ELEKTROWNIA OKRĘTOWA

Ukł. elektrowni okrętowych - Współcześnie na statkach stos. się inst. elektr. prądu przemiennego trójfaz. o na pięciu 380 lub 440V (dla oświetlenia 220V) i częstotl. 50 lub 60 Hz.

Zalety prądu przemiennego: możliwość stos. prostych, niezawodnych, lże jszych i tańszych siln. asyn chronicznych z wirnikami klatkowymi; mniejszy ciężar kabli (ok. 40%).

Wady prądu przemiennego: trudniejsza reg. prędk. obr. siln. elektr. Inst. prądu stałego wyst obe cnie na małych jedn. i w napędach niektórych urz., jak np. wciągarki trałowe na statkach rybackich. Uwagi te nie dot. ist. elektr. napędu gł., których charakterystyki dobierane są jednostkowo, w zależności od potrzeb i specyfiki statku.

3 rozw. napędu prądnic wytw. energię elektryczną stos. w elektr. okr.:

1) Prądnice napędzane oddzielnymi silnikami spalinowymi (pomocniczymi), tw. razem palinowe zespoły prądotwórcze (agregaty prądotwórcze),

2) prądnice napędzane parowymi turb. pomoc. (turboprądnice),

3) prądnice wałowe lub zawieszone, napędzane od gł. ukł. napędowego.

Prądnice okrętowe.

• Niezależne zespoły prądotwórcze

• Zalety:

• Elastyczność pracy (zazwyczaj 2-6 agregatów)

• Gotowość do działania

• Niezawodność działania

• Wady

• Ciężar i objętość (oddzielne instalacje obsługujące, zajmowane miejsce)

• Duże koszty eksploatacyjne (koszt paliwa lekkiego, koszt obsług)

• Drgania i hałas.

Prądnice wałowe.

• Zalety:

• Niskie koszty wytwarzania energii elektrycznej.

• Możliwość „odstawienia” niezależnych zespołów prądotwórczych

• Zmniejszenie hałasu i drgań

• możliwość „dociążenia” silnika głównego

• Wady:

• konieczność stosowania układów regulacji napięcia (częstotliwości)

• praca prądnicy tylko w czasie pracy układu napędowego.

Turboprądnice zasilane parą z kotłów utylizacyjnych

Ad.1. Rozw. z oddzielnymi zesp. Prądotwórczymi - stos na st. towarowych napędzanych wolnoobr. siln. spalinowym. Il. zesp prądotwórczych może być różna i wynosi 2-6, (najcz. spotyka się sił. z 3/4 zesp.) Moce zesp. prądotwórczych mogą być sobie równe lub różne, celem lepszego dostos. do aktualnego zapotrzeb. en. elektrycznej. Regułą jest jednak stos siln. o jednakowych ukł cylindrowych, przy czym sa to najcz. doład. siln. czeterosuwowe o prędk obr. 500- 1800 obr/min. Zaletą jest możliwość szyb kiego uzyskania żądanej mocy elektr., niezależnie od stanu eksploatacji statku; możliwość pro wadzenia prac remontowych zesp. prądotwórczych przy wył. z pracy kolejnego zesp. Wady: wys. koszty eksploatacyjne; wys. koszty wytw. en. elektr. powodowane oko lcznością, iż stos. obecnie siln. pomoc. spalają drogie paliwa lekkie; duże koszty inwestycyjne, spowod. inst. oddzielnych zesp. o częściowo oddzielnych inst. obslugujących; duża il. zajmowanego miejsca; znaczne drgania i hałasy wyw. przez szybkoobr. siln. spalinowe.

Ukł. elektr okr. z oddzielnymi zesp. prądotwórczymi i zesp. awaryjnym na rysunku. Na większości statków prze pisy instytucji klas. wymagają stos. zesp. awaryjnych -prądnicy z niezależnym napędem za pomocą siln. spalin. Moc zasp. powinna pokrywać zapotrzebowanie na en. elektr., jakie może wyst. podczas awarii statku. W niektórych rozw. stos. się zesp. portowy- o mocy zapewniającej pokrycie zmniejszonego zapotrzebowania na en. elektr., wyst. podczas postoju statku w porcie.

Ad. 2 Prądnice napędzane parowymi turb. pomoc. wyst. na statkach motorowych. Ciepło spalin silnika zost. wyk. w kotłach utylizacyjnych, a para prod przez kotły służy do zasilania turb

Ponieważ nie ma jednozna cznej relacji między mocą siln. gl., a konieczną mocą elektr., więc możliwości pokrycia tą drogą zapotrzebowania na en. elektr. są różne dla różnych typów statków, stref klimatycznych itd. Przy dużych mocach siln. gl. nadwyżka mocy turb. może być wyk. do napędu śruby. Zaleta: kożyści en., (wytw. en. elektr. tą drogą nie wym. dodatkowego spalania paliwa). Wada: en. elektr. może być wytw. tylko podczas pracy siln. gł. i to pracującego z obciążeniem nie niższym niż pewna wart. graniczna, określona najmniejszą wystarczająca il. ciepła odprow. ze spalinami. Ponieważ zazwyczaj kotly utylizacyjne współpracują z kotłami pomoc. opalanymi paliwem, istnieje możliwość pracy turboprądnicy napędzanej parą prod. przez te kotły. Spos. ten jest wysoce nieekonom. (sprawn. obiegu kocioł pomoc.-turb. pomoc. jest stos. niska w wyniku niskich porametrów obiegu i niskiej sprawn. prostej turb. pomoc.) Podczas postoju działa oddzielny zesp. prądotwórczy.

