Repository - Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin - Effective Load Analysis Method of...

ISSN 1733-8670

ZESZYTY NAUKOWE NR 5(77)

AKADEMII MORSKIEJ

W SZCZECINIE

OBSŁUGIWANIE MASZYN I URZĄDZEŃ OKRĘTOWYCH O M i U O 2 0 0 5

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 ukła-dach napędowych, gdzie silnik jest bezpośrednio połączony ze śrubą. Taki układ zapew-nia najwyższą sprawność i najniższe z możliwych zużycie paliwa. Warunkiem uzyskazapew-nia 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 standar-dowe 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 turbo-charged, two stroke diesel engine, directly coupled to the vessel’s single, fixed or con-trollable pitch propeller. This configuration can provide high power outputs and im-proved fuel economy. The paper deals with basic ship propulsion factors used for fuel consumption calculations.

Wstęp

Najbardziej popularny współczesny układ napędowy statków to układ bez-pośredni 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 pływa-nia) przyjęte jest zapotrzebowanie mocy eksploatacyjnej. Przewidywane para-metry 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 standardo-wych. Przykładowo, zużycie paliwa wymaga uwzględnienia również jego jako-ści 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 ładun-ków 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 19980 dwt

Silnik główny, 6 cyl. MAN B&W 6S46MC-C, Pn 7860kW, nn 129 obr/min

Prądnica wałowa 700 kW

Silniki pomocnicze – dwa MAN B&W typ 6L23/30, Pn 960 kW, nn 720 obr/min

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.

GS Main engine MAN B&W CPP 1 2 3

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

paliwo-wej hw [%]

Fig. 1. Ship propulsion unit arrangement

Prądnica wałowa (2) jest napędzana poprzez nierozłączne sprzęgło ela-styczne 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. Czte-roskrzydłowa śruba nastawna sterowana jest hydraulicznie za pomocą serwomo-toru (1).

2. Struktura zbioru danych

Jednym z celów głównych analizy obciążenia użytecznego silnika oraz wy-nikających z tego aspektów ekonomicznych w postaci zużycia paliwa, jest moż-liwie najlepsze określenie dopasowania silnika układu napędowego statku do warunków, w jakich jest on eksploatowany. Zebrany zbiór danych pochodzą-cych ze statku posłużył do wykonania analizy trafności doboru układu napędo-wego, 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 stat-ku, 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:

 Sw – względny skok śruby nastawnej; stosunek wartości

eksploatacyj-nego skoku śruby do skoku nominaleksploatacyj-nego wyrażony w procentach;  hw – względna wartość położenia listwy paliwowej; stosunek

eksploata-cyjnego przesunięcia listwy paliwowej, odpowiadającego eksploatacyj-nej 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,

po-mierzone przepływomierzem objętościowym.

Dane służące do przeprowadzenia analizy zostały zarejestrowane w ciągu pierwszych 546 dni eksploatacji statku i obejmują: skok śruby nastawnej, poło-żenie 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 napę-dowego 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

Nr. próbki 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

3. Metodyka obliczeń

Eksploatacja statku w ramach umowy czarterowej zawierała warunek po-krywania 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 wzglę-dem dna. Zależy ona też od aktualnych warunków atmosferycznych – stanu mo-rza i siły wiatru, dryfu i załadowania statku. Ponieważ statek operuje na regular-nych liniach, wpływ takich czynników jak przeciwne prądy morskie niwelują się w dłuższym czasie obserwacji. Na tej podstawie można założyć zależność chwi-lowej charakterystyki pracy układu napędowego [7]:





Ps – moc zapotrzebowana przez śrubę, n – prędkość obrotowa śruby,

k – współczynnik zależny od skoku śruby, warunków pływania,

spraw-ności 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 ob-rotowej 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 zapo-trzebowania na moc w warunkach nominalnych. Moc użyteczną silnika można wyznaczyć, korzystając z zależności:

e r e e

B

W

P









Be – sekundowe zużycie paliwa, kg/s,

Wr – wartość opałowa paliwa użytkowanego, kJ/kg,

Dla rozpatrywanego przypadku przyjęto stałą, średnią wartość opałową zu-żywanego paliwa, należącego do kategorii ISO-F-RME25 według zależności [1]:

















g – gęstość paliwa w temperaturze 15C, kg/m3_,

x – zawartość wody, % (m/m),

y – zawartość pozostałości po spopieleniu, % (m/m), s – 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 na-stępującą zależność: nom nom B B P P_{e e}  (4) gdzie:

Pe – moc użyteczna eksploatacyjna silnika, kW, Pnom – moc nominalna silnika, kW,

Be – zużycie paliwa dla eksploatacyjnego obciążenia silnika, kg/s, Bnom – 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 posta-ci: nom e nom e h h P P _{ (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 pali-wa silnika w eksploatacji (inny rodzaj palipali-wa) można określić według zależno-ści: e W W b b std std  (6)

gdzie:

be – jednostkowe zużycie paliwa w warunkach eksploatacyjnych,

g/kWh,

bnom – jednostkowe zużycie paliwa przy zasilaniu paliwem standardowym

dla parametrów nominalnych pracy i dla warunków otoczenia ISO, g/kWh.

