автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Принципы разработки математических моделей имоделирование систем утилизации теплотыпа речных судах

>

ч

Министерство транспорта Российской Федерации Департамент речного транспорта Волжская государственная академия водного транспорта

На правах рукописи УДК 662.614.2:629.122

ЧЕРНОВ Александр Федорович

Принципы разработки математических моделей и моделирование систем утилизации теплоты на речных судах

Специальность 05.08.05 - судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомо1ательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород

1994

Работа выполнена в Волжской государственной академии водного транспорта.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор П И.Бажап.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ВЛ.Химич; кандидат технических наук, доцент Г.А.Самыкин Ведущее предприятие: АО "Волго-флот"

Защита состоится "4/г ^ ¿¿г&Л Ъ? 1995 г.

часов в аудитории<С^_ на заседании диссертационного совета К. 116.03.02 в Волжской государственной академии водного транспорта по адресу: 603600 г.Ннжний Новгород, ул.Нестсрова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью предприятия, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета.

/'

Ученый секретарь /у/

диссертационного совета ^

доцент, кандидат технических наук Н.А.Нопомарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. 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 н 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.

Одной из, наиболее известных технологий топливо в энергосбережения па судах п береговых объектах является утилизация вторичной теплоты, вырабатываемой главным и вспомогательным оборудованием энергетических установок 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 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 включают в себя суда, являющиеся уменьшенными копиями морских судов, но построенных с учетом специфики их эксплуатации на внутренних водных путях. И хотя многие вопросы утилизация теплоты на морских судах, в том числе я ^шгаямп 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.Бажаиа,

Е.В.Бридана, С.Н.Валиулина, В.К.Голубева, В.С.Д'анилова, В.А.Йорданова, Л.П.Коршунова, А.Г.Курзона, В.А.Кутыркина, В:В.Маслова, В.М.Селиверстова, А.Ю.Смольника, А.С.Хряпчёнкова 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 таюке их эффективность в границах выбранной схемы использования, разработан.

Поэтому тема диссертации, направленной на решение ^затронутых вопросов, актуальна.

Целью работы являются улучшение топливоиспользования на речных судах, достигаемое путем повышения эффективности утилизационного оборудования и систем утилизации теплоты (СУ*П 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 цела были поставлены следующие задачи исследования:

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

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

3) разработка детерминирован нШ математических моделей утилизационных котлов (УК) различного типа, утилизационных теплообменников (УТ), ' бойлеров, калориферов, элементов систем

отопления, а также стохастических математических моделей потребления горячей воды, йара н 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 В 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 скмоходных судах и бук"снрах-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:

создай метод оценки экономической целесообразности утилизации вторичных тепловых потоков, ориентированный на использоаание в условиях рыночной экономики;

разработаны и реализованы принципы построения математических моделей УО речных судов и СУТ а целом;

выведены эмпирические зависимости, описывающие режимы работы н параметры носителей вторичной теплоты - главных двигателей (ГД) и дизельгеиераторов (ДГ);

' разработан метод стохастического описания режимов работы ГЦ в 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 в доведен до рабочего состояния инструмент моделирования СУТ, который позволяет оценить эффективность применения различного УО а 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 утилизация теплоты и интенсификации теплообмена.

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

Апробация работы. Результаты исследований докладывались * на первой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, ноябрь 1994 г.), международной научно-технической конференции АМФ'94 (Нижний Новгород, октябрь 1994 г.), научно-технических совещаниях в Волжском пароходстве в 1992 г. и полу-иит одобрение.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в пяти статьях.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников из 64 наименований. Она содержит 167 стр. машинописного текста, 7 табл., 29 рис.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении по результатам анализа проблем топливо- к энергосбережения на речном флоте обосновывается актуальность

диссертационного исследования, ставится его цель и определяются границы исследуемой проблемы.'