Ad. 3 Prądnice napędzane od gł. ukł. napędowego (wałowe lub zawieszone)

Rozw. to wyst. w wielu wariantach w zależności od typu gł ukł nap. (bezpośr. lub przekładniowego), wlk i liczby siln gł.; liczby prądnic i in. Zalety tego ukł: niższe, w porównaniu z oddzielnymi zesp. prądotwórczymi, koszty wytw. en. elektr. spowod. tym, że wspołczesne gł. siln. spal. spalają tań sze paliwa ciężkie i pracują z wyższą sprawn., niż szybkoobr. siln. pomoc.; możliwość odstawienia siln. po moc. w czasie podróży w morzu, co powod. zmiejszenie ich zużycia i zmiejsza koszty remontów; zdolność pokrycia zopotrzeb. na en. od napędu śruby i en. elektr. jednym źródłem en- siln. gł. (powst. możliwość zmiejszenia łącznej mocy zainst. na statku siln. spal.) Możliwość taka wyst. na statkach charakt. się zróżnicowanymi stanami obciążeń siln. gł. podczas typowych stanów eksploatacji (rybackie, pogłębiar­ki), zwłaszcze w sytuacjachm, gdy stany wymag. największego zapotrzebowania na moc do napędu śruby i moc elektr. są przesunięte względem siebie w czasie.; duża dyspozycyjność mocy; zmniejszenie ha łasu w sił. przez ogr. czasu pracy siln. zesp. prądotwórczych; korzystny wpływ na pracę siln. gł., wyw. tłumiącym działaniem prądnicy. istotne w czasie stormu i przy pływaniu z wynurzającą się śrubą. Trudności w stos. prądnic wałowych spra wia zmienna pręd. obr. siln. gł.; równoległa praca prądnicy wałowej z prądnicą niezależnego zasp. prądotwórczego.

Dobór mocy elektr. i wlk. prądnic istotny ze względu na dużą liczbę zainst. odbiorników (300-400 siln. ele ktr. w typ. st. towarowym); znaczna zmienność zapotrze bowanej mocy.

Dobór mocy elektr. okr: opiera się na znajomości rzeczywistego zapotrzebowania en. elektr, jakie wyst. podczas eksploatacji statku. Określenie na etapie projektowania zależy od: typu i wlkości statku i rodz. przewożonego ład.; liczby zalogi i pasażerów; linii żeglugowej, rejonu pływania, strefy klimatycznej, pory roku i doby i stanu pogody; typu i mocy siln. gł., rozw. sił. i rodz. spalanego paliwa; st. elektryfikacji i automatyzacji statku; rozpatrywanego st. eksploatacji statku i zw. z tym char. st. obciążenia ele ktr.Stan charakterystycznego obciążenia elektr.- st. obciążenia, wyst. w określonym i typowym dla danego statku stanie pracy. (podróż w morzu; postój w porcie bez wyład. własnymi urz. lub z wyład. własnymi urz.; postój na kotwicy; manewry; awaria z pracującymi podst. żr. en. elektr.).

Określenie mocy elektr.- przeprowadzane w oparciu o dane wskaźnikowe lub metodę analityczną (bilans elektr.)

Met. wykorz. dane wskaźnikowe- stos. we wczesnych etapach proj. ze względu na swój przybliżony char. (zał. proj, ofertowe, wstępne). Po legają na wyk. inf. statystycznych, dot. szeregu podobnych statków już zbud. i eksploatowanych. Wykresy lub zależności funkcyjne. Brak pewności dobrego doboru.

Met. analit-bilansowa stos, gdy znane sa wart. znamionowe mocy zainst. wszystkich odbiorników en. elektr. na statku. Stos. na etapie proj. tech., roboczego. Ma char. spr. wcześniejszych ustaleń. Sporządzenie zestawienia wszystkich odbiorników en. elektr. i okr. śr. poboru en. elektr. przez te urz. w typowych st. eksploatacji st. Obliczenia można wyk. w oparciu o znajomość wart. wsp. obciążenia i jenoczesności.

Wsp. obciążenia- okr. jaką cz. mocy znamionowej pobiera odbiornik w czasie pra cy: (alfa)e = Nel*p / Nel*z; gdzie: (alfa)e- wsp. obciążenia odbiornika w danym st. eksploatacji; Nelp- rzeczywista moc pobierana przez odb. pracujący w danym st. eksploatacji kW; Nelz-moc znamionowa odb., kW.

Wsp. jednoczesn. (beta)e okr. st. jednoczesnej pracy poszczególnych urz. lub grup urz.

Gdy nie znamy wart powyższych wsp. obliczamy w oparciu o eksploatacyjny wsp. wyk. mocy zainst. (gamma)e stos. śr. obciążenia ele ktr., jakie stw. dane urz, do wart. jego mocy znamieniowej.

Jednocześnie (gamma)e=(alfa)e*(beta)e

Śr. zapotrzebowanie na en. elektr. w danym stanie eksploatacji:

Klasyfikacja elektrowni okrętowych.

• Elektrownie ogólnego przeznaczenia – znajdują się na wszystkich jednostkach pływających, zasilają ogólnookrętową sieć elektryczną

• Elektrownie specjalne – zasilają wydzielone systemy elektroenergetyczne np. elektryczny napęd główny, układy stabilizacji pozycji na platformach wiertniczych itp.

• Elektrownie awaryjne.

Dobór mocy elektrowni

• Metody wskaźnikowe

1. Równania regresyjne uzależniające wielkość elektrowni od jednego lub więcej parametrów statku (moc silnika głównego, nośność, liczba pasażerów i załogi itp.)

2. Wykresy wskaźnikowe wykonane drogą szacunkowych obliczeń dla określonego typu statku.

• Wykonanie bilansu energetycznego

1. Znajomość wszystkich odbiorników zainstalowanych na statku (ich mocy), wyodrębnienie podstawowych grup urządzeń np. wentylacyjne, pokładowe, gospodarcze itp.

2. Określenie typowych stanów eksploatacyjnych jednostki pływającej wraz z wyszczególnieniem zapotrzebowania na moc poprzez pracujące odbiorniki (średnią, maksymalną)

3. Wykonanie zestawień bilansowych

Współczynnik obciążenia:

Dobór mocy elektrowni – podział mocy na prądnice

• Określenie charakterystycznych stanów eksploatacyjnych jednostki i zapotrzebowania na energię elektryczną w czasie tych stanów np.:

• Postój w porcie

• Przejście morzem

• Manewry

• Postój na kotwicy

• Postój podczas wyładunku

• Wybieranie sieci

• Holowanie.

