автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Анализ способов повышения эффективности вспомогательных котельных установок нефтеналивных судов

МЬО ЧЖО ТУ

АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК НЕФТЕНАЛИВНЫХ СУДОВ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.08.05 - СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И ИХ ЭЛЕМЕНТЫ (ГЛАВНЫЕ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 ДЕК 2014

Санкт-Петербург 2014

005556545

005556545

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» на кафедре «Судовые энергетические установки, системы и оборудование»

Научный руководитель:

Даниловский Алексей Глебович, доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Мясников Юрий Николаевич, доктор технических наук, ФГУП «Крыловский государственный научный центр», главный научный сотрудник

Зотов Леонид Леонидович, кандидат технических наук, Санкт-Петербургский национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кафедра организации перевозок и безопасности движения, доцент

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова»

Защита состоится « 29 » декабря 2014 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.228.03 созданного на базе СПбГМТУ по адресу 190008, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3, ауд. А - 313.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте СПбГМТУ http://www.smtu.ru

Отзывы просим направлять в двух экземплярах по адресу: по почте - 190008, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3, СПбГМТУ (отдел ученого секретаря). При наличии электронной подписи - e-mail: disser@smtu.ru

На отзывах просим указывать: ФИО (полностью), ученая степень, должность, почтовый адрес, телефон, e-mail.

Автореферат разослан

2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.228.03 при СПбГМТУ доктор У

технических наук, профессор Сеньков А. П.

Общая характеристика работы Актуальность проблемы. Вспомогательные котельные установки нефтеналивных танкеров вырабатывают большое количество пара в основном за счет сжигания топлива. Вырабатываемый пар расходуется на большое количество потребителей, нуждающихся в греющем рабочем теле с различными параметрами: от пара с температурой 180 °С для подогрева топлива, сжигаемого в главных и вспомогательных двигателях и котлах до воды для обогрева балласта. Особенно большое количество греющего пара используется для подогрева перевозимого груза во избежание потери его текучести. Для этого достаточно пара с температурой 100 - 120 °С. Значительная часть этих потребностей может быть покрыта за счет работы утилизационных устройств, однако до настоящего времени эта проблема не решена. Вследствие работы утилизационных котлов (УК) на общую магистраль с вспомогательными котлами (ВК), вырабатывающими пар с параметрами 10 бар/180 °С, производительность УК не превышает 30% от общей выработки пара на суда*. Остальные потребности покрываются ВК, работающими на топливе. Это не только снижает экономическую эффективность но и провозоспособность танкеров, увеличивает вредные выбросы в окружающую среду.

Вместе с тем большая часть вторичных энергоресурсов ГД остается недоиспользованной - выпускные газы покидающие.УК имеют температуру превышающую 200 °С. Дальнейшее их охлаждение невозможно ввиду высокой температуры получаемого пара - 180 °С. Продувочный воздух полностью охлаждается забортной водой, хотя его температура (160-180 °С) достаточна для получения пара пригодного к использованию в судовых потребителях. Задача более полного использования вторичных энергоресурсов для получения пара и удовлетворения судовых нужд способна принесет значительный энергетический, экономический и экологический эффект, что и определяет актуальность проблемы, решаемой в настоящей работе. Цель работы - повышение эффективности систем снабжения танкеров тепловой энергией, поиск наиболее эффективных схем, обеспечивающих получение теплоты для судовых нужд в основном за счет утилизации тепловых потерь главных двигателей (ГД).

Объектом исследования являются системы утилизации тепловых потерь энергетических установок танкеров как средство повышения эффективности указанных судов.

Предмет исследования - проблема низкой эффективности ВКУ на танкерах и возможность повысить указанную эффективность за счет более полного использования вторичных энергоресурсов. Задачи исследования:

- разработка моделей для определения потребностей в тепловой энергии танкеров с различной конструкцией и размерениями, при различных внешних условиях и при перевозке различных грузов;

- аналитическое исследование и разработка тепловых схем ВКУ, отвечающих решению задачи минимизации расходов топлива на длительных ходовых режимах эксплуатации танкеров;

- разработка программного обеспечения для расчета систем утилизации тепловых потерь СЭУ с целью получения количества теплоты, по возможности отвечающего судовым потребностям;

- разработка алгоритмического и программного обеспечения для расчета изменения внешних условий и параметров эксплуатации, оказывающих влияние на обеспечение баланса потребностей танкера в теплоте;

- разработка моделей автоматизированного проектирования ВКУ с выбором комплектующего оборудования из баз данных и выработкой требований к характеристикам перспективного комплектующего оборудования;

- проведение расчетного исследования с анализом эффективности вариантов тепловых схем ВКУ при изменении внешних условий, линий и регионов эксплуатации, характеристик танкеров;

- проведение анализа устойчивости выводов об эффективности вариантов ВКУ при изменении конъюнктуры рынка, стоимости топлива и фрахтовых ставок.

