекс технических средств для обеспечения движения судна с необходимой скоростью, выработки механической, тепловой, электрической энергии, и обеспечения этими видами энергии всех потребителей для безопасного и эффективного функционирования судна в соответствии с его типом и назначением.

СодержаниеСвернуть

Расчет топливной системы
Расчет системы легкого топлива
Расчет системы тяжелого топлива
Расчет масляной системы
Расчет системы охлаждения
Расчет системы сжатого воздуха
Расчет газовыпускной системы

Расчет топливной системы

Топливные системы предназначены для приема, хранения, перекачивания, очистки, подогрева и подачи топлива для сжигания к парогенераторам, газовым турбинам и двигателям внутреннего сгорания, а также для передачи топлива на берег или на другие суда.

Расчет системы легкого топлива

Объем расходной цистерны подсчитывается из расчета обеспечения работы главного двигателя на номинальном режиме в течение 8 часов

V_{р} = 8 \cdot \frac{К_{т} \cdot g_{е} \cdot Z_{г л} \cdot N_{в} \cdot 10^{- 3}}{ρ_{т}}, м^{3}, Ф о р м . 1

где:

K_Т = 1.1 – коэффициент, учитывающий мертвый запас топлива;
g_е – удельный Удельные расходы топливарасход топлива, кг/кВтч;
N_е – номинальная мощность двигателя, кВт;
Z_гл – число главных двигателей;
ρ_Т – плотность топлива, 0,83 т/м³.

Объем сточной цистерны грязного топлива составляет 50-100 л на каждые 1 000 кВт мощности главного двигателя

V_{с т} = (0.05 . . . 0.1) \cdot \frac{N_{е} \cdot Z_{г л}}{1 000}, м^{3} . Ф о р м . 2

Емкость запасных цистерн

$V_{з а п} = \frac{K_{т} \cdot G_{т}}{ρ_{т}}, м^{3}, Ф о р м . 3$

где:

G_Т – запас топлива, т.

Объем расходных цистерн вспомогательного двигателя берется из расчета обеспечения их работы не менее 4 часов

V_{р}^{в с п} = 4 \cdot \frac{K_{т} \cdot g_{в}^{в с п} \cdot Z_{в с п} \cdot N_{в}^{в с п} \cdot 10^{- 3}}{ρ_{т}}, м^{3}, Ф о р м . 4

где:

Z_всп – число вспомогательных двигателей;
$N_{в}^{в с п}$
– номинальная мощность вспомогательного двигателя, кВт;
$g_{в}^{в с п}$
– удельный расход топлива, кг/кВтч.

Объем расходной цистерны автономного котла

V_{р}^{к о т} = 4 \cdot \frac{K_{т} \cdot B_{в} \cdot Z_{к о т} \cdot 10^{- 10}}{ρ_{т}}, м^{3}, Ф о р м . 5

где:

Z_кот – количество автономных котлов;
B_е – расход топлива котла, кг/ч.

Нарушения работоспособности топливной аппаратурыПроизводительность топливоподкачивающего насоса (дежурного) выбирается из условия заполнения расходной цистерны в течение 20.. .30 мин

Q_{т н} = \frac{60 \cdot V_{р}}{(20 . . . 30)} = (2 . . . 3) V_{р}, м^{3} / ч . Ф о р м . 6

Производительность резервного ручного насоса выбирается из условия заполнения расходной цистерны в течение 1 ч

Q_{Р Н} = \frac{V_{р}}{t} = V_{р}, м^{3} / ч . Ф о р м . 7

Производительность сепаратора определяется из условия суточной потребности топлива на 8 ч

Q_{Т С} = 24 \cdot \frac{g_{в} \cdot Z_{Г Л} \cdot N_{в} \cdot 10^{- 3}}{8}, м^{3} / ч . Ф о р м . 8

Мощность насоса

N_{Н А С} = \frac{Q_{Т Н} \cdot ∆ P}{3.6 \cdot η}, к В т, Ф о р м . 9

где:

η – к.п.д. насоса;
ΔP – напор в магистрали, МПа.

