Конспект лекций авторы М. В. Посконин Красноярск 2021г. 2 Введение
 Скачать 3.28 Mb.
|
|
ГЛАВА 7 АВТОМАТИЗАЦИЯ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК 7.1. Общие вопросы автоматизации Большинство дизельных энергетических установок судов дедвейтом свыше 3 тыс. т последних лет постройки как отечественного, так и мирового флота, а также судов, намечаемых к постройке в ближайшем будущем, снабжаются средствами автоматизации, обеспечивающими обслуживание установки на ходу одним вахтенным механиком из центрального пульта управления (ЦПУ) и безвахтенное обслуживание на стоянке. Для осуществления такой схемы обслуживания, соответствующей требованиям Регистра СССР на символ А 2 , предусматривается следующее: 1) дистанционное автоматизированное управление (ДАУ) главными двигателями с мостика; 2) автоматическое и дистанционно-автоматизированное управление насосами, обслуживающими главный двигатель и дизель-генераторы; 3) автоматическое или дистанционно-автоматизированное управление компрессорами пускового воздуха; 4) автоматизированная судовая электростанция, обеспечивающая автоматическую синхронизацию основных дизель-генераторов, а также автоматический запуск аварийного дизель-генератора при исчезновении питания на шинах главного распределительного щита; 5) автоматическое управление вспомогательным и утилизационным котлами. При этом подготовка и пуск котла обычно осуществляются вручную; 6) автоматизированные системы охлаждения и смазки главного двигателя и дизель- генераторов; 7) автоматизированные системы терморегулирования различных систем машинного отделения (подогрев расходных цистерн, масла и топлива перед сепаратором и др.); 8) автоматическая система регулирования вязкости тяжелого топлива; 9) автоматизированные сепараторы тяжелого топлива; 10) автоматизированные системы цилиндровой смазки; 11) автоматическое или дистанционное осушение из ЦПУ через сепаратор трюмных вод, кормовых колодцев машинного отделения и рецесса коридора гребного вала. В системе контроля предусматривается сигнализация верхнего уровня воды в колодцах грузовых трюмов, а также автоматическая остановка осушительного насоса по нижнему уровню воды в колодцах; 12) дистанционный замер уровней и сигнализация по опасным значениям в расходных и отстойных цистернах машинного отделения; 13) дистанционные запуск и остановка пожарных насосов из ЦПУ и помещения палубной канцелярии; 14) дистанционные запуск и остановка вентиляторов из ЦПУ и остановка с мостика; 15) счетчики продолжительности работы вспомогательных механизмов. Помимо этого, предусматриваются расширенная система сигнализации с регистрацией отклонений параметров и выносом обобщенных сигналов в каюты механиков, рулевую рубку, кают-компанию и столовую; расширенная автоматизированная система пожарной сигнализации с тепловыми и дымовыми датчиками в машинном отделении, сигнализация наличия вахтенного в помещении центрального пульта управления. Перечисленный объем автоматизации позволяет осуществлять обслуживание силовой установки из ЦПУ одним механиком. В том случае, если механизмы оборудования энергетической установки способны нормально работать без местного обслуживания периодами не менее 24 ч и без дистанционного (по приборам) контроля за их работой из рулевой рубки или других мест, а с применением контроля только по обобщенной сигнализации, а также при наличии автоматического ввода в действие всех резервных вспомогательных механизмов при выходе из строя основных, обеспечения самоконтроля или автоматического обнаружения неисправностей в устройствах управления, аварийно- 85 предупредительной сигнализации и защиты главных механизмов и ответственных систем, допускается обслуживание установки без постоянной вахты в машинном отделении и ЦПУ. В этом случае присваивается символ автоматизации А 1 Таким образом, как следует из перечисленного выше объема автоматизации, в настоящее время осуществляется переход от автоматизации отдельных операций к комплексной автоматизации энергетической установки. При комплексной автоматизации функции управления, регулирования, контроля, обслуживания и защиты энергетической установки осуществляются с помощью совокупности автоматически действующих устройств без непосредственного участия человека. Роль обслуживающего персонала