Существует целый спектр устройств и систем для работы на волнении в море, в частности для передачи грузов с судна на судно, что является актуальной проблемой не только на гражданском, но и на военном флоте.
Так, для военно-морского флота возможность обеспечения кораблей и судов как топливом и провизией, так и сменой команды без необходимости покидать место проведения работ или уходить с намеченного маршрута, позволит сократить издержки выполняемых операций, позволяя повысить автономность. Выделяют следующие основные способы передачи людей и грузов в море:
контактный (непосредственно с борта на борт);
кильватерный (с кормы на нос или с носа на корму);
траверзный (с помощью канатной системы, устанавливаемой между судами);
вертолетный.
В настоящей статье рассматривается передача сухих и жидких грузов в море на волнении, в том числе на ходу, траверзным способом, как наиболее приспособленном для таких условий и способном обеспечить всю передачу всей номенклатуры грузов. Производством систем передачи грузов занимается несколько фирм в мире из США, Канады, Германии, Норвегии, Китая и ранее в СССР. В новейшей истории России построено одно судно, оборудованное современной системой передачи грузов – это средний морской танкер "Академик Пашин" с системой, произведенной в Китае. Подобные устройства отличает высочайшая динамика, что связано с требованиями, предъявляемыми к подобным системам (работа на волнении до 5-ти баллов включительно, широкий диапазон водоизмещений принимающих судов). Схема работы системы передачи сухих грузов траверзным способом представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема работы системы передачи сухих грузов траверзным способом 1 – передающее судно; 2 – груз; 3 – принимающее судно; 4 – лебедка несущего каната; 5 – несущий канат; 6 – натяжитель; 7 – лебедка одерживающего каната; 8 – одерживающий канат; 9 – лебедка тянущего каната; 10 – тянущий канат / Фото: ООО "Троицкий Крановый завод" / Фото: ООО "Троицкий крановый завод"
С передающего судна 1 груз 2 по канатной дороге передается на принимающее судно 3. В основе канатной дороги лежит несущий канат 5, который и воспринимает основную часть веса груза. Травление и выбирание несущего каната осуществляется лебедкой несущего каната 4. Так как в процессе качки судов расстояние между точками крепления несущего каната 5 может изменяться в широком диапазоне, то для компенсации этого изменения служит натяжитель 6, при этом натяжение в несущем канате изменяется. Для того, чтобы груз контролируемо перемещался по несущему канату, а не скатывался самопроизвольно, служит лебедка одерживающего каната 7 и канат 8, а также лебедка 9 и канат 10. Тянущая лебедка 9 необходима для случаев, когда скатывающая сила, действующая на груз, не сможет обеспечить требуемой скорости перемещения груза.
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ
В виду динамичности процесса передачи груза при волнении для анализа работы системы применялось имитационное моделирование Для проведения моделирования требовалось определение натяжений в несущем, а также в одерживающем и тянущем канатах, которые были определены по методикам, представленным в работах [4], [5], исходя из массы передаваемого за один цикл груза 2 т. При этом усилие в несущем канате составило 9 т, в тянущей лебедке – 0,75 т, в одерживающей лебедке усилие определяется по результатам моделирования. Также с помощью специализированного программного обеспечения были определены параметры качки (ускорения, скорости и углы наклона) судов на волнении до 5 баллов (по шкале ГУГМС-53). В качестве передающего судна был принят танкер "Академик Пашин" пр. 23130, а принимающего – судно пр. 18280 (параметры принимались из открытых источников). Углы и угловые скорости бортовой качки, являющейся определяющей при траверзной передаче грузов, судов представлены на рисунке 2.
Рисунок 2 – Угловые скорости и углы наклона судов: а) принимающее; б) передающее / Фото: ООО "Троицкий Крановый Завод" / Фото: ООО "Троицкий крановый завод"
Полученные на рисунке 2 результаты оказались близки к имеющимся данным по испытаниям танкера. Данными по принимающему судну ООО "ТКЗ" не располагал, однако, схожесть результатов по передающему судну позволяет сделать подобное предположение. Полученные параметры затем использовались для проведения имитационного моделирования, которое проводилось для наиболее неблагоприятных режимов работы лебедок.