К.П.Д. насоса и напор топлива в магистрали выбирается по таблице 1.

Таблица 1. К.П.Д. насоса и напор в магистрали
Тип насоса	ΔP, МПа	η
шестеренный	0.2 …0.5	0.5 …0.7
винтовой	0.5 …1.0	0.75 …0.85

Расчет системы тяжелого топлива

Объем расходной цистерны подсчитывается из расчета обеспечения работы главного двигателя на номинальном режиме в течение 12 ч

V_{р} = 12 \cdot \frac{K_{Т} \cdot g_{в} \cdot Z_{Г Л} \cdot N_{в} \cdot 10^{- 3}}{ρ}, м^{3} Ф о р м . 10

где:

K_т = 1,1 – коэффициент, учитывающий мертвый запас топлива;
g_е – удельный расход топлива, кг/кВт ч;
N_е – номинальная мощность двигателя, кВт;
Z_гл – число главных двигателей;
ρ_т – плотность топлива, т/м³.

Расходные цистерны должны иметь хорошую теплоизоляцию и нагревательный элемент для подогрева тяжелого топлива до 45…50 °С. Подогреватели тяжелого топлива устанавливаются в нижней части цистерны вблизи приемных патрубков. Они представляют собой змеевики, по которым проходит горячая вода или пар давлением не более 0,5 МПа.

В запасных цистернах топливо подогревается до 30….40 °С, а в расходных до 40….50 °С, при этом температура должна быть не менее чем на 10 °С ниже температуры вспышки топливных паров.

Предлагается к прочтению: Ремонт двигателей внутреннего сгорания

Расход теплоты на подогрев тяжелого топлива в запасных или расходных цистернах определяется по формулам теплопередачи

Q_{Σ} = Q_{п} + Q_{ст}, к В т, Ф о р м . 11

где:

Q_п – расход теплоты, идущей непосредственно на подогрев топлива до соответствующей температуры, кВт;
Q_ст – расход теплоты на передачу ее от стенок цистерны воздуху, кВт.

Q_{п} = C_{т} \cdot т_{т} \cdot \frac{(Т_{2} - Т_{1})}{3 600}, к В т, Ф о р м . 12

где:

C_т = 1,88 – удельная теплоемкость моторного топлива, кДж/(кгK);
T_т – масса топлива в запасных или расходных цистернах, кг;
T₁ – температура топлива, подаваемого в цистерну, K;
T₂ – температура, до которой необходимо нагреть топливо в соответствующей цистерне, K.

Q_{ст} = α \cdot (T_{4} - T_{3}) \cdot S, к В т, Ф о р м . 13

где

a = 10 – коэффициент теплоотдачи от стенок цистерны воздуху, Вт/(м²K);
S – суммарная площадь поверхности расходной цистерны, м²;
T₃ = 288 – температура воздуха в машинном помещении, K;
T₄ = 303 – температура внешней поверхности изоляции цистерны, K.

Объем сточной цистерны грязного топлива составляет 50 – 100 л на каждые 1 000 кВт мощности главного двигателя

V_{СТ} = (0.05 . . . 0.1) \cdot \frac{N_{в} \cdot Z_{гл}}{1 000}, м^{3}, Ф о р м . 14

Емкость запасных цистерн

$V_{зап} = \frac{K_{т} \cdot G_{т}}{ρ_{т}}, м^{3}, Ф о р м . 15$

где:

G_т – запас топлива, т.

