автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Теория и методы оценки эффективности гребных электрических установок

, - г ' ' 1

, ц Ф

с ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ имени адмирала С. О. Макарова

На правах рукописи

РОМАНОВСКИЙ ВИКТОР ВИКТОРОВИЧ

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГРЕБНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы

и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1997

ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЮРСКАЯ АКАДЕМИЯ имени адмирала С.0.Макарова

На правах рукописи

РОМАНОВСКИЙ ШТОР ВИКТОРОВИЧ

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГРЕБНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Государственной морской академик имени адмирала С.О.Макарова, -.Санкт-Петербург.

Научные консультанты - заслуженный деятель науки и техники й,

доктор технических наук профессор Баранов А.П.; - доктор технических наук Рубинраут A.M.

Официальные оппоненты - доктор технических наук профессор

Киреев Ю.Н. \

- доктор технических наук профессор Недялков К.В.;

- доктор технических наук профессор Скачков Ю.В.

I

Ведущая организация Центральный научно-исследовательский

институт морского флота, Санкт-Петербург.

Защита состоится "27 " марта_ 199 7 года в

часов на заседании диссертационного Совета Д.101.02.01 в Государственной морской академии имени адмирала С.О.Макарова по адресу: 199026, Санкт-Петербург£1-я линия Васильевского острова, • 14-а, ауд. 21

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан " 10 " февраля_199'года

Ученый секретарь диссертационного Совета

доктор технических наук црофессор Н.Е.Жадобин

- 3 -

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность проблемы

Диссертация посвящена проблеме выбора, проектирования и экъллуаташш гребных электрических установок с современными и перспективными электрическими машинами. Многообразие принятых схемных решений ГЭУ и условий эксплуатании требует своевременной и обоснованной оценки эффективности установки для выбранного типа судна с учетом предполагаемых условий эксплуатации. Под э<|фективностью ГЭУ подразумевается совокупность свойств, определяющих степень ее приспособленности к выполнению поставленных задач с учетом внешних воздействий и вложенных в нее средств при создании и эксплуатации.

Эта проблема в настоящее время решается перебором нескольких схемных решений и заданием определенного района плавания судна. Детерминированный подход к этой проблеме является одной из причин отсутствия в настоящее время общих основ внЗора ГЭУ, наиболее приспособленных к условиям эксплуатации.

Развитие отечественной и мировой электротехники позволило реально решать вопросы применения перспективных систем электродвижения и,в первую очередь,со сверхпроводниковнми электрическими машинами.

Определение основных закономерностей эксплуатании серий судов с ПЗУ разных типов с использованием детерминированных и вероятностных методов на основе марковских процессов дает возможность с единой точки зрения в рамках теории эксплуатации сложных систем определить основные тенденции развития ГЭУ и её элементов, установить законы юс функционирования в эксплуатации, оценивать и прогнозировать количественные и качественные

характеристики современных и перспективных установок, как с точки зрения получения наилучших технических характеристик и их сочетаний, так и с точки зрения наименьшей стоимости. Все это определяет актуальность данной работы.

Цель работы - развитие теории выбора, проектирования и эксп-луатапии гребных электрических установок, включая вероятностный характер внутренних и внешних воздействий при разной степени неопределенности.

Для достижения поставленной пели в работе потребовалось решить следующие задачи:

1. Обоснование методов исследования ГЭУ в условиях эксплуатации на основе статистической информации с учетом особенностей функционирования ее основных элементов в статических и динамических режимах.

2. Обоснование и разработка имитационных моделей процесса функционирования ГЭУ в эксплуатационных режимах с учетом вероятностного характера нагружения и других эксплуатационных . возмущений..

3. Использование и разработка эвристических методов выбора, сравнения и оценки эффективности основных элементов и схем ГЭУ с учетом условий их эксплуатации.

4. Разработка методики многокритериальной оценки эффективности использования ГЭУ современной и перспективной постройки на базе имитационных моделей функционирования комплекса ГЭУ-судно - окружающая среда.

5. Сравнение эффективности и качества вариантов современных и перспективных ГЭУ для судов различного назначения. Научная новизна диссертации заключается в обобщении и развитии современной концепции выбора типа ТЭУ с учетом следующих

задач:

- определения возмущающих воздействий и изменения структуры ГЭУ в условиях эксплуаташи;

- выбора состава и оценки эксплуатационных характеристик основных элементов и всего комплекса ГЭУ;

- разработки методов опенки эффективности использования современных и перспективных ГЭУ.

Разработана общая теория комплексной оценки эффективности ГЭУ на основе вероятностных концепций, включая марковские процессы. При этом создана единая система сравнения разных систем электродвияения судов различного назначения с учетом мощности, условий плавания, эксплуатационных режимов и основных элементов ГЭУ.

Проанализированы вероятностные процессы изменения мощности, времени работы, токов и напряжений установок в условиях эксплуатации. Определены законы изменения структуры ГЭУ.

Исследованы технико-эксплуатационные характеристики элементов ГЭУ, включая электрические машины традиционного и сверхпроводникового исполнения, первичные двигатели, силовые преобразователи, системы криогенного обеспечения и другие.

Создан комплекс имитационных моделей, позволивших оценить технико-эксплуатационные характеристики системы ГЭУ - судно -окружающая среда и прогнозировать эффективность современных и перспективных установок в условиях эксплуатации.

По теме диссертации получено шесть авторских свидетельств на изобретение.

Научная и практическая ценность работы.,

Выполненные исследования расширили и детализировали общие

представления о процессе функционирования ГЭУ под воздействием внутренних и внешних факторов с учетом детерминированных и вероятностных процессов.

Обобщен опыт эксплуатации современных ГЭУ. Определены основные законы распределения нагрузки в основных элементах ГЭУ» надежностные, энергетические, экономические и экологические характеристики. Развитая в работе теория эксплуатации сложных систем в части ГЭУ и использование математического аппарата полумарковских и марковских процессов позволили комплексно определить важнейшие эксплуатационные характеристики современных и перспективных ГЭУ.

Полученные в результате исследований модели функционирования ГЭУ с учетом многокритериальности функций полезности и платы за полезность позволяют определить как составные части обобщенных показателей, так и качественные характеристики этих установок.

Выбран мощностной ряд для типовых ГЭУ современной и перспективной постройки с учетом энергетических, конструктивных, эксплуатационных и экономических параметров главных электрических машин традиционного и сверхпроводникового исполнения. Определены основные структурные схемы современных и перспективных ГЭУ.

Научные работы по тематике докторской диссертации входили в Государственную целевую программу ГКНТ СССР (Постановление № 92 от 05.04.88 г) по использованию явления сверхпроводимости в народном хозяйстве.

Разработаны требования к основным схемным решениям и технико-экономическому обоснованию современных и перспективных ГЭУ по заказам: Министерства морского флота СССР, Департамента

морского транспорта РФ, Научно-производственного предприятия ■ Всероссийский научно-исследовательский институт электромеханики с заводом (НЛП ВНИИЭМ), Центрального научно-исследовательского института имени академика А.Н.Крылова, Всероссийского научно-исследовательского института электромашиностроения (ВНИИ электромаш), Центрального научно-исследовательского института морского флота, а также для Мурманского и Балтийского морских пароходств. Материалы диссертации использованы в учебных программах по электротехническим дисциплинам для учебных заведений . Министерства морского флота СССР и при чтении лекций в Институте повшения квалификации при ГУЛА имени адмирала С.О.Макарова.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертации докладывались на: Всесоюзной НТК "Вопросы совершенствования организации и технологии ремонта судового электрооборудования", Владивосток, 1981 г.; Всесоюзной НТК "Повышение долговечности и надежности ■ машин и приборов", Куйбышев, 1981 г.; Межотраслевом семинаре по электродвижению судов и электромагнитной совместимости, Ленинград, 1981 г.; Всесоюзной научно-технической конференции по повышепито эффективности и качества систем и средств управления, Пермь, 1983 г.; УШ Всесоюзной НТК по движителям, Москва, 1987 г.; Расширенном заседании лаборатории проблем энергетики . морского и речного транспорта Ленинградского отделения комиссии Академии наук СССР по проблемам транспорта, 1990 г.; Заседании научно-технического совета-Министерства морского флота СССР, Москва, 1990 г; Всероссийской НТК "Проблемы обеспечения живучести кораблей и судов", Санкт-Петербург, 1992 г.; Международном симпозиуме "Автономная энергетика сегодня и завтра",

Санкт-Петербург, 1993 г.; а также на НТК IMA имени адмирала С.О.Макарова и заседаниях секции "Электромеханика и автоматика" Дома Ученых имени М.Горького, Санкт-Петербург,. 1981 и 1995 гг.

Материалы диссертации были представлены на международных выставках и fief's Тёа/тоЗ^ с?"0/ Jh^siM^ir г-"

Л U/au г., „ SÁ ¿м

в г.Гамбурге, сентябрь 1994 г.

Публикация результатов диссерташи

Основное содержание диссертации опубликовано в книгах Панова В.Л.j Романовского В.В., Корди С.А. "Эксплуатация гребных электроустановок"; Емельянова П.С., Романовского В.В., Шегало-ва И. Л, "Вероятностные процессы в судовых энергетических установках"; в учебнике Котрикова К.П., Романовского В.В. "Судовые электрические машины"; в 40 статьях и 6 авторских свидетельствах, перечень которых приведен в конце автореферата.

Личный вклад автора

В диссертацию включены лишь те результаты, которые получены автором лично, либо в создание которых автор внес основной творческий вклад.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 162 наименования^ приложений с практическими примерами расчета и актами внедрения материалов работы. Общий объем 308 страниц, 77 рисунков, 53 таблиш.

2. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение посвящено обоснованию выбора предмета исследований, где показана актуальность работы, ее новизна и также связь с научно-техническими программами, сформулированы дели работы.

В первой главе кратко приведены методы статистического анализа вероятностных процессов в ГЭУ. На основе материала»полученного из эксплуатации большинства дизель-электроходов транспортного и рыболовного (£лота, тлеющихся в России, проводится статистический анализ эксплуатационных режимов ГЭУ. Сбор статистического материала осуществлен на судах активного ледового плавания типа "Амгуэма", транспортных рефрижераторах типа "Сибирь", портовых ледоколов типа "Капитан Измайлов", зверобойно-рыболовных судах- типа "Зверобой", ледоколах типа "Мурманск", атомных ледоколах типа "Арктика" и "Таймыр", научно-экспедиционном судне типа "Академик Федоров", производственных рефрижераторах типа "Таврия".

Вопросы определения возмущающих воздействий и изменения мощности ГЭУ освещались в работах А.БДаикина, З.И.Полонского, В.В.Смирнова, Ю.П.Захарова, В.Я.Ягодкина, М.А.Сюбаева, А.С.Быкова. В них рассматривались частные случаи детерминированных и случайных процессов за отдельные промежутки Бремени переходных процессов при работе судна во льдах или при волнении моря. Комплексная оценка эксплуатационных параметров и воздействий полного развития пока не получила.

