CC BY
117
Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2011 год № 1 (6)
05.00.00 Технические науки
УДК 504.054
Н.А. Гладкова, А.А. Крюков
Гладкова Наталья Александровна - доцент кафедры морских технологий Большека-менского института экономики и технологий (филиал ДВГТУ), г. Большой Камень. E-mail: [email protected]
Крюков Алексей Алексеевич - студент направления «Кораблестроение и океанотехника» Большекаменского института экономики и технологий (филиал ДВГТУ), г. Большой Камень
ВЛИЯНИЕ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ НА ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ БЕЗОПАСНОСТЬ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Дан краткий анализ основных параметров энергооборудования, влияющих на экологическую безопасность судовых энергетических установок. Рассмотрено влияние основных параметров энергооборудования на экологическую безопасность дизельных, парогенератор-ных и газотурбинных судовых энергетических установок.
Ключевые слова: судовая энергетическая установка (СЭУ), топливо, мощность, загрязнение.
Nataliya A. Gladkova, Alexey A. Kryukov
IMPACT OF POWER EQUIPMENT OPERATIONAL CHARACTERISTICS ON ECOLOGICAL SAFETY OF SHIP POWER PLANTS
The authors give the brief analysis of basic power equipment operational characteristics that have an impact on ecological safety of ship power plants. The effect of power equipment operational characteristics on ecological safety of diesel, steam-generating, and gas turbine ship power plants is considered.
Key words: ship power plant (SPP), fuel, power, pollution.
Введение
Экологическая безопасность - это совокупность процессов и действий, при осуществлении которых обеспечивается экологический баланс в окружающей среде. Основным правилом экологической безопасности судовых энергети-
ческих установок (СЭУ) является рациональное использование их мощностей при минимизировании или отсутствии вредных факторов для окружающей среды [6].
Судовая энергетическая установка как источник загрязнений
В процессе эксплуатации судов применяется морская вода, которая после использования возвращается в морскую среду качественно измененной. В частности, забортную морскую воду используют на судах для обеспечения работы СЭУ. В этом случае происходит тепловое загрязнение за счет выноса обычного тепла, приобретаемого морской водой при ее использовании для охлаждения ДВС и других устройств. Кроме теплового загрязнения, в Мировой океан попадают нефтесодержащие воды (водные эмульсии топлива и масел).
В состав Организации Объединенных Наций входит специальная организация, занимающаяся проблемами загрязнения биосферы - Межправительственная морская консультативная организация (ИМКО). Она разработала документы, которые необходимы для определения экологического статуса судна:
Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов 1973 года, с изменениями 1978 года (МАРПОЛ 73/78) [5];
Технический кодекс по ограничению выбросов окислов азота. 19 мая 2005 г. вступило в силу Приложение VI к Конвенции МАРПОЛ 73/78 - «Правила предотвращения загрязнения атмосферы с судов». В нем выдвигается ряд требований по ограничению выбросов [3]: ограничение выбросов озоноразрушающих веществ; ограничение выбросов окислов азота ^Ох) судовых дизелей; ограничение выбросов окислов серы ^Ох);
ограничение выбросов летучих органических соединений с танкеров; ограничение по сжиганию в судовых инсенераторах.
Уменьшения вредных выбросов достигают путем перевода дизельных двигателей на природный газ или на газы, сопутствующие горным выработкам. При этом основными загрязняющими факторами остаются выбросы окислов азота и углерода. В отдельных случаях для подавления вредных выбросов используют рециркуляцию отработанных газов, каталитическое обезвреживание NOx.
Одним из экономически приемлемых путей повышения энергетической эффективности и экологической безопасности судов является переход на альтернативные виды топлива, использование которых обеспечивает сокращение вредных выбросов в окружающую среду судовыми двигателями. Выделяют следующие группы альтернативных видов топлива:
- эмульсии нефтяных топлив с кислородсодержащими соединениями, такими как спирты, эфиры, вода;
- синтетические жидкие топлива из органического сырья;
- топлива ненефтяного происхождения, отличающиеся по своим свойствам от традиционных (спирты, сжатый природный газ, сжиженные газы).
