Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Судовые системы утилизации вторичных энергоресурсов (Обзор научно-технической литературы) 9
1.1 Актуальность проблемы повышения энергоэффективности судов морского и речного флота 9
1.2 Методы определения тепловых потерь в судовых дизельных энергетических установках 14
1.3 Системы утилизации вторичных энергоресурсов в судовых дизельных энергетических установках 23
1.4 Гидропаровые турбины в системах утилизации вторичных энергетических ресурсов 33
Выводы по главе 1 41
ГЛАВА 2 Совершенствование средств и методов экспериментального исследования тепловых балансов судовых дизельных двигателей 45
2.1 Объект экспериментального исследования 45
2.2 Автоматизированный дизельный стенд для теплобалансных испытаний 47
2.3 Методика и программа проведения исследований и обработки экспериментальных данных 58
Выводы по главе 2 70
ГЛАВА 3 Совершенствование методики расчета теплового и эксергетического балансов судовых дизельных двигателей
3.1 Результаты экспериментального исследования 73
3.2 База данных паспортных характеристик и тепловых балансов судовых среднеоборотных дизельных двигателей 84
3.3 Методика расчета составляющих теплового баланса 87
3.4 Верификация расчетной модели определения составляющих теплового баланса з
3.5 Эксергетический баланс судовых дизельных установок 97
3.6 Методика повышения энергетической эффективности СЭУ на стадии
проектировании судна 100
Выводы по главе 3 103
ГЛАВА 4 Разработка схем и оценка эффективности систем глубокой утилизации с гидропаровыми турбинами 106
4.1 Выбор схем утилизации и методика расчета параметров гидропаровой турбины 106
4.2 Совершенствование конструкции ГПТ 121
4.3 Оценка эффективности и возможностей применения предлагаемых типовых схем утилизации на судах различного назначения 125
4.4 Формирование принципов создания автоматизированной системы сбора, обработки, хранения и обработки информации о судовом утилизационном оборудовании 129
Выводы по главе 4 132
ГЛАВА 5 Технико-экономическое обоснование внедрения систем глубокой утилизации теплоты 133
5.1 Принципы проведения оценки эффективности схем СЭУ с системами глубокой утилизации теплоты 133
5.2 Формирование методики оценки эффективности инвестиционного проекта внедрения энергосберегающих систем на судах 147
5.3 Оценка эффективности инвестиционного проекта внедрения СГУТ с ГПТ
на различных типах судов 154
Выводы по главе 5 160
Заключение 161
Список сокращений 164
Список использованных источников 165
- Системы утилизации вторичных энергоресурсов в судовых дизельных энергетических установках
- Автоматизированный дизельный стенд для теплобалансных испытаний
- Верификация расчетной модели определения составляющих теплового баланса
- Формирование принципов создания автоматизированной системы сбора, обработки, хранения и обработки информации о судовом утилизационном оборудовании
Системы утилизации вторичных энергоресурсов в судовых дизельных энергетических установках
В настоящее время экономия энергоресурсов является одной из основных задач мировой экономики [50]. Её значение определяется постоянно возрастающим в мире потреблением органических видов топлива, что создает предпосылки развития программ энергосбережения, направленных, как на совершенствование процессов преобразования энергии, так и на более рациональное использование вторичных энергоресурсов [91, 116, 129, 137, 160].
Федеральный закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности...» от 23.11. 2009 г. № 261-ФЗ и Указ Президента РФ от 04.06.2008 г. № 889 [120] направлены на повышение энергетической и экологической эффективности ряда отраслей, в том числе транспорта, в целях снижения энергоемкости валового внутреннего продукта РФ не менее чем на 40% по сравнению с 2007 г..
Применительно к водному транспорту, экономия энергоресурсов имеет ряд особенностей. Международной морской организацией (IMO), являющейся специализированным учреждением ООН, ответственным за глобальное регулирование международного торгового судоходства, были разработаны документы [140, 141, 142, 144], направленные на повышение энергетической эффективности: 1. MERC.l/ Circ. 681 от 17.08.2009 г. «Временные руководящие принципы в методе вычисления проектного индекса энергетической эффективности для новых судов» (EEDI); 2. MERC.l/ Circ. 682 от 17.08.2009 г. «Временные руководящие принципы добровольной проверки индекса энергетической эффективности»; 3. MERC.l/ Circ. 683 от 17.08.2009 г. «Руководство для разработки плана управления энергетической эффективностью судна» (SEEMP); 4. MERC.l/ Circ. 684 от 17.08.2009 г. «Руководящие принципы добровольного использования действующего (эксплуатационного) показателя (индикатора) энергетической эффективности судна» (EEOI).
