автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Разработка системы контроля параметров и концентрации вредных веществ в отработавших газах котельных установок танкеров

На правах рукописи

Т7^

Памамарсв Владимир Евгеньевич

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ И КОНЦЕНТРАЦИИ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ТАНКЕРОВ

Специальность: 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 ФЕВ 2014

Новороссийск - 2013

005544713

005544713

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова» (г. Новороссийск).

- Николаев Николай Иванович, доктор технических наук, профессор.

- Петухов Валерий Александрович, доктор технических наук, профессор кафедры « Теплотехника, судовые котлы и вспомогательные установки», ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О.Макарова», г.Санкт-Петербург.

- Климова Екатерина Владимировна, кандидат технических наук, ст. преподаватель кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники», ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет», гЛстрахань.

Ведущая организация: ЗАО «Центральный научно-исследовательский и

проектно-конструкторский институт морского флота» (ЗАО ЦНИИМФ), г. Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится « 27 » февраля 2014 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д223.007.01 в ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова» по адресу: 353918, г. Новороссийск, ул. Ленина, дом 93, ауд. Б-1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова».

Автореферат диссертации разослан « 17 » января 2014 года.

Ученый секретарь , диссертационного совета

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

ХекертЕвгещш,Владимирович

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Основную роль в загрязнении воздушного бассейна транспортным флотом играют выбросы вредных веществ в отработавших газах (ОГ) не только главных и вспомогательных дизелей, но и котельных установок танкеров. Но загрязнение от главных двигателей происходит в основном за пределами акватории порта, а в порту главным источником загрязнения является котельная установка. На танкерах, где судовая грузовая система оснащена насосами с паровым турбоприводом (линейная грузовая система), суточное потребление топлива котельной установкой может превышать потребление топлива главного и вспомогательных двигателей вместе взятых. Это происходит в порту в непосредственной близости от населенных пунктов.

Экологические характеристики ОГ определяются главным образом содержанием в продуктах сгорания оксидов азота NOx, которые по индексу токсичности превосходит другие вредные компоненты ОГ. Выбросы оксидов азота с ОГ судовых дизелей регламентируются в нашей стране ГОСТом Р 51249-99 и Международной конвенцией по предотвращению загрязнения с судов MARPOL 73/78. Помимо этого с 1 января 2011 года Международной морской организацией (IMO) принято дальнейшее ужесточение действующих норм выбросов оксидов азота. При этом IMO планирует включить Балтийское море в зону контроля эмиссии оксидов азота NECA.

Но, что касательно судовых котельных установок, то со стороны Российского законодательства и международных конвенций никаких ограничений нет, не смотря на то, что выбросы происходят в порту и довольно существенные.

Прежде всего, актуальность исследования определяется необходимостью решения вопросов сбора и анализа информации по качественному и количественному составу выбросов отработавших газов судовых котельных установок с учетом эксплуатационных факторов для оценки экологической безопасности.

Степень разработанности. Экспериментальные и теоретические исследования по изучению закономерностей образования вредных веществ в отработавших газах стационарных котельных установок проводятся в научно-исследовательских институтах и ВУЗах, как в России, так и за рубежом. В работах ученых Н.И. Денисенко, И.И. Костылева, П.А. Бараш, A.C. Хряпченкова, Б.И. Лубочкина, В.И. Енина, Ю.В. Александровского, Ю.В. Разумова рассматриваются вопросы устройства, надежности, эксплуатации котельных установок, в том числе и судовых котельных установок. Проблемам выбросов загрязняющих веществ и снижению их концентрации, очистки ОГ посвящены работы В.А. Тур-кина, А.А Иванченко, В.А. Маркова, В.И. Смайлиса, В.Р. Котлера, С.А. Требун-ских, В.В. Гапеева и др.

Несмотря на большой объем выполненных исследований в работах отсутствует информация о выбросах загрязняющих веществ с судовых котельных установок и вопросы контроля замеров параметров, количества и состава вредных веществ в отработавших газах современных судовых котельных установок танкеров в широком диапазоне нагрузок.

Объект исследования - современные котельные установки производства

з

фирмы Aalborg Industries тип MISSION™ OL с топочным устройством KBSD.

Предмет исследования — параметры и концентрация вредных веществ в отработавших газах судовых котельных установок производства фирмы AaJborg Industries тип MISSION™ OL с топочным устройством KBSD.

База исследования. Работа выполнена на кафедре "Судовые тепловые двигатели" Государственного морского университета имени адмирала Ф.Ф. Ушакова. Экспериментальные исследования проводились на морских судах компании ОАО «Новороссийское морское пароходство» (СКФ «Новошип») входящее в группу компаний СКФ («Совкомфлот»).