Определение и исследование законов распределения эксплуатационных параметров ГЭУ проводились в соответствии с известными положениями теории вероятности. К эксплуатационным параметрам ГЭУ отнесены контролируемые во время эксплуатации значения

мощности, тока, напряжения, частоты и энергопотребления. Поскольку они изменяются на протяжении времени работы ГЭУ , то изучение их распределений проводится по временному фактору, обычно за каждый час работы установки. При использовании известных критериев Пирсона, метода наименьших квадратов, метода прямоугольных вкладов, критерия Уилкоксона, критерия Н.В.Смирнова и другие, были получены основные параметры законов распределения эксплуатационных параметров ГЭУ вышеуказанных судов. Проверка гипотезы об однородности вероятностных распределений режимов работы схем главного тока судов одной серии проводилась рядом вероятностных критериев дош анализа как крупных, представительных выборок, так и для малых выборок. Учитывая, что распределения эксплуатационных параметров могут описываться законами, отличающимися от нормального, применены непараметрические критерии. Использование таких критериев дает возможность определить законы распределения эксплуатационных параметров и режимов ГЗУ для всей совокупности режимов установок серий обследованных судов. Доказана целесообразность описания законов распределения мощности и времени работы схем главного тока в различных сочетаниях зг ~

где ОС0 - масштабный коэффициент.

Распределения электрических параметров ГЭУ с достаточной степенью достоверности могут быть описаны нормальным законом в статических режимах эксплуатации ГЭУ.

При опенке эффективности систем возбуждения, управления и контроля ГЭУ, вентиляции главных электрических машин и других подсистем ГЭУ необходимо определить взаимное влияние эксплуа-

тационных величин, выявить необходимое количество параметров, влияющих на качество работа отдельной системы и 13У в целом.

Для количественной оценки взаимного влияния эксплуатационных параметров ГЭУ был использован регрессионный и корреляционный анализ, который позволил выявить вероятностные значения параметров экспериментальных корреляционных (функций и коэффициентов корреляции между энергетическими характеристиками ГЭУ и парамет рами окружающей среды, влияющими на эффективность работы установки в эксплуатации. В частности, для ГЭУ судов ледового плавания по результатам расчетов из семи параметров окружавдей среды (толщины льда, температуры наружного воздуха, температуры в машинном отделении, температуры забортной воды, атмосферного давления, направления и силы ветра ")выбраны лишь температура воздуха в машинном отделении и атмосферное давление, что позволило упростить учет внешних факторов при расчетах опенки эффективности ГЭУ.

Определение вероятностных характеристик ГЭУ в динамических режимах производится с помощью методов статистической динамики. Поскольку суда с ГЭУ существенную часть эксплуатации проводят в ледовых условиях или при волнении, случайные динамические возмущения оказывают влияние на режимы работы главных электрических машин и первичных двигателей. Исследование процесса изменения эксплуатационных параметров в динамических режимах целесообразно проводить на основе моделирования случайных функций, получен ных из экспериментальных данных и описываемых следующими величинами: средним значением функции, среднеквадратическшл отклонением, корреляционной функцией, спектральной плотностью. В работах А.Б.Хайкина, М.А.Сюбаева показано, что динамические процессы, происходящие в дизель-электрических установках, можно

ошсать как стационарные нормальные, эргодические и дифференцируемые. Отметим, что корреляционные функции случайных цропессов в ГЭУ совпадают при любых сдвигах по оси времени, а математические ожидания и дисперсии постоянны, что свидетельствует о стационарности в широком смысле.

Взаимодействие случайно изменяющихся параметров и их совокупное влияние на исследуемые параметры ГЭУ приближают описание случайных процессов к нормальным, а графики корреляционных функций в большинстве случаев носят монотонно убывающий характер и описываются функциями вида:

ЬГъг)*^-*1*1 (1)

= ( 2 )

^ = (3>

где аС - степень затухания корреляционной функции; ^ - средняя частота корреляционной функции. В общем виде, если корреляционная функция ЁдО? (1:) может быть аппроксимирована, например, по формуле ( 3 ), то спектральная плотность этого процесса примет вид:

р, \ _ А*. +

А (и}) Ж и^+^ + уз^

Тогда последовательность импульсов, которой описывается момент сопротивления на валу ГЭД при ходе судна во льдах,

где 10ц - частота вращения вала ГЭД и винта в швартовном режиме.

Для расчета коэффициентов о^ и р> , необходимых для моделирования процесса изменения мощности главных генераторов на основе экспериментальных данных рассчитываются корреляционные функции и аппроксимируются с помощью метода наименьших квадратов.

Выполненный комплексный анализ вероятностных характеристик параметров ГЗУ с позиции теории вероятностей и математической статистики с достаточной степенью достоверности определил основные законы изменения этих параметров в условиях эксплуатации. Корректное объединение экспериментальных выборок в генеральные совокупности, которые описываются вычисленными закономерностями, позволили обобщить значительный статистический материал и использовать его для серий судов с электродвижением при анализе эффективности их работы на математических моделях.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию основных закономерностей процесса изменения структуры ГЭУ. В отличие от других типов судовых энергетических установок ГЗУ обладают возможностью широкого изменения мощности путем ввода или вывода определенного количества генераторов из еж мы главного тока, обеспечивающих работу гребных электродвигателей. Это накладывает свою специфику на методы анализа процесса функционирования ГЭУ в условиях эксплуатации, связанных с необходимостью учитывать разные по масштабу времени случайные процессы. Анализ эксплуатации нескольких серий дизель-электрических судов, проведенный автором,показал, что процесс изменения структуры схемы главного тока в условиях эксплуатации мокет быть представлен марковским процессом.

В общем случае состояния схем главного тока могут быть обозначены как > /г. в последовательности

моментов времени "¿0 , , ^ , .. В каждом из этих моментов времени ГЭУ может находиться только в одном из конечного числа вариантов схем главного тока 30» ограниченным количеством использованных в процессе эксплуатации схем.

Вероятность перехода из состояния

» • • •» Х/2,, соответствующего -с -той строке матрицы, в состояние _Х"0 , Х^ »Ха » • • •» » • • •» -Хи» С00!Г-ветствущее ^ -му столбпу, рассматривается как нахождение ГЭУ в состоянии Хг в момент времени , если известно, что в предыдущий момент времени ГЭУ находилась в состоянии ( = I, 2, 3, ..., П- ; № = I, 2, ...). Причем переходные вероятности СГТ ( = I, 2, 3...../г- ) не за-

висят от индекса ¡С (номера момента времени ). Таким

образом, считаем, что матрина переходных вероятностей

/и

Г

В

I>

обладает свойстваш:

1) ^ Р-с^'&О - вероятность переключения СГТ;

2) ^ Р^- / = I ( -¿V/ = I, 2, 3, ) - свойство

вытекающее из метода построения матриц переключения СГТ.

В зависимости от задач, поставленных и решенных в диссертации, процессы эксплуатации ГЭУ описаны различными видами марковских случайных процессов. Это связано с тем, какое множество значений (непрерывное или дискретное) принимает случайная величина С& ( ) и её параметр ~Ь . Для марковского процесса ( ) при любых к- моментов времени ~6£ <... ^ из отрезка [_ О, т] условная функция распределения "последнего"

значения ( ) при фиксированных значениях ^ (; ^ ( ),..., X ( ) зависит только от ^ ( Т^-х )»

то есть при заданных значениях 01 ± , ^» «• •» ЭСц, справедливо соотношение р 4 ({,) =

^ | X ( = 3-п-V }

где "р - вероятность переключения в СГТ (значение структуры ГЭУ).

Для трех моментов времени ч^: > > ^ формула ( 4 ) принимает вид Р £Х( ) 4 X; I X (il<) = ,

= Ч ] •

Таким образом, если точно определено состояние структуры ГЭУ в настоящий момент времени ( "¿у" ), то будущее состояние (при ) не зависит от прошлого состояния (при ).

Проверка наличия марковских свойств и полученных экспериментально матриц проводилась по критериям Андерсона-Гудмана. Последовательность состояний процесса изменения структуры СГТ образует простую цепь Маркова, если для всех И^-1, 2, 3, ... и всех возможных значений случайных величин ™еет место

соотношение ^ (Хй. | ХоД/,..., Х„., ) =

где ^ С~К.у1 | >7 у) ~ веРоятности перехода из одного варианта схемы в другой. Тогда формула ( 5 ) принимает вид

- к - иР *.) -Р. («.) П | Х^).

Полное вероятностное описание процесса изменения структуры ГЭУ достигается заданием вероятностей начального состояния и вероятностей перехода

% I Х/Л-Р^-«* |ХАГ

Для оценки и прогнозирования использования всего комплекса ГЭУ необходимо определять состояние СГТ в момент времени ^ и, в частности, при /г- —

Для решения этой задачи вводятся следующие обозначения для безусловных (абсолютных) и условных вероятностей

к =• /К

Здесь величина Д, ( /2- ) есть безусловная (абсолютная) вероятность нахождения системы в состоянии на /г- -м

шаге (то есть в момент времени ^ = ), а -

начальная вероятность состояния • Условная вероятность

( N > А- ) определяет вероятность состояния при

у и

, если в более раннии момент времени система

находилась в состоянии . Эти условные вероятности явля-

ются вероятностями перехода из состояния Ху в состояние за ( - /Ч ) шагов.

Введенные вероятности неотрицательны и удовлетворяют условиям нормировки

К __

X р* С^Ы; ь =

И=1

Безусловная вероятность состояния 32.^

Я ЯЬД ¡¿-¿Л}

Для стационарных вероятностей случайных величин Х^, при /2.—^о-л с конечным числом состояний при выполнении условия - » начиная с некоторого ,

предельные (финальные) вероятности рк ~ {ю), К-¡¿,

Они не зависят от начального распределения / Р^ J • Наличие финальных вероятностей указывает на эргодичность процесса.

Учет особенностей функционирования дизельных и турбоэлект-рических установок потребовал более широкого представления процесса изменения структуры, мощности и времени работы установок.

В 1ЭУ, изменение мощности которых производится В основном путем изменения количества используемых в работа главных дизель-генераторов и ГЭД, процесс функционирования с учетом времени пребывания установки в определенном состоянии может быть с достаточной полнотой описан полумарковским процессом.

Здесь в каждый момент времени система может находиться в

одном из К возможных фазовых состояний , .....

, определяемых количеством вариантов включения главных генераторов и ГЭД. При этом известны начальное состояние системы (в начальный момент она находится в состоянии Э0 - ) и одношаговые вероятности перехода

Следовательно, процесс = 0 () есть однородная

пепь Маркова.Каждому ненулевому элементу ^ ^ матрицы вероят-

ностей перехода соответствует случайная величина с функ-

цией распределения (Ь)= Г^г ( ц <£) . Величине Т^,

зависящей как от состояния , так и от состояния 1^/с ,

о

в зависимости от задачи построения модели можно задавать полученные законы распределений эксплуатационных параметров ГЭУ. Причем, если функция распределения одна и экспоненциальная, то имеем дискретный марковский процесс с непрерывным временем, если функши разные - полумарковские.

Этот процесс должен продолжаться до истечения ходового времени ГЭУ, если распределения времени основаны на эксплуатационных данных. Если рассматривать только процесс перехода из состояния в состояние, то процесс 6 ( ) будет представлять собой однородную цепь Маркова, в данном случае называемую вложенной цепью Маркова.

При заданном начальном состоянии процесс функционирования ГЭУ определится матрицей вероятностей перехода , и функциями распределения А^« ( ~Ь )• Если во время =0 система находится в состоянии ^С , а следующее состояние с

вероятностью будет ¡У\ , то по теоремам умножения

<) <7

и сложения вероятностей находим:

- безусловная функция распределения полного времени ожидания системы в состоянии IX'I

сI '

- безусловная плотность вероятности полного времени ожидания в состоянии

с/—

- среднее значение безусловного времени ожидания в состоянии

с=о к

<Ъ>= ЛчШЛ'Ъ. Г,.

