21

POMOCNICZE ZESPOŁY ENERGETYCZNE, INSTALACJE SIŁOWNI OKRĘTOWYCH

Siłownia okrętowa poza napędem głównym statku musi zapewnić także energię elektryczną, energię w postaci ciepła oraz energię w postaci gazów i cieczy o podwyższonym ciśnieniu.

Te rodzaje energii służą do:

·        obsługi pracy głównego układu napędowego,

·        do zapewnienia ruchu i manewrów statku,

·        zapewnienia jego żywotności, szczególnie niezatapialności i ochrony przeciwpożarowej,

·        zabezpieczenia przewożonego ładunku,

·        załadunku i wyładunku,

·        stworzenia odpowiednich warunków bytowych dla załogi i pasażerów,

·        spełnienia wymogów ochrony środowiska,

·        zapewnienia łączności statku ze światem,

·        innych mniej ważnych czynności oraz zadań, jakie wynikają z funkcji statku.

Dlatego też w siłowni poza głównym układem napędowym znajduje się wiele różnych maszyn, mechanizmów, urządzeń, układów, zespołów oraz instalacji.

Jeśli ograniczyć się do siłowni spalinowych, ważniejsze z nich stanowią:

1.    Elektrownia okrętowa (źródło prądu elektrycznego)

Energia elektryczna konieczna jest do napędu maszyn pomocniczych i zasilania urządzeń służących do obsługi silników głównych, do napędu wszystkich innych maszyn w siłowni i poza nią, a także do zasilania urządzeń ogólnookrętowych, nawigacyjnych, łączności, kuchni, sprzętu gospodarczego, dla oświetlenia, itp.

W siłowniach, gdzie napęd główny stanowią wolnoobrotowe tłokowe silniki spalinowe bądź średnioobrotowe o mniejszych prędkościach obrotowych konieczna jest energia elektryczną do napędu maszyn pomocniczych obsługujących te silniki (np. pompy, sprężarki), gdyż muszą one być niezależne od silników głównych (napędzane są silnikami elektrycznymi).

Natomiast w przypadku silników średnioobrotowych o wyższych prędkościach obrotowych i zawsze w przypadku szybkoobrotowych ta potrzeba nie występuje, gdyż wszystkie urządzenia i maszyny obsługujące pracę tych silników (np. pompy, chłodnice, filtry), zamontowane są na tychże silnikach i napędzane są mechanicznie bezpośrednio od nich. Natomiast ewentualne rezerwowe maszyny i urządzenia służące do ich obsługi instalowane są oddzielnie i mają napęd niezależny - elektryczny.

Energia elektryczna wytwarzana jest kilkoma sposobami:

Mogą to być:

·        niezależne zespoły prądotwórcze, tzn. prądnice napędzane przez oddzielne tłokowe silniki spalinowe, czy też nawet turbozespoły spalinowe,

·        utylizacyjne turboprądnice (prądnice napędzane przez turbiny parowe zasilane parą z kotła utylizacyjnego, lub przez utylizacyjne turbiny spalinowe),

·        prądnice wałowe (prądnice napędzane bezpośrednio od silnika głównego, bądź też od przekładni czy też linii wałów).

2.    Kotły parowe pomocnicze oraz instalacja pary pomocniczej.

Energia w postaci ciepła, której nośnikiem jest para wodna, konieczna jest do:

·        podgrzewania oleju ciężkiego w zbiornikach zapasowych,

·        podgrzewania paliwa podczas jego przygotowywania do użycia,

·        podgrzewania oleju smarowego przed uruchomieniem silników,

·        podgrzewania w czasie oczyszczania (odwirowywania) paliw i olejów smarowych,

·        produkcji wody słodkiej z wody morskiej,

·        ogrzewania pomieszczeń bytowych statku,

·        do czyszczenia (parowania) zbiorników oleju i paliwa,

·        do kuchni oraz do innych celów gospodarczych.

W siłowniach z silnikami spalinowymi, podczas postoju statku (w porcie, na redzie) oraz przy małych prędkościach pływania parę produkują kotły pomocnicze (niezależne) opalane paliwem - z reguły tym samym co silniki główne.

W morzu, podczas normalnej pracy silników napędowych głównych, parę produkują kotły utylizacyjne ogrzewane spalinami wylotowymi z tych silników. Kotły pomocnicze występują więc w postaci:

·        kotły pomocnicze niezależne - opalane olejem opałowym,

·        pomocnicze kotły utylizacyjne - wykorzystujące ciepło spalin wylotowych silników głównych,

·        kotły pomocnicze kombinowane – będące konstrukcyjnym połączeniem dwóch wyżej wymienionych typów.

3.   Wyparowniki wody słodkiej (produkcja wody słodkiej z wody morskiej).

4.   Urządzenia ochrony środowiska:

·       oczyszczania wody zęzowej,

·       obróbki fekaliów,

·       urządzenia do spalania odpadów stałych i ciekłych.

5.    Urządzenia chłodni i klimatyzacji.

6.   Instalacje obsługujące silniki główne i pomocnicze, kotły parowe i inne mechanizmy bądź urządzenia siłowni:

·        wody chłodzącej słodkiej i zaburtowej,

·        oleju smarowego,

·        paliwa,

·        sprężonego powietrza,

·        pary pomocniczej.

7.     Instalacje ogólnookrętowe:

·       zęzowa,

·       balastowa,

·       przeciw pożarowa (wodna, parowa, CO2),

·       sprężonego powietrza,

·       sanitarna.

