CC BY
27УДК 629.127
М.Н. Покусаев, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Эксплуатация водного транспорта» ФГБОУ ВО «АГТУ», e-mail: evt@astu.org
К.О. Сибряев, к.т.н., доцент, доцент кафедры «Эксплуатация водного транспорта» ФГБОУ ВО «АГТУ», e-mail: evt@astu.org
A.А. Хмельницкая, заведующий лабораторией кафедры «Эксплуатация водного транспорта» ФГБОУ ВО «АГТУ», e-mail: khmelnitskayaaa@mail.ru
О.П. Ковалёв, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Товароведение, холодильные машины и технологии» Дмитровский рыбохозяйственный технологический институт (филиал) ФГБОУ ВО «АГТУ», e-mail: kovalev47@mail.ru
B.П. Булгаков, д.т.н., профессор, профессор кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» ФГБОУ ВО «АГТУ», e-mail: mbulgak@mail.ru ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет»
414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 16
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГИДРОСФЕРЫ НЕФТЕПРОДУКТАМИ ПОДВЕСНЫМ ЛОДОЧНЫМ МОТОРОМ «ВЕТЕРОК-8М»
Ключевые слова: маломерное судно, подвесной лодочный мотор, экологические характеристики судовых двигателей, загрязнение гидросферы моторными лодками
Статья посвящена экспериментальной оценке загрязнения гидросферы нефтепродуктами подвесным лодочным мотором отечественного производства типа «Вете-рок-8М», работающего по двухтактному циклу с номинальной мощностью 8 л.с. Широкое распространение лодочных моторов и повышение экологических требований к ним требуют оценки их экологических характеристик. Исследования в области загрязнения гидросферы подвесными лодочными моторами связаны с рядом трудностей: особенностями конструкции их газовыхлопной системы; необходимостью установки нестандартного измерительного оборудования; проведения испытаний в малых оптовых бассейнах для локализации выбросов в ограниченный объем воды; сложностью теоретических расчетов уровня вредных выбросов в воду. Исследования специалистов испытательного центра «Marine Technology Service» ФГБОУ ВО «АГТУ» позволили произвести количественную оценку загрязнений нефтепродуктами гидросферы подвесным лодочным мотором «Ветерок-8М» на разных режимах его работы в условиях малого опытового бассейна, а также получить эмпирические формулы для проведения оценочных расчетов содержания в воде нефтепродуктов в зависимости от мощности и расхода топлива двигателя маломерного судна.
Введение
Современные нормативно-технические документы, действующие в России и Таможенном союзе [1-3] регламентируют загрязнение подвесными лодочными моторами (далее - ПЛМ) только атмосферы, хотя они загрязняют гидросферу и ее биосферу отработавшими газами путем выброса их в воду. Существуют методики расчета и проведения измерений вредных выбросов ПЛМ в атмосферу, но нет четкой методики по количественной оценке загрязнения ими гидросферы. Произвести такую оценку достаточно затруднительно, что объясняется сложностью устройства газовыхлопной системы ПЛМ; необходимостью применения специального нестандартного измерительного оборудования; проведения испытаний в опытовых бассейнах, которые не выпускаются серийно и являются уникальными разработками фирм производителей или научных организаций. Поэтому расчетную оценку вредных выбросов можно произвести на основе эмпирических зависимостей, полученных на базе практических экспериментов, что подтверждает актуальность рассматриваемой темы.
Цели и задачи исследования:
Целью является получение количественной оценки загрязнений гидросферы нефтепродуктами ПЛМ марки «Ветерок-8М», работающим по двухтактному циклу с мощностью 8 л.с.
Задачами являются:
1. Анализ ранее проведенных отечественных и зарубежных исследований в области загрязнений гидросферы ПЛМ;
2. Проведение и анализ собственных экспериментов с ПЛМ «Ветерок-8М» в условиях малого опытового бассейна испытательного центра «Marine Technology Service» ФГБОУ ВО «АГТУ» (ИЦ «MTS»);
3. Вывод формул для расчетной оценки загрязнений нефтепродуктами гидросферы двухтактными ПЛМ малой мощности.
Материалы и методы:
Был проанализирован ряд зарубежных и отечественных исследований по оценке вредных выбросов ПЛМ в гидросферу, среди которых можно выделить следующие.
Шведский специалист Jüttner F. приводит в своей работе [4] данные, что за 10-минутный период работы двухтактный ПЛМ с мощностью 10 л.с. выбрасывает в воду 23,8 г смеси бензола, толуола, этилбензола и ксилолов (соединения BTEX), по сравнению с 0,5 г выбросов (BTEX) четырехтактного ПЛМ.