Zadaniem elektrowni jest dostarczenie prądu elektrycznego do napędu urządzeń wyposażonych w silniki elektryczne, do ogrzewania, oświetlenia oraz urządzeń radiowo-nawigacyjnych w każdym stanie eksploatacji statku. Na statkach stosuje się prąd przemienny trójfazowy o napięciu 400 V lub 440 V (oświetlenie 220 V) i częstotliwości 50 lub 60 Hz. Stosownie do częstotliwości, wybiera się obroty silników napędowych, które wynoszą np. 720, 750, 900, 1200 obr/min - podzielne bez reszty przez wartość częstotliwości. Na jednostkach z napędem spalinowo - (lub turbinowo - ) elektrycznym elektrownia jest związana z maszynami napędu głównego, na pozostałych jednostkach stanowi pewną odrębną grupę urządzeń.

Moc i struktura elektrowni statku zależy od jego typu, rodzaju układu napędowego i sposobu wykorzystania różnych źródeł energii do napędu prądnic. Zapotrzebowanie na energię elektryczną jest uzależnione od następujących czynników:

1. typ, wielkość statku, rodzaj przewożonego ładunku;

2. linia żeglugowa (strefa klimatyczna), pora roku i doby;

3. typ i moc głównego silnika napędowego oraz rodzaj paliw;

4. stopień elektryfikacji i automatyzacji statku;

5. rozpatrywany, charakterystyczny dla danego statku stan (stany) eksploatacji;

Moc zainstalowana (suma mocy wszystkich prądnic, za wyjątkiem awaryjnej) elektrowni zależy od zapotrzebowanej mocy wszystkich odbiorników znajdujących się na statku. Dla statku towarowego, stosunek zainstalowanej mocy elektrowni do mocy na wale silnika głównego zawiera się najczęściej w przedziale 15÷35%.

Oprócz podstawowych zespołów prądotwórczych wytwarzających energię elektryczną podczas normalnej eksploatacji, na statku instaluje się awaryjny zespół prądotwórczy o mocy potrzebnej do zasilania oświetlenia awaryjnego, latarni sygnałowo-pozycyjnych, środków łączności, wyposażenia radiowo-nawigacyjnego, jednej z pomp pożarowych i innych, niezbędnych dla bezpieczeństwa statku i ludzi urządzeń (np. silników wind szalupowych).

Do wytwarzania energii elektrycznej instalowane są:

1. niezależne zespoły prądotwórcze z silnikami spalinowymi tłokowymi, spalającymi paliwo ciężkie lub lekkie,

2. urządzenia sprzęgnięte mechanicznie z linią wałów napędowych (prądnice wałowe), napędzane przez przekładnię multiplikacyjną (lub bez przekładni) od wału pośredniego lub od przekładni przy napędzie pośrednim śruby okrętowej

3. urządzenia sprzęgnięte mechanicznie z silnikiem głównym (usytuowane z boku silnika lub od strony wolnej końcówki wału korbowego),

4. urządzenia wykorzystujące energię odlotową spalin z silnika głównego (np. turboprądnice zasilane parą z kotłów utylizacyjnych),

Liczbę podstawowych źródeł energii elektrycznej określają przepisy Towarzystwa Klasyfikacyjnego, pod nadzorem którego jest budowany statek. Przepisy PRS wymagają, aby na każdym statku o pojemności 300 gt i większej źródło energii elektrycznej składało się z co najmniej dwóch prądnic z niezależnym napędem. Liczba i moc zespołów prądotwórczych i przetwornic energetycznych wchodzących w skład podstawowego źródła energii elektrycznej, powinna być taka, aby po wypadnięciu z pracy jednego z nich, pozostałe zapewniały możliwość zasilania ważnych urządzeń statku.

Zamiast jednego z zespołów prądotwórczych może być zastosowana prądnica wałowa, jeżeli ma praktycznie stałą prędkość obrotową przy różnych prędkościach statku oraz istnieje możliwość uruchomienia napędu statku w przypadku unieruchomienia dowolnego zespołu prądotwórczego.

Tradycyjny układ elektrowni statku towarowego (z napędem innym niż spalinowo- lub turbinowo-elektryczny) składa się z 2 do 5 zespołów prądotwórczych, przy czym najczęściej spotyka się siłownie z trzema lub czterema zespołami prądotwórczymi.

Drobnicowce mają zazwyczaj trzy zespoły, chłodniowce - cztery zespoły, kontenerowce - trzy lub cztery zespoły, przy czym częściej niż na innych statkach występuje prądnica wałowa zwłaszcza, jeżeli kontenerowiec może przewozić pewną liczbę kontenerów chłodzonych. Na statkach pasażerskich lub promach instaluje się 4 lub 5 zespołów.

Układy elektrowni okrętowych - niektóre schematy rozwiązań na rysunkach

Urządzenia do generowania energii elektrycznej

a) Niezależne zespoły prądotwórcze

Niezależne zespoły prądotwórcze są podstawą każdej elektrowni okrętowej. Zapewniają jako jedyne, (pomijając akumulatory) wytwarzanie energii elektrycznej we wszystkich stanach eksploatacji statku. W zespołach tych synchroniczna prądnica trójfazowego prądu przemiennego sprzęgnięta jest bezpośrednio z wysokoprężnym średnio lub szybkoobrotowym tłokowym silnikiem spalinowym, w którym spalany jest olej napędowy lub paliwo pozostałościowe (takie same, jakim zasilane są silniki główne). Silniki są zasilane paliwem pozostałościowym podczas jazdy w morzu jak i podczas postoju w porcie. Zespoły prądotwórcze mogą być dostarczone przez producenta w postaci modułu zamontowanego na wspólnej ramie, z zainstalowanym wyposażeniem zapewniającym pracę silników spalinowych (chłodnice wody słodkiej i oleju, filtry, pompy i układy regulujące parametry czynników obsługujących silniki).

