CC BY
11Статья поступила в редакцию 20.05.11. Ред. рег. № 1025 The article has entered in publishing office 20.05.11. Ed. reg. No. 1025
УДК 621.436.068
КОНТРОЛЬ И СНИЖЕНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ С СУДОВ СМЕШАННОГО (РЕКА-МОРЕ) ПЛАВАНИЯ
Нгуен Ха Хиеп
Астраханский государственный технический университет 414025, Астрахань, ул. Татищева, д. 16 Тел.: +7 (8512) 546247, e-mail: nguyenhahiep@rambler.ru
Заключение совета рецензентов: 30.05.11 Заключение совета экспертов: 10.06.11 Принято к публикации: 15.06.11
Представлены результаты натурных испытаний на токсичность и дымность отработавших газов дизелей эксплуатирующихся судов. Сопоставлены значения технических нормативов выбросов вредных веществ с нормами действующих стандартов. Разработаны рекомендации по снижению вредных выбросов веществ с отработавших газов дизелей эксплуатирующихся судов смешанного (река-море) плавания.
Ключевые слова: натурные испытания, отработавшие газы, выброс вредных веществ, режимы работы, диметиловый эфир, экологические показатели.
CONTROL AND REDUCTION OF POLLUTION IN THE ATMOSPHERE WITH SHIPS MIXED (RIVER-SEA) NAVIGATION
Ha Nguyen Hiep
Astrakhan State Technical University 16 Tatisheva str., Astrakhan, 414025, Russia Tel.: +7 (8512) 546247, e-mail: nguyenhahiep@rambler.ru
Referred: 30.05.11 Expertise: 10.06.11 Accepted: 15.06.11
The results of field tests for toxicity and smoke exhaust of diesel enginesoperated vessels are presented. Comparison of the values of technical standards for emissions with norms of the existing standards. Recommendations for reducing harmful emissions of exhaust gases from diesel engines operated vessels combined (river-sea) navigation are developed.
Keywords: field tests, exhaust gases, emission of harmful substances, modes, dimethyl ether, environmental indicators.
В связи с вступлением в силу в 2005 г. международных и национальных требований по предотвращению загрязнения атмосферы с судов [1] и ужесточением этих требований из года в год [2] актуальной является оценка соответствия эмиссии отработавших газов (ОГ) дизелей эксплуатирующихся судов требованиям действующих нормативных документов. Вместе с тем и разработка и внедрение методов и средств снижения выброса вредных веществ (ВВ) судовыми дизелями, экологическая безопасность двигателей оцениваются нормируемыми и ненормируемыми компонентами ОГ, опасность которых общепризнанна. В зависимости от механизма воздействия судов на человека и окружающую среду они рассматриваются на местном (локальном), региональном и глобальном уровнях. Суда смешанного (река - море) плавания являются источником всех трех случаев. Поэтому двигатели этих судов должны соответствовать и требованиям Приложения VI международной конвенции МАРПОЛ
73/78 (по N0*) [3], ГОСТ Р 51249-99 (по N0*, СО, СН) [4], ГОСТ Р 51250-99 (по дымности) [5].
Цель работы - оценка соответствия эмиссии ОГ дизелей эксплуатирующихся судов требованиям нормативных документов ИМО и РФ и возможные технические мероприятия по снижению выбросов ВВ с ОГ.
Работа проводится по следующей схеме алгоритма (рис. 1).
Объект исследования - дизели, установленные в качестве главных двигателей (ГД) на судах Волго-Каспийского региона (ВКР) (суда эксплуатируются в Каспийском морском бассейне и Волжской речной системе).