Цели и задачи исследования. Цель диссертации состоит в формировании комплекса организационных и научно-обоснованных технических решений, направленных на оценку и совершенствование эксплуатации судовых котельных установок производства фирмы Aalborg Industries тип MISSION™ OL с топочным устройством KBSD в широком диапазоне изменения нагрузок на основе контроля параметров, количества и состава вредных веществ в отработавших газах в эксплуатации.

Целесообразность разработки данного вопроса, в первую очередь для защиты человека, природы и подготовки компании к предстоящим будущим нормируемым ограничениям по части выбросов в атмосферу, требуют решения следующих основных задач:

1. Анализ конструкций и режимов эксплуатации судовых котельных установок танкеров на примере СКФ -Новошип.

2. Разработка методики исследования теплотехнических параметров и состава вредных веществ в отработавших газах котельной установки на различных режимах эксплуатации и сортах топлива.

3. Проведение экспериментальных исследований и создание информационно-статистического банка данных теплотехнических параметров, количественного и качественного состава вредных веществ в отработавших газах судовых котельных установок.

4. Оценка влияния различных эксплуатационных факторов на величину вредных выбросов и разработка индекса эффективности грузовых операций.

5. Определение основных аналитических уравнений для параметров и концентрации вредных веществ в отработавших газах судовых котельных установок танкеров.

Научная новизна исследования заключается в следующих результатах:

1. Создан информационно-статистический банк данных по контролю параметров, количественному составу вредных веществ в отработавших газах судовых котельных установок производства фирмы Aalborg Industries тип MISSION™ OL с топочным устройством KBSD.

2.0ценено влияние нагрузки котельной установки и коэффициента избытка воздуха на величину выбросов и получены аналитические выражения.

3. Определена зависимость поправочного коэффициента при изменении коэффициента избытка воздуха (А'я = /(«г))в пределах от 1,03 до 1,93 для современных котельных установок работающих на топливе RMG 380 и DMA.

4. Разработаны и предложены для введения в регламентирующие документы индекс эффективности грузовых операций (Cargo Operation Efficiency Index) и индекс экологической безопасности при грузовых операциях (Cargo Operation Environmental Safety Index).

Теоретическая н практическая значимость работы состоит в том, что разработанная методика и результаты контроля состава вредных веществ в отработавших газах судовых котельных установок вошла в состав действующей в компании ОАО "Новошип", защищенной патентом системы Мониторинга энергоэффективности и экологической безопасности судов "S3ES-Novoship"(nareHT Российской Федерации (РФ) на полезную модель №110068 от 10.11.2011). Результаты, полученные в диссертации, внедрены в систему мониторинга энергоэффективности и экологической безопасности СКФ «Новошип», а также в учебный процесс для подготовки инженеров-судомехаников, инженеров-экологов в государственном морском университете имени адмирала Ф.Ф.Ушакова.

Методология и методы исследования. Базой являются отечественные и зарубежные исследования в области контроля и методов снижения вредных веществ в отработавших газах котельной установки, а также основные положения термодинамики, методы проведения теплотехнических измерений и требования к их проведению, математической статистики и моделирования, пакеты прикладных программ Excel 2010, Mathcad 13, MathLab 7.

Положения, выносимые на защиту:

1.Результаты экспериментальных исследований и информационно-статистический банк данных по контролю параметров, количественному составу вредных веществ в отработавших газах судовых котельных установок производства фирмы Aalborg Industries тип MISSION™ OL с топочным устройством KBSD.

2. Полученные на основе накопленного статистического бщпса данных, регрессионные уравнения для параметров и концентрации ВВ в ОГ судовых котельных установок танкеров и влияние коэффициента избытка воздуха на величину выбросов.

3. Разработанные индексы эффективности грузовых операций (Cargo Operation Efficiency Index) и экологической безопасности цри грузовых операциях (Cargo Operation Environmental Safety Index).

Степень достоверности и апробация результатов. Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивается выполненным значительным объемом научно обоснованных экспериментальных исследований, корректностью методики обработки опытных данных, применением апробированных методов, удовлетворительным совпадением экспериментальных данных и расчетных величин, выполненных по разработанной автором методике.

Материалы диссертации докладывались на:

- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ГМУ имени адмирала Ф.Ф.Ушакова (г.Новороссийск) 2010-2011 гг;

- сессиях комитета ISTEC (INTERTANKO Safety Technical Environmental Committee) INTERTANKO 2009-2013 гг;

- XI Конференции по судостроению, судоходству, деятельности портов, освоении океана и шельфа Нева 2011, г. Санкт-Петербург;

- межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики», Санкт-Петербургский государственный морской технический университет (г. Санкт-Петербург,2012 г.).

-международной конференции BSAMI «Actual problem of marine shipping» Admiral Ushakov Maritime State University, Novorossiysk, Russia 25-27 June 2013

Основные результаты диссертации опубликованы в 11 научных работах, все по теме диссертации. Из них 5 статей, 1 патент на полезную модель, 5 тезисов докладов. В рецензируемых научных журналах опубликовано 2 работы, из них в одной работе авторская доля составляет 50%, в другой - 100%.

