автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Совершенствование эксплуатации судовых малооборотных двигателей на основе контроля параметров и концентрации вредных веществ в отработавших газах

На правах рукописи

Зиненко Николай Николаевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВЫХ МАЛООБОРОТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ И КОНЦЕНТРАЦИИ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 И ЮЛ 2013

Новороссийск - 2013

005531486

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

Научный руководитель: - Николаев Николай Иванович, доктор технических наук, профессор.

Официальные оппоненты: - Туркип Владимир Антонович, доктор технических наук, профессор кафедры «Техносферная безопасность на транспорте», ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова».

- Чура Николай Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Техносферная безопасность и экология», Новороссийский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет».

Ведущая организация: ЗАО «Центральный научно-исследовательский и

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

Защита диссертации состоится « 10 » июля 2013 г. в 10 часов 00 минут 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 « 10 » июня 2013 года.

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Интенсивное развитие мирового судоходства привело к строительству флота большой грузоподъемности с мощными энергетическими установками. Эксплуатация такого флота сопровождается ростом его воздействия на окружающую среду. Важность решения задач защиты атмосферы от вредных выбросов морских судов определяется тем, что загрязнения от современных судовых дизелей составляют наиболее существенную долю, в основном за счет диоксидов серы, азота и углерода, несгоревших компонентов топлива, твердых частиц (сажа). Неудовлетворительное состояние атмосферного воздуха, ведущее к росту численности заболеваний, а также перспектива глобальных осложнений в окружающей среде («кислотные дожди», изменение климата) приводят к необходимости ограничения выбросов веществ, содержащихся в отработавших газах. В связи с этим возникает функциональная задача оценки экологического ущерба от токсичности газовых выбросов и принятия мер по его снижению. В вопросах выброса отработавших газов в судоходстве действует международная конвенция МАРПОЛ, Приложение VI. На данный момент на транспортный сектор приходится 13% объема выбросов диоксида углерода СОг - парниковых газов (ПГ), в том числе на морское судоходство - лишь около 3%. Однако за период 1990-2010 годы выбросы ПГ с морских судов выросли вдвое, поэтому для морского судоходства также необходима разработка и внедрение эффективных мер по контролю и снижению выбросов ПГ. На примере флота ОАО "Но-вошип" (4 миллиона млн. т дедвейт), где количество выбросов ПГ достигает порядка 1.1 млн. т в год (2012 г.). Причем, на эту цифру могут повлиять такие факторы как: режимы эксплуатации судовых двигателей, техническое состояние судна и двигателей, методика определения состава отработавших газов и другие факторы. Единственным нормируемым компонентом в составе отработавших газов (ОГ) дизеля являются оксиды азота NOx. С 01.01.2013 г. стало обязательным требование МАРПОЛ по подсчету на судах EEOI (Energy Efficiency Operation Index), который учитывает выбросы С02 с отработавшими газами дизелей.

В качестве главных двигателей (ГД) на судах, в основном, устанавливают малооборотные двигатели (МОД) ведущих мировых производителей "MAN Die-sel&Turbo" и "Wartsila". Развитие конструкций и улучшение показателей МОД этих производителей достигли в настоящее время по результатам стендовых испытаний высоких показателей как с точки зрения экономичности, так и соответствия экологическим требованиям. Но ценными для теории и практики судового дизелестроения, судовладельцев являются опытные данные по параметрам, характеризующим работу современных дизелей, количеству и концентрации вредных веществ (ВВ) в ОГ при их эксплуатации в широком диапазоне изменения нагрузок. Для того чтобы устанавливать какие-либо устройства для принятия мер по снижению выбросов NOx, SOx, СО2 необходимо точно знать параметры, коли-

чественный и качественный состав ВВ в ОГ дизелей.

Актуальность диссертационного исследования определяется необходимостью проведения инструментальных замеров параметров, решения вопросов сбора и анализа информации по качественному и количественному составу выбросов вредных веществ в отработавших газах и параметров судовых дизелей для оценки экологической безопасности.

Степень ее разработанности. Анализ литературных источников и работ в области исследований параметров, количества и состава ВВ в ОГ судовых дизелей Новикова JI.A., Туркина В.А., А. Гедгаудас, В. Смайлис, Р. Страздаускене, Х.Х. Нгуен, Климовой Е.В. показал, что все эти работы либо посвящены среднеоборотным двигателям старого поколения, либо исследования проводились на лабораторных установках и т.п. Однако, в настоящее время на судах мирового морского флота находят широкое применение МОД производства компаний "MAN Diesel&Turbo" моделей S/LMC/MC-C, ME, ME-B/C/GI и "Wartsila" моделей RTA и RT-flex-B/D и отсутствуют какие-либо данные по контролю параметров, количества и состава ВВ в ОГ двигателей в реальных условиях эксплуатации.

Объект исследования - современные судовые малооборотные двигатели производства компании "MAN Diesel & ТигЬо"моделей SMC/-C.

Предмет исследования - совершенствование эксплуатации судовых малооборотных двигателей производства компании "MAN Diesel & Turbo" моделей SMC/-C на основе контроля параметров и концентрации ВВ в ОГ.

База исследования. Работа выполнена на кафедре "Судовые тепловые двигатели" Государственного морского университета имени адмирала Ф.Ф. Ушакова и морских судах компании ОАО "Новороссийское морское пароходство".

Цели и задачи исследования. Цель диссертации состоит в формировании комплекса научно-обоснованных технических решений, направленных на совершенствование эксплуатации судовых малооборотных двигателей производства компании "MAN Diesel & Turbo" моделей SMC/-C в широком диапазоне изменения нагрузок на основе контроля теплотехнических параметров, количества и состава вредных веществ в отработавших газах в эксплуатации.

Целесообразность скорейшей 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 режимов и условий работы, существующих методов и технологий контроля состава отработавших газов судовых двигателей в эксплуатации.

2. Разработка метода контроля параметров и состава вредных веществ в отработавших газах судовых малооборотных двигателей в эксплуатации.

