автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Принципы разработки математических моделей и моделирование систем утилизации теплоты на речных судах

Введение.

Глава 1. Базовые положения, необходимые для исследования эффективности утилизации теплоты на речных судах.

1.1 .Состояние вопроса.

1.2. Формулирование требований к математической модели

СУТ и ее элементов.

1.3. Экономическая оценка целесообразности утилизации теплоты на речных судах.

1.4. Постановка задач исследования.

Глава 2. Разработка математической модели СУТ.

2.1. Математические модели УК.

2.1.1. Паровые УК змеевиковой конструкции.

2.1.2. Паровые УК с оребренными трубами.

2.1.3. Водогрейные УК.

2.2. Математическая модель УТ.

2.3. Математическая модель парового ВК.

2.4. Математическая модель водогрейного ВК.

2.5. Математическая модель подофевателя воды (бойлера).

2.6. Математические модели утилизационного оборудования и потребителей теплоты.

2.7. Математическая модель СУТ в целом.

Глава 3. Экспериментальная часть исследования.

3.1. Постановка задач экспериментального исследования.

3.2. Изучение и описание режимов работы ГД речных судов.

3.3. Изучение и описание режимов работы ДГ.

3.4. Экспериментальное исследование УК типа LA401-01 на теплоходе проекта №92-016.

3.5. Экспериментальное исследование УТ и описание расхода горячей воды.

Глава 4. Моделирование СУТ речных судов.

4.1. Компьютерные модели и проверка их адекватности.

4.2. Компьютерная модель СУТ.

4.3. Моделирование работы утилизационного оборудования и

СУТ на пассажирских судах.

4.4. Моделирование СУТ грузовых судов.

Анализ тенденций развития мирового судостроения за последнее десятилетие свидетельствует о том, что в ближайшем будущем вряд ли следует ожидать принципиально новых технических решений, существенно изменяющих существующие приоритеты при проектировании и эксплуатации судов морского и речного флота. Техническое совершенствование судов всех типов будет подчинено в первую очередь топливо и энергосбережению, защите окружающей среды, а также сокращению трудоемкости в процессе обслуживания и эксплуатации судов.

За годы перестройки и особенно после либерализации цен, несмотря на увеличение цены на топливо более чем в 3000 раз, на речном флоте страны обнаружилась временная тенденция роста показателя топливоиспользования, в качестве которого принято отношение количества израсходованного топлива к выполненной транспортной работе. Значение этого показателя по отрасли в целом приведено ниже:

Год Удельный расход топлива на 1000 приведенных т.км (кг усл.топл./1000 т.пасс.км) % по отношению к предыдущему году

1985 10.82

1986 10.98 1.5

1987 11.00 0.1

1988 11.18 1.6

1989 11.58 3.6

1990 11.84 2.2

1991 12.30 3.9

1992 13.40 8.9

1993 15.06 12.4

Понятно, что рост показателя топливоиспользовання предопределен не только неэкономным расходованием топлива и энергии, но и неэффективной работой судов, то есть значительным увеличением доли порожних пробегов вследствие снижения грузопотоков.Вместе с тем следует учитывать, что топливопотребление при движении теплоходов в грузу больше, чем топливопотребление при движении порожнем, не более, чем на 4-10%, а это значит, что вопросам экономии топлива на речном флоте должно быть уделено первостепенное внимание.

Перечислим положения, которые, по нашему мнению, должны лежать в основе любого подхода к проблеме топливо- и энергосбережения:

1. Проблемы топливо-, энерго- и ресурсосбережения по сути аналогичны, потому что имеют целью более экономичное расходование нефти и нефтепродуктов, полезных ископаемых и материалов, то есть всего того, что составляет предмет национального богатства.

2. Право на реализацию имеют любые меры, имеющие следствием экономию энергии, топлива и горюче-смазочных материалов.

3. Меры по топливо-, энерго- и ресурсосбережению реализуются в разработках, связанных с внедрением на флот нового или более совершенного с позиций экономии топлива и дефицитных материалов оборудования, например, двигателей, кртлов, теплообменников, нагревателей и т.д., а также новых или более эффективных транспортных технологий, включая режимы движения судов, состав флота для выполнения тех или иных работ и т.д.