В первой главе после сия ел ем ня тенденций развития энергосберегающих технологий в мире выполнен критический анализ литературных источников, тематика которых наиболее близка к направлению нашей работы.

Подробно проаналнзирова!' подход к построению математических моделей оборудования и единой математической модели СУТ, предложенный п работах В.А.Йорданов?,, А.Г.Курзона и В.К.Голубева. Несмотря на несомненные достоинства работ В.А.Йорданова и В.К.Голубева, нн математические модели, ни результаты моделирования не могут быть нрнмепешл для оценки эффективности СУТ речных судов, тем более, что анализируемые варианты СУТ не могут быть реализованы на речных судах. Последнее прямо вытекает аз работ Г.А.Абрамова, которые посскщены разработке концепции утилизации теплоты на речных судах и с этой точки зрения, безусловно, представляют особую ценность.

Одним из главных, по нашему мнекш^-, достижений Г.А.Абрамова является создание метода экономической оценки целесообразности утилизации тех или иных тепловых потоков с помощью утилизационного оборудования или СУТ. Вместе с тем следует отметить два главных недостатка этого метода: недостаточный учет рыночных механизмов при выводе главной формулы и неточность оценки действительной экономии топлива ВЭк на судах благодаря утилизации.теплсты.

С целью поиска пригодных для наших целей математических моделей и теоретических разработок проанализировано большое число зарубежных литературных источников. Этот поиск не дал- нужных результатов, поэтому, основываясь на тех требованиях, которые, ставит исследуемая проблема, а также ка собственном понимании важности тех или иных элементов СУТ, автор диссертации сформулировал основные принципы создания математических моделей УО и СУТ в целом. При этом учитывалось, что

математическая модель СУТ необходима для того, чтобы оценить реальную экономию топлива, которая может быть получена в заданных условиях' эксплуатация конкретного речного теплохода в случае установки на нем СУТ того или иного состава или ее отдельных элементов. Показано, что размерность решаемой задачи слишком велика для того, чтобы создать достаточно гибкую математическую модель, и вследствие этого необходимо учитывать, что не все из элементов СУТ оказывают существенное влияние па изменение реальных ситуаций при утилизации вторичных тепловых потоков. В результате предюжено ч разделить математические модели, которые рассматриваются в качестве перспективных для включения в состав математической модели СУТ в целом, на четыре группы в соответствии со степенью детализации описания процессов, происходящих в элементах оборудования СУТ.

В главе подробно описан состав моделей каждой из фупп, а также требования, которым они должны соответствовать.

1 Математическая модель СУТ в целом должна отражать реальную картину фракционирования источников и потребителей теплоты во времени суток или па протяжении всей навигации, при этом последовательность работы элементов СУТ должна воспроизводиться путем обращения в определенной последовательности только г. тем моделям элементов СУТ, которые вхлючены в данную схему. Следовательно, состав СУТ и схемы соединения ее элементов по контуру, скажем, насыщенного пара или санитарной воды должны быть заданы или сформированы в начале работы моаели.

Сопоставлены достоинства и недостатки концепций окупаемости, принятые для плановой и рыночной экономики. Поскольку подход, характерный для рыночных отношений, стимулирует технический прогресс, -в главе детализирована концепция окупаемости и выведена зависимость, которой должна соответствовать требуемая в рыночных условиях экономия топлива

• w s

T R.