Была разработана база данных судов ВКР, в базу данных входят 245 судов, плавающих под флагом РФ и под контролем Астраханского филиала ФГУ «Российский морской регистр судоходства» (РМРС).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (97) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Рис. 1. Алгоритм контроля и снижения ВВ с ОГ судовых дизелей Fig. 1. Algorithm for the control and reduction of harmful substances to exhaust of marine diesel engines
При помощи выборочного метода определен минимальный объем выборки - 15 судов. Ее состав 5, 3, 2, 2, 1, 1, 1 соответствует судам с ГД 6МУБ48Ли (485, 330), 6МУБ48-2Ли (515, 300), 6(8)МУБ848Л2и (640(852), 375), 8МУБ48Ли (736, 375), Г70(883, 375), 6МУБ48-2Ли (567, 330), 8№УБ48-2и (647, 428), которые входят в группы с максимальным выбросом ВВ (здесь указываются марки двигателей, а в скобках -номинальная мощность и частота вращения) (см. [6]).
Предлагаемая приборная база, используемая при испытаниях.
a b
Рис. 2. Приборы для измерения состава ОГ: а - газоанализатор Testo 350-MARITIME; b - дымомер Testo 308 Fig. 2. Instruments for measuring exhaust gas composition: a -gas analyzer Testo 350-MARITIME; b - opacimeter Testo 308
Для измерения состава ОГ использовался портативный газоанализатор Testo 350-MARITIME, сертифицированный Germanischer Lloyd, и дымомер Testo 308 (рис. 2). Крутящий момент определяется по усредненной тензограмме при наклейке тензодатчиков на любой доступный вал валопровода с использованием тензометрического комплекса фирмы «Astech Electronics» (Англия), который одобрен и разрешен к применению «Lloyd's Register of Shipping». Для измерения частоты вращения используются штатные приборы-тахометры или бесконтактный цифровой тахометр DM6234P+. Такие поверочные приборы входят в приборную базу «Испытательный центр "Marine technology service"» (ИЦ MTS АГТУ).
Программа испытаний. В программе испытаний дизелей судов изложены общие требования к проведению испытаний, условия проведения испытаний, параметры и места измерений, режимы испытаний, обработка экспериментальных данных и требования по технике безопасности при испытаниях. В этом разделе акцентируется внимание на точке отбора ОГ, согласно действующим стандартам [4, 5, 7, 8] точка отбора ОГ расположена на расстоянии шести диаметров прямого участка трубы от присоединительного фланца выпускного коллектора.
300
60
65
70
75
80
85
90
95
10 9 8 7 6 5 4
^ 3
2 1 0 100
Рис. 3. Экологические показатели ГД 6NVD48AU (485, 330) судна «НРВ-50М» Fig. 3. Environmental indicators ГД 6NVD48AU (485, 330) of the vessel "НРВ-50М"
120
100
В a
О
и
о
z
80
60
40
20
60
65
70
75
85
90
95
100
Рис. 4. Экологические показатели ГД 6NVD48AU (485, 330) судна «НРВ-21М» Fig. 4. Environmental indicators ГД 6NVD48AU (485, 330) of the vessel "НРВ -21M"
250
200
В a a
О
и
x О
z
150
100
50
C
NCx
CO
п/Пн, %
40
50
60
70
80
90
100
Рис. 5. Экологические показатели ГД 8NVD48AU (736, 375) судна «Аксиома» Fig. 5. Environmental indicators ГД 8NVD48AU (736, 375) of the vessel "Axiomа"
10 9 8 7 6 5
f 4 3 2 1 0
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
C дв. ЛБ _- - --9
Л..... Ф т - ( ) " "
о..... C дв.ПБ
№Эх дв.ПБ №Эхдв.Л1
CO двЛБ
CO дв.ПБ
10
9
8
7
6 z
г/1
5
4 U
3
2
1
0
45
55
65
75
85
95
n/пн, %
Рис. 6. Экологические показатели ГД 6NVD48-2AU (515, 300) судна «Омский-143» Fig. 6. Environmental indicators ГД 6NVD48-2AU (515, 300) of the vessel "С^ку-143"
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (97) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
0
0
Результаты натурных испытаний. Натурные испытания проводились после хорошей проверки регулировки двигателя, на четырех режимах, поддерживаемых близким к стандартным значениям цикла Е3 ИСО 8178-4 [9]. В качестве примера на рис. 3-6 показаны зависимости концентрации токсичных компонентов от режимов работы некоторых исследуемых двигателей по винтовой характеристике, концентрация 802 на всех режимах нулевая.