о а 0

тогда

^юж^-Ш-Щ).' < в,

Если ( 'Ь ) есть условная вероятность того, что в

момент времени ГЭУ находится в состоянии ^ , а в

момент времени ~£0 = 0 она была в состоянии , то веро-

ятность ( ^ ) является интервально-переходной вероят-

ностью. Изменение СГТ из начатаного состояния ¿^г в состояние за заданное время ~Ь может произойти разными путями. Во-первых, если = , то она может покидать состояние в течение всего промежутка времени, во-вторых, система может попасть в произвольное состояние , занимая в момент времени некоторое промежуточное состояние

. Вероятности этих двух "временно исключающих возможностей должны складываться. Таким образом, приходим к уравнению

Щ Ю - % ^ ^ + £ М,

( 9 )

( ю )

где сР^ - символ Кронекера:

й/' =1 при , 0 = О при ^С

Система уравнений (6) - (10) является основной для полумарковских процессов. Решение этой системы проводится с помощью метода статистических испытаний.

Аналогично параметру времени задание функций регулирования

эксплуатационных параметров мощности, тока главной пепи, напряжений, частоты вращения вала и их производных позволяет оценивать и прогнозировать широкий спектр вероятностных характеристик ГЭУ с помощью ЭЦВМ, Одновременное задание нескольких функций, соответствующих разным законам (Вейбулла, нормальными, экспоненциальными и другими), позволяет получить значения производных параметров, таких как энерговыработка, топливоисполь-зование, ¡эксплуатационные затраты и другие.

Для ГЭУ с турбинными первичными .двигателями затребованная мощность соответствует установленным заводом-изготовителем уровням задатчика мощности; вероятностный процесс функционирования установки был определен как система с конечным множеством состояний. На основе анализа статиатических-данных по

эксплуатации турбоэлектрических ледоколов, случайный процесс представлен как:^ = < , если в ноыент

система находится в состоянии -с . Состояния системы определены уровнями мощности энергетической установки (100, 90, 70, 55 и 25 % Рй ) и обозначены малыми числами, в общем случае

^ = 2, . Вероятности переходов от одного

уровня к другому определяются стохастической ( )- мат-

рицей р=

Р..

1 ч

, которая задает вложенную цепь Маркова, где р^ - вероятность перехода из состояния -с в состояние^ . Если процесс из состояния -С перейдет в состояние ^ , то время пребывания в состоянии -с - случайная величина с функцией распределения (32 ). Исследования в части

определения функций распределения времени работы энергетической установки показали, что наиболее общим является представление этого процесса распределением Вейбулла.

Таким образом, модель (функционирования ГЭУ заданного класса ледоколов является полумарковский, задаваемой трвмя параметрами ( /V , , ). Исхода из данных эксплуатации в ГЭУ этого класса использовались все частичные уровни мощности, то есть за конечный промежуток времени процесс функционирования с вероятностью, равной единице, побывал в любом состоянии не более конечного числа раз, поэтому этот процесс можно считать полумарковским регулярным процессом с дискретными состояниями л непрерывным временем.

Для задач определения эксплуатационных и технико-экономических зависимостей, формирования критериев оптимизации использования ГЭУ различных типов в условиях эксплуатации, сопоставления результатов функционирования установок использованы марковские процессы функционирования ГЭУ с доходами.

Показатель средних затрат на пребывание схемы главного тока (уровня заданной мощности для АГЭУ) в -с -ь> состоянии

ъъ 1/П-> <ш

гдо . - средние затраты за едяшшу времени пребывания в

-С -м состоянии; ^ . - средние затраты за гремя перехода из € -го в ^ ^ - е состояние;

- стационарная вероятность состояний выполненной марковской иепи; "¿у - безусловное математическое ожидание рремени пребы-ванйя системы в -и состоянии.

А, ~~Т~ А-'

Таким! образом, общим методом представления совокупности процессов в ГЭУ являются марковские или полушрковские процессы.

Использование метода имитационного моделирования позволяет воспроизводить алгоритмическое описание поведения элементов ГЭУ и взаимодействие между ними. Это дает возможность по исходным данным, содержащим сведения о начальном состоянии процесса, его данамикв и параметрах, получить представление о состоянии процесса в произвольный момент времени.

Процесс переключений схем главного тока воспроизведен для реализации на ЭЦВМ матрицами переходных вероятностей из одного варианта схемы в другой в виде:

PVP V

J-0C -о/ £04 • • • lei¿

I Fu íi»

EL 1Rt

n=

• с с • в ь * «

■вц

D

р » • t в <

( 12 )

Xa» х>.

Возможными результатами испытаний являются события

.... Хк.-

Вероятность Н ' есть условная вдроятность события X в <í 'о

данном испытании при условии, что результатом предыдущего испытания бкдо событие X -/ • Моделирование такой пеня Маркова состоят в последовательном выборе событий "X i tío жребию в

Ь '

соответствии с вероятностями ; .

С'

Б матрице переходных вероятностей имеются нулевке значения D.'j' . Поэтому при попадании в это состояние я^ойходико те-кусстерлио протесте процесс «одаяаруваная к пыч-ллыюку оэотоя-нда. 1)ри жреяйЭоаан1;Р прежде кевгэ янОлрннтся начальное- оос-то.»нке, определенное е донном слупа? с1рокг.»Р ь^г^л, Пйре«одних

вероятностей, а именно, в положении О (СГГ разобрана). Далее событие Xуу> определится как событие, состоящее в том, что выбранное значение случайной величины , равно-

мерно распределенной в интервала (О, I), удовлетворяет неравенству _

где

Тогда ^

РШ у/

Поэтому из совокупности числа / 0.^1 берегся число и

£ 1 ] Ъ

сравнивается с величинами , где в качестве исполь-

зуются величины , ^ , ^ , ..., . Этим путем

определяется номер , для которого оказывается справедли-

вым неравенство £ и. ^ ^ищ .

Тогда начальны.! событием данного процесса будет событие X*. • За-ем выбирается следующее случайное число ,

которое также сравнивается с величинами . Здесь в качест-

ве вероятностей дай определения -^л. используются эле-

менты матрицы перехода . ~Хпс1 . «... • Путем

сравнения устанавливается режим работы СГТ с номером УУ)^ } для которого справедливо проверяемое условие.

Следующим событием данной реализации цепи будет событие Хч • Каждый выбранный режим с номером УМ^ определяет не только очередное событие ^Х^ формирущей реализации, но и распределение вероятностей • » ДМ

выбора последущего режима работы ГЭУ с номером /

Таким образом, получены системы уравнений для изменения

- 24 -

структуры ГЭУ, описания их функционирования для дизель- и турбоэлектроходов, а также для определения затрат на единицу времени функционирования ГЭУ. Это дает возможность корректно выполнять математическое моделирование, в значительной степени отражающее реальные условия эксплуатации ГЭУ.

В третьей главе проанализировано состояние отечественного флота с точки зрения использования первичных двигателей и определены основные энергетические и электрические характеристики электрических машин обычного исполнения и перспективных сверхпроводниковых электрических машин (СПЭМ).

Привлечение статистических данных по составу транспортных судов отечественного флота и государств СНГ позволило определить, что для движения судна используются в основном дизели, причем 62,3 % - ато малооборогяые и 31 % - среднеоборотные дизели. Такая же тенденция сохраняется в современном судостроении.

Таким образом, основными типами СЭУ судов современной и перспективной постройки являются установки с прямой передачей мощности на ВШ с двигателями МОД и лишь в некоторых случаях предусматривается СЭУ с передачей мощности МОД на ВРШ.

Использование СОД предусматривается в дизель-редукторных и дизель-злектрических установках. Мощность СЭУ группы судов сухогрузного флота с учетом отбора мощности для собственных нужд в ходовом режиме находится в диапазоне от 4500 до 15800 кВт, а наибольшее число судов имеет мощность СЭУ еще с более узким диапазоном изменения: от 7000 до 12000 кВт.

Для судов нефтеналивного флота, химовозов и газовозов -диапазон изменения мощностей лежит в пределах от 3500 до 27600 кВт.

- 25 -

Б настоящее время наиболее перспективным схемным решением, обеспечивающим высокую'экономичность в эксплуатации, являются ГЭУ с отбором мощности на судовую электростанцию, то есть установки с единой электроэнергетической системой (ГЭУ с ЕЭЭС). Выбор мощности таких ГЭУ с учетом применения дизелей для транспортных судов обычно производится из следующих соображений: мощность базовой СЭУ с добавлением двух третей мощности судовой электростаншш. Мощность, потребляемая для собственных нужд и отбираемая в ходовом режиме от шин электродвижения, соответствует 60-70 % мощности судовой электростанции.

Таким образом, для сухогрузных и наливных судов расчет мощ-ностного ряда главных генераторов (ГГ) . и гребных электродвигателей (ГЭД) был проведен с учетом отбора мощности от шин электродвижения для собственных нужд в ходовом режиме.

Выбор варианта ГЭУ для каждой группы судов определяется типом первичных двигателей и главных электрических машин, комплектацией схемы главного тока установки, минимальным отклонением от мощности базовой СЭУ и удовлетворением требований работы ГЭУ на частичных режимах с высокими значениями КЦЦ, минимальными массо-габаритными показателями и другими.

Для реализации такого выбора должны использоваться первичные двигатели с наименьшими массо-габаритными характеристиками. Одним из возможных вариантов таких двигателей являются дизели с мощностью,находящейся в диапазоне от 550 до 4960 кВт.

• Расчет выбора мощности главных генераторов с учетом использования первичных двигателей выполнен с учетом:

- равномерного распределения мощности по гребным валам;

- возможности экономично работать с частичной мощностью;

- минимального отклонения мощности ГЭУ от базовой установки.

При этом расчете определялись такие мощности ГГ и КД, которые бы наилучшим способом выполняли условия комплектации СЭУ по мощности и регулированию.

Перспективными тенденциями в расположении элементов ПЗУ на судне являются: ярусное расположение ГГ и 1ЭД, расположение 1Т на палубе надстройки в отдельном помещении, погружное расположение ГЭД вместе с винтом. •

Величина мощности ЩЦ соответствует полной мощности 1Г с учетом мощности стояночного дизель-генератора, при этом предполагается, что стояночный генератор может быть включен на шины электродвижения.

Выбор состава электрооборудования для ГЭУ достаточно широко представлен в работах А.Б.Хайкина, П.В.Куропаткина, Л.А.Род-штейна, А.Е.Козярука, И.З.Богуславского, А^М.Вейнгера, Е.Л.Эт-чгингера.

На основе известных методов были проведены расчеты основных массо-габаритных показателей главных электрических машин выб-. ранного мощностного ряда для ГЭУ судов транспортного флота.

Анализ развития 1ЭГ показывает, что возможности дальнейшего уменьшения их габаритных размеров, повышения КПД в рамках традиционных конструкций их элементов практически исчерпаны, что не позволяет реализовать известные преимущества ГЭУ перед механическими. О^ним из перспективных направлений развития судостроения является создание систем злектродвижения с применением СПЭМ.

