Эксплуатация судовых энергетических установок морских автономных надводных судов

Введение

Эксплуатация современного судна немыслима без автоматического управления разнообразным техническим и технологическим оборудованием, судовыми системами и судном в целом.

Современные компьютерные системы управления способны принимать решения без какого-либо вмешательства человека, что делает возможным создание безэкипажных судов, как в сочетание дистанционного и автономного управления.

Безэкипажное судно – это судно, управляемое внешним оператором, или автономной бортовой программой. Автономное безэкипажное судно – это безэкипажное судно, выполняющее автономное плавание по заданному предварительно маршруту и управляемое автономной бортовой программой [1].

По классификации ИМО выделяются четыре степени автономности судна [2]:

• судно с автоматизированными процессами и поддержкой принятия решений: экипаж присутствует на борту для приведения в действие и контроля бортовых систем и функций. При этом некоторые операции могут быть автоматизированы;
• дистанционно управляемое судно с экипажем: действия судна контролируются удаленно, из другого места.
• дистанционно управляемое судно без экипажа: судно находится под контролем и управлением из другого места.
• полностью автономное судно: бортовая система управления операциями судна способна самостоятельно принимать решения и определять порядок действий.

Важным разделом при применении безэкипажных судов – является создание полностью автономных машинных отделений. Для судовой энергетической установки (СЭУ) автономных безэкипажных судов отдельно указываются требования к системе автоматического электроснабжения и системам автоматизации и управления.

Системы управления СЭУ

Внедрение средств управления является важным направлением научно-технического прогресса. Эффективность от их внедрения обусловлена:

• повышением коэффициента полезного действия СЭУ (более точное регулирование);
• повышением надежности установки (постоянный контроль оборудования);
• сокращением численности обслуживающего персонала;
• возможностью прогнозирования моторесурса, отказов.

По Положению по классификации морских автономных и дистанционно управляемых судов (МАНС) Российского морского регистра судоходства [3] должна быть предусмотрена возможность по управлению СЭУ:

• с местных постов управления (если применимо);
• судового поста дистанционного управления;
• с помощью судовой системы искусственного интеллекта;
• внешнего центра дистанционного управления.

А СЭУ должна иметь необходимые средства, позволяющие:

• осуществлять автономную эксплуатацию в соответствии с потребностями маневрирования (MAHC), при этом обеспечивая удобный контроль и эксплуатации, а также испытания и проверки, техническое обслуживание и ремонт механизмов;
• обеспечивать доставку параметров работы ответственных систем и оборудования в навигационную систему и в центр дистанционного управления (ЦДУ);
• определять полномочия управления для различных режимов эксплуатации ответственных систем и оборудования.

Для современных систем управления техническими средствами требуется применение адаптивных и оптимальных систем. Это позволяет выбирать выгоднейшие режимы работы главного двигателя (котла) в меняющихся условиях эксплуатации, а также оптимально планировать техническое обслуживание установки. Для этого непрерывно замеряются эксплуатационные параметры работы судна, главного двигателя и других вспомогательных установок и систем, и на основании этого рассчитывают эффективные показатели работы (эффективный КПД, удельный эффективный расход топлива, оптимальное время в пути и т. д.).

Совершенствование алгоритмов управления судовыми двигателями непрерывно продолжается, так как в условиях эксплуатации они находятся под пристальным вниманием фирм-разработчиков.

Появление современных компьютерных систем позволило ускорить централизацию управления судном и его системами.

Судовые дизели с электронным управлением стали появляться в конце XX века. Ведущие разработчики – компаний «MAN Diesel & Turbo» (Германия-Дания), «Wartsila» (Финляндия), «Mitsubishi» (Япония).

Примеры систем управления:

• Система ДАУ ГД «Alphatronic» (Дания) для дизель-редукторных установок с винтами регулирования и фиксированного шага;
• Регулятор частоты вращения ГД DEGO (фирма ASEA, Швеция);
• Цифровая система регулирования судовых двигателей типа DGS-8880 (фирма Norcontrol, Норвегия);
• Система «Эта-Пайлот» (Швеция) автоматического регулирования технико-экономических показателей работы СЭУ;
• Электронная система управления топливоподачей дизеля (ООО «ППП Дизельавтоматика» совместно с МГТУ им. Н.Э. Баумана).