3. Экспериментальное исследование параметров, количества и концентрации вредных веществ в отработавших газах судовых МОД моделей SMS/-C.

4. Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований и создание информационно-статистического банка данных параметров, количества и состава С02, N0*, Э0Х в отработавших газах судовых МОД моделей 8М8/-С при эксплуатации в широком диапазоне нагрузок.

5. Получение основных аналитических уравнений для параметров и концентрации вредных веществ в отработавших газах судовых дизелей моделей БМСУ-С.

6. Разработка рекомендаций по выбору параметров системы для снижения выбросов с отработавшими газами дизеля.

Научная новизна результатов работы заключается в:

1. Определении и внедрении в теорию и практику современного судового дизелестроения данных по коэффициентам избытка воздуха, наполнения и продувки судового мапооборотного двигателя бБбОМС.

2. Полученных на основе накопленного статистического банка данных основных регрессионных уравнений для параметров и концентрации ВВ в ОГ судовых дизелей моделей 8МС/-С.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в:

1. Определенных значениях коэффициента избытка воздуха и весового коэффициента избытка воздуха для МОД модели 860МС в широком диапазоне изменения нагрузок.

2. Внедрении разработанного метода и результатов контроля концентрации ВВ в ОГ судовых МОД в состав действующей в компании ОАО "Новороссийское морское пароходство" системы Мониторинга энергоэффективности и экологической безопасности судов "83Е8-ЫоуоБЫр"(патент Российской Федерации (РФ) на полезную модель №11006? от 10.11.2011).

3. Определении количественного и качественного состава ВВ в ОГ судовых МОД, работающих на тяжелом топливе 180 8217-2010 марки 1ШО 380 в широком диапазоне изменения нагрузок.

4. Рекомендациях по определению габаритных показателей систем очистки ВВ до нормируемых значений в ОГ судовых малооборотных двигателей моделей 8МС/-С.

Методология н 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 ЗБРЗ и др.

Положения, выносимые па защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований и информационно-статистический банк данных параметров, количества и состава ВВ в ОГ судовых дизелей моделей 8МС/-С в широком диапазоне изменения режимов эксплуатации.

2. Полученные на основе накопленного статистического банка данных регрессионные уравнения для параметров и концентрации ВВ в ОГ судовых дизелей моделей SMC/-C.

3. Данные по коэффициентам избытка воздуха и весовому коэффициенту избытка воздуха судовых дизелей моделей SMC/-C в широком диапазоне изменения нагрузок.

Степень достоверности и апробация результатов исследования.

Достоверность научных результатов обеспечивается использованием комплекса методов натурных экспериментальных исследований и статистической обработки данных на электронно-вычислительной машине с использованием средств пакета SSPS 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) 2009-2011 гг;

- международных конференциях: "First Global International Conference on Innovation in Marine Technology and Future of Maritime Transportation" (Стамбул, 2010) и "XI конференции по судостроению, судоходству, деятельности портов, освоению океана и шельфа"(г.СанктПетербург,2011);

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

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

Основные результаты диссертации опубликованы в 13 научных работах, все по теме диссертации. Из них б статей, 1 патент на полезную модель, 6 тезисов докладов. 4 работы выполнены без соавторов, авторская доля в остальных от 40% до 50%. В рецензируемых научных журналах опубликовано 3 работы, из них в одной работе авторская доля составляет 50%, в остальных работах - 40%.

Структура и объём работы. Диссертация, объёмом 133 страницы, состоит из титульного листа, оглавления, текста диссертации: введения, 4 глав основной части с 59 рисунками и 14 таблицами, заключения; списка сокращений и условных обозначений, списка литературы из 93 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

В первой главе рассматривается роль морских судов в загрязнении воздушного бассейна токсичными компонентами ОГ, анализируются современные требования к экологическим показателям, приводится аналитический обзор и дана характеристика вредным выбросам дизелей. ОГ дизелей обладают достаточно высокой токсичностью из-за повышенного содержания оксидов азота, оксидов серы, сажи и альдегидов. Основным токсичным компонентом отработавших газов дизелей являются оксиды азота NOx. Доля NOx в суммарных токсичных выбросах составляет 30-80% по массе. Из газообразных выбросов оксиды серы SOx и ее соединения занимают одно из лидирующих положений по степени опасности для природы и человека. Ситуация осложняется широким внедрением на флоте тяжелых сортов топлива с содержанием серы до 3,5%. Правила Приложения VI МАРПОЛ установили глобальное ограничение на содержание серы в топливе судовых дизелей 3,5% - с 01.01.2012 г. и 0,5% - после 01.01.2020 г.

Во второй главе рассмотрены объекты и методика исследования параметров и состава ВВ в ОГ главных судовых МОД в эксплуатации. На рисунке 1 показаны основные производители и модели главных МОД, установленных на судах компании ОАО "Новороссийское морское пароходство. В связи с превалированием в компании судов с двигателями фирмы "MAN Diesel & Turbo" объектами исследования выбраны двигатели S50MC и S60MC/-C, как наиболее распространенные МОД и на судах мирового флота соответствующего типоразмера.

Методика теплотехнических исследований МОД моделей SMC/-C в эксплуатации предусматривает измерение параметров, количества и состава ВВ в ОГ на различных режимах работы дизеля с помощью штатных и дополнительно установленных приборов и устройств. Например, измерение мощности - тор-сиометром KYMA Shaft Power Meter (Ю.Корея), индицирования - диагностической системой "Diesel Performance Analyzer" (DPA) и электронным индикатором ЕРМ-ХР, определение количества воздуха (отработавших газов) на дизель - трубкой Пито и т.д.