Во время качки, когда груз находится в непосредственной близости к передающему или принимающему судам, их взаимное сближение способно вызвать удары груза о судно. Чтобы этого избежать необходимо обеспечивать неподвижность груза относительно судна, возле которого он находится. В случае когда груз находится возле передающего судна, то такая неподвижность обеспечивается одерживающей лебедкой, которую достаточно просто застопорить. Тянущая лебедка в это время работает через одинарный полиспаст. При нахождении груза возле принимающего судна необходимо отслеживать изменение расстояния между судами и корректировать скорости как тянущей, так и одерживающей лебедок. В этом случае скорости как тянущей, так и одерживающей лебедок равны скорости изменения между точками крепления несущего каната. Таким образом, наиболее неблагоприятным режимом для тянущей лебедки принят, когда груз находится возле передающего судна, а для одерживающей – возле принимающего. Усилие в тянущей лебедке поддерживается равным 0,75 т, в одерживающей вычисляется автоматически. Компенсация качки для несущего троса осуществлялась неким условным натяжителем, необходимая мощность для которого также была целью проведения моделирования. Время моделирования определяется расстоянием между судами в 30 м. Результат представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 – Результаты моделирования работы системы / Фото: ООО "Троицкий Крановый Завод"
На рисунке 4 представлены графики необходимых мощностей для натяжителя и лебедок.
Как видно из графиков на рисунке 4 наибольшая мощность (на порядок в сравнении с лебедками) требуется для компенсации качки судов. Поэтому обеспечение динамики колебательного процесса и является главной проблемой систем передачи грузов, а именно решение задачи минимизации потребления электроэнергии из судовой сети, подзадачами которой являются минимизация инерционности системы и повышение кпд.
ПАССИВНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ
Подавляющее большинство производителей систем решают проблему с помощью гидравлического привода и использования пассивной компенсации качки (гидравлический цилиндр (рисунок 1), подключенный к пневмогидроаккумулятору). Описанная схема для компенсации качки судов была изобретена в середине прошлого века и подтвердила работоспособность, но система имеет ряд недостатков:
наличие дополнительного устройства для натяжения каната;
усилие в цилиндре натяжителя неодинаково в диапазоне хода поршня, что вызывает изменение усилия в канате, а соответственно и раскачку груза по вертикальной оси (снижение этого эффекта требует увеличения объема газа гидроаккумулятора, что влечет за собой установку дополнительных баллонов и соответствующие этому издержки);
низкий кпд системы гидравлики с большим количеством потребителей и связанная с этим большая мощность, потребляемая из сети (в конкретном примере около 1000 кВт при одновременной передаче груза на оба борта);
высокие эксплуатационные расходы;
трудоемкий монтаж;
для размещения оборудования требуется значительный объем помещений. Достоинствами указанной схемы являются:
поддержание усилия натяжения в несущем канате в пассивном режиме, то есть без потребления энергии из судовой сети;
высокая стойкость оборудования к воздействию морской воды (волн).
АКТИВНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ
Развитие техники как в области создания новых типов электродвигателей с низким моментом инерции, частотно-регулируемого управления электродвигателями, так и в области накопления электроэнергии и ее рекуперации, позволяет решать задачи компенсации качки на более высоком уровне и без применения гидропривода. При колебательном процессе качки судов полупериоды генераторного режима (точки крепления несущего каната расходятся) чередуются полупериодами двигательного (точки крепления несущего каната сходятся). Путь к минимизации потребления энергии из судовой сети – накопление энергии в полупериоды генераторного режима и использование ее в полупериоды двигательного режима. В этом случае из сети будет потребляться электроэнергия только для возмещения кпд системы. В подобной схеме применяется концепция активной компенсации качки – компенсация качки и поддержание заданного натяжения в канате (именно натяжения каната, а не момента привода т.к. момент будет изменяться за счет инерции вращающихся частей) реализуется за счет лебедки несущего каната. Схема работы устройства передачи груза аналогична схеме, представленной на рисунке 1, за исключением отсутствия натяжителя, роль которого выполняет лебедка несущего троса. Для приведения в движение лебедки используется частотно регулируемый сервопривод. В качестве накопителя энергии используются суперконденсаторы отечественного производства, которые являются промежуточным звеном между классическими конденсаторами и аккумуляторами [2]. Суперконденсаторы позволяют накапливать больше энергии при тех же габаритах чем обычные конденсаторы (но меньше чем аккумуляторы), а скорость заряда/разряда превышает соответствующие значения у аккумуляторов [3]. Преимуществами данной концепции являются:
отсутствие отдельного устройства для компенсации качки и соответственно пневмогидроаккумуляторов, баллонов азота и компрессора;
неограниченный диапазон компенсации расстояний между точками креплений каната;
высокий кпд системы;
возможность поддержания любого заданного усилия (ниже номинального) "по нажатию одной кнопки", что позволяет работать с судами малого водоизмещения;
низкие эксплуатационные расходы;
высокая надежность;
реализация активной системы компенсации качки позволила обеспечить безударный подход груза к принимающему судну и отход от передающего.
