CC BY
352
СУДОСТРОЕНИЕ И СУДОРЕМОНТ
УДК 629.12.03.001.63 А. Г. Даниловский,
д-р техн. наук, профессор, СПГУВК;
А. А. Иванченко,
аспирант,
СПГУВК;
Мьо Чжо Ту,
аспирант,
СПГУВК
АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУДОВОЙ ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
ANALYSIS OF THE METHODS OF INCREASING THE EFFICIENCY OF THE SHIP
AUXILIARY BOILER INSTALLATION
Применение раздельных схем утилизации вторичных энергоресурсов обеспечивает получение большего количества тепловой энергии в виде пара или горячей воды. Это в свою очередь позволяет сократить или полностью исключить затраты топлива на вспомогательную котельную установку на длительных ходовых и стояночных режимах эксплуатации транспортных судов, снизить загрязнение окружающей среды, получить экономический эффект не только на сухогрузном судне, но даже на танкере, перевозящем тяжелые нефтепродукты.
Using the separate schemes of salvaging of secondary power resources provides the receiving of greater amount of heat energy in the form of steam or hot water. This, in turn, allows to shorten or completely exclude the fuel consumption for auxiliary boiler installation for running and parking modes of ships , reduce environment contamination, get the economic effect not only for dry cargo ships, but for tankers carrying heavy oil products.
Ключевые слова: установка, тепловая энергия, суда, эффективность, повышение, методы, топливо, экономия, среда, загрязнение, снижение.
Key words: installation, heat energy, ship, efficiency, increasing, methods, fuel, economy, ambience, contamination, reduction.
КАК показано в работе [1], традиционная схема питания потребителей тепловой энергии на судне паром из общей магистрали, представленная на рис. 1, не обеспечивает глубокой утилизации теплоты вторичных энергоресурсов, что приводит к необходимости покрытия недостающих потребностей за счет сжигания топлива во вспомогательных котлах. Это не только приводит к дополнительным затратам на топливо, но и определяет дополнительные выделения веществ, загрязняющих окружающую среду. В случае же применения раздельных схем питания потребителей паром с параметрами, соответствующими их потребностям, появляется возможность полностью исключить работу вспомогательных котлов на топливе на длительных ходовых режимах. Это характерно не только для сухогрузных судов, потребности которых в паре не так велики и вполне могут покрываться утилизационными котлами, но и на танкерах, перевозящих тяжелые нефтепродукты и нефти с высоким содержанием парафинистых фракций. На таких судах расходы греющего пара на порядок больше, чем на сухогрузных судах.
Получение большего количества греющего пара может быть обеспечено в случае применения раздельных схем питания потребителей, один из вариантов которых представлен на рис. 2. Греющий пар получается здесь в основном за счет использования утилизационных устройств, использующих вторичные энергоресурсы — теплоту рабочих тел, отработанную в главных двигателях.
Выпуск 3
Рис. 1. Объединенная вспомогательная котельная установка:
1 — циркуляционный насос УК; 2 — утилизационный котел (УК); 3 — сепаратор пара УК;
4 — отстойно-расходная топливная цистерна; 5, 8 — фильтры холодного и горячего топлива;
6 — топливный насос; 7 — топливоподогреватель; 9 — котельный вентилятор; 10 — воздушные заслонки; 11 — воздухопровод; 12 — форсунки; 13 — питательный насос; 14 — теплый ящик
Пар к потребителям
Г >
20 \ ✓
\ \
<ч С
К----------71
N ✓ /\ г._________¿1
15 14 13
(5
11
12
Рис. 2. Раздельная система питания потребителей паром:
1, 6 — циркуляционные насосы УК и ВТС; 2 — утилизационный котел (УК); 3 — сепаратор пара УК;
4 — сепаратор пара ВТС; 5 — высокотемпературная секция охлаждения продувочного воздуха (ВТС) ;
7 — вспомогательный котел (ВК); 8 — воздухопровод; 9 — воздушные заслонки; 10 — котельный вентилятор; 11 — отстойно-расходная топливная цистерна; 12, 15 — фильтры холодного и горячего топлива; 13 — топливный насос; 14 — топливоподогреватель; 16 — форсунки; 17 — питательный насос ВК; 18 — питательный насос ВТС; 19 — питательный насос УК; 20 — теплый ящик
Основная причина недостаточной эффективности объединенных схем (рис. 1) состоит в выработке всего количества пара с температурой, необходимой для подогрева потребителя с наиболее высокой температурой подогрева. Таким потребителем [2] обычно является тяжелое топливо, сжигаемое в главных двигателях на длительных и стабильных режимах эксплуатации судна.