Отбор и анализ проб ОГ осуществлялся с помощью стационарной системы пробоотбора "SALWICO Emissions Monitoring System (EMS)", Consilium Marine AB и переносного прибора - газоанализатора TESTO 340 (№13340-92 в Государственном Реестре Средств Измерений РФ). Оба анализатора оснащены сенсором 02 с возможностью использования одновременно до трех дополнительных сенсоров: NO2, S02, СО„„з, СО, NO, N0„„3. Приведены технические данные с указанием погрешности измерений приборов: +/- 5% во всем диапазоне измерения значений. Определение расхода воздуха на дизель (или количества отработавших газов) в условиях эксплуатации является одним из важных диагностических параметров.

ВВШВКГА

570МС-С MAN Р&Т

0 Э70МС-С ВЭбОМС-С □ЭбОМС 0 350МС-С В Э50МС

Рисунок 1 - Производители главных малооборотных двигателей судов компании ОАО "Новошип"

В работе использовался способ траверсирования поперечного сечения воздушного (или газового) патрубка с помощью комбинированного зонда с определением: скорости, давления, плотности и температуры.

В третьей главе представлен анализ и результаты экспериментальных исследований параметров и концентрации ВВ в ОГ дизелей моделей 5МС/-С в широком диапазоне изменения нагрузок. На рисунке 2, в качестве примера, приведены результаты измерений параметров для двигателей БбОМС. Сравнение и анализ полученных зависимостей для МОД данной серии показывает, что двигатели находятся в хорошем техническом состоянии.

Измерения мощности с помощью торсиометра и результаты индицирования двигателей позволили получить зависимости индикаторного и механического

КПД дизелей от относительной мощности дизеля, показанных на рисунке 3. Получено аналитическое выражение для механического КПД МОД 850/60МС в широком диапазоне изменения нагрузок:

ЧМИ! = 16,309 ■ С' - 52.977 ■ Щ2 + 56.238' Щ+ 74,88 ,

где Д'г = —^— относительная мощность двигателя; Л'г .-мощность двигателя на

Л«Н<Ж 1

нагрузке отличной от номинальной, кВт; К'е = номинальная мощность

двигателя, кВт.

На рисунке 3 указаны планки стандартных отклонений и доверительный интервал при доверительной вероятности 0.95, находящийся в диапазоне 89,8% -95,2% для полиномиальной кривой механического КПД. Значение индикаторного КПД для дизелей моделей 8МС/-С при изменении нагрузки с 25% до 85-87% изменяется незначительно.

?2, Рс - максимальное давление сгорания , дазяание сжатии, бар

дазлекие нэдувочногс воздуха, бар

.,-обороть. ТК, мин*1

Тг-а, XI ..-температура гззоздо и поспеТК, "С

■ удельный расход топлива. г/«Втч

индекс топливных насосоз

ОТ6 2265

30% 3397

40% 1529

50?6 5662

"¡Г . " Г-.........т Нагрузка ГЯ, %МСЙ

бож тт 80% эок юо% цок ' ™

6794 7926 9058 10191 11323 12455 Нагрузка ГД, кВт

Рисунок 2 - Эксплуатационные параметры дизелей 6Б60 МС в широком диапазоне нагрузок

На рисунке 4 приведены зависимости удельных расходов топлива §с дизелей Б50/60 МС в широком диапазоне изменения нагрузок.

95 ---

90' j— -85 4-------

-f—i

80 г

50,0 5

45,0

40,0

10% 20% 30% 40% 50%

— 60MC, г\м,%

— бОМСп',%

— - - Полиномиальная (среднее)

70% 80% 90% 100% 110%

- 50МС, пм,%

- 50МС, Ц1,%

Ne, %MCR

Рисунок 3 - Зависимость индикаторного и механического КПД дизеля моделей 850/60МС от относительной мощности

0% 10% 20% 30% 40% !

-Замеренный (50МС)

--Приведенный к калорийности{50МС)

— - Приведенный к услоьинпл ¡SO (SuMC)

60% 70% 80% 90% 100% 110%

-Замеренный (60MC) Ne,%MCR

— — Приведенный «калорийности (60МС) - - Приведенный к условиям ISO (60MCj

Рисунок 4 - Зависимость удельного расхода топлива дизелей 6S50/60MC танкеров от относительной нагрузки

На рисунке 5 приведена зависимость расхода воздуха GB на двигатель модели 6S60MC от относительной нагрузки при ее изменении от 25% до 90% MCR. Значения расхода воздуха, полученных в результате теплотехнических испытаний двигателей в эксплуатации, совпадают с данными компании "MAN D&T". На основании выполненных экспериментальных исследований получена зависимость GB для судовых дизелей модели S60MC от относительной мощности

GB = 2 • Ю-5 ■ Л^3 - 0.0043 ■ Л72 + 0.6147- ЛС - 4,4377 кг/с.

йв, кг/с

35,0

30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0

-и-Расчетные МАМ -Че- Эксперимент МАМ

-«-Стендовые испытания МЛЫ -^-Теплотехнические испытания

Рисунок 5 - Зависимость расхода воздуха на двигатель 6860МС от нагрузки

Определение такого параметра, как расход отработавших газов в эксплуатации, позволяет оптимизировать процедуру согласования характеристик дизеля и турбокомпрессора с учетом реальных условий эксплуатации, или на примере МОД моделей БМС/-С снизить расходы на стоимость систем очистки отработавших газов от компонентов БОх на = 6 % по сравнению с тем, если заказывать такую систему по паспортным данным МОД.

Одновременно с проведением теплотехнических испытаний двигателей серии 850/60МС было выполнено определение количественного и качественного состава вредных веществ в отработавших газах дизелей.

На рисунке 6, в качестве примера, показаны изменения значений состава компонентов отработавших газов при снижении относительной мощности двигателя от 90% до 25% в режиме реального времени: снижение С02 связано напрямую со снижением массового расхода топлива; изменение N0* связано со снижением значений максимального давления и температуры сгорания в цилиндрах дизеля (рисунок 2); уменьшение значения компонента 02, в связи с ростом коэффициента избытка воздуха; компонент БОх практически остается неизменным, т.к. его состав зависит от содержания серы в топливе.