Испытания также проведены на судне «РК-2091» типа «Ярославец» при работе двигателя на дизельном и печном топливах.
Обработка экспериментальных данных. Эффективная мощность каждого режима обеспечивается частотой вращения двигателя и крутящим моментом, вычисляется по формуле [10], кВт: Ре = = Г^п/9550, где - крутящий момент, Н м; п - частота вращения, об/мин.
При использовании Трубки Пито для измерения скорости потока газов объемный расход ОГ на каждом режиме определяется по формуле [11], м3/ч: КОТ = 3600К^у пс12/4 , где Vу - измеренная скорость
потока дымовых газов на каждом режиме, м/с; ё -измеренный диаметр газоходной трубы, м; К - коэффициент, равный 1 при измерении в середине трубы.
После этого объемный расход ОГ приводится к нормальным атмосферным условиям (давление р0 = = 101,3 кПа, температура Т0 = 273 К).
В некоторых испытаниях, без использования Трубки Пито, объемный расход ОГ рассчитывается по расходам топлива и воздуха, это проводится следующим образом: удельные расходы топлива выбираются согласно винтовым характеристикам двигателей (допускает РМРС). Суммарный коэффициент избытка воздуха определяется по результатам газового анализа по нижеприведенным упрощенным формулам, полученным с условием допущения, что весь углерод топлива окисляется до двухокиси угле-
рода СО2 (для судовых дизелей, где неполнота сгорания топлива редко достигает 1%, такое допущение вполне приемлемо): аС0 = А + ВС02/С02, где А =
= С/12£0; Ь0 = (1/0,21)[(С/12) + (Н/4) + (8/32) - (0/32) кмоль/кг топлива; В = 0,21 - А; С, Н, 8, 0 - компоненты элементного состава топлива, кг/кг топлива; СО2 - содержание диоксида углерода в сухих ОГ дизеля, объемные доли.
На основе полученных коэффициентов избытка воздуха и удельных расходов топлива проводится расчет расхода воздуха, после этого рассчитывается объемный расход ОГ.
Согласно ГОСТ Р и руководству Регистра удельные средневзвешенные выбросы определяются по формуле [4, 7, 8, 9]
= 0,446ц,. X CVxh }Wj Nh X PjWj
j=i
j=i
где ер - удельный средневзвешенный выброс /-го
вредного вещества, г/кВт-ч; уу - молекулярная масса /-го загрязняющего вещества либо его эквивалента по приведению, кг/кмоль (= 46, уС0 = 28); т -
число режимов испытаний в испытательном цикле; у - порядковый номер режима испытаний в испытательном цикле; / - индекс загрязняющего вещества; Су - измеренная при испытаниях в у-ом заданном режиме концентрация /-го загрязняющего вещества в ОГ, %, Ру - отношение эффективной мощности дизеля для данного режима испытаний к номинальной эффективной мощности; Ыен - номинальная эффективная мощность дизеля, кВт; Wj - весовой коэффициент режима (коэффициент весомости). Сопоставление теоретических и экспериментальных результатов с нормами. Результаты сопоставления показаны на рис. 7, 8, 9.
18
16
14
12
^ 10 £ ё 8
о
¿T 6
4 2 0
2 *
Tier-1 (05.2 005 г.)
Tier-2 (2011*
▲
А
Tier-3 (20 16 г.) —i—i—i—i— —i—
--1-1-1-1- —i—i—i—i— —i—i—i—i—
Д6NVD48AU теор. расчет Л6NVD48AU ПБ судна НРВ-50М 4 6NVD48AU ЛБ судна НРВ-50М
• 6NVD48AU ПБ судна НРВ-21М О 6NVD48AU ЛБ судна НРВ-21М О 6NVD48A2U теор. расчет
• 6NVD48A2U ЛБ судна "Омский-143" □ 8NVD48AU теор. расчет
■ 8NVD48AU судна "Аксиома" Х3Д6 теор. расчет Ж3Д6 судна РК-2091
• 6NVD48A2U ПБ судна "Омский-143"
0 500 1000 1500 2000
номинальная частота вращения (n), об/мин
Рис. 7. Сопоставление значения технических нормативов выбросов NOX с нормами Fig. 7. Comparison of the values of the technical regulations with the norms of NOX emissions
12
10
s-
га
и
О
и
для двигателей с выпуском до 2000 г.