По мере роста потребностей в нефтепродуктах цена топлива повышается, что приводит к необходимости сжигать более дешевое и более вязкое топливо, требующее все большего подогрева для снижения его вязкости перед впрыском в цилиндры двигателей. В настоящее время все двигатели разрабатываются для работы на наиболее вязком топливе по классификации 180 - ЯМК55 с вязкостью 700 сСт при 50 оС (мазут М-100 в соответствии с отечественным стандартом).
Необходимая температура подогрева отечественных марок тяжелого топлива приведена в табл. 1.
Таблица 1
Температура топлива при обработке и использовании, оС
Марки Перед
топлива перекачкой сепарацией форсунками
Моторное ДТ 5-10 40-60 65-75
Флотский мазут Ф-8 5-10 40-60 65-75
Флотский мазут Ф-12 10-25 55-80 90-95
Дизельный мазут ДМ 35-50 80-95 100-110
Топочный мазут М-40 60-70 110-120 130-135
Топочный мазут М-100 80-90 130-140 150-155
Любая система подогрева требует наличия температурного напора — превышения температуры греющей среды над нагреваемой. В системах с насыщенным паром, когда температура пара при испарении и конденсации не меняется, температурный напор приято принимать на уровне 25-30 оС, что позволяет получить умеренные площади поверхностей теплообмена.
Таким образом, для использования мазута М-100 в качестве топлива для дизелей необходим подогрев этого топлива до 150-155 оС и температура греющего пара должна быть не ниже 180 оС. Для получения пара с такой температурой выхлопные газы на выходе из утилизационного котла УК не могут иметь температуру ниже 210 оС. Пар используется насыщенный, ввиду его преимуществ в системах подогрева. В табл. 2 приведена вырезка из таблиц пара и воды (состояние насыщения по давлениям) в диапазоне, актуальном для судовой энергетики.
Таблица 2
Параметры насыщения воды и водяного пара
Давление, кг/см2 Температура, оС
1 99,1
1,5 110,8
2 119,6
2,5 126,8
3 132,9
4 142,9
5 151,1
6 158,1
8 169,6
10 179
Выпуск 3
На морских транспортных судах широко используются малооборотные дизели. У последних температура выхлопных газов на длительном ходовом режиме при поступлении в УК не превышает 230-235 оС [3]. Охлаждая эти газы до 210 оС, можно получить лишь незначительное количество пара. И это является следствием объединения пара ВК и УК. Если их сделать независимыми, то в УК может быть получено намного большее количество пара, пусть более низких параметров, но полезного для значительного числа потребителей на судне.
Требования потребителей к параметрам рабочего тела (его температуре и расходу) в системе подогрева различаются существенно. В табл. 3 приведены паровые нагрузки танкера пр. 17120 на длительном ходовом режиме. Именно на таком режиме ввиду его большой длительности следует получить максимальное количество тепловой энергии от системы утилизации тепловых потерь главного двигателя, что позволит уменьшить эксплуатационные расходы и снизить загрязнение окружающей среды вредными компонентами выхлопных газов (С02 и 802, продуктами химического и механического недожога).
Таблица 3
Паровые нагрузки танкера пр. 17120 на длительном ходовом режиме
№ п/п Наименование потребителей W , кг/ч ном7
1 Обогрев цистерн запаса тяжелого топлива 383
2 Обогрев отстойных цистерн тяжелого топлива 120
3 Обогрев расходных цистерн тяжелого топлива 200
4 Подогрев топлива перед сепарацией 120
5 Подогреватели топлива ГД 70
6 Подогреватели топлива ДГ 100
7 Подогреватели пресной воды ДГ 200
8 Подогреватели пресной воды ГД 200
9 Обогрев циркуляционной масляной цистерны ГД 120
10 Подогреватель масла ДГ 150
11 Подогреватель топлива ВПГ 62
Итого по группе 1: Механизмы и аппараты СЭУ 509
12 Система кондиционирования воздуха 450
13 Общесудовая вентиляция 785
14 Паровое отопление 150
15 Хозяйственное пароснабжение 400
16 Обогрев балласта 1515
17 Обогрев груза 1600
18 Разогрев груза 3950
19 Подогрев забортной воды для мойки танков 5000
Итого по группе 2: Механизмы и аппараты судовых систем 2762
Итого в сумме по группам 1 и 2 3271
Итого в сумме с 3 % утечек 3369
Количество и нагрузка работающих ПГ УПГ300 + ВПГ3000
Количество и производительность резервных ПГ ВПГ 6300
ш
Как видно из табл. 3, наибольшее количество пара расходуется на подогрев перевозимого груза, подогрев и увлажнение воздуха в системах вентиляции и кондиционирования. Все эти потребители нуждаются в значительно более низкой температуре пара, чем та, которая нужна для подогрева тяжелого топлива для сжигания в главных двигателях. Для последнего необходимо менее 240 кг/ч пара. И из-за этого небольшого количества пара приходится держать повышенное давление во всей системе и недополучать пар в системе утилизации теплоты выхлопных газов.