В работе Kelly С. (Австралия), [5] приведены данные по выбросам ПЛМ в воду компонентов нефтепродуктов - полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и летучих органических соединений (ЛОС) в формате мкг/кВт*ч. Однако в исследовании не объясняются причины нелинейного изменения уровней выбросов нефтепродуктов в зависимости от режима работы двухтактного ПЛМ марки «Mercury» мощностью 1,9 кВт.
Отметим, что существуют отличия как по методам измерения, так и оценке количества нефтепродуктов в воде, которые регламентируются зарубежными и отечественными нормативно-руководящими документами, что не позволяет произвести точное сравнение результатов, полученных различными авторами.
В 1984 году Худзик О.Ф. (Россия) в своей работе [6] указывает, что количество загрязнений, поступающих в воду от ПЛМ, не является постоянным: в среднем от 10 до 20% первоначально заливаемого в ПЛМ топлива (смесь бензин и масло) может сбрасываться в водоем с выхлопными газами, порой объем загрязнений доходит до 55%, что в принципе, совпадает с данными Warrington P, который заключает, что уровень потерь топлива в воду в объеме 10-25% является наиболее типичным для 2-х тактных ПЛМ, [7].
Как правило, специалисты рекомендуют производить замену двухтактных ПЛМ на более экологичные четырехтактные, но, как справедливо отмечает в своей работе Kelly С, [5] - требуется оценить вредные выбросы в воду, производимые двухтактными ПЛМ, число которых, находящихся в эксплуатации весьма значительно.
Двухтактные ПЛМ для своей работы используют топливную смесь, состоящую из бензина, моторного масла и воздуха. Масло является тяжелой фракцией, которая не полностью сгорает, поэтому часть его выбрасывается из выхлопных окон в процессе продувки и попадает в воду в процессе выхлопа отработавших газов. Для современных ПЛМ пропорция содержания в топливной смеси масла и бензина составляет 1:50, а для моторов устаревшей конструкции 1:25, [8-10].
Для исследования экологических характеристик ПЛМ марки «Ветерок-8М» был использован разработанный в ИЦ «MTS» малый опытовый бассейн рабочим объемом 550 литров воды. Подробное описание МОБ и методика проведения в нем испытаний ПЛМ приведены в работах авторов [11-12]. Испытания ПЛМ «Ветерок-8М» были проведены в 2018 году, результаты проб воды были проанализированы лабораторией ФГБУ «Государственный центр агрохимической службы «Астраханский» (имеет ат-
тестат аккредитации №RA.RU.21ПЦ50, выданный Федеральной службой по аккредитации «Росаккредитация»). Оценка загрязнения воды на нефтепродукты была произведена в соответствии с ПНД Ф 14,1:2:4,128-98 (2012) «Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в пробах природных, питьевых, сточных вод флуориметрическим методом на анализаторе жидкости «Флюорат-02» [13].
В первую очередь вода забиралась до испытаний на контрольные пробы содержания в ней: сероводорода и сульфидов (мг/дм3), нефтепродуктов (мг/дм3), гидрокарбонатов (мг/дм3), нитрит-ионов (мг/дм3). Отдельно контрольные пробы брались для проведения тестов на токсичность со следующими объектами: дафния «Daphnia magna straus» в возрасте от 6 до 24 часов, водоросли «Scenedesmus quadricauda» в возрасте от 3 до 5 суток.
Программа испытаний включала в себя следующие режимы работы ПЛМ и последовательность основных этапов:
1. Забор воды на контрольные пробы;
2. Пробный пуск подвесного мотора;
3. Холостой ход - 10 минут на минимальной частоте вращения;
4. Забор воды на контроль;
5. Малый ход - 10 минут на минимально устойчивой частоте вращения;
6. Забор воды на контроль;
7. Промежуточный ход - 10 минут на промежуточной частоте вращения;
8. Забор воды на контроль;
9. Максимальный ход - 10 минут на максимальной частоте вращения;
10. Забор воды на контроль.
Общее время работы ПЛМ составило 40 минут.
Технические характеристики ПЛМ «Ветерок-8М»:
- Тип двигателя: двухтактный карбюраторный;
- Номинальная мощность двигателя: 8 л.с.;
- Частота вращения двигателя при испытаниях: от 1500 до 4250 об/мин;
- Используемое топливо: смесь бензина АИ-92 по ГОСТ 32513-2013 «Топлива моторные. Бензин неэтилированный. Технические условия» [14] с маслом М8 по ГОСТ 17479.1-2015 «Масла моторные. Классификация и обозначение» [15] в пропорции 1/50.