Проанализируем ту область топливо-, энерго- и ресурсосбережения, которая непосредственно связана с разработкой технических мероприятий, направленных на снижение топливопотребления. Здесь можно выделить шесть направлений:

1) сокращение потребления топлива и энегоресурсов;

2) улучшение процессов подготовки и сжигания топлива;

3) улучшение использования эксергии топлива;

4) совершенствование обводов корпусов и движительно-рулевых комплексов;

5) оптимизация состава СЭУ;

6) использование альтернативных источников энергии.

Среди этих направлений одним из наиболее известных является третье направление, которое включает в себя мероприятия, связанные с утилизацией вторичной теплоты, вырабатываемой главным и вспомогательным оборудованием СЭУ при выполнении своих основных функций.

Необходимо отметить, что в мире уделяется самое серьезное внимание вопросам утилизации теплоты на судах морского флота. Лидерами здесь являются фирмы Японии, США, Германии, Дании, Финляндии и других стран. Большинство опубликованных работ за рубежом [54-64] описывают разработки для морского флота и совсем не касаются проблем утилизации теплоты на речном флоте. Это объяснимо, потому что речного флота такого состава, как в нашей стране, нет ни у одного государства мира. По сути, около 53% речного флота РФ составляют суда, являющиеся уменьшенными копиями морских судов, но построенные с учетом специфики их эксплуатации на внутренних водных путях. И хотя многие вопросы утилизации теплоты на морских судах, в том числе и усилиями русских ученых и специалистов, решены, эти решения неприменимы для судов речного флота.

Помимо чисто технических разработок сделаны попытки создать элементы теории (математического описания процессов) утилизации теплоты, что нашло отражение в работах Г.А.Абрамова, П.И.Бажана, Е.В.Бридана, С.Н.Валиулина, В.К.Голубева, В.С.Данилова, В.А.Йорданова, Л.П.Коршунова, А.Г.Курзона, В.А.Кутыркина, В.В.Маслова, В.М.Селиверстова, А.Ю.Смольника, А.С.Хряпченкова и других специалистов.

Автор диссертации базировался на публикациях перечисленных авторов, использовал некоторые их подходы и описания в своей работе, однако по результатам анализа работ этих и других специалистов нельзя все же утверждать, что применительно к специфике речного флота инструмент теоретического исследования процессов утилизации теплоты, позволяющий достоверно определить (предсказать) параметры сред и устройств утилизации теплоты, а также их эффективность в границах выбранной схемы использования, разработан.

Поэтому тема диссертации, направленной на решение затронутых вопросов, актуальна, а предложенные в ней теоретические разработки и практические рекомендации имеют большие перспективы.

Целью работы являются улучшение топливоиспользования на речных судах, достигаемое путем повышения эффективности утилизационного оборудования и систем утилизации теплоты (СУТ) благодаря более глубокой проработке (экспертизе) проектных решений на основе компьютерного моделирования работы утилизационного оборудования (УО) и СУТ в условиях, наиболее приближенных к условиям эксплуатации речных судов.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи исследования:

1) анализ литературных источников и выявление подходов к составлению математических описаний, пригодных для специфики эксплуатации речных судов;

2) формирование принципов разработки математических моделей УО, предназначенного для использования на речных судах;

3) разработка детерминированных математических моделей утилизационных котлов (УК) различного типа, утилизационных теплообменников (УТ), бойлеров, калориферов, элементов систем отопления, а также стохастических математических моделей потребления горячей воды, пара и др. ;

4) проведение экспериментальных исследований с целью получения эмпирических описаний тех процессов, которые, с одной стороны, предопределены причинами детерминированного характера, но не поддаются универсальному теоретическому описанию, а с другой - существенно искажены стохастическими воздействиями, предсказать которые заранее практически невозможно;

5) проведение натурных испытаний УО на судах с целью настройки и проверки адекватности математических моделей основного УО;

6) создание, отладка, настройка и проверка адекватности компьютерных моделей УО и СУТ в целом;

7) разработка инструмента оценки экономической целесообразности применения того или иного УО или СУТ того или иного состава на речных судах, ориентированного на законы рыночной экономики;

8) моделирование работы СУТ различного состава и параметров на пассажирских, грузовых, наливных самоходных судах и буксирах-толкачах с целью выявления наиболее эффективного УО и состава СУТ для нового судостроения.

