автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Информационное и техническое обеспечение управления процессами оптимизации расхода топлива на судах

Введение.

1. Управление процессами оптимизации расхода топлива на судах - комплексная научно-техническая проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение.

1.1. Краткий обзор работ по проблеме управления процессами оптимизации расхода топлива.

1.2. Экономичные режимы движения судов.

1.3. Оптимальные стабилизаторы курса судна.

1.4. Особенности управления процессом, оптимизации расхода топлива на судах с ПТУ.

Выводы по первой главе.

2. Информационное обеспечение управления процессами оптимизации расхода топлива на судах.

2.1. Принцип группового управления классом судовых объектов по критерию минимальных расходов топлива. Информационная поддержка

2.2. Алгоритмическое и информационное обеспечение параллельной работы судовых генераторных агрегатов по критерию расхода энер гии при сложной форме расходных характеристик.

2.3. Информационное обеспечение экономичных режимов движения судов.

2.4. Информационное обеспечение оптимального управления маневром судна по критерию минимума расхода энергии.

2.5. Алгоритмическое и информационное обеспечение процедуры построения наблюдателя с заданными топологическими свойствами. Выводы по второй главе.<.

3. Математическая модель системы связного управления судовой ПТУ сВРШ.

3.1. Судовой комплекс « котел-ГТЗА-ВРШ» как объект управления.

3.2. Математическая модель силового котлоагрегата.

3.3. Математическая модель двигательно-движительного комплекса

3.4. Линейная модель судового комплекса « котел-ГТЗА-ВРШ».

3.5. Математическая модель системы управления судовым энергетическим комплексом с учетом корпуса судна.

Выводы по третьей главе.

4. Техническое обеспечение управления процессами оптимизации расхода топлива на судах.

4.1. Выбор программы и способа управления процессами оптимизации расхода топлива на судах типа «Крым».

4,2. Система связанного управления комплексом «ПТУ-ВРШвалогенератор».

4.3. Техническое обеспечение выбора параметров генератора системы управления судовой ПТУ с ЕРШ, с целью снижения расхода топлива.

4.4. Система ограничения перегрузок судового комплекса турбоагрегат- винт регулируемого шага - валогенератор». Корректор шага.

4.5. Техническое обеспечение коррекции характеристик регулятора давления пара.

Выводы по четвертой главе.

Переход на новые формы хозяйствования, основанные на законах рыночной экономики, кардинально изменил методологию организации транспортных перевозок, принципы управления водным транспортом [9] как особой структурой народного хозяйства, оказывающей определяющее воздействие на всю сферу деятельности страны: экономику, промышленность, сельское хозяйство, обороноспособность, торговлю и внешние связи, весь комплекс социальных проблем [10\

Основная задача водного транспорта состоит в высокоэффективном удовлетворении спроса потребителей на перевозку грузов, пассажиров, различных товарно-материальных ценностей при обеспечении безопасности, установленных сроков и объемов выполнения транспортной работы, сохранности грузов, высококачественных условий жизнедеятельности пассажиров и экипажей судов, сервиса и др. Для успешного осуществления перевозок в условиях конкуренции требуется решать важные проблемы транспорта, связанные с определением транспортного пространства, созданием современных транспортных средств и их эффективным использованием, ресурсосбережением и экологией, совершенствованием управления, обеспечением безопасности и безаварийности и др., причем решения должны выполняться в условиях непрерывного изменения спроса и предложения в сфере транспортных услуг, объемов секторов рынка, региональных компонентов, качественных и количественных изменений в самом транспортном комплексе и транспортной инфраструктуре [12.

Специфика управления судном, как отдельной транспортной единицей, состоит в обеспечении безопасности движения в транспортных потоках водных коммуникаций, использованием навигационных средств и технических устройств судовождения для выбора скорости движения и режимов работы судовых энергетических комплексов, обеспечении высокой рентабельности перевозок.

Основной расходной составляющей, существенно влияющей на получение прибыли при выполнении транспортной работы каждым судном, является стоимость использованного в рейсе топлива. Эта расходная часть составляет до 60% от общих расходов на содержание судна и может изменяться в широких пределах в зависимости от условий эксплуатации и действий экипажей по поддержанию рациональных технологических режимов.

Экономию топливно-энергетических ресурсов на судах, являющихся крупными потребителями топлива, следует считать важной комплексной задачей, требующей эффективного решения не только потому, что при этом обеспечивается максимум прибыли, а, прежде всего по той причине, что рационально расходуются не возобновляемые энергетические ресурсы, уменьшается объем выбросов в атмосферу продуктов сгорания СОх и МОх - составов, сохраняется экологически чистая среда на водных коммуникациях. Наконец, с уменьшением расхода топлива экономиться моторесурс главных двигателей судна, генераторных агрегатов судовых электростанций, снижается теплонапряженность деталей и узлов судовых машин и механизмов, уменьшается расход смазочного масла и др.