К (1/T z — +1.1(R - T) E — )

tp t = 1 at _ t = T + lat „

- --t- + H

I a t = l 1

J_ Ц

(1)

где K(p - капитальные вложения (стоимость УО, ею монтажа н транспортировки), приведенные к расчетному году, в качестве которого выбирается год внесения основной части капитальных затрат; Т - срок окупаемости капитальных вложений; (Х> - коэффициент приведения экономических показателей к расчетному году, характерный для t-ofi навигации; R - срок службы УО; И - эксплуатационные издержки; Цт - цена топлива,

Неравенство (1) отражает концепцию двойной окупаемости вложений: один раз для того, чтобы компенсировать затраты при покупке и установки, а другой - чтобы накопить новые средства дая покупки нового изделия взамен отработавшего свои срок. Кроме того, эксплуатация УО должна принести владельцу прибыль, составляющую за весь срок с луж б и 4-6% от первоначальных капиталовложений, что с учетом налогов составит 10%, разумеется, эта прибыль "адаптирована" к сроку службы R, то есть чем больше R, тем больше и прибыль', так как по законам рыночной экономики вложенные деньги с каждым годом эксплуатации изделия стремительно "дешевеют".

По результатам проведенных исследовании сформулированы дальнейшие задачи научного поиска, которые целесообразно решить для достижения поставленной цели в рамках обозначенных границ проблемы.

Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке математических моделей УО и СУТ в целом.

Созданные модели паровых УК различного типа относятся к классу математических моделей с распределенными параметрами. В них вся поверхность парового УК условно разбивается на ряд элементарных УК. Соединение элементарных УК по газу последовательное, а по

циркуляционной воде - параллельное или последовательное. Сначала рассматривается первый по ходу движения газов элементарный УК, затем второй и тд., причем температура газоа на входе в каждый последующий элементарный УК принимается равной температуре' газов па выходе из предыдущего УК.

Для каждого элементарного УК задаются и далее уточняются в итерационном цикле температуры и теплофизические свойства газов и воды (пароводяной смеси), скорости теплоносителей к коэффициенты теплоотдачи, при этом используются формулы, выведенные с участием автора. Далее .расчитывается коэффициент теплопередачи и средний температурный напор. После определения теплового потока Qsjj.yx элементарного УК производится проверка на достижение . режима парообразования. Как только эковомайзерный участок заканчивается, то для расчета среднего температурного напора начинает работать1 специальная формула.

При переходе счета от одного элементарного УК к другому тепловые потоки Оэл.ук суммируются и по завершению определения параметров всех элементарных УК,' подсчнтывается степень X сухости пара, а также паропроизводительность каждого элементарного УК.

Паропроизводительность всего УК определяется путем суммирования паропроизьодительности каждого элементарного УК или змеевика.

Если паровой УК работает на сепаратор пара, то-модель УК должна быть замкнута на математическую модель сепаратора.

Математическая модель водогрейного УК ориентирована на наиболее распространенную конструкцию УК с прямыми вертикально или горизонтально ориентированными дымогарными трубами, внутри которых движутся выпускаемые газы ГД или ДГ. Нагреваемая вода циркулирует в межтрубном пространстве, делая один или два хода. Дымогарные трубы могут быть гладкими или пметь на внутренней поверхности кольцевые

накатные плавноочерченные вьаступы-турбулнзаторы, чередующиеся с определенным шагом.

Математическая модель водо1рейното УК создана как модель с сосредоточенными параметрами. Реализуются две итерации расчетов. В первой определяющие температуры теплоносителей задаются, а во второй -определяются по особой методике. Остальное наполнение итераций один! ковое. По тем же формулам, что в моделях пароЕых УК, определяются теплофизическне свойства теплоносителей, а также проходные сечения в трубах и межтрубном пространстве п скорости теплоносителей. Далее расчитываются коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи, тепловая эффективность, неизвестные концевые температуры И тепловой поток.

Во всех математических моделях УК имитируется отключение УК или вйод его в действие по достижению предельных значений регулируемых параметров (температура воды или давления пара).

Математическая модель УТ, ориентирована на конструкцию, особенностью которой является то,- что в трубах движется нагреваемая санитарная чода, а в межтрубном пространстве, имеющем один ипн два продольных хода, циркулирует охлаждающая вода внугреннего контура дизелей. Важно отметить, что модель позволяет учитывать интенсифицирующее теплоотдачу воздействие кольцевых плавноочерчеиных турбулизаторов, выполненных накаткой на внутренней поверхности труб. В этой модели так же тщательно, как и в предыдущих, расчитываются определяющие температуры теплоносителей, их теплофизическне свойства, коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи, теплоЕая эффективность и неизвестные концевые температуры, а также имитируется терморегулирование.