Структура и объём работы. Диссертация, объемом 154 страницы, состоит из титульного листа, оглавления, текста диссертации: введения, 4 глав основной части с 73 рисунками и 18 таблицами, заключения; списка сокращений и условных обозначений, списка литературы из 105 наименований и приложения.

Основное содержание работы

Во введении дается обоснование актуальности темы диссертации, указываются основные аспекты проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность.

В первой главе рассматривается современное состояние в области контроля параметров и состава вредных веществ в ОГ судовых двигателей и котельных установок. Дается оценка фактической доли котельной установки танкеров в загрязнении воздушного бассейна токсичными компонентами ОГ. Анализируются современные требования к экологическим показателям. Приводится анализ времени работы котельной установки, состава котельного оборудования и потребления топлива основными потребителями. В порту источниками загрязнения окружающей среды с судов является вспомогательный дизель-генератор и котельная установка. Произведен анализ потребления топлива судовой энергетической установкой танкеров дедвейтом от 40 тыс.т. до 159 тыс.т. с различными типами грузовой системы: «Framo», «Marflex» и линейная. На танкерах с грузовой системой «Framo» и «Marflex» расход топлива на дизель-генератор и котельную установку практически одинаков. А вот на танкерах с линейной грузовой системой суточный расход на котельную установку в 2-3 раза превышает суточный расход топлива на дизель-генератор и в некоторых случаях сопоставим или превышает суточный расход топлива на главный двигатель (рисунок 1).

Рисунок 1 - Суточный расход топлива танкеров с различными грузовыми

системами

Это объясняется тем, что на судах с линейной грузовой системой, для обеспечения работы паровых турбоприводов грузовых насосов используются котельные установки большей паропроизводительностью (до 55 т/ч) и энергетической мощностью (до 38,8 МВт), чем на судах с грузовыми системами «Framo» и «Mar-flex». Для сравнения:

- мощность Главного двигателя судна типа Aframax дедвейтом 106 тыс.т,, в качестве которого используется ДВС, составляет 11,32 МВт;

- энергетическая мощность одного котла этого же танкера составляет 17,6 МВт.

То есть суммарная мощность котельной установки (два котла по 17,6 МВт) на данном судне в три раза превосходит мощность главного двигателя.

При этом пиковый расход топлива на котельную установку происходит именно в порту или в пределах акватории порта и составляет порядка от 50 до 90 т. в сутки, что в свою очередь влияет на количество вредных выбросов и соответственно негативно влияет на экологическую безопасность окружающей среды. Это в конечном итоге сказывается на здоровье жителей портовых городов и прибрежных поселений.

Определение скорости, расхода воздуха на котельную установку (или количество отработавших газов) в условиях эксплуатации осуществлялось с помощью Трубки Пито входящее в состав газоанализатора Testo 340. Скорость потока определялся как:

г = S •»• I—

л| Р

где S - тарировочный коэффициент Трубки Пито;

ЛРЯ- разность между полным и статическим давлением, Па;

р- плотность газа при рабочих условиях, кг/м3.

Конструкция зонда позволяет определить температуру отработавших газов.

Атмосферные условия фиксировались переносным рекордером Testo 174Н позволяющим с заданной периодичностью записывать показания температуры и влажности воздуха и возможностью передачи данных на ПК через USB интерфейс.

В диссертации приводятся результаты определения погрешности измерений параметров и концентрации ВВ в ОГ и среднеквадратических отклонений.

Так, например, для условий, полученных в результате испытаний, при определении скорости газа в i-ой точке измерения поперечного сечения газохода, средней скорости и расхода газа, среднее квадратическое отклонение и максимальная погрешность с доверительной вероятностью 95% составляет ±4,8%.

До начала экспериментов обязательно проводился визуальный осмотр поверхностей теплообмена котельных установок, выполнялся анализ топлива лабораторией DNV PS и производилось сравнение со стандартом ISO 8217:2010. Дополнительно определялся элементарный состав топлива.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований параметров и состава отработавших газов котельной установка Aalborg MISSION™ OL в широком диапазоне нагрузок.

На 21 судне (37 котлов из них 28 котлов MISSION™ OL паропроизводи-тельностью 25000кг/ч с топочным устройством KBSD 1900, 4 котла MISSION™ OL паропроизводительностью 35000кг/ч с топочным устройством KBSD 2650, 1 котел MISSION™ OL паропроизводительностью 20000кг/ч с топочным устройством KBSD 1500, 1 котел MISSION™ OL паропроизводительностью 18000кг/ч с топочным устройством KBSD 1500, 1 котел Saacke Marine System ТРК NOVA d.o.o. паропроизводительностью 19000 кг/ч, 1 котел ТРК Kotlogradnja KLN/VIC паропроизводительностью 19000кг/ч и 1 котел Mitsubishi МАС-В паропроизводительностью 25000 кг/ч) производился замер теплотехнических параметров котельных установок и сравнение со стендовыми испытаниями. В процессе экспериментов замеры параметров и концентрации ВВ производились в автоматическом режиме реального времени (on-line режим) с передачей данных на компьютер через Bluetooth с интервалом 10 секунд.

