Программы управления и защиты судовой дизельной установки

 

Режимы работы ГД характеризуются совокупностью многих параметров.

Для обеспечения экономной работы как ГД, так и СЭУ в целом, с учетом естественных ограничений, к системам управления предъявляются определенные требования, что делает их весьма сложными и разнообразными.

Под программой управления понимается закон изменения управляемой величины, обеспечивающей реализацию целей управления. Процесс управления СЭУ состоит из определенных операций по обеспечению или изменению работы систем и механизмов в соответствии с программой управления. Последовательность выполнения операций должна точно соответствовать программе, независимо от способа управления — ручного или автоматического. Поэтому важное значение имеет правильное описание (алгоритм) процессов управления.

Различают следующие виды программ управления ГД:

- временные y = f (t), обеспечивающие требуемое изменение какого-либо параметра во времени;

- параметрические y = f (x ₁, х₂,... х _n), обеспечивающие требуемое изменение параметров в функции других (одного или нескольких), которые в свою очередь могут зависеть от времени;

-  ограничительные у = f(t) ≤ у_max или у = f(t) ≥ у _min, задаваемые зависимостью одного или нескольких параметров от времени или от значений других, и которые в процессе управления не должны выходить за допустимые пределы.

Программа управления ГД должна обеспечивать необходимые навигационные характеристики судна без опасных механических и тепловых нагрузок ГД, т.е. оптимизировать работу судна при ограничениях со стороны СЭУ, обусловленных как дизелем, так и влиянием на его работу внешних факторов (ветер, волнение, лед и т. п.).

Определение предельных механических нагрузок и напряжений не представляет трудностей, эти значения учитываются в программе управления. Значительно сложнее определить тепловую напряженность ГД. Температурные напряжения часто оказываются причиной преждевременных отказов. Эффективный момент M_е, развиваемый дизелем, зависит от подачи топлива и теплового состояния дизеля — изменения во времени температур элементов дизеля, температурных напряжений и деформаций, что также увеличивает возможность появления дополнительных механических напряжений. Для того чтобы избежать таких нежелательных последствий, разрабатывают временные программы разгона (нагрузки) ГД, работающих на гребной винт, различные для МОД и СОД. Малооборотные двигатели обладают значительной металлоемкостью по сравнению со среднеоборотными, поэтому требуется более длительное прогревание их до вывода на номинальную нагрузку.

Одной из основных функций системы ДАУ ГД с малооборотным двигателем является выполнение трех временных программ задания скоростного режима (нагрузки дизеля): нормальной, замедленной и аварийной. На рисунке 4.2 показан характер этих программ, которые для разных типов ДАУ ГД отличаются друг от друга временем достижения а>„.

Временной программой (программой нагрузки дизеля) называется последовательность операций, выполняемых с некоторой скоростью при определенной длительности и через установленные интервалы времени. В большинстве эксплуатируемых систем ДАУ ГД предусматривается только программный разгон двигателя. Снижение частоты вращения производится, как правило, с максимальной скоростью, часто в следящем режиме.

Весь диапазон разгона вала ГД может быть разделен на три зоны управления (рисунок 4.2), причем время t ₂, t ₃ и время достижения  для разных судов и ГД различны даже для одной серии и часто определяются на ходовых испытаниях. Это время регулируемое и во многом зависит от опыта эксплуатации СЭУ, ее состояния, обеспечения надежности СЭУ и безопасности мореплавания. Границы зон соответствуют 0,3  и 0,7  в среднем.

Зона I — от 0 до (0,25—0,4)  — зона пуска, включающая в себя раскручивание вала дизеля на воздухе до минимально-устойчивой частоты вращения , которую он способен поддерживать при постоянном положении органа топливоподачи или при управлении от регулятора. Частота вращения  определяет нижнюю границу эксплуатационных режимов и является основным показателем режима самого малого хода судна. В соответствии с требованиями Регистра для ГД, работающих прямо на винт,  не должна превышать 0,3 . В малооборотных двигателях обычно действительные значения  = (0,2 ÷0,25)  и даже 0,15  для некоторых типов дизелей; время t ₁  регулируется и может составлять 4—10 с.

Зона II — от (0,25—0,4)  до (0,6—0,8)  — зона маневрирования, быстрого разгона ГД, одной программы для всех режимов; время от t ₁ до t ₂ составляет 20—60 с.