Экономия топлива и энергии на судах дает наибольший эффект при системном подходе к решению проблемы. В этом случае рассматривается иерархическая структура, в составе которой находятся потребители и преобразователи энергии различного назначения, с заданными расходными характеристиками. Системный подход предусматривает учет и решение вопросов использования навигационного оборудования, гидро- и аэродинамики корпуса судна, технического состояния, состава и режимов работы механизмов СЭУ. Должны учитываться: влияние износа оборудования в результате эксплуатации, процесс генерирования энергии, отопление судовых кают, кубриков и других помеп],ений, условия эксплуатации судна в рейсе и др. Установлено, например, что на грузовых судах дедвейтом от 5000 до 16000 т. при скорости от 15 до 22 узлов за счет благоприятной погоды во время рейса в Атлантике экономится от 3 до 5 % топлива. Оптимально выбранный дифферент судна также дает от 2 до 4 % экономии топлива. На расход топлива влияют погодные условия и время года, а также маневрирование, число пусков и остановок главных двигателей и др. Что касается режимов работы СЭУ, то здесь экономия топлива обеспечивается за счет утилизации тепловых потерь, применения валогенераторных и турбокомпаудных систем, использования для работы главных и вспомогательных двигателей различных сортов топлива и специальных систем топливоподготовки [48].

Системный подход предполагает получение решений, обеспечивающих высокую топливную экономичность судна еще на стадии его проектирования. Известен комплекс работ по созданию специальной сетки движения речных судов для различных районов плавания на водных коммуникациях России. Эти работы были выполнены под руководством проф., д.т.н. П.А. Малого В результате на реках Сибири, северных реках Европейской части нашей страны, появились суда, хорошо адаптированные к условиям плавания в отдельных регионах. Степень технического совершенства и экономичности судна оценивались по показателю «пропульсивного качества», а также по ряду предложенных П.А. Малым новых критериев. Поскольку гидродинамический комплекс спроектированного судна однозначно определяет уровень потребляемой судном мощности в процессе движения, то оптимизация параметров гидромеханического комплекса и его составляющих позволила значительно повысить экономичность судов с различными принципами поддержания судна на ходу.

Надо отметить, что определенные результаты использования системного подхода для решения проблемы повышения экономичности предпринимались на более ранней стадии (15-20 лет назад), при создании авторулевых с адаптированными свойствами. Автоматическое управление курсом судна позволяло с высокой точностью удерживать судно на курсе и экономить от 2 до 5% топлива. По мере совершенствования авторулевых, выпускаемых рядом фирм, на них стали возлагаться другие функции. Кроме выполнения традиционных функций - стабилизации, автоматизированного вывода судна на заданный курс и коррекции отклонений курса под действием ветра и волнения - авторулевой был приспособлен к решению следуюпдих задач (по данным фирм - разработчиков) :

- поддержание постоянной скорости, устанавливаемой в зависимости от расстояния и требуемого времени прибытия судна в порт ;

- установка той комбинации оборотов винта и шага, которая соответствует наименьшему расходу топлива для всех скоростей и внешних условий плавания;

- поддержание постоянного расхода топлива на одну милю с учетом погоды и глубины под килем.

Представляют интерес технические решения, выполненные в Японии компаниями NKK Yorogama Hokushiu Electric Соф, которые пошли по пути разработки приставки Unit-Adapt к авторулевым. Приставка может сопрягаться с любыми существуюш;ими авторулевыми, в том числе - не являющимися адаптивными. При этом утверждается, что за счет оптимизации параметров движения судна по заданному курсу с учетом размеров судна, его загрузки, скорости хода и погоды обеспечивается экономия топлива 4 %.

Перечисленные кратко направления технических решений и проблемы экономии топлива на судах к сожалению не подкрепляются сведениями о методах решения, алгоритмическом обеспечении и программной реализации решаемых задач. Анализ публикаций по экономии топливно-энергетических ресурсов на судах, содержащихся, в частности, в журналах «Naval Architecture and Ocean Engineering", "Computers in Industry", «Journal of Engineering for Gas Turbines and Power», " Navigation. Journal of The Institute of Navigation » Shipbuilding Marine Engineering" (c приложениями "Navaids") и ряде других зарубежных изданиях, показывает, что они носят либо чисто теоретический характер, либо содержат только общие сведения о результатах исследований. Методы и алгоритмы решения задач экономии являются интеллектуальной собственностью корпораций и фирм, не продаются и не разглашаются. Вместе с тем, далее из анализируемой информации ясно, что некоторые сведения о возможностях систем управления и их эффективности носят, в основном, рекламный характер. Например, если утверждается, что с помощью авторулевого решается задача оптимального управления движением судна по курсу, то каков критерий оптимальности? Если выбираются коэффициенты регулятора, то какие при этом принимаются матрицы весовых коэффициентов (если решается задача АКОР) или спектр матрицы замкнутой системы? Если синтезируется регулятор выхода, то каково его информационное обеспечение и система ограничений? Возникает также множество вопросов по методам синтеза, алгоритмам решения различных задач и, в частности, задачи составления расписаний, которая в отечественной литературе известна как задача оптимизации режимов движения судов, решаемая с учетом ситуации на линии и порту назначения.