Zastosowanie spalinowych zespołów prądotwórczych do produkcji energii elektrycznej pozwala na uniezależnienie wytwarzania energii od pracy silnika głównego oraz charakteryzuje się niskim kosztem inwestycyjnym.

W elektrowni statku składającego się z niezależnych zespołów prądotwórczych jeden lub dwa zespoły mają moc pokrywającą zapotrzebowanie na energię elektryczną w długich stanach eksploatacji statku. Następny zespół jest w tzw. „gorącej” rezerwie, przygotowany do natychmiastowego zasilania sieci elektrycznej przy braku mocy lub nieprawidłowej pracy eksploatowanych zespołów. Zainstalowany następny zespół (trzeci lub czwarty) umożliwia wykonywanie przeglądów lub napraw poszczególnych zespołów.

Do światowych producentów pomocniczych silników spalinowych należą takie firmy jak np.MAN-B&W, Wärtsilä, Mak, Volvo.

b) Prądnice wałowe

Prądnice wałowe napędzane przez silnik główny stanowią jeden z alternatywnych sposobów obniżenia zużycia paliwa i kosztów wytwarzania energii elektrycznej na statkach w czasie ich ruchu marszowego w morzu. Zastosowanie ich wiąże się z następującymi zaletami:

1. zmniejszenie kosztów paliwa i olejów smarowych na wytworzenie 1 kWh, co wynika z wyższej sprawności silnika głównego w stosunku do silników pomocniczych i ewentualnie niższej ceny paliwa spalanego w silnikach głównych;

2. mniejsze nakłady na obsługę, przeglądy i koszty remontów elektrowni, (silniki o wyższych obrotach mają krótsze resursy);

3. wydłużenie okresu eksploatacji niezależnych zespołów prądotwórczych;

4. mniejszy hałas w siłowni;

5. zmniejszenie ilości spalin wydzielanych do atmosfery;

6. możliwość użycia prądnicy jako napędu awaryjnego statku;

Podstawowym problemem przy zainstalowaniu prądnicy wałowej jest konieczność utrzymania stałej częstotliwości generowanego prądu, co wymaga zastosowania stabilizatorów częstotliwości lub eksploatacji prądnicy tylko przy ustalonych prędkościach obrotowych silnika głównego. Zmiana częstotliwości prądu spowodowana zmiana prędkości obrotowej linii wałów nie powinna być większa od +5% wartości znamionowej. Napięcie wytwarzanego prądu w stanach ustalonych przy wyżej podanych wahaniach prędkości obrotowej powinno utrzymywać się z dokładnością +2,5%.

Prądnice wałowe stosowane do generowania energii elektrycznej na statkach w czasie ich ruchu marszowego sprzęgnięte są mechanicznie z linią wałów lub bezpośrednio z silnikiem głównym. Zależnie od sposobu połączenia z układem napędowym statku instalowane są prądnice wolnoobrotowe o prędkościach obrotowych równych prędkościom obrotowym linii wałów lub silnika wolnoobrotowego (przy napędzie prądnicy bezpośrednio od wału korbowego) i prądnice szybkoobrotowe napędzane poprzez przekładnie zwiększające prędkości obrotowe do ok. 1000÷1200 i więcej obrotów na minutę. W prze­kładniowych układach napędowych najczęściej stosowane jest połączenie prądnic z przekładniami głównymi. Do połączenia prądnicy z przekładnią główną stosowane są sprzęgła elastyczne i rozłączne. Prądnice wolnoobrotowe maja relatywnie duże masy i gabaryty ze względu na duża ilość par biegunów. Osadzane bezpośrednio na linii wałów stwarzają poważne problemy montażowe i remontowe. Jedyną zaletą ich stosowania jest wyeliminowanie przekładni i sprzęgła łączącego z układem napędowym statku.

Moc instalowanych na statkach prądnic wałowych zależy od typu i zadań statków. Zasadą jest aby prądnice wałowe pokrywały w pełni zapotrzebowanie na energię elektryczna w czasie pływania w warunkach marszowych. Na ogół prądnice wałowe na statkach towarowych nie współpracują synchronicznie z innymi prądnicami. Praca równoległa tych prądnic jest chwilowa (2 ÷ 7 s) w czasie przejmowania obciążenia. Statystycznie najczęściej instalowane są prądnice wałowe o mocach w zakresie 300 ÷ 1500 kW.

Stałą wartość częstotliwości na zaciskach prądnic wałowych, w układach napędowych ze śrubami o nastawnym skoku, można zapewnić utrzymując stałą prędkość obrotową silników głównych poprzez zmianę skoku śruby przy zmiennych prędkościach i warunkach pływania statku, co prowadzi do obniżenia kosztów inwestycyjnych takiej elektrowni.

Dla układu silnik - śruba o stałym skoku rzeczywiste eksploatacyjne prędkości obrotowe śrub napędowych na drobnicowcach (zwłaszcza kontenerowcach) zawierają się w przedziale 92÷96% obrotów nominalnych. Przy tych prędkościach statki eksploatowane są przez stosunkowo długi okres czasu pracy silnika głównego. Zastosowanie układów prądnic wałowych ze stabilizacją częstotliwości prądu wydłuża okres ich eksploatacji do 90÷95% czasu pracy silnika głównego. Układy takie pracują w szerokim zakresie zmiany prędkości obrotowych silnika, tj. w przedziale 70÷100% prędkości znamionowej.

Dla maksymalnego wykorzystania prądnicy wałowej w czasie pracy silnika głównego, w układach napędowych ze śrubą stałą, stosowane są rożne urządzenia stabilizujące częstotliwość wytwarzanego prądu. Są to:

• przetworniki maszynowe (prądnica - prostownik-silnik elektryczny prądu stałego-prądnica). Przetworniki maszynowe używane są do przetwarzania prądu stałego na prąd przemienny. Napędzana przez przekładnię prądnica prądu stałego z automatyczną regulacją napięcia generuje prąd stały. Generowana przez prądnicę energia elektryczna jest przekazywana do silnika prądu stałego sprzęgniętego z prądnicą synchroniczną. Stała wartość prędkości obrotowej jest utrzymywana przez zmianę prądu wzbudzenia prądnicy prądu stałego. Z powodu relatywnie dużych mas i kosztów przetworniki maszynowe nie są w zasadzie stosowane.