В области разработки перспективных ГЭУ со сверхпроводниковыми электрическими машинами известны работы В.И.Полонского, Н.Н.Ше-

реметьевского, В.Н.Шахтарина, Я.Б.Данилевича, А.М.Рубияраута, Ю.П.Коськина, Л.А.Цейтлина, В.Г.Новицкого.

Специфика, связанная с условиями эксплуатации на судах, приводит к необходимости специальной конструкции машин с минимальными теплопритоками, массами и габаритами всей установки, включая и систему криогенного обеспечения.

Конструктивно сверхпроводниковый ГЭД (СП ГЭД) должен быть устойчив к резкому изменению момента сопротивления на валу двигателя, поэтому целесообразно использовать конструкции с расположением сверхпроводниковой обмотки на неподвижной части машины.

Таким образом, например, для СП ГЭД переменного тока должна быть выбрана машина, в которой сверхцроводниковая обмотка возбуждения (СЛОВ) должна быть расположена неподвижно на статоре.

Особенности СПЭМ (наличие сверхпрсводниковой обмотки и крио-стата, отсутствие ферромагнитопровода в индукторе и зоне расположения обмотки якоря) потребовали специальных методов электромагнитного, механического и теплового расчета СПЭМ.

На основе метода расчета СПЭМ переменного тока, разработанного во ВВИИЭМ, определены качественные и количественные характеристики СПЭМ для шщностного ряда ГЭУ. Поскольку основным преимуществом СПЭМ являются меньшие размеры по сравнению с обычными электрическими, ожидаемый экономический эффект должен быть получен из-за уменьшения их объема и поэтому в качестве целевой функции при расчетах в общем случае был принят удельный . объем СПЭМ ~Уу , м3/Г£Вт. Штрафная функция принимает вид:

~ -с х

где -С - число ограничений; ^^ - текущее значение параметра, на который вводится ограничение; JV0 - допустимое значение параметра; - весовые коэффициенты.

Основные расчетные характеристики позволяют определить оптимальное значение наружного диаметра, активной длины, расхода жидкого гелия, а также удельного объема СПЭМ, что в конечном итоге дало возможность обосновать целесообразность применения СП ГЭД,начиная с 10 МВт, а СП генераторов-с 20 МВА для сравнения конкретных типов судов. Наиболее эффективно использовать в ПЗУ СП ГОД, масса которых по сравнению с массой ГЭД традиционной конструкции снижается в 2,5-3 раза в диапазоне мощности 10-40 Шт.

Аналогичные расчеты для ГЭУ со сверхпроводниковыми униполярными машинами (СПУМ) бшш выполнены по методике ВШШЭлектромаш выбранного мощностного ряда ГЭУ.

Сопоставление качественных характеристик синхронных и униполярных СПЭМ показало, что СП ГЭУ переменного тока и униполярного типа являются конкурентноспособныш. Однако окончательное сравнение следует проводить по конкретным судам с учетом реализации схем отбора мощности и реальной стоимости машин. Сравнительная оценка массо-габаритных характеристик СП и обычных машин проводилась для конкретных вариантов комплектации ГЭУ.

Анализ и сравнение массо-габаритных, стоимостных и мощност-ных параметров СПЭМ позволили с точки зрения использования электрических машин считать целесообразным проработку ГЭУ с ЕЭЭС в составе: сверхпроводниковый синхронный генератор (СПСГ) -

полупроводниковый преобразователь частоты (ППЧ) - сверхпроводниковый синхронный двигатель (СПСД) с винтом (Таксированного шага (ВФШ) и СПСГ-СЛСД с винтом регулируемого шага (ВРШ); ГЭУ переменно-постоянного тока с различными типами СП ГЭД и ЕЗЗС, а такие ГЭУ по системе генератор-двигатель с СПУМ.

Выбор той или иной конструкции СПЭМ потребовал анализа систем криогенного обеспечения (СКО). Особенностями СП ГЭУ с точки зрения обеспечения их СКО являются: многочисленность агрегатов , требующих СКО (до восьми ГГ и 1ЭД), многореяимность СП ГЭУ при разном количестве главных машин в схеме главного тока, необходимость размещения элементов СКО на ограниченной площади и в ограниченном объеме машинного отделения судна,

К СКО СП ГЭУ предъявляются специфические требования, связанные с длительным отрывом энергетической установки от базы, строгого выполнения техники безопасности, высокой надежности ее элементов, обеспечения малых значений массы и стоимости. Проведенные расчеты показали, что СКО составляют около 15 % от массы СП ГЭУ и снижают надежность установки в целом. Разработано техническое решение, при котором перерывы в работе СКО, связанные с операциями включения ненагруженного резерва и изменением параметров хладагента при хранении, исключаются использованием рефрижераторов и резервной емкости с резервированием.

В четвертой главе на основе анализа схем ГЭУ и расчетных исходных данных по элементам установок, включая удельные значения массы, объема, относительные стоимости,определен ряд реально возможных вариантов ГЭУ переменного и двойного рода тока с использованием турбин, среднеоборотных и высоко-

оборотных дизелей.

Во всех вариантах Т2У предусматривается отбор мощности от шин электродвижения на собственные нужды в ходовом режиме. Рассмотрены варианты со сверхпроводниковыми машинами и машинами традиционного исполнения.

Выбранные структуры ГЗУ явились основой для сравнения их эффективности с помощью многокритериальных методов. Проведен анализ методов многокритериального (векторного) синтеза оптимальных технических решений.

Решение многокритериальной задачи сравнения и выбора рационального типа ЭУ с учетом влияния эксплуатационных воздействий может быть найдено, с помощью метода функции полезности, в котором альтернативные технические решения характеризуются двумя обобщенными критериями полезностью и платой за полезность. Связь между обобщенными и частными критериями устанавливается не формально, а на основе объективно существующих вероятностных зависимостей, что способствует корректному выбору предпочтительной альтернативы.

Обобщенный показатель полезности судна может быть представлен как произведение основных параметров, характеризующих процесс эксплуатации:

. А = Я) г

где - количество перевозимого транспортным средством

груза или, при отсутствии данных эксплуатации плановая грузоподъемность; 1—> - расстояние, пройденное транспортным средством за исследуемый период} ЛГ - среднеэксплуатационная скорость транспортного средства (при проектировании плановая скорость).

Энергетическая установка характеризуется системой показате-

лей, важнейшими из которых, как правило, считаются следующие: мощность, коэффициент технического использования, экономичность, надежность, живучесть, экологические показатели. Выбор частных показателей полезности проводится с учетом анализа всей совокупности показателей, характеризующих процесс функционирования ЭУ и судна в целом.

Обобщенный показатель платы за полезность является аддитивным технико-эксплуатационным показателем и формируется на основе частотных критериев, требующих минимизации. Показатель платы за полезность должен включать в себя: капитальные затраты на создание транспортных судов с учетом стоимости оборотного фонда (К'+^об" )» математическое ожидание ущерба от ненадежности Л1 [Ун], математическое ожидание эколого-экономичес-кого ущерба /Ч э! « ущерб от аварий судна и членов экипажа № Ц , эксплуатационные затраты на топливо к масло Ит и эксплуатационные затраты на текущее обслуживание и ремонт, содержание экипажа, навигационные затраты и другие 0 .

Таким образом, обобщенный показатель платы за полезность представляет

<13)

В зависимости от характера решаемой задачи обобщенный показатель платы за полезность может быть рассчитан за рейс, год или за весь срок службы судна. Частные показатели штаты за полезность в ( 13 ) носят вероятностный характер и сами, в свою очередь, зависят от целого ряда случайных факторов. Исследования закономерностей их изменения в эксплуатационных условиях проведены методом имитационного моделирования.

Выбор рационального варианта ГЭУ на предварительность стадии

проводился с помощью удельного показателя эффективности

Л-

где А - обобщенный показатель полезности;

[~] - обобщенный показатель платы за полезность.

В случае опенки эффективности различных типов ГЭУ на этапе предварительного проектирования рассмотрены обобщенные показатели /\ и П , как показатели I ранга, в комплекте с менее ответственными показателями 2лоранга): шум, вибрапия, степень готовности производства и другие.

Таким образом, практическая реализация алгоритма базируется на исходных данных, получаемых в результате обобщения опыта эксплуатации ГЭУ и на технико-эксплуатапионных требованиях заказчика, согласованных с Правилами Морского Регистра судоходства Н?. Важным аспектом развития сверхпроводниковой техники на судах является разработка основных требований к сверхпроводниковым машинам для использования их на судах.

ГЭУ постоянного тока с униполярными СПЭМ должны выполняться, как правило, по схеме СПУГ-СПУД с преимущественным последовательным включением СПУГ, работающих на СПУД.

Специфическим типом при использовании СПЭМ являются установки, когда "теплые" синхронные генераторы работают на СП ГЭД. Целесообразность создания таких установок обусловлена лучшими массо-габаритными параметрами быстроходных генераторов по сравнению с тихоходными ГЭД. В зависимости от типа ГЭУ, принятого числа главных генераторов и ГЭД, схемы главного тока и частоты вращения главных генераторов и 1ЭД суммарная масса главных генераторов может составлять 30-50 % от массы ГЭД. Поэтому некоторое увеличение массы главных генераторов оказывается допус-

тимнм, так как не окажет существенного влияния на массо-габаритные параметры установки в целом.

Предложены базовыми варианты для использования СПЭМ в ГЭУ транспортных судов:

а) системадвойного рода тока, в которой двухъякорный коллекторный постоянного тока с СП обмоткой возбуждения (СПОВ) работает на ВШ. Дизель-генераторы синхронного типа с СПОВ запитываются СП ГЭД через управляемые выпрямители;

б) ГЭУ переменного тока с непосредственными преобразователями частоты, в которой синхронный двухъякорный ГЭД со СПОВ работает от ПППЧ. Синхронные генераторы со СПОВ сочленены со среднеоборотными дизелями»

в) система двойного рода тока с паротурбинными первичными двигателями, в которой турбины соединены с генераторами, работающими на СПУД через управляемый выпрямитель;

г) ГЭУ со СПУД, в которой газовые турбины соединены с униполярными генераторами.

В зависимости от типа судна, расположения МО, мощности СЭУ и первичных двигателей, условий эксплуатации, изменения структуры СГТ при выборе варианта СПЭМ изменяется число первичных двигателей, СП генераторов и двигателей.

Анализ результатов выполненных расчетов показывает, что:

- удельные показатели по массе для различных типов ГЭУ со СПЭМ незначительно отличаются и составляют 6,5-7,7 кг/кВт для СП ГЭУ мощностью 10 МВт и 5,9-6,5 кг/кВт для СП ГЭУ мощностью 30 МВт без учета первичных двигателей;

- наилучшие массо-габаритные показатели имеют СП ГЭУ с сверхпроводниковыми униполярными машинами, хотя практическая реализация таких систем связана с решением ряда научно-техничес-

кнх проблем;

- СП ГЭУ переменного тока с НИ имеет наиболее высокие удельные параметры по объему, что обусловлено сравнительно высокими удельными показателями НШ.

На транспортных судах и ледоколах перспективной постройки могут найти применение все рассмотренные типы ГЭУ. Однако в настоящее время предпочтение следует отдать ГЭУ двойного рода тока с УВП и ГЭУ переменного тока с НПЧ, позволяющими сравнительно просто осуществить отбор мощности от шин электродвяжения, обеспечить требуемые технико-экономические показатели установок.