Математическая модель парового ВК, входящая в состав моделей второй группы, не так детализирована, как модели УК и УТ. В, частности, принято нецелесообразным описывать процессы горения топлива и теплопередачи от продуктов сгорания к воде и пару, однако поаробнейшим

образом воспроизведен алгоритм функционирования системы автоматики

котла. Стержнем математической модели является определение приращения

температуры (11, в соответствии с которым на каждом шаге интегрирования

<1т расчитывается температура, а затем и давление в коггле. В результате

совместного аиализа дифференциальных уравнений теплового и

Материального анализа получено следующее решение:

2

а ш_ + Ь гп + I пя . 1991064+ <3, - с ' Тпотр Тцв . , Тш з 1

Л = --С1Т; (2)

V с1 + \' е в п

'1 д '

а = 4.2071 - 199И0-064; Ь = 4.207

П. Ь Б

- Е V« 121 = 1 1 .

; с = 0.44А

ук.тр

«1» 547.121 Г1 + 5532; е = 0.328 10*312-624 - 6.8 10_71 I2'56 , п. в э п. в Б

\

гае т^П01р " расход пара по судну; ^ - подача циркуляционного

насоса УК; г - число УК на судне; I; - температура воды (при

неработающем УК) или пароводяной смеси на выходе из УК: Ц-тгмпература в паровом объеме котла; I - то же- в водяном объеме; -

паропроизводитедьность одного из УК, работагощ1гх на ВК; Аук.-ф -

площадь поверхности системы УК-ВК; 1п.в - температура питательной воды;

- тепловой поток, передаваемый от топлива к воде п пару:

= Вт Т|вк ; Вт - расход топлива; - теплота сгорания топлива;

- к.пл. ВК; Уп - объемы водяного и парового пространства ВК.

¡8 тазе подробно описывается содержание математической модели ВК, а также дается пример настройки автоматики ВК типа Е5Ш.5, установленных на теплоходах проекта №302. Подчеркивается, что для каждого моделируемого судна алгоритм настройки автоматики в математической модели В К должен воспроизводиться максимально точно.

Близкий по смыслу подход реализован в математической модели водогрейного ВК. по, естественно, уравнение для определения приращения температуры «и упрощается.

Подробно описана математическая модель парового подогревателя воды (бойлера). В ее основе также лежит решение дифференциальных уравнений теплового и материального балансов, при этом для теплового потока 01 от греющей среды к нагреваемой воде разработана оригинальная методика, изложенная в тексте диссертации и основанная на допущении о квазистациоиарностн протекаемых процессов теплопереноса.

Достоверность работы моделей, использующих решения типа (2), в значительной степени зависит от шага интегрирования Дт. В связи с этим выполнено обоснование значения этого параметра.

Помимо детального описания математических моделей первой и второй группы в главе приведены сведения об отличительных особенностях моделей третьей и четвертой групп: сепаратора пара; АТВ различной конструкции: АТФП; калориферов и подогревателей воздуха, подогревателей цистерн; грелок системы отчнтения; сушилок; потребителей камбуза; прачечной; подогревателей сепараторов топлипа и масла; обогрева ледовых ящиков и др.

Математическая модель СУ Г в целом представляет собой сборку, объединяющую в соответствии с заданной схемой математические модели различных производителей и потребителей теплоты, а также утилизационного оборудования таким образом, что выходные параметры рабочих тел одних элементов схемы являются входными для других элементов.