Объем расходных цистерн вспомогательного двигателя берется из расчета обеспечения их работы не менее 4 ч

V_{р}^{всп} = 4 \cdot \frac{K_{т} \cdot g_{в}^{всп} \cdot Z_{всп} \cdot N_{в}^{всп} \cdot 10^{- 3}}{ρ_{т}}, м^{3,} Ф о р м . 16

где:

Z_всп – число вспомогательных двигателей;
$N_{в}^{всп}$
– номинальная мощность вспомогательного двигателя, кВт;
$g_{в}^{всп}$
– удельный расход топлива, кг/кВтч.

Объем расходной цистерны автономного котла

V_{р}^{кот} = 4 \cdot \frac{K_{Т} \cdot B_{в} \cdot Z_{кот} \cdot 10^{- 3}}{ρ_{Т}}, м^{3}, Ф о р м . 17

где:

Z_кот – количество автономных котлов;
B_е – расход топлива котла, кг/ч.

Скоростные характеристики топливной аппаратуры судового двигателяПроизводительность топливоподкачивающего насоса (дежурного) выбирается из условия заполнения расходной цистерны в течение 20.. .30 мин

Q_{ТН} = \frac{60 \cdot V_{р}}{(20 . . . 30)} = (2 . . . 3) \cdot V_{р}, м^{3} / ч . Ф о р м . 18

Q_{РН} = \frac{V_{р}}{t} = V_{р}, м^{3} / ч . Ф о р м . 19

Производительность сепаратора определяется из условия суточной потребности топлива на 12 ч

Q_{ТС} = 24 \cdot \frac{g_{в} \cdot Z_{ГЛ} \cdot N_{в} \cdot 10^{- 3}}{12}, м^{3} / ч . Ф о р м . 20

Мощность насоса

N_{НАС} = \frac{Q_{ТН} \cdot ∆ P}{3.6 \cdot η}, к В т, Ф о р м . 21

где:

η – к.п.д. насоса;
ΔP – напор в магистрали, МПа.

К.П.Д. насоса и напор топлива в магистрали выбирается по Таблица 1.

Расчет масляной системы

Масляная система предназначена для приема, хранения и подачи масла потребителям. Масляные системы дизельных установок во многих случаях состоят из следующих, по существу, независимых систем:

смазочной и охлаждения трущихся деталей главных и вспомогательных двигателей;
смазочной редукторных передач;
гидравлической реверс-редукторных, гидродинамических и объемных гидравлических передач;
масляной органов управления и автоматического регулирования.

При проектировании масляной системы необходимо учитывать расход масла во всех перечисленных системах.

Производительность нагнетательного масляного насоса

Q_{м н} = K_{м} \cdot \frac{Q_{м} \cdot 10^{- 3}}{C_{м} \cdot ρ_{м} \cdot (t_{2 м} - t_{1 м})}, м^{3} / ч, Ф о р м . 22

где:

K_м = 1.2….1.5 – коэффициент запаса подачи;
Q_м – количество теплоты, отбираемое маслом от трущихся пар двигателя, кДж/ч;
C_м = 2.02 кДж/(кг, °С) – теплоемкость масла;
ρ_м = 0.89…0.91 – плотность масла;
t_2м – температура масла за двигателем;
t_2м = 45….70 °С – МОД, СОД;
t_2м = 90 °С – ВОД;
t_1м – температура масла перед двигателем, °С.

Q_{м} = α_{м} \cdot g_{в} \cdot N_{в} \cdot Q_{н}^{р}, к Д ж / ч, Ф о р м . 23

где:

α_м = 0.05….0.1 – доля тепла, отводимая маслом от всего количества теплоты, выделяемой при сгорании топлива в цилиндрах двигателя;
$Q_{н}^{р}$
– удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг;
$Q_{н}^{р}$
= 41 000….43 000 кДж/кг – дизельное топливо;
$Q_{н}^{р}$
= 39 500….40 000 кДж/кг – моторное и газотурбинное топливо;
g_е – удельный расход топлива, кг/(кВтч);
N_е – номинальная Индикаторная и эффективная мощность двигателямощность двигателя, кВт.