Практическая реализация СП 1ЭУ с униполярными машинами связана с созданием униполярных СПЭМ с высокими технико-эксплуатационными параметрами на номинальное напряжение до 1-3 кВ.

На основе расчетных и статистических данных об элементах оборудования ГЭУ проведено исследование конкретных вариантов схем электродвижения для перспективных типов судов: лесовоза, лихтеровоза, танкера, сухогруза и судна усиленного ледового класса.

Б пятой главе приведены методы комплексной оценки эффективности ГЭУ с помощью имитационных моделей. Использование таких моделей позволяет учесть долевые нагрузки судовой энергетической установки, что особенно характерно для ГЭУ.

Анализ потерь в традиционных и перспективных ГЭУ показывает, что потери в обычной электрической передаче переменного тока и гидрозубчатой сопоставимы, а в СП ГЭУ несколько ниже. Они не играют существенной роли в балансе потерь пропульсивных установок СЛП, ледоколов и других типов судов, значительная часть времени работы которых приходится на долевые нагрузки.

Б связи с этим потери в элементах передачи рассчитываются с учетов гистограмм распределения мощности и вероятности появления режимов (марковская модель). Анализ расхода тепловой и электрической энергии в эксплуатационных режимах и установление зависимости от мощности СЭУ дает возмог^ность прогнозирования потерь для судов любой мощности независимо от типов главных двигателей.

Для определения вероятностных законов распределения мощности, вырабатываемой в различных сочетаниях схем главного тока или разных уровнях мощности (для 1ВУ с ГПТУ), используется статистический материал по эксплуатации установки. Для расчета энерговыработки используется марковская (полумарковская) модель функционирования 1ЭУ, включающая процесс изменения структуры установки, распределения мощности и времени нахождения в каждом из вариантов структур. Сущность реализованного алгоритма состоит в том, что после ввода информации генерируется в первую очередь включение одного из режимов работы ГЭУ с определенным числом генераторов, время работы и мощность ГЭУ в данном режиме при ходе судна в свободной воде или вычисление данных, соответствующих режиму хода судна в ледовых условиях. Затем учитывается время работы установки на переменных ходах (маневренный режим), после чего происходит последующее переключение на другой вариант схемы главного тока или уровень мощности, выбранный по вероятности его появления. И так до тех пор, пока время работы установки не достигнет ходового времени судна в году или другого заданного промежутка времени. После чего формируют учет затрат на топливо и масло исходя из условий эксплуатации

гДе ~ йнерговнработка ГЭУ -¿-том разиме работы.кВт.ч ;

^ - удельный расход топлива ГоУ в С-^ои режиме работы (-г-т - уделькая стоимость топлива, руб/т; с9 -коэффициент, учитывающий долю расхода на масло.

Оценка надежности, влияния экологических факторов для проектируемых энергетических установок представляет большую сложность.

Учитывая вероятностный характер показателей надежности, опенка величины коэффициента технического использования зависит только от математических ожиданий времени наработки ГЗУ, времени простоя из-за плановых и неплановых ремонтов и времени простоев из-за планового и непланового технического обслуживания 1*5У. Вследствие того, что ГЭУ являются ремонтируемыми и восстанавливаемыми системами непрерывного действия, оценка их надежности и исследование процесса работы производится только до отказа систеии в целом, при этом отказавшие элементы демонтируются. Закон распределения ьрвмоне гфо^ялекткчоскогс воо-станошгения зависит от значения ьрпурии ср^шего поиска неио-нраваоигя. По мере увеличения удельного аесе времени поиска неис:ц'ннй0'!ти в суммарном времени восстановления закон распределен «я от нормального сходных к экспоненциальному.

С помощьк» хмитационвой модели определяются вероятностные харай?еристшш ущерба от ненадежности 1ЭУ:

/V/(/ИГ!Л (. ги/1]\Ч'}1

Еъц ь'Уом в модель; г<знери.руз?ел Г; ■'.з;.ин1НогЛ'яих распределений.

изменяющихся по нормальному закону: срок службы судна, длительность планово-профилактических работ, длительность замены отказавшего элемента, длительность восстановления отказавшего элемента, удельный ущерб часового простоя судна. Расчет значений ущербов от ненадежности разных схем ГЭУ, а также других типов

судовых энергетических установок дает возможность реально срав-как

нить^надежность судовых установок по данным технической эксплуатации, так и целесообразность резервирования элементов энергетической установки, выбора той или той структуры.

Для целей проектирования перспективных ГЭУв качестве эксплуатационных ущербов учтены эколого-экономические ущербы, а также риск экипаяей судов от эксплуатации судна. Все составляющие указанных ущербов приводятся к объему транспортной работы судов и в качестве оценки финансовых затрат принимаются удельные приведенные затраты на судно в год.

Основной задачей выбора энергетической установки транспортного судна является оценка минимальных затрат на единицу транспортной работы и максимальных уровней качества .

В соответствии с методикой эффективности новой техники для судовых энергетических установок используется критерий

г - И+уиСУэЛ + унЦУнТ + упЕЯЗ+Ен

где и » + \4о 5

¡Лт> Ыщ - вероятностные (или детерминированные) оценки затрат на топливо и масло; ¡/{0 - постоянная составляющая эксплуатационных расходов; ¡(н - капитальные затраты на судно с новым типом энергетической установки; ((^ - стоимость оборотных фондов (с учетом замены после выработки ресурса первич-

характеристики сопоставляемых установок,как живучесть, ремонтопригодность, трудоемкость обслуживания, удобство обслуживания и другие :

Разработанные методики и имитационные модели, а также анализ и обобщение статистических данных и закономерностей позволяют дать количественную оценку эффективности эксплуатации РЭУ различных типов с учетом характеристики судна.

Сопоставляются такие показатели,как КПД, масса, объем, стой-, ыость, что несколько упрощает оценку эффективности систем и увеличивает вероятность ошибки. Основябй алгоритм сравнения различных типов КУ включает в себя воспроизведение основных закономерностей распределения мощности и времени работы схем главного тока РЭУ, матрицы вида ( II ) и других частных эксплуатационных показателей.

После этого, многокритериальная задача сравнения определялась с помощью критериев полезности и платы за полезность. Фактор, являющийся доминирующим в данных исследованиях, представляется в виде:

где О о, ..., С?м - безразмерный коэффициент;

0?1 > •••» ~ частные критерии полезности.

Используем имитационную модель и зависимости

где

коэффициент "веса" каждого показателя.

Ег ^Е*

{г* ¿Л)

р " - ?

К. - число рассматриваемых критериев; ¿Уы -

глэ К. - число рассматриваемых критериев; ¿У ^ - относительное отклонение -критерия от максимального (минимального) у

значения; Ьг - максимальное (минимальное) значение -критерия; ^ ^ - коэффициент приоритета данного критерия.

Реализация алгоритма дала возможность сопоставить четыре варианта ГЭУ: постоянного тока с электромашинными возбудителями главных машин; постоянного тока с тиристорными возбудителями; постоянного тока с СП униполярными ГЭД и генераторами традиционного типа; системы СЛУГ - СПУМ. При одинаковых коэффициентах приоритета; равных 0,5,наиболее рационален вариант обычной ГЭУ постоянного тока с тиристорным возбудителем.

Для прогнозирования эффективности ГЭУ процесс эксплуатации целесообразно рассматривать за весь срок работы судна с учетом времени эксплуатационного периода ( ~Тд ). продолжительности ходового ( Тх ) и стояночного режима ( 'с. ), продолжительности плановых заводских ремонтов ( Тпр )» а также назначенного ресурса основных элементов С /р, ) ПЗУ. Такое представление процесса эксплуатации установок позволяет построить имитационную модель основных циклов использования ГЭУ, с помощью которой можно прогнозировать величины обобщенных показателей за любой период времени.

На основании разработанных имитационных моделей вычисления энерговнработки, показателей полезности и платы за полезность,

основных циклов использования 1ЭУ построена модель сравнительной опенки объективности ГЭУ. Сущность модели заключается в том, что процесс функционирования ГЭУ на протяжении всего срока службы судна представлен в виде вероятностной последовательности эксплуатационных и ремонтных жизненных циклов оборудования с учетом ресурса первичных двигателей и главных электрических машин и их замены по мере выработки ресурса. Это позволяет оце- ■ нить существенную долю дополнительных капитальных вложений в ГЭУ, необходимость в которых появляется в процессе эксплуатации. При этом обеспечивается сопоставимость сравнительной оценки различных вариантов ГЭУ, отличающихся ресурсными характеристиками входящего в их состав оборудования. Также учитываются и регрессионные зависимости капитальных затрат на судно в палом. На основании 'вычислений получены зависимости относительной стоимости рассмотренных вариантов ЭУ от мощности (рис.1), которая является определяющим параметром для ее стоимости. Таким образом, для построения модели сравнительной оценки эффективности эксплуатации-ГЭУ этот процесс представляется вероятностной последовательностью ходовых и стояночных режимов с учетом продолжительности простоев по причине отказов энергоустановки при этом, ходовые режимы подразделяются на режимы постоянных'И переменных ходов. Для каждого эксплуатационного цикла вычисляются значения частных показателей, на основе которых рассчитываются величины обобщенных показателей на весь срок службы судна.

Последовательность сравнения эффективности разных ГЭУ заключается в следующем. Сначала в модель вводится имеющаяся статистическая информация, законы распределения, регрессионные зависимости исходных данных, которые заключают в себя конструктив-

■tO 's 25" 30 дг M8r

Ao.l. Зависимость относительной стоимости ЬарионтоЬ ЗУ от мощности :

1 - ДРУ с гм, Рм и 6РШ ' г - гти с тук, гм рп и е>рщ i -. МOJL, О ГМ РГ1 и ВРЩ

4-йзч APT с верш

5-ГТЭГУ ДРГ с &<рщ 6 " ДЭУ ПГГГ с etptij

Рис. 2. Изменение показателя полезности (Л о.е ) Для гребных электрических установок разных ™поа • I - ГЭУ постоянного тока; 2 - ГЭУ двойного рода тоК!

13 " переменно-переменного тока

ныв характеристики судна, показатели эксплуатационных циклов, коэффициенты регрессионных зависимостей, удельные стоимостные показатели, эмпирические коэффициенты, параметры распределений случайных величия, стоимость базового варианта ЗУ, а также исходные данные подпрограмм расчета расхода топлива, эколого-экономического ущерба и ущерба от ненадежности, после чего формируется цикл перебора сравниваемых вариантов ГЭУ. Затем формируется подпрограмма эксплуатационно-ремонтных циклов ГЭУ, имитационной модели оценки энерговыработки 13У с расчетом топливоиспользования, расчета экологического ущерба, ущерба от ненадежности. Далее происходит вычисление времени эксплуатационного периода с учетом простоев из-за отказов ГЭУ, ходового времени и времени ремонтного цикла. Проверяется величина наработанного ресурса оборудования 1ЭУ. После чего проводится вычисление показателей затрат, расчет транспортной работы судна и осуществляется вычисление удельного показателя эффективности ГЭУ, далее производится расчет следующего варианта установки ( П-^У), после чего производится выбор рационального-варианта ГЭУ. В работе проведен анализ вариантов ГЭУ постоянного, двойного рода и переменно-переменного тока, для судов усиленного ледового плавания типа "Амгуэма". При этом учитывалось, что ГЭУ постоянного тока-с автономной электростанцией, а ГЭУ двойного рода и.ГЭУ переменно-переменного тока имеют единую электростанцию. Анализ графических зависимостей (рис.2 - 4) свидетельствует о том, что продолжительность эксплуатации судов влияет на обобщенные показатели всех рассмотренных типов ГЭУ. Относительно небольшое изменение транспортной работы при различных типах ГЭУ связано с тем, что за базу принято одно

П,о.е.