Научную новизну работы составляют:

- обоснование раздельной тепловой схемы ВКУ, включающей двухконтурные утилизационные котлы и систему утилизации теплоты продувочного воздуха;

- модели оценки потребности танкера в тепловой энергии;

- модель эксплуатации ВКУ танкера при переменных времени года, условий окружающей среды, характеристиках танкера и перевозимого груза;

- модели сравнительного анализа тепловых схем ВКУ с определением экономии энергоносителя в течение кругового рейса и совокупностей рейсов за годовой период эксплуатации;

- полученные результаты по экономии энергоресурсов, затрат на создание и функционирование оборудования ВКУ, снижения загрязнения окружающей среды и анализа устойчивости полученных выводов в условиях нестабильности данных.

Методы исследований. В основу работы положены модели, методы и методики, реализующих алгоритмы проектирования, эксплуатации и оценки качества тепловых схем ВКУ. Для построения указанных моделей были использованы апробированные практикой алгоритмы, изложенные в государственных и отраслевых стандартах, методы материального и энергетического баланса, методы системного анализа, программирование на алгоритмических языках высокого уровня, математическое и компьютерное моделирование, корреляционный анализ и математическая статистика, методы экономического анализа.

Достоверность и обоснованность научных результатов обеспечиваются использованием апробированных практикой методов исследования, типовых алгоритмов, изложенных в стандартах, высокой информативностью применяемых критериев эффективности, проверкой на точность, чувствительность и адекватность математических, и компьютерных моделей, проведением сравнений полученных результатов с результатами проектирования ВКУ транспортных судов в проектных организациях, гибкой системой индексации расходов, проведением анализа устойчивости результатов исследования эффективности при варьировании влияющих факторов. Практическая значимость работы

- обоснованные автором тепловые схемы ВКУ с двухконтурными котлами и системой утилизации теплоты продувочного воздуха обеспечивают приблизительно троекратное увеличение количества получаемого пара и утилизируемой теплоты по сравнению с традиционными объединенными схемами. Это позволяет экономить до 8% топлива в среднем за рейс, увеличить провозоспособность, получать дополнительный доход, снизить расходы и приведенные затраты, ограничить загрязнение окружающей среды парниковым газами и выбросом теплоты;

- разработанные методики, модели и программное обеспечение позволяют проводить исследования альтернативных тепловых схем ВКУ танкеров в проектных и исследовательских организациях морского транспорта и судостроительной отрасли и обосновывать технические решения по ВКУ с более высокой достоверностью;

- разработанные методики выбора более эффективных технических решений по ВКУ, базирующейся на применении согласованных критериев эффективности, позволяют выбирать объективно лучшие варианты комплектации ВКУ - достоверно обеспечивающие улучшение показателей судна;

- созданные методика, модели и программное обеспечение для исследования устойчивости эффективных решений при изменении конъюнктуры рынка и условий использования судна позволяют устанавливать границы области предпочтительности выбранного варианта ВКУ.

Личный вклад автора.

При непосредственном участии автора проводились: постановка задачи исследования, разработка альтернативных тепловых схем ВКУ, предложена идея выработки пара с параметрами в большей степени отвечающих требованиям потребителей, откуда вытекает возможность использования двухконтурных котлов, разработка математических моделей ВКУ, выполнение расчетных исследований и анализ их результатов.

Апробация работы:_Результаты работ апробированы на ряде НТК: СПбГМТУ - 2012, 2013 и 2014 гг, ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова-2013.

Реализация результатов работы. Результаты диссертации внедрены в учебный процесс СПбГМТУ и ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова, о чем имеются акты внедрения.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 статьи в журналах Перечня ВАК РФ, обе статьи по 50% авторского участия. 4 статьи опубликованы в трудах научно-технических конференций с международным участием, из них 1 статья со 100% авторским участием и 3 статьи по 50% авторского участия. Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Объем работы составляет 158 стр. текста, включая 51 таблицы, 34 рисунка, 3 приложения. Список литературы представлен 108 источниками. Основные положения диссертации, выносимые на защиту

- результаты расчетного анализа альтернативных вариантов тепловых схем ВКУ;

- модели, методики и алгоритмы определения потребности танкеров в теплоте и паре при изменении внешних условий, характере перевозимого груза, линии эксплуатации и характеристик танкеров;

- модели, методики и алгоритмы определения количества и качества вторичных энергоресурсов главных двигателей и модели определения производительности утилизационных устройств;

- модели эксплуатации ВКУ танкеров при установке последних на разные линии, при движении с различным грузом, в стохастических условиях внешней среды, при различных типах и параметрах танкеров;

- модели определения характеристик утилизационных устройств, их поверхностей теплообмена и показателей стоимости;

- модели расчета комплексных показателей эффективности сравниваемых тепловых схем в течение характерных периодов эксплуатации - рейса, совокупности рейсов, года эксплуатации;

- анализ устойчивости результатов сравнительного анализа тепловых схем ВКУ при изменении неопределенных параметров.