Результаты
Согласно протоколу испытаний, расход топливной смеси за 40 минут работы ПЛМ «Ветерок-8М» составил 0,022 л/мин или 1,33 л/час. Если учитывать степень разведенного масла по отношению к топливу 1:50, то расход масла составил 0,027 л/час. В абсолютных величинах расход топливной смеси за время испытаний составил 0,887 литра, соответственно расход масла составил 0,017 литра или 15,385 грамм при плотности масла марки М8 равной 905 кг/м3.
Испытания позволили оценить долю содержания нефтепродуктов в воде (г) в зависимости от расхода топливо-масляной смеси (г). Также, по аналогии с работой Kelly С., [5] нами рассчитаны выбросы нефтепродуктов в единицах г/кВт*ч на разных режимах работы двигателя (таблица 1).
Если проанализировать данные таблицы 1, то уменьшение содержания нефтепродуктов в объеме воды при работе ПЛМ с холостого хода (3,73 мг/дм3) до полного (1,67 мг/дм3) можно объяснить тем, что часть нефтепродуктов, которые представляют собой легкие фракции, располагаются на поверхности воды, поэтому за время испытаний концентрация нефтепродуктов снижается. Забор воды осуществлялся из средней части опытового бассейна, что говорит о необходимости при дальнейших испытаниях оценки содержания нефтепродуктов не только в объеме воды, но и на ее поверхности.
Таблица 1
Выбросы нефтепродуктов в воду от ПЛМ «Ветерок -8М»
Режим работы ПЛМ Частота вращения КВ, об/мин Мощность, кВт Кол-во расходуемого топлива, г Нефтепродукты, мг/дм3 Нефтепродукты, г/кВт*ч
Холостой ход 1500 0,596 70 3,73 2,065
Минимальный ход 1750 0,662 100 4,91 2,448
Промежуточный ход 2250 1,103 140 3,75 1,122
Максимальный ход 4250 5,134 350 1,67 0,107
По результатам таблицы 1 сформированы графики на рисунках 1 и 2.
Нефтепродукты в воде, мг/дмЗ у = S^Bex45'5
♦
5 0 100 150 200 250 300 350 Кол-во топлива, г
Рис. 1. Содержание нефтепродуктов (мг/дм3) в воде в зависимости от количества используемого топлива (г)
Выбросы нефтепродуктов в воду, г/кВт*ч у = 1Д813Х-1'446
>00
1,600
0,5 00 1,С ОО 1,5 •ОО 2,С ЮО 2,5 ■00 3,0 100 3,5 ОО 4,С 100 4,5 00 5,С Мощност ОО 5,5 ь ПЛМ, кВт
Рис. 2. Выбросы нефтепродуктов в воду (г/кВтч) в зависимости от мощности ПЛМ (кВт)
По результатам полученных графиков выведены формулы, которые можно использовать для производства оценочных расчетов.
Выбросы нефтепродуктов унп (мг/дм3) в воду в зависимости от расхода топливной смеси дт (г):
vHn = 59,388 • 9т-°'59 (1)
Выбросы нефтепродуктов в воду, qHn (г/кВт*ч) в зависимости от мощности ПЛМ, N (кВт):
4нп =1,1813 • N-1'446 (2)
Следует ввести допущения для полученных формул:
1. Формулы основаны на экспериментальных данных, полученных в малом опы-товом бассейне, т.е. в локальном объеме воды; при работе ПЛМ в свободной воде выбросы будут уменьшаться из-за большого количества воды и перемешивания гребным винтом;
2. Формулы основаны на экспериментах с двухтактным ПЛМ марки «Ветерок-8М» с мощностью 8 л.с.
Результаты лабораторных исследований проб воды показали, что содержание сероводорода и сульфидов в воде до испытаний и после них не увеличилось и осталось менее 2,0 мкг/дм3. Установлено, что содержание гидрокарбонатов в воде до эксперимента и после него уменьшилось всего на 4%. После проведения 40 минутных испытаний отмечается гибель 1°°% дафний и водорослей, что подтверждает воздействие ПЛМ на биосферу.
Выводы:
1. ПЛМ загрязняют не только атмосферу, но и гидросферу, включая биосферу в ней - водоросли и микроорганизмы, что может привести к их гибели;
2. Поскольку содержание серводорода, сульфидов и гидрокарбонатов сильно не изменилось до и после проведения экспериментов, то при дальнейших исследований следует оценивать только содержание нефтепродуктов в воде;
3. Поскольку отмечено, что происходит всплытие нефтепродуктов на поверхность, то следует производить оценку содержания нефтепродуктов на поверхности и в объеме воды;
4. Полученные формулы могут позволить произвести оценку выбросов нефтепродуктов для двухтактных ПЛМ мощностью до 8 л.с. ;
5. Следует для проверки полученной расчетной методики провести эксперименты с другой маркой ПЛМ для сравнения результатов расчета и эксперимента, а также уточнения полученных формул.
