CC BY
27O.S. Khvatov, E. V. Burda, I.A. Tarpanov
Keywords: power plant, frequency converter, power distributor, DC-link.
The article presents ship power plant with propulsion electrical installation with a common DC link mathematical and simulation models.The transition processes when starting the motor, turning on the power regulators and connecting the additional load to one of the generators are shown graphically.
УДК 621.6.03
А.Г. Чичурин, к.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ» О.П. Шураев, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
УТИЛИЗАЦИЯ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ВОД ТЕПЛОТОЙ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Ключевые слова: нефтесодержащие воды, теплота отработавших газов дизелей
Рассмотрены вопросы сбора и утилизации нефтесодержащих вод на судах. Показано, что нефтесодержащие воды можно разделить на две группы - с высокой и низкой концентрацией нефтепродуктов. Предложен способ утилизации нефтесодержащих вод теплотой отработавших газов дизелей.
Одной из важных задач при эксплуатации судовых энергетических установок (СЭУ) является утилизация нефтесодержащих вод (НСВ). На судах НСВ - это в основном подсланевые воды и нефтеотходы [1, 2].
В процессе эксплуатации СЭУ подсланевые воды собираются в льялах машинного отделения. Они появляются в результате конденсации влаги на обшивке корпуса судна, трубопроводах или при протечках через сальниковые уплотнения, например, в дейдвудном устройстве. Количество накапливающейся подсланевой воды и попадающих в нее нефтепродуктов зависит от технического состояния оборудования, возраста судна, добросовестности и квалификации обслуживающего персонала. Содержание нефтепродуктов (НФП), входящих в подсланевые воды, колеблется в очень широких пределах и в среднем может быть оценено в 2 кг/т [3]. Состав НФП, входящих в подсланевые воды, весьма сложен и является смесью применяемых на судах топлив, масел и других технических жидкостей.
Вследствие активного перемешивания подсланевых вод в льялах при качке судна и в откачивающих насосах, НСВ, собираемые в цистерне подсланевых вод, представляют собой нефтеводяные эмульсии. В эмульсии сохраняется в стойком состоянии около 50% капелек диаметром до 10 мкм, около 25% капелек диаметром 10...30 мкм, остальное - капельки диаметром от 30 до 200.250 мкм и нефтепродукты, растворенные в воде. Концентрация растворенных нефтепродуктов составляет 5.10 млн-1. Капли диаметром 200 мкм и более сравнительно быстро всплывают и образуют на поверхности воды пленку.
Нефтеотходы образуются в процессе эксплуатации СЭУ и представляют собой неравномерную смесь жидкого топлива, различных масел, твердых примесей органического и минерального происхождения и воды. Это отработавшее масло из картеров, отходы от сепарации топлива и масла, отстаивания топлива, чистки фильтров, цистерн, тарелок сепараторов. Отходы от сепарации топлива составляют порядка 1,5.2,0% потребляемого судном топлива. В целом судовые нефтеотходы представляют собой
жидкий продукт с содержанием воды от 30 до 80%. Обезвоженный нефтепродукт состоит в основном из углеводородов, содержание которых составляет 95...99%, остальное - золообразующие твердые частицы. Судовые нефтеотходы собираются в шламовую цистерну, где в процессе длительного отстаивания происходит расслоение нефтепродуктов. В верхнем слое концентрация нефтепродуктов может превышать 80%, а в нижнем слое близка к концентрации НФП в подсланевых водах. Отличие нефтеотходов нижнего слоя от подсланевых вод заключается в гораздо меньшей степени их эмульгированности.
Таким образом, судовые НСВ можно разделить на НСВ с низкой концентрацией НФП (подсланевые воды и продукты отстоя нефтеотходов - нижний слой) и НСВ с высокой концентрацией НФП (продукты отстаивания нефтеотходов - верхний слой).
На судах обычно общий объем НСВ с низкой концентрацией НФП существенно превышает объем НСВ с высокой концентрацией. Различные свойства НСВ определяют особенности их обработки и утилизации на судах.
