Расчет автоматизированной судовой электроэнергетической системы

Во́дный тра́нспорт — транспорт, использующий естественные и искусственные водоёмы. Основным транспортным средством является судно.

По типу используемых акваторий подразделяется на речной и морской. Морские суда должны обладать мореходностью, т. е. способностью не разрушаться и не тонуть при волнении; морские суда крупнее речных. Перевозки по озёрам обычно относят к речному транспорту (за исключением самых крупных озёр — таких, как Каспийское море).

Для погрузки и выгрузки служат порты (морские и речные); для пассажиров сооружают морские и речные вокзалы.

Водный транспорт отличается высокой провозной способностью и очень низкой себестоимостью перевозок; кроме того, он позволяет перевозить почти любые крупногабаритные грузы. Далее, водный транспорт жизненно важен там, где невозможны сухопутные перевозки: между континентами, островами, а также в слабо освоенных районах. Важной разновидностью водного транспорта являются паромы.

Скорость движения на водном транспорте относительно невысока, поэтому в настоящее время он почти не используется для деловых пассажирских перевозок. Зато он очень популярен у туристов и вообще любителей активного отдыха. Используются и большие туристические суда, и разнообразнейшие катера, яхты и лодки.

1. Внутренний водный транспорт

Водный транспорт делится на два вида: внутренний водный (речной) транспорт и морской транспорт.

Внутренний водный транспорт (он же - речной) относится к одному из древнейших видов транспорта. Россия обладает большой и разветвленной сетью речных путей и озер. Однако существенную роль он играет либо в тех регионах, где направления основных транспортно-экономических связей и речных путей совпадают (Волжско-Камский речной бассейн в Европейской части России), либо в слабо освоенных регионах с практически полным отсутствием альтернативных видов транспорта (Север и Северо-восток страны). Внутренний речной транспорт располагается в основном в течениях больших рек, главное требование, к которым - судоходность.

Внутренние судоходные водные пути относятся к различным речным бассейнам. Преобладающую часть грузовых перевозок и грузооборота выполняют пароходства трех воднотранспортных бассейнов: Волжско-Камского, Западносибирского и Северо-Западного. Волжско-Камский бассейн обслуживает экономически наиболее развитые и плотно заселенные районы европейской части России. Он является главным. На него приходится Ѕ грузооборота всего речного транспорта страны. Подавляющая часть перевозок в этом бассейне осуществляется по Волге, Каме и каналу имени Москвы. Наиболее крупными портами бассейна являются три московских (Южный, Западный и Северный), Нижегородский, Казанский, Самарский, Волгоградский и Астраханский.

На втором месте по объему выполняемой работы стоит Западно-Сибирский бассейн, включающий Обь с притоками. Здесь крупными портами выступают Новосибирск, Омск, Томск, Тобольск, Тюмень, Сургут, Уренгой, Лабытнанги.

Третьим по важности является воднотранспортный бассейн европейского Севера. Главной магистралью бассейна является Северная Двина с притоками Сухоной и Вычегдой. Ведущим портом является Архангельск. Большое значение для снабжения Якутска и промышленных очагов Якутии играют Лена и расположенный на ее пересечении с БАМом порт Осетрово. Стержнем воднотранспортной системы является Единая глубоководная система европейской части России общей протяженностью 6,3 тыс. км. В нее входят глубоководные участки Волги (от Твери до Астрахани), Камы, Москвы-реки, Дона и межбассейновые глубоководные соединения - Московско-Волжское, Волго-Балтийское, Беломорско-Балтийское, Волго-Донское. Составляя лишь 6 % от общей протяженности внутренних водных путей, данная система выполняет 2/3 всей перевозочной работы речного транспорта страны.

Протяженность эксплуатируемых внутренних водных путей в России в последние десятилетия сокращается и в настоящее время составляет 94 тыс. км. Также падает и доля речного транспорта в. грузообороте, так как он не выдерживает конкуренции с другими видами магистрального транспорта, и прежде всего, с железнодорожным транспортом, сфера применения которого в сравнении с речным транспортом практически идентична - более того, речной транспорт практически превращается в специфический вид технологического транспорта, так как свыше 70% перевозимых им грузов составляют минеральные строительные материалы. Последние перевозить на дальние расстояния экономически невыгодно, так как коэффициент транспортной слагающей для минеральных строительных материалов максимален для всех видов перевозимых грузов. Поэтому средняя дальность перевозки 1 т груза на речном транспорте постоянно сокращается и в настоящее время с учетом всех видов речных сообщений составляет менее 200 км. В состав речного флота входят самоходные суда грузоподъемностью 2 - 3 тыс. т, сухогрузы типа «Волга - Дон», танкеры грузоподъемностью 5 тыс. т и крупные баржи. С начала 60-х годов эксплуатируются суда типа «река-море», позволяющие плавать не только по рекам, но и в прибрежных акваториях морей, что значительно сокращает объем перегрузочной работы на стыках река - море. Данный тип судов используется не только на внутренних речных и морских путях, но и для экспортно-импортных операций на линиях, соединяющих Волгу с портами Финляндии, Швеции, Дании, Германии и других стран. Основным грузом для перевозки речным транспортом является лес. Себестоимость перевозки круглого леса на речном транспорте в несколько раз меньше, чем на железнодорожном. При возможности речные пути максимально используют для транспортировки лесных грузов в плотах. Относительно велики также перевозки нефти, нефтепродуктов и каменного угля.