Остаются открытыми системные вопросы уменьшения расхода топлива на судах с различными энергетическими установками (дизельными, пароси-повыми, газотурбинными, с электродвижением и др.) и движителями (ВФШ, ЗРШ, одновальные и многовальные установки). Анализ технических реше

НИИ показывает, что мероприятия по снижению расхода топлива могут формироваться в двух основных направлениях: во-первых - это сокращение затрат энергии ( следовательно, расход топлива в целом по судну); во-вторых -повышение экономичности собственно энергетической установки. Первое направление связано с оптимизацией проектных решений по судну в целом (на проектном уровне - отработка форм обводов корпуса, рациональный выбор проектной скорости движения, улучшение пропульсивного КПД движителей и др.). Резервами второго направления является повышение экономичности главных двигателей и дизель-генераторных агрегатов, эффективное использование (утилизация) тепловых потерь для отопления судовых помещений, питания паротурбогенераторов электроэнергии, прогрева главных двигателей, поддержания температуры воды в системах жизнеобеспечения, судовых бассейнах, туристических теплоходах, вспомогательных помещениях ( душевых и пр.). Ко второму направлению можно отнести проблемы использования энергии ветра, волн. В настоящее время, к сожалению, практически не упоминается об использовании энергии волн. Вместе с тем известно еще из работ В.В.Звонкова, опубликованных в журнале «Судостроение» в 30-е годы, что с помощью специальных закрылков, устанавливаемых на корпусе, во время качки судна можно обеспечить скорость хода до 6 узлов при неработающих главных двигателях (мощность водного потока в секциях подводной части судна длиною ~ 80 м может составлять до 10 тыс. кВт). В.В.Звонков также предложил для уменьшения сопротивления движению толкаемых составов заделывать шалманы (пространства, образуемые между корпусом буксира-толкача и корпусом баржи и расположенные ниже ватерлинии). Это конструктивное дополнение позволяет уменьшить расход топлива на 5-8 %.

По прежнему актуальными задачами второго направления остаются отбор мощности от гребного вала, снижение мощности вспомогательного оборудования за счет рационального, использования энергии, совершенствование технической эксплуатации судового энергетического комплекса и применение дешевых сортов топлива. По оценкам, выполненным в Японии, суммарная экономия топлива за счет комплекса мероприятий и эффективного управления технологическими процессами может доходить до 25-48%.

Решение вопросов оптимизации расхода топлива на судах должно развиваться и совершенствоваться на базе современных методов и средств управления.

В связи с этим целью диссертационной работы является решение важной научно-технической задачи - экономии топливно-энергетических ресурсов на судах путем информационного и технического обеспечения управления технологическими процессами и оптимизации расхода топлива.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решается следующие основные задачи:

1. Системная методология решения проблемы управления процессами оптимизации расхода топлива на судах, базируется на единстве критериальной оценки экономии топлива в автономно-развитых системах, которыми являются:

- система управления режимами движения судов по критерию минимума суммарного расхода топлива;

- оптимальная (по расходу энергии) система управления судном на курсе и во время маневрирования;

- системы управления процессом расхода топлива на судах и ПТУ с винтами регулируемого шага;

- система оптимального управления судовыми генераторами электроэнергии.

2. Принцип группового управления классом судовых объектов, являюш;ихся преобразователями энергии топлива в другие виды энергии.

3. Алгоритмическое и информационное обеспечение оптимального управления судовыми генераторными агрегатами при сложной форме расходных характеристик.

4. Информационное обеспечение экономичных режимов движения судов на основе принципа оптимальности Р.Беллмана.

5. Алгоритмическое и информационное обеспечение оптимального управления маневром судна по критерию минимума расхода энергии (ёеа<1Ьеа1 -управление).

6. Алгоритмическое и информационное обеспечение процедуры построения наблюдателя с заданными топологическими свойствами.

7. Математическая модель судового комплекса «ПТУ-ВРШ»

8. Техническое обеспечение управления процессами оптимизации расхода топлива на судах, в том числе:

- выбор программы и способа оптимизации расхода топлива на танкерах типа «Крым»;

- новые принципы построения систем связанного управления комплексом «ПТУ-ВРШ-валогенератор»;

- техническое обеспечение выбора параметров интегратора системы управления судовой ПТУ с ВРШ;

- система ограничения перегрузок судового комплекса и корректор шага винта;

- техническое обеспечение коррекции характеристик регулятора давления пара.

Методы исследований. Методической основой исследования являются принципы системного анализа, общая теория систем, методы оптимального управления, идентификации и численные методы оптимизации. Методы, использованные в работе, также включают: математический аппарат моделирования судовых энергетических комплексов и их элементов, принципы построения электронных схем, методы организации и проведения вычислительного эксперимента.

Научная новизна результатов исследований определена в следующих основных положениях:

1. Принципе группового управления классом судовых объектов-преобразователей энергии топлива в другие виды энергии по критерию минимума расхода топлива.

2. Алгоритмическом и информационном обеспечении оптимального управления судовыми генераторными агрегатами при параллельной работе, основанном на реализации принципа оптимальности Р.Беллмана с использованием процедуры вращения числовых массивов в виде прямоугольных матриц.

3. Информационном обеспечении экономичных режимов движения судов по критерию минимума суммарного расхода топлива в условиях ограничений с реализацией управления с обратной связью при изменении ситуации на линии и в порту назначения (без уменьшения объема выполняемой судном транспортной работы).

4. Алгоритмическом и информационном обеспечении ёеаёЬеа! -управления маневром судна в классе дискретных систем .

5. Информационном и алгоритмическом обеспечении процедуры синтеза наблюдателей с заданными топологическими свойствами.

6. Техническом обеспечении управления процессами оптимизации расхода топлива на судах, новых принципах построения систем связанного управления судовыми энергетическими комплексами и выбора оптимальных рабочих характеристик, реализованных на уровне изобретений.