Недостатки:
дополнительный элемент в виде накопителя электрической энергии;
электрооборудование, невзирая на высокую степень защиты, более уязвимо при расположении на открытой палубе.
По результатам сравнения двух подходов для дальнейшей реализации выбран более современный метод, обладающий неоспоримыми преимуществами. Пользуясь полученными в ходе моделирования результатами и просуммировав графики мощности на рисунке 4, а также добавив к ним потери энергии за счет КПД системы, были получены графики мощности запасаемой и потребляемой энергии, представленные на рисунке 5
Рисунок 5 – Мощности запасаемой и потребляемой энергии / Фото: ООО "Троицкий Крановый Завод"
Также была проведена приближенная оценка потребляемой из сети мощности, которая была получена как разница между запасаемой и потребляемой мощностями (более точные результаты будут получены при моделировании энергосистемы, которое планируется в дальнейшем). Результат изображен на рисунке 6.
Рисунок 6 – Приближенный график потребляемой из сети мощности / Фото: ООО "Троицкий Крановый Завод"
Как видно по графику на рисунке 6, потребляемая из сети энергия в несколько раз меньше необходимой для работы системы, как если бы она работала без рекуперации энергии.
ВЫВОДЫ И ДАЛЬНЕЙШИЕ ПЛАНЫ
Реализация системы передачи грузов на электроприводе с применением технологии активной компенсации качки значительно улучшает экономические показатели судна. Полученные результаты позволили оценить, что суммарная установочная мощность системы может быть снижена в 4 раза до 250 кВт, что допускает применение дизель-генераторов меньшей мощности, кабельной продукции и щитового оборудования на меньшую мощность, может быть принята дополнительная полезная нагрузка (предполагаемое снижение объема подпалубного пространства для размещения оборудования – в 4 раза), снижаются эксплуатационные расходы. Система будет более надежной и безопасной. На стенде ООО "ТКЗ" уже проведена проверка в действии масштабного макета энергосистемы устройства, подтвердившая принятые решения. Сейчас ведется работа над масштабным макетом системы передачи сухих грузов в целом для отработки алгоритмов управления. Реализация системы передачи грузов на электроприводе с возможностью накопления электроэнергии, основанную на применении суперконденсаторов – это начало нового поколения решений для офшорной техники, работающей при волнении моря, в том числе и мобильных исполнений.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Горшков И. А., Махорин Н. И. Передача грузов в море. Справочник. Л., "Судостроение", 1977, 256 с.
2. В.Шурыгина. Суперконденсаторы. Помощники или возможные конкуренты батарейным источникам питания. Журнал "ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес", Выпуск № 3/2003. 3. Суперконденсаторы: принцип работы и алгоритм выбора [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://spb. terraelectronica.ru/news/6295 , свободный.
4. Дукельский А.И. Подвесные канатные дороги и кабельные краны. Издание 4-е, перераб. и доп. "Машиностроение", 1966, 485 с.
5. Махорин Н. И. Судовые кабельные краны (особенности расчета и проектирования). Л., "Судостроение", 1969, 83 с.
