CC BY
217
УДК 621.431.74.068.4:662.76 ББК 39.455.54:31.391.9
Нгуен Конг Доан
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ ВЫБРОСОВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Nguyen Cong Doan
THEORETICAL AND EXPERIMENTAL ANALYSIS OF THERMAL POLLUTANTS WITH EXHAUST GASES OF MARINE DIESEL ENGINES
Излагаются результаты исследования по определению теплового потенциала отработавших газов дизелей судов Волго-Каспийского региона. На основе результатов натурных испытаний на судах определены количество теплоты и расход выбросов с отработавшими газами главных дизелей. Полученные данные используются для расчетов конструкции и рабочих параметров систем утилизации теплоты отработавших газов судовых дизелей.
Ключевые слова: утилизация теплоты, вторичные энергетические ресурсы, отработавшие газы, судовой дизель, Волго-Каспийский регион.
The article presents the results of the investigation for determination of the heat capacity of exhaust gases of marine diesel engines of the Volga-Caspian region. The amount of heat and consumption of pollutants from the exhaust gases of the main diesel engines are determined basing on the results of full-scale tests on vessels. The obtained information is used to calculate the design and operating parameters of heat recovery systems of exhaust gases of marine diesel engines.
Key words: heat utilization, secondary energy resources, exhaust gases, marine diesel engine, Vol-ga-Caspian region.
Проблемы экономии топлива и более полного использования вторичных энергоресурсов весьма актуальны в промышленности и, особенно, на флоте - крупнейшем потребителе топлива [1]. Известно, что в главных двигателях (ГД) судовой энергетической установки в механическую энергию превращается не более 45 % теплоты сгорания топлива. Остальная часть энергии теряется в основном в отработавших газах (ОГ) и охлаждающей воде. Следовательно, одним из способов повышения эффективности теплоиспользования в судовых энергетических установках является утилизация теплоты ОГ дизелей.
В связи с этим необходимо, как в целом - в масштабах России, так и в масштабах ВолгоКаспийского региона (ВКР), провести оценку потенциала теплоты ОГ судовых дизелей.
Основные задачи исследования: сбор статистического материала по загрузке главных и вспомогательных дизелей судов ВКР, обработка данных и расчёт потенциала теплоты с ОГ дизелей, который можно утилизировать.
Суда ВКР эксплуатируются в Каспийском морском бассейне и Волжской речной системе. Для сбора обширного статистического материала по судам ВКР и их энергетическим установкам, который может быть использован при оценке потенциала теплоты с ОГ судовых дизелей, использовались материалы испытательного центра «Marine Technology Service» Астраханского государственного технического университета (ИЦ MTS АГТУ) с 2000 по 2011 г.; списки судов Астраханского филиала Российского морского Регистра судоходства (РМРС); списки судов Нижне-Волжского филиала Российского речного Регистра; Регистровая книга судов; свежая информация на сайте РМРС [2]. Результат анализа материалов по судам ВКР (245 судов) и их энергетическим установкам показывает, что:
— 99,8 % судов имеют машинно-движительный комплекс, представляющий собой двигатели, прямо передающие мощности на винт фиксированного шага;
— 98 % судов являются двухвинтовыми. Это объясняется тем, что количество ГД почти на 2 раза больше количества судов, двухвинтовыми являются суда типа река-море;
— 52 % ГД являются дизелями типа NVD. Суда-нефтерудовозы пр. 1570 («Братья Нобель», «Барон», «Граф», НРВ-50М, НРВ-21М и др.), генгрузы пр. 1577 («Ватан-1», «Вилламун» и др.), на которых установлены дизели 6NVD48AU (NeK = 485 кВт, пн = 330 об/мин); генгрузы типов «Ом-
ский» и «Самур», на которых установлены дизели 6^УБ48А-2и и 6^УБ848А-2и (Жен = 515 кВт, пн = 300 об/мин); сухогрузы пр. 630.2 («Казань-сити», «Капитан Пермяков», «Капитан Щемил-кин», «Самара-сити» и др.), на которых установлены дизели 8^УБ848-2Аи (Ыен = 882 кВт, пн = 390 об/мин); нефтеналивные пр. 621 («Ленанефть-2070», «Анна» и др.), рыболовные пр. 12911, на которых установлены дизели 6(8)^УБ848-2Аи (Жен = 640 (852) кВт, пн = 375 об/мин); суда река-море пр. 1575, 550А типа «Волгонефть» и пр. 1469 («Аксиома»), на которых установлены дизели 8^УБ48Аи (Жен = 736 кВт, пн = 375 об/мин);
- 48 % ГД являются дизелями разных типов. Суда буксиры, буксиры-толкачи пр. Н329 и пр. 3291 («ОТ-2431», «ОТ-2737», «ОТ-2445» и др.), на которых установлены дизели Г70 (Жен = 883 (736) кВт, пн = 375 (350) об/мин); генгрузы «Арбат», «Бегей», «Фили», «Линда», на которых установлены дизели 6Т 23ЬИ-2 (Жен = 460 кВт, пн = 800 об/мин); морской паром «Композитор Г асанов», «Акварама», «Композитор Рахманинов», на которых установлены дизели 6УБ848/42 АЬ-2 (Жен = 2 650 кВт, пн = 500 об/мин).