Цепочка одних математических моделей замыкается на контуре приготовления горячей воды из санитарной (питьевой). Основная цель такого объединения состоит з определении режима работы бойлера горячего водоснабжения п параметров греющей среды на выходе из бойлера или расхода пара, требуемого для приготовления горячей виды в соответствии с настройкой автоматики. Для того, чтобы обеспечивалась достоверность моделирования ситуаций в различное время суток необходимо иметь описание работы потребителей горячей воды во времени. Ясно, что это

описание невозможно создать теоретическим путем и что потребление горячей воды в обшем-то имеет стохастический характер.

Цепочка других математических моделей замыкается на контуре отопления. Целью такого объединения является определение режима работы бойлера центрального отопления и параметров греющей среды на выходе нлн расхода пара, требуемого для обеспечения работы системы отопления.

После того как условия работы потребителей горячей воды и пара смоделированы, начинает работу математическая модель ВК (если котел введен в эксплуатацию). Теперь специфика работы любого из элементов системы производства и потребления теплоты немедленно сказывается на режиме работы котла, а следовательно, и на расходе котельного топлива, который определяется частотой включения ВК.

Утилизационное оборудование СУТ (УК, УТ, АТ и др.) берет на себя функции ВК и вследствие этого частота включения ВК может уменьшаться, а в некоторых случаях необходимость в эксплуатации ВК отпадет. Возможны также ситуации, что утилизационное оборудование берет на себя функции ВК, но вследствие особой настройки автоматики ВК частота его включения не изменяется. Все эти ситуации должны быть "проиграны" на компьютере.

Для того, чтобы исследование было адекватно действительности необходимо:

1) правильно моделировать расписание движения теплохода;

2) достоверно воспроизводить режимы работы ГД и ДГ в течение суток, потому что именно вырабатываемые ими тепловые потоки в будут

• определять в конечном итоге нагрузку утилизационного оборудования и ВК;

3) правильно учитывать продолжительность работы в теплый период и динамику климатических условий холодного периода навигации, которгя связана и с местоположением теплохгда в то или иное время периода.

Таким образом, для создания достоверней компьютерной модели СУТ в целом необходимо провести экспериментальные исследования и их

результаты представить в В1 де математического описания особенностей работы главного и вспомогательного оборудования, а также потребителей теплоты. ч _

Поэтому в третьей главе диссертации сосредоточены данные о результатах проведенных автором экспериментальных исследований па судах ЛО "Волго-флот" в навигации 1992-1994 гг.

Bыявлeнoí что у пассажирских судов режим движения зависит от расписания и характеристик плеса, который проходит теплоход, а у грузовых теплоходов - от установленного графика движения, характеристик плеса н времени' задержки теплоходов в ожидании шлюзования. Независимо от индивидуального подхода судоводителей и количества ГД по одним и тем же участкам плеса суда различных проектов осуществляют движение примерно по одной и той же схеме с вариациями мощности ГД до ±30%, что вызвано путевой обстановкой (расхождения в узостях, ограничения, накладываемые на режим движения работой технического флота и др.).

Наиболее подробно режлмы работы ГД и ДГ были изучены на примере теплоходов "К.Симонов" и "Ленин" (проект N'302), работазгаих в указанное время на маршрутах Москва - С.Петербург, Москва - Н.Новгород, С.Петербург - Ростов, Казань - Астрахань.

В птаве приведен подробный анализ выполненных попыток обработки полученных экспериментальных данных, в том- числе п неудачных. В конечном иторз было принято решение о ь-рисвоешш определенных значений кодовым признакам плеса Х2 и Х3, например, р.Нева - 1, Ладожское и Онежское озера - 2, Волго-Балтийский судоходный гавал - 13, участки Рыбинск - Кострома, Городец - Н.Новгород - 15, канал им.Москгы - 14, Волго-Донской ханал - 19, рДон - 11 и тд. С помощью этих признаков и ходового времени Х1 упалссь получить адекватные базовые описания режимов работы ГД типа:

0.600397 0.104904

Т = 0.0100419Х, Х„

(0.2-0.63) Ренои 1 2

0.350703

хз : (3)

Т = 0.2963223 + 0.555295910*3 X2 -

(0.8-1.0)ре|1ОМ 1

0.001827845Х X ; (4)

2 3 - /

В уравнениях (3)-(4) Х- • время работы на режиме, отнесенное к ходовому. !

