автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Мониторинг технических требований для создания серийных речных судов-газоходов

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СЛУЖБА РЕЧНОГО ФЛОТА

Санкт-Петербургский Государственный Университет

водных коммуникаций

На правах рукописи

ФОМИН НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ

МОНИТОРИНГ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ СЕРИЙНЫХ РЕЧНЫХ СУДОВ-ГАЗОХОДОВ

Специальность:

05.08.05.Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор, академик PAT Л.В. Тузов

Санкт-Петербург, 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Условные обозначения и сокращения.........................................................5

Введение...........................................................................................................9

I. Предпосылки применения газового топлива на водном транспорте......14

1.1. Экономические предпосылки и перспективы...........................................14

1.2. Вопросы снижения токсичности.................................................................17

1.3. Варианты осуществления газовых двигателей..........................................19

1.4. Способы хранения газа на судах................................................................21

II. Анализ литературных источников отечественных и зарубежных исследований судовых установок на газовом топливе...........................25

III. Меры безопасности при работе с газовым топливом..............................51

IV. Исследование технических решений экспериментальной установки газодизеля ЗД6-ГД для пассажирского судна-газохода Пр.Р-35............56

4.1. Тепловой расчет и оптимизация параметров работы газодизеля на

режимах эксплуатации.................................................................................65

V. Исследование факторов, влияющих на минимальную частоту вращения коленчатого вала дизеля 3 Д6, при работе по газожидкостному циклу .............................................................................................82

VI. Анализ области допустимых условий работы двигателя 3 Д6ГД по газожидкостному циклу...............................................................................87

VII. Технические требования для конвертирования серийного пассажирского теплохода Пр.Р-35(Р-51) в судно-газоход..............................107

Основные выводы ............................................................................................... 127

Список литературы............................................................................................. 129

Приложения..........................................................................................................134

Приложения.

Приложение № 1. Письмо Барнаульского завода транспортного машиностроения имени В.И. Ленина (БЗТМ им. В.И. Ленина) "О про-

грамме применения газового топлива"....................................................... 134

Приложение № 2. Письмо БЗТМ им. В.И. Ленина "О технических требованиях к газодизелю 6ГЧСП 15/18".................................................. 136

Приложение № 3. Приказ № 67 от 14.03.95 г. АО СЗП "О назначении комиссии рассмотрения результатов стендовых испытаний газодизеля".................................................................................................... 137

Приложение № 4. Программа стендовых испытаний опытного судового газодизеля (на базе дизеля ЗД6 мощность 110 кВт) на природном газе)................................................................................................................ 138

Приложение № 4А. Протокол приемочных стендовых испытаний опытного судового газодизеля на испытательном стенде Ремонтной базы Пассажирского порта АО "Северо-Западное пароходство"........... 147

Приложение № 5. Акт приемки опытного газодизеля (стендовые испытания) ............................................................................................ 150

Приложение № 6. Приказ № 67-1 от 01.08.95 г. АО СЗП "О назначении комиссии рассмотрения результатов испытаний экспериментального судна-газохода"..................................................................................... 152

Приложение № 7. Исходные требования на применение комплекта оборудования судовой газобаллонной системы для экспериментального речного судна, использующего компримированный природный газ в качестве моторного топлива, на базе проекта Р-35......................... 153

Приложение № 8. Исходные требования на дооборудование пассажирского теплохода пр.Р-35 с двумя главными двигателями ЗД6 мощностью по 110 кВт для работы на компримированном природном газе.................................................................................................................. 159

Приложение № 9. Письмо Российского Речного Регистра "О применении газового топлива для двигателей 3Д6 на судне пр.Р-35................ 167

Приложение № 10. Программа приемо-сдаточных испытаний экспериментального судна-газохода на базе теплохода проекта Р-35... 168

Приложение №11. Акт проведения швартовых испытаний.............. 178

Приложение № 12 Акт проведения ходовых испытаний.................... 179

Приложение № 13. Акт приемки экспериментального судна-газохода "Нева-1" (пр.Р-35)......................................................................... 180