• przetworniki statyczne - falowniki. Przetworniki statyczne są zespołami tyrystorów i układów sterowania. W przetworniku prąd z prądnicy napędzanej przez przekładnię lub wał jest prostowany, a następnie przekształcany stosownie do potrzeb wynikających z cech odbiorników w sieci.

• prądnice asynchroniczne z regulatorem częstotliwości. W układzie z regulowaną częstotliwością, prądnicą jest maszyna asynchroniczna z wirnikiem zasilanym prądem przemiennym. Przez odpowiednie dobranie częstotliwości prądu zasilania wirnika można stabilizować częstotliwość generowanego napięcia i prądu. Urządzenia funkcjonujące na tej zasadzie oferuje firma Siemens AG. W katalogach firmy urządzenia są określane nazwa FRECON (frequency-controlled generators).

Przekładnie ze zmiennym przełożeniem (CON - SPEED - firma Sulzer, RCF - Renk Constans Frequency-firma MAN - B&W). Przekładnia taka składa się z zębatej bezstopniowej przekładni planetarnej, której przełożenie regulowane jest w sposób ciągły poprzez sprzężoną z nią przekładnią hydrostatyczną. Układ ten zapewnia stałą prędkość obrotową prądnicy wałowej przy zmianie prędkości obrotowej napędzającego silnika w zakresie 70÷100% jego prędkości nominalnej. Sprawność takiego regulatora prędkości jest wysoka, co wynika z faktu, że jedynie ~20% energii na wale wejściowym przenoszone jest przez przekładnię hydrostatyczną, która jest głównym źródłem strat. CON - SPEED (RCF) jest stosowany przy napędzie prądnic wałowych poprzez przekładnię PTO. Przekładnia PTO stanowi integralną cześć silnika głównego i umożliwia wariantowe usytuowanie prądnicy w stosunku do silnika.

Zainstalowanie urządzeń stabilizujących częstotliwość napięcia zwiększa okres eksploatacji prądnicy wałowej, ale zwiększa straty energetyczne związane z ich pracą oraz koszty inwestycyjne.

Sprawność tych urządzeń wynosi:

1. przetworników maszynowych ok. 85%,

2. tyrystorowych przetworników statycznych 88÷92%,

3. prądnic asynchronicznych z regulatorem częstotliwości (FRECON) w zakresie 83÷100% znamionowych prędkości obrotowych 92÷94,5%, a w zakresie 70÷83% sprawność wynosi ok. 90%,

4. przekładnie ze zmiennym przełożeniem (Con - Speed, RCF) w zakresie 70÷100% znamionowych prędkości obrotowych pracują ze sprawnością 92÷98%.

c) Prądnice utylizacyjne

Innym rozwiązaniem wytwarzania energii elektrycznej na statkach jest zastosowanie prąd­nic wykorzystujących energię spalin wylotowych z silnika głównego. Do napędu prądnic utylizacyjnych stosowane są turbiny parowe zasilane parą produkowaną w kotłach na spali­ny odlotowe z silnika głównego lub turbiny spalinowe zasilane bezpośrednio tymi spalinami.

Turboprądnica w instalacji WHR (Waste Heat Recovery) nie „zużywa paliwa” i cechuje się niskimi kosztami eksploatacyjnymi. Zmiany cen paliwa w okresie eksploatacji statku nie wpływają na koszty otrzymywania energii elektrycznej z instalacji WHR. Wadą są duże koszty inwestycyjne.

Zastosowanie głębokiej utylizacji ciepła (wykorzystanie ciepła strat zawartego w spalinach i powietrzu doładowującym) pozwalało pokryć całkowite potrzeby statku na energię elektryczną i ogrzewanie w czasie jego pływania z eksploatacyjna mocą głównych silników napędowych dla statków towarowych o odpowiednio dużej mocy napędzanych starszego typu silnikami tłokowymi. Wprowadzenie do eksploatacji silników typu RTA i MC o sprawności przekraczającej 50% (efektem było obniżenie ciepła strat w spalinach wylotowych do 23÷26% oraz temperatury spalin) zmniejszyło ilość ciepła możliwego do odzyskania w układach utylizacyjnych. Równocześnie zmniejszenie mocy do napędu statku o założonej kontraktowej nośności i prędkości (uzyskane w wyniku zmniejszenia oporów kadłuba i obniżenia obrotów śruby napędowej), spowodowało wyraźne obniżenie mocy zainstalowanego silnika głównego (silników głównych). Obecnie, ilość ciepła strat tych silników nie zapewnia obecnie pełnego pokrycia zapotrzebowania na energię cieplną i elektryczną. Niedobór energii elektrycznej zapotrzebowanej podczas ruchu marszowego statku musiałby być uzupełniany jest z prądnicy wałowej lub z prądnicy z niezależnym napędem silnikiem spalinowym, co zwiększa koszty inwestycyjne.

W turbooparowych układach utylizacyjnych parametry pary zależą od ilości i temperatury spalin na wylocie z silnika oraz od przyjętego układu przepływowo-regulacyjnego instalacji parowo-wodnej. Dla układów utylizacyjnych, w których wykorzystywane jest ciepło strat z silników średnioobrotowych, ciśnienie pary przyjmowane jest w granicach 0.7÷1.0 MPa, temperatura pary przegrzanej 280÷300°C. Dla układów utylizacyjnych w siłowniach z silnikami wolnoobrotowymi ciśnienie pary wynosi 0.7÷0.8 MPa a temperatura pary przegrzanej 200÷220°C. Całkowita sprawność wytwarzania energii elektrycznej w takich układach wynosi 14÷18%.