Краткое содержание работы Во введении приводится краткое описание проблемы и причин недостаточной эффективности систем утилизации теплоты в дизельных установках на нефтеналивных судах. Выполнено обоснование актуальности работы и определяется место рассматриваемых проблем в комплексе вопросов автоматизированного проектирования СЭУ, обосновывается целесообразность разработки программного обеспечения для расчета потребности танкеров в греющем паре и отдельных потребителей в различных параметрах теплоносителей, возможности покрытия этих потребностей. Определяются направления и цели исследования, дается общая характеристика и структура работы.

Первая глава посвящена обзору литературных источников по трем вопросам, анализируемым в работе: по требованиям потребителей тепловой энергии к количеству и качеству теплоносителей на нефтеналивных судах, по системам утилизации вторичных энергоресурсов дизельных установок; по методам обоснования технических решений по судам, энергетическим комплексам в составе СЭУ и их оборудованию.

Показано, что единых подходов к определению характеристик ВКУ нет. Пять стандартов раздельно разрабатывают единую проблему определения потребностей судна в тепловой энергии, а также посвящены детальному проектированию систем использующих тепловую энергию на заключительных этапах проектирования судов. Автоматизацией начальные этапы проектирования ВЭК охвачены в работах СПбГМТУ.

Вопросам утилизации тепловых потерь в дизельных установках посвящено значительное количество работ ряда авторов, в том числе Селиверстова В.М., Маслова В.В., Седельникова Г.Д. и др. В них разработаны модели, обеспечивающие проведение расчета вариантов систем утилизации вторичных энергоресурсов судовых малооборотных дизелей. Однако они в основном предназначены для

проектирования, в нашем же случае важны проблемы анализа утилизации тепловых потерь в процессе эксплуатации танкеров с учетом комплекса влияющих факторов, в том числе стохастических.

Проблемы обоснования проектных решений по вспомогательным объектам морской техники - подсистемам сложной технической системы - транспортного судна, анализировались ранее в работах В.М. Пашина, Ю.Н. Полякова, Ю.Н. Семенова, В.П. Солдатова, Ю.Н. Киреева, В.П. Шостака, В.И. Николаева и др. В последнее время эта проблема анализировалась применительно к судовому

машиностроительному оборудованию - в работах В.Ф. Суслова, А. Г. Даниловского, Н.П. Шаманова. Применительно к ВКУ аналогичных проработок пока не ведет никто.

Первая глава завершается постановкой задачи исследования, в которой анализируются цели выполняемой научной работы и ставятся научные и практические задачи, нуждающиеся в разработке.

Вторая глава диссертации посвящена разработке моделей определения потребностей танкера в тепловой энергии:

- для подогрева перевозимого груза в соответствии с алгоритмом и аналитическими расчетными зависимостями, приведенными в стандарте РДР 5524 - 82;

- при определении расхода теплоты на подогрев топлива, сжигаемого в главных двигателях. Используются характеристики расхода теплоты на подогрев топлива, приведенные в инструкции по проектированию СЭУ с типоразмерами ГД фирмы МАН;

- потребности в паре для удовлетворения общесудовых и бытовых нужд. Они анализируются на основе корреляционных зависимостей.

В третьей главе выполнен анализ способов покрытия потребностей судна в тепловой энергии на спектре режимов эксплуатации. Одним из наиболее очевидных недостатков реализуемых в настоящее время схем утилизации вторичных энергоресурсов является применение объединенных схем выработки пара вспомогательным и утилизационным котлами -оба они работают на общую магистраль. Схема такой установки представлена на рис.1.

На рис.1 обозначены: 1 - циркуляционный насос утилизационного котла; 2 - утилизационный котел (УК); 3 -сепаратор пара УК; 4 - расходная топливная цистерна; 5, 8 -фильтры холодного и горячего топлива; 6 - топливный насос; 7 -подогреватель топлива; 9 - котельный вентилятор; 10 -

воздушные заслонки; 11 - воздухопровод; 12 - форсунки; 13 -питательный насос ВК и УК; 14 - теплый ящик.

Рис. 1. Вспомогательная котельная установка, работающая по объединенной схеме

В магистрали пара поддерживается давление и температура, необходимые для подогрева тяжелого топлива. В качестве топлива для длительного эксплуатационного режима на транспортных судах чаще всего применяют топочный мазут М-100 - наиболее дешевое топливо, обеспечивающее получение наибольшей прибыли. Такое топливо требует подогрева до 150 -155 °С для снижения вязкости до уровня, необходимого для качественного распыла топлива при впрыске в цилиндры ДВС.