Регулятор частоты вращения дизеля с автоподстройкой при помощи искусственной нейронной сети (ООО «Роберт Бош», г. Тольятти; ЯГТУ).

• Система управления электронного управления процессами топливоподачи и ходом выпускного клапана компании «Wartsila» для дизелей с диаметром цилиндров 350÷500 мм. В разработанной системе используются приводимые от двигателя насосы, подающие топливо под высоким давлением в трубопровод (магистраль) Common Rail. Двигатели «Wartsila» типа RT-flex имеют электронное управление системой гидравлического привода выпускных клапанов. При относительно невысокой стоимости система реализует преимущества электронного управления дизелей: гибкое оптимальное управление процессами топливоподачи и газораспределения, которые обеспечивают минимальный расход топлива и приемлемые экологические характеристики двигателя [4].
• Система Caterpillar Common Rail (CCR) (Caterpillar Motoren GmbH und Co. KG, Германия) для тяжелого топлива, совместимая со всеми двигателями фирмы. Первым двигателем Caterpillar, оборудованным системой CCR, стал дизель типа М32С. Система Common Rail для М32С создана на базе системы впрыска L’Orange, доработанной до требований Caterpillar. В основе разработки классическая система Common Rail с электронным управлением, способная работать на всех видах топлива, соответствующего требованиям IMO/CIMAC. Система впрыска Caterpillar Common Rail состоит из двух насосов высокого давления, сегментированных коллекторных узлов с соединительными линиями высокого давления, а также электронных форсунок с ограничителями расхода, гидрораспределителями, предохранительным и промывочным клапанами. Электронная система состоит из блока управления ЕСМ (Engine Control Module) (одиночного или сдвоенного, в зависимости от назначения двигателя), трех датчиков давления в коллекторах и трех датчиков скорости. Система включает в себя также два коммуникационных модуля, куда поступает информация от всех датчиков, которая затем передаётся в блок ЕСМ для дальнейшей обработки [5].
• Система электронного управления BOSCH для средне- и высокооборотных судовых двигателей. Платформа ECU (Electronic Control Unit (электронный блок управления)) для коммерческих транспортных средств включает блоки и датчики комплексного управления системами топливоподачи, рециркуляции и очистки отработавших газов, давлением наддува, положением двигателя и т. д. Предусмотрена функция работы с несколькими блоками управления ECU, включая систему автоматической диагностики, что составляет основу разработанной платформы BOSCH для электронного управления судовыми установками. Совместное использование программного обеспечения позволяет заказчику реализовать собственные программные функции на программном и аппаратном обеспечении ECU. Компания BOSCH адаптировала для судовых двигателей (форсунки с дополнительными ограничителями топливоподачи; гидравлические компоненты большей размерности; для главных двигателей система резервирования) аппаратное и программное обеспечение автомобильного контроллера EDC17CV41, в результате чего созданы системы и компоненты для всех видов судовых двигателей. Bosch Rexroth и Bosch Diesel Systems создали ряд программных и аппаратных продуктов для систем управления главными судовыми двигателям: система дистанционного управления MAREX OS II; блоки дистанционного и местного управления; система аварийно-предупредительной сигнализации и защиты; блок управления системой защиты; система управления скоростью двигателя EDC17CV41 [6].
• Компанией AVAT Automation GmbH (Германия) в сотрудничестве с Bachmann Electronic GmbH разработана универсальная платформа с открытым программным обеспечением OpenECS (ECS – Engine Control Systems) для создания систем электронного управления газовыми двигателями на базе промышленных контроллеров PLC (Programmable Logic Controller). Система обеспечивает поддержание заданной частоты вращения и нагрузки двигателя, соотношения воздух-топливо, предотвращение детонации и пропуска вспышек, а также защиту от превышения предельно допустимых значений рабочих параметров. Компактные модули PLC не требуют никаких дополнительных компьютерных инструментов для настройки и техобслуживания. Создание «умного двигателя», который, с одной стороны, может быть интегрирован в общую сеть с гибридными или виртуальными приложениями, а с другой – способен сам собирать данные и направлять их в центральный блок для анализа стало возможным благодаря разработкам AVAT. Устройства, программные модули и сервисы, созданные с помощью новой платформы openECS, могут быть адаптированы для конкретных производителей двигателей. Чтобы начать новую разработку, достаточно в исходный код ввести шаблоны типичных конфигураций двигателей или ECS конкретных двигателей с учетом их назначения [7].
• Система управления дизеля (АО «Коломенский завод», Россия). Электронная система топливоподачи и система управления перепуском части воздуха из компрессора в турбину внедрены на дизеле 12ЧН26/26 мощностью 2500 кВт при 1000 об/мин. Электронная система топливоподачи обеспечивает снижение расхода топлива на долевых эксплуатационных режимах. А также улучшение экологических показателей за счет гибкого управления углом опережения подачи топлива и соотношения топливо-воздух. Кроме того, она обеспечивает стабильность характеристик во времени из-за устранения механической связи между системой управления и топливной аппаратурой. Система позволяет отключать цилиндры в любой комбинации и последовательности. Система управления перепуском части воздуха из компрессора в турбину позволяет улучшить динамические характеристики дизеля за счет использования энергии сжатого воздуха в турбине. Это позволяет существенно снизить дымность и выбросы вредных веществ с отработавшими газами на переходных режимах работы. Электронная система управления топливоподачей, также, выполняет ряд дополнительных функций: контроль состояния датчиков системы; управление нагрузкой; перевод в аварийный режим работы при обнаруженной в результате самотестирования неисправности, обмен информацией по CAN-шине с микропроцессорной системой управления тепловозом, выдачу CAN-протоколов с необходимой информацией; измерение и индикация основных измеряемых параметров двигателя; выдача сигналов предупреждения и тревоги и т. д. Входы и выходы системы могут быть конфигурированы в зависимости от требований заказчика. Параметры настройки по каналу регулирования могут быть изменены непосредственно на работающем двигателе [8].