На рисунке 3, в качестве примера, приведены зависимости основных тепло-

Для сравнения на рисунке 11 представлены значения массовых выбросов котельных установок работающих на топливах с различным содержанием серы (0,08 ,1,33 ,3,39%) и массовые выбросы ГД работающего на топливе с содержанием серы 1,33% по массе.

Для массового выброса ЫОх получится с учетом коэффициента избытка воздуха и температуры газов получим следующее (рисунок 12): Мко_( = -12,508- «V - 36,153 ■ аг - 18,099

а, = 3 ■ 10~е • 77 - 0,0003 • ?г + 1,1449 Тг = -0,0002 ■ В2 - 0,511 ■ В-21,512 В = 1649+ 110,88

9.00 в.ОО 7.00 6.00 5.00 4.00 3,00

:.оо 1.00 0.00

1 ,.

4

'/о Яз\

1

0.00

0.50

Массовы выброс ЫОх

- Пошзклвтльная 2 степень

- Полиномиальная ?. степень

1.00 1.50

Коэффициент тбыткй воздуха

2.00

2.50

Рисунок 12 - Зависимость массового выброса ЫОх от коэффициента избытка

воздуха

Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ при сжигании топлива в котлах производительностью до 30 т/ч, разработанные Институтом Горючих ископаемых Минуглепрома СССР, Всесоюзным теплотехническим институтом им.Ф.Э.Дзержинского Минэнерго СССР и др. утверждённые и изданные Государственным комитетом СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды в 1985 году, рекомендуют для расчета содержания окислов азота при сжигании мазута на стадии проектных разработок котельных установок использовать метод позволяющий определить концентрацию МОх в ОГ котла при следующих условиях:

- ВГ - расход топлива на горелку, кг/с для мазута, м3/с для газа;

- с1г - диаметр амбразуры горелки (свободное сечение), м;

-«г - коэффициент избытка воздуха в горелке =1;

- информация о наличии или отсутствии подогрева воздуха, подаваемого на горение.

Для оценки концентрации ЫОх на эксплуатационных режимах котельной установки, когда аг Ф 1, при работе котельной установки на дизельном топливе или мазуте рекомендуется использовать:

COESImo,

0,0060 -i--

0,0040 {----

0,0020 \-----

o.oooo i

Marftex Framo Линейная систегла

I____________

Рисунок 15 - Индекса экологической безопасности при грузовых операциях

Действия всех парниковых газов учитывается кумулятивно, т.е. данные инвентаризации необходимо выражать в единицах С02 -эквивалента. Суммирующее воздействие парниковых газов получается как взвешенная сумма выбросов отдельных газов с весами, отражающими их общий парниковый эффект. Эффект парникового воздействия С02 принят за единицу. Выбросы остальных парниковых газов умножают на соответствующий коэффициент - потенциал глобального потепления (ПГП). Так для закиси азота, который по индексу токсичности превосходит другие вредные компоненты отработавших газов, ПГП равен 310. Например: C0ESIso С(>_ = C0ESlm. •310 и соответственно для линейной системы равен 0,8730, для судов с грузовой системой «Framo» - 1,732 и судов с грузовой системой «Marflex» 1,519,

Индекс экологической безопасности по NOx при грузовых операциях на танкерах с нелинейной грузовой системой выше, чем этот же индекс на танкерах с линейной грузовой системой. Это объясняется тем, что при грузовых операциях основным источником энергии на судах с линейной грузовой системой является котельная установка, удельные выбросы по NOx которой, значительно ниже, чем удельные выбросы по NOx дизель -генераторов, но учитывая коэффициент ПГП по выбросам NOx, получаем суммарный индекс экологической безопасности приведенный к С02, так на танкерах с линейной грузовой системой он ниже, чем с на танкерах с системой «Framo» и чем на танкерах с грузовой системой «Marflex». Индекс экологической безопасности по С02, индекс экологической безопасности по NOx приведенный к С02 и суммарный индекс экологической безопасности приведен на рисунке 16.

СО£5|,кг/мЗ

2.SOOO . 2,0000 : 1.SOOO 4— 1.0000 0,5000 0,0000

wá

] 3,7323

i ' 3! J- i

!