В соответствии с Резолюцией ИМО MERC.203 (62) [140] введены поправки к Приложению VI МАРПОЛ по техническим мерам сокращения выбросов парниковых газов с судов, вступающие в силу с 01.01.2013 г.
Установлены два основных требования: 1. Для каждого нового судна валовой вместимостью 400 и более должны быть определены требуемый и допустимый конструктивные коэффициенты энергетической эффективности (EEDI); 2. На каждом новом или существующем судне валовой вместимостью 400 и более тонн должен иметься и выполняться судовой план управления энергоэффективностью судна (SEEMP). массаС02 т км
Проектный (конструктивный) индикатор (индекс) энергетической эффективности для новых судов EEDI и эксплуатационный критерий энергетической эффективности судна EEOI имеет одинаковый физический смысл - отношение количества произведенного парникового газа СОг к величине транспортной работы судна за определенный период времени (рейс, год и т.д.) и различаются лишь способом подсчета составляющих: (М ТЭРпроект р) ТЭРпроект А проект EEDI (1.1) массаС02 т км [Л ТЭРфакт -F/ А факт где: М ТЭР „роект, М ТЭР факт - проектное и действительное потребление топлива всеми судовыми потребителями энергии, кг топлива за единицу времени (час, рейс, год и т.п.); А проект, А факт - проектная и действительная произведенная работа судна, ткм за этот же период времени;
CF - безразмерный конверсионный фактор приведения расхода топлива к выбросам С02, кг С02/кг топлива.
В связи с тем, что выбросы С02 прямо пропорциональны расходу топлива, указанные выше показатели отражают энергетическую эффективность СЭУ и, косвенно, величину тепловых потерь, а следовательно, и вторичных энергетических ресурсов [67].
Кроме того, снижение удельных расходов топлива СЭУ за счёт более рационального использования располагаемых энергоресурсов, автоматически сокращает величину выбросов ОГ в атмосферу.
В состав энергетических установок большинства судов входят дизельные двигатели. Широкое распространение этих двигателей обусловлено тем, что в результате многолетнего развития, ставшего возможным благодаря общему научно-техническому прогрессу, успехам металлургии и машиностроения, они достигли весьма высоких энергетических показателей и экономичности, обладают достаточной надежностью и хорошо освоены в технологическом отношении [79, 104].
Тем не менее, несмотря на длительный период своего развития, судовые дизельные двигатели имеют коэффициент полезного действия в диапазоне от 40 до 52%. Кроме того, весьма актуальными остаются вопросы снижения негативного влияния эксплуатации судов на окружающую среду, в частности, сокращения вредных выбросов в атмосферу с отработавшими газами судовых ДВС [66].
Увеличение энергоэффективности судовых дизелей за счёт технических инноваций имеет ряд сдерживающих факторов, так как, как правило, их внедрение влечёт за собой усложнение конструкции дизеля, что приводит к увеличению его стоимости, требует более квалифицированной эксплуатации и обслуживания [50].
Следует отметить, что в СЭУ еще имеются определенные резервы, позволяющие дополнительно повысить их экономичность и эффективность за счет утилизации вторичных энергоресурсов (ВЭР), образующихся в ходе работы судовых ДВС(СДВС)[18,28, 59, 88].
Автоматизированный дизельный стенд для теплобалансных испытаний
Определение количества теплоты, отводимой с охлаждением двигателя во внутреннем и забортном контурах, производятся по формулам 2.8 и 2.9 соответственно: где: сохлвнхол и сохлзаб - теплоёмкость охлаждающей жидкости внутреннего и забортного контуров соответственно, кДж/(кг К). Определяются в соответствии справочными данными в зависимости от температуры [65].