Системы диагностики СЭУ

Системы диагностики позволяют по результатам непрерывного или периодического измерения и анализа соответствующих параметров решать задачи проверки правильности функционирования, поиска неисправностей СЭУ непосредственно в условиях эксплуатации и планировать её техническое обслуживание. Часто система диагностики тесно связана с системой управления.

Все большее значение приобретают компьютеры и компьютерные системы для развития средств контроля технического состояния энергетического оборудования.

Используемые системы диагностики судовых дизелей наряду с измерением эксплуатационных параметров и оценкой теплотехнических параметров осуществляют контроль практически всех механизмов, систем, узлов и деталей двигателя.

Наиболее распространёнными контролируемыми параметрами работы дизеля являются среднее индикаторное давление (индикаторная диаграмма), частота вращения коленчатого вала (угловая скорость), максимальное давление сгорания, давление сжатия, давление топлива перед форсункой, крутящий момент, эффективная мощность, температура воды в системе охлаждения, температура масла, температура отработавших газов, вибрационные показатели работы и т.д.

Увеличение количества измеряемых параметров приводит к усложнению и удорожанию системы. Важно использовать развитые интеллектуальные системы анализа и обработки данных, которые способны давать однозначные оценки технического состояния оборудования с использованием оптимального количества датчиков без ущерба точности.

Новейшие системы диагностики допускают оперативную перенастройку и коррекцию программ в ходе их эксплуатации.