Результаты замеров отработавших газов СОг, N0» БОх ГД в широком диапазоне нагрузок двигателей моделей БМС/-С были обработаны и подсчитаны. Результаты расчетов выбросов представлены в виде графиков зависимостей от параметров главного двигателя: нагрузки, частоты вращения и удельного расхода топлива.

i%CC2j [ppm S02'

5.0 200

4.9 1Э0

4,8 180

4.7 170

4.6 160

4,5 150

4.4 140

4,3 130

4.2 120

4,1 110

4.0 100

'% 02j ¡ppm NO*.) ie,o aso

1Ш

L

ІА Ж ■ yfl Wfy j \%\m

1 5jW

, W і

к ¡іДА^гЛМл.

JywVv'V* 'і/; У І ¡І

І 1 jJ"

Я hH

.? "V f ;(

.......

Р :Ч

15,8 840 15.6 820 15.4 SOO

780

ітіжхШ------

щ ^ •

Г irL 1TW4

15,0 760 14.8 740

14,S

0 10

і 002 BS 02

20 ЗО 40 І N02 Я NOx

50 і S02

80 90

ЇМИИ]

Рисунок 6 - Зависимость состава отработавших газов ГД 6S60MC от времени при снижении частоты вращения дизеля

Одним из важных факторов, влияющих на качественный и количественный состав вредных веществ в ОГ, является степень согласования характеристик турбокомпрессора (ТК) и дизеля с учетом эксплуатационных условий.

На примере дизеля 6S50MC танкера класса "Трогир" показано влияние изменения геометрических характеристик лопаточного аппарата турбокомпрессора на концентрацию вредных веществ в отработавших газах. Вследствие выхода из строя штатного ТК NA48 фирмы "MAN D&T" был выполнен производителем "MAN D&T" монтаж ТК ТСА 55 этой же фирмы: высокоэффективный ТК последнего поколения. После установки нового ТК совместная работа ГД и ТК изменила свой характер. Увеличились давление наддува, частота вращения ТК, температура воздуха за компрессором, и вследствие этого температура надувочного воздуха, которая при нагрузке 80% MCR достигала значения 63°С. Такие изменения не позволяли вывести дизель на эксплуатационный режим, что привело к тому, что судно не удовлетворяло условиям фрахта и судовладелец терпел убытки. Данная проблема решена автором посредством определения характеристик на основании расчетов ТК по методике кафедры судовых тепловых двигателей ГМУ имени адмирала Ф.Ф. Ушакова. Расчеты показали необходимость увеличения площади соплового аппарата по сравнению с рекомендованной "MAN Diesel&Turbo". Установка в ТК ТСА 55 СА большей площади привела к увеличе-

нию подачи компрессора, снижению давления наддува, линия рабочих режимов "отодвинулась" от зоны помпажа. На рисунке 7 показано как такая замена СА привела к снижению выбросов вредных веществ в отработавших газах.

120

юо

= эо

60

40

20

-

і

-г----- Л и

5500

5000 _

14

О

4500 У

4000 о

3500

3000

110 115 120

Частота вращения двигателя, мин-1 (МОк ИА 48 —г)— ЫОхТСА55 —МмТСА55 Увеличенный СА

105

—©—С02МА48 —%—С02 ТСА -Я-С02ТСА 55 увеличенный СА

Рисунок 7 - Количество вредных выбросов в отработавших газах дизеля 685 ОМС с разными вариантами турбокомпрессоров

В четвертой главе на основании проведенных исследований определены пути совершенствования эксплуатации судовых дизелей моделей вМСЛС, обобщены результаты контроля параметров и концентрации ВВ в ОГ, разработаны рекомендации.

По результатам измерений параметров характеризующих работу двигателя (В, О, Ие, элементарный состав топлива и т.п.) определены: коэффициенты избытка воздуха а^ и при сгорании аг (рисунок 8), весовой коэффициент избытка воздуха ф„ (рисунок 9) от нагрузки двигателя. Весовой коэффициент избытка продувочного воздуха:

фв = Пн ■ фа,

где Г|н - коэффициент наполнения цилиндра; <ра - коэффициент продувки цилиндра.

о 20 40 60 80 100^,%МС(! 120

—Расчетные МАМ —Ф—-Теплотехнические испытания (а замеренный)

1- Эксперимент МАЫ ——Теплотехнические испытания (а расчетный)

—Коэффициент избытка воздуха (горения)

Рисунок 8 - Зависимость коэффициента избытка воздуха дизеля бБбОМС

от нагрузки

Рисунок 9 - Зависимость весового коэффициента избытка продувочного воздуха дизеля бБбОМС от нагрузки

-Расчетные MAN

-тё— Эксперимент MAN

-—Весовой коэфф.избытка прод.вохдухз(фв) (max) j—— Полиномиальная (Теплотехнические испытания)

60 80 100 120

Ne, % MCR

-в—Стендовые испытания MAN

'. Теплотехнические испытания ——'Весовой коэфф.избытка прод.вохдухз{фв)(гтип)

Из рисунка 9 видно, что весовой коэффициент избытка воздуха при снижении нагрузки дизеля увеличивается на 22%.

Аналитическое выражение для расчета весового коэффициента избытка продувочного воздуха дизеля бБбОМС в широком диапазоне изменения нагрузок рекомендуется для выполнения расчетов этих двигателей на различных нагрузках. Приведенные в литературе данные существенно отличаются от полученных в эксплуатации значений.

Анализ времени работы судов ОАО «Новошип» за последние 3 года показывает смещение режимов работы ГД в сторону снижения средней эксплуатаци-

онной мощности с 85% в 2009 г. до 52% в 2012 г и увеличение режимов работы судов ультра-малыми ходами (скоростью до 8 узлов и мощностью ГД 10-25% МСЖ). В таблице 1 приведены значения весовых коэффициентов режимов работы двигателя по рекомендации ИМО и на основании реальных условий эксплуатации ГД танкеров за последние годы. Из таблицы 1 видно, что, например, значение весового коэффициента равное 0,5 сместилось в настоящее время (НВ) в область нагрузок 0,5 ЫеМСк.