Для подогрева топлива до нужной температуры в реальном масштабе времени и при умеренных поверхностях нагрева требуется температурный напор - разность температур греющего пара и подогреваемого топлива, равный 25 - 30 °С. Таким образом, греющий пар должен иметь температуру ок.180 °С и соответствующее давление 10 бар. Для получения этого пара на выходе из УК газы должны иметь температуру не ниже 205 °С.

Необходимость вырабатывать пар с параметрами 10 бар/180 °С исключает из процесса утилизации продувочный воздух, имеющий температуру 160 - 180 °С. Таким образом, объединенная схема ВКУ оставляет без использования

значительную часть вторичных энергоресурсов ГД - выпускных газов и продувочного воздуха.

Рис. 2. Вспомогательная котельная установка, работающая по раздельной схеме

нами обоснована раздельная тепловая схема вку. ина представлена на рис.2. Здесь обозначены: 1,6,23 -циркуляционные насосы УК и ВТС; 2 - двухсекционный утилизационный котел (УК); 3 - сепаратор пара секции низкого давления; 4 - сепаратор пара ВТС; 5 - высокотемпературная секция охлаждения продувочного воздуха (ВТС); 7 -вспомогательный котел (ВК); 8 — воздухопровод ВК; 9 -воздушные заслонки; 10 - котельный вентилятор; 11 - расходная топливная цистерна; 12, 15 - фильтры холодного и горячего топлива; 13 - топливный насос; 14 - подогреватель топлива; 16 -форсунки; 17 - питательный насос ВК; 18 - питательный насос ВТС; 19, 21 - питательные насосы секций УК; 20 - теплый ящик; 22 - сепаратор секции высокого давления УК; 24 - пар на подогрев топлива главного двигателя.

Преимущества предлагаемой раздельной системы утилизации теплоты выхлопных газов и продувочного воздуха, независимых от вспомогательного котла позволяют на длительном ходовом режиме увеличить количество получаемого пара практически в три раза, на ряде рейсов полностью обеспечить танкер теплотой для всех нужд исключительно за счет утилизации. Подогрев тяжелого топлива главного двигателя на

ходовых режимах осуществляется за счет пара высокотемпературной секции утилизационного котла.

Анализ возможностей системы утилизации вторичных энергоресурсов ГД реализуется за два этапа, для каждого из которых разработан соответствующий программный комплекс.

Методика пересчета данных с режима НМДМ на режим ДЭМ разработана в инструкциях фирмы МАМ и изложена в обзоре. На основе этих зависимостей нами разработана модель, позволяющая определить количественно и качественно вторичные энергоресурсы, доступные на режиме длительной эксплуатационной мощности ДЭМ. Выпускные газы на выходе из ГТН направляются в утилизационный котел, а наддувочный воздух на высокотемпературную секцию охлаждения воздуха.

Графические зависимости производительности котлов типа КУП по ОСТ 5.4265-78 в функции расхода и температуры 7"г газов аппроксимированы нами линейной зависимостью в функции 6Г: О = Л 6Г + б < Отах. Коэффициенты А и В аппроксимированы зависимостями в функциями температуры газов. Эти зависимости положены в основу модели, позволяющей определить количество пара и теплоты, которое можно получить при утилизации выпускных газов в одноконтурных и двухконтурных УК. Количество теплоты, получаемое в высокотемпературной секции охлаждения продувочного воздуха (ВТС):

Ов7с = ввс;(Тв-Тк + АТн), где Св - расход продувочного воздуха на входе в ВТС, кг/с; Ср' -теплоемкость воздуха, кДж/(кг °С); Тв - температура продувочного воздуха на входе в ВТС, °С; Тк - температура насыщения при давлении в ВТС, °С; ЛТН - температурный напор в секции ВТС, °С.

В четвертой главе приведено описание методик и моделей, разработанных для сравнительного анализа систем обеспечения судна тепловой энергией. Были разработаны стохастические модели для определения параметров окружающей среды в различное время года и для различных регионов плавания. В табл. 1 представлен среднегодовой ход температуры воздуха в Санкт-Петербурге за 1961 - 1990 г.г.

Таблица 1

Среднегодовой ход температуры воздуха в Санкт-Петербурге ТВоз Янв. Фев. Март Апр. Май Июнь Июль Авг. Сен. Окт. Нояб. Дек. Год Тща* -5,1 -4,1 1,1 8,1 15,6 20,1 21,9 20,0 14,5 8,2 2,0 -2,3 8,3 Тер -7,8 -6,9 -2,2 4,0 10,9 15,6 17,7 16,2 11,1 5,7 0,1 -4,6 5,0 Т™„ -10,7 -9,7 -5,2 0,6 6,5 11,4 13,9 12,8 8,1 3,4 -1,9 -7,1 1,8

Обобщенный вид зависимости для стохастического значения температуры 7у воздуха в С-Пб в произвольный момент времени х может быть описан следующей формулой: к\

Т„=-^— + К2-Ьп{х)-КЪ-х-К4, ехр(х)

1000 „„ 1000 К1=______: К2=

3,3322+ 383,52-Z' 7,8842 +1,126-Z

1000 1000 К3=-К4=-

54,4 + 9,195 -Z ' 10,254 + 508,51 Z

где К1, К2, КЗ, К4 - функции Ze[0;1] - вероятностной оценки величины отклонения температуры воздуха от среднего значения; х-текущее время, выраженное в месяцах.