Диагностические системы существуют как отечественного, так и зарубежного производства:

• Система «Mediag» (Siemens, Германия) для измерения диагностических параметров дизельной установки.
• Система диагностирования типа CPs-360 (CTL, Дания) для дизелей «Burmeister & Wain».
• Система DETS (Norcontrol, Норвегия).
• Система «CEDC» (Sulzer, Швейцария) для диагностирования дизелей RND и М.
• Система «Силдет – СМ» (ASEA, Швеция) для сбора и обработки данных о техническом состоянии дизеля.
• Система PED (SEMT Pielstick, Франция) для диагностирования среднеоборотных дизелей.
• Система МХМС-5800 (Endevco, США) для диагностирования компрессоров, паровых и газовых турбоагрегатов, редукторов, центробежных насосов и т.д.
• Диагностические системы многоцелевого назначения фирм МАК (Германия) и Statronic (Норвегия).
• Система технической диагностики Дизель Мастер (ДМ) (Россия). Система поставляется в двух исполнениях – стационарном (ДМ-2000с) и переносном (ДМ-1000с).
• Система диагностики NK (Autronica, Норвегия).
• Система диагностики и контроля фирмы MMDS (MAN Monitoring & Diagnostic System).
• Система диагностирования дизелей СДД (Россия) является цифровой измерительной системой, которая непрерывно и автоматически производит индицирование двигателя
• Комплекс диагностики двигателя «Ритм-дизель М» (Россия) предназначен для автоматизированного постоянного наблюдения за работой дизельного двигателя на базе микропроцессора при помощи математической модели двигателя внутреннего сгорания.
• Системы технического обслуживания (ТО) основанная на систематическом измерении параметров, позволяющих проследить техническое состояние двигателя, его изменение во времени и деградацию его компонентов и систем двигателей «Wartsila» [9]. Фирма «Wartsila» разработала программу управления системой ТО для двухтактных двигателей «Sulzer» (RCOM-СВМ – Condition Based maintenance). Для совершенствования системы ТО создана единая базу данных из всех представительств фирмы. Совместная обработка данных по конкретному судну и материалов из единой базы позволяет автоматически получить заключение по состоянию выбранного двигателя.

В четырехтактных двигателях «Wartsila» использует автоматизированные комплексы контроля состояния – WECS (Wartsila Engine Control System), которые дополняются системой FAKS (Fault Avoidance Knowledge System). Её программное обеспечение служит для предупреждения поломок, отслеживания изменения состояния и рекомендациям по внесению изменений в организацию ТО. Система выполняет диагностирование состояния, при котором поломка еще не произошла, но измерения указывают, что двигатель работает не оптимальным образом.

На судно и в судоходную компанию центр технического обслуживания с определенной периодичностью направляется отчет с рекомендациями по состоянию установки на данный момент, прогноз на будущее и историю изменений состояния с момента начала работы.

• Система технического диагностирования топливной аппаратуры (СТД ТА) судового малооборотного дизеля Брянского машиностроительного завода (Россия). Система использует в качестве источника информации импульс давления топлива, образующийся за топливным насосом высокого давления. Особенностью системы является то, что она относится к системам с «самообучением» [10].
• Компания Diesel United Ltd (Япония) на основе анализа больших массивов данных «Big Data Analysis» разработала диагностическую платформу универсального характера CMAXS LC-A, обладающую функциями автоматического обнаружения отказов, автоматической диагностики, а также автоматического поиска и устранения неисправностей главных судовых двигателей, а также других видов судового оборудования, размещенного в машинном отделении. Для всеобъемлющей поддержки судовой силовой установки как автономного объекта высокой надежности, используются облачные технологии хранения массива данных, а также организована надежная связь по защищенным каналам между судном, производителями оборудования и береговыми службами [7].
• Также варианты диагностирования отдельных параметров работы судовых ДВС в условиях эксплуатации предложены на кафедре СЭУ АВТ:

1. Система диагностирования и мониторинга крутильных колебаний судовых ДВС с помощью виброанализатора, как альтернатива применения торсиографа, позволяет: сделать вывод о работоспособности установки; производить корректировку запретных зон частот вращения валопровода; оценивать исправность демпферов и антивибраторов крутильных колебаний. Система диагностирования может быть предложена для использования на судах морского и речного флота в целях увеличения надежности СЭУ в условиях эксплуатации [11].
2. Система диагностики дизельного двигателя судна, эксплуатируемого в условиях река-море, который в 7–10 раз дешевле применяемого метода диагностики судовых энергетических установок морских судов. Технические решения, используемые в разработанной системе, защищены двумя патентами – российским (авторы В. И. Толшин и А. Ю. Минаев) и немецким (соавтор В. И. Толшин). Система позволяет определять неисправности в топливной системе, системе наддува, выбросы токсичных компонентов, запас по помпажу, загрязнение компрессора и выпускного тракта [12].