Большое внимание было удалено изучению режимов работы ДГ речных судов. Показано, что на современных энергоемких судах максимальная мощность работающих ДГ повысилась до 60-65% от номинальной, а минимальная - не опускается ниже 33% от номинальной.

Поскольку закономерностей в смене, нагрузок основного и резервного ДГ нам выявить не удалось, при обработке экспериментальных данных было решено описывать среднесуточную нагрузку основного и резервного ДГ, а при воспроизведении этой нагрузки в математической модели накладывать ыа полученную таким образом детерминированную компоненту прогноза стохастическую - компоненту. В итоге получены адекватные корреляции, описывающие нагрузку электростанции на продолжительных стоянках, нагрузку основного ДГ относительно номинальной в ходу, нагрузку резервного ДГ относительно номинальной в ходу и время работы резервного ДГ за сутки, выполнен анализ статистических характеристик этих корреляций и приведено физическое объяснение влияния или незначимости тех или иных факторов на отклик.

На базе полученных экспериментальных данных в главе приведены полученные нами корреляции, описывающие изменение температур выпускных газов (в.г и охлаждающей воды на выходе из ДГ по нагрузочной характеристике.

С целью получения данных для настройки математической модели УК выполнено экспериментальное исследование УТ типа ЬА 401-01 на

теплоходе проекта №92-016. Подробно описывается методика проведения испытаний на режимах нагрузки ГЦ (0.41-0.7)Ре"ом н ДГ (0.6-0.б75)Реном, метрологические характеристики использоьанных приборов и датчиков.

Для отладки и настройки математической модели водогрейного УК использовались результаты испытаний УК .типа КАУ4.5 и КАУ4.5М, выполненыс в лаборатории СДВС ВГАВТа.

Достоверное воспроизведение работы парового пли водогрейпого бо]'шеров невозможно без близкого к действительности описания потребления горячей воды на судне. Поэтому одновременно с испытаниями УК осуществлялись замеры расхода воды через бойлер, а при их обработке были привлечены данные, полученные специалистами ЗГАВТ в 1990-1992 гг, в виде суточных графиков потребления горячей воды. В результате анализа этих графиков принято решение моделировать потребление горячей воды на судах всех типоз по единой схеме, накладывая па детерминированную компоненту прогпоза стохастическую компоненту, максимальное значение которой в различное время суток ограничивается. При этом детерминированную компоненту отношения мгновенного расхода горячен воды к среднесуточному было решено описывать кусочно-линейными функциями.

'. / С целью настройки математических моделей УТ и проверки инерционности этих аппаратов проведены экспериментальные исследования УТ, установленных на теплоходах "ГДлмитрог", "К.Симонов", "Левин", "Ф.Шаляпин" и др. Описываются методика проведения испытаний, метрологические характеристики приборов и да пиков, анализируются полученные экспериментальные данные.

В четвертой главе диссертационной работы описываются созданные автором компьютерные модели УО и СУТ в целом, процедуры их проверки 'на адекватность, особенности моделирования СУТ теплоходов различного назначения и результаты моделирования, обобщенные до конкретных рекомендаций. .

Компьютерные модели, или программные реализации разработанных математических моделей, созданы и проверены на адекватность как применительно »: УО различного типа, гак и к СУТ в целом.

Для компьютерной модели СУТ в целом список исходных данных включает в себя около 750 параметров.