Практическая значимость работы состоит в создании информационного и технического обеспечения для управления процессами оптимизации расхода топлива на судах, разработка систем управления судовыми энергетическими комплексами и методик выбора рабочих характеристик, необходимых для минимизации расходов топлива. Практическая значимость работы определяется также тем, что разработанные системы и предложенные в диссертации принципы управления внедрены на судах типа «Крым» в ОАО «Новороссийское морское пароходство» и использованы в учебном процессе в НГМА, СПТУВК и других организациях.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на всероссийской научно-технической конференция в Кубанском государственном университете ( г. Краснодар) на юбилейной научно-технической конференции Государственной морской академии им. адм.С.О.Макарова 15-19 апреля 1997 г. (г. С.Петербург ), на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Государственный морской академии им. адм. Г.И. Невельского (г. Владивосток), а также на научно-технических конференциях Новороссийской государственной морской академии (1994-1996 г.г.).

Публикации. Основные положения представленной диссертационной работы опубликованы в 13 печатных работах, в том числе на предложенные средства технического обеспечения экономии топлива и энергии на судах получены 5 авторских свидетельств.

Выводы по третьей главе.

1. Создание технического обеспечения для управления процессами оптими-щии расхода топлива на судах с ПТУ и ВРШ невозможно без использования атематической модели танкеров типа «Крым» являющихся сложными техни-гскими объектами, где проведение любых экспериментов по условию взрыво-пожаробезопасности почти недоступно. Вместе с тем эти объекты - крупные зтребители топлива. Резервы экономии могут быть определены сначала на эдели, а затем последовательно подтверждены на рабочих стендах и, наконец, I объекте.

2. Динамика судового энергетического комплекса при прямолинейном дви-знии судна описывается системой нелинейных уравнений. При определенных >пущениях процедура линеаризации позволяет сложную систему представить виде простых динамических звеньев, функционально составляющих котель-то установку, конденсационную систему и паровые магистрали, движитель-1Й комплекс.

Котельная установка представлена уравнениями динамики следующих эле-;нтов: судового парового котла с естественной циркуляцией, парового тракта тла, газо-воздушного тракта и топливной системы.

3. При составлении математической модели паротурбинной установки с нтом регулируемого шага использованы уравнения, описывающие процессы схода пара, поступающего на ГТЗА, и изменения давления в звеньях ПТУ, авнения судна, уравнения динамики звеньев систем управления и уравнения язей, что позволило представить модель в виде 36 уравнений (с учетом огра-чений и условий переключений).

4. Уравнения математической модели приведены к машинному виду, разра-тана блок-схема программы и выполнено моделирование исследуемых про

108

1;ессов. Результаты исследования представлены группой осциллограмм, отра-Есающих следующие основные режимы управления: интегрально-[ропорциональные управление по положению маневрового клапана при вариа-щи времени интегрирования корректирующего звена; аналоговое управление !ез контроля положения маневрового клапана, режим позиционно-импульсного регулирования ПТУ с ВРШ.

5. В результате моделирования установлено, что наиболее экономичным ежимом системы управления судовым энергетическим комплексом является ежим со скользящим начальным давлением пара. Однако для его реализации ребуется соответствующее техническое обеспечение, разработка которого по-вящена IV глава.

4. Техническое обеспечение управления процессами оптимизации расхода топлива на судах.

4.1. Выбор программы и способа управления процессами оптимизации расхода топлива на судах типа «Крым».

Принципиально возможно два способа регулирования судовыми энергетическими комплексами ПТУ. Первый способ с первичным управлением тур-Зины, второй - с первичным управлением парогенератором.

Схемы с первичным управлением турбиной имеют "хороший" уровень триёмистости. Это объясняется возможностью использовать аккумулирующую шособность парогенератора. Использование дополнительных связей позволяет повысить приемистость за счет динамического управления клапанами тур-)ины. Настройка системы управления парогенератором отражается на качестве )егулирования частоты вращения ГТЗА.

Схемы с первичным управлением парогенератором имеют пониженную фиемистость, так как аккумулирующая способность его не используется. В ус-ювиях плавания на судах возможны небольшие колебания нагрузки судовой шектростанции, повышение которой может привести к снижению оборотов "ТЗА. Быстрое восстановление частоты вращения ГТЗА (БПА включен) в этом лучае невозможно из-за сравнительно большой инерционности парогенерато-)а. Учитывая такое положение, схемы с первичным управлением парогенерато-юм в дальнейшем использовать не будем.

Таким образом, единственно приемлемым способом управлением судо-юй ПТУ при скользящем начальном давлении пара может быть только способ ; первичным управлением ГТЗА [25].

Для технического обеспечения управления, при котором расход топлива, [отребляемого судовой ПТУ, необходимо выбрать программу управления.

Под программой управления понимается закон изменения давления пара 1 парогенераторе в зависимости от нагрузки на валу ГТЗА. Возможны три про-раммы управления судовой ПТУ, при которых обеспечивается:

- скользящее давление пара;

- комбинированное управление;

- процесс оптимизации давления пара.

Управление ПТУ путём поддержания скользящего давления пара пред-тавляет собой изменение давления пара парогенератора в функции нагрузки по акой программе, чтобы положение маневровых клапанов оставалось неизмен-ъш на установившихся режимах во всем диапазоне нагрузок ГТЗА.

Комбинированное регулирование ПТУ предусматривает постоянное и пе-еменное давление пара. При такой программе управления ПТУ режим сколь-ящего давления пара парогенератора реализуется на долевых нагрузках и при ганеврировании мощностью. На длительных режимах, близких к минимально-[у, давление пара в парогенераторе поддерживается постоянным.