Zależność umożliwiająca wyznaczenie rzeczywistego jednostkowego zuży-cia paliwa dla dowolnego punktu chwilowej charakterystyki śrubowej powinna uwzględniać dodatkowe czynniki eksploatacyjne i przyjmie postać:





b – poprawka jednostkowego zużycia paliwa wynikająca z innego

po-łożenia 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 nie-zmienione, moc użyteczna silnika ulega zmianie. Gdy silnik w warunkach eks-ploatacyjnych obciążany jest programowo – według nastawy skoku śruby lub prędkości statku, wówczas zależność (5) należy zastąpić równaniem:

std std std h W W P P h r e e    (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 należą-cych do zbioru określonego jako podróż morska, ilustruje rysunek 2. Na przed-stawionym wykresie zaznaczono częstości występowania nastawy skoku w charakterystycznych przedziałach czasu, oraz liniową aproksymację trendu przebiegu zmian wartości nastaw. Dodatkowo, na wykresie wbudowanym

zaznaczono histogram rozkładu ilości obserwacji n, nastawy skoku śruby wzglę-dem ich wartości. Największe natężenie występowania ma wartość z przedziału 74 – 78% – 150 próbek. Jednak wartości wyższe, z przedziału 78 – 93% charak-teryzują się wysokim natężeniem, malejącym w miarę wzrostu nastawy skoku śruby.

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Liczba dni jazdy morskiej

20 30 40 50 60 70 80 90 100 Na st aw a sk ok u ś ru by - Sw [% ] 50.7 54.6 58.6 62.5 66.4 70.4 74.3 78.3 82.2 86.1 90.1 94.0 Sw [%] 0 50 100 150 200 n [ - ]

Rys. 2. Przebieg zmian nastawy skoku śruby i histogram rozkładu nastawy śruby

Fig. 2. Pitch propeller settings history and pitch value position histogram

Przestawiony na rysunku 3 histogram wartości obciążenia użytecznego wskazuje na charakterystyczny wąski przedział (59 – 65%) wysokiej intensyw-ności występowania i przedział wyższego obciążenia (65 – 90%) silnika, z wy-raźną malejącą gęstością występowania wraz ze wzrostem wartości obciążenia.

1731.9 3036.0 4340.2 5644.4 6948.5 Pe [kW] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Li cz ba p ró be k 75% Pnom 50% Pnom

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 wynikające-mu z tego przesuwaniu się charakterystyki napędowej. Tendencje te

potwierdza-ją liniowe aproksymacje przebiegu zmian obciążenia silnika na rysunku 4 oraz analogiczna funkcja na rysunku 2, dotycząca zmiany nastawy skoku śruby.

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Liczba dni jazdy morskiej

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Pe [k W ] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 be [ g /k W h ] Pe be

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

Przedstawiona w artykule metoda oceny wskaźników pracy silników napę-dowych statku odznacza się prostym i efektywnym sposobem realizacji. Uzy-skane wyniki wskazują na prawidłowy dobór zasobu roboczego układu napędo-wego wyrażający się przewidywanym wzrostem oporu konstrukcyjnego kadłu-ba. Wzrost ten ma przewidywaną wartość 9 – 12% w pierwszych kilku latach eksploatacji, stąd odnotowany relatywnie mniejszy wzrost efektywnego obcią-żenia układu napędowego.

0 50 100 150 L iczb a p ró b e k 3000 4000 5000 6000 7000 Pe [kW] 100 150 200 250 300 be [ g /kW h ] 0 50 100 150 Liczba próbek Peopt bemin

Rys. 5. Rozkład obciążenia użytecznego i jednostkowego zużycia paliwa przez silnik

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. Osta-tecznie można stwierdzić, że w pierwszym okresie eksploatacji statku układ napędowy statku mógł pracować pod wyższym obciążeniem (ok. 8%), co przy-niosłoby 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

con-sumptions 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 –

Prescrip-tive 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