Комплексные системы управления СЭУ

Наиболее эффективна комплексная автоматизация, когда автоматизируются все процессы, связанные с работой судна. Основное направление комплексной автоматизации судов в настоящий период – это внедрение автоматических систем, обеспечивающих дистанционное или полностью автономное управление энергетической установкой судна.

Датчики должны быть установлены на все технические средства судна и подключены к компьютерной системе. Эта система отправляет данные в береговой центр управления (БЦУ), а при необходимости на смартфон заказчика. Оператор центра может получать данные из бортовой системы для мониторинга и управления машинным отделением в реальном времени.

Во второй половине XX века ЦНИИМФ была разработана классификация средств автоматизации судна, которая выделяет 6 основных разделов (таблица 1).

Таблица 1

Комплекс средств автоматизации процессов и оборудования

Все современные комплексные системы управления (КСУ) должны охватывать данные разделы.

Для СЭУ применяются КСУ с распределенной структурой. При этом происходит рассредоточение компьютеров и компьютерных систем, из которых построена система, по всему объекту управления. Все функции управления и мониторинга отдельными механизмами, системами и устройствами выполняют автономно работающие локальные подсистемы. Центральная компьютерная система осуществляет функции связи с человеком-оператором (выдача информации и получения команд), накопление данных и координация работы системы в целом.

Распределенные системы отличаются повышенной надежностью от обычных систем автоматизации с центральной компьютерной системой, осуществляющей все функции управления и контроля объекта. Надежность локальных систем управления обеспечивается, резервированием микросхем, возможностью самодиагностирования и самоконтроля и т. д. Также КСУ с распределенной структурой – проще организованы, что упрощает монтаж и эксплуатацию. Путем увеличения количества аппаратуры и программ есть возможность увеличивать объем функций системы.

Укажем некоторые КСУ [13]:

• КСУ техническими средствами фирмы Siemens (Германия). Система с распределенной магистральной структурой передачи данных.
• Распределенная система централизованного контроля фирмы Norcontrol» (Норвегия).
• КСУ техническими средствами «Selma Marin» (ABB «Стромберг», Финляндия). Система с распределенной радиальной структурой сети передачи данных.
• КСУ техническими средствами «Стэлла UMS-900» (STL, Дания). Система с распределенной магистральной структурой сети передачи данных обеспечивает централизованное управление и контроль системы.
• КСУ техническими средствами «Damatic marin» («Valten», Норвегия). Крупномасштабная КСУ, которая охватывает все технические средства судна.
• КСУ техническими средствами, включая комплексные решения по управлению системами электроэнергетики, компания Metso для крупных круизных лайнеров.
• КСУ техническими средствами, АО «Концерн «НПО «Аврора» (Россия).

Система мониторинга и управления двигателем проекта «MUNIN» [14, 15]

В европейский проект «MUNIN» (Maritime Unmanned Navigation through Intelligence in Networks) входит система автономного мониторинга и управления двигателем (АМУД) «Autonomous Engine Monitoring and Control (AEMC)», которая является автономным контроллером машинного отделения (рис.). Она контролирует и управляет всеми компонентами машинного отделения и работает в качестве приемопередатчика для (БЦУ).

Рис. Структурное расположение AEMC (АМУД) проекта «MUNIN»

Основными задачами системы АМУД являются получение измеренных значений и состояния из системы автоматизации судна (АС), принятие команд управления от других систем, таких как система автономного моста (АМ), и передача их в систему АС.

