Введение к работе
Актуальность. С 19 мая 2005г. вступило в силу Приложение VI к Международной конвенции МАРПОЛ 73/78 по предотвращению загрязнения атмосферы с судов. Наибольшее значение для практики имеют два раздела Приложения: Правило 13, регламентирующее выброс оксидов азота (NOx) с отработавшими газами (ОГ) судовых дизелей, и Правило 14, установившее ограничения на предельно допустимое содержание серы в морском топливе. В октябре 2008г. 58-я сессия ИМО приняла новую редакцию Приложения VI. Новой редакцией правил предусмотрен поэтапный (Tier I – Tier III) ввод в действие новых нормативов. Новая редакция подтверждает постоянное ужесточение нормативов выбросов.
Приложение VI МАРПОЛ 73/78 до настоящего времени не ратифицировано Россией и Вьетнамом, но оно будет ратифицировано Россией не ранее 2010 года и не позднее 2013 года. Несмотря на то, что Россией и Вьетнамом пока не ратифицировано это приложение, но суда, плавающие под флагом России или Вьетнама, должны соответствовать требованиям этого приложения при эксплуатации на зарубежных линиях и в портах других стран, которыми ратифицировано Приложение VI МАРПОЛ 73/78. В 2009г. несколько десятков судов Вьетнама были задержаны в Сингапуре по причине несоответствия требованиям Приложения VI МАРПОЛ 73/78.
Согласно Постановлению Правительства РФ № 83 от 06.02.2002г. «О проведении регулярных проверок транспортных и иных передвижных средств на соответствие техническим нормативам выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух» под контроль попадают двигатели мощностью не менее 55 кВт, установленные на морских судах, судах внутреннего и смешанного (река–море) плавания. Регулярные проверки начались с 2004г.
Российской нормативно-правовой базой, на которую следует опираться при введении в действие Приложения VI к МК МАРПОЛ 73/78, является действующий Федеральный закон «Об охране атмосферного воздуха» и Постановление Правительства №83 от 06.02.2002г. Национальными нормативными документами в области предотвращения загрязнения атмосферы являются ГОСТы (ГОСТ Р) и руководства, правила, разработанные Российским морским Регистром судоходства (РМРС), Российским речным Регистром (РРР). Эти документы регламентируют не только NOx как МАРПОЛ, но и углеводороды (СН), окиси углерода (СО) и дымность.
Серьезную техническую проблему для существующих энергетических установок судов составляет обеспечение соответствия международным нормам выбросов NOx и выдача сертификата EIAPP (Сертификат «О предотвращении загрязнения воздуха двигателем»), который дает право на эксплуатацию судовых дизелей в иностранных портах.
В настоящее время на многих судах Волго-Каспийского региона (ВКР) (суда эксплуатируются в Каспийском морском бассейне и Волжской речной системе) нет «Технического паспорта выбросов судового двигателя» (сокращенно «Технический файл»), подтверждающего соответствие действующим международным нормам.
Проблема предотвращения загрязнения атмосферы с судов актуальна не только для России, но и для Вьетнама. В плане развития Вьетнама в период с 2010 – 2020г. правительство отметило, что защита окружающей среды от воздействия вредного вещества (ВВ), в том числе выбросов ВВ с ОГ судовых двигателей, должна рассматриваться как одна из важнейших задач.
На основании вышеизложенного была определена необходимость проведения исследований по оценке соответствия эмиссий ОГ дизелей эксплуатирующихся судов требованиям нормативной документации для последующих рекомендаций при эксплуатации судов, проектировании, модернизации судовых энергетических установок (ЭУ).
Объект исследования – дизели, установленные в качестве главных двигателей на судах смешанного (река-море) плавания.
Предмет исследования – эмиссии ОГ судовых дизелей и удельные средневзвешенные выбросы ВВ с ОГ судовых дизелей.
Цель работы – контроль соответствия эмиссий ОГ дизелей судов требованиям нормативных документов ИМО и РФ и возможные технические мероприятия по снижению вредных выбросов с ОГ.
В соответствии с целью ставятся следующие задачи исследования:
провести ретроспективный анализ проведённых исследований в области оценки соответствия требованиям Приложения VI к МК МАРПОЛ 73/78 и ГОСТ Р;
разработать статистическую базу данных судов ВКР и их ЭУ;
провести выборку: определение объектов наблюдения и минимально-достаточного объёма наблюдения судов ВКР;
выполнить теоретический расчёт эмиссий ОГ исследуемых дизелей с учётом параметров окружающей среды (ОС) ВКР;
разработать программу натурных испытаний с измерениями состава ОГ;
выполнить натурные испытания с измерениями состава ОГ на судах;
выполнить сравнение расчётных и экспериментальных результатов и сопоставление их с нормами;
разработать рекомендации по использованию существующих способов снижения эмиссий ОГ судовых дизелей.