Аналогично обработаны данные о температуре воды в невском устье, среднегодовой ход которой приведен в табл.2.

Таблица 2

Среднегодовой ход температуры воды в Санкт-Петербурге Tw Янв Фев Map Апр Май Июн Июл Авг Сен Окт Ноя Дек Т„ах 0,6 0,6 2,4 8,9 16,4 23,1 24,2 25,0 19,4 13,3 6,7 4,6 ТСр 0,0 0,0 0,1 1,7 7,9 14,5 18,0 17,4 12,9 7,4 2,1 0,3 Тшп 0,0 0,0 0,0 0,0 0,3 5,7 13,3 12,9 6,2 0,2 0,0 0,0 Общий вид зависимости для случайной реализации температуры воды в невском устье в произвольный момент времени х может быть представлен так:

_1_

■ + ехр(х)-К2-Е-Ь + х-КЪ-Е-Ъ

ехр(х)

К1=ехр(1,7147 ехр(2) -0,471 г2)] К2=ехр(3,022 Т)\

К3=4,63/ехр(г) -15 г2+12,3 Ъ. где К1, К2, КЗ - коэффициенты аппроксимации, являющиеся функциями ге[0;1] - вероятностной оценки величины отклонения температуры воды от среднего значения.

Характеристики температур воздуха и воды в С-Пб и устье Невы используются для определения соответствующих температур на линии эксплуатации танкера в регионе умеренного климата. Пересчет случайных значений и производится пропорционально отношению диапазонов изменений температур в С-Пб и характерных точках на линии рейса.

Для тропических районов плавания годовой ход температур не обладает выраженным изменением характера - есть два незначительных максимума в период прохождения экватора. Колебания температур есть и указаны в стандарте, но они имеют иные, случайные причины. Для этого региона плавания применена иная зависимость для хода температур: значения Тт1п и Ттах ставятся в соответствие границам диапазона изменения случайных значений Т. Полученное значение Т позволяет определить случайные значения температур на основе линейной интерполяции. В соответствии с указанными зависимостями разработана программная модель, обеспечивающая вычисление случайных значений внешних параметров.

Разработан алгоритм расчета параметров рейса танкера и анализа баланса обеспечения судна тепловой энергией от вспомогательных и утилизационных котлов. Начало вычислений -расчет случайных чисел равномерно распределенных в интервале 0-1. Суммирование двух последовательных случайных величин приводит к использованию распределения Симпсона и относительному предпочтению средних значений по сравнению с предельными отклонениями параметров среды. Случайные величины передаются в модель для определения случайных значений температур воздуха и воды.

Последние передаются во все модели, использующие их, это - программа определения расхода теплоты и пара на общесудовые нужды, для расчета обогрева груза, анализ ресурсов утилизации и определение количества теплоты и пара, поучаемых в утилизационном котле и секции ВТС охлаждения наддувочного воздуха. Последней запускается программа, обеспечивающая определение общей потребности судна в тепловой энергии и возможностей покрытия этих потребностей за счет работы утилизационных устройств. В случаях превышения потребностей в теплоте над возможностями систем утилизации недостаток компенсируется за счет сжигания топлива во вспомогательном котле. В случае превышения возможностей систем утилизации над потребностями в теплоте, утилизируемые ресурсы используются в пределах потребности.

В файлах результатов накапливаются данные о значениях расчетных параметров на отрезках пути по 100 миль в течение всего рейса, в том числе потребности в теплоте на судне и их покрытия за счет утилизационных устройств, экономии топлива и его стоимости - за каждый рейс при ходе с грузом и возвратом в балласте.

Разработана методика сравнения вариантов танкеров с объединенной и раздельной схемами утилизации на основе анализа экономия топлива, приведенных затрат, ЕЕ01, согласованного критерия эффективности, объема выбросов загрязнений в окружающую среду. Две основные схемы, подлежат сравнению - объединенная, представленная на рис. 1 и раздельная, представленная на рис.2, примененные на нескольких танкерах, отличающихся грузоподъемностью. Эти танкеры построены и эксплуатируются. На них установлено определенное оборудование, по большей части относящееся к объединенной схеме. Остальное независимое оборудование мы не анализируем. Фактически установленное оборудование ВКУ мы заменяем на аналогичное оборудование, относящееся к раздельной схеме. Вспомогательные котлы замене не подлежат, так как они соответствуют требованиям судна.