при этом сводится к заданию программы функционирования, периодическому наблюдению, а также выполнению профилактических осмотров и текущих ремонтных работ. Комплексная автоматизация позволяет упростить управление и повысить маневренность судна, исключить неправильные операции, обеспечить работу двигателей на наиболее выгодном режиме и значительно сократить численность обслуживающего персонала. Учитывая, что системы автоматического регулирования (САР) являются основной частью комплексной автоматизации, рассмотрим отдельно основные САР дизеля и обслуживающих механизмов. Современный дизель является сложным объектом регулирования. В общем случае в двигателях дизеля автоматически регулируются следующие величины: частота вращения коленчатого вала; температуры в системах охлаждения, смазки, воздуха наддува; вязкость тяжелого топлива. 7.2. Регулирование частоты вращения Динамика дизеля, снабженного газотурбинным наддувом, как объекта регулирования частоты вращения, функциональная схема САР которой приведена на рис. 86, может быть описана следующей системой дифференциальных уравнений: 1) дизеля: (𝑇 д 𝑝 + 1)𝜑 д = 𝑘 1 𝜇 + 𝑘 2 𝜑 п ; (89 а) 2) турбокомпрессора: (𝑇 т 𝑝 + 1)𝜑 т = 𝑘 3 + 𝑘 4 𝜇 + 𝑘 5 𝜑 п ; (89 б) 3) впускного коллектора: (𝑇 к 𝑝 + 1)𝜑 п = 𝑘 6 𝜑 т + 𝑘 7 𝜑 д ; (89 в) 4) выпускного коллектора: (𝑇 в 𝑝 + 1) = 𝑘 8 𝜑 д + 𝑘 9 𝜑 п + 𝑘 5 𝜇; (89 г) Рис. 86. Функциональная схема САР частоты вращения судового ДВС Решая записанные уравнения совместно, получим одно дифференциальное уравнение 4-го порядка. В этих уравнениях Т д , Т т , Т к и Т в — соответственно постоянные времени 86 двигателя, турбонагнетателя, впускного и выпускного коллекторов, a k 1 , k 2 , k 3 , k 4 , k 5 , k 6 , k 7 , k 8 , k 9 , k 10 — коэффициенты усиления; 𝜑 д = ∆𝜔 д 𝜔 д 0 ; 𝜑 т = ∆𝜔 т 𝜔 т 0 ; 𝜑 п = ∆𝑝 к 𝑝 к 0 ; = ∆𝑝 г 𝑝 г 0 ; 𝜇 = ∆ℎ ℎ 0 — безразмерные переменные соответственно частоты вращения вала дизеля, ротора турбины, давления компрессора, давления выхлопных газов и перемещения рейки топливных насосов. Как показали исследования, проведенные в МВТУ им. Баумана, ЛПИ и т.п., инерционности впускного и выпускного коллекторов, определяемые постоянными времени Т к и Т в . весьма малы по сравнению с инерционностями дизеля и турбокомпрессора, а поэтому в практических расчетах с достаточной степенью точности динамика этих элементов может быть описана не дифференциальными, а алгебраическими уравнениями. В этом случае динамика системы будет описываться дифференциальным уравнением 2-го порядка. В то же время было обнаружено, что при значительной длине топливного трубопровода высокого давления (от топливного насоса к форсункам), что имеет место на малооборотных дизелях большой мощности, система топливоподачи обладает существенной инерционностью, а динамика ее может быть описана дифференциальным уравнением 2-го порядка. Влияние инерционности системы топливоподачи становится особенно ощутимым при изменении внешней нагрузки по периодическому закону с амплитудой более 10%. Поэтому при детальных исследованиях системы в некоторых случаях необходимо также учитывать и динамику топливоподающей системы. Как известно, судовой дизель водоизмещающего судна, работающий на гребной винт, как объект регулирования частоты вращения обладает положительным самовыравниванием и поэтому при отсутствии больших возмущений может работать без регулятора. Однако ограничения колебаний частоты вращения при плавании судна в штормовых условиях, а также то, что при наличии регулятора более конструктивно решаются вопросы, связанные с установкой автоматизированного дистанционного управления дизелем, последние в большинстве случаев оборудуются регуляторами частоты вращения, тип и характеристики которых выбираются в зависимости от типа судна и его назначения, а также специфических особенностей дизеля и предъявляемых к нему требований. 