Turbiny gazowe na spaliny odlotowe z wysokoprężnych silników spalinowych mogą być stosowane jako niezależne silniki do napędu prądnic przy dużych mocach głównych silników napędowych w zakresie od ~30 000 kW. Przy mniejszych mocach układu napę­dowego, turbiny gazowe napędzają prądnice przy współpracy z pomocniczym silnikiem spalinowym Zastosowanie spalinowych turbin utylizacyjnych stało się możliwe po zastoso­waniu nowych generacji turbosprężarek powietrza doładowującego, o sprawności rzędu 72%.

d) Eksploatacja elektrowni okrętowej

W czasie eksploatacji statku chwilowe zapotrzebowanie na energię zmieniają się dość znacznie, zależnie od wielu czynników. Zespoły prądotwórcze nie mogą być obciążone pełną mocą, ponieważ w przypadku wzrostu zapotrzebowania ponad dopuszczalne, regulatory i zabezpieczenia silników spalinowych spowodowałyby zatrzymanie pracy silnika. Prądnica jest obciążana mocą np. do 85 % i jeżeli zwiększy się pobór prądu, to jest automatycznie uruchamiany zespół czekający w tak zwanej „gorącej rezerwie”. Pracę elektrowni można przedstawić w układzie współrzędnych obciążenie silników - łączna moc elektrowni.

e) Dobór elektrowni

Dobór elektrowni polega na określeniu rodzaju, liczby i mocy zespołów prądotwórczych. Dane liczbowe, niezbędne do przeprowadzenia doboru można uzyskać poprzez:

1. określenie mocy zainstalowanej (sumy mocy wszystkich prądnic) w oparciu o dane statystyczne z jednostek podobnych;

2. określenie zapotrzebowania na energię elektryczną w oparciu o wskaźniki dla poszczególnych urządzeń lub grup urządzeń;

3. wykonanie bilansu zapotrzebowania na energię elektryczną przy znajomości instalowanych na statku i w siłowni urządzeń;

(A) Na etapie opracowywania założeń armatorskich, projektów ofertowych i wstępnych stosuje się dwa pierwsze sposoby, przy czym w metodach wskaźnikowych wykorzystuje się równania regresyjne uzależniające poszukiwaną wielkość od jednego lub więcej podstawowych parametrów statku (moc silnika głównego, nośność, liczba pasażerów i załogi, itd.). Stałe równań regresyjnych określane są na drodze analizy statystycznej danych zebranych dla konkretnej populacji statków: (podobnego typu, wielkości, ...). Wzory zazwyczaj określają łączną zainstalowaną moc elektrowni.

(B) Dane wskaźnikowe są to wartości zapotrzebowania na energię elektryczną określone drogą szacunkowych obliczeń dla poszczególnych odbiorników lub grup odbiorników dla wybranych typów statków lub typów siłowni. Wskaźniki podają średnie wartości odniesione do mocy silnika, liczby załogi, pojemności rejestrowej, itp. Uwzględniać mogą także warunki klimatyczne. Przykładem są np. wykresy opublikowane przez MAN - B&W dotyczące zapotrzebowania na energię elektryczną w funkcji mocy napędu głównego dla zbiornikowców i masowców (przy założeniach podanych na rysunku).

Na szeregu statkach wystąpić mogą duże odbiorniki energii elektrycznej, takie jak silniki napędowe sterów strumieniowych, kontenery chłodzone, automatyczne stabilizatory kołysania, wentylacja ładowni, napęd pomp ładunkowych lub urządzeń przeładunkowych, co należy dodatkowo uwzględnić podczas wykonywania obliczeń.

(C) Punktem wyjścia dla trzeciego sposobu jest wykonanie prognozy zapotrzebowania na energię elektryczną w założonych stanach eksploatacji statku. Prognoza taka sporządzana jest przy użyciu metody bilansów tablicowych. Metoda ta stosowana jest wówczas, gdy znane już są wartości zapotrzebowanej mocy wszystkich odbiorników, które mają znaleźć się na statku. Polega ona na sporządzeniu zestawienia wszystkich odbiorników energii oraz określeniu średniego lub maksymalnego poboru energii przez te odbiorniki w założonych stanach eksploatacji. Dokonywanie obliczeń bilansowych możliwe jest przy znajomości wartości współczynników określających rzeczywiste średnie zapotrzebowanie energii przez poszczególne urządzenia. Wyróżnia się tu współczynniki:

1. równoczesności określający prawdopodobieństwo załączenia urządzenia,

2. obciążenia będący stosunkiem mocy pobieranej przez odbiornik w określonych warunkach eksploatacji do mocy znamionowej k = N_{el eksploat} / N_{el znamionowa}.

Prądnice okrętowe.

• Niezależne zespoły prądotwórcze

• Zalety:

• Elastyczność pracy (zazwyczaj 2-6 agregatów)

• Gotowość do działania

• Niezawodność działania

• Wady

• Ciężar i objętość (oddzielne instalacje obsługujące, zajmowane miejsce)

• Duże koszty eksploatacyjne (koszt paliwa lekkiego, koszt obsług)

• Drgania i hałas.

Prądnice wałowe.

• Zalety:

• Niskie koszty wytwarzania energii elektrycznej.

• Możliwość „odstawienia” niezależnych zespołów prądotwórczych

• Zmniejszenie hałasu i drgań

• możliwość „dociążenia” silnika głównego

• Wady:

• konieczność stosowania układów regulacji napięcia (częstotliwości)

• praca prądnicy tylko w czasie pracy układu napędowego.

Turboprądnice zasilane parą z kotłów utylizacyjnych

Pędniki okrętowe

• Charakterystyki oporowe

a – współczynnik kształtu paraboli

m – wykładnik potęgowy (m = 2-3)

v – prędkość jednostki

WZ – warunki zewnętrzne

TJ – typ jednostki (np. kształt kadłuba, ilość wystających części, liczba śrub, załadowanie itp.)