Marflex Framo линейная система

BC0ESI|C02) !jCOES!(NOx->C021 A Total СОЕ SI

Рисунок 16 - Индекс экологической безопасности при грузовых операциях для различных типов грузовых систем приведенный к С02

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

Научные статьи в рецензируемых журналах

1. Панамарев, В.Е. Оценка энергетической эффективности и экологической безопасности грузовых операций танкеров [Текст] / В.Е.Панамарев, Н.И.Николаев // Отраслевой журнал «Судостроение». - СПб. - 2013. - №4. -С.67-70.

2. Панамарев, В.Е. Влияние коэффициента избытка воздуха вспомогательной котельной установки на состав отработавших газов [Текст] / В.Е.Панамарев // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - СПб.: ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова, - 2013. -№2. — С.44-52

Другие публикации

3. Патент на полезную модель 110068 Российская Федерация, МПК В 63 Н 25/00. Система мониторинга энергоэффективности и экологической безопасности судов (S3ES-Novoship) [Текст] / В.Е.Панамарев, Н.Н.Зиненко, А.Г.Пруцков, Б.В.Бордунов, Ю.Г.Букаренко, Е.С.Мартынович, Е.В.Яременко, заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество "Новороссийское морское пароходство". -№2011119025/11; заявл. 12.05.2011; опубл. 10.11.2011, Бюл. №31. - 4 е.: ил.

4. Панамарев, В.Е. Особенности судовых маневров при швартовке с использованием современных судовых систем [Текст] /В.Е. Панамарев, В.И. Королев,Г.Е. Панамарев // IV Всероссийская научная конференция молодых ученых и студентов. Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионе. - Анапа, 2007. - С.369-372.

5. Панамарев, В.Е. Влияние режимов эксплуатации судовых вспомогательных котельных установок фирмы Aalborg Industries MISSION ™OL на состав отработавших газов [Текст] / В.Е. Панамарев // Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовка кадров на юге России: материалы десятой региональной научно-технической конференции 16-17 декабря 2011, часть 1. - Новороссийск: Морская Государственная Академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова. — 2012. — С.45—48.

6. Панамарев, В.Е. Контроль состава отработавших газов судовых двигателей и котлов в эксплуатации [Текст] / Н.И.Николаев, Н.Н.Зиненко, В.Е. Панамарев // «Нева-2011», 11-я Международная выставка и конференция по судостроению, судоходству, деятельности портов, освоению океана и шельфа. - СПб: Издательско-полиграфический комплекс «Ленэкспо», 2011. — С.96-100.

7. Панамарев, В.Е. Методика контроля выбросов загрязняющих веществ в атмосферу судовыми дизельными и котельными установками в эксплуатации [Текст] / Н.Н.Зиненко, В.Е. Панамарев // Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовка кадров на юге России: материалы десятой региональной на-

учно-технической конференции 16-17 декабря 2011, часть 1. - Новороссийск: Государственный Морской Университет имени адмирала Ф.Ф.Ушакова, 2012. -С.45-48.

8. Панамарев, В.Е. Опыт контроля состава отработавших газов современных судовых дизельных и котельных установок танкеров [Текст] / Н.И. Николаев, Н.Н.Зиненко, В.Е. Панамарев // «Актуальные проблемы морской энергетики», Всероссийская межотраслевая научно-технической конференция. - СПб.: Санкт-Петербургская Государственная Морская Академия имени адмирала С.О. Макарова, 2012.-С.136-140.

9. Панамарев, В.Е. Особенности конструкций современных судовых вспомогательных котельных установок танкерного флота [Текст] / В.Е.Панамарев // Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовка кадров на юге России: материалы десятой региональной научно-технической конференции 16-17 декабря 2011, часть 1. - Новороссийск: Государственный Морской Университет имени адмирала Ф.Ф.Ушакова, 2012. - С.42-45.

10. Панамарев, В.Е. Анализ законодательных актов, регулирующих выбросы вредных веществ с судов в атмосферу [Текст] / Н.Н.Зиненко, В.Е. Панамарев // Сборник научных трудов, выпуск 16, часть 1. - Новороссийск: Государственный Морской Университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова. - 2011. - С.155-156.

11. Панамарев, В.Е. «Novoship» follows to future energy and environmental international legislations |Текст] / В.Е. Панамарев, Н.Н.Зиненко // The l5t International Conference of Black Sea Association of Maritime Institutions «Actual problem of marine shipping». - Novorossiysk: Admiral Ushakov Maritime State University. -2013.-P.105-116.