2. Морской транспорт

Морской транспорт играет важную роль в транспортной системе России (о его значении говорит тот факт, что протяженность морских границ России - 44 300 км (общая протяженность - 58 600 км)): он стоит на третьем месте по грузообороту после железнодорожного и трубопроводного транспорта. В отличие от других видов транспорта морскими судами перевозят главным образом экспортно-импортные грузы. Внешние (заграничные) перевозки грузов преобладают. Внутренние (каботажные) перевозки большого значения не имеют, за исключением побережий Тихого и Северного Ледовитого океанов. Среди каботажных перевозок главную роль играет малый каботаж, или плавание вдоль своих берегов в пределах одного или двух смежных морских бассейнов. Большой каботаж - плавание судов между портами России, лежащими в разных морских бассейнах, разделенных береговыми территориями других государств - имеет меньшее значение.

Морской транспорт по многим технико-экономическим показателям превосходит другие виды транспорта: морские перевозки на большие расстояния более дешевые; морские суда, особенно танкеры, отличаются самой большой единичной грузоподъемностью, а морские пути - практически неограниченной пропускной способностью; удельная энергоемкость перевозок невелика. В то же время зависимость морского транспорта от природных условий (особенно в условиях замерзания морской акватории), необходимость создания на морских побережьях сложного и дорогостоящего портового хозяйства, удаленность от морских побережий основных экономических районов и центров страны, относительно слабые экономические и внешнеторговые связи со странами, расположенными за пределами Европы, ограничивают сферу его применения в России.

Резко сократили возможности использования морского транспорта в международной торговле изменения в геополитическом положении России, так как большая часть крупных и хорошо оснащенных морских портов Черноморского и Балтийского бассейнов отошла к другим государствам. По тоннажу российский торговый флот занимает седьмое место в мире (16,5 млн. т дедвейта), но большая часть судов настолько физически изношена, что не позволяет многим из них заходить в иностранные порты. Из 5,6 тыс. судов 46% относятся к рыболовным и рыботранспортным, 1,1 тыс. судов предназначена для перевозки генеральных грузов, 245 судов - нефтетанкеры. Флоту не хватает судов современных типов, таких как лихтеровозы, контейнеровозы, суда комбинированного типа, морские паромы, суда типа «ро-ро» (т.е. с горизонтальной погрузкой и выгрузкой).

Размещение водного транспорта в целом, а в частности морского транспорта зависит от природных условий. Резко сократили возможности применения морского транспорта в международной торговле изменения в геополитическом положении России, так как большая часть крупных и хорошо оснащенных морских портов Черноморского и Балтийского бассейнов отошла к другим государствам. Исторический фактор обусловил концентрацию основной работы морского транспорта бывшего СССР в крупных портах Черноморско-Азовского и Балтийского бассейнов: на их долю приходилось 2/3 всего грузооборота морского транспорта СССР. Но переход под юрисдикцию других государств крупнейших портов привел к тому, что мощность морских портов России только на 1/2 удовлетворяет собственные потребности. Первое место в грузообороте перешло к Дальневосточному бассейну (46,5% всех отправленных грузов морским транспортом России). Через его порты осуществляются внешнеторговые связи с прибрежными регионами Дальнего Востока. К наиболее крупным относятся следующие порты на берегу Японского моря: Владивосток, Находка, расположенный около нее новый порт Восточный с крупными угольными и лесными терминалами, а также порт Ванино-Холмск (о. Сахалин).