Ic Ii

14

а ю о

о,(

o,i _ __

о o.tr о,г ojr

iiic.^3. Изменение показателя плати за полезность (гьо.а.) для ГЭУ разных типов : I - ГЭУ постоянного тока; 2 - ГЭУ двойного рода тока ; 3 - ГЭУ перемешю-переменпого тока

Рис. Изменение критерия эффективности (К , o.e./

для различных типов ГЭУ : I - ГЭУ постоянного токп; 2 - ГЭУ двойного рода тока ; 3 - ГОУ переменно -переменного тока

•т

судно. Несмотря на относительно высокую плату за полезность, геУ переменно-переменного тока для транспортных судов усиленного ледового класса являются более эффективными в эксплуатации. В случае отсутствия статистических данных по эксплуатации ГЭУ перспективных судов возможна замена вероятностных характеристик на детерминированные. Условия эксплуатации, потребная мощность на валу, данные по затратам для одного типа судна в этом случае могут быть уравнены для разных типов ГЭУ, а надежностные характеристики определяются из статистики отказов аналогичного оборудования.

2. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования, представленные в диссертации, позволяют еде-' лать следукщие основные выводы и рекомендации:

1. Разработана концепция определения эффективности К5У с учетом взаимодействия элементов системы: ГЭУ-судно-окружающая среда. Она базируется на результатах идентификации условий функционирования, разработанных на основе многокритериального математического обеспечения методов решения задач оценки, выбора и сравнения определенного типа ГЭУ. Концепция может быть использована при оценке и сравнении ГЭУ с другими типами судовых энергетических установок.

2. Разработаны теоретические положения о процессах функционирования КУ как марковских (полумарковских) процессах, которые

в зависимости от поставленных в работе задач могут различаться пространством состояний (дискретное, непрерывное) и значениями аргумента (дискретные, непрерывные).

3. Обоснованы, развиты и исследованы с позиций системного подхода методы оценки случайных процессов и параметров в отдель-

ных элементах ГЭУ в условиях эксплуатации. Показано, что распределение модности ГЭУ должно описываться законом Вейбулла, а не нормальным законом. Значительная доля случайных пропоссов является стационарными и эргодическими. Установлено, что, как правило, стационарные случайные процессы в ГЭУ могут быть адекватно описаны автокорреляционными функциями экспоненшально-косинусного типа. Такая аппроксимация позволяет значительно упростить представление динамических характеристик при моделировании процесса функционирования ГЭУ.

4. Проведен статистический анализ эксплуатационных режимов ГЭУ постоянного, двойного рода (с управляемыми и неуправляемыми выпрямителями в главной цепи) и переменно-переменного тока (с непосредственным преобразователем частоты), то есть большинства ГЭУ судов России. Создан банк данных по эксплуатационным режимам, параметрам, и характеристикам ГЭУ. Доказано, что совокупность режимов ГЭУ можно представить однородными дискретно-непрерывными марковскими и полумарковскими процессами. Это позволяет создать основу для построения комплексных математических моделей функционирования ГЭУ.

5. Определены основные характеристики массо-габаритных и энергетических параметров главных электрических машин обычного и сверхпроводникового исполнения. Рассмотрены и выбраны базовые типы сверхпроводниковых электрических машин и средств криогенного обеспечения Для перспективных ГЭУ.

6. Определены типовые структуры гребних электрических установок на основе единого мощностного ряда электрических машин и первичных двигателей для судов современной и перспективной постройки. Предложены новые схемные решения для гребных электрических и комбинированных установок, оригинальность которых подт-

верждена авторскими свидетельствами.

7. На основе методов оценки сложных систем с помощью теории фуыкпии полезности разработана методика многокритериальной оценки эффективности ГЭУ. Использование функции полезности системы позволяет сочетать детерминированные и вероятностные характеристики основных элементов 1ЭУ и параметров внешних возмущений.

8. Разработаны математические,модели ГЭУ, позволившие: создать методологию исследования комплексов гдетерминирован-

ных и вероятностных характеристик ГЭУ с учетом взаимодействия их с внешней средой,

получить численные опенки статистических и динамических свойств исследованных типов ГЭУ,

получить математическое обеспечение в виде вычислительных процедур процесса функционирования ГЭУ.

9. С позиций системного подхода использован метод имитационного моделирования на ЭВМ для решения задач.оценки эффективности главных элементов ГЭУ, их энергетических, надежностных, экономических и экологических характеристик.

10. Созданы имитационные модели комплексной оценки процесса функционирования ГЭУ и системы ГЭУ - судно - окружающая среда:

имитационная модель оценки энерговыработки ГЭУ в эксплуатационных режимах4,

имитационная модель оценки возможного ущерба при эксплуатации ГЭУ, включая оценку надежности, эколого-экономический ущерб и ущерб от аварий',

имитационная модель сравнительной эффективности эксплуатации ГЭУ с учетом характеристики ходового, стояночного режимов работы установки, а также основные технико-экономические показатели работы судна в целом.

11. Достоверность методов -оценки эффективности ПЗУ и адекватность составляющих их имитационных моделей реальным процессам подтверждается:

использованием при анализе статистических данных основных математических характеристик законов: экспоненциального, нормального и Вейбулла;

применением для проверки достоверности общепринятых законов распределения базовых критериев, включая Пирсона, и ме-

тода наименьших квадратов, реализованных по стандартным программам на ЗШ;

получением данных по эксплуатации 1ЭУ судов различного назначения из судовых вахтенных журналов, рейсовых отчетов и технической документации;

использованием результатов расчетов вариантов ГЭУ в проектных и эксплуатационных организациях.

12. Рекомендации по возможному применению результатов исследований:

теория и методы оценки эффективности ГЭУ могут быть распространены для исследования других перспективных систем движения (МЩ-системы, термоэлектрические или термоэмиссионные генераторы, статические преобразователи электрической энергии) и сравнения их эффективности между собой для выбора рационального варианта установки;

предложенные методологии и имитационные модели могут быть основой для разработки комплексных оценок эффективности и компоновки судовых энергетических установок разных типов: дизельных, дизель-редукторных, газотурбинных и других;

предложенное представление изменения нагрузки автономных

электроэнергетических систем как марковских, так и полумарковских процессов может быть использовано при создании нагрузочных испытательных устройств для двигателей различных конструкций.

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в следующих работах.

1. A.c. F798525 (СССР). Способ испытаний параллельно работающих дизелъ-злектрических установок /ЛЬЩУ*, Романовский В.В., Хайкия А.Б., Шегалов ИД. М.»' 1980. ' '

2. Вожаков A.A., Норневская Р.Б., Романовский В.В. Исследования эксплуатационных режимов 1ЭУ методом пассивного экспери-мента//Изв.ЛЭТИ, 1980. Вып.269. С.82-98.

3. Лончински Г., Романовский В.В. Исследование вопросов надежности элементов судовой электроавтоматики по малым выборкам /

Совершенствование эксплуатации энергетических установок судов. ВРИА. М.: Морфлот, 1981. С.23-25.

4. Крылов А.П., Романовский В.В., РумянцевБ.С. Анализ эксплуатационных режимов работы РЭУ зверобойно-рыболовных судов/ Современное состояние и перспективы развития СЭУ. М.:' 1983.

С.102-105. -

5. Романовский В.В., Шегалов И. Л. Планирование технического обслуживания главных электрических машин ЮУ: Сб.НТО им.акад. А.Н.Крылова. 1983. Вып.371. С.38-42.

6. Иванов B.C., Романовский В.В., Якушин В.И. Расчетный метод настройки РЭУ//Судоремонт флота рыбной промышленности. Вып.53. Л..-Транспорт. 1983. С.18-24.

7. Романовский В.В. Оценка эффективности систем вентиляши главных электромашин ГЭУ//Мор.транспорт.Сер.Техн.экспл.флота. Экспресс-информация. М.:' Вып.22(5?0). С.1-4.

8. Романовский B.B. Анализ испытаний автоматизированной ГЭУ . зверобойно-рыболовных судов/Автоматизация энергетических установок. IL: В/0"Мортехинформреклама", 1983. С.21-25.

9. Вожаков A.A., Романовский В.В., Якушин В.И. Модель,функционирования ГЭУ ледоколов//Вопросы теории и эксплуатации судового ЭО. М.: В/О "Мортехипформреклама", 1984. G.35-37. .

10. Белинский О.И., Романовский В.В., Якубовский A.B. О прогнозировании количественных характеристик эксплуатационных параметров ГЗУ/Сб.Регистра СССР. Вып.14. Л.¡Транспорт, 1984.С.24-26.

11. A.c. M3377IG (СССР). Способ испытаний двигателя внутреннего сгорания/ЦВДЦИ; Иванов B.C., Левин М.И., Иегалов ИЛ., Петров A.C., Романовский В.В. ГЛ., 1987.

12. Болвашенков И.М., Романовский В.В. О выборе критериев эффективности ГЭУ судна ледового плавания. Рукопись деп.в В/О "Мортехинформреклама", 02.09.85, }Ь 486, ИФ-85 ДЕП.

13. Гипслис P.A., Макашов Э.В., Романовский В.В. Анализ эксплуатационных режимов работы ГЭУ с ЕЭЗС ледоколов типа "Капитан ИзмаЙлов'У/Техническая эксплуатация дизельных энергетических установок (ЦНШдФ). Л.: Транспорт, 1985. С.19-21.

14. Пруссаков A.B., Романовский В.В. Определение типов неисправностей электромашин для целей диагностирования//Рыбное хозяйство. Сер.Эксплуатация портов и флота рыбной промышленности. ГЛ., 1986. Вып.1. C.6-II.

15. Романовский В.В., Хайкин А.Б., Юшков H.H. Применение

СП электрических машин в ГЭУ транспортных судов//Морской транспорт. Сер.Техн.экспл.флота.Экспресс-информация.М.,1985. Вып. 18(614). С.7-9.

16. A.c. М208869 (СССР). Судовая энергетическая установка/

ЛВИМУ; Романовский В.В., Болвашенков И.М., Шегалов И.Л. М., 1985.

17. A.c. 1гй35873 (СССР)/ЛЕЖУ; Романовский В.В., Болвашенков K.M., Горчинский Ю.Н., Шегалов И.Л. 1,1., 1986.

18. A.c. М399874 (СССР). Электропривод гребного винта/ЛВИМУ; Романовский В.В., Иванов B.C., Быков A.C., Сюбаев М.А. 1.1.Д988.

19. Романовский В.В., Шегалов И.Л. Оценка эффективности работы систем управления судовыми энергетическими установками на имитационной модели//Технические средства и системы автоматического управления судовыми энергетическими и электроэнергетическими установками. М.: В/0"Мортехинформреклама", 1986. С.50-54.

20. Рассолов В.А., Романовский В.В. Модернизация гребной электроустановки ледокола "Мурманск"/Тохи.экспл.флота. М.:В/0 "Мортехинформреклама", 1986. Вып.18(614). 0.16-22.