Формат 60x84 1/16. Тираж 100. Заказ 2659. Отпечатано в редакциошю-издательском отделе ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф.Ушакова» 353918, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АДМИРАЛА

Ф.Ф. УШАКОВА» /7

«На правах рукописи»

04201456105

Панамарев Владимир Евгеньевич

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ И КОНЦЕНТРАЦИИ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ТАНКЕРОВ

Специальность: 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Николаев Н.И. доктор технических

наук, профессор

Новороссийск 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................4

Глава 1. Современное состояние в области контроля параметров и состава вредных веществ в отработавших газах судовых двигателей и котельных установок..........................................................................................10

1.1 Судовая энергетическая установка как источник загрязнения токсичными компонентами отработавших газов.............................................................................10

1.2 Анализ законодательных актов и современные требования в области предотвращения загрязнения атмосферы с судов......................................................20

1.3 Анализ времени работы, состава судового вспомогательного котельного оборудования и распределение расхода топлива.......................................................34

1.4. Основные загрязняющие вещества, выбрасываемые котельными установками....................................................................................................................40

1.5. Цель и основные задачи исследований...........................................................44

Глава 2. Объекты и методика исследования параметров и состава вредных веществ отработавших газов судовых вспомогательных котельных установок....48

2.1. Судовые вспомогательные котельные установки танкеров.........................48

2.2. Система измерений и приборное обеспечение..............................................58

2.3. Методика контроля состава отработавших газов котельной установки.....70

Глава 3. Экспериментальное исследование параметров и состава отработавших газов котельных установок

ААЬВОКО М188ЮЫ™ОЬ в широком диапазоне изменения нагрузок................................................................82

3.1. Теплотехнические параметры и режимы работы котельной установкой, оценка технического состояния...................................................................................82

3.2. Анализ влияния режимов эксплуатации котельной установки на состав отработавших газов, при работе на дизельном топливе............................................92

3.3. Анализ влияния режимов эксплуатации котельной установки на состав отработавших газов при работе на тяжелом топливе..............................................100

3.4. Влияние коэффициента избытка воздуха на состав отработавших газов. 107

Глава 4. Система контроля параметров судовых вспомогательных котельных установок танкеров и предложений по нормированию и ограничению выбросов вредных веществ................................................................................112

4.1. Регрессионные зависимости параметров и состава токсичных веществ в отработавших газах котельной установки................................................................112

4.2. Сравнение полученных результатов с общепринятыми методами расчета выбросов загрязняющих веществ..............................................................................124

4.3. Анализ эффективности грузовых операций и определение индекса экологической безопасности при грузовых операциях танкеров...........................127

4.4. Сравнение массовых выбросов главного двигателя и котельной установки танкера дедвейтом 106 тысяч тонн, методы и способы снижения выбросов вредных веществ с отработавшими газами при грузовых операциях танкеров... 135

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................139

Список сокращений и условных обозначений..........................................141

Список использованной литературы......................................................144

Список иллюстративного материала.........................................................................156

Приложение 1...............................................................................................................160

Приложение 2...............................................................................................................163

Приложение 3...............................................................................................................174

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Основную роль в загрязнении воздушного бассейна транспортным флотом играют выбросы вредных веществ в отработавших газах (ОГ) главных и вспомогательных двигателей, в качестве которых в подавляющем большинстве используются дизели. Но загрязнение от главных двигателей происходит в основном за пределами акватории порта, а в порту главным источником загрязнения является котельная установка. Котельные установки имеются на всех типах танкеров, а на танкерах типа Рапатах, А&отах, Биегтах и УЬБЗ, которые составляют более 2/3 суммарного дедвейта мирового танкерного флота, применяются линейная грузовая система. Данная система оснащена грузовыми насосами с паровым турбоприводом и котельной установкой большей производительностью (до 55 т/ч и мощность до 38,8 МВт), с суточным потреблением топлива от 50 до 90 тон. Что превышает суточное потребление топлива на главные и вспомогательные ДВС вместе взятые на номинальной нагрузке.

Для сравнения:

-мощность Главного двигателя судна типа Айжпах дедвейтом 106 тыс.т., в качестве которого используется ДВС, составляет 11,32 МВт;

-мощность одного котла этого же танкера составляет 17,6 МВт. То есть суммарная мощность вспомогательной котельной установки (два котла по 17,6 МВт) на данном судне в три раза превосходит мощность Главного двигателя.

Экологические характеристики определяются главным образом содержанием в продуктах сгорания оксидов азота ИОх, которые по индексу токсичности превосходит другие вредные компоненты ОГ.

Выбросы оксидов азота с ОГ судовых дизелей в нашей стране регламентируется ГОСТ Р 51249-99 «Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения.»[15], отвечающим в части касающейся выбросов азота

