Оптимизация управления электростанцией из условия минимума расхода топлива и с учетом метеоусловий

Abstract

В работе рассмотрено решение задачи повышения эффективности управления электростанцией по критерию минимального расхода топлива с учетом метеоусловий. Проанализированы режимы работы электростанций современных судов и их средняя загрузка. Предложены выражения для определения суммарного коэффициента избытка воздуха двигателей в судовой электростанции с учетом расхода влажного и сухого воздуха, определяемого по номограммам, приведенным в работе. Получены выражения, позволяющие определить оптимальный коэффициент избытка воздуха двигателя внутреннего сгорания, соответствующий максимальному КПД. Разработаны алгоритмы управления электростанцией с учетом минимума расхода топлива путем варьирования коэффициентом избытка воздуха и топливоподачей. Выполненные исследования позволяют установить правила функционирования системы оптимального управления электростанцией при изменении нагрузки, технического состояния ГА и условий окружающей среды.

Сучасні суднові електроенергетичні системи мають низький коефіцієнт завантаження і, як наслідок, низький коефіцієнт корисної дії. Це може бути наслідком не тільки невдалої конфігурації електроенергетичної установки, але й недовершеної організації її режимів роботи. Досі вирішення завдань, що розглядаються, виконують за допомогою приблизних, а частіше достатньо грубих способів, прагнучі підвищити резервування електричної потужності у головних режимах роботи судна. При розрахунку потужності та припустимих значень завантаження електростанції за режимами зазвичай відштовхуються від усереднених або граничних значень змінних, що не керуються (запит завантаження, температура, тиск, вологість навколишнього середовища та ін.). Найбільш характерними змінами параметрів при плаванні судна у тропічних широтах є зменшення потужності двигунів, підвищення витрати пального та температури вихлопних газів, викликані зменшенням заряду повітря та зростанням його температури. Метою цього дослідження є вирішення завдання управління електростанцією з умов мінімуму витрати пального, розробка алгоритмів розрахунку та безперервного контролю припустимих навантажень дизелів, а також алгоритмів автоматичного регулювання параметрів роботи двигуна з урахуванням змін навколишнього середовища. У роботі проаналізовано режими роботи електростанцій сучасних суден та їх середнє завантаження. Запропоновані вирази для визначення сумарного коефіцієнта надлишку повітря двигунів у судновій електростанції з урахуванням витрати вологого та сухого повітря, що визначається за номограмами, наданими у роботі. Отримано вирази, які дозволяють визначити оптимальний коефіцієнт надлишку повітря двигуна внутрішнього згоряння, що відповідає максимальному ККД. Розроблено алгоритми управління електростанцією із урахуванням мінімуму витрати палива шляхом варіювання коефіцієнта надлишку повітря та подачі палива. Виконані дослідження дозволяють встановити правила функціонування системи оптимального управління електростанцією при зміні завантаження, технічного стану генераторних агрегатів та умов навколишнього середовища.

Modern automated marine electrical power systems have low generated power load factor and, as the result, low efficiency. It can be explained not only by power plant configuration but also imperfect setup of power plant control modes. So far such tasks are being solved using approximate and in some cases rough methods tending to increase power redundancy in main ship operation modes. During the calculation of power and load limits of power plant usually mean or critical values of uncontrollable variables (power demand, pressure, temperature and ambient humidity) are used without taking into account the changes in such parameters. The most specific changes in parameters when ship sails in tropics are the following: reduction of engine power, increase of specific fuel consumption and exhaust gas temperature caused by decrease of air weight charge and increase of its temperature. The goal of this research is to work out the algorithms of calculation and continuous control of permissible power plant engine loads as well as the algorithms of automatic control of engine operating parameters in accordance with changes of ambient parameters. Power plant internal combustion engines air to fuel ratio calculation method is proposed in the paper taking into account wet and dry air consumption which can be defined using given nomograms. Fuel-air ratio optimization algorithms are developed. Power plant control optimization algorithms on minimum fuel consumption taking into account weather conditions are synthesized. The fulfilled research allows to develop marine power plant control systems, optimal during changes in load, generator engines technical condition and weather condition.