Два одинаковых танкера с объединенной схемой и с раздельной схемой снабжения их теплотой и паром устанавливаются на линию и движутся параллельно. В реперных точках изменения условий плавания для них одновременно определяются случайные значения параметров окружающей среды и затраты топлива на снабжение судна теплотой. Количество сэкономленного топлива суммируется за рейс и далее накапливается в течение года эксплуатации. В пятой главе приведены результаты расчетного исследования эффективности технических решений по выбору параметров ВКУ танкеров. Сравнительный анализ объединенной и раздельной схем ВКУ при обеспечение танкера тепловой энергией выполнен для двух танкеров, представленных в табл.4.

Таблица 4

Характеристики анализируемых танкеров

Наименование 0\Л/, ^ нмдм к3 Вгд, □вк.

танкера тдв кВт т/час т/час

Троицкий мост 41100 8310 0,9 1,3 1x19

Московский 100150 14280 0,9 2,22 2x25

проспект

Как видно из табл.4 на танкерах установлены мощные вспомогательные котлы. Танкеры исследовались на трех линиях эксплуатации, отличающихся величиной линии: С-Пб - Н.Орлеан, С-Пб - Монреаль, С-Пб - Марсель. Кроме того танкер Троицкий мост анализировался при двух значениях эксплуатационной скорости - 14 и 15 узлов.

град С 20 10 0 -10 -20 -30

Рис. 3. Температуры воды Т\У и воздуха ТУ за рейс в феврале

На линии С-Пб - Н.Орлеан за годовой период эксплуатации выполнено 9 рейсов с началом в феврале и концом в декабре. Параметры рейсов отличаются в связи с изменением внешних условий. На рис. 3 приведен пример хода температур на линии в феврале.

МДж/ час 4000

500 О

1 J сю

[ аог

; (35К\л/ сгвт

]

—сюр , ОТОР

6000 мили

Рис. 4. Расходы теплоты на общесудовые нужды и СЭУ Изменения температур оказывают влияние на потребности судна в теплоте и паре. В качестве примера на рис.4 приведены зависимости потребностей судна теплоте на общесудовые и бытовые нужды и нужды СЭУ в зимний период. На рис.4 представлены расходы теплоты: СЮР - на обогрев помещений; РВТ - на бытовые нужды; С*ТОР - на подогрев топлива для ГД и ДГ; QOZ - на обогрев цистерн; С>8КЛУ - на систему вентиляции и кондиционирования; С>0 - сумма всех составляющих.

Резкое снижение потребностей в середине рейса связано с выходом в теплую часть Атлантики, повышением температуры и завершением отопительного сезона.

МДж /час

30000

20000

100СП

\ ОРО

Отрезки по 100 миль

1 7 13 1925 31 37

Рис. 5. Расходы теплоты на подогрев груза для разных режимов

На рис. 5 представлены расходы теплоты на: ОРО -поддержание температуры 40 °С; СЗРР - поддержание температуры 70 °С. Первая используется на длинных рейсах, вторая на коротких - до 5 суток.

На рис.6 представлено изменение на линии СПб - Н.Орлеан производительности двух схем систем утилизации теплоты на танкере «Московский проспект» в зимний период. На рисунке представлено количество теплоты, вырабатываемое: 01)К1 -высокотемпературной секции УК, она соответствует объединенной схеме ВКУ; 01)К2 - производительность низкотемпературной секции УК; ОУТБ - производительность высокотемпературной секции охладителя наддувочного воздуха; ОЭ - сумма трех составляющих - оиК1+ 01)К2 + 0\Л"!3 - производительность раздельной схемы ВКУ.

МДж/ час

14500 13500 12500 11500 10500 9500 8500 7500 6500 5500 4500 3500 2500 1500 500 -500

СШК2

........................- '

' аик!

1000

2000

3000 4000

5000

мили

Рис. 6. Выработка теплоты для двух сравниваемых схем ВКУ

На рис. 7 представлено сравнение потребности судна в теплоте (сумма рис. 4 и 5) и производительностей схем утилизации теплоты (рис.6) - 01Ж1 и ОБ.

МДж

/час

20000 15000 10000 5000

1 6 11 16 21 26 31 36 41

I I I I I I I I I I И I I I I I

Отрезки по

100 миль Рис.7. Обеспечение потребности в теплоте для двух сравниваемых схем ВКУ На рис.7 обозначено: ОТР - требуемое количество теплоты - сумма ОРО и ОО; ОТРО - требуемое количество теплоты в балластном пробеге; ОБ - производительность раздельной схемы системы утилизации; 01Ж1 - производительность объединенной схемы утилизации. Как видно из рис.7 первую половину рейса с грузом ОТР > ОЭ. Недостаток теплоты компенсируется работой вспомогательного котла на топливе. Производительности объединенной схемы утилизации 01)К1 достаточно только для

покрытия потребностей в балластном пробеге в теплой климатической зоне.