Таблица 1 - Значение весовых коэффициентов при расчете выбросов ЫОх в _отработавших газах ГД

Мощность ГД, % МСЯ 100% 75% 50% 25%

Номинальный весовой коэффициент, ИМО 0,2 0,5 0,15 0.15

Значение весового коэффициента с учетом реальных условий эксплуатации 2009-2011 0,20 0.62 0.18

Значение весового коэффициента, учитывающего планируемые условия эксплуатации в настоящее время 0.1 0.5 0.4

Результаты расчетов выбросов КОх для серии судов с двигателями БбОМС, приведены в таблице 2 с различными весовыми коэффициентами, рекомендованных ИМО и взятых с учетом реальных условий эксплуатации судов в 2009 - НВ. Из таблицы 2 видно, что значения удельного и массового выбросов >ЮХ в отработавших газах ГД незначительно зависят от значений весовых факторов, рассчитанных из реальных условий эксплуатации ГД судов.

Таблица 2 - Результаты расчетов выбросов удельных N0* в отработавших газах

МОД модели S60MC с различными весовыми коэффициентами

Удельные выбросы NOx, г/кВт ч

Весовые коэфф. ИМО Расчетные весовые коэфф. в 2009-2012 гг Весовые коэфф. в настоящее время

NS Century 11,20 11,19 11.25

NS Challenger 11,38 11,64 11.71

NS Columbus 12,36 10,74 10.75

NS Clipper 11,21 11,20 11.70

NS Creation 10,62 10,27 10.58

Среднее значение 11.35 11.00 11.20

Удельные выбросы NOx в отработавших газах практически не зависят от мощности дизеля и все суда данной серии соответствуют действующим требованиям TIER II Приложения VI Международной Конвенции МАРПОЛ 73/78 по содержанию выбросов NOx в отработавших газах дизелей.

На основании статистической обработки экспериментальных данных получены следующие регрессионные зависимости для дизелей S50/60MC: механического КПД и расхода воздуха G„ от относительной мощности двигателя Nej ; относительной мощности двигателя от относительной частоты

вращения и; содержания компонентов NOx, SOx, С02 в отработавших газах дизеля от относительной мощности и других параметров.

Статистическая обработка параметров и состава ВВ в отработавших газах малооборотных двигателей компании "MAN Diesel & Turbo" моделей S50-60 МС/-С позволила получить следующие аналитические выражения для:

1. Замеренных и удельных выбросов компонентов SOx, NOx, С02: N0. = -4 • 10~5 ■ Щ3 + 0.0071 • Щ2 - 0.3785 - 7Ç + 17,905, г/кВт ч;

S0X = -3 ■ 10"3 • Щ3 + 0,0052 • Щ2 - 0,2815 • Щ+ 8,4713, г/кВт ч;

С02 = 0,0001 • Щ3 - 0,013 7-7Ç2 - 0,739 • Щ + 689,43, г/кВт ч; N0X яя = -0.0004 • tr3 + 0.5093 • tr2 - 191,69 • ír + 24302, ррш; NOx„ = -7 • Ю-41.3 + 0.0076 ■ t.- - 2,7156 • t. + 334,18, г/кВт ч; NOXÎB, - -0,0001- Рг3 +0.1718-Pz2 -27.054-ÍL + 1757,6,ppm;

_ NOxyj, = -8 • 10~3 • Pss + 0.0225- Rr - 2.1144 • Pz + 75,943, г/кВт ч; где N.t - относительная мощность двигателя; t, - температура отработавших

газов перед ТК, °С; Р. - максимальное давление сгорания в цилиндрах двигателя, бар; ррш - одна миллионная часть (единица измерения концентрации).

2. Удельного выброса компонента SOx в отработавших газах дизелей от удельного расхода топлива:

SOxyfl=SFOC-S -0,01, г/кВт ч, где SFOC - удельный расход топлива, г/кВт 4;S-coдержание серы в топливе,%.

3. Расхода воздуха GB от относительной мощности Ne. для дизелей модели S60MC:

Gb=2-10-s-Ñ73-0-0048 ■ Ñ72 + 0.6147 • Ñ7~ 4,4377, кг/с.

4. Механического КПД qM от относительной мощности двигателя Лф Пкя = 16,309 • Ñ^3- 52.977• Щ2 4- 56.238- Ñ¡T+ 74,88.

5. Относительной мощности двигателя Nft от относительной частоты вращения коленчатого вала двигателя ñ :

= 1.0269 • її3 - 10"13 ■ ñ + S - Ю-14.

6. Весового коэффициента избытка продувочного воздуха судового малооборотного двигателя 6S60MC на различных нагрузках:

фв = 3-Ю"6 • 0.0007- Ñ72 + 0.0377^ + 0,8199.

Полученные аналитические выражения используются при оперативной работе по контролю энергетической эффективности и экологической безопасности главных двигателей судов технической службой Управления флотом судовладельца и могут быть рекомендованы для применения в расчетах и анализе работы двигателей "MAN Diesel & Turbo" моделей S50-60 МС/-С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена научно-техническая задача создания метода контроля параметров и концентрации вредных веществ в отработавших газах малооборотных двигателей "MAN Diesel&Turbo" моделей SMC/-C для оценки и обеспечения экологической безопасности морских судов.

В результате выполненных исследований получены следующие научные и практические результаты:

1. Разработан и запатентован метод контроля "Система мониторинга энергоэффективности и экологической безопасности судов (S3ES-Novoship)"-Патент №110068, зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 ноября 2011г. Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

2. Собран и накоплен информационно-статистический банк данных эксплуатационных параметров, характеризующих работу малооборотных двигателей компании "MAN Diesel & Turbo" моделей SMC/-C в широком диапазоне изменения нагрузок.