Все поставленные задачи в диссертации решены.

Научная новизна работы состоит в следующем: создан метод оценки экономической целесообразности утилизации вторичных тепловых потоков, ориентированный на использование в условиях рыночной экономики; разработаны и реализованы принципы построения математических моделей УО речных судов и СУТ в целом; выведены эмпирические зависимости, описывающие режимы работы и параметры носителей вторичной теплоты - главных двигателей (ГД) и дизельгенераторов (ДГ); разработан метод стохастического описания режимов работы ГД и ДГ, а также потребителей теплоты; созданы математические и компьютерные модели УО и СУТ в целом; на основе экономической целесообразности УО различного типа разработаны новые рекомендации по составу и схемам СУТ для перспективных судов речного флота различного назначения.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что разработан и доведен до рабочего состояния инструмент моделирования СУТ речных судов, который позволяет оценить эффективность применения различного УО и СУТ того или иного состава на конкретных типах речных судов, а также выработать рекомендации для нового судостроения. Важно, что этот инструмент охватывает как традиционные, так и самые новые, передовые технологии утилизации теплоты и интенсификации теплообмена.

Внедрение разработанных рекомендаций позволит сэкономить за навигацию от 11 до 37 т котельного топлива в зависимости от типа судна и состава СУТ. t

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненное исследование представляет собой законченную научно-исследовательскую работу, в которой для речных судов предлагается новое решение актуальной научной и практической задачи повышения эффективности утилизационных систем и оборудования на основе математического моделирования УО и СУТ в целом.

Главными научными результатами автор считает следующее:

1) разработан метод оценки экономической целесообразности применения УО и СУТ на речных судах, ориентированный на концепцию окупаемости вкладываемых средств, дающую наибольший эффект в условиях рыночной экономики;

2) сформулированы принципы создания математических моделей и разработаны модели утилизационных котлов, теплообменников, бойлеров, сепараторов и другого оборудования;

3) выполнены экспериментальные исследования и обработаны их результаты, что позволило создать адекватные математические описания, необходимые для реализации разработанных математических моделей, а также проверить адекватность детерминированных математических моделей УО;

4) создана, отлажена и настроена компьютерная модель производства и потребления теплоты на пассажирских и грузовых судах, в которой учтен стохастический характер формирования режимов работы ГД и ДГ в течение суток, а также нагрузки потребителей теплоты;

5) по результатам моделирования СУТ судов различного назначения со штатным или нештатным, но более эффективным, чем штатное, оборудованием, разработаны рекомендации по составу и схемам СУТ перспективных пассажирских, сухогрузных судов, а также танкеров и буксиров-толкачей.

Основными выводами, имеющими практическое значение, являются следующие: а) выявлено, что режимы работы ГД можно описать функцией ходового времени и признака плеса, который проходит теплоход в данные сутки навигации, а режимы работы ДГ - функцией периода (месяца) навигации, признака плеса и ходового времени; б) действительным условиям работы ГД, ДГ и потребителей теплоты более соответствует не детерминированное, а стохастическое описание, которое можно обеспечить путем наложения на детерминированную компоненту случайной компоненты прогноза. Учет стохастических возмущений при описании режимов работы источников вторичной теплоты приводит к снижению тепловых потоков УО по сравнению с детерминированным описанием; в) если владелец флота ориентируется на законы рыночной экономики, то его требования к эффективности УО и СУТ в целом не менее, чем в два-четыре раза "жестче" по сравнению с ориентацией на принципы планового хозяйствования. Законы рыночной экономики побуждают владельца флота или как можно быстрее окупить изделие, получить прибыль и вложить большую ее часть в новый, проект, или если уж необходимо выдерживать довольно большой срок службы до списания, скажем, УО, то получить в результате такую прибыль, которая покроет все возможные убытки от нереализованных проектов. Иначе, законы рыночной экономики стимулируют создание и использование самых эффективных УО, отбраковывая недостаточно эффективные с точки зрения экономии топлива устройства и изделия; г) выявлено, что в силу специфики эксплуатации судов речного флота УК ГД и, особенно, ДГ работают менее эффективно, чем это предполагалось по результатам выполненных ранее исследований. Вследствие этого, с позиций рыночной экономики ни один паровой УК, а также водогрейный УК типа КУБ 100 не подходят к уровню требуемой для эффективной окупаемости экономии топлива. Этот факт, однако, не должен повлечь за собой отказ от использования УК. Он означает лишь то, что в сложившихся условиях хозяйствования суда с УК эксплуатируются крайне нерационально. По меньшей мере, речные теплоходы должны эксплуатироватся большую часть года, а по максимуму - круглый год, необязательно по прямому назначению, а возможно, в качестве гостиниц, пансионатов, складов и т.п.; д) эффективность работы УТ, особенно на грузовых судах по обеспечиваемой ими экономии топлива ниже, чем это предполагалось. Тем не менее, УТ по-прежнему можно считать самыми эффективными утилизационными устройствами; е) АТВ на пассажирских судах более эффективны, чем ГЗ, однако этот вывод не распространяется на грузовые суда.