Приложение № 14. Протокол № 4 заседания комиссии Правительства Российской Федерации по использованию природного газа в качестве моторного топлива............................................................. 182

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АПС - автоматическая предупредительная сигнализация;

ВБО . - нормы озерного судоходства США;

ГВС - газовоздушная смесь;

ДАУ - дистанционное автоматическое управление;

1МО - международная морская организация;

ЕЭС - Европейское экономическое сообщество;

"Импульс" - (Имп) - имя программного комплекса;

К.Ш.М - кривошинно-шатунный механизм;

К.В. - коленчатый вал;

КАМАЗ - Камский автомобильный завод;

КПГ - компримированный природный газ

К.П.Д. - коэффициент полезного действия;

М.О. - машинное отделение;

НИР и ОКР - научно-исследовательские и опытно-конструкторские

работы;

ОАО СЗП - открытое акционерное общество Северо-Западное

пароходство;

Пр.Р-51 - проект теплохода (Р-51);

СПГ - сжиженный природный газ;

СН и П - строительные нормы и правила;

СЭУ - судовая энергетическая установка;

САКВ - Калифорнийское управление по воздушным ресурсам;

ТНВД - топливный насос высокого давления:

ТЭР - топливо-энергетические ресурсы;

ТЭО - технико-экономическое обоснование;

РАО - Российское акционерное общество "Газпром"; "Газпром"

Рис. - сокращенно: рисунок;

Р.Ф. - Российская Федерация

ЦПГ - цилиндро-поршневая группа;

Судно- - судно, СЭУ которого эксплуатируется с использованием газоход природного газа;

ЗД6-ГД - двигатель ЗД6 (64СП 15/18) конвертируемый для работы

на природном газе с запальной дозой жидкого топлива;

ЦНИИДИ - Центральный научно-исследовательский дизельный

институт

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ.

МДж/кВт.час - мегоджоуль на киловаттчас, удельный расход условного

топлива;

Г/кВт.час - грамм на киловаттчас , удельный расход дизельного

топлива;

МПа - мегопаскаль, давление

Л.С. - лошадиная сила, мощность;

ат - атмосфера, давление

кг/см2 - килограмм на квадратный сантиметр, давление;

кВт - киловатт, мощность;

м/сек - метр в секунду, скорость;

об/мин - обороты в минуту, частота вращения;

мин"1 - обороты в минуту, частота вращения;

бар - бар, давление

Ом. см - Ом на сантиметр, электрическое сопротивление;

В - вольт, электрическое напряжение;

м / час - кубический метр в час, расход газового топлива;

м3 - кубический метр в час, объем;

сек - секунда, промежуток времени;

0 С - градус Цельсия, температура;

кг - килограмм, масса;

ОБОЗНАЧЕНИЯ

Ьте - эффективная мощность двигателя;

Мег - эффективная мощность газодизеля;

Ре - среднее эффективное давление цикла;

Стгт - расход дизельного топлива для "запальной" дозы

Стх - расход дизельного топлива;

- удельный эффективный расход моторного топлива;

Уг - расход газового топлива;

1;г - температура выпускных газов;

п - частота вращения коленчатого вала;

ч - время наблюдения за процессом;

д - дельта, приращение относительной величины;

N0* , % - содержание окислов азота в выпускных газах, в

процентах;

Со, % - содержание окиси углерода в выпускных газах, в

процентах;

Т), % - содержание дыма в выпускных газах, в процентах;

их - скорость распространения фронта пламени;

ин - нормальная скорость горения газовоздушной смеси;

Б - площадь поршня;

Сп - скорость движения поршня;

£ - площадь свободного сечения всасывающего клапана;

Ме - момент крутящий эффективный на фланце двигателя;

- угловая скорость коленчатого вала;

Я - радиус кривошипа;

иг.х. - скорость распространения фронта горения ГВС при

крупномасштабной турбулентности заряда в цилиндре;

Е - степень сжатия;

Ь - коэффициент избытка воздуха;

Ун - коэффициент наполнения дизеля;

Ун.г. - коэффициент наполнения газодизеля;

Ъ - количество цилиндров двигателя;

К - количество оборотов К.В. двигателя за один цикл;

<5Н Г - низшая теплота сгорания газового топлива;

qн_г - низшая теплота сгорания Г.В.С.