3. Произведена статистическая обработка параметров и состава отработавших газов малооборотных двигателей компании "MAN Diesel & Turbo" моделей S50-60MC/-C, позволившая получить аналитические выражения (1-6) для использования в системах мониторинга энергоэффективности и экологической безопасности судоходных компаний, организациях занимающихся проектированием дизельных установок и учебных процессах морских вузов.

4. Полученные эксплуатационные значения зависимости расхода воздуха (количества отработавших газов) малооборотных двигателей моделей SMC/-C от мощности рекомендуются для использования при заказах систем очистки содержания компонента SOx в отработавших газах до нормируемых значений, согласно требований МАРПОЛ 73/78. Это позволит по сравнению со сложившейся практикой заказа систем очистки по мощности двигателя уменьшить стоимость и вес систем очистки на ~ (6 - 10) %.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

Научные статьи в рецензируемых журналах

1. Зиненко, H.H. Контроль состава отработавших газов судового малооборотного двигателя MAN S-MC/-C в эксплуатации [Текст] / Н.И.Николаев, Н.Н.Зиненко // Журнал университета водных коммуникаций. - СПб. - 2011. -№4.-С.52-57.

2. Зиненко, H.H. Повышение эффективности топливоиспользования главных двигателей [Текст] / Н.И.Николаев, О.П. Гинда, Н.Н.Зиненко // Морской флот. - М.-2011. - № 1. - С.45-48.

3. Зиненко, H.H. Повышение эксплуатационной топливной экономичности главного двигателя на частичных нагрузках [Текст] / Н.И.Николаев, О.П. Гинда, Н.Н.Зиненко //Двигателестроение. - СПб. - 2010. -№4. - С.22-24.

Другие публикации

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

5. Зиненко, H.H. Повышение эффективности работы главного двигателя и турбокомпрессора на основе согласования их характеристик с учетом эксплуатационных факторов [Текст] /Н.И. Николаев, H.H. Зиненко, А.Н. Жук // The First Global Conference on Innovation in Marine Technology and the Future of Maritime: Conference proceeding book. - Istanbul, 2010. - P.369-372.

6. Зиненко, H.H. Реализация экологической политики в компании СКФ Новошип [Текст] / H.H. Зиненко // Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовка кадров на юге России: материалы девятой региональной научно-технической конференции 17-18 декабря 2010 г.. - Новороссийск: Морская Государственная Академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова. -2011. - С.12-14.

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

8. Зиненко, H.H. 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.

9. Зиненко, H.H. 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.

10. Зиненко, H.H. Общее мировое состояние и актуальность вопросов экологии в судоходстве [Текст] / Н.Н.Зиненко // Сборник научных трудов, выпуск 16, часть 2. - Новороссийск: Государственный Морской Университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова. - 2011. - С.121-122.

11. Зиненко, H.H. Реализация экологической политики в компании СКФ Новошип [Текст] / Н.Н.Зиненко // Сборник научных трудов, выпуск 16, часть 1. -Новороссийск: Государственный Морской Университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова.-2011.-С.153-154.

12. Зиненко H.H. 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.

13. Зиненко, H.H. Главные двигатели судов ОАО Новошип и анализ режимов их эксплуатации [Текст] / Н.Н.Зиненко // 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.45-48.

Формат 60x84 1/16. Тираж 100. Заказ 2523. Отпечатано в редакционно-издательском отделе ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф.Ушакова» 353918, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АДМИРАЛА Ф.Ф. УШАКОВА»

04201360121

Зиненко Николай Николаевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВЫХ МАЛООБОРОТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ И КОНЦЕНТРАЦИИ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Николаев Николай Иванович, доктор технических наук, профессор

На правах рукописи

Новороссийск 2013

3.3. Влияние изменения геометрических характеристик соплового аппарата турбокомпрессора на примере главного двигателя 6850 МС на концентра-

цию вредных веществ в отработавших газах..............................................91

ГЛАВА 4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ МОДЕЛЕЙ SMC/-C. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ И КОНЦЕНТРАЦИИ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ............95

4.1. Определение коэффициентов, характеризующих процесс газообмена в цилиндрах МОД серии SMC/-C по эксплуатационным данным...............95

4.2. Влияние коэффициента избытка воздуха судового дизеля на характеристики токсичных выбросов................................................99

4.3. Оценка влияния режимов эксплуатации судов на величину удельных выбросов диоксида азота в отработавших газах дизеля...........................103

4.4. Аналитические зависимости содержания основных компонентов отработавших газов в функции параметров дизеля................................109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................111

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ...............113

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................115

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................124

Приложение 1.1. Негативные экологические воздействия токсичных

компонентов отработавших газов судовых дизелей.............................124

Приложение 2.1. Режимы работы ГД судов ОАО "Новороссийское

морское пароходство" за период 2009 - 2011 гг................................125

Приложение 3.1. Таблица нагрузок ГД т/х "NS Challenger"...................127

Приложение 3.2. Замеры параметров и состава отработавших газов ГД

т/х "NS Clipper".........................................................................127

Приложение 3.3. Замеры параметров и состава отработавших газов ГД т/х "Tomsk"...............................................................................129

В связи с этим возникает функциональная задача оценки экологического ущерба от токсичности газовых выбросов и принятия мер по его снижению [44].

В вопросах контроля выбросов отработавших газов в судоходстве действует международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов МАРПОЛ 73/78, Приложение VI [50]. Попытки в декабре 2009 и 2010 годов руководителей стран ООН на заседаниях в Копенгагене (Дания) и Канкуне (Мексика) закрепить новые положения "Киотского Протокола" [32], срок действия которого истекает в декабре 2013 года, по выбросам парниковых газов (ПГ), которые бы также распространялись на мировое судоходство, оказались неудачными. На данный момент на транспортный сектор приходится 13% объема выбросов ПГ, в том числе на морское судоходство - лишь около 3% ((1,1 миллиарда тонн в год (млрд т/год)). Однако за период 1990-2009 годы выбросы ПГ с морских судов выросли вдвое, поэтому для морского судоходства также требуется разработать и внедрить эффективные меры по контролю и снижению выбросов ПГ.