8.   Układy automatyzacji siłowni oraz kontroli jej parametrów pracy i awaryjnych zabezpieczeń.

WSKAŹNIKI I PARAMETRY SIŁOWNI OKRĘTOWYCH

W czasie projektowania i eksploatacji siłowni okrętowych występuje potrzeba ich analiz, porównywania różnych rozwiązań oraz oceny merytorycznej. Pomocne w tym są wskaźniki charakteryzujące (umownie) układy napędu głównego, elektrownie okrętowe i całe siłownie.

Wskaźniki te nie są uniwersalne, a każdy z nich charakteryzuje siłownię, czy też tylko układ napędowy, w jakimś aspekcie (tylko pod jakimś względem).

Najważniejsze wskaźniki z nich to:

·        Ekonomiczne - ekonomika pracy siłowni w dominującym stopniu decyduje o wynikach finansowych statku, a przede wszystkim o kosztach paliwa, oleju smarowego, amortyzacji, kosztach załogowych i innych kosztach materiałowych.

·        Eksploatacyjne - to między innymi niezawodność pracy siłowni, przeciążalność silników napędu głównego, zdolność wykonywania manewrów, dopuszczalne okresy międzyremontowe i koszty tych remontów.

·        Energetyczne – na przykład: sprawności, jednostkowe zużycie paliwa, moce i momenty, jako ze decydują o prędkości statku, tym samym - chociaż pośrednio decydują także o jego efektach ekonomicznych.

Poza wymienionymi trzema rodzajami wskaźników występuje wiele innych, dotyczących siłowni okrętowych. Na przykład wskaźniki:

·        masowe i gabarytowe (jednostkowe masy i jednostkowe gabaryty) silników, mechanizmów, urządzeń, instalacji oraz całych siłowni - szczególnie przydatne na etapie projektowania,

·        technologiczności,

·        standaryzacji,

·        unifikacji,

·        ergonomiczne,

·        dopuszczalnych poziomów drgań w siłowni,

·        hałasu,

·        mikroklimatu, to znaczy temperatury, wilgotności i zanieczyszczeń powietrza.

Dla tak złożonych i różnorodnych układów technicznych, jakimi są siłownie okrętowe, wskaźniki te muszą być ściśle zdefiniowane i jednoznacznie interpretowane. W przeciwnym razie mogą zaistnieć poważne przekłamania, tym bardziej że występują także pewne zbieżności w nazewnictwie (np. sprawność napędowa i sprawność napędu).

Wielkość siłowni okrętowej określa przede wszystkim moc głównego lub głównych silników napędzających śrubę czy też śruby. Jest ona zazwyczaj oznaczona symbolem P, a jednostką jest kilowat kW.

Uprzednio, moc silników podawana była najczęściej w postaci mocy wewnętrznej, czyli mocy rozwijanej wewnątrz silnika przez czynnik roboczy

Obecnie ogólnie przyjętym wskaźnikiem mocy silnika jest moc na sprzęgle, tzn. moc oddawana przez silnik na zewnątrz Pe, zwana też mocą użyteczną lub efektywną silnika. Moc na sprzęgle jest mniejsza od mocy wewnętrznej o straty mechaniczne silnika.

Dla silników wolnoobrotowych napędzających bezpośrednio śrubę, moc na sprzęgle

równa jest mocy oddawanej na wał napędowy. W przypadku silników średnio i szybkoobrotowych zwykle jest konieczne stosowanie przekładni, a wówczas moc przekazywana na wał jest mniejsza od mocy na sprzęgle o straty w przekładni.

Moc przekazywana śrubie okrętowej jest mniejsza od mocy na wale o straty linii wału, moc tę nazywamy mocą na stożku śruby.

Z kolei dalsze straty napędowe są związane z pracą śruby i tylko część mocy dostarczanej do śruby, zostaje efektywnie wykorzystana do napędu statku, tzn. do pokonania jego oporów ruchu. Ta część mocy jest określana jako moc holowania.

Moc użyteczną lub efektywną (zewnętrzną), tłokowych silników spalinowych, jeśli ma być dokładnie pomierzona, mierzy się na hamowniach. W warunkach eksploatacyjnych siłowni okrętowych, moc określa się na wale pośrednim za pomocą na torsjometru, poprzez pomiar momentu obrotowego i prędkości obrotowej. Ten sposób pomiaru może być obarczony błędem nawet do ok. 3%.

Podobnie jak o moc, dzielimy moment obrotowy silnika i wyróżniamy:

·        moment użyteczny,

·        moment na wale,

·        moment na stożku śruby.

Między momentem a mocą oraz prędkością obrotową zachodzi zależność:

Ttq – [Nm],

Pe – [N],

w - [rad],

n – [s-1].

Wskaźniki energetyczne okrętowych napędów głównych

Stopień wykorzystania energii dostarczonej do wykonania pracy mechanicznej nazywany jest sprawnością. Sprawność jest miernikiem strat zachodzących w siłowni jako całości, bądź w poszczególnych maszynach i urządzeniach wchodzących w jej skład. Zwykle wyodrębnia się straty o podobnym charakterze, nadając im odpowiednie nazwy.

Sprawność jest wskaźnikiem energetycznym, a pośrednio eksploatacyjnym i ekonomicznym, gdyż stopień wykorzystania energii świadczy o walorach eksploatacyjnych maszyny i o kosztach jej eksploatacji.

Punktem wyjścia dla określenia sprawności siłowni okrętowej jest ilość energii Qp [kJ] jaką można by uzyskać z zupełnego i całkowitego spalenia dostarczonego paliwa, przy czym z reguły przyjmujemy dolną wartość opałową paliwa....