угол поворота коленчатого вала;

икг - скорость истечения газовоздушной смеси во

всасывающем коллекторе;

Ут0 - теоретическое количество воздуха, необходимого для

сгорания 1м3 природного газа;

Т0, Р0 - соответственно температура и давление воздуха заряда

перед впускным органом;

Та, Ра - соответственно температура и давление воздуха в конце

впуска;

Та7 , Ра7 - соответственно температура и давление отработавших

газов;

У0.г - коэффициент остаточных газов;

т - доля запальной дозы дизельного топлива (в молях);

Р; г - индикаторный к.п.д. газодизеля;

Рш. г - механический к.п.д. газодизеля;

ВВЕДЕНИЕ.

Рациональное использование природных ресурсов, и особенно топливо-энергетических (ТЭР), - одна из важнейших задач, решение которых обеспечит интенсивный путь развития экономики Российской Федерации. Крупным потребителем ТЭР является транспорт, на долю которого приходится 13% энергетических ресурсов.

Преобладающим типом энергетических установок на наземном и водном транспорте являются поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), использующие жидкое нефтяное топливо.

В настоящее время основное топливо автомобильного транспорта -бензин. Тяжелые автомобили, тракторы, железнодорожные локомотивы, суда речного, морского и рыбопромыслового флота в основном оснащены двигателями, потребляющими более тяжелые фракции нефти - так называемое дизельное топливо. Бензин, дизельное топливо, а также керосин вместе образуют группу светлых нефтепродуктов, которые получают из сырой нефти путем достаточно сложной переработки. При этом общий выход этой продукции не превышает при существующей технологии 45%.

В условиях рыночной конкуренции на всех видах транспорта проблема экономии жидких топлив остается одной из самых острых. Увеличение потребления жидкого топлива сопровождается истощением хорошо освоенных и удобно расположенных нефтяных месторождений, вследствие чего приходится осваивать новые месторождения, расположенные в труднодоступных районах. Это, в свою очередь, приводит к удорожанию как сырой нефти, так и получаемых из нее нефтепродуктов.

Между тем, страна располагает большими запасами высококачественного

моторного топлива, не требующего для использования в двигателях никакой химической переработки. Речь идет о природном газе. Как моторное топливо природный газ в натуральном виде превосходит жидкое нефтяное топливо. При использовании его в транспортных двигателях обеспечиваются высокие технико-экономические показатели таких машин, так как природный газ имеет хорошие антидетонационные качества, благоприятные условия смесеобразования и широкие пределы воспламенения в смеси с воздухом. По-видимому, по этой причине первые ДВС делались для работы именно на газе.

Рассматривая вопрос об использовании природного газа на транспорте, нельзя обойти вниманием и состояние газоснабжения страны.

Интерес к использованию газа на транспорте резко возрос еще в период "энергетического кризиса" 1973-1974 г.г. Транспорт и сейчас определяет ситуацию в потреблении углеводородных ресурсов в целом. Однако, использование газа на транспорте требует дополнительных затрат, это в итоге компромисс требований экономики, экологии и энергетики.

Объемы и география применения природного сжатого газа в качестве моторного топлива на транспорте и других отраслях неизменно возрастали. Очень заметен их рост в 25 странах мира. Следует отметить, что по масштабам решения проблемы использования газа на транспорте наша страна занимала передовые позиции в мире. Однако, в силу известных причин не удалось в полном объеме реализовать программу и Россия сейчас в этой области стала сдавать свои позиции.

В начале 90-х годов состояние дел по использованию газа, как альтернативного топлива на транспорте постепенно стало ухудшаться.

Созданный ранее научный и производственный потенциал, используется в настоящее время слабо.