Основными судовыми системами, находящимися обычно под управлением системы АМУД, являются двигательная система, трюмная система, паровая система и энергетическая установка, включая вспомогательные двигатели, генератор и системы поддержки как система смазки, топливная система и система охлаждения. Топливная система в основном обрабатывается системой АМУД, но процесс расчета и запуска бункеровки осуществляется «мостом».

Система АМ управляет следующими судовыми системами: системы грузов, навигация, маневренности, пожаротушения, кондиционирования воздуха и внешней связи, а также подруливающее устройство и навигационная система.

При нормальных условиях работы система АМУД принимает ее исходные данные от системы эффективности двигателя (ЭД) и следует всем рекомендациям от системы ЭД. Связь с системой ЭД позволяет анализировать работоспособность и дает системе АМУД возможность обеспечения оптимизированной работы производителей электроэнергии. Аварийная обработка включает в себя обнаружение неисправности путем мониторинга ключевых значений, доступа к системе автоматизации двигателя (САД) и дополнительным датчикам, например, ИК-камеры, обнаружение попадания воды, обнаружения газа и пожара.

Об энергоэффективности безэкипажных судов

ИМО приняла руководящие принципы для «Управления энергоэффективностью судна (SEEMP)» под MEPC.1/CIRC.683, что обеспечивает основу для судовой деятельности по энергосбережению. Подход к оптимизации энергоэффективности судна дает конкретные указания для реализации мероприятий по энергосбережению. Основными мероприятиями являются:

• Эксплуатационные меры;
• Меры относительно корпуса и винта;
• Меры относительно механизмов и оборудования;
• Меры относительно служебных помещений;
• Тренировки и инвестиционные меры.

Применение безэкипажных технологий будет затрагивать практически все мероприятия по энергоэффективности. В перспективе появляется возможность для снижения эмиссии вредных выбросов отработавших газов и экономии расходов на топливо и экипаж.

По данным из проекта «MUNIN» (таблица 2) предполагается, что потребление электроэнергии безэкипажного судна в сопоставлении с аналогичным судном сократится на 40%.

Таблица 2

Потребность электрической мощности для стандартного контейнеровоза с экипажем и без него [16, 17]

Однако реальные условия скорректируют данные из таблицы. Для нормальной работы оборудования требуются определённые значения температуры и влажности, поэтому системы отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха будут эксплуатироваться, но с меньшей загрузкой.

Обитаемость на судне тоже должна быть обеспечена для работы аварийных бригад быстрого реагирования.

Возможно, для обеспечения передачи данных в береговой центр управления потребуется увеличение потребления энергии.

У автономного судна отсутствует необходимость в части жилых помещений. Следовательно, будут меньше массогабаритные показатели, меньше потребление энергии (отсутствует необходимость в электроэнергии части помещений и систем судна, меньше тепловой энергии на отопление), а также уменьшиться сопротивление ветра. Вследствие этого при серийном производстве стоимость постройки безэкипажных судов будет ниже, чем у обычных судов.

Выводы

Единый автоматический комплекс будет представлять собой судно будущего, который полностью управляется из одного центра. Космические средства связи будут играть важную роль в реализации этого.

Для систем управления и диагностики перспективным направлением являются универсальные платформы с открытым программным обеспечением и надежная коммуникация по защищенным каналам между судном, изготовителями оборудования и береговыми службами.

Для МО лучше использовать КСУ с распределенной структурой отличающейся повышенной надежностью.

Автономная система управления судовой энергетической установкой должна предсказывать возможные отказы системы и обеспечивать оптимальную эффективность ее использования.

Для обеспечения суверенитета страны и из-за ничем не спровоцированных незаконных санкций, так называемого «цивилизованного» мира, важно разрабатывать и внедрять отечественные комплексные системы управления СЭУ. Все необходимые предпосылки для этого есть.

Дальнейшая разработка автономных безэкипажных судов предоставит следующие преимущества: меньшие затраты на разработку и эксплуатацию, большую автономность улучшение безопасности, увеличение надежности и точности судовых операций.