На втором месте - Черноморско-Азовский бассейн (23,7% всех отправленных грузов). Через оставшиеся у России порты Черноморского бассейна ведется в основном экспорт нефти. Здесь находится самый крупный нефтяной Новороссийск с глубоководным нефтепирсом «Шесхарис», позволяющим обслуживать суда грузоподъемностью до 250 тыс. т. Меньшее значение имеет нефтяной порт Туапсе. В бассейне Северного Ледовитого океана (третье место по грузообороту - 15% грузов) выделяют два порта - Мурманск на побережье Баренцева моря и Архангельск в Белом море. На их долю приходится более половины грузооборота всего бассейна. Архангельск - специализированный лесоэкспортный порт России. Мурманск - единственный незамерзающий порт России на севере. Большое значение для обеспечения районов Крайнего Севера России имеют порты Диксон, Дудинка, Игарка, Тикси, Певек, расположенные на трассе Северного морского пути. В наиболее грузонапряженном западном секторе Северного морского пути (Мурманск - Дудинка) с помощью атомных ледоколов налажена круглогодичная навигация. На восточном участке (от Диксона до бухты Провидения) навигация ведется эпизодически. Балтийский бассейн занимает примерно такое же место по отправлению грузов, как и бассейн Северного Ледовитого океана (14,5% всего грузооборота). В его пределах расположен самый крупный и универсальный российский порт на Балтике - Санкт-Петербург. Меньший грузооборот имеет Калининградский порт. Однако его значение для обеспечения транспортных связей анклавной Калининградской области с основной территорией России трудно переоценить. Для обеспечения внешнеторговых транспортных связей России через Балтийское море около Санкт-Петербурга в Лужской губе запроектировано строительство нового крупного морского порта.

В Каспийском бассейне (0,4% грузооборота) действуют два относительно крупных порта: Махачкалинский и совмещенный морской и речной Астраханский порты.

Судна представляют собой сложную автоматизированную систему, одной из важнейшей составляющей является энергетическая система. На современный судах значение СЭС поднялось до значения главной энергетической установки, а иногда и превышает его. Параллельно с ростом и сложностью СЭС повышается и её уровень автоматизации.

Целью данной работы является расчет показателей судовой энергетической системы судна на примере проекта 630.

1. Анализ показателей судна и его энергетической системы

Описание. Теплоходы типов ВЕЛИКИЙ (пр. 550) и ВОЛГОНЕФТЬ (пр. 550А, 558, 630 и 1577) - большие палубные наливные суда класса "река-море", с баком и ютом, с двойными бортами и двойным дном, с машинным отделением и надстройкой в кормовой части. Самая массовая серия танкеров такого класса, предназначенная для перевозки сырой нефти и нефтепродуктов.

Модификации. Изначально суда строились по проектам 550 и 558, практически идентичным по конструкции и характеристикам. Предположительно, пр. 550 - обозначение судов иностранной постройки. Суда двух проектов незначительно различаются в деталях конструкции надстройки. Впоследствии проект был модифицирован (пр. 1577), была немного уменьшена грузоподъемность, изменена конструкция трубопроводов, предусмотрена более современная надстройка. Предположительно, за границей такие суда строились под обозначением пр. 550А. Внешне суда пр. 1577 и 550А отличаются конструкцией мачт, суда более поздней постройки - формой дымовой трубы. Позднее были созданы суда (пр. 630), усиленные для морского плавания и плавания во льду. Они имеют увеличенную длину, осадку, мощность машин, трубопроводы большей производительности и современную надстройку. В качестве продолжения серии судов типа "Волгонефть" строились танкеры типа "Олег Кошевой" ("Каспий").

Серийное строительство. Строительство теплоходов пр. 558 велось в 1962-1967 гг. в СССР, теплоходов пр. 550 - в 1963-1971 гг. в Болгарии. Обоих проектов построено около 80 единиц. Судам советской и болгарской постройки присваивались серийные номера (советские: 1 - 30 и возм. 52 - 66 номера; болгарские, завода в Русе: 31 - 45 номера, завода в Варне - с 46 номера). Строительство теплоходов пр. 1577 велось в 1967 - 1979 гг. в СССР; построено не менее 70 единиц. Строительство теплоходов пр. 550А велось в 1969-1982 гг. в Болгарии; построено 65 единиц. Изначально суда получали номера в общем порядке серии с прибавлением к названию литеры "М". Впоследствии они были перенумерованы и начата новая нумерация: судам советской постройки присваивались серийные номера, начиная с 201; судам болгарской постройки - номера начиная с 101. Строительство теплоходов пр. 630 велось в 1984-1996 гг. в Болгарии; построено до 10 единиц.

Распространение. Теплоходы типа "Волгонефть" - основное самоходное наливное судно пароходства Волготанкер. Суда эксплуатируются в Волжском бассейне, на Каспийском, Черном, Азовском морях, на Балтике, на Красном море и в Персидском заливе. Несколько теплоходов было поставлено на Енисей, Лену и Амур. В 90-х гг. многие суда были проданы различным судоходным компаниям, в том числе, компании Транспетро-Волга, входящей в концерн СФАТ, и зарубежным компаниям. Некоторые переведены под "удобные" флаги. В настоящее время суда ранней постройки списаны; некоторые, возможно, работают в качестве бункеровочных баз. По крайней мере одно судно затонуло в 1999 г.