Рис. 4.1-1 Функциональная схема системы управлений с корректирующей связью

Рис. 4.1-2 Функциональная схема системы управления при непосредственном воздействии на ГРДП.

Рис. 4.1-3 Функциональная схема системы управления с неконтролируемым положением маневрового клапана.

Системы управления, реализующие процедуры оптимизации путем изменения давления пара парогенератора обеспечивают оптимальное соотношение между давлением пара и степенью открытия маневровых клапанов.

Выбор программы управления должен быть обоснован и подтвержден расчетом тепловой экономичности. Тем не менее можно сразу отказаться от iporpaMMbi комбинированного управления, ввиду экономической целесообразности работы на скользящих параметрах при номинальных режимах работы ТТУ танкеров типа "Крым".

Обеспечение работы ПТУ на скользящем давлении характеризуется уси-1ением взаимосвязи парогенератора, ГТЗА и движительного комплекса. При травлении частотой вращения и мощностью ГТЗА образуется система много-звязного управления, характеристики которой могут быть реализованы с помощью различных технических средств. Для обоснованного выбора требуемого технического обеспечения остановимся на рассмотрении нескольких вариантов ;хем управления с использованием скользящего давления пара.

Схема управления, представленная на рис.(4.1-1), содержит корректи-)ующую связь, воздействующую на ГРДП при отклонении положения манев-)Ового клапана m от заданного значения. Положение клапана контролируется [О сигналу от РЧВ. В принципе контроль значения m можно также вести по юсвенным показателям, например, по падению давления на клапанах. Коррек-ирующую связь целесообразно выбирать гибкой. Основной недостаток этой хемы состоит в возможности накопления ошибки отклонения нагрузки ГТЗА IT заданной, что связано с особенностями ДАУ ВРШ

Схема, представленная на рис.(4.1-2) позволяет улучшить динамику ком-[лекса за счет воздействия с ПУ непосредственно на ГРДП. При этом меняется адание Ркз , и парогенератор переводится на новый режим мощности ущественно быстрее, чем при использовании схемы рис.4.1 -1.

Функциональная схема, изображенная на рис.(4.1-3), отличается от двух редыдущих тем, что положение маневровых клапанов МК не контролируется. Геизменное положение клапанов обеспечивается введением статической от-лючающей связи по давлению пара в парогенераторе.

Исследования приведенных вариантов двухконтурных схем управления [ТУ при скользящем давлении пара показали, что их использование позволяет олучить наиболее простые и эффективные технические решения. При этом ожно использовать опыт, накопленный при управлении мощными энергетиче-кими блоками на различных ГРЭС [4б\

Предложенные схемные решения использованы при создании системы вязанного регулирования, представленной в параграфе 4.2.

4.2. Система связанного управления комплексом «ПТУ - ВРШ - валоге-нератор».

•дним из путей повышения экономичности эффективности эксплуатации судо-ых паротурбинных установок (ПТУ) на морских судах может стать перевод их в режим работы с переменным давлением пара (ПД). Сущность режима ПД за-:слючается в том, что величина рабочего давления пара в котле определяется загрузкой на паровую турбину и поддерживается на таком уровне, чтобы збеспечить полное открытие регулирующих клапанов перед главным гурбозубчатым агрегатом (ГТЗА) [25].

Для решения задачи перевода судовой ПТУ в режим ПД был проведен зяд научно - исследовательских работ, в которых изучены режимы переменного I постоянного давления в судовой ПТУ танкеров типа "Крым", динамические характеристики комплекса ПТУ - винт регулируемого шага и разработана сис-гема связанного управления, обеспечивающая работу установки в данном ре-киме [4]. Кратко обобщая проведенные исследования, отметим следующее:

- перевод ПТУ танкеров типа "Крым" в режим ПД повышает экономичность работы установки за счет сокращения потерь от дросселирования пара на маневровых (регулировочных) клапанах;

- перевод ПТУ в режим ПД позволит улучшить циркуляцию рабочего тела в котле за счет снижения степени местных перегревов поверхностей нагрева и увеличит долговечность их работы;

- динамическая структура системы связанного управления обеспечивает приемлемое качество переходных процессов в режиме ПД при движении в ходовом режиме;

- система связанного управления комплексом ПТУ - винт регулируемого шага может быть реализована на базе штатных судовых систем регулирования давления пара в котле и частоты вращения турбины и системы дистанционного автоматического управления шагом винта с добавлением двух связывающих устройств: корректора давления пара в главном котле и корректора частоты;

- корректор давления пара в котле может обеспечивать как аналоговое управление, так и позиционно-импульсный закон управления системой регулирования горения котла, что упрощает его конструкцию.

На танкере "Советская нефть" выполнены испытания по переводу и рабо-е ПТУ в режиме ПД. Целью испытаний являлось:

- проверка результатов научных исследовании;

- определение области применений режима ПД пара;

- проверка надежности работы судового оборудования;

- оценка маневровых качеств комплекса ПТУ - винт регулируемого шага;

- проверка работоспособности системы связанного управления комплексом ПТУ - винт регулируемого шага.