21. Бабаев А.М., Романовский В.В., Ушаков В.М., Шеинцев Е.А. , Вопросы нагрузки электроэнергетических систем турбоэлектричвских ледоколов//Судовая электротехника и связь. Судостроительная промышленность. Л., 1987. Вып.1. С.24-26.

22. Болотский A.C., Либин Л.М., Макашов Э.В., Романовский В.В Единые электроэнергетические системы и отбор мощности на судах с электродвиненивм^/Научн.техн.сборник Регистра СССР. Л.; Транспорт. Вып.16. С.24-26.

23. Пруссаков A.B., Романовский В.В. Диагностирование судовых электрических машин робастными методами по комплексу параметров/ Повышение эффективности и надежности ЭУ и их парамзтров. М.;Б/0 "Мортехинформреклама". С.11-13.

24..Болвашенков Й.М., Романовский В.В., Шегалов И.Л. Опенка эффективности энергетических установок СЛП с целью оптимизации их параметров/УПовншение эффективности и надежности энергетичес-

- 51 -

ких установок. М., 1987. С.59-64.

25. Аронов О.Н., Романовский В.В. Модернизация ГЭУ БЫРТ типа "Алтай "//Рыбное хозяйство. Сар.Техническая эксплуатапия портов и флота рыб.пром. М., 1988. С.10-12.

26. Болвашенков И.М., Романовский В.В., Шегалов И.Л. Автоматизация выбора энергетической установки судна ледового плавания на ЭЦВМ//Автоматизапия энергетических'установок и систем судов. ЛБИМУ. М.', 1988. С.93-97.

27. Болвашенков И.М., Романовский В.В., Шегалов ИД. Методика оценки эффективности ГЭУ судов ледового плавания//Судострое-ние, 1989, М. С.24-25.

28. Панов В.А., Романовский В.В., Корди С.А. Эксплуатация гребных электроустановок. М.: Транспорт, 1988. 176 с.

29. Болвашенков И.М., Романовский В.В., Шегалов И.Л. Пути повышения экономичности ЭУ судов ледового плавания//Повшеяке топливо-использования в судовых энергетических установках. М., Б/О "Мортехшформреклама", 1989. С.16-19.

30. Романовский В.В. Эксплуатация гребной электроустановки с ЦШ типа "Селма-2"//Морской транспорт. Сер.Техническая эксплуатация флота.Экспресс-информация. 1990. С.12-17.

31. Марцынковский O.A., Романовский В.В., Шегалов И.Л. Перспективы применения сверхпроводниковых систем электродвижения на транспортных и ледокольно-транспортных судахуУМорской транспорт. Сер.Техническая эксплуатация флота.Экспресс-информация. М., 1990. Вып.21(737). С.3-5.

32. Марцынковский O.A., Романовский В.В., Росляков P.O. Определение рациональной программы технического обслуживания токо-съемного узла криогенного униполярного гребного даигателя//Морс-

кой транспорт. Сер.Техническая эксплуатация флота. Экспресс-информация. М., 1991. Вып.16(756). С.7-9.

33. Барбашев Э.В., Круглин В.К., Романовский В.В., Рубинра-ут A.M. Новый тип энергетической установки. М.: Морской флот. 1991. ЯЗ. С.14-15.

34. A.c. №1772051 (СССР). Электрический привод соосных гребных винтов/IMA. Марцынковский O.A., Романовский В.В., Новицкий В.Г., Шахтарин В.Н., Ильюхин В.Ф. М., 1992.

35. Иванов B.C., Лочински Г., Романовский В.В. Эффективность использования силовой преобразовательной техники на судах и предприятиях Польши //Совершенствование СЭУ и систем судов. М., В/О "Мортехинформреклама", 1991. С.16-19.

. 36. Богословский А,Л., Романовский В.В., Иванов П.Н. Динамические режимы ГЭУ судна "Академик Федоров"//Динамика судовых энергетических установок и их систем. М.: В/О "Мортехинформрек-лама", 1991. С.76-79.

37. Богословский А.Л., Либин Л.М., Романовский В.В., Шняк

Б.В. Повышение эффективности защиты полупроводниковых преобразователей ГЭУ//Ыорской транспорт. Сер.Техническая эксплуатация флота. Экспресс-инс|гормапия. М., 1992. Вып.14(778). C.II-I3.

38. Рассолов В.А., Романовский В.В. Современные тенденции выбора типа судовой энергетической установки//Морской транспорт. Сер.Техническая эксплуатация флота. Экспресс-информация. 1992. Вып.22(786). С.1-6.

39. Марцынковский O.A., Романовский В.В., Росляков P.O. Определение периода обслуживания СЭО по эксплуатационным опенкам// Морской транспорт. Сер.Техническая эксплуатация флота. Экспресс-информация. 1993. Вып.8(797). С.7-9.

40. Гларцынковский O.A., Новицкий В.Г., Романовский В.В. Системы электродвижения с униполярными криодвигателями на транспортных судах. Электрические машины (развитие, совершенствование исследований и расчетов). С Пб.: ВНИИ Электромаш, 1992.С.10-13.

41. Емельянов П.С., Романовский В.В., Шегалов И.Л. Вероятностные процессы в судовых энергетических установках. М.: Транспорт, 1993. 204 с.

42. Романовский В.В. Вы5ор основных параметров главных электрических машин для гребни электроустановок //Морской транспорт. Сер.Техническая эксплуатация флота. Экспресс-информация. М.: 1994. Вып.12(624). С.21-24.

43. Малышев В.А., Романовский В.В. Особенности эксплуатации гребной установки атомного ледокола "Таймыр"/Судостроение,1995. № 11-12. С.41-42.

44. Котриков К.П., Романовский В.В. Судовые электрические машины. Учеб.для вузов. М.: Транспорт, 1995. 272 с.

45. Баранов А.II., Романовский В.В. Основные тенденции выбора эффективного типа гребной электрической установки//Морской транспорт. Сер. Техническая эксплуатапия флота. Экспресс-информация. 1996. Вып. 12(856). С.1-3.

46. Романовский В.В., Либин Л.М., Марцынковский O.A. Перспективы развития сверхпроводниковых систем электродвижения на базе оценки параметров 1ЭУ /Судостроение. 1997. И. С.26-28.

п

91, f

Щлу*

¿■Я / *-'

X./ »

ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ жшнш адмирала С.О.Макарова

На правах рукописи

РОМАНОВСКИЙ ВИКТОР ВИКТОРОВИЧ

Теория и методы опенки эффективности гребных электрических установок

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы

и системы, включая их управление и регулирование

Диссертация

на соиекание ученой стежени доктора технических наук

Научные консультанты:

засл.деятель науки и техники РФ» доктор техн.наук» профессор А.П.Баранов,

доктор технических наук А.М.Рубинраут

Санкт-Петербург 1996

—я -

ОГЛАВЛЕНИЕ

ввщщив .........................Ц

Глава I. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕРОЯТНОСТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ГЭУ {Г

1.1. Законы распределения эксплуатационных параметроб

ГЭУ......................¿Г

1/2. Идентификация режимов работы ГЭУ в эксплуатационных режимах ...................

1.3. Определение вероятностных характеристик ГЭУ в

динамических режимах. . ............. 33

Выводы к главе I...................Щ

Глава 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МШГОРЕЖИдЮСШ ГЭУ В

УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ..............

2.1. Определение основных закономерностей процесса изменения структуры ГЭУ.............

2.2. Процесс функционирования ГЗУ как полумарковский процесс * ........ . ............п

2.3. Метод имитационного моделирования эксплуатационных режимов ГЭУ.................

Выводы к главе 2.... ........

Глава 3. СРАВНЕНИЕ И ВЫБОР ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТИПОВ ГЛАВНЫХ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ДЛЯ ГЭУ...........#

3.1. Выбор основных параметров главных электрических машин для ГЭУ..................$

3.2. Оценка параметров сверхпроводниковых электрических машин для ГЭУ ...... .......... %

3.3. Оценка эффективности систем криогенного обеспечения сверхпроводниковых электрических машин. . . . 1%Н

Выводы к главе 3 .... ..............»

Глава 4. ВЫБОР КРИТЕРИЕВ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЭУ.......

4.1. Методы опенки эффективности 1БУ ......... НО

4.2. Разработка предложений по проектированию сверхпроводниковых ГЭУ ................

4.3. Сравнительный анализ вариантов современных и перспективных РЭУ ..... ...... ....

Вывода к главе 4...................

Глава 5. ИМИТАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ СРАВНИЖЕЬШЙ ОЦЕНКИ

ЭФФЕКТИВНОСТИ Ш .......................{М

5.1. йштапионные модели опенки энергетических характеристик РЭУ . ............. . .

5.2. Йштапионные модели опенки ущербов при сравнении эффективности ГЗУ...............

5.3. Исследование эффективности эксплуатации судов ледового плавания с различными судовыми энергетическими установками ......... .

5.4. Прогнозирование эффективности эксплуатации ГЭУ.

Выводы к главе 5 .................. .

ЗАМКЯШИЕ................................«Ш

ЛИТЕРАТУРА .............................Ж?

ПРИЛОЖЕНИЯ .......................

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших задач развития и повышения эффективности морского транспорта является улучшение качества эксплуатации судовой техники, в том числе судового энергетического и электрооборудования, Развитие мирового и отечественного флота в настоящее время идет по пути специализации судов, их приспособления к перевозке разнообразных грузов, сокращения стояночного времени, уменьшения штата команды и в конечном счете - снижения эксплуатационных расходов. Значительная роль в этом отведена судовым энергетическим установкам (СЗУ), поскольку их надежность и экономичность определяют расходы на топливо, техническое обслуживание, ремонт и запасные части. Решение этих вопросов тесно связано с изысканием ноекх методов и средств исследований СЭУ в эксплуатационных условиях, с развитием методов математического моделирования и интенсивного привлечения современной вычислительной техники. Широкое использование вероятностных концепций в науке и технике позволяет по новому подойти к анализу динамики и статики главных элементов СЭУ в эксплуатации. Вместе с тем, развитие вероятностных концепций для исследования главных элементов энергетических установок не отвергает накопленный опыт выбора типа СЭУ и их элементов. Вероятностные методы должны дополнять традиционные - детерминистские и умело с ними сочетаться в практике проведения научных работ.

Выбор типа СЭУ определяется целым рядом основных Факторов! уровнем развития энергетики, в том числе судовой и автономной; типами судов, которые зависят от объемов и структуры перевозок; состоянием мирового топливного баланса, включая пены на топливо. Для большинства судов основным типом СЭУ является дизельная установка с прямой передачей мощности на винт.

Вместе с тем отечественный морской флот обладает достаточным опытом эксплуатации судов с гребными электрическими установками (ГЭУ), где первичными двигателями являются как дизель-генераторы, так и турбогенераторы. Это прежде всего суда ледового плавания (СЛП), паромы, ледоколы, а также суда, где потребление электроэнергии на собственные или технологические нужды судна соизмеримо с мощностью, отдаваемой на движение. Такими судами являются транспортные ж производственные рефрижераторы, большие морозильные траулеры, суяа-кабелеукладчики, землечерпалки и др. В настоящее время для пассажирских судов в мирово! практике также принята либо дизель-электрическая, либо дизеяь-редукторная установка (ДРУ). Наиболее экономичными и перспективными являются схемы ГЭУ с едиными электроэнергетическими системами (ЕЭЭС). ГЭУ помимо высоких экономических показателей имеют хорошие массогабаритные показатели и их маневренные качества позволяют использовать нереверсивные первичные двигатели, снизить вибрапию и шумность СЭУ, уменьшить выброс вредных отработанных газов в атмосферу. Вместе с тем, ГЭУ обладают и определенными недостатками: меньшим КПД передачи за счет двойного преобразования энергии и более высокой построечной стоимостью.