При использовании в качестве охлаждающей жидкости внутреннего контура пресной воды, количество отводимой в нём теплоты высчитывается блоком ультразвукового теплорасходомера ВКТ-7 автоматически. При использовании антифриза и смеси воды и ПАА, расчёт производится по формуле 2.8. где: ссм - теплоёмкость смазочного масла, кДж/(кг К). Определяется в соответствии справочными данными в зависимости от температуры [65]. Количество теплоты, подведённой при сгорании топлива:
Величина составляющих теплового баланса в относительной форме получается путём поочерёдного деления соответствующих составляющих теплового баланса в абсолютной форме на величину QT.
Проводимые измерения не могут быть выполнены абсолютно точно, что приводит к появлению определённых погрешностей. Погрешность измерения -оценка отклонения измеренного значения величины от её истинного значения. Погрешность измерения является характеристикой точности измерения. Выполнение оценки погрешности измерений регламентируется таким нормативным документом Р 50.2.038-2004 ГСП.
Классификация погрешностей, возникающих при проведении измерений представлена на рисунке 2.11 [136]. Классификация погрешностей, возникающих при проведении измерений Все погрешности разделяются на объективные и субъективные. Объективные погрешности измерения возникают по причине несовершенства используемого метода измерения, влияния внешних условий на процесс измерения, особенностей принципа действия применяемых приборов. Объективные погрешности разделяются на систематические (статистические и динамические) и случайные.
Систематические погрешности могут возникать вследствие ограниченной точности приборов, их неправильной установки и использования, ухудшением их технического состояния.
Для снижения влияния данного вида погрешностей следует использовать приборы с высоким классом точности, с действующими сроками метрологического контроля, а также вводить поправки к приборам, по результатам сравнения их показателей с эталонными.
Случайные погрешности невозможно учесть заранее, однако, их можно определить качественно, с помощью теории вероятностей и методов статистики. Снизить их влияние возможно увеличением числа проводимых измерений [136].
Субъективные погрешности возникают, как правило, из-за неисправности приборов или по причине невнимательности лица, производившего замеры. Измерения, содержащие чрезмерные погрешности, устраняются повторными замерами, либо не учитываются.
В таблице 2.10 представлены расчётные уравнения, используемые для определения основных параметров исследуемого ДГ и соответствующие зависимости, позволяющие определить относительные погрешности результатов измерений. Таблица 2.10- Оценка погрешности вычислений
В данной главе приведены результаты разработки автоматизированного дизельного стенда (проектирование, изготовление, монтаж и наладка), в результате которых создан автоматизированный стенд на базе дизель-генератора 3412/14.5, оснащенный комплексом современных измерительных приборов (промышленным ноутбуком, ультразвуковым теплорасходомерами, анемометром, пирометром), работоспособных в условиях повышенных вибраций и температур теплоносителей до 90 С. Для проведения замеров расхода теплоносителей в контурах охлаждения и определения количества отводимой с ними теплоты, было предложено использовать ультразвуковые теплорасходомеры. Применение указанных приборов позволяет избежать необходимости установки внутрь трубопроводов специальных твёрдых тел, для создания разности давлений, использование которых предусмотрено в большинстве существующих методик по определению расхода жидкости в трубопроводах. Кроме того, ультразвуковые теплорасходомеры обеспечивают непрерывное проведение замеров основных параметров теплоносителя (температура, расход, передаваемое количество теплоты), что существенно упрощает процесс проведения испытаний и обработки данных.
Одной из целей проведения планируемых исследований является проверка работоспособности ультразвуковых теплорасходомеров в условиях высоких температур, вибраций и электрических наводок, сопровождающихся работой дизель-генератора. Кроме того, представляет большой практический интерес оценка работоспособности ультразвуковых теплорасходомеров при использовании кроме пресной воды, других теплоносителей, антифризов, растворов полиакриламида, являющихся перспективными теплоносителями в судовых ДВС.
Установлено, что выбранный комплекс современных измерительных приборов (теплосчетчиков, анемометра, пирометра и др.) работоспособен в составе стенда, оснащенного высокооборотным дизельным двигателем. Проведенные предварительные наладочные испытания показали, что автоматизированный дизельный стенд позволяет снизить трудоемкость проведения теплобалансных балансов и повысить их точность, доведя величину погрешности до 2-4%.