Комплекс экспериментальных работ состоял из режимно - наладочных пытов для проверки работы силовой установки при постоянном и переменном авлении пара в котле на частичных нагрузках по отношению к основному экс-луатационному режиму, записи основных теплотехнических параметров ПТУ а светолучевой осциллограф в период выполнения маневров, настройки сис-емы связанного управления, поддержания на постоянном уровне нагрузки суовой электростанции и определения экономичности работы ПТУ при тереходе на режим ПД.

До начала каждого опыта проводилась выдержка времени для стабилизации режима работы ПТУ с целью исключения влияния инерционных свойств пропульсивного комплекса и аккумулирующей способности кот-la. Стабилизация режима считалась законченной по установившимся парамет-)ам пароконденсатного цикла. Экономичность ПТУ оценивалась измерением )асхода топлива на котел. Для этого использовалась тарированная форсунка, геред которой контролировалось давление топлива с помощью самопишущего [рибора. Погрешность измерения отклонения давления топлива не превышала 11%.

ПТУ танкера "Советская нефть" представляет собой нереверсивный двух-:орпусный агрегат с промежуточным перегревом пара между ступенями высо-:ого и среднего давления с 5-ю регенеративными отборами пара и одноходо-1ЫМ двухпроточным конденсатором, оборудованным самопротоком, трехсту-[енчатым редуктором с отдельно расположенным главным упорным подшип-[ИКОМ.

Главный котел обеспечивает паром турбинную установку на основных одовых режимах и режиме стоянки с грузовыми операциями. Тип котла - вер-икальный водотрубный с естественной циркуляцией, однопроточный с по-олочным отоплением. В шахте котла размещены основной и промежуточный ароперегреватели, экономайзер и воздухоподогреватель. Номинальная аропроизводительность котла - 22,2 кг/с, при давлении за главным стопорным лапаном 8 МПа и температурах за основным и промежуточным пароперегре-ателями 515°С.

В. период испытаний работа ПТУ осуществлялась в соответствии с тепло-ой схемой, где помимо отмеченных достоинств имеется утилизация тепла в рокачиваемых конденсатом конденсаторе испарителя и конденсаторе отсоса ара из уплотнений, а также осуществлен привод электрогенератора и пита-ельного насоса от редуктора ГТЗА.

Принципиальная схема ПТУ показана на рис.4.2-1. Генерируемый пар в naBHOM котле после основного пароперегревателя (ОНИ) подается к турбине ысокого давления (ТВД) через регулирующий клапан (РК), после чего аправляется в промежуточный пароперегреватель (ППП) и затем через гсечный клапан (ОК) подается на турбину среднего давления (ТСД), располо-:енную в одном корпусе с ТВД. После ТСД пар поступает в турбину низкого авления (ТКД) и сбрасывается на главный конденсатор (ГК). Трехступенчатый едуктор (Р) передает мощность на ВРШ и совместно с ТВД, ТСД и ТНД обра-/QT ГТЗА. Регулирование мощности ГТЗА осуществляется дроссельным спо-эбом путем воздействия на РК и ОК.

Работа в режиме ПД оценивалась относительно установленного эксплуа-ационного режима для танкера "Советская нефть": давление пара в коллекторе отла 6 МПа и мощность ГТЗА 11,9.МВт (табл.4.2-1). Испытания состояли из вух частей. В первой части испытаний исследовались теплотехнические ха-актеристики ПТУ, а во второй - динамические характеристики.

В результате исследований теплотехнических характеристик получены ледующие результаты:

1. При переводе ПТУ в режим ПД при той же эксплуатационной мощно-ти давление в коллекторе котла уменьшалось до 4 МПа. При этом котел и спомогательное оборудование работало устойчиво. Дальнейшее снижение авление пара нецелесообразно по условиям обеспечения надежности работы пектрогенератора и питательной системы. Несколько ухудшаются условия ра-оты средств регулирования питательной системы котла, что ведет к их более нтенсивному износу. ис.4.2-1. Принципиальная схема системы связанного управления комплексом

ПТУ - ВРШ; до X X Л усовершенствования, --- после усовершенствования.

2. Работа в режиме ПД экономически целесообразна в диапазоне нагрузок ТЗА 60 - 100 %. При этом установлено, что для обеспечения компенсации ззможных набросав нагрузки на валогенератор степень открытия регулирую-;их клапанов РК и ОК должна быть неполной и составлять порядка 95-98 % их элного открытия.

3. При работе в режиме СД отмечено снижение температуры уходящих 130В. Для мощности ГТЗА 11,9 МПа температура упала на 2 - 3 °С. Это объяс-5ется тем, что в экранных поверхностях нагрева за счет снижения температуру воды при снижении давления пара в котле тепловосприятие рабочего тела 1стет, что, в свою очередь, приводит к снижению температуры газов на выхо-г из топки котла и далее по всему конвективному газоходу котельной шахты 1 счет большей разности температур между рабочим телом и дымовыми газа

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненный комплекс исследований содержит разработку ;нформационного и технического обеспечения, предназначенных для правления процессами оптимизации расхода топлива на судах.

Экономия топливно-энергетических ресурсов на судах является важной ароднохозяйственной проблемой, эффективное решение которой возможно на снове системной методологии, обеспечиваюш;ей целенаправленное бъединение автономно развитых систем в единый комплекс на базе ритериальной оценки, состоящей в минимизации расхода топлива путем овершенствования технологических процессов, улучшения информационного технического обеспечения.

В работе получены следующие основные результаты.