Кроме того что в процессе эксплуатации судовой энергетической установки происходит выброс вышеперечисленных загрязняющих веществ, она является источником различных шумов и вибраций. Уровень шума дизелей составляет порядка 105-115 дБ. Для уменьшения вредных воздействий шума и вибраций применяют демпферы, антивибраторы, глушители, фильтры, шумо-поглощающие переборки, звукоизолирующие покрытия.
Параметры энергооборудования, влияющие на экологическую безопасность судовых энергетических установок
Параметры, влияющие на экологическую безопасность, делятся на две категории: общие и специальные. Общие параметры - это параметры, характеризующие все типы судовых энергетических установок. Специальные параметры характеризуют конкретную силовую установку.
К общим параметрам относятся качество топлива, расход топлива, потери теплоты и топлива в окружающую среду, коэффициент избытка воздуха.
К специальным параметрам относятся давление продуктов сгорания, угол опережения зажигания (впрыскивания топлива), коэффициент наружных загрязнений, температура топлива [4].
Общие параметры:
1. Качество топлива. Основным источником теплоты при сгорании топлива является окисление углерода и водорода. Кроме этого, по мере увеличения
молекулярной массы в состав топлива могут входить соединения азота, кислорода, тяжелые металлы, сера и др. Основное топливо, используемое на судах ВМФ России, - флотский мазут, получаемый в процессе переработки нефти. Согласно ГОСТ 10585-75, можно использовать флотский мазут Ф5 и Ф12, где 5 и 12 - это условные числа вязкости при 50 °С. ГОСТ 10585-99 определяет в Ф5-мазуте предельное содержание серы - 2 % и коксуемость - 6 %. Также, согласно ТУ 0252-014-00044434-2001, выпускают следующие виды судового мазута: ИФО-30, ИФО-180, ИФ0-380 [1].
На судах с дизельной энергетической установкой (теплоходы - самый распространенный тип судов) используется дизельное топливо. Согласно техническому регламенту от 5 сентября 2008 г. «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту», предельное содержание серы должно быть 3,5 %, с 1 января 2011 г. - 2 %, а с 1 января 2013 г. - 1 %.
2. Расход топлива. Расход топлива необходимо сопоставлять с подачей воздуха, чтобы не происходил ни химический недожог, ни увеличение концентрации кислорода в отработанных газах. При некачественном топливе целесообразно увеличивать расход топлива в связи с тем, что необходимо сохранить рабочие параметры энергетической установки (в парогенераторах - паропроиз-водительность, а на дизелях - частоту вращения вала).
Расход топлива для судовых котлов составляет 0,3-0,5 кг/кВтч, а для дизелей - 0,25-0,3 кг/кВтч.
3. Потери теплоты и топлива в окружающую среду. В связи с неполным сгоранием топлива возникает недожог топлива, который отрицательно влияет не только на экологию океана и воздуха, но и снижает общий КПД СЭУ. В процессе недожога образуются сажа (пиролиз топлива), более низкомолекулярные углеводороды, свободный водород и угарный газ. Данные продукты сгорания горючи и имеют среднюю общую удельную теплоту сгорания, сравнимую с мазутом. Данный параметр составляет 2-5 % от массы всего топлива.
При температуре свыше 1500 °С в результате пиролиза мазута образуется сажа. Сажа - твердый продукт, состоящий в основном из углерода. Кроме выделения сажи возникает термический крекинг (процесс расщепления «тяжелой» молекулы на две более «легкие»).
4. Коэффициент избытка воздуха. Этот параметр означает отношение действительного количества воздуха в горючей смеси к теоретически необходимому для ее полного сгорания. Стехиометрическое количество воздуха - это такое количество воздуха, которое необходимо для полного сгорания топлива. Для полного сгорания дизельного топлива необходимо 13-15 кг воздуха на 1 кг топлива, для мазута - порядка 10-13 кг. Если действительное и теоретическое значения количества воздуха совпадают, то коэффициент избытка воздуха равен 1. Среднее значение этого параметра составляет 1,2-1,4 [2].
При повышении количества подачи воздуха увеличиваются тепловые потери (уменьшается КПД), снижается количество угарного газа, несгоревших углеводородов и водорода и увеличивается доля оксидов азота. При уменьшении количества подачи воздуха увеличивается доля угарного газа, несгоревших углеводородов и водорода (уменьшается КПД) и уменьшается доля оксидов азота.