Подготовлены программа и методика, в соответствии с которыми, возможно производить экспериментальные исследования по определению закономерностей распределения составляющих теплового баланса судового дизель-генератора при различных режимах охлаждения (с использованием различных теплоносителей, температур в контуре охлаждения) на различных режимах нагрузки.. Предлагаемая методика отвечает приведенным в начале главы общенаучным методическим требованиям и позволяет существенно уменьшить трудозатраты на проведение теплобалансных испытаний, сократить требуемую численность участников эксперимента, повысить точность получаемых результатов за счёт минимизации субъективных погрешностей.
Принципиальная схема оснащения оборудованием дизельного стенда может быть рекомендована для создания аналогичных стендов для проведения заводских приемо-сдаточных испытаний и исследования эффективности методов внутренней и внешней утилизации теплоты отработавших газов, охлаждающих жидкостей и моторных масел.
Верификация расчетной модели определения составляющих теплового баланса
По результатам проведённого исследования выявлено, что наибольшую работу в ГПТ возможно получить при подаче в неё воды с «небольшим» недогревом до температуры насыщения, с её дальнейшим расширением в вакууме.
Для обеспечения необходимых параметров рабочей среды на входе в ГПТ, при организации СГУТ, необходимо правильным образом подобрать необходимое теплообменное оборудование: утилизационные котлы и подогреватели рабочей среды. Методики расчёта указанных теплообменных аппаратов приведены в работах [10, 71, 80, 152] и пр. Рассмотрим основные принципы, изложенные в них.
Первоочередной задачей, стоящей при проектировании теплоутилизационного оборудования является определение количества теплоты, которая может быть отведена к теплоносителю. Применительно к судовым ДВС, такими теплоносителями являются ОГ и охлаждающей жидкости внутреннего контура ДВС.
При этом, расчёты необходимо производить как для номинальных, так и для долевых режимах нагрузки ДВС. Количество теплоты, которое можно отвести от ОГ, определяется по следующей формуле: Количество теплоты, охлаждающей жидкости, которую можно использовать в утилизационном контуре, приравнивается количеству теплоты, отводимой в контуре охлаждения ДВС на рассматриваемом режиме: 0=0,кЦж/с (4.22) После определение располагаемых величин теплоты, подлежащей утилизации, можно приступить непосредственно к расчёту параметров утилизационного оборудования. Расчёт утилизационного водогрейного котла Расчёт утилизационного котла начинается с определения количества теплоты, отводимой с ОГ ДВС. Величина указанной теплоты определяется на основании данных о расходе ОГ и их температуры. На основании данных о составе сжигаемого топлива, и, соответственно, о составе ОГ (представляющих собой газовую смесь), определяется величина энтальпии ОГ 1ог: коэффициент использования теплоты, принимаемый равным около 0,96; В - расход топлива ДВС, кг/с. В соответствии с найденным значением энтальпии /х, определяется температура ОГ на выходе из котла (см. формулу 4.23).
Зная перепад температур ОГ на входе и выходе из утилизационного котла, значение расхода ОГ, а также аналогичных характеристик нагреваемого теплоносителя, производится расчёт параметров утилизационного котла, в зависимости от его конструктивной схемы. Расчёт утилизационного теплообменного аппарата Расчёт любого теплообменного аппарата основывается на основании составления уравнения тепловых балансов горячего и холодного теплоносителей: QTA = Gl (її - h) = G2 ( - h) (4-26) где: QTA - количество передаваемой в теплообменном аппарате теплоты, кДж; Gr,G2 - расходы греющего и нагреваемого теплоносителей, соответственно, кг/с; i[, \, г2, г2 - начальная и конечная энтальпии греющего и нагреваемого теплоносителей, соответственно, кДж/кг.
Коэффициент теплопередачи k и температурный напор At = tj- t2 в общем случае изменяются по поверхности теплообмена F. Для определения среднего коэффициента теплопередачи и усредненного по поверхности теплообмена температурного напора At, требуется знать закон изменения к и At по поверхности [164]. В большинстве случаев коэффициент теплопередачи изменяется незначительно и его можно принять постоянным, изменение же At зависит от схемы включения теплообменника. При принятии величины к постоянной, а значения At известным, уравнение (4.27) примет следующий вид: QTA = к -At F, кДж (4.28)
Коэффициент теплопередачи к характеризует перенос тепла за счет теплопроводности и конвекции. Он зависит от совокупности условий течения и теплообмена греющей и нагреваемой сред в каналах теплообменного аппарата, от геометрической конфигурации поверхностей теплообмена, тепло физических свойств теплоносителей и материалов разделяющей их поверхности.