Если общая сумма выбросов ПГ с судов составляет около 1.1 млрд т, то при дедвейте мирового флота 1,15 млрд т - каждая тонна дедвейта дает 1 т выбросов в год (без учета различий по типам судов). Таким образом, на примере флота ОАО "Новороссийское морское пароходство"(4 миллиона млн. т дедвейт), если не применять средства контроля, различные схемы и средства снижения выбросов ПГ, то количество выбросов может достигать порядка 1.1 миллиона тонн (млн.) т в год. Причем на эти цифры могут повлиять такие факторы как: режимы эксплуатации судовых двигателей, техническое состояние судна и двигателей, методика определения состава отработавших газов и другие факторы. При вероятной условной стоимости 1 т выбросов около $15-30 убытки компании могут составить около 16,5- 33 млн. американских долларов (в среднем 0.33 - 0.66 млн. долларов на судно в год).

Актуальность диссертационного исследования определяется необходимостью проведения инструментальных замеров параметров, решения вопросов сбора и анализа информации по качественному и количественному составу выбросов вредных веществ (ВВ) в отработавших газах (ОГ) и параметров судовых дизелей

для оценки экологической безопасности.

Степень ее разработанности. Экспериментальные и теоретические исследования по изучению закономерностей образования вредных веществ в судовых дизелях проводятся в научно-исследовательских институтах и ВУЗах, как в России, так и за рубежом. Однако еще недостаточно изучены вопросы замеров параметров, количества и состава ОГ современных судовых малооборотных двигателей (МОД) в широком диапазоне нагрузок.

Анализ литературных источников и работ в области исследований параметров, количества и состава ВВ в ОГ судовых дизелей Новикова J1.A., Туркина В.А., А. Гедгаудас, В. Смайлис, Р. Страздаускене, Х.Х. Нгуен, Климовой Е.В. показал, что все эти работы посвящены: либо среднеоборотным двигателям старого поколения; либо исследования проводились на лабораторных установках и т.п. Однако, в настоящее время на судах мирового морского флота в качестве ГД, в основном, находят широкое применение МОД ведущих мировых производителей "MAN Diesel&Turbo" моделей S/LMC/MC-C, ME, ME-B/C/GI и "Wartsila" моделей RTA и RT-flex-B/D. Развитие конструкций и улучшение показателей МОД этих производителей достигли в настоящее время по результатам стендовых испытаний высоких показателей как с точки зрения экономичности, так и соответствия экологическим требованиям, но отсутствуют ценные для судовладельцев данные по контролю параметров, количества и состава ВВ в ОГ двигателей в реальных условиях эксплуатации.

Решению вопросов совершенствования эксплуатации современных судовых малооборотных двигателей на основе контроля параметров, количества и концентрации вредных веществ в отработавших газах посвящено диссертационное исследование.

Объектами исследования являются современные судовые малооборотные двигатели производства компании "MAN Diesel & Turbo" моделей SMC/-C.

Предмет исследования - совершенствование эксплуатации судовых малооборотных двигателей производства компании "MAN Diesel & Turbo" моделей SMC/-C на основе контроля параметров и концентрации вредных веществ в отра-

ботавших газах.

База исследования. Работа выполнена на кафедре судовых тепловых двигателей Государственного морского университета имени адмирала Ф.Ф.Ушакова и морских судах компании ОАО "Новороссийское морское пароходство".

Цели и задачи исследования. Цель диссертации состоит в формировании комплекса научно-обоснованных технических решений, направленных на совершенствование эксплуатации судовых малооборотных двигателей производства компании "MAN Diesel & Turbo" моделей SMC/-C в широком диапазоне изменения нагрузок на основе контроля теплотехнических параметров, количества и концентрации вредных веществ в отработавших газах в эксплуатации.

Целесообразность скорейшей 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 режимов и условий работы, существующих методов и технологий контроля концентрации вредных веществ в отработавших газах судовых двигателей в эксплуатации.

2. Разработка метода контроля параметров и концентрации вредных веществ в отработавших газах судовых малооборотных двигателей в эксплуатации.

3. Экспериментальное исследование параметров, количества и концентрации вредных веществ в отработавших газах судовых МОД моделей SMS/-C.

4. Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований и создание информационно-статистического банка данных параметров, количества и состава С02, NOx, SOx в отработавших газах судовых МОД моделей SMS/-C при эксплуатации в широком диапазоне нагрузок.

5. Получение основных аналитических уравнений для параметров и концентрации вредных веществ в отработавших газах судовых дизелей моделей SMC/-C.

6. Разработка рекомендаций по выбору параметров системы для снижения

выбросов с отработавшими газами дизеля.

Научная новизна результатов работы заключается в:

1. Определении и внедрении в теорию и практику современного судового ди-зелестроения данных по коэффициентам избытка воздуха, наполнения и продувки судового малооборотного двигателя 6S60MC.

2. Полученных на основе накопленного статистического банка данных основных регрессионных уравнений для параметров и концентрации ВВ в ОГ судовых дизелей моделей SMC/-C.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в:

1. Определенных значениях коэффициента избытка воздуха и весового коэффициента избытка воздуха для МОД модели S60MC в широком диапазоне изменения нагрузок.

2. Внедрении разработанного метода и результатов контроля концентрации ВВ в ОГ судовых МОД в состав действующей в компании ОАО "Новороссийское морское пароходство" системы Мониторинга энергоэффективности и экологической безопасности судов "S3ES-Novoship"(naTeHT Российской Федерации (РФ) на полезную модель №110068 от 10.11.2011).

3. Определении количественного и качественного состава ВВ в ОГ судовых МОД, работающих на тяжелом топливе ISO 8217-2010 марки RMG 380 в широком диапазоне изменения нагрузок.