Методы исследования. Методологической базой диссертации являются исследования таких ученых как Звонов В.А., Гладков О.А., Лерман Е.Ю., Смайлис В.И., Иванченко А.А., Новиков Л.А., Толшин В.И., Bovensmann H., Eyring V., Franke K. (Германия), компании ООО «СФС» (г. Москва), испытательной лаборатории «НПФ ЭКОЛОГИЯ» (г. Санкт-Петербург) и др.
Расчётно-теоретические исследования и обработка экспериментальных данных проводились с использованием современных лицензионных программных продуктов «Diesel-RK», «Astech Electronics», «Microsoft Office Excel 2007».
Экспериментальные исследования выполнялись на судах ВКР, которые оборудовались средствами контроля, измерения и регистрации, обеспечивающими достоверность измерений в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51249-99, ГОСТ Р 51250-99, ГОСТ Р 52408-2005 (ИСО 8178-2:1996), ГОСТ 30574-98 (ИСО 8178-3), ГОСТ 21792-89, ГОСТ 10448-80, требованиями технического Кодекса, правилами РМРС, правилами РРР.
Определение состава ОГ, измерения производились с использованием газоанализатора testo 350-MARITIME, сертифицированного Germanischer Lloyd (GL) и дымомера testo 308. Измерения крутящих моментов производились с использованием тензометрического комплекса «Astech Electronics» (Англия), который одобрен и разрешен к применению «Lloyd`s Register of Shipping».
В диссертационной работе использованы методы обработки статистических данных, группировки, наименьших квадратов, регрессионного анализа и выборочный метод.
Научная новизна:
-
разработана статистическая база данных судов ВКР и их ЭУ, определены группы судов с максимальным выбросом ВВ с ОГ дизелей;
-
разработана программа испытаний дизелей судов с учётом выбранного способа измерения состава ОГ, выбранной приборной базы, условий эксплуатации и параметров ОС;
-
проведена оценка соответствия эмиссий ОГ дизелей судов ВКР требованиям Приложения VI МАРПОЛ 73/78 и ГОСТ Р;
-
получены регрессионные формулы для расчёта концентраций вредных компонентов ОГ дизелей судов в эксплуатации;
-
разработаны рекомендации снижения выбросов ВВ с ОГ дизелей при эксплуатации судов.
На защиту выносятся:
- обоснование выборки объектов наблюдения;
- обоснование выбора приборной базы, используемой при испытаниях;
- краткое представление программы натурных испытаний судов;
- результаты испытаний;
- результаты обработки экспериментальных данных и их сравнения с нормами;
- регрессионные формулы;
- рекомендации снижения выбросов ВВ с ОГ дизелей при эксплуатации судов.
Достоверность результатов определяется применением современных, сертифицированных средств измерения состава ОГ и крутящего момента; соблюдением требований действующих стандартов; необходимым уровнем воспроизводимости результатов измерений; апробированным методом расчета расхода ОГ и удельных средневзвешенных выбросов.
Практическая значимость работы:
- база данных судов и разработанная программа испытаний дизелей судов используются при проведении измерения выбросов ВВ с ОГ и различных характеристик дизелей эксплуатируемых судов;
- рекомендации на эксплуатацию судовых дизелей в иностранных портах во избежание дополнительных штрафов;
- регрессионные формулы используются при исследованиях, проектированиях и модернизациях судовых ЭУ;
- результаты исследований могут быть использованы для разработки нормативных документов по предотвращению загрязнения атмосферы со старых судов.
Личный вклад автора. В диссертацию включены теоретические и экспериментальные результаты, полученные лично автором. При проведении отдельных технических работ помощь оказали сотрудники Испытательного центра “Marine technology service” (ИЦ MTS), кафедры «Эксплуатация водного транспорта» («ЭВТ») АГТУ и машинная команда судов «НРВ-50М», «НРВ-21М», «Аксиома», «Омский-143» и др., за что автор выражает им признательность.
Апробация работы. Основное содержание исследований по мере их выполнения обсуждалось и докладывалось: на заседаниях кафедры «ЭВТ», заседаниях Ученого совета института «Морских технологий, энергетики и транспорта» ФГБОУ ВПО «АГТУ»; на ежегодных научно-технических конференциях ФГОУ ВПО «АГТУ» (2009 - 2011 гг.); на девятой сессии междунар. научной школы VBP-09 (г. С-Петербург, 10.2009г.); в III-й Всеросс. конф. молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (г. Москва, МГТУ им. Баумана Н.Э., 09.2010г.); в XXII Междунар. Инновационно-ориентированной конф. молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС-2010) «Будущее машиностроения России» (г. Москва, Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, 10.2010г.); III-й Междунар. научно-практ. конф. молодых ученых «Молодёжь и наука XXI века» (г. Ульяновск, ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА», 11.2010 г.); междунар. заоч. науч. конф. «Технические науки в России и за рубежом» (г. Москва, май 2011г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 13 научных работ, в том числе 6 по списку ВАК Министерства образования и науки России.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения. Общий объем составляет 183 страницы, 80 рисунков, 39 таблиц, 3 страницы оглавления. Список использованных источников включает 132 наименования и занимает 13 страниц.