7.2.1. Классификация регуляторов частоты вращения Автоматические регуляторы частоты вращения ДВС классифицируются обычно в зависимости от типа чувствительного элемента на механические, пневматические и гидравлические; от передачи усилий на органы управления двигателем — на регуляторы прямого и регуляторы непрямого действия; от регулируемых скоростных режимов — на предельные, однорежимные, двухрежимные и всережимные; от типа обратной связи — на регуляторы без обратной связи, с жесткой обратной связью, с изодромной обратной связью и с комбинированной связью; в зависимости от числа импульсов — на одно- и многоимпульсные. Для регулирования частоты вращения вала судовых двигателей наиболее часто применяют регуляторы с механическими чувствительными элементами непрямого действия, как предельные, так и всережимные. В случае установки предельного регулятора частота вращения вала дизеля регулируется непосредственным воздействием с поста управления на регулирующий орган топливного насоса. При этом каждому положению рукоятки (или маховика) на посту управления соответствуют однозначное положение регулирующего органа топливного насоса и определенная частичная характеристика двигателя. Характеристики двигателя, снабженного предельным регулятором, приведены на рис. 87. Предельный регулятор вступает в действие и перемещает топливорегулирующие органы только в сторону уменьшения подачи топлива при 87 увеличении частоты вращения выше допустимого значения, что может иметь место при оголении гребного винта в штормовых условиях, поломке гребного вала либо потере винта. Рис. 87. Характеристики судового дизеля, снабженного предельным регулятором частоты вращения: 1, 3, 4, 5 — винтовые характеристики; 2 — внешняя характеристика; 6 — регуляторные характеристики; 7 и 8 — частичные характеристики При частоте вращения меньше предельной регулятор не воздействует на привод топливорегулирующих органов. Одна из возможных схем взаимодействия предельного регулятора с топливорегулирующими органами приведена на рис. 88. Рис. 88. Схема взаимодействия предельного регулятора с топливорегулирующими органами: 1 — рукоятка ручного управления топливоподачей; 2 — пружинная тяга; 3 — предельный регулятор; 4 — топливный насос В последние годы все большее распространение стали получать всережимные регуляторы, которые предназначены для автоматического поддержания любого заданного скоростного режима — от минимально устойчивого до номинального. Характеристика двигателя, снабженного всережимным регулятором, приведена на рис. 89. При всережимном регуляторе, включенном по всережимной схеме, управление топливоподачей при любых режимах работы осуществляется регулятором, выходной рычаг сервомотора которого без люфтов соединен с приводом топливорегулирующего органа топливных насосов. Режим работы двигателя задается с поста управления путем изменения затяжки пружины чувствительного элемента регулятора. Из изложенного выше вытекает, что при наличии предельного регулятора цикловая подача топлива остается неизменной, а частота вращения вала двигателя при изменении внешней нагрузки будет изменяться в широком диапазоне (до максимально допустимых). 88 Рис. 89. Характеристика судового дизеля, снабженного всережимным регулятором частоты вращения: 1 — внешняя характеристика; 2 — регуляторные характеристики В этом случае тепловая нагрузка и связанные с ней температурные напряжения деталей цилиндро-поршневой группы остаются практически неизменными, а инерционные нагрузки в деталях движения будут достигать максимальных значений. В случае установки всережимного регулятора, включенного по всережимной схеме, при изменении внешней нагрузки будет изменяться цикловая подача топлива так, что частота вращения будет поддерживаться неизменной. В этом случае инерционные нагрузки, вызываемые изменением частоты вращения, не будут иметь места, но зато колебания тепловой нагрузки и связанные с ней температурные напряжения в деталях будут иметь максимальные значения. Следовательно, как предельная, так и всережимная схема включения регулятора имеет свои отрицательные стороны. В связи с этим в последние годы на дизелях с прямой передачей на винт находят применение всережимные регуляторы, включаемые по всережимно-предельной схеме (рис. 90). Рис. 90. Всережимно-предельная схема включения регулятора При такой схеме включения всережимный регулятор может работать как предельный и как всережимный. Настройка регулятора 5 на необходимый скоростной режим осуществляется маховичком 1, при помощи которого через систему рычагов изменяется затяжка пружины чувствительного элемента. Маховичок 1 располагается на посту управления двигателем. 