требованиям Правила 13 Приложения VI «Правила предотвращения загрязнения воздушной среды с судов и Технического Кодекса по NOx» [40] к Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов MARPOL 73/78 вступившего в силу с 01 июля 2010 года. Помимо этого с 1 января 2011 года Международной морской организацией IMO (далее IMO) принято дальнейшее ужесточение действующих норм выбросов оксидов азота на 20% (уровень Tier II), а с 2016 года запланировано ужесточение норм в зонах контроля эмиссии оксида азота (NOx Emission Control Area - NECA) на 80% (уровень Tier III). При этом 1МОпланирует включить Балтийское море в зону контроля эмиссии оксидов азота NECA. Но, что касательно котельных установок, то со стороны международных конвенций никаких ограничений нет, не смотря на то, что выбросы происходят в порту и довольно существенные. В Российском законодательстве также отсутствуют ограничения по выбросам с отработавшими газами судовых котельных установок. Актуальность темы диссертации определяется необходимостью решения вопросов сбора и анализа информации по параметрам, качественному и количественному составу выбросов отработавших газов судовых котельных установок в различных условиях эксплуатации для оценки экологической безопасности и предложений по нормированию выбросов отработавшими газами, разработки различных способов и систем их снижения, которые позволят минимизировать токсичность выбросов судовых котельных установок.

Степень разработанности. В работах таких ученых как, Н.И. Денисенко, И.И. Костылева, П.А. Бараш, A.C. Хряпченкова, Б.И. Лубочкина, В.И. Енина, Ю.В. Александровского, Ю.В. Разумова рассматриваются вопросы устройства, надежности, эксплуатации котельных установок, в том числе и судовых котельных установок. Проблемам очистки воздуха в ОГ посвящены научные труды ученых А.А Иванченко, В.А. Туркина, А.Л. Баранова, С.А Богатых, В.А. Маркова, В.И. Смайлиса. Работы ученых В.Р. Котлера, С.А. Требунских, Л.М Еремина, A.A. Вагнера, В.В. Абрамова, В.В. Гапеева и др. посвящены выбросам загрязняющих веществ и снижению их концентрации [3,4,6,18,19,20,21,22,31,32,

33,34,36,39,74,75,77,78,79,80,85]. Несмотря на большой объем выполненных исследований, и проведенных экспериментов, в работах отсутствует информация о влиянии различных факторов на выброс вредных веществ с современных судовых котельных установок танкеров.

Экспериментальные и теоретические исследования по изучению закономерностей образования вредных веществ в отработавших газах стационарных котельных установках проводятся в научно-исследовательских институтах и ВУЗах, как в России, так и за рубежом. Однако еще недостаточно изучены вопросы контроля замеров параметров, количества и состава вредных веществ в отработавших газах современных судовых котельных установок танкеров в широком диапазоне нагрузок и влияние на них эксплуатационных факторов.

Цели и задачи исследования. Цель диссертации состоит в формировании комплекса организационных и научно-обоснованных технических решений, направленных на оценку и совершенствование эксплуатации судовых котельных установок производства фирмы Aalborg Industries тип MISSION™ OL с топочным устройством KBSD в широком диапазоне изменения нагрузок на основе контроля параметров, количества и состава вредных веществ в отработавших газах в эксплуатации.

Целесообразность разработки данного вопроса, в первую очередь для защиты человека, природы и подготовки компании к предстоящим будущим нормируемым ограничениям по части выбросов в атмосферу, требуют решения следующих основных задач:

1. Анализ конструкций и режимов эксплуатации судовых вспомогательных котельных установок танкеров на примере СКФ -Новошип.

2. Разработка методики исследования теплотехнических параметров и состава вредных веществ в отработавших газах котельной установки, на различных режимах эксплуатации и сортах топлива.

3. Проведение экспериментальных исследований и создание информационно-статистического банка данных теплотехнических параметров,

количественному и качественному составу вредных веществ в отработавших газах судовых котельных установок.

4. Получение основных аналитических уравнений для параметров и концентрации вредных веществ в отработавших газах судовых вспомогательных котельных установок танкеров.

5. Оценка влияния различных эксплуатационных факторов на величину вредных выбросов и разработка индекса эффективности грузовых операций, предложений по нормированию концентрации вредных веществ в обработавших газах вспомогательных котельных установок танкеров.

Научная новизна исследования заключается в следующих результатах:

1. Экспериментальных исследований и информационно-статистический банк данных по контролю параметров, количественному и качественному составу вредных веществ в отработавших газах судовых котельных установок производства фирмы Aalborg Industries тип MISSION™ OL с топочным устройством KBSD.

2,Оценки влияния нагрузки котельной установки и коэффициента избытка воздуха на величину выбросов, сравнение результатов расчетной spline функции для поправочного коэффициента с полученными аналитическими выражениями.

3. Разработка и введение индекса эффективности грузовых операций (Cargo Operation Efficiency Index) и индекса экологической безопасности при грузовых операциях (Cargo Operation Environmental Safety Index).

4. Предложение по нормированию вредных выбросов на основе полученных аналитических выражений.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что разработанная методика и результаты контроля состава вредных веществ в отработавших газах судовых котельных установок вошла в состав действующей в компании ОАО "Новошип", защищенной патентом системы Мониторинга энергоэффективности и экологической безопасности судов "S3ES-Novoship"[53]. Результаты, полученные в диссертации, внедрены систему мониторинга энергоэффективности и экологической безопасности СКФ «Новошип», а также в

учебный процесс для подготовки инженеров-судомехаников, инженеров-экологов в государственном морском университете имени адмирала Ф.Ф.Ушакова.