Для уменьшения температурных напряжений в деталях двигателя t_2м – t_1м ≤ 15 °С и обычно составляет t_2м – t_1м = 6….12 °С.

Производительность откачивающего насоса должна быть на 25…30 % больше подачи нагнетательного насоса для осушения картера двигателя

Q_{мо} = (1.25 . . . 1.3) \cdot Q_{мн}, м^{3} / ч, Ф о р м . 24

Емкость маслосборной цистерны

$V_{мс} = K \cdot \frac{Q_{мо}}{z}, м^{3}, Ф о р м . 25$

где:

K_с = 1.2….1.3 – коэффициент, учитывающий мертвый запаса масла и увеличение объема масла при его нагреве;
z – кратность циркуляции масла;
z = 10….30 – МОД, СОД;
z = 40….60 – ВОД.

Объем сточной цистерны отработавшего масла

V_{ст}^{м} = 0.6 \cdot \sum_{}^{} V_{мс} \cdot n, м^{3}, Ф о р м . 26

где:

n = 1,0 – число смен масла за период автономного плавания.

Объем расходной цистерны

V_{р}^{м} = (1.1 . . . 1.5) \cdot V_{мс}, м^{3}, Ф о р м . 27

Объем запасной цистерны

V_{з}^{м} = 1.1 \cdot \frac{G_{м}}{ρ_{м}}, м^{3}, Ф о р м . 28

G_м – запас масла

G_{м} = (0.02 . . . 0.06) \cdot G_{т}, т, Ф о р м . 29

G_т – запас топлива, т.

Поверхность охлаждения масляного холодильника

F_{мх} = \frac{Q_{м}}{3.6 \cdot K \cdot ∆ t_{ср}}, м^{2}, Ф о р м . 30

где:

К = 290….460 – коэффициент теплопередачи от масла к стенкам трубок холодильника, Вт/(м²·°С)

∆ t_{ср} = \frac{t_{1 м} + t_{2 м}}{2} - \frac{t_{1 з} + t_{2 з}}{2}, Ф о р м . 31

Δt_ср – средняя температура масла и воды, °С*****

где:

t_1з – температура забортной воды перед холодильником. Принимается в зависимости от бассейна плавания (таблица 2);
t_2з = 40….45 °С – температура забортной воды за холодильником.

Таблица 2. Температура забортной воды
Район плавания	*Температура t_1з, °С*
Обь – Иртыш	21
Енисей – Лена	19
Без ограничения бассейна	24
Суда смешанного плавания	27

Судовые системы и трубопроводыПроизводительность насоса забортной воды для прокачки масляного холодильника

Q_{н з} = K_{з} \cdot \frac{Q_{м} \cdot 10^{- 3}}{C_{в} \cdot ρ_{в} \cdot (t_{2 з} - t_{1 з})}, м^{3} / ч, Ф о р м . 32

где:

K_з = 1.3….1.5 – коэффициент запаса подачи воды;
C_в = 4.19 – теплоемкость пресной речной воды, кДж/(кг · °С);
C_в = 3.98 – теплоемкость морской воды, кДж/(кг · °С);
ρ_в = 1.02 – плотность морской воды, т/м³;
ρ_в = 1.0 – плотность речной воды, т/м³.

Производительность масляного сепаратора

Q_{мс} = \frac{m \cdot Σ V_{мс}}{t_{с}}, м^{3} / ч, Ф о р м . 33

где:

m = 1.5….3.5 – кратность очистки масла;
t_с = 8….12 – время работы сепаратора в сутки, час.

Расчет системы охлаждения

Система водяного охлаждения дизельных установок, как правило, двухконтурная. Она состоит из замкнутой системы внутреннего контура, вода которой охлаждает Реверс дизельного двигателядизель, и открытой системы внешнего контура, в которой через холодильник циркулирует забортная вода. Насосы внутреннего и внешнего контуров, как правило, входят в комплект поставки дизельной установки. Если насосы не входят в комплект поставки необходимо рассчитать их параметры.