Список литературы:
[1] ГОСТ 28556-16. Моторы лодочные подвесные. Общие требования безопасности. М.: Стан-дартинформ, 2016 . - 11 с.
[2] Моторы лодочные. Программа и методика измерения объемных долей оксида углерода (СО) и суммы углеводородов (СМ) в отработавших газах моторов лодочных при проведении технического освидетельствования. 770020000 ПМ 28. - М. 2001. - 8 с.
[3] Технический регламент таможенного союза ТР ТС 026/2012. О безопасности маломерных судов, 2012. - 38 с.
[4] Jüttner, F.; Backhaus, D.; Matthias, U.; Essers, U.; Greiner, R.; Mahr, B. (1995). Emissions of two-and four-stroke outboard engines. II. Impact on water quality. Water Research, 29, 1983-1987.
[5] Charles Kelly. Analysis of the underwater emissions from outboard engines. Queensland University Technology, Brisbane, Australia. 2004, 207 p.
[6] Худзик О.Ф. Характеристика микрофлоры грунтов Саратовского и Волгоградского водохранилищ в районах влияния загрязнений нефтепродуктами и солями металлов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук. Л., 1984. - 179 с.
[7] Potential impacts of emissions from outboard motors on the aquatic environment: a literature review. NIWA Client Report: HAM2007-026 March 2007, 33 p.
[8] Фишбейн Е.И. Лодочные моторы «Ветерок». Устройство, эксплуатация и ремонт: Справочник. Л.: Судостроение, 1989. - 184 с.
[9] Моторы лодочные подвесные: «Вихрь-25Р электрон», «Вихрь-30Р электрон», «Вихрь-30 электрон», «Вихрь-30», «Вихрь-М» и «Вихрь-30Р». Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Куйбышев: Куйбышевское моторостроительное производственное объединение имени М.В. Фрунзе. 1988. - 31 с.
[10] Руководство по эксплуатации лодочного мотора «Ветерок-8М», г. Карсун: «Полиграфист». 1993. - 36 с.
[11] Покусаев М.Н., Хмельницкая А.А. Опытовый бассейн для проведения испытаний по измерению вредных выбросов отработавших газов подвесных лодочных моторов маломерных судов // Научные проблемы транспорта Дальнего востока и Сибири, Новосибирск, 2017. № 3-4. С. 227 - 230.
[12] Покусаев М.Н., Хмельницкий К.Е., Хмельницкая А.А. Стендовые испытания лодочных подвесных моторов на базе малого опытового бассейна. В сборнике: 62-я Международная научная конференция Астраханского государственного технического университета материалы конференции. 2018. С. 201.
[13] ПНД Ф 14,1:2:4,128-98 (2012) «Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в пробах природных, питьевых, сточных вод флуориметрическим методом на анализаторе жидкости «Флюорат-02»«. Издание 2007 г. - 27 с.
[14] ГОСТ 32513-2013. Топлива моторные. Бензин неэтилированный. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2014. - 12 с.
[15] ГОСТ 17479.1-2015. Масла моторные. Классификация и обозначение. М.: Стандартин-форм, 2015. - 10 с.
EXPERIMENTAL EVALUATION OF HYDROSPHERE CONTAMINATION BY OIL PRODUCTS SUSPENDED «VETEROK-8M» BOAT MOTOR
M.N. Pokusaev, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department «Operation of Water Transport» «Astrakhan State Technical University»
K.O. Sibryaev, Ph.D. of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department «Operation of Water Transport» «Astrakhan State Technical University» A.A. Khmelnitskaya, Head of the Laboratory of the Department «Operation of Water Transport» «Astrakhan State Technical University»
O.P. Kovalev, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the department «Merchandizing, refrigerating machines and technologies», Dmitrov Fishery Technological Institute (branch) of «Astrakhan State Technical University»
V.P. Bulgakov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the department «Shipbuilding and energetic complexes of sea technology», Astrakhan State Technical University 414056, Russia, Astrakhan, Tatishchev str., 16
Keywords: small size boat, outboard motor, ecological characteristics of ship engines, pollution of the hydrosphere by motor boats
The article is devoted to the experimental assessment of the pollution of the hydrosphere with oil products by the outboard boat engine of domestic production of the Veterok-8M type, operating on a two-stroke cycle with a nominal capacity of 8 hp. The widespread use of boat engines and the increase in environmental requirements for them require an assessment of their ecological characteristics. Research into the pollution of the hydrosphere by outboard motors is associated with a number of difficulties: the design features of their gas exhaust system; the need to install non-standard measuring equipment; testing in small wholesale pools to localize emissions to a limited amount of water; the complexity of theoretical calculations of the level of harmful emissions in water. The studies carried out by the specialists of the Marine Technology Service testing center at the Federal State Educational Institution of Higher Education ASTU made it possible to quantify the pollution of the hydrosphere's oil with the Veterok-8M outboard boat engine in different modes of its operation in a small ex-
perimental basin, and also to get empirical formulas for estimated calculations of oil content in water depending on the power and fuel consumption of the engine of a small vessel.