1. Предложен принцип группового управления классом судовых объектов, асходные характеристики которых апроксимируются квадратичными олиномиальными функциями. Объекты, являющиеся преобразователями Аергии топлива в другие виды энергии с различными энергоносителями и аботающие на единую энергетическую сеть, оптимизируются с помощью нкрементальных функций, что позволяет значительно упростить поиск сономичных режимов путем приведения исходной задачи оптимизации к laccy задач линейного программирования.

2. Для объектов, не относящихся к данному классу, разработано ггоритмическое и информационное обеспечение, позволяющее ттимизировать распределение нагрузок между объектами на основе принципа 1вариантного погружения Р. Беллмана. Программа, составленная в среде Mat АВ, обеспечивает высокую эффективность обработки текущей информации и хределение экономических режимов путем реализации рекурентного [горитма поиска.

3. Наибольший эффект экономии топлива может быть получен на гтимальных скоростях движения судов, для реализации которых разработаны горитмические и программные средства, обеспечивающие с помощью [сленных методов обработки информации управление с обратной связью. С ой целью для определения режимов движения используется принцип [тимальности Р. Беллмана, а расчеты выполняются в инверсном времени.

4. Для повышения маневренных качеств судна и экономии топлива при [равлении рулем предлагаются алгоритм и средства обработки информации, >зволяющие получить минимум расхода энергии на управление. Высокая •фективность поиска вектора оптимального управления обеспечивается путем пользования операции псевдоинверсии Мура-Пенроуза в приложении к ассу дискретных моделей судна, построенных в приближении нулевого рядка ('zoh').

5. Предложено информационное и алгоритмическое обеспечение для енивания не измеряемых переменных состояния систем управления расходом плива на судах. Алгоритм построения базируется на математическом условии нструирования наблюдателей, концептуально сформулированном

Туенбергером. В отличие от известных методов синтеза, в диссертации интезируется наблюдатель с заданными топологическими свойствами в виде (граничений в пространстве параметров матрицы весовых коэффициентов [аблюдателя От1п О < Ощах , при которых потребуется обеспечить заданный пектр матрицы состояния наблюдателя - функцию цели: gool = [А,], Х,2,., А-тА

6. Разработана модель судового энергетического комплекса, которая использована для исследования основных режимов управления по критерию [инимума расходов топлива. Модель ПТУ с ВРШ применена для исследования нтегрально-пропорционального управления по положению маневрового лапана при вариации времени интегрирования корректирующего звена, озиционно-импульсного управления и других рабочих режимов. В результате становлено, что наиболее экономичным является режим со скользящим ачальным давлением пара. Определены потребования к техническим редствам, предназначенным для обеспечения управления процессом птимизации расхода топлива.

7. Для технического обеспечения процесса управления расходом топлива о критерию максимальной экономичности (в условиях ограничений) азработана система связанного управления комплексом «ПТУ-ВРШ-шогенератор», защищенная авторскими свидетельствами на изобретение № 537603 и № 1798252.

8. Техническое обеспечение выбора параметров системы управления адовой ПТУ с ВРШ представлено автором в виде устройства, защищенного 5Торским свидетельством на изобретение № 1562234, Устройство зедусматривает применение в структуре системы блока интегрирования и )угих звеньев, обеспечивающих повышение качества управления !Хнологическим процессом,

9. Техническое обеспечение высоконадежных условий функционирования дового комплекса представлено системой ограничения перегрузок, новизна и )инцип построения которой защищены авторским свидетельством .№ 1775327.

10. Разработанный автором корректор регулятора давления пара главного дового котла предназначен для технического обеспечения режима (ддержания заданной степени открытия маневрового клапана ГТЗА. Способ )рмирования временного интервала и устройство для его осуществления щищены авторским свидетельством на изобретение № 1 81 8687.

11. Разработанные автором устройства и системы управления внедрены на дах ОАО «Новороссийское морское пароходство», что подтверждено актами, иведенными в приложении к диссертации. Разработанное информационное еспечение, алгоритмы и программы, использованы в учебном процессе в ЛМА и СПГУВК.

1. A. c. № 1818687 СССР, МКИ 5 Н 03 К5/156: Способ формирования временного интервала и устройство для его осуществления / Королёв

2. B. И.; опубл. 30.05.93. БИ № 20. 1992.

3. Анзимиров Л.В. ТРЕЙС МОУД и техническая революция в промышленной автоматике // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2001. - № 4. - С. 1-12.

4. Басин A.M. Теория устойчивости на курсе и поворотливости судна. -М.: ГИИТЛ, 1949.- 158С.

5. Бедров Я.А., Конарев Л.Е. О приближенном синтезе быстродействующего управления / Сб. тр. АН СССР. Отделение механики и процессов управления. «Анализ и синтез систем автоматического управления». -М.: Наука, 1968. С. 3-14.

6. ЦБНТИ, Речной транспорт. М. - 1983. - Вып. 9. - С. 3-6.

7. Копысов О.Ю., Кулагин В.П., Прокопов Б.И. Быстродействующие адаптивные наблюдатели. М.: Поиск, 1996. - 437 с.

8. Королёв В.И. Особенности устройства и настройки электронного корректора шага / В сб. науч. тр. НГМД Куб.ГУ. - Краснодар, - Вып. 2.-С. 151-159.