Зимой в теплом регионе плавания, а также в летнее время на всем протяжении рейса производительность раздельной схемы превышает потребности судна в теплоте.

Благодаря работе схемы ВКУ с двухконтурными котлами и ВТС за рейс танкера «Московский проспект» экономится до 140 тонн топлива, что составляет ок. 8% общего расхода топлива на судне на протяжении всего рейса. Большая часть экономии реализуется на протяжении первой половины рейса в связи с подогревом перевозимого груза. Есть экономия и на втором плече рейса, однако в балластном пробеге потребность в паре снижается, как и экономия топлива. На рис.8 представлена зависимость экономии топлива от применения тепловых схем ВКУ по сравнению с вариантом без утилизации теплоты.

_ 150000

^ 140000 ^ 130000 120000 110000 § 100000 с 90000 £ 80000 | 70000 о 60000 о 50000 т 40000 30000 20000 10000 о

Рис. 8. Экономия топлива и затрат на топливо в схемах 1 и 2

На рис.8 обозначены - экономия топлива: ЭШ - от применения раздельной схемы; БШ - от применения объединенной схемы (в 2,3 раза меньше 31)1); стоимость сэкономленного топлива при его цене 500 долл/т: ЭТСЖ - для раздельной схемы и БТОО - для объединенной схемы. Как видно из рис.8 преимущество раздельной схемы будут сохраняется при варьировании цены топлива в широком диапазоне значений.

Определена стоимость дополнительного оборудования и вычислены приведенные затраты для двух вариантов тепловых схем ВКУ одного танкера. Экономия приведенных затрат для традиционной схемы на танкере «Московский проспект»

Число отрезков По 100 миль

составляет 283 тыс.долл/год. Для предлагаемой схемы экономия приведенных затрат составляет 588 тыс.долл/год.

В связи с экономией топлива возникает возможность перевозки дополнительного количества груза. Полный экономический эффект от применения объединенной схемы ВКУ составит:

31 =283 + 169,6 = 453 тыс. долл/год.

Полный экономический эффект Э2 от применения раздельной схемы ВКУ составит:

32 =588 + 384,9 = 973 тыс. долл/год.

За счет экономии топлива получен не только экономический эффект, но и снижение вредных выбросов в окружающую среду, в том числе снижение годового выброса углекислого газа на 4054 т С02 и снижение тепловыделения на 59150 МДж/год.

По рассмотренным показателям, на разных линиях, для исследованных танкеров с отличающимися скоростями и при варьируемой стоимости топлива раздельная схема (рис.2) более, чем вдвое превосходит традиционную (рис.1), что свидетельствует о высокой эффективности первой и целесообразности ее использования на строящихся судах.

Заключение

1. Традиционные схемы ВКУ предусматривают работу вспомогательных и утилизационных котлов на единую магистраль, из которой происходит разбор пара на питание потребителей. Такой способ требует одинаковых параметров пара вырабатываемых в ВК и УК, соответствующих требованиям к параметрам пара на подогрев тяжелого топлива (10 бар,180°С) и ограничивает использование вторичных энергоресурсов главных двигателей.

2. Кроме тяжелого топлива все остальные потребители пара нуждаются в значительно более низких параметрах греющего тела. Безусловно, эти параметры можно получит из пара с давлением 10 бар путем установки паропреобразователей, но главное это ограничивает возможности утилизации теплоты газов и исключает из утилизации продувочный воздух.

3. Нами обоснована раздельная схема ВКУ, предусматривающая получение утилизируемого пара с параметрами как можно более близкими к нуждам потребителей. Предложенная схема не отрицает традиционную, а развивает ее на предмет устранения отмеченных недостатков. Безусловно, раздельная схема обеспечивает увеличение количества утилизируемой теплоты за счет усложнения, что требует

дополнительных затрат, а это в свою очередь требует обоснования и исследования диапазонов применения предложенных решений.

4. Сравнение эффективности вариантов тепловых схем ВКУ осуществляется на основе имитационного моделирования эксплуатации этих установок на идентичных во всех остальных аспектах танкерах, установленных на одной линии и движущихся одновременно и параллельно.

5. При повышении температуры окружающей среды потребности танкеров в тепловой энергии снижаются, а возможности систем утилизации возрастают.

6. Выработки пара в УК в традиционной системе всегда хватает на подогрев топлива, сжигаемого в главных и вспомогательных двигателях и вспомогательных котлах. В теплом регионе плавания возможности объединенной схемы достаточны для удовлетворения потребностей танкера в тепловой энергии в балластном пробеге.