На судах для очистки НСВ часто применяется метод отстаивания и фильтрации. Для его реализации на судне устанавливают [1, 2] сборный танк, танки отстаивания, фильтры грубой, тонкой очистки, систему контроля. НСВ из сборного танка перекачиваются в танки отстаивания. В процессе отстаивания происходит отделение нефтепродуктов от воды вследствие разности плотности, они поднимаются вверх, а вода опускается в нижнюю часть танка, откуда подается на фильтры грубой и точной очистки и далее на систему контроля. При допустимой концентрации нефтепродуктов в очищенной воде она может сбрасываться за борт, а в противном случае происходит ее дальнейшая обработка.
При этом процесс очистки нефтесодержащих вод протекает достаточно медленно, и в судовых условиях трудно добиться низкой концентрации нефтепродуктов в воде. Поэтому подобная система очистки применяется в основном для разделения НСВ на две фракции, одна из которых имеет высокую концентрацию нефтепродуктов (до 80% и выше), а другая достаточно низкую. Первая - обычно сжигается в инсинераторе, а вторая, как правило, сдается на берег или специальные суда, что требует определенных материальных и временных затрат. Вместо инсинератора может использоваться штатная котельная установка судна [5]. На кафедре ЭСЭУ ВГУВТа разработана принципиальная схема утилизации НСВ на основе вспомогательного судового котла, защищенная патентом на полезную модель [5]. Предложенное устройство позволяет утилизировать НСВ любой концентрации.
На современных судах для очистки НСВ широкое применение находят устройства в виде нефтеводяных сепараторов различного типа как отечественного, так и зарубежного производства [1-3]. Эти сепараторы основаны на применении одновременно нескольких методов очистки, таких как гравитационный, коалесцирующий, флотационный и др. Но даже при их применении возникают затруднения по чистке НСВ от растворенных в них НФП и мелкодисперсных нефтепродуктов. Подобные сепараци-онные установки дорогие, занимают значительное место в машинном отделении, требуют квалифицированного обслуживания и ремонта, поэтому их установка не всегда оправдана.
В работе рассматривается возможность утилизации нефтесодержащих вод теплотой отработанных газов (ОГ) главных дизелей судна.
Максимальное количество теплоты, которое можно получить из отработанных газов зависит только от типа дизеля и его режима работы. Количество же теплоты, потребной для всех судовых нужд, зависит от типа судна [7].
На рис. 1 показана зависимость располагаемого количества теплоты и общей потребности в ней от мощности судна. Из рисунка видно, что на буксирах-толкачах и сухогрузных теплоходах потребность в теплоте составляет примерно 15-30% от располагаемой. Остальная часть теплоты безвозвратно теряется.
Предлагается эту часть теплоты использовать в устройстве для утилизации нефте-
содержащих вод, путем их испарения и дожигания отработавшими газами дизеля. Данное устройство защищено патентом на полезную модель [4]. Оно позволяет осуществить практически полную утилизацию НСВ с низкой концентрацией нефтеостат-ков. Заметим, что таких НСВ на судне обычно накапливается наибольший объем и они наиболее сложны для очистки традиционными методами. Существо полезной модели [4] заключается в следующем. В обычном режиме при работе дизеля его отработавшие газы поступают в утилизационный котел, где происходит передача части теплоты отработавших газов рабочему телу утилизационного котла. Если нет необходимости в утилизации теплоты отработавших газов, то они направляются по обводному (байпасному) газоходу, минуя утилизационный котел. Состав отработавших газов контролируется с помощью газоанализатора.