Первые гребные электроустановки работали по системе генератор-двигатель, причем с машинами постоянного или переменного тока. В связи с тем, что регулирование частоты вращения вала гребного электродвигателя (ГЭД) переменного тока требовало и изменения ее у первичного двигателя, это существенно усложняло систему управления и увеличивало размеры всей энергетической установки. Поэтому основное развитие в 50-60-х годах получили установки постоянного тока, строительство которых продолжалось до недавнего времени. ГЭУ постоянного тока (ГЭУ ПТ) имеют наибольшее распространение

по настоящее время на ледоколах России, Финляндии» Канады, Аргентины и США., а также на рыболовных рефрижераторных судах и ледокольных паромах. Отрешение главным образом к уменьшению объема технического обслуживания ГЭУ ПТ из-за наличия коллекторно-щеточного аппарата и развитие силовой преобразовательной техники позволили создать ГЭУ двойного рода (переменно-постоянного) тока по системе синхронный генератор - неуправляемый выпрямитель - двигатель постоянного тока, что было реализовано на ледоколах типа "Арктика" и "Капитан Сорокин", построенных в России и Финляндии. Одновременно на судах, где требовалась значительная мощность на производственные нужды, была использована ГЭУ переменного тока по системе генератор-двигатель, скорость хода на этих судах изменялась с помощью винта регулируемого шага (ВРШ), что позволило реализовать принпип единой электроэнергетической системы с достаточно высоким КЦД в хтелом за счет ввода и вывода из системы главных генераторов энергетической установки. Такие ГЭУ имеют отечественные суда типа "Алтай" и типа "Наталия Ковшова" построенные во Франции» Опыт эксплуатации ГЭУ как постоянного (неизменного) тока, так и ГЭУ переменного тока с ВРШ привел к новой концепции ГЭУ, где в зависимости от требований заказчика от ЕЭЭС переменного тока (возможно высоковольтной) для движения судна используется или ГЭД постоянного тока через управляемые (мощные тиристоры) выпрямителя, или ГЭД переменного тока (асинхронный или синхронный) через преобразователи частоты (непосредственные или со звеном постоянного тока). На современном этапе перспективной представляется ГЭУ переменно-переменного тока с синхронным двигателем и непосредственным преобразователем частоты (НИ), реализованная на а/л "Таймыр" и финских ледоколах типа "Сису", а также установленная на пассажирских судах "Фантази"; все эти установки

изготовлены в Финляндии. Также конкурентыоспособными являются ГЭУ двойного рода тока с управляемыми выпрямителями в главной цепи, установленная на отечественных паромах типа "Вохилайд", а также на портовых ледоколах типа "Капитан Измайлов" и научно-экспедиционном судне "Академик Федоров", построенных в Финляндии.

Развитие электроэнергетики» в частности ГЭУ» связано с использованием малогабаритных легких и мощных электрических машин. Наиболее перспективными из них являются сверхпроводниковые электрические машины (СПЭМ). Решение большинства научных и технических проблем по созданию сверхпроводниковых машин постоянного и переменного тока, а также опытное использование ГЭУ с униполярными машинами на судах (СМ) показали перспективность их применения .зля электродвижения. В результате работ, проводимых в Росши» США, Великобритании, Франпии, Японии, разработаны и созданы опытные образны СПЭМ, превосходящие по удельным показателям обычные электрические машины в 2,5 - 3,0 раза. Ведущая роль в создании СПЭМ в СССР и Российской Федерации принадлежит ВНЙИЗМ (г.Москва), ВНИИ электромаш и объединению "Электросила" (г.С.-Петербург). Однако применение СПЭМ в ГЭУ имеет ряд особенностей, обусловленных как требованиями к СПГЗУ, так и отличием параметров и характеристик СПЭМ от обычных машин.

Таким образом, анализ и сравнение эффективности современных и перспективных ГЭУ с нелью выбора рационального варианта представляется актуальным.

Диссертация посвящена проблеме выбора, проектирования и эксплуатации гребных установок современными и перспективными электрическими машинами.

Под эффективностью ГЭУ подразумевается совокупность свойств, определяющих степень ее приспособленности к выполнению постав-

ленных задач с учетом внешних воздействий» вложенных в нее при создании средств и эксплуатационных расходов.

Научная новизна исследуемой проблемы вытекает из существующего уровня теории и практики расчета» проектирования ж эксплуатации ГЭУ, не учитывающих вероятностные процессы при решении следующих задач:

- определения возмущающих воздействий и изменения структуры ГЭУ в условиях эксплуатации;

- выбора состава и опенки эксплуатационных характеристик основных элементов и всего комплекса ГЭУ;

- разработки методов опенки эффективности использования современных и перспективных ГЭУ в условиях эксплуатации.

Вопросы определения возмущающих воздействий и изменения мощности ГЭУ освещались в работах: Хайкша A.B. [138]» Смирнова В.В. [122],

Захарова Ю. П. [57], Ягодкина В.Я. [15С]. Однако в основных работах по электродвижению судов эта проблема решалась детерминированными методам®, не позволяющими учесть весь вероятностный спектр возмущающих воздействий в эксплуатации. В работах Быкова A.C. £28], Сюбаева М.А. £l5I~] бьши учтены режимы работы ГЭУ на волнении и во льдах с целью стабилизации их параметров. Задача комплексной опенки эксплуатационных параметров и воздействий пока не получила полного развития. Изучение статистических характеристик эксплуатационных параметров и изменение структуры и мощности ГЭУ» использование методов имитационного моделирования в получении вероятностных моделей, прone,дур и алгоритмов позволяет решить задачу описания <£ункшониравания ГЭУ как сложной системы на базе математического аппарата марковских и полумарковских процессов. Для получения статистических характеристик был собран и накоплен банк данных по эксплуатационным режимам и технической

эксплуаташш ГЭУ; транспортных рефрижераторов типа "Сибирь", зверобойно-промысловых судов типа "Зверобой", производственных рефрижераторов типа "Таврия", СЛП типа "Амгуэма", ледоколов типа "Мурманск", "Капитан Измайлов", атомных ледоколов типа "Арктика'/ "Таймыр", научно-экспедипионного судна "/академик Федоров", то есть большинства судов с этим видом установок, а также СЛП с дизель-редукторнок установкой типа "Норильск" и дизельной установкой типа "Александр Невский". Материалы исследований опубликованы в открытой печати [35, 120, 109, 105, 83, II, 20, 96}. Разработка этих вопросов являлась базой для определения рациональных структур ГЭУ. Математическое представление возмущающих воздействий на. ГЭУ и первичные двигатели подтверждено авторскими свидетельствами^, з]. Выбор состава электрооборудования и определение основных параметров для ГЭУ постоянного и двойного рода тока с неуправляемыми выпрямителями широко представлены в работах Полонского В.И. [I0Ö], Хайкина А.Б. [139], Кузнецова H.A. jT92j» Родштекна I.A. [45], Куропаткина П.В. [[133], Горбунова Б.А. [[44], Тимофеева ¡O.K., Баранова Л.И. £13]. Для ГЭУ двойного рода тока с управляемыми выпрямителями и переменно-переме нно г о тока этой проблеме посвящены работы Козярука A.B. [ 70], вейнгера A.M. j]3lj, Эттингера Е.Л. [12?], Фияся И.П. [136]. Для перспективных ГЭУ эти проблемы решались в работах Полонского В.И., Хайкина А.Б. LI0I], Баранова А.П. [_12], Косышна Ю.П., Рубинраута A.M. [?J} Шереметьевского H.H. [?4J, Данилевича Я.Б»['134], Новипкого В.Г. [82]. Однако выбор состава современного и перспективного оборудования определялся по детерминированным характеристикам, исходя из конкретных возможностей организаций проектантов и заказчиков. Таким образом, не была решена полностью комплексная проблема определения и сопоставления эксплуатапионньгх характеристик современ-

ных и перспективных электрических машин для выбранных перспективных структур ГЭУ.

На основе анализа состояния и развития флота, мощности и энерговооруженности создан единый мощностной ряд основного электрооборудования ГЭУ, который позволил бы создавать установки разной мощности для разного типа судов. Определены и сопоставлены основные характеристики электрических машин традиционного исполнения .для современных ГЭУ. Важной проблемой является исследование эффективности использования перспективных СПЭМ различных модификаций униполярных и синхронных машин в выбранных конструкциях опытно-промышленного исполнения» разработанных специалистами ВНИЙЭМ и ВНЙЙЭлектромаш» причем при выборе перспективных конструкций учитывались эксплуатационные параметры ГЭУ, полученные в результате современных научно-исследовательских работ. Таким образом» на основе базовых конструкций СПЭМ получены и сопоставлены основные характеристики сравнения их электрических параметров для разработанного мощностного ряда ГЗУ, при этом определены приоритетные направления использования синхронных и униполярных машин. Определение основных энергетических, массогабаритных, надежностных характеристик главных электрических машин и преобразователей ГЭУ позволило определить основные структурные схемы, включающие в себя современные и перспективные элементы установок. При этом предусматривался отбор мощности от схем электродвижения. Получены авторские свидетельства на некоторые схемы гребных установок О 4, 5, б\ .

Традиционная опенка эффективности морских транспортных средств базируется на методах экономического обоснования оптимальных технических средств и технологий, а также на методах определения экономической эффективности внедрения новой техники, изобретении

и. рационализаторских предложений, изложенных в работах Корякина С.Ф., Пантина A.A. jj7lJ , Краева В.И. ]j73] , ЧеркесОЕа-Цыбизова A.A. £l45] , Грузинова В.П. £[4б] , Немчикова В.И. и других. Эффективность использования СЭУ ж судовых технических комплексов рассмотрена в работах Дранипына С.Н. j&fj , Овсянникова M.K.Jsfj, Камкина C.B. £_6з] , Капмана Ф.М. |j>6 , Левина Б.М. и Курзо-на А.Г. [^78] . Анализ эффективности использования судовых элект-ростанпий рассмотрен в работах Супруна Г.ф. j~I3o] , Рябинина И.А. jj5(f| , Панова В.A. [W] , Киреева Ю.Н., Недялкова К.В. и других. Вопросы эффективности использования ГЭУ ре осматривались в работах Хайкина А.Б. [j 3?] , Фияся И. П., Рассказ ова Б.Н. jjEQÎ] .для отдельных проектов ГЭУ.

Накопленный банк данных по эксплуатапии ГЭУ позволил разработать метод комплексной опенки эффективности ГЭУ, создать единую методику сравнения разных систем электродвижения судов различного назначения с учетом разной мощности, условий плавания, эксплуатационных режимов и основных элементов ГЭУ. Основываясь на имеющихся методах опенки эффективности морских транспортных средств, предлагаемый метод использует развиваемые в настоящее время вероятностные концепции при разной степени неопределенности, позволяющие обеспечить научяо-обоснованную точность и скорость проведения эксперимента, учесть случайный характер внутренних и внешних возмущений в эксплуатации, сократить скроки проектирования, оценить настройку главных элементов ГЭУ на требуемый режим в эксплуатапии.

Научная и практическая ценность работы заключается в том, что выполненные исследования обобщили о