На танкерах могут перевозиться различные грузы, причем в разных рейсах разные. Система подогрева груза должна быть рассчитана на наиболее вязкий груз, перевозка которого на данном судне вероятна. К таким грузам относятся мазуты.
Система подогрева перевозимого груза должна обеспечивать поддержание температуры груза на уровне, превышающем температуру застывания не менее чем на 5-10 оС. Кроме того, эта температура подогрева должна быть ниже температуры вспышки паров жидких грузов на 15 оС. Таким образом, вязкие грузы следует подогревать теплоносителем от утилизационных устройств до температуры не выше 30-40 оС и для этого нужно иметь температуру теплоносителя не ниже 60-70 оС.
Это может быть вода с атмосферным давлением и не обязательно кипящая. Конечно, пар более удобен в использовании, так как не нуждается в насосе для перемещения рабочего тела. Пар с атмосферным давлением имеет температуру 100 оС. Этого достаточно по сравнению с водяной системой с минимально необходимой температурой, так как температурный напор увеличен, а площади греющих змеевиков могут быть уменьшены. Такой пар в системе утилизации получить несложно и в большом количестве.
Максимально возможное количество пара в системе утилизации теплоты выхлопных газов ограничивается наличием в выхлопных газах сернистых соединений. Зависимость точки росы от содержания серы в топливе приведена на рис. 3.
Ь °С
130 120
0 1 2 3 4 5, %
Рис. 3. Зависимость точки росы от содержания серы в топливе
При наибольшем (по ГОСТу) содержании серы до 4,5 % соответствующая точка росы составляет 137 оС и возможно снижение температуры газов только до 145 оС (запас необходим для обеспечения переменных режимов). Это позволит получить в 4 раза больше пара от утилизационного котла, чем в случае представленной на рис. 1 объединенной системы снабжения судна паром.
Следует, однако, помнить, что температуры точки росы должны достигать не газы, а рабочее тело, отбирающее от газов теплоту, так как конденсация водяных паров и образование кислоты происходит на поверхности трубки, а термическое сопротивление ее металла невелико. Следовательно, газы можно охладить лишь до 170 оС кипящей водой с температурой 145 оС. Выигрыш в количестве пара по сравнению с традиционной схемой будет не так значителен — всего в 3 раза. Но и это существенно.
Более того, это позволяет применить утилизацию продувочного воздуха, пока еще мало освоенный источник теплоты. По-видимому, этот источник не разрабатывается в связи с невозможностью получить в нем пар с давлением 10 атм и подать его в общий сепаратор со вспомогательным котлом. Выше мы показали ненужность этого для утилизационного котла, работающего на выхлопных газах. Полная аналогия и для системы утилизации теплоты продувочного воздуха.
Температура продувочного воздуха может достигать 170-180 оС. Для этого источника теплоты важно отсутствие ограничения по температуре точки росы. Охлаждать этот воздух для подачи в цилиндры нужно до 40-60 оС. Конечно, в системе утилизации этого сделать нельзя. Однако в
Выпуск 3
системе утилизации теплоты продувочного воздуха вполне реально получить горячую воду с температурой 90 оС, необходимой для разогрева наиболее тяжелого нефтегруза, охладив продувочный воздух до 120 оС. Дальнейшее охлаждение до 40-60 оС следует производить за счет забортной воды во втором контуре системы охлаждения продувочного воздуха. Количество теплоты, полученное в системе утилизации теплоты продувочного воздуха, приблизительно равно теплоте, полученной в УК при охлаждении газов до 170 оС.