-двигатель после капитального ремонта
Ji-
для двигателей с выпуском с 2000 г. двигатель после капитального ремонта
- о
- а
ю 3 и я
/
новый двигатель
номинальная частота вращения (n), об/мин
200
400
600
800
1000
1200
1400
□ НРВ-50М ПБ ■ НРВ-50М ЛБ О НРВ-21М ПБ
♦ НРВ-21М ЛБ Ж Аксиома
X РК-2091 О Омский-143 ПБ
• Омский-143 ЛБ
Рис. 8. Сопоставление значения технических нормативов выбросов CO с нормами Fig. 8. Comparison of the values of technical standards for emissions of CO with the rules
10 9 8
О
ч s •e
200
400
600
Vexh, дм /с
800
1000
Рис. 9. Сопоставление дымового числа ОГ с нормами Fig. 9. Comparison of exhaust smoke with the norms
1200
8
6
4
2
0
0
7
6
3
2
0
0
Рекомендации по снижению выбросов ВВ с ОГ дизелей эксплуатирующихся судов. На основе анализа исследований других авторов и автора данной работы основные средства и методы снижения вредных выбросов дизелей систематизированы и приведены на рис. 10.
Улучшение экологических показателей дизелей путем совершенствования их конструкции возможно только на стадии создания новых двигателей или их существенной модернизации. Поэтому в работе ак-
центируется внимание на мероприятиях, которые могут быть реализованы на эксплуатирующихся судах ВКР.
На основе анализа основных направлений, средств и методов снижения вредных ВВ с ОГ дизелей, исследований других авторов и исследований автора по этой проблеме автором систематизированы 38 мероприятий по изменению выбросов ВВ и экономичности при применении этих мероприятий, которые представлены в таблице.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (97) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Рис. 10. Схема основных средств и методов снижения выбросов ВВ с ОГ дизелей Fig. 10. Scheme of the main tools and methods for reducing emissions of explosives with diesel exhaust
Возможные технические мероприятия по снижению ВВ с ОГ дизелей Possible technical measures to reduce the explosives with diesel exhaust
№ Группа Мероприятие Изменение выбросов вредных веществ, % ge, г/кВтч Э
NOx CO C CH
1 Оптимизация режимов работы двигателя т т т т 4 т
2 о ft Поддержание технического состояния двигателя т т т т 4 т
3 У Применение легких фракций моторного масла => => -25 => => =>
4 1 Оптимизация давления маслосъемного кольца => => -25 => => =>
5 о Увеличение ЦЧ (цетанового числа) (введение в топливо органических нитратов) -50 -60 -50 -40 - -
6 й ^ о и m Введение противодымных присадок => => -60 => => =>
7 Введение катализаторов в виде присадки к топливу => -61 => -38 -9 т
8 й > Отключение части цилиндров на малонагрузочных режимах 4 4 4 -50 -20 т
9 Уменьшение плотности топлива => => -8 => 4 т
10 Применение альтернативных топлив Диметиловый эфир (ДМЭ) в качестве топлива 4 нет нет - Т 4
11 ДМЭ в качестве присадки к воздуху 4 4 4 4 Т 4
12 Метанол в качестве топлива -75 71 -50 +50 4
13 Метанол в качестве присадки к воздуху -85 - - - - -
14 Метанол в виде эмульсии с дизельном топливом (МТЭ) -50 - - - - -
15 Природный газ -80 4 4 - - Т
16 Биодизель => 4 4 4 - Т
17 Водород -30 4 -40 -35
18 Увлажнение воздуха Смешение топлива и воды до топливного насоса и впрыском в цилиндр водотопливной эмульсии (ВТЭ) -30 => 4 => 71
19 Впрыск воды непосредственно в цилиндр, для чего дизель оборудуется отдельной системой (НВП) -70 => Т => +7 4
20 Увлажнение наддувочного воздуха путем впрыска забортной воды в поток горячего воздуха на выходе из улитки центробежного компрессора (УНВ) -70 => Т => Т 4