Методология и методы исследования.

В диссертации использованы экспериментальные и статистические методы исследования. Для решения поставленной цели и задач исследования использованы приборы, обеспечивающие высокую точность измерений, достаточный объем выборок, их статистический анализ и обработка данных на электронно-вычислительной машине с использованием средств пакета SPSS и пакеты прикладных программ Excel 2010, Mathcad 13, MathLab 7.

Положения выносимые на защиту:

1.Результаты экспериментальных исследований и информационно-статистический банк данных по контролю параметров, количественному составу вредных веществ в отработавших газах судовых котельных установок производства фирмы Aalborg Industries тип MISSION™ OL с топочным устройством KBSD.

2. Оценки влияния нагрузки котельной установки и коэффициента избытка воздуха на величину выбросов, сравнение результатов расчетной spline функции для поправочного коэффициента с полученными аналитическими выражениями.

3. Разработка и введение индекса эффективности грузовых операций (Cargo Operation Efficiency Index) и индекса экологической безопасности при грузовых операциях (Cargo Operation Environmental Safety Index).

Степень достоверности и апробация результатов. Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивается выполненным значительным объемом научно обоснованных экспериментальных исследований и статистической обработки данных на электронно-вычислительной машине с использованием средств пакета SPSS и др., апробацией полученных результатов и репрезентативностью опытных данных. Материалы диссертации докладывались на:

- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ГМУ имени адмирала Ф.Ф.Ушакова (г.Новороссийск) 2010-2011 гг;

- сессиях комитета ISTEC (INTERTANKO Safety Technical Environmental Committee) INTERTANKO 2009-2013rr;

- XI Конференции по судостроению, судоходству, деятельности портов, освоении океана и шельфа Нева 2011, г. Санкт-Петербург;

- межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики», Санкт-Петербургский государственный морской технический университет (г. Санкт-Петербург,2012 г.).

-международной конференции BS AMI «Actual problem of marine shipping» Admiral Ushakov Maritime State University, Novorossiysk, Russia 25-27 June 2013 Основные результаты диссертации опубликованы в 11 научных работах, все по теме диссертации. Из них 6 статей, 1 патент на полезную модель, 4 тезисов докладов. В рецензируемых научных журналах опубликовано 2 работы.

Глава 1. Современное состояние в области контроля параметров и состава вредных веществ в отработавших газах судовых двигателей и котельных

установок

1.1 Судовая энергетическая установка как источник загрязнения токсичными компонентами отработавших газов

Глобализация мирового рынка и увеличивающиеся объемы судоходства привели к строительству качественно нового флота с мощными энергетическими установками и, как следствие, росту воздействия на окружающую среду [26,86] .При всей важности транспортного комплекса как неотъемлемого элемента экономики необходимо учитывать его весьма значительное негативное воздействие на природные экологические системы [9].

Основной причиной значительного роста судоходства был рост мировой торговли. Однако, институциональные и технологические факторы также сыграли свою роль. В прошлом, либерализация достижений General Agreement on Tariffs and Trade (GATT) и его последователя World Trade Organization(WTO) дали толчок мировой торговле. Экономическое открытие Китая ко внешнему миру, которое привело к их приему в WTO в 2001 году, также было очень значительным - его экспорт вырос в 4 раза за 5 лет. Еще одним примером роста мировой торговли от интеграции рынков является утроение экспорта из Мексики в США за 6 лет с создания NAFTA(North American Free Trade Agreement) [48].

Революция в информационных технологиях и технологиях связи значительно снизили затраты на связь. Это позволило развиться новым сетям и производственным процессам, и придало огромный стимул развитию логистики. В результате роста спроса стоимость транспортировки упала. Суда выросли в размере. Кроме того, произошли технологические и организационные улучшения в управлениях портами, например, в общем движении груза. Очень важной стала

контейнеризация, которая была самой большой революцией в транспортировке в 20 веке.

На рисунке 1 представлено распределение мирового торгового флота по количеству судов. На 1 октября 2011 года мировой торговый флот состоял из 57 598 судов, в том числе 31% судов для перевозки генеральных грузов, 28% танкеров, 15% балкеров, 13% пассажирских лайнеров, 9% контейнеровозов, 4% других видов судов.

Другие суда Каботажные Рефрижератор Автомобилевоз Ro-Ro Сухогруз Многоцелевые Контейнеровоз Танкер Газовоз LNG Танкер Газовоз LPG Комбинированые Балкер Другие Танкера Танкер Химовоз Неф. танкер <10k dwt Неф.танкер >10k dwt

в^ШШШ! 2228 ШШШ