2500
2000
s" et £
s- 1500
х
о
5
С
| 1000 ¡3
о с; с
а
500
О
350 850 1350 1850
Мощность ГД, кВт
Располагаемый тепловой поток — — Потребность в теплоте сухогрузов и толкачей-буксиров
--Потребность в теплоте пассажирских теплоходов
- * Потребность в теплоте танкеров
Рис. 1. Располагаемое количество теплоты и общая потребность в ней судов различных типов
В предлагаемой полезной модели дизельной установки отфильтрованные НСВ с низкой концентрацией нефтепродуктов подаются в обводной газоход через форсунку. Регулирование подачи осуществляется с помощью клапана. Распыленные НСВ перемешиваются с отработавшими газами дизеля. При этом происходит нагрев нефтесо-держащих вод отработавшими газами и испарение воды из их состава. Поскольку отработавшие газы на выходе дизеля имеют достаточно высокую температуру (350...500 °С), то в байпасном газоходе также происходит процесс испарения и последующего дожигания нефтеостатков из состава нефтесодержащих вод. Состав отработавших газов в газоходе будет зависеть от доли нефтепродуктов в НСВ, их химического состава и количества нефтесодержащей воды, подаваемой на форсунку, и контролируется газоанализатором. По результатам контроля регулируется подача нефтесодержащих вод к форсунке. В результате происходит практически полная утилизация НСВ.
Применение указанного способа позволяет снизить материальные и временные затраты на сдачу нефтесодержащих вод. Также нет необходимости устанавливать дорогостоящее оборудование по очистке нефтесодержащих вод.
На рис. 2 приведена схема данной установки. Она включает последовательно со-
единенные дизель 1, шиберную заслонку 2, утилизационный котел 3, газоанализатор 4, байпасный газоход 5, цистерну нефтесодержащих вод 6, систему подготовки нефтесодержащих вод, которая содержит последовательно соединенные фильтр грубой очистки 7, насос 8, фильтр тонкой очистки 9, регулировочный клапан 10 и форсунку нефтесодержащих вод 11, установленную в байпасном газоходе.
Разработана математическая модель процесса утилизации НСВ отработавшими газами главного дизеля. Она выполняет следующие основные операции. На основе параметров режима работы дизеля определяется массовый расход отработавших газов через сечение газохода и их температуру. Учитывается распыливание НСВ в газоходе и ее нагрев теплотой отработавших газов до температуры кипения воды. Определяется количество теплоты, отобранной от отработавших газов на испарение воды, перегрев водяных паров и определение конечной температуры газов (отработавшие газы и пары впрыскиваемой воды) на выходе байпасного газохода.
Рис. 2. Схема дизельной установки с системой утилизации НСВ
На основе данной модели проведены расчеты для судовых дизелей 6 ЧРН 36/45 и 6 ЧРН 32/48. Согласно паспортным данным мощность дизеля 6 ЧРН 36/45 составляет 735 кВт, расход топлива 167 кг/ч, а дизеля 6 ЧРН 32/48 - 485 кВт и 108 кг/ч соответственно.
Результаты расчетов приведены на рис. 3. Здесь по оси абсцисс отложен массовый секундный расход НСВ, впрыскиваемых в газоход дизеля. Температура НСВ взята равной 40°С. По оси ординат указана конечная температура газов на выходе байпас-ного газохода.
Из рис. 3 следует, что конечная температура газов на выходе байпасного газохода существенно зависит от количества впрыскиваемой НСВ, массового расхода отработавших газов, а следовательно, и мощности дизеля. Анализ рис. 3 показывает, что можно достаточно уверенно утилизировать порядка 100 кг/ч НСВ установкой с дизелем 6 ЧРН 32/48 и порядка 200 кг/ч установкой с дизелем 6 ЧРН 36/45. При этом температура газов на выходе газохода дизеля не опустится ниже 250°С.
С помощью рассмотренной выше модели проведен расчет влияния подогрева впрыскиваемых НСВ на конечную температуру газов на выходе байпасного газохода. Результаты анализа приведены на рис. 4. Здесь штриховыми линиями показаны зависимости конечной температуры газов на выходе газохода от массы впрыскиваемых НСВ для случая, когда температура впрыскиваемых НСВ составляет 90°С. 204
Рис. 3. Температура газов в зависимости от массового расхода утилизируемой НСВ
Рис. 4. Влияние подогрева НСВ на массовый расход утилизируемой НСВ
Как следует из рис. 4, несмотря на существенное увеличение температуры впрыскиваемых НСВ, конечная температура газов увеличивается незначительно. Таким образом, повышение температуры впрыскиваемых НСВ не даст заметного увеличения количества утилизируемых НСВ.