9. Королёв В.И., Беляев И.Г. Система связанного управления комплексом ПТУ-ВРШ-валогенератор / В сб. тез. докл. Юбилейной науч. техн. конф. ГМА им адм. СО. Макарова, 15-19 апреля 1997 г. СПб. 1997. - С. 6-7.

10. Королёв В.И., Башуров Б.Н., Сахаров В.В. Синтез наблюдателя с заданными топологическими свойствами / В сб. науч. тр. СПГУВК «Методы прикладной математики в транспортных системах». СПб., 2002.-Вып. 6.-С. 12-17.

11. Королёв В.И, Сахаров В.В. Экономия топлива при групповом управления одним классом объектов / В сб. науч. тр. СПГУВК «Методы прикладной математики в транспортных системах». СПб., 2002.-Вып. 6.-С. 119-124.

12. Королёв В.И. Алгоритм распределения нагрузки при параллельной работе судовых генераторных агрегатов / В сб. науч. тр. СПГУВК «Методы прикладной математики в транспортных системах». СПб., 2002.-Вып. 6.-С. 113-119.

13. Королёв В.И., Сахаров В.В., Ставинский А.Г. Алгоритм оптимального управления курсом судна / В сб. науч. тр. СПГУВК под ред. A.A. Сикарёва. СПб.: СПГУВК, 2002. - Вып. 7. - С. 46-53.

14. Королёв В.И. Выбор параметров настройки интегратора системы управления судовой паротурбинной установкой с винтом регулируемого шага / В сб. науч. тр. НГМА Куб.ГУ. - Краснодар, 1994.-Вьга. 2.-С. 52-56.

15. Кулибанов Ю.М., Малый П. А., Сахаров В.В. Экономичные режимы работы судовых энергетических установок. М.: Транспорт, 1987. -205 с.

16. Лабутин CA., Путин М.В. Статистические модели и методы в измерительных задачах. Н. Новгород, 2000. - 114 с.

17. Лапко A.B., Лапко В.А, Соколов М.И, Чепцов СВ. Непараметрические модели коллективного типа. Новосибирск, Наука, 2000. - 144 с.

18. Мали Л. Транспорт, энергетика и будущее. М: Мир, 1987. - 160 с.

19. Небеснов В.И., Плотников В.А., Кузюшин А.Я. Оптимальное управление ВРШ на волнении. М.: Пищевая промышленность, 1974. - 85с.

20. Петров Ю.П. Синтез устойчивых систем управления, оптимальных по среднеквадратичным критериям качества // А. и Т. 1983. - № 7. - С. 5-24.

21. Петров Ю.П. Оптимальные регуляторы судовых силовых установок (Теоретические основы). Л.: Судостроение, 1966. - с.

22. Петров Ю.П. Оптимизация управления систем, испытывающих воздействие ветра и морского волнения. Л.: Судостроение, 1973. - 216 с.

23. Погожаев СВ. Фильтрация волновых помех в канале стабилизации курса судна / Труды XXX науч. конф. «Процессы управления и устойчивость». СПб.: ЬШИ Химии СПбГУ, 1999. - С 155-164.

24. Самарский А.А, Михайлов А.П. Математическое моделирование. Идеи. Методы. Примеры. М. : Физматлит, 2001. - 320 с.

25. Сатаев В.В. Разработка адаптивных алгоритмов работы интеллектуального авторулевого, использующих динамические особенности неустойчивых на курсе судов. Автореферат диссертации на соискание учёной степени канд. техн. наук. Н. Новгород, 2001, 23 с.

26. Сахаров В.В. Расчёт оптимальных регуляторов судовых автоматических систем: Теория и приложения! Л.: Судостроение, 1983. - 168 с.

27. Сейдж Э.П., Уатт Ч.С Оптимальное управление системами. М: Радио и связь, 1982.-392 с.

28. Соловьёв Ю.А. Системы спутниковой навигации. Эко-Трендз. М.: 2000. - 267 с.

29. Сикарев A.A. Интеграционные процессы на рубеже XX и XXI веков в глобальных и региональных информационных сетях связи и местоопределения подвижных объектов / Труды Международной Академии Связи, 1(17), 2001. С. 27-29.

30. Тарасов В.И. Нелинейные методы минимизации для расчета установи149вшихся режимов электроэнергетических систем. Новосибирск.: Наука, 2001.-214.

31. Трусов А.С. и др. Особенности эксплуатации силовой паротурбинной установки крупнотоннажных танкеров. М: ЦРИА, «Морфлот» 1981. -с.

32. Шапиро В.И. и др. Система регулирования нагрузки энергоблока 300 МВт с оптимизацией давления пара // Теплоэнергетика. 1980. - №7.1. С. 5-7.

33. Вису R.S. Lectures on Discrete Time Filtering. Berlin: Springer - Verlag, 1994.

34. Chedid et al. Adaptive Fuzzy Control for Wind Diesel Weak Power Systems. IEEE Trans. Energy Conversion. Vol. 15, no. 1, March 2000, pp. 71-78.

35. Lim C.C., Forsythe W. Autopilot for ship control. Pt. 1.: Theoretical design., pp. 281-287. Pt 2.: Simulation studies, pp. 288-294. Control theory and Applications.

36. Vol. 130, Part D, no. 6, November 1983. L Hybrid Demand Model for Load Estimation and Short Term Load Forecasting in Distribution Electric Systems. Villalba S.A., Bel C.A. IEEE Trans, on Power Delivery.