Самая трудоемкая ею часть • массивы ходового времени и признаков участков плеса, проходимых теплоходом в данные сутки навигации. Поэтому для каждого типа судов (пассажирские, сухогрузные, танкеры, буксиры-толкачи с составами) заранее составлены "усредненные" маршруты движения, предполагающие работу теплоходов за навигацию в характерных регионах, которые выбраны по результатам анализа маршрутов движения судов в навигации 1985-1994 г.г. Для многих типов, скажем, пассажирских, сухогрузных теплоходов и буксиров-толкачей, маршруты движения выбраны такими, чтобы они охватывали и Волго-Балтинский и Волге-Донской каналы, канал им.Мссквы и реки Дон, Оку, Каму, не творя уже о Волге. Работа судов смешанного плавания в морях не описывапась.

Подробно рассмотрены процедуры формирования исходных данных, стохастические модели потребления горячей воды, режимов работы ГД и ДГ, особенности нормировки параметров и стыковки режимов ГД в течение сугок. Функционирование судового оборудования воспроизводится с помощью двух вложенных циклов - по дням навигации и по времени суток, при этом формируется календарь и оцениваете!: необходимость включения системы отопления, включая нестабильный характер погоды в мае и

я

сентябре.

Потребление пара и горячей воды отопления моделируется на основе концепций, изложенных ь главах 2 и 3. В отдельных подпрограммах воспроизводится работа бойлеров горячею' водоснабжения и отопления, калориферов, нагревателей воздуха, предусмотрена оценка требуемых тепловых потоков нчи расхода пара для обогрера цистерн тяжелого топлива

в подогревателей сепарируемых сред перед сепаратррами тяжелого топлива и масла, а также цистерны шлама в случзе сжигания шлама з кисенираторе.

Моделированию работы бойлеров ' предшествует обращение к подпрограммам расчета УТ, так как в УТ осуществляется предваршельный подогрев санитарной воды и (или) зоды отопления и только после УТ подогреваемая до 40-б0°С пода поступает к тому ¡ив иному бойлеру.

Вслед за определением расхода пара на судне или требуемого теплозого потока отопления моделируется работа УК, при этом, в случае применения утилизационных газовых заслонок (УГЗ) в ходу судна УК "питается" ст ГЦ, а на стоянке - от ДГ.

Последнее ззеко системы, хоторое окончательно формирует баланс производства и потребления теплоты - автономэый ВК. В зависимости от складывающейся ситуации автономный котел или ке выключается, или работает яа той или иной ступени нагрузки, пла отключается по достижению предельных параметров. Коша бы не включился ВК, счетчик расхода хотельного топлива немедленно начинает суммировать количество » уже израсходованного с начала навигации и порции сжигаемого вновь котельного топлива так, что по "охоичавию" навигации расход топлива ВК подсчитывать не нужно - параметр Вт считываете* с показаний счетчпка. Экономия Вэк пли перерасход ДВТ котельного топлива определяется з сравнении с нулевым вариантом, за который .принят вариант работы судна с отхлюченными УК п всем утилизационным оборудованием^

Результаты топливоиспользования при данном составе утилизационного оборудования пли СУТ оцениваются по критерию ОэхЛУ, пря этом требуемый из соображений экономической целесообразности расход топлива за навигацию оаепивается для случаев плановой экономики, переходного периода, рыночных отношения арп одинарной и двойной окупаемости капитальных вложении, что существенно расширяет диапазон оценки эффективности УО или С1Т в целом.

*

Приведены формулы наиболее эффективных СУТ для судов различных проектов н даны комментарии к ним, а подробное изложение результатов моделирования приведено для теплоходов проекта № 302, в наибольшей степени претендующих на роль прототипов для нового пассажирского "судостроения. Детально описаны условия . моделирования, комментируется факт, что по итогам 116-суточной навигации установка У Г признана экономически неоправданной,'однако это вовсе не означает, что принято неверное решение. Для этих теплоходов ситуация ВЗК<\У связана только с их неправильным использованием - 2/3 года дорогостоящие суда простаивают и на приносят прибыли.