Подача насоса внутреннего контура определяется по формуле:

Q_{нв} = K_{з} \cdot \frac{Q \cdot 10^{- 3}}{C_{в} \cdot ρ_{в} \cdot ∆ t_{в}}, м^{3} / ч, Ф о р м . 34

где:

K_з = 1.2….1.3 – коэффициент запаса подачи воды;
Δt_в = 10….12 – разность температур воды на выходе из дизеля и на входе в него, °С;
Q_в – количество теплоты, отбираемое водой внутреннего контура от охлаждаемых деталей двигателя, кДж/ч

Q_{в} = α_{в} \cdot g_{в} \cdot N_{в} \cdot Q_{н}^{р}, к Д ж / ч, Ф о р м . 35

где:

α_в – доля тепла, отводимая водой от всего количества теплоты, выделяемой при сгорании топлива в цилиндрах двигателя;
α_в = 0.2….0.25 – для дизелей без наддува;
α_в = 0.12….0.17 – для дизелей с наддувом;

Подача насоса забортной воды, прокачиваемой через холодильник для охлаждения воды внутреннего контура, определяется по аналогичному выражению, что и подача насоса внутреннего контура

Q_{нз} = K_{з} \cdot \frac{Q_{в} \cdot 10^{- 3}}{C_{в} \cdot ρ_{в} \cdot (t_{2 з} - t_{1 з})}, м^{3} / ч, Ф о р м . 36

где:

K_з = 1.2….1.3 – коэффициент запаса подачи воды;
C_в = 4.19 – теплоемкость пресной речной воды, кДж/(кг · °С);
C_в = 3.98 – теплоемкость морской воды, кДж/(кг · °С);
ρ_в = 1.0 – плотность речной воды, т/м³;
ρ_в = 1.02 – плотность морской воды, т/м³.

Часто для прокачки забортной водой масляного и водяного холодильников используют один насос, тогда его подача определяется по формуле

Q_{нз} = K_{з} \cdot \frac{(Q_{в} + Q_{м}) \cdot 10^{- 3}}{C_{в} \cdot ρ_{в} \cdot (t_{2 з} - t_{1 з})}, м^{3} / ч . Ф о р м . 37

Внутренний контур не может быть герметически замкнутым. Для компенсации изменения объема воды при изменении ее температуры, а также для возмещения потерь вследствие испарения или утечек служит расширительный бак, соединенный с всасывающей магистралью циркуляционного насоса.

Емкость расширительного бака по опытным данным составляет 100…150 л на каждые 1 000 кВт мощности

V_{рб} = (0.1 . . . 0.15) \cdot \frac{N_{в}}{1 000}, м^{3} . Ф о р м . 38

Расчет системы сжатого воздуха

Сжатый воздух используется на судне для пуска главных и вспомогательных двигателей, подачи звукового сигнала (тифона), подпитки пневмоцистерн (гидрофоров) и других хозяйственных и технологических нужд.

Общий запас воздуха на судне, необходимый для обеспечения определенного количества пусков и реверсов главных двигателей, регламентируемых Правилами Регистра, определяется по формуле:

V_{в} = (V_{хп} + (m - 1) \cdot V_{г}) \cdot \sum_{}^{} V_{ц} \cdot z, м^{3}, Ф о р м . 39

где:

V_хп = 8….10 – удельный расход свободного воздуха для пуска холодных
двигателей, приходящийся на 1 м³ объема цилиндра, м³/м³;
V_г = 4….6 – удельный расход свободного воздуха для пуска горячего двигателя, м³/м³;
m – число пусков и реверсов,
- m = 12 – реверсивные двигателя,
- m = 6 – нереверсивные двигателя.
ΣV_ц – суммарный объем цилиндров двигателя, м³;
Z – число двигателей.