Таблица 1

Характеристики судна проекта 1565

Таблица 2

Характеристика основных элементов ЭУ судна 1565

1. Эффективная мощность ЭУ

P_y=x*P_e , кВт

x- количество главных двигателей СЭУ

P_e- номинальная эффективная мощность главных двигателей СЭУ

P_y=2*736=1472 кВт

2. Энергоэффективность судна

q=P_y/Q , кВт

Q- водоизмещение в полном грузу

q=1472/6984=0.211 кВт

3. Энергонасыщенность судна по отношению к длине МО

l_p=(P_y+P_d *3)|l_{vj ?} rDn

P_e- мощность вспомогательной СЭУ

l_p=(1472+175*3)/20=99,85 кВт/м

4. Энергонасыщенность судна по отношению к площади МО

f_p=(P_y+P_в*3)/S_мо, кВт/м²

f_p=(1472+175*3)/(20*14)=7,132 кВт/м²

5. Энергоемкость работы судна

e=3600*P_y/(M_п*V) , кДж/т*км

М_п=G

G-грузоподьемность

V-скорость судна в полном грузу

e=3600*1472/(4620*19)=60,36 кДж/т*км

6. Абсолютный КПД установки

ɳ_н=(3600*З_н+Й_т).Й_н*И_у

Q_т - теплота затрачиваемая на технические нужды

B_y и Q_н – общий расход топлива и его низшая удельная теплота сгорания

Таблица 3

Показатели СЭУ проекта 1565

судно энергетический установка двигатель

2. Обоснование состава главной энергетической установки

Целью данного раздела является обоснование и выбор главных двигателей.

Исходными данными при выборе главных двигателей является:

- мощность главной энергетической установки (ЭУ) судна Р_у

- количество и частота вращения движителей n_д

Количество главных двигателей следует принимать равным числу их у судна, указанного в задании.

Требуемая мощность двигателей Р_т определяется делением суммарной мощности судна ЭУ на количество движителей или число главных двигателей судна.

Выбор марки дизелей производится по их номинальной эффективной мощности. При этом следует ориентироваться на двигатели отечественного производства, отдавая предпочтение четырехтактным дизелям, имеющим меньшие удельный расходы топлива, масла и большой ресурс. На судах небольшого водоизмещения и скоростных судах в качестве главных двигателей следует использовать высокооборотные дизели возможно меньшей массы и габаритов с достаточным уровнем надежности. При равных или близких значениях показателей экономичности и надежности приоритет следует отдавать дизелям, способным работать на недефицитных видах топлива, в частности, на моторном.

Для обоснования марки главного двигателя необходимо в соответствии с указанными выше рекомендациями подобрать 2-3 дизеля, мощность которых близка (в диапазоне (80-120%) Р_т ) к требуемой, и сравнить их с установленным на судне по комплексному параметру качества.

K_o – a₁*p/p_max+a₂*m_min/m+a₃*b_emin/b_e+a₄*b_min/b+a₅*r/r_max+a₆*j/1+a₇*c_min/c

Где:

К_о – комплексный параметр качества дизеля

р – Р_е/(l*s*h) – удельная мощность дизеля, кВт/м³

Р_е – номинальная эффективная мощность дизеля , кВт

l, s и h – длина, ширина и высота дизеля в метрах

Р_max – максимальное значение удельной мощности среди рассматриваемых двигателей, кВт/м³

m –M/P_e – удельная масса дизеля в метрах

М – масса дизеля , кг

M_min – минимальное значение удельной массы среди рассматриваемых двигателей, кг/кВт

b_e – удельный эффективный расход топлива дизеля, кг/кВт*ч

b_emin – минимальное значение удельного эффективного расхода топлива среди рассматриваемых двигателей, кг/кВт*ч

b – удельный эффективный расход масла дизеля, кг/кВт*ч

b_min – минимальное значение удельного эффективного расхода масла среди рассматриваемых двигателей, кг/кВт*ч

r – ресурс двигателя до капитального ремонта, тыс. ч.

r_max – максимальное значение ресурса среди рассматриваемых двигателей, тыс. ч.

j– условный показатель рода топлива, используемого дизелем (для тяжелого топлива j-1, а для легкого (дизельного) – j-0)

С – 0,77*((P_e^0.87*r^0.48)/(b_e^1.58*b^0.23)) – стоимость дизеля

С_min – минимальное значение стоимости среди рассматриваемых двигателей

a_i(i – 1-7) – коэффициент весомости (∑a_i – 1).

При работе двигателей для крупных транспортных судов можно принимать a₁ – 0,1; a₂ – 0,12; a₃ – 0, 24; a₄ – 0,14; a₅ – 0,19; a₆ – 0,14; a₇ – 0,07

Сопоставление удобно производить в табличной форме (табл.4)

В качестве главного двигателя судна следует выбирать дизель, имеющий наибольшее значение комплексного параметра.

Таблица 4

Сопоставление параметров судовых дизелей