4. Рекомендациях по определению габаритных показателей систем очистки ВВ до нормируемых значений в ОГ судовых малооборотных двигателей моделей SMC/-C.

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 SSPS и др.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований и информационно-статистический банк данных параметров, количества и состава ВВ в ОГ судовых дизелей моделей SMC/-C в широком диапазоне изменения режимов эксплуатации.

2. Полученные на основе накопленного статистического банка данных регрессионные уравнения для параметров и концентрации ВВ в ОГ судовых дизелей моделей SMC/-C.

3. Данные по коэффициентам избытка воздуха и весовому коэффициенту избытка воздуха судовых дизелей моделей SMC/-C в широком диапазоне изменения нагрузок.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных результатов обеспечивается использованием комплекса методов натурных экспериментальных исследований и статистической обработки данных на электронно-вычислительной машине с использованием средств пакета SSPS 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) 2009-2011 г;

- международных конференциях: "First Global International Conference on Innovation in Marine Technology and Future of Maritime Transportation" (Стамбул, 2010) и "XI конференции по судостроению, судоходству, деятельности портов, освоению океана и шельфа" (г. Санкт-Петербург, 2011);

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

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

Основные результаты диссертации опубликованы в 13 научных работах, все по теме диссертации. Из них 6 статей, 1 патент на полезную модель, 6 тезисов докладов. 4 работы выполнены без соавторов, авторская доля в остальных от 40% до

50%. В рецензируемых научных журналах опубликовано 3 работы, из них в одной работе авторская доля составляет 50%, в остальных работах - 40%.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ В ОБЛАСТИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ДИЗЕЛЯМИ МОРСКИХ

СУДОВ

1.1.Роль морских судов в загрязнении воздушного бассейна токсичными компонентами отработавших газов, характеристика

вредных выбросов дизелей

Интенсивное развитие мирового судоходства в последнее десятилетие привело к строительству качественно нового флота с мощными энергетическими установками, эксплуатация которого сопровождается ростом его воздействия на окружающую среду [83].

Морской транспорт - один из важнейших компонентов общественного и экономического развития, поглощающий значительное количество ресурсов и оказывающий серьезное влияние на природную среду. Услуги транспорта играют важную роль в экономике и повседневной жизни людей. При всей важности транспортного комплекса как неотъемлемого элемента экономики необходимо учитывать его весьма значительное негативное воздействие на природные экологические системы [25].

Постоянный рост количества судов и мощности их двигателей приводит к увеличению объема сжигаемого ими топлива, а, следовательно, к большим выбросам токсичных компонентов с отработавшими газами [40].

Все возрастающее загрязнение атмосферы промышленными и транспортными выбросами представляет одну из наиболее важных и трудно разрешимых проблем современности.

Особое внимание при этом уделяется морскому транспорту, вредные выбросы которого играют значительную роль, как в глобальной проблеме, так и в региональном и локальном загрязнении воздушного бассейна [1].

В настоящее время воздействие морского транспорта на окружающую среду -одна из самых насущных и актуальных проблем современного общества (Прило-

жение 1.1). Последствия этого воздействия сказываются не только на нынешнем поколении, но и могут отразиться и на будущем поколении, если не принимать серьёзные меры по контролю, снижению и устранению последствий воздействия и самого воздействия [83].

Под атмосферным загрязнением понимают присутствие в воздухе газов, паров, частиц, твердых и жидких веществ, тепла, колебаний, излучений, которые неблагоприятно влияют на человека, животных, растения, климат, материалы, здания и сооружения [48].

Морские порты являются выраженными источниками загрязнения атмосферного воздуха твёрдыми и газообразными веществами [25]. Исключительно важным показателем степени влияния вредных выбросов дизельных установок судов на окружающею среду является уровень их приземных концентраций в атмосферном воздухе в непосредственной близости к судовым фарватерам, местам скопления судов, портам. Результаты многих исследований показывают, что содержание в воздушной среде оксида углерода, оксидов азота, оксидов серы превышает предельно-допустимые максимально-разовые концентрации для атмосферного воздуха. Это свидетельствует о существенном загрязнении воздуха морскими судами [74].

Большую роль в загрязнении атмосферного воздуха играют дизели морских судов, которые по-прежнему остаются наиболее эффективными в энергетическом смысле. Так при сгорании 1 кг дизельного топлива выделяется 80-100 г токсичных компонентов (20-30 г оксида углерода (II), 20-40 г оксидов азота, 4-10 г углеводородов, 10-30 г оксидов серы, 0,8-1,0 г альдегидов, 3-5 г сажи). Имея значительно меньшие, по сравнению с бензиновыми двигателями, выбросы СО и углеводородов, отработавшие газы дизелей обладают достаточно высокой токсичностью, из-за повышенного содержания оксидов азота, оксидов серы, сажи и альдегидов.

Оценки выбросов загрязняющих веществ морскими транспортными средствами в целом по России в 2009 г. приведены в таблице 1.1 [52].

Таблица 1.1- Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу морскими транспортными средствами в 2009 г

Наименование загрязняющих веществ СО СпНт N0, С БОг со2

Масса выброса, тыс. т/год в России 13 9 33 3 34

Масса выброса, млн т/год в мире 2.0 0.08 20 870 12 870

При работе судовых энергетических установок в атмосферу выбрасываются ОГ ГД, токсичность которых определяется сортом топлива и условиями его сгорания. Применение тяжелых сернистых топлив способствует уменьшению эксплуатационных затрат на топливо, но при этом повышается загрязнение окружающей среды сернистым и серным ангидридом, увеличивается износ и число отказов судовых энергетических установок [20,63].

Выброс в атмосферу ОГ является следствием и необходимым условием нормального функционирования двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Двигатель, вырабатывая механическую энергию за счет окисления топлива воздухом, в процессе работы осуществляет тепломассообмен с окружающей атмосферой. Он забирает воздух и потребляет топливо, затем выбрасывает ОГ - смесь газообразных продуктов полного сгорания, избыточного воздуха и различных ми