Перечисленные выводы и конкретные рекомендации, приведенные в тексте диссертации, относительно эффективности УО и состава СУТ речных судов предложены пароходствам, конструкторским организациям и заводам, занимающимся проектированием и строительством новых речных судов, с целью снижения топливопотребления на судах различных типов.

160

1. Абрамов Г.А. Разработка концепции утилизации теплоты на речных судах / Дисс. . канд. техн. наук - Н.Новгород: ВГАВТ, 1994. - 141 с.

2. Абрамов Г.А. Совершенствование утилизационных систем на грузовых судах // Материалы научно-практической конференции, посвященной 150-летаю Волжского пароходства / Волжск, гос. акад. водн. тр-та (ВГАВТ). 1994.

3. Абрамов Г.А. Утилизация теплоты путь экономии расхода топлива на судах речного флота // Материалы научно-практической конференции, посвященной 150-летаю Волжского пароходства / Волжск, гос. акад. водн. тр-та (ВГАВТ). 1994.

4. Абрамов Г.А., Бажан П.И., Валиулин С.Н. Использование вторичных тепловых потков // Речной транспорт, 1990 №1. с.24-25.

5. Абрамов Г.А., Бажан П.И., Чернов А.Ф. Обоснование применения утилизационных котлов на судах речного флota // Наука и техника на речном транспорте. 1994, №10, с. 11-16.

6. Абрамов Г.А., Бажан П.И., Чернов А.Ф. Экономическая целесообразность внедрения научных разработок с целью экономии топлива на речных, судах // Наука и техника на речном транспорте. 1994, №9, с.8-12.

7. Абрамов Г.А., Бажан П.И., Чернов А.Ф. Утилизация теплоты путь к экономии топлива // Наука и техника на речном транспорте. 1994, №8, с.1-7.

8. Бажан П.И., Чернов А.Ф. Экономическая целесообразность внедрения научных разработок с целью экономии топлива // Тезисы докладов и сообщений международной научно-технической конференции, Н.Новгород, 1994, с.89.

9. Аверин В.А., Колесниченко А.Г., Нагибин А .Я. Опыт создания судовых утилизационных котлов и перспективы их развития // Судостроение, 1980, №5.-с.18-23.

10. Акимов П., Ерчеико Г., Крыштан JI. Утилизация тепла в дизельных установках // Морской флот, 1983, №7.-с.41-43.

11. И. Бажан П.И. Расчет и конструирование охладителей дизелей М.: Машиностроение, 1981-168 с.

12. Бажан П.И., Вайсблат Б.И., Трянин И.И. Основы научных исследований на речном транспорте Горький: Волго-Вятское книжное издательство, 1990-319 с.

13. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам М.: Транспорт, 1988-366 с.

14. Бажан П.И., Чернов А.Ф. Теплоотдача и сопротивление теплообменных поверхностей высокоэффективных теплообменников / Тезисы докладов Первой Российской национальной конференции по теплообмену М.;1994, с.16-19.

15. Бекман Г., Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии.-М.:Мир, 1987.-272 с.