Преимущества предлагаемой раздельной системы утилизации теплоты выхлопных газов и продувочного воздуха, независимых от вспомогательного котла, позволяют на длительном ходовом режиме практически полностью обеспечить танкер теплотой для всех нужд исключительно за счет утилизации. Только подогрев топлива ГД, ДГ и ВК остается за вспомогательным котлом, но это небольшое количество — не превышающее 7 % потребности судна в тепловой энергии на длительном ходовом режиме и менее 2,5 % от установленной тепловой мощности ВКУ
Дополнительный доход оправдывает установку высокотемпературной секции охлаждения продувочного воздуха и применение раздельных систем обогрева груза с тремя ступенями давления: с атмосферным давлением, питаемой паром от высокотемпературной секции охлаждения продувочного воздуха; с давлением 5 бар, питаемой паром от утилизационного котла; с давлением 10 бар, питаемой паром от вспомогательного котла. Предложенная раздельная схема является эффективной, но она не лишена недостатков, связанных с необходимостью работы ВК на топливе при малой нагрузке. Можно предложить несколько более сложную схему, лишенную указанных недостатков. Такая схема представлена на рис. 4.
<ч
£
С
2
GQ
З''
22
1 Возврат ) конденсатов 1 ’ 1 к 1
21
у м // 8 9
J П и /г<
Г ' (О
\ /
ч
С.
19 18 17
15 14 13
б ф
12
Рис. 4. Раздельная система питания потребителей паром с двухконтурным УК:
1, 6, 23 — циркуляционные насосы УК и ВТС; 2 — двухсекционный утилизационный котел (УК);
3 — сепаратор пара секции низкого давления; 4 — сепаратор пара ВТС; 5 — высокотемпературная секция охлаждения продувочного воздуха (ВТС); 7 — вспомогательный котел (ВК); 8 — воздухопровод ВК;
9 — воздушные заслонки; 10 — котельный вентилятор; 11 — расходная топливная цистерна;
12, 15 — фильтры холодного и горячего топлива; 13 — топливный насос; 14 — подогреватель топлива;
16 — форсунки; 17 — питательный насос ВК; 18 — питательный насос ВТС; 19, 21 — питательные насосы секций УК; 20 — теплый ящик; 22 — сепаратор секции высокого давления УК;
24 — пар на подогрев топлива главного двигателя
Преимущества предлагаемой раздельной системы утилизации теплоты выхлопных газов и продувочного воздуха, независимых от вспомогательного котла, позволяют на длительном ходовом режиме полностью обеспечить танкер теплотой для всех нужд исключительно за счет утилизации. Подогрев тяжелого топлива главного двигателя на ходовых режимах осуществляется за счет пара высокотемпературной секции утилизационного котла.
Повышение энергетической и экологической эффективности обеспечено, однако экономическая эффективность нуждается в дополнительном исследовании ввиду необходимости разработки типоразмерного ряда двухконтурных утилизационных котлов.
Режимы стоянки танкеров не длительные, и на этих режимах возможна работа стояночных дизель-генераторов и вспомогательных котлов на легком топливе, не требующем подогрева и содержащем меньшую массовую долю углерода и серы.
Для универсальных сухогрузных судов характерны длительные стояночные режимы, связанные с погрузоразгрузочными работами или ожиданием груза. На таких судах, по-видимому, актуально применение утилизации теплоты стояночных дизель-генераторов в соответствии со схемой, представленной на рис. 4. Ввиду более высокой температуры выхлопных газов среднеоборотных двигателей ДГ возможно получение большего количества теплоты от утилизации теплоты выхлопных газов и полное обеспечение потребностей судна в тепловой энергии, в том числе в зимний период и для подогрева тяжелого топлива ДГ-ДТ, ДМ и даже М-40. Работа ВК на стоянке может быть исключена полностью.
На речных судах используется менее вязкое дизельное топливо ДЛ с содержанием серы до
0,2 %, не нуждающееся в подогреве. Как видно из рис. 3, при получении пара с давлением 2,5 бар и температурой 127 оС низкотемпературная коррозия не возникает. При использовании же тяжелого топлива типа ДТ или Ф-12 с содержанием серы до 0,6 % указанная проблема также не актуальна, если поднять давление в утилизационном котле до 3 бар (температура насыщения 133 оС). Поскольку прочие потребители на речном танкере не нуждаются в более высокой температуре, то здесь возможно объединение ВК, УК и ВТС в единую систему с указанным выше давлением, безопасным по сернистой коррозии.