Интересным результатом можно считать то, что использование УТ в схеме, гас уже есть достаточно мощное утилизационное устройство (УК), работающее и на систему горячего водоснабжения, уменьшает потенциальную эффективность УТ на 25-30%. Кроме этого, АТВ признаны более желательным элементом СУТ для тех теплоходов, которые эксплуатируются зимой в качестве гоетшшд. На основе проведенного расчетного исследования выявлены основные черты перспективных СУТ

пассажирских теплоходов нового поколения.

!

Выполнен анализ различных схем СУТ грузовых судов применительно к теплоходам проеетог, № 1565, 507Б, Н32-90, 428.2, 1553, 1577, 550А. Подтверждена высокая эффективность установки УТ ДГ для кругаосуточного снабжения судов горячей водой, а для снижения расхода топлива ВК на стоянках в холодный период навигации - водогрейных УК ДГ, скомпонованных из труб с накатными кольцевыми гшавиоочерченнымн турбулизаторамн на внутренней поверхности, омываемой газами. В случае сокращения числа ГД признано целесообразным объединение систем охлаждения водой внутреннего контура ГД и ДГ.

Особое внимание уделено целесообразности использования комбинированных котлов на сухогрузных теплоходах и буксирах-толкачах и паровых УК ГД на нефтеналивных судах. Предлагаемая по итогам анализа

схема перспективной СУТ объединяет лучшие стороны энергетических установок танкеров проекта № 1577 и 630А и нефтерудовоза проекта № 1553. Тип ВК зависит от параметров устанавливаемых на судне паровых ВК подогрева груза - если их суммарная производительность окажется избыточной, то вместо водогрейного ВК может быть установлен паровой бойлер центрального отопления, который снимет все проблемы.

Несмотря на то, что итога моделирования обобщены в ище рекомендаций по типам судов, в главе подчеркивается, что при проектировании конкретного теплохода на тон или ипон верфи необходимо еще раз выполнить серию вычислительных экспериментов для СУТ различного состава в рамках разработанных рекомендаций с учетом специфики будущей работы теплохода и района плавания. По результатам такого моделирования легко выбрать именно то УО, которое позволит создать конкурентоспособную и экономичную энергетическую установку. Поэтому разработанный нами инструмент моделирования целесообразно использовать на заводах и конструкторских бюро, занимающихся проектированием и строительством речных судов: АО "ИЦС", НПО "Судоремонт", ЦКБ "Вымпел", завод "Красное Сормово' ,-Наваптинский завод "Ока" и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 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 а разработаны модели утилизационных котлов, теплообменников, бойлеров, сепараторов и другого оборудования;

3) выполнены экспериментальные исследования я обработаны их результаты, что позволило создать адекватные математические описания,,

необходимые идя 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, а которой учтен стохастический характер формирования режимов работы ГД и ДГ в течение суток, а также нагрузки потребителей теплоты;

5) ко 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, з режимы работы ДГ - функцией периода (месяца) навигации, признака плеса и ходового времени;

6) 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, пли если уж необходимо выдерживать довольно большой срок службы до списания, скажем, УО, то получить в результате такую прибыль, которая покроет все возможные убытки <п 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 КУВ! 00 не подходят к уровню требуемой для эффективной

I

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 должпы 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 па* фузовых судах по обеспечиваемой ими экономии топлива ниже, чем это предполагалось. Тем не менее, УТ по-прежняму можно считать самыми эффективными утилизационными устройствами;

е) А ТВ на пассажирских судах более эффективны, чем ГЗ, однако этот вывод не распространяется на фузовые 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 топливопотреблення на суди.-, различных тисов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих статьях.

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

2. Абрамов Г.А., Бажаи 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.

3. 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.

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

5.. Бажан П.Н., 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.

Зак.Ма 14 Тир. 100 экз.