16. Беляев И.Г. Эксплуатация судовых утилизационных установок.-М.:Транспорт,1987.-175 с.

17. Браславский М.И. Судовые дизель-генераторы малой мощности.-J1. :Судостроение, 1968.-174с.

18. Бридан Е.В. Исследование и разработка системы струйного подогрева наливных грузов на крупнотоннажных морских нефтерудовозах и химовозах / Авореф. дис. . канд. техн. наук Николаев,1978.-23с.

19. Выполнить предпроектные исследования по созданию новых систем комплексной утилизации теплоты на судах: Отчет о НИР (заключительный) / Горьк.ин-т инж. водн. тр-та (ГИИВТ) Горький, 1988.-207с.

20. Галимова JI.B. Использование агрегата АБХА-2500 для отопления на Астраханском заводе резиновой обуви // Холодильная техника, 1983,№4.-с.51-53.

21. Герловин Л.И., Слуцкер С.М. Судовые утилизационные и комбинированные котлы.-Л.:Судпромгиз, 1962.-250с.

22. Голубев В.К. Моделирование и оптимизация судовых утилизационных комплексов Киев - Одесса: Высшая школа, 1989.-200с.

23. Данилов B.C. Оценка эффективности различных схем утилизации тепла в судовых дизельных установках // Двигателестроение, 1984,№9.-с.12-15.

24. Данилов И.Я. Влияние сопротивления газовыхлопной системы ДВС на их работу // Речной транспорт, 1968,№2.-с.29.

25. Елистратов Ф.М. Проблемы глубокой утилизации тепла в судовых дизельных ЭУ // Судостроение, 1983,№10.-с.21-26.

26. Использование низкопотенциальных и вторичных энергоресурсов и защита окружающей среды: Отчет о НИР (заключительный)/ Институт теплофизики СО АН СССР; Руководитель С.С.Кутателадзе.№ ГР 81030074; Инв.№ 0286.0042904.-Новосибирск, 1986.-89с.

27. Йорданов В.А. Повышение эффективности систем утилизации теплоты дизельных установок морских транспортных судов (на основе сравнительных оптимизационных исследований)/ Дисс. . канд. техн. наук.-Л :Л КИ, 1989.-242с.

28. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах.-М.: Машиностроение, 1980.-220с.

29. Карпис Е.Е. Энергосбережение в системах кондиционирования воздуха И Экономия топлива и электроэнергии.-М.:Стройиздат,1986.-267с.

30. Конаков Г.А., Васильев Б.В. Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация флота.-М.'Транспорт, 1980.-423с.

31. Коршунов Л.П. Энергетические установки промысловых судов.-Л. Судостроение, 1991.-355с.

32. Коршунов Л.П. Утилизация тепла на судах флота рыбной промышленности // Экономия топлива и электроэнерши.-М.:Легкая и пищевая промышленность, 1983.-232с.

33. Курзон А.Г., Йорданов В.А. Повышение эффективности простых систем утилизации вторичных знершресурсов судовых дизельных установок // Сб. научных работ VIII конференции болгарских аспирантов, обучающихся в СССР.-Л:ЛКИ,1986.

34. Кутыркин В.А., Постников В.И. Специальные системы нефтеналивных судов.-М.:Транспорт, 1983.-192с.

35. Маргулец В.И. Холодильные установки речных судов.-М. транспорт, 1986.-231 с.

36. Маслов В.В. Утилизация теплоты судовых дизелей.-М. транспорт, 1990.-144с.

37. Методика (основные положения) определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений/ Всесоюзн. научн.-исследов. ин-т патент, информ. (ВНИИПИ)-М.;1986.-52с.

38. Оборудование речного флота: Альбом. Котлы судовые, аппаратытеплообменные, оборудование кондиционирования воздуха, пневмоцистерны,фильтры и сепараторы (1.045-156А)/ Центр, техн. констр. бюро (ЦТКБ) МРФ РСФСР.-JI., 1972.

39. Орехво В.А. Разработка и исследование аккумуляторов теплоты фазовых переходов для речных судов/ Автореф. дисс. . канд. техн. наук.-Н.Новгород, 1993.-20с.