21 Подача перегретого пара из утилизационного котла в цилиндр через электромагнитный клапан в крышке цилиндра в начале хода сжатия (ППП) -60 => - => -5 Т
22 Очистка ОГ Абсорбция -15 => -50 -60 => =>
23 Каталитическое окисление (для бензиновых двигателей, а для дизелей - дискуссионно) => -90 -10 -90 => =>
24 Каталитическое восстановление 4 - - - - -
25 Термическое сжигание (пока не реализован) 4 4 4 4 4 Т
26 Обработка электрическим разрядом (холодной плазмой) -60 -90 - - - -
27 Мембранное разделение 4 - - - - -
28 Жидкой нейтрализатор -10 => -75 -60 => =>
29 Сажевые фильтры => => -95 => => =>
30 Регулировка топливной аппаратуры Уменьшение максимальной цикловой подачи топлива (ЦПТ) => -63 -63 -63 => =>
31 Уменьшение угла опережения впрыски топлива -60 => +35 +25 - Т
32 Регулировка параметров топливной аппаратуры (ТА) => -35 -35 -35 - =>
33 Регулировка фаз газораспределения -35 4 4 4 - =>
34 Рециркуляция ОГ -80 - - - - 71
35 Наддув с охлаждением воздуха -50 -50 -50 -50 -50 Т
36 Обогащение воздуха на впуске жидким или газообразным топливом -35 -50 -35 4 Т
37 Увеличение температуры на впуске 71 -28 -28 -28 -
38 Увеличение температуры стенок камеры сгорания (КС) 71 -28 -28 -28 -
Обозначения: - увеличение/уменьшение; /У^ - незначительное увеличение/уменьшение; +50....-50 увеличение ... уменьшение на 50%; => - без изменения; - - нет данных; Э - экономичность - величина, обратно пропорциональная удельному расходу топлива ^е).
Любая техническая неисправность двигателя увеличивает выброс ВВ с ОГ. С участием автора были проведены испытания судового дизеля ШУЭ24 при неисправности топливной системы, полученные значения технических нормативов N0* и СО почти в 2 раза выше, чем при исправном состоянии. Поэтому при эксплуатации дизелей судов рекомендуется поддержание технического состояния двигателя, особенно своевременная и правильная регулировка элементов питания двигателя.
На основе обработки экспериментальных данных получены удельные выбросы ВВ с ОГ дизелей судов ВКР. В качестве примера представлена эксплуатационная винтовая характеристика зависимостей удельных выбросов ВВ, удельных расходов топлива, а также мощности главного двигателя 6NVD48AU (485, 300) судна «НРВ-21М» (двигателя правого борта) от режимов работы (рис. 11).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (97) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Pe, кВт
400
200
0
ge, г/(кВт ч) 235
230 225 220 215
вмох, г/(кВтч) 12
0
всо, г/(кВтч) 4
3
2
1 0
Норма Приложен ия VI МАРПОЛ (2 005г.) !
о^Г^™**" )---■----J О
Норма Приложен ия VI МАРПОЛ (2 011г.) ¡
Норма Приложен (в особых районе ния VI МАРПОЛ (2 их - зонах контрой 016г.) ! ля) i
•
емые -ы
режим
Г ; • п/Цн, % 1
60
70
90
100
Рис. 11. Эксплуатационная винтовая характеристика дизеля 6NVD48AU (485, 330) судна «НРВ-21М» Fig. 11. The operational characteristics of diesel engine screw 6NVD48AU (485,330) of the vessel "НРВ -21M"
На основе результатов испытаний рекомендуется эксплуатация дизелей типа N¥048 судов типа река-море на режимах 88-97%, в общем случае 85-95% от номинальной чистоты вращения. На этих режимах обеспечиваются экологические показатели ниже норм, особенно максимальная экономичность (минимальные удельные расходы топлива). Такая же картина наблюдается и для остальных исследуемых дизелей.