Pędniki

• Pędniki śrubowe:

- Klasyczne

- Inne

• Wodnostrumieniowe

• Cykloidalne

• Śmigło lotnicze

Śruby – współczynnik posuwu

Charakterystyka obrotowa

Śruba w dyszy

Dysza przyspieszająca – podnosi efektywność śruby pracującej przy dużych obciążeniach – małe prędkości, duży napór.

Śruby nastawne

Są to śruby , w których położenie skrzydeł względem osi obrotu , określające skok śruby. Może być zmieniane za pomocą mechanizmu zmiany skoku.

- umożliwiają wykorzystanie pełnej mocy zainstalowanych silników napędowych w różnych warunkach eksploatacyjnych

- umożliwiają zmianę prędkości lub uciągu jednostki pływającej przy zachowaniu stałej prędkości obrotowej silnika

- możliwość realizacji biegu wstecz bez konieczności zmiany kierunków obrotu wału napędowego.

Śruby – kawitacja

Kawitacja - zjawisko wrzenia cieczy opływającej profil ciała, występujące przy jego powierzchni wskutek zmniejszenia się ciśnienia pod wpływem wzrostu prędkości. Gdy ciśnienie statyczne zmaleje poniżej ciśnienia nasycenia odpowiadającego temperaturze w jakiej znajduje się ciecz, następuje wrzenie. Zjawisko to występuje w tych miejscach śruby okrętowej których prędkości opływu są największe.

Kawitacja:

• Spadek sprawności

• Erozja kawitacyjna

• Szumy.

Zapobieganie:

• stosowanie odpowiednich profili np. mała względna grubość profilu;

• zwiększenie powierzchni skrzydła;

• zmniejszenie liczby skrzydeł;

• zwiększenie zanurzenia osi śruby.

Przekładnie azymutalne (śrubo stery)

Realizacja przez pędnik dwóch funkcji : napędu i sterowania.

Istotą rozwiązań tych pędników jest to , że śruba , odmiennie niż w klasycznym rozwiązaniu linii wałów , napędzana jest przez przekładnię typu “Z” z równoczesną możliwością obrotu wokół pionowej osi przekładni

Pędnik cykloidalny

Cechy charakterystyczne pędników cykloidalnych:

• bezstopniowe sterowanie naporem zarówno pod względem wielkości jak i kierunku w pełnym zakresie 360o

• sprawność pędnika jest taka sama w całym zakresie 360o i dlatego moc silnika głównego może być wykorzystana maksymalnie natychmiast w dowolnym kierunku

• silnik napędowy może pracować ze stałą lub zmienną prędkością obrotową optymalnie przystosowaną do warunków pracy i stałym kierunkiem obrotów w czasie wszystkich manewrów

• prędkość obrotowa pędnika jest względnie mała, co sprawia, że konstrukcja jest niezwykle solidna i wytrzymała - układ napędowy działa niezawodnie i pewnie nawet w ekstremalnie trudnych warunkach

• układ napędowy i układ sterowania stanowią jeden wspólny, zwarty, a tym samym prosty w obsłudze system.

Pędnik wodnostrumieniowy

Zasadę działania napędu strugowodnego opisuje III zasada dynamiki Newtona: Jeśli ciało A działa na ciało B siłą F (akcja), to ciało B działa na ciało A siłą (reakcja) o takiej samej wartości i kierunku, lecz o przeciwnym zwrocie. W wyniku odrzucania masy wody powstaje reakcja będąca w tym przypadku naporem, który wykorzystywany jest do napędzania oraz manewrowania jednostką.

Pędnik wodno strumieniowy – sprawność napędowa

Pompy:

• osiowe

• odśrodkowe

• diagonalne

• śmigłowe

Pędniki wodnostrumieniowe – zalety:

• wysoka sprawność dla dużych prędkości

• zwarta konstrukcja – niewielkie rozmiary

• małe zanurzenie jednostki pływającej

• wysoka trwałość

• brak oporów pędnika niepracującego.

Instalacje rurociągów okrętowych:

• Siłownie:

• Paliwowe

• Oleju smarowego

• Chłodzenia

• Spalin wylotowych.

• Ogólnookrętowe

• Przeciwpożarowe

• Sanitarne

• Wentylacyjne.

• Specjalne.

Klasyfikacja instalacji rurociągowej okrętowej

• Siłownie - przeznaczone do obsługi układu napędowego oraz mechanizmów pomocniczych siłowni; zlokalizowane przede wszystkim w obrębie przedziału maszynowego.

• Ogólnookrętowe - przeznaczone do obsługi jednostki pływającej w zakresie:

• Bezpieczeństwa ppoż.

• Zachowania stateczności i niezatapialności jednostki pływającej

• Potrzeb socjalno – bytowych załogi.

• Specjalne - występują w zależności od przeznaczenia jednostki pływającej (jej specyfiki) np.:

• Instalacje transportowe ładunku płynnego na zbiornikowcach,

• Instalacje technologiczne na jednostkach rybołówstwa,

• Instalacje obsługi uzbrojenia na okrętach itp.

Maszyny i urządzenia stosowane w instalacji rurociągów okrętowych.

• Pompy

• Wyporowe np.:

- tłokowe

- śrubowe

- zębate

• Wirowe

• Strumieniowe

• Sprężarki:

• Wyporowe

• Tłokowe.

• Wentylatory, dmuchawy

• Wymienniki ciepła:

• Kotły parowe

• Podgrzewacze (wodne, parowe, elektryczne) – wody, powietrza, oleju smarowego, paliwa

• Chłodnice – wody chłodzącej, oleju smarowego, powietrza doładowującego

• Wyparowniki.

Rodzaje układów przenoszenia napędu

• spalinowo – mechaniczny

• spalinowo – elektryczny

• spalinowo – hydrauliczny.