References:
[1] GOST 28556-16. Motory lodochnye podvesnye. Obshchie trebovaniya bezopasnosti. M.: Standartinfoim, 2016. 11 p.
[2] Motory lodochnye. Programma i metodika izmereniya ob»emnykh doley oksida ugleroda (SO) i summy uglevodorodov (SM) v otrabotavshikh gazakh motorov lodochnykh pri provedenii tekhni-cheskogo osvidetel'stvovaniya. 770020000 PM 28. M. 2001. 8 p.
[3] Tekhnicheskiy reglament tamozhennogo soyuza TR TS 026/2012. O bezopasnosti malomernykh sudov, 2012. 38 p.
[4] Jüttner, F.; Backhaus, D.; Matthias, U.; Essers, U.; Greiner, R.; Mahr, B. (1995). Emissions of two-and four-stroke outboard engines. II. Impact on water quality. Water Research, 29, 1983-1987.
[5] Charles Kelly. Analysis of the underwater emissions from outboard engines. Queensland University Technology, Brisbane, Australia. 2004. 207 p.
[6] Khudzik O.F. Kharakteristika mikroflory gruntov Saratovskogo i Volgogradskogo vodokhranilishch v rayonakh vliyaniya zagryazneniy nefteproduktami i solyami metallov. Dissertatsiya na soiskanie uchenoy stepeni kandidata biologicheskikh nauk. L., 1984. 179 p.
[7] Potential impacts of emissions from outboard motors on the aquatic environment: a literature review. NIWA Client Report: HAM2007-026 March 2007, 33 p.
[8] Fishbeyn E.I. Lodochnye motory «Veterok». Ustroystvo, ekspluatatsiya i remont: Spravochnik. L.: Sudostroenie, 1989. 184 p.
[9] Motory lodochnye podvesnye: «Vikhr'-25R elektron», «Vikhr'-30R elektron», «Vikhr'-30 elektron», «Vikhr'-30», «Vikhr'-M» i «Vikhr'-30R». Tekhnicheskoe opisanie i instruktsiya po ekspluatatsii. Kuybyshev: Kuybyshevskoe motorostroitel'noe proizvodstvennoe ob»edinenie imeni M.V. Frunze. 1988. 31 p.
[10] Rukovodstvo po ekspluatatsii lodochnogo motora «Veterok-8M», g. Karsun: «Poligrafist». 1993. 36 p.
[11] Pokusaev M.N., Khmel'nitskaya A.A. Opytovyy basseyn dlya provedeniya ispytaniy po izmere-niyu vrednykh vybrosov otrabotavshikh gazov podvesnykh lodochnykh motorov malomernykh sudov // Nauchnye problemy transporta Dal'nego vostoka i Sibiri, Novosibirsk, 2017. № 3-4. p. 227 - 230.
[12] Pokusaev M.N., Khmel'nitskiy K.E., Khmel'nitskaya A.A. Ctendovye ispytaniya lodochnykh podvesnykh motorov na baze malogo opytovogo basseyna. V sbornike: 62-ya Mezhdunarodnaya nauchnaya konferentsiya Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta materialy konferentsii. 2018. p. 201.
[13] PND F 14,1:2:4,128-98 (2012) «Kolichestvennyy khimicheskiy analiz vod. Metodika vypolneniya izmereniy massovoy kontsentratsii nefteproduktov v probakh prirodnykh, pit'evykh, stochnykh vod fluorimetricheskim metodom na analizatore zhidkosti «Flyuorat-02»«. Izdanie 2007 g. 27 p.
[14] GOST 32513-2013. Topliva motornye. Benzin neetilirovannyy. Tekhnicheskie usloviya. M.: Standartinform, 2014. 12 p.
[15] GOST 17479.1-2015. Masla motornye. Klassifikatsiya i oboznachenie. M.: Standartinform, 2015. 10 p.
Статья поступила в редакцию 13.02.2019 г.