Для определения среднего температурного напора At между теплоносителями необходимо знать принципиальную схему их движения в теплообменном аппарате: прямоточная, противоточная или перекрёстная (рисунок 4.6).
После определения указанных величин, происходит выбор типа теплооб-менного аппарата (кожухотрубный, пластинчатый и пр.) и расчёт его конструктивных параметров. Методика подобного расчёта представлена в работе [65].
Созданию ГПТ и совершенствованию их конструкции посвящено большое количество научных исследований [16, 36, 164, 165] и пр. Вместе с тем, поскольку ГПТ являются достаточно новыми техническими устройствами, существует ещё достаточно много направлений по улучшению их эффективности и повышению степени их совершенства.
Так, при создании ГПТ, работающих по принципу «сегнерова колеса» возникают трудности, связанные с организацией подачи воды по полому вращающемуся валу, такие, например, как обеспечение прочности полого вала, реализация его надлежащего уплотнения и смазки. Кроме того, достаточно сложной задачей является организация движения воды от оси к вала к расположенным на периферии рабочего колеса соплам.
Решение обозначенных задач может быть найдено при реализации проточной части ГПТ по образцу тракта центробежного насоса (рисунок 4.7). Принцип действия центробежного насоса основывается на использовании центробежных сил, действующих на жидкость во вращающихся межлопаточных каналах, в результате чего происходит преобразование механической энергии рабочего колеса в гидравлическую энергию потока жидкости. Рабочее колесо насоса, являющееся, по сути, направляющим аппаратом, устанавливается внутри корпуса насоса и представляет собой два диска, между которыми устанавливаются лопатки. Лопатки образуют ряд диффузорных каналов для сбора жидкости, выходящей из рабочего колеса.
Формирование принципов создания автоматизированной системы сбора, обработки, хранения и обработки информации о судовом утилизационном оборудовании
Для подтверждения принципов, изложенных в предыдущем параграфе, в рамках настоящей диссертационной работы будет произведён расчёт оценки целесообразности внедрения СГУТ с ГПТ на трёх судах различного типа, основные характеристики которых представлены в таблице 5.2.
В соответствии с предлагаемой методикой, основные расчёты выполнялись с использованием компьютерной модели «Мастер Проектов. Предварительная оценка». по внедрению СГУТ с ГПТ для трёх рассматриваемых типов судов представлены в таблице 5.3, а также представлены на диаграммах (рисунки 5.3-5.8).
На основании данных, представленных в таблице 5. 3, можно сделать следующие выводы о рассматриваемых инвестиционных проектах: Проект признаётся успешным при NPV 0. NPV больше нуля, у проектов RSD44 и СН-70, то есть по данному показателю данные проекты считаются успешными. Проект 21900 имеет NPV=-8269 тыс. руб., то есть по данному показателю проект убыточен; Инвестиционный проект сможет приносить прибыль при Р1 1. По данному показателю проекты RSD44 и СН-70 безубыточны, проект 21900 убыточен; Чем больше внутренняя ставка доходности (IRR), тем значительнее «запас прочности» и больше его устойчивость в условиях возможного повышения риска. Проекты RSD44 и СН-70 имеют достаточно большое значение IRR (44,5% в год и 26,9% в год соответственно). У проекта 21900 указанный показатель низкий (4,8% в год). Дисконтированный срок окупаемости для проектов RSD44 и СН-70 составляют 2,6 и 4,2 года соответственно, что свидетельствует о том, что указанные проекты являются среднезатратными. Проект 21900 не окупается в рассматриваемый период времени (5 лет).
Таким образом, на основании анализа рассчитанных показателей, инвестиционные проект внедрения СГУТ с ГПТ на судах RSD44 и СН-70 могут быть признаны успешными и безубыточными, а их реализация - целесообразной и обосно 156 ванной. Оснащение СЭУ проекта 21900 СГУТ с ГПТ признаётся нецелесообразным.