Зона III — от (0,6—0,8)  до  — зона регулируемого разгона по программам.

Аварийная программа осуществляется путем сохранения на этом участке той скорости нарастания частоты вращения, что и в зоне II. Длительность зоны от t ₂ до t ₃ составляет 30—60 с. Полное время выполнения программы от  до  примерно 1—2 мин, но может быть и меньше — до 40 с. При нормальной программе скорость нарастания частоты вращения уменьшается. Длительность программы от t ₂ до t ₃ составляет 2—13 мин, иногда до 20 мин. Полное время программы от  до  примерно (15—20) мин. В замедленной программе вводятся временные паузы t _П, длительность которых и время работы t_p регулируются. Как правило, скорость нарастания частоты вращения за время работы такая же, как и при нормальной программе. Общее время t ₅ выполнения программы 1—2 ч. На некоторых судах программа может включаться после зоны I, и время t ₆ прогрева доходит до 4 ч.

Многообразие программ и различная длительность зон объясняются отсутствием достаточно обоснованных данных по времени разогрева и охлаждения ГД, разнообразием типов дизелей, особенностями их пускореверсивных систем на судах.

В оптимальных системах управления при значениях показателей теплонапряженности дизелей меньше граничных (в зоне маневрирования) управление может осуществляться и режиме слежения. Переключение с режима слежения на режим программного управления должно осуществляться автоматически при выходе на ограничительную характеристику, определяемую граничными значениями показателей теплонапряженности ГД.

На рисунке 4.2 показаны также возможные программы снижения нагрузки ГД: либо за 10-15 с в следящем режиме t ₇, либо замедленное снижение до 0,6—0,8  в течение t ₈ = 1-2 ч или t ₉= 2-4 ч.

Дизель как объект управления является многопараметрическим объектом, весьма чувствительным к выходу параметров за допустимые и тем более предельные значения, поэтому к точности и надежности систем управления и регулирования дизеля предъявляются высокие требования и предусматриваются различные виды защит.

Различают два основных вида автоматической защиты ГД: группа I — на остановку и группа II — на снижение мощности дизеля.

Защита на остановку ГД предусматривается в следующих случаях:

- при падении давления воды охлаждения на входе цилиндров и поршней ГД;

- при падении давления масла на входе ГД, ГТН, главного и рамового подшипника, зубчатой передачи валогенератора;

- при падении давления масла и управляющего воздуха в системе управления ГД;

- при концентрации масляного тумана в картере дизеля;

- при превышении допустимой максимальной частоты вращения ГД.

Дальнейшая работа ГД возможна только при повторных пусках и из положения МТ в позиции «Стоп».

Ограничение нагрузки и снижение частоты вращения до минимально устойчивого значения осуществляется, как правило, в тех случаях, когда некоторые параметры выходят за допустимые пределы или нарушен режим работы, а именно:

- температура масла на входе в ГД, упорного подшипника, охлаждающей воды на выходе цилиндров и поршней;

- температура воздуха наддува в ресивере, выпускных газов на входе ГТН;

- давление масла на входе в крейцкопф подшипника;

- давление пружин выпускных клапанов;

- нарушение потока цилиндрового масла лубрикаторов;

- срыв потока воды охлаждения поршней цилиндров;

- снижение давления воды охлаждения, форсунок на входе;

- разрыв топливопровода высокого давления;

- повышение вязкости топлива;

- неисправность рулевой машины.

После восстановления параметров частота вращения возрастает до установленного значения на МТ на мостике.

Все защиты как на остановку, так и на снижение мощности срабатывают с устанавливаемой выдержкой от 0 до 60 с.

По согласованию с судовладельцем и классификационными обществами виды защит по группам I и II могут быть изменены, некоторые из группы I переведены в группу II и наоборот, некоторые вообще исключены или добавлены другие.

Вопросы для самопроверки:

 

1. Что понимают под программой управления и защиты судовой

дизельной установки?

1. Назовите существующие виды программ управления ГД.
2. Одной из основных функций системы ДАУ ГД с малооборотным двигателем является выполнение трех временных программ задания скоростного режима, назовите их.
3. Какие два основных вида автоматической защиты предусмотрены?

              ГЛАВА 5 СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО     

         УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВ  С ВИНТОМ РЕГУЛИРУЕМОГО ШАГА