Однако расходование любого топлива наносит вред окружающей среде дополнительными выбросами CO2 и SO2, поэтому применение утилизации в соответствии со схемами на рис. 2 и 4 актуально и для речных судов ввиду общего уменьшения расхода топлива.
Выводы
1. Традиционные схемы утилизации теплоты СЭУ с малооборотными ДВС не обеспечивают глубокой утилизации теплоты вторичных энергоресурсов, как вследствие низких параметров выхлопных газов, так и различной потребности в параметрах пара у отдельных его потребителей.
2. Применение раздельных схем утилизации теплоты выхлопных газов, продувочного воздуха и охлаждающей пресной воды позволяет не только увеличить количество утилизируемой тепловой энергии, но и полностью отказаться от работы вспомогательных котлов на топливе на длительных ходовых режимах не только на сухогрузных судах, но и на танкерах, перевозящих высоковязкие нефтепродукты.
3. Схемы утилизации с двухконтурными утилизационными котлами позволяют обеспечить подогрев топлива главных двигателей также за счет пара утилизационного котла.
4. Утилизация теплоты стояночных ДГ целесообразна в случае длительных стояночных режимов, характерных для ряда универсальных сухогрузных судов.
5. Предложенные усовершенствования систем утилизации обеспечивают уменьшение расходов топлива, экономию текущих расходов, повышение энергетической и экологической эффективности вспомогательных котельных установок транспортных судов, а вследствие этого и судовой энергетической установки в целом.
Выпуск 3
Выпуск 3
Список литературы
1. Даниловский А. Г Выбор оптимальных параметров судовой вспомогательной котельной установки / А. Г. Даниловский // Тр. СПГУВК. — 2010. — № 3.
2. Даниловский А. Г. Автоматизированное проектирование и оптимизация судовых вспомогательных энергетических комплексов: моногр. / А. Г. Даниловский, И. А. Боровикова. — СПб.: Изд. центр СПГУВК, 2008.
3. Даниловский А. Г. Оптимизация судового пропульсивного комплекса: моногр. / А. Г. Даниловский, М. А. Орлов, И. А. Боровикова. — СПб.: РИЦ СПбГМТУ, 2008.
УДК 539.384: 629.12: 519.63 С. О. Барышников,
д-р техн. наук, профессор, СПГУВК;
М. В. Сухотерин,
д-р техн. наук, профессор, СПГУВК
ВЫЧИСЛЕНИЕ ЧАСТОТ И ФОРМ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ПАНЕЛЕЙ
ОБШИВКИ СУДНА
COMPUTATION OF FREQUENCY AND FORMS OF FREE OSCILLATIONS OF
PANELS OF A SHIP SHELL
Задача свободных колебаний прямоугольной защемленной панели сведена к бесконечной системе алгебраических уравнений относительно неизвестных коэффициентов гиперболо-тригонометричекихрядов. Приведены несколько первых частот и форм для квадратной пластины и пластины с отношением сторон 2:1.
The problem of free oscillation rectangular clamped plate result in infinite system algebraic equation for unknown coefficient of hyperbolic-trigonometric series. Calculate the first several frequency and form for square plate and ratio 2:1.
Ключевые слова: свободные колебания, прямоугольная защемленная пластина, гиперболо-тригоно-метрические ряды, численные результаты.
Key words: free oscillation, rectangular clamped plate, hyperbolic-trigonometric series, numerical results.
ПРИ работе двигателя вибрации передаются на корпус судна и его обшивку, которая может испытывать резонансные явления.
Исследование поперечных упругих колебаний заключается в определении прогибов обшивки в любой момент времени. Важнейшей частью задачи является определение частот собственных (свободных) колебаний. Так как число оборотов двигателя может меняться в значительных пределах, то важно знать не только частоту первого (основного) тона колебаний, но и нескольких последующих обертонов, которые может «проходить» двигатель на форсажном режиме, вызывая резонансные явления.
Основным силовым набором (шпангоуты, стрингеры) обшивка делится на прямоугольные панели (пластины), которые можно считать защемленными по всему контуру. Точное решение задачи свободных колебаний прямоугольной пластины получено лишь для шарнирно опертой