На кафедре «Эксплуатация водного транспорта» АГТУ проводились экспериментальные исследования работы дизеля 1Ч 17,5/24 при использовании ди-метилового эфира (ДМЭ) в качестве присадки к воздуху. Результаты показали значительное улучшение
технико-экономических и экологических показателей работы дизеля. При процентном содержании ДМЭ от 1,78 до 3,56% в качестве присадки к воздуху эмиссия N0* уменьшается, практически отсутствует эмиссия N0* и сажи при работе дизеля на холостом ходу на чистом ДМЭ. Рекомендуется использование ДМЭ в качестве присадки к воздуху и в качестве топлива для снижения выбросов ВВ с ОГ дизелей эксплуатирующихся судов.
Для снижения эмиссии N0*, СО и сажи рекомендуется использовать комплекс «сажевый фильтр -каталитическое окисление - каталитическое восстановление». Для исследуемых дизелей температура ОГ - в пределах 300-400 °С, можно установить 8СЯ-
8
4
селективное каталитическое восстановление после газотурбины на газоходной трубе, это уменьшает затраты на установку. При этом эмиссия N0* уменьшается на 97%, СО - на 90%, С - на 90%, и суда соответствуют самым жестким требованиям (Т1ег-3).
Заключение
В работе получены следующие результаты.
1. Большинство судов ВКР соответствуют требованиям Приложения VI МАРПОЛ 73/78 по состоянию 2005 г.; не соответствуют требованиям этого же пересмотренного приложения (состояние 2011 г.), и все суда не соответствуют нормам по СО и дымно-сти ГОСТ Р 51249-99 и ГОСТ Р 51250-99.
2. Для снижения выбросов ВВ с ОГ дизелей эксплуатирующихся судов ВКР рекомендуются: поддержание технического состояния двигателя, особенно своевременная и правильная регулировка элементов питания двигателя; эксплуатация дизелей типа N¥048 на режимах 85-95% от номинальной частоты вращения; использование диметилового эфира в качестве присадки к воздуху и в качестве топлива; использование комплекса «сажевый фильтр - каталитическое окисление - каталитическое восстановление».
Список литературы
1. Евенко В., Гришкин В. «Правила предотвращения загрязнения атмосферы с судов» и их применение // Морской флот. 2005. № 5. С. 54-61.
2. Мельник Г.В. Новая редакция Приложения VI к МАРПОЛ 73/78 // Двигателестроение. 2008. № 4. С. 51-52.
3. Приложение VI - Инструкция по предотвращению загрязнения атмосферы с судов: Международная Конвенция МАРПОЛ 73/78, книга III. СПб.: ЗАО ЦНИИМФ, 2005. С. 1-81.
4. ГОСТ Р 51249-99. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения (с изменением №1). М.: Стандартинформ, 2005.
5. ГОСТ Р 51250-99. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Дымность отработавших газов. Нормы и методы определения (с изменением № 1). М.: Стандартинформ, 2005.
6. Покусаев М.Н., Нгуен Ха Хиеп, Теренин О.И. Статистическое наблюдение судов Каспийского морского бассейна и Волжской речной системы для оценки эмиссии выхлопных газов двигателей // Вестник Астраханского гос. тех. университета. Серия: морская техника и технология. 2010. № 1. С. 153-158.
7. Руководство по техническому наблюдению за соблюдением технических нормативов выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух при изготовлении и эксплуатации судовых энергетических установок. СПб.: Российский морской Регистр судоходства, 2010.
8. ГОСТ Р 52408-2005 (ИСО 8178-2:1996). Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Часть 2. Измерения в условиях эксплуатации. М.: Стандарт-информ, 2006.
9. ГОСТ 30574-98 (ИСО 8178-4). Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ и дымность отработавших газов. Циклы испытаний. Минск: Стандартинформ, 1999.
10. ГОСТ 21792-89. Установки судовые. Приемка и методы испытаний на судне. М.: Издательство стандартов, 1990.
11. ГОСТ 8.361-79. Государственная система обеспечения единства измерений. Расход жидкости и газа. Методика выполнения измерений по скорости в одной точке сечения трубы.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (97) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