Napęd bezpośredni silnikiem tłokowym

1 –wał pośredni; 2 – łożysko montażowe; 3 – uziemienie; 4 – łożysko nośne; 5 – wał śrubowy;

6 –uszczelnienie przednie pochwy wału śrubowego; 7 – łożysko pochwy;

8 – uszczelnienie tylne pochwy; 9 – śruba napędowa; 10 – kołpak; 11 – koło zamachowe;

12 – silnik główny; 13 – gródź skrajnika rufowego; 14 – połączenie kołnierzowe

Przekładnie:

• Mechaniczne

• Zębate

• Koła o zębach prostych

+ proste wykonanie

- głośna praca

• Śrubowych – skośnych

+ cicha praca

+ większa niż przy zębach prostych nośność

- występuje siła wzdłużna

• Łukowych

• Daszkowych – strzałkowych

+ cicha praca

+ wysoka nośność

+ siła wzdłużna znosi się (czyli jej brak)

- skomplikowana konstrukcja i obróbka

• Pasowe

• Łańcuchowe

• Hydrokinetyczne

• Elektryczne.

Przekładnie planetarne

• przenoszenie dużych mocy i uzyskiwanie dużych przełożeń przy stosunkowo małych wymiarach,

• pośredniczące działanie pomiędzy kołem centralnym a wieńcem może spełniać więcej niż jeden satelita, co umożliwia zastosowanie zasady wewnętrznego podziału obciążenia,

• kilkakrotnie lżejsze od zwykłych przekładni o podobnych parametrach.

Charakterystyka przekładni mechanicznej

1. Przekładnie geometryczne

1. Przekładnie kinematyczne

1. Współczynnik przełożenia kinematycznego

1. Sprawność przekładni

1. Współczynnik przełożenia dynamicznego

Charakterystyka przekładni hydrokinetycznej

1. Zmiana prędkości obrotowej i momentu obrotowego

Przekładnie elektryczne

Przekładnia elektryczna - w odniesieniu do okrętowych napędów głównych - obniża wprawdzie nieco sprawność ogólną siłowni, jednak ma wiele bardzo cennych zalet, m.in.:

1. Pozwala realizować nawrotność przy nienawrotnym silniku głównym i zapewnia pełną moc biegu wstecz.

2. Ułatwia manewrowanie, tj. zmiany prędkości obrotowej śruby, rozruch i zatrzymanie statku, w stosunku do układów napędowych bezpośrednich lub z przekładnią mechaniczną, stanowisko sterowania siłownią można łatwo umieścić w dowolnym miejscu.

3. Umożliwia najkorzystniejsze rozmieszczenie głównych urządzeń statku, usuwa potrzebę stosowania długich linii wałów.

4. Przy kilku zespołach prądotwórczych zwiększa niezawodność pracy siłowni oraz jej elastyczność i ekonomiczność przez stopniowe dostosowywanie mocy do aktualnego zapotrzebowania.

Ogólna budowa sprzęgła linii wałów

Zadania sprzęgła

• Połączenie poszczególnych odcinków linii wałów

• Tłumienie drgań

• Kompensacja załamania osi linii wałów

• Umożliwienie odłączenia wału napędowego od wału napędzanego.

Klasyfikacja sprzęgieł

• Sztywne

• Elastyczne

• Rozłączne

• Cierne

• Hydrokinetyczne

• Nierozłączne

• Kołnierzowe

• Zębate

• Tarczowe

• Kłowe

• Palcowe

• Oponowe

• Przeponowe

Łożyska linii wałów

• Oporowe

• Nośne

• Wału śrubowego

• Wzdłużne – poprzeczne

• Ślizgowe – toczne

Sprawność ogólna silnika

Sprawność ogólna silnika określa stosunek uzyskanej mocy do strumienia energii doprowadzanej w formie ciepła, a uzyskane ze spalania paliwa

Bilans przeprowadza się przy założeniu kilku wybranych stanów eksploatacji, zależnie od typu statku. np.

1. jazda w morzu, (dzień, noc), (max, min);

2. postój w porcie: bez wyładunku i z wyładunkiem;

3. rozruch i manewry;

4. stan awaryjny, (pożar, przebicie kadłuba, itp.);

5. charakterystyczny dla danego statku stan eksploatacji.(np. trałowanie, łamanie lodu);

Określa się dla poszczególnych urządzeń ilość zapotrzebowanej energii elektrycznej: moc znamionową (z tabliczki) powiększa się o sprawność silnika elektrycznego, uwzględnia współczynnik jednoczesności oraz współczynnik obciążenia. Po podsumowaniu otrzymuje się zapotrzebowanie dla każdego stanu i stosownie do otrzymanych wyników dobiera się liczbę i moc prądnic. Obciążenie obliczeniowe maksymalne dla jednej prądnicy powinno się zawierać w granicach 70 ÷ 90 %.

α - współczynnik jednoczesności,

β - współczynnik obciążenia.

Grupy urządzeń:

1. mechanizmy napędu głównego,

2. mechanizmy pomocnicze siłowni,

3. urządzenia gospodarcze,

4. urządzenia pokładowe,

5. wentylacja, klimatyzacja i ogrzewanie,

6. urządzenia chłodni ładowni

Dobór ilości i mocy źródeł energii elektrycznej dokonywany jest zazwyczaj na drodze kolejnych przybliżeń, w ramach dysponowanego typoszeregu zespołów prądotwórczych bądź prądnic wałowych i sprawdzania ich obciążenia w poszczególnych stanach eksploatacji statku. Liczbowo, zależy od zastosowanej metody: czy znana jest łączna moc elektrowni czy też zapotrzebowanie na energię elektryczną (wówczas należy uwzględnić dopuszczalne obciążenie jednego zespołu).

Cechą charakterystyczną obciążenia elektrowni jest jego zmienność w funkcji czasu, przedstawia się je w ciągu doby czy też rejsu. Dla jednoznacznej charakterystyki wykresów obciążenia wprowadzono pojęcie obciążenia chwilowego P_t, średniego P_śr = A/t (całkowita praca podzielona przez czas), szczytowego P_s i znamionowego P_n.

Stosunek chwilowego, średniego lub szczytowego do znamionowego określa stopień wykorzystania mocy znamionowej chwilowy: n_t = P_t / P_n.

Stopień wykorzystania mocy znamionowej zastępuje iloczyn współczynnika jednoczesności i obciążenia (dla wszystkich odbiorników).