На рисунках 5.3, 5,5, 5,7 представлены диаграммы, демонстрирующие распределение денежных потоков (отложены по оси ординат) в инвестиционных проектах за рассматриваемый интервал планирования (ось абсцисс). На данных диаграммах показаны величины Чистых денежных потоков (ЧДП), накопленных ЧДП и дисконтированных накопленных ЧДП. Точки пересечения линий отображающих значения накопленных ЧДП и дисконтированных накопленных ЧДП с осью абсцисс соответствуют простому и дисконтированному срокам окупаемости соответственно.
Диаграмма изменения NPV в зависимости от ставки сравнения в инвестиционном проекте внедрения СГУТ с ГПТ на судне RSD44
На рисунках 5.4, 5,6, 5,8 приведены диаграммы, демонстрирующие изменение значения NPV (отложено по оси ординат) в зависимости от ставки сравнения (ось абсцисс). Рассматриваемые инвестиционные проекты является эффективными, если при увеличении ставки сравнения показатель NPV 0.
Диаграмма изменения NPV в зависимости от ставки сравнения в инвестиционном проекте внедрения СГУТ с ГПТ на судне 21900
Таким образом, исследования, приведенные в данной главе, позволили предложить универсальную методику оценки эффективности инвестиционных проекта по внедрению энергосберегающих технологий на судах, которая может быть использована при анализе других систем повышения энергоэффективности судов морского и смешанного «река-море» плавания.
Методика была опробована путём её использования для оценки инвестиционных проектов внедрения СГУТ с ГПТ на трёх проектах судов различного типа и назначения.
Результаты расчётов экономической эффективности показали целесообразность внедрения предлагаемых схем на двух проектов RSD44 и СН-70, которые являются судами транспортного флота, с большой продолжительностью эксплуатации в год.
При этом судно смешанного река-море плавания RSD44 имеет более короткий срок окупаемости (2,6 лет), по сравнению с судном морского плавания СН-70 (4,2 года), что объясняется более низкой стоимостью маломощной СГУТ судна пр. RSD44 (90,5 кВт), по сравнению с более дорогостоящей и мощной СГУТ (360,5 кВт) судна СН-70.
Установка предлагаемой СГУТ на линейный ледокол 21900 признана нецелесообразной, по причине значительных материальных затрат на её установку, при ограниченном периоде эксплуатации судна за год (исключительно в зимний период).
Следует отметить, что экономическая эффективность судовых систем утилизации теплоты с гидропаровыми турбинами соизмерима с традиционными системами утилизации, при этом, утилизационные ГПТ находятся только в начальной стадии своего развития, однако по своей эффективности СГУТ с ГПТ уже соизмеримы с системами, использующими газовые и паровые турбины при меньших массогабаритных показателях.
Анализ научно-технической литературы показал, что одним из основных методов повышения энергоэкологической эффективности СЭУ, является использование вторичных энергоресурсов, образующихся из-за потерь теплоты с отработавшими газами, при охлаждении остова двигателя, наддувочного воздуха и моторного масла. Основным недостатком существующих судовых систем глубокой утилизации теплоты является высокий объемный расход теплоносителей (отработавших газов и пара), что влечет за собой увеличение массы, габаритов и стоимости СГУТ. По мере форсирования двигателей и развития их конструкции необходимо постоянное уточнение расчетных и экспериментальных методик определения составляющих теплового баланса.
Для совершенствования экспериментального определения составляющих теплового баланса был создан автоматизированный стенд на базе дизель-генератора 3412/14.5, оснащенный комплексом современных измерительных приборов (промышленным ноутбуком, ультразвуковыми теплорасходомерами, анемометром, пирометром), позволивших обеспечить обработку и получение результатов измерений в режиме реального времени, сократить время и повысить точность экспериментов. Результаты испытаний подтвердили работоспособность ультразвуковых теплорасходомеров в условиях высоких температур, вибраций и электрических наводок, сопровождающихся работой дизель-генератора, а также возможность проведения замеров при использовании различных теплоносителей: пресной воды, а также антифриза, растворов полиакриламида, являющихся перспективными теплоносителями для судовых ДВС.