В процессе исследования проведены натурные испытания на судах ВКР: рыболовное судно «Аксиома» (пр. 1469); нефтеналивное судно «Нефтерудвоз-21М» (пр. 1570), генгрузы «Ом-ский-143», «Бегей»; сухогрузы «Казань-сити» (пр. 630.2); морской паром «Композитор Гасанов». Основные параметры ГД судов показаны в таблице.
Основные параметры ГД судов
Судно Марка ГД Номинальная мощность ГД Nен, кВт Номинальная частота вращения ГД пен, об/мин Удельный расход топлива be, г/(кВт • ч) Сорт топлива
Аксиома 8NVD 48A-U 736 375 222 Дизельное
Нефтердовоз-21М 6NVD 48A-U 485 330 222 Дизельное
Омский-143 6NVD48A-2U 515 300 209 Дизельное
Казань-сити 8NVDS48-2AU 882 390 217 Дизельное
Бегей 6T 23LU-2 460 800 222 Дизельное
Композитор Г асанов 6VDS48/42 AL-2 2 650 500 331 Мазут М100
Испытания ГД проводились по винтовой (дизели 8NVD 48A-U, 6NVD 48A-U, 6NVD48A-2U, 8NVDS48-2AU, 6T 23LU-2) и нагрузочной (двигатель 6VDS48/42 AL-2) характеристикам. Температура и состав ОГ определены с помощью газоанализатора Testo 350-MARITIME, сертифицированного Germanischer Lloyd. Общий вид прибора представлен на рис. 1. Точка отбора ОГ расположена на расстоянии шести диаметров прямого участка трубы от присоединительного фланца выпускного коллектора [3].
Крутящий момент определяется по усредненной тензограмме при наклейке тензодатчиков на любой доступный участок валопровода с использованием тензометрического комплекса фирмы «Astech Electronics» (Англия), одобрен «Lloyd’s Register of Shipping». Общий вид тензо-метрического комплекса «Astech Electronics» представлен на рис. 2.
Рис. 1. Общий вид газоанализатора Рис. 2. Тензометрический комплекс «А81есИ Е1ес1хотс8»
Тез1ю 350-МАМТ1МЕ для измерения крутящего момента
Такие приборы входят в приборную базу ИЦ MTS АГТУ.
Для измерения частоты вращения используются штатные приборы-тахометры.
Эффективная мощность (Же) в кВт каждого режима обеспечивается частотой вращения двигателя и крутящим моментом, Ые вычисляют по формуле [4]:
Т,„ ■ п
N =
tg
9550
где - крутящий момент, Н • м; п - частота вращения, об/мин.
На основе данных, полученных в результате испытаний, были проведены расчёты количества теплоты, уносимой ОГ, и расход ОГ.
Относительное количество теплоты ОГ, которое можно использовать в схеме утилизации теплоты, определяется по формуле [5]:
Чг =
(аЕЦ +1)ср іт -аЕА, Ср" ів
врн
где а^ - суммарный коэффициент избытка воздуха; £0 - теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, кг.
10 = 0,1149Ср + 0,3448#р + 0,0431 (5р - Ор),
где Ср, Нр, £р, Ор - процентное содержание в рабочей массе топлива углерода, водорода, серы, кислорода; ср , - средняя удельная массовая изобарная теплоёмкость продуктов сгорания
и воздуха, кДж/(кг • К), определяемые по графикам из [5]; - температура ОГ, оС ; ^ - темпе-
ратура воздуха на входе в цилиндр дизеля, о С .