Суммарный объем пусковых баллонов

\sum V_{б} = \frac{V_{в} \cdot P_{0}}{P_{1} - P_{2}}, м^{3}, Ф о р м . 40

P₀ = 0.1 – давление атмосферного воздуха, МПа;
P₁ = 3….6 – начальное пусковое давление воздуха (до 15 для ВОД), МПа;
P₂ = 0.8….1.5 – минимальное пусковое давление воздуха, МПа.

По величине ΣV_б выбирают необходимое количество стандартных баллонов, общая вместимость которых должна быть больше расчетной, т.е.

Стандартные баллоны рассчитаны на 40, 80, 200, 400 л.

Производительность компрессора

Q_{к} = \frac{\sum V_{б} \cdot (P_{1} - P_{2})}{P_{0} \cdot t_{б}}, м^{3} / ч, Ф о р м . 41

где:

t_б = 1 – время заполнения баллонов, ч.

Объем тифонного баллона определяется из условия подачи сигналов в течение 10 мин без его подкачки

V_{тф} = K_{нас} \cdot \frac{V_{т} \cdot t_{сиг} \cdot P_{0}}{P_{3} - P_{4}}, м^{3}, Ф о р м . 42

где:

K_нас = 0.128 – коэффициент насыщения сигналами (отношение продолжительности сигнала ко времени между сигналами);
t_сиг = 10 время сигнала, мин;
P₃ = 1.5….3 – начальное давление воздуха в баллоне, МПа;
P₄ = 0.5….0.8 – конечное давление воздуха в баллоне, при котором возможна Пиротехнические средства связи и сигнализацииподача сигнала, МПа;
V_т – расход свободного воздуха тифоном (таблица 3).

Таблица 3. Расход свободного воздуха тифоном
Условный проход тифона, мм	Тон звука	V_т, м³/мин
10	альт	1
15	тенор	3
25	баритон	6
32	бас	7

Расчет газовыпускной системы

Система газовыпуска предназначена для отвода в атмосферу выпускных газов от главных и вспомогательных дизелей, котлов и камбуза.

Площадь сечения газовыпускного трубопровода определяется в зависимости от секундного расхода и допустимой скорости движения газов: для дизелей

F_{т . д} = \frac{g_{в} \cdot N_{в} \cdot (λ_{2} \cdot L_{0} + 1) \cdot R \cdot T}{3 600 \cdot C_{r} \cdot P_{2}}, м^{2}; Ф о р м . 43

для автономных котлов

F_{т . к} = \frac{B_{ак} \cdot λ_{2} \cdot R \cdot T}{3 600 \cdot C_{r} \cdot P_{2}}, м^{2}, Ф о р м . 44

где:

λ₂ – суммарный коэффициент избытка воздуха при горении:
- МОД – 1.8…2.1;
- ВОД – 1.3…1.7;
- автономные котлы – 1,2…1,3;
L₀ = 14.3 – количество воздуха теоретически необходимого для сгорания 1 кг топлива, кг/кг;
R = 0.287 – газовая постоянная, кДж/кг °K;
T – температура выпускных газов:
- за дизелем – 573….773 °K;
- за утилизационным котлом – 453….473 °K;
- в дымоходах автономных котлов – 423….573 °K;
C_r – допустимая скорость движения газов в трубопроводе, м/с:
- 4-х тактный дизель – 30….45;
- 2-х тактный дизель – 25….30;
- автономный котел – 20….25;
B_ак – часовой расход топлива автономным котлом, кг/ч;
P₂ = (0.03….0.04) 10 – допустимое давление в трубопроводе, кПа.

Сноски

Расчет систем судовых энергетических установок

Расчет топливной системы

Расчет системы легкого топлива

Расчет системы тяжелого топлива

Расчет масляной системы

Расчет системы охлаждения

Расчет системы сжатого воздуха

Расчет газовыпускной системы