и

Существенно замедлились НИОКРовские работы по применению газомоторного топлива в авиации, железнодорожном и речном транспорте, сельском хозяйстве.

Однако, благодаря деятельности РАО "Газпром", в ряде регионов России с участием руководителей правительств субъектов Российской Федерации, дочерних предприятий РАО "Газпром", природоохранных органов утверждены или завершается работа по составлению Региональных программ газификации транспорта, созданы комиссии, координирующие их реализацию. Завершены уже работы над проектом Закона Российской Федерации "О государственной политике в области использования альтернативного моторного топлива - природного газа, федеральной научно-технической программы и проекта постановления Правительства Российской Федерации, подготовленных с участием Министерств и ведомств.

26 мая 1995 года на совещании глав правительств СНГ подписано многостороннее Соглашение, предусматривающее более тесное сотрудничество предприятий республик в области использования природного газа для транспорта.

Проект Закона Российской Федерации "О государственной политике в области использования альтернативного моторного топлива - природного газа" направлен на создание благоприятных условий для использования природного газа в качестве моторного топлива на всех видах транспорта России - автомобильном, воздушном, железнодорожном, водном и в сельском хозяйстве.

Основными целями Закона являются:

- снижение напряженности в балансе моторных топлив;

- улучшение экологической обстановки в городах, населенных пунктах, курортных зонах;

- сохранение российских экспортных возможностей нефти и нефтепродуктов г одного из основных источников поступления валютных средств;

- достижение долгосрочного и надежного энергообеспечения транспорта Российской Федерации.

Возможность реализации положений Закона базируется на:

- наличие в Российской Федерации мощной сырьевой базы природного газа и разветвленной сети магистральных газопроводов, созданной в России и странах СНГ сети автомобильных газонаполнительных компрессорных станций;

- возможности быстрого возобновления производства, в том числе на предприятиях военно-промышленного комплекса , газозаправочного оборудования, газобаллонных транспортных и иных средств, газотопливного оборудования, комплектов газовой аппаратуры;

- отечественном и мировом опыте использования на различных видах транспорта экологически чистого моторного топлива - природного газа.

В целях стимулирования владельцев транспортных средств в использовании этого вида топлива РАО "ГАЗПРОМ" предусматривает сохранить действующую в настоящее время разницу в цене на природный газ. [12]

Кардинальное решение проблемы экологии и дефицита моторного топлива в соответствии с "концепцией энергетической политики России в новых экономических условиях", одобренной Правительством Российской Федерации 10 сентября 1992г., лежит на пути широкомасштабного вовлечения природного газа в балансе моторного топлива.

Значительное снижение расхода бензина, дизельного топлива и авиацион-

ного керосина может быть достигнуто только путём его замещения сжатым и сжиженным природным газом.

В настоящее время в США и других развитых странах ведутся широкие исследования по практическому применению газомоторного топлива, в том числе на автомобильном, железнодорожном и водном транспорте, при этом проблема перевода транспорта на сжатый и сжиженный природный газ активно стимулируется на государственном уровне.

В соответствии с поручением Правительства РФ, Комиссия по использованию природного и сжиженного нефтяного газа в качестве моторного топлива подготовила проект Федеральной научно-технической программы.

Программа предусматривает для речного флота создание двух топливных судовых газодизелей мощностью 50-200 Квт, комплект газобаллонной аппаратуры, криогенные системы хранения и заправки сжиженным природным газом, системы контроля загазованности судовых помещений, топливо-подготовки и другие.

В соответствии с этой программой Российский Речной Регистр уже разработал и подготовил к утверждению Временные требования к судам-газоходам.

В Санкт-Петербурге в 1994 году прошёл испытания и был сдан в эксплуатацию первый в России пассажирский газоход. Опыт работы первой судовой установки, работающей на сжатом природном газе, показывает эффективность и перспективность этого пути снижения эксплуатационных затрат и улучшения экологических характеристик городского и пригородного пассажирского флота.

I. ПРЕДПОСЫЛКИ �