Рис. 3. Результаты измерения температуры ОГ главных дизелей: а - дизель 8КУБ 48Л-И; б - дизель бКУБ 48Л-И; в - дизель 6КУБ48Л-2и; г - дизель 8КУБ848-2Ли
б
а
в
г
д е
Продолжение рис. 3: д - дизель 6Т 23ЬИ-2; е - дизель 6УБ848/42 ЛЬ-2
По результатам анализа состава ОГ рассчитывается суммарный коэффициент избытка воздуха на долевых режимах по формуле [6]:
С0
2
С т 1 (C H S O Л . „ „ „ ^
где A =-------; Ь0 =---------------------------------------------------1-\-\-I, кмоль/кг топлива; С, И, Л, О - компоненты эле-
12 • Ь0 0,21 V 12 4 32 32)
ментного состава топлива, кг/кг топлива; В = 0,21 - А; СО2 - содержание диоксида углерода в сухих ОГ дизеля, объёмные доли.
Часовой расход топлива на долевом режиме определяется по формулам из [5]:
- для дизеля с наддувом, работающего по винтовой характеристике:
О„ = 0,826 • О
ном
( N Л0,78 0,19-1
N
V ен )
- для дизеля с наддувом, работающего по нагрузочной характеристике:
ч0,5
От = 0,577 • Отно
( N Л0,5 0,55, ^ V N
V Neн )
где О™м - часовой расход топлива дизеля на номинальном режиме, кг/ч; Д,н, Ne - эффективная мощность дизеля на номинальном и долевом режимах соответственно, кВт.
Абсолютное количество теплоты, уносимой с ОГ, определяется по формуле [5]:
3 = чг • От • «Зр1,
где Зр1 - низшая рабочая теплота сгорания топлива. При расчёте для дизельного топлива
3^^ = 42 289 кДж/кг, для мазута - Ор1 = 39 900 кДж/кг.
Часовой расход ОГ, кг/ч, определяется как сумма часового расхода воздуха на входе в цилиндры и часового расхода топлива:
Ог = Ов + От,
где Ов - часовой расход воздуха на входе в цилиндры, кг/ч, определяемый через суммарный коэффициент избытка воздуха и часовой расход топлива:
Ов = 14,32 аЕ • От .
По результатам испытаний и расчётов получены зависимости расхода ОГ Ог и количества теплоты ОГ От от нагрузки дизеля. Графики зависимости представлены на рис. 4.
а
б
д
Рис. 4. Зависимость количества теплоты <2т —А- и расхода ОГ Ог —■- от нагрузки ГД: а - дизель 8КУБ 48Л-И; б - дизель 6КУБ 48Л-И; в - дизель 6КУБ48Л-2и; г - дизель 8КУБ848-2ЛИ;
д - дизель 6Т 23ЬИ-2; е - дизель 6УБ848/42 ЛЬ-2
в
г
е
Полученные данные используются для расчетов конструкции и рабочих параметров термоэлектрических генераторов при проектировании их на судах, с помощью которых теплота ОГ
преобразовывается в электрическую энергию, а также других систем утилизации ОГ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
2. Официальный сайт РМРС, раздел «Регистровая книга судов» / режим доступа http://www.rs-head.spb.ru/ru/regbook.
3. ГОСТ Р 51249-99. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения (с изменением № 1). - М.: Стандартинформ. - 2005. - 36 с.
4. ГОСТ 21792-89. Установки судовые. Приемка и методы испытаний на судне. - М.: Изд-во стандартов, 1990. - 28 с.
5. Руководящий технический материал (РТМ 212.0142-86). Схемы утилизации теплоты судовых дизелей. - Л.: Транспорт, 1989. - 42 с.
6. Гедгаудас А., Смайлис В., Страздаускене Р. Определение выбросов оксидов азота двигателей морского парома в условиях эксплуатации // Двигателестроение. - 2005. - № 4. - С. 33-38.
Статья поступила в редакцию 23.01.2012
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Нгуен Конг Дран - Астраханский государственный технический университет; магистр техники и технологий; аспирант кафедры «Эксплуатация водного транспорта»; congdoan234@yahoo.com.
Nguyen Cong Doan - Astrakhan State Technical University; Undergraduate Student of Engineering and Technologies; Postgraduate Student of the Department "Operation of Water Transport"; congdoan234@yahoo.com.