89 Цикловая подача топлива устанавливается рычагом 2 в соответствии с требуемой нагрузкой независимо от регулирования скоростного режима. Изменение нагрузки дизеля приводит к изменению скоростного режима. Рычаг 2 служит упором-ограничителем для указателя нагрузки 3, который при помощи шарнирного устройства связан с рычагом 4, воздействующим на регулирующий орган топливного насоса 6. Такая связь устройства настройки 1 с рычагом 2 в зависимости от их взаимного расположения дает возможность обеспечить работу регулятора либо как всережимного, либо как предельного. При наличии зазора х между рычагом 2 и указателем нагрузки 3 и отсутствии зазора у (у = 0) в серьге соединения рычага 4 с выходным рычагом регулятора регулятор работает как всережимный, а частота вращения вала дизеля определяется положением маховичка 1 настройки регулятора. При отсутствии зазора х и наличии зазора у регулятор работает как предельный, а частота вращения задается рукояткой 2. Однорежимные регуляторы предназначаются для поддержания постоянного значения заданной частоты вращения при любых нагрузках. Такие регуляторы устанавливаются на вспомогательных двигателях (дизель-генераторы, дизель-компрессоры и др.) либо на главных двигателях при включении в качестве предельных регуляторов. Двухрежимные регуляторы обеспечивают автоматическое поддержание частоты вращения вала дизеля на двух крайних режимах, соответствующих минимальной и максимальной нагрузкам (холостой ход и полная нагрузка). В промежутке между этими режимами управление двигателем осуществляется вручную с непосредственным воздействием оператора на топливорегулирующие органы. Такого типа регуляторы обычно предназначаются для двигателей небольших мощностей, работающих на винт через реверсивно-редукционные муфты. Для улучшения динамических характеристик регуляторов (в основном устойчивости и продолжительности переходного процесса) вводятся дополнительные обратные связи. На рис. 91, а, б и в показаны схемы регуляторов с различными типами обратных связей. Рис. 91. Схемы регуляторов частоты вращения с обратными связями: а — жесткой; б — изодромной; в — комбинированной (жесткой силовой и изодромной) Как известно, при наличии жесткой обратной связи регулятор работает со статической ошибкой или остаточной степенью неравномерности. Конструктивно жесткие обратные связи 90 выполняются таким образом, что имеется возможность изменять остаточную степень неравномерности за счет изменения плеч рычага обратной связи. В отличие от регулятора с жесткой обратной связью в регуляторах с изодромной обратной связью неравномерность появляется только в режиме переходного процесса, а по окончании его исчезает. Поэтому изодромные регуляторы называют также регуляторами с временным статизмом. В регуляторах с комбинированной обратной связью остаточная степень неравномерности за счет настройки может изменяться от нуля до своего максимального значения (6-12%). Остаточная степень неравномерности требуется для обеспечения параллельной работы двигателей, а также для уменьшения колебания цикловой подачи в случае работы двигателя в условиях периодически изменяющейся нагрузки (например, штормовые условия). 7.2.2. Схемы регуляторов частоты вращения Предельный регулятор непрямого действия фирмы «Фиат» (рис. 92) установлен на главных двигателях большой мощности (суда типа «Лениногорск»). Вал 1 регулятора через систему передач приводится во вращение от вала двигателя. При увеличении угловой скорости выше допустимой (103-105% от номинальной) шарики 3 чувствительного элемента под действием центробежной силы будут раздвигаться и перемещать муфту 4 вверх, которая через рычаг 6 переместит золотник 7. Золотник 7 управляет двумя пневматическими сервомоторами 8 и 10 таким образом, что первоначально срабатывает один, а затем другой, отключая соответственно первую, а затем вторую группу топливных насосов. Маховик служит для изменения затяжки пружины 5 при первоначальной настройке регулятора. Рис. 92. Схема регулятора частоты вращения двигателя фирмы «Фиат»: 1 — приводной вал; 2 — поперечина; 3 — грузы; 4 — муфта; 5 — пружина задания; 6 — рычаг; 7 — управляющий золотник усилителя; 8 — сервомотор, отключающий первую группу ТНВД; 9 — вал механизма отключения первой группы ТНВД; 10 — сервомотор, отключающий вторую группу ТНВД; 11 — вал механизма отключения второй группы ТНВД |