40. Оценка эффективности отдельных направлений по экономии топлива на речных судах: Отчет о НИР (заключительный)/ Волжск, госуд. акад. водн. тр-та (ВГАВТ); Руководитель П.И.Бажан.-Н.Новшрод,1993.-95с.

41. Плаксин И.М. Утилизация теплоты в дизельных установках танкеров при подогреве высоковязких нефтепродуктов/ Автореф. дисс. . канд. техн. наук.-Горький,1990.-22с.

42. Платов Ю.И. Оценка экономической эффективности мероприятий, разрабатываемых в курсовых и дипломных проектах/ Ниж. ин-т инж. водн. тр-та (НижИИВТ)-Н.Новшрод, 1992.-43с.

43. Решетников И.П. Рациональное использование вторичных топливно-энергетических ресурсов морского транспорта (теория, разработка, внедрение)/ Автореф. дисс. . докт. техн. наук.-С.Петербург,1994.-57с.

44. РТМ 212.0142-86. Схемы утилизации теплоты судовых дизелей. Технико-эксплуатационные требования-1986.-68с.

45. Руководство по теплотехническому контролю серийных теплоходов. Минречфлот-М.:Транспорт, 1980.-424с.

46. Селиверстов В.М. Утилизация тепла в судовых дизельных установках.-JI. Судостроение, 1973.-256с.

47. Селиверстов В.М., Бажан П.И. Термодинамика, теплопередача и теплообменные аппараты. М.:Транспорт,1988.-287с.

48. Смольник А.Ю. Управление судовыми вспомогательными котельными установками с утилизационными котлами (теория, разработка, реализация)/ Автореф. дисс. . докт. техн. наук.-С.Петербург,СПГМА,1994.-51с.

49. Сорокин О.Г. // Автореф. дисс. . канд. техн. наук.

50. Судовая теплоэнергетика: Справочник/ М.И.Браславский, В Л.Ерофеев, Е.Ф.Кивалкин и др./ Под ред. В.М.Селиверстова-М.:Транспорт, 1983.-312с.

51. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник/ Под общ. ред. В.А.Григорьева и В.М.Зорина.-М.:Энергоиздат,1988.-560с.(Теплоэнергетика и теплотехника; кн.2).

52. Теплообменные аппараты холодильных установок / Г.Н.Данилова, С.Н.Богданов, О.П.Иванов и др.-М.:Машиностроение,1986.-303с.

53. Хряпченков А.С. Судовые вспомогательные и утилизационные парогенераторы.-Л:Судостроение, 1979.-279с.

54. Condra Т., Sjovslev К. Waste heat marine boilevs today.-MER, 1985,November,p.l 6.

55. Corrado K.Ch. Economic Power Generation at Sea: The Waste Recovery Plant/constant Speed Shaft - Driven Generator Combination.-Marine Technology, 1985,vol.22 №3, July.-p.245-257.

56. Cox D.R., Lake C.A. Power generation by waste heat recovery.-MER, 1981 ,November.-p.6-19.

57. Extracting maximum benefit from fuel resources.-The Motor Ship, 1988, vol.68,№812.-p.44-45,47-48.

58. Klintorp H., Brendorp W.,Jacobsen B. Energy Optimized Engine Plants.-B. en W.-52 ste jaargang-N°20-1985,p.332-338.

59. Mitsui ATG system developed for waste heat recovery -Zosen, 1982, vol.26,№ 12,p.24-27.

60. Morton A .J. Waste Heat Recovery in Motor Ships //MER, 1981, August.-p.-16-19.

61. Some energy saving concepts unolerway in Japan - Shipluilding and Marine Engineering Institute, 1981, 104, №1250.-p.297-298.

62. Technological problems and ship fuel conservation /Zakon T.// Sapanut. 1988-16,№ 1 .p. 1 -10.

63. The MC Engines. Exhaust Gas Data and Waste Heat Recovery System Total Economy Copenhagen: M.A.N.-B&W Diesel A/S. October, 1985.

64. Verhardt R. Abwarmenutzung mit Viertakt Diesel - motoren -HANSA - Shiffahrt - - Shiffahrt - Shiffbau - Hafen -120, Jahrgang, 1983-№ 14.-p.1294-1301.