Специальные параметры:
1. Давление продуктов сгорания. Данный параметр влияет лишь на работу дизелей и газовых турбин, так как давление в топке котла почти всегда постоянно и мало отличается от атмосферного. В процессе работы дизеля постоянно меняется давление в связи с перемещением поршня в цилиндре. При повышении давления увеличивается концентрация SO3 из-за окисления SO2, а также NO2 из-за окисления NO. Кроме этого, данный параметр влияет на значение термического КПД: чем больше давление сжатия, тем больше КПД установки. Решением этой проблемы является увеличение температуры горения топлива. Равновесие реакций смещается в обратную сторону, где солеобразующий оксид азота восстанавливается до NO, а SO3 - до SO2 [1].
2. Угол опережения зажигания. Процесс интенсивного образования NOХ происходит в фазе (второй) быстрого горения смеси. Чем выше скорость тепловыделения в этой фазе, тем интенсивнее появляются локальные зоны образования оксидов азота. Увеличение тепловыделения в первой фазе процесса сгорания приближено к термодинамическому циклу. С увеличением угла опережения зажигания КПД и выбросы NOХ тоже растут [2].
Цикловая подача топлива определяет качество и состав топливной смеси, от чего зависят экономичность работы двигателя, токсичность выхлопов, мощ-ностные характеристики.
Цикловая подача топлива является одним из важных параметров, характеризующих техническое состояние дизельного ДВС, в частности состояние топливного насоса высокого давления. Выход указанного параметра за пределы допускаемых значений приводит к ухудшению работы двигателя, закоксовыва-нию деталей цилиндро-поршневой группы, снижению мощности двигателя, увеличению удельного расхода топлива. Уменьшение скорости роста цикловой подачи топлива в переходном режиме ведет к значительному уменьшению выбросов в атмосферу.
3. Коэффициент наружных загрязнений. Этот параметр характеризует работу паровых котлов. Он показывает, какое количество сажи осаждается на поверхности трубок котла. Для главных паровых котлов он составляет
Л
0,003-0,006 м °С/Вт, для вспомогательных и утилизационных котлов -
Л
0,003-0,009 м °С/Вт. Коэффициент наружных загрязнений тем меньше, чем больше скорость выходящих газов. Следовательно, при меньших значениях этого параметра (оседания на стенках трубок) количество сажи, уходящей с газами, увеличивается [1].
4. Температура топлива. Этот параметр также характерен для паровых котлов. Мазут более требователен к температуре, чем дизельное топливо, так как в состав мазута входят высокомолекулярные углеводороды, парафины, которые при средних температурах воздуха застывают и увеличивают вязкость топлива. Увеличение вязкости топлива ведет к ухудшению его качества. Для
снижения его зависимости от температуры в топливо добавляют различные вещества, в том числе дизельное топливо, воду и т.д. Флотский мазут Ф-5 состоит из 60-70 % мазута и 40-30 % дизельного топлива, иногда допускается 22 % керосина.
Заключение
На основании проведенного анализа определены основные и специальные рабочие параметры энергооборудования. На основе данных параметров в дальнейшем будут определены режимы работы энергооборудования и влияние их на экологическую безопасность СЭУ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Денисенко А.И., Костылев И.И. Судовые котельные установки : учебник для вузов. СПб. : Элмор, 2005. 286 с.
2. Клименюк И.В., Макаревич А.В., Минаев А.Н. Судовые энергетические установки : учеб. пособие. Владивосток : ДВГТУ, 2008. 260 с.
3. Конвенции МАРПОЛ 73/78. Приложение VI «Правила предотвращения загрязнения атмосферы с судов». URL: http://www.transport.ru/1/5/i77_22002.htm (дата обращения: 06.04.2011).
4. Крюков А.А., Гладкова Н.А. Экологическая безопасность судовой энергетической установки, работающей на органическом топливе // Молодежь и научно-технический прогресс. Владивосток : ДВГТУ, 2010. С. 62-64.
5. Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов (МАРПОЛ 73/78). URL: http://vel-master.my1.ru/load/25-1-0-76 (дата обращения: 06.04.2011).
6. Хотунцев Ю.Л. Экология и экологическая безопасность : учеб. пособие. М. : Академия, 2004. 480 с.