7. В холодное время года и в умеренном регионе тепловой энергии получаемой в раздельной системе утилизации не хватает для полного удовлетворения судовых нужд. В летнее время производительность раздельной схемы превышает потребности танкера в тепловой энергии. Конечно, она используется в объеме потребностей, то есть не полностью. В теплом регионе плавания в зимний период производительность раздельной схемы достаточна для удовлетворения всех потребностей танкера в тепловой энергии на ходовом режиме с подогревом груза.

8. Обе сравниваемые схемы обеспечивают годовую экономию топлива, расходуемого на судне. Объединенная - в количестве 3,4% от расхода топлива на главные двигатели и дизель-генераторы. Раздельная - в объеме 7,7%, то есть практически вдвое больше.

9. Получение экономии топлива в раздельной схеме нуждается в дополнительных вложениях - требуется установка двухконтурного утилизационного котла, с массой и стоимостью ориентировочно вдвое больше, чем традиционный УК, применяемый в объединенной схеме. Кроме того, требуется применение системы утилизации теплоты наддувочного воздуха с площадью теплообмена близкой к таковой для одной из секций УК. Ее установка у торца главного двигателя затруднена, требуется ее разделение на две секции и установка сбоку от главного двигателя наряду с двумя турбонагнетателями, работающими на отсек цилиндров каждый. Секция ВТС должна быть выполнена в форме пластинчатого теплообменника. ГОСТ

15518 - 78 рекомендует такие теплообменники площадью до 360 м , что превышает потребности анализируемых танкеров.

10. Дополнительные капитальные вложения для танкера «Московский проспект» составят 239,3 тыс. долл. Применение раздельной схемы на этом танкере обеспечивает экономию приведенных затрат - 588,5тыс.долл/год. Кроме того уменьшается полная масса ВКУ по такой схеме, что приносит доход от перевозки дополнительного груза в размере 384,9 тыс. долл/год.

Полный экономический эффект (согласованный критерий эффективности, прибыль) для раздельной схемы на танкере «Московский проспект» составит 973,4 тыс. долл/год.

Дополнительные капитальные вложения окупаются четыре раза в год или за 2,5 рейса большой протяженности.

11. Применение раздельной схемы обеспечивает снижение вредных выбросов в окружающую среду, в том числе на 4054 т/год С02 и 59150 МДж /год тепловых выбросов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих изданиях:

Научные статьи, опубликованные в реферируемых журналах, входящих в перечень ВАК:

1. Мьо Чжо Ту. Анализ методов повышения эффективности судовой вспомогательной котельной установки/ А.Г. Даниловский, A.A. Иванченко, Мьо Чжо Ту/ Журнал университета водных коммуникаций /Судостроение и судоремонт /. СПГУВК. Выпуск 3, 2012 г. Стр.87 - 94. (Автор 50%).

2. Мьо Чжо Ту. Сравнительный анализ тепловых схем вспомогательных котельных установок на танкере/ А.Г. Даниловский, A.A. Иванченко, Мьо Чжо Ту. Морской вестник. № 2, 2014 г. С. 43 - 44. (Автор 50%).

Научные статьи в сборниках трудов конференций:

3. Мьо Чжо Ту. Повышение энергетической эффективности вспомогательных котельных установок/ A.A. Иванченко, Мьо Чжо Ту, А.Г. Даниловский/ Материалы всероссийской межотраслевой научно-технической конференции с международным участием. СПбГМТУ. Изд. РИО СПбГМТУ, 2012 г. Стр. 164 - 165. (Автор 50%).

4. Мьо Чжо Ту. Алгоритмическое и программное обеспечение для оптимизации систем утилизации теплоты на танкерах/ Мьо Чжо Ту, А.Г. Даниловский, A.A. Иванченко/ Материалы всероссийской межотраслевой научно-технической конференции с международным участием. СПбГМТУ. Изд. РИО СПбГМТУ, 2013 г. Стр.138. (Автор 50%).

5. Мьо Чжо Ту. Алгоритмическое и программное обеспечение для оптимизации систем утилизации теплоты на танкерах/ Мьо Чжо Ту, А.А. Иванченко /Материалы IV межвузовской научно-практической конференции аспирантов, студентов и курсантов «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА РОССИИ» Секции 4. Судовые энергетические установки, оборудование и системы. ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова. Изд. РИО ГУМРФ, 2013 г. Стр.211 - 216. (Автор 50%).

6. Мьо Чжо Ту. Структура программного обеспечения и результаты сравнительного анализа тепловых схем ВКУ/ Мьо Чжо Ту/ Материалы третьей всероссийской межотраслевой научно-технической конференции /Секция «Судовые энергетические установки », СПбГМТУ. Изд. РИО СПбГМТУ, 2014. Стр. 126. (Автор 100%).

Издательство СПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 30.10.2014. Зак. 4708. Тир.70. 1,1 печ. л.