Утилизация НСВ на судне может в ряде случаев также производиться с помощью продуктов сгорания вспомогательных котлов. Это обусловлено достаточно высокой температурой продуктов сгорания вспомогательных котлов, которая может достигать 300°С и более. Разработана принципиальная схема утилизации НСВ продуктами сгорания вспомогательного судового котла, защищенная патентом на полезную модель [6].
Выводы
1. На судах имеются НСВ с низкой концентрацией НФП (подсланевые воды и продукты отстаивания нефтеотходов - нижний слой) и НСВ с высокой концентрацией
НФП (продукты отстаивания нефтеотходов - верхний слой). Обычно, общий объем НСВ с низкой концентрацией НФП существенно превышает объем НСВ с высокой концентрацией.
2. На современных судах для очистки нефтесодержащих вод широкое применение находят устройства в виде нефтеводяных сепараторов различного типа как отечественного, так и зарубежного производства. Подобные сепарационные установки дорогие, требуют квалифицированного обслуживания и ремонта. Но даже при их применении возникают определенные затруднения по очистке НСВ от растворенных в них НФП и мелкодисперсных нефтепродуктов.
3. На ряде судов потребность в теплоте составляет примерно 15...30 % от максимально возможной теплоты отработавших газов дизелей судна. Остальная часть теплоты отработавших газов (70 .85 %) обычно теряется.
4. Предлагается теряемую часть теплоты использовать в устройстве для утилизации нефтесодержащих вод путем их испарения и дожигания отработавшими газами дизеля. Данное устройство защищено патентом на полезную модель.
5. Разработана математическая модель расчета процесса утилизации НСВ отработавшими газами главного дизеля. На основе данной модели проведены расчеты для судовых дизелей 6 ЧРН 36/45 и 6 ЧРН 32/48.
6. Анализ полученных результатов показал, что можно достаточно уверенно утилизировать порядка 100 кг/ч НСВ установкой с дизелем 6 ЧРН 32/48 и порядка 200 кг/ч установкой с дизелем 6 ЧРН 36/45.
7. На основе разработанной математической модели установлено, что повышение температуры впрыскиваемых НСВ с 40 до 90 °С не даст заметного увеличения количества утилизируемых НСВ.
Список литературы:
[1] Справочник судового механика по теплотехнике / И.Ф. Кошелев, А.П. Пимошенко, Г.А. Попов, В.Я. Тарасов. - Л: Судостроение, 1987. - 480 с.
[2] Тихомиров Г.И. Технологии обработки воды на морских судах. Курс лекций: учебн. пособие для курсантов и студентов морских специальностей. - Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2013. - 159 с.
[3] Нунупаров С.М. Предотвращение загрязнения моря судами. - М.: Транспорт, 1979. - 336 с.
[4] Пат. на полезную модель №151927 Россия, МПК F01N 3/029. Дизельная установка / А.Г. Чичурин, О.П. Шураев, М.Х. Садеков, В.Н. Власов - № 2014 121199/06. Заявл. 26.05.2014; Опубл. 20.04.2015, Бюл. № 11.
[5] Пат. на полезную модель № 138869 Россия, МПК F22B 33/00 Котельная установка / А.Г. Чичурин, М.Х. Садеков - № 2013 136000/06. Заявл. 30.07.2013; Опубл. 27.03.2014, Бюл. №9.
[6] Пат. на полезную модель №148625 Россия, МПК F22B 33/00. Котельная установка. / А.Г. Чичурин, О.П. Шураев, М.Х. Садеков, Н.Н. Борисов - № 2014 127763/06. Заявл. 08.07.2014; Опубл. 10.12.2014, Бюл. № 34.
[7] Иконников С.А., Урланг Ф.Д. Силовые установки речных судов. - М.: Транспорт, 1971. -248с.
OILY WATER UTILIZATION BY THE SHIP DIESEL ENGINE EXHAUST GASES HEAT
A.G. Chichurin, O.P. Shurayev
Keywords: oily water, diesel engine exhausts gases heat
The problems concerning ship oily water collection and disposal are discussed. It is shown that the oily water can be segregated into two groups - with a high and low oil products concentration. A method to dispose oily water by means of the heat produced by diesel engine exhaust gases is offered.
