Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние в области контроля параметров и состава вредных веществ в отработавших газах судовых двигателей и котельных установок 10
1.1 Судовая энергетическая установка как источник загрязнения токсичными компонентами отработавших газов 10
1.2 Анализ законодательных актов и современные требования в области предотвращения загрязнения атмосферы с судов 20
1.3 Анализ времени работы, состава судового вспомогательного котельного оборудования и распределение расхода топлива 34
1.4. Основные загрязняющие вещества, выбрасываемые котельными установками 40
1.5. Цель и основные задачи исследований 44
Глава 2. Объекты и методика исследования параметров и состава вредных веществ отработавших газов судовых вспомогательных котельных установок 48
2.1. Судовые вспомогательные котельные установки танкеров 48
2.2. Система измерений и приборное обеспечение 58
2.3. Методика контроля состава отработавших газов котельной установки 70
Глава 3. Экспериментальное исследование параметров и состава отработавших газов котельных установок AALBORG MISSIONTMOL в широком диапазоне изменения нагрузок 82
3.1. Теплотехнические параметры и режимы работы котельной установкой, оценка технического состояния 82
3.2. Анализ влияния режимов эксплуатации котельной установки на состав отработавших газов, при работе на дизельном топливе 92
3.3. Анализ влияния режимов эксплуатации котельной установки на состав отработавших газов при работе на тяжелом топливе 100
3.4. Влияние коэффициента избытка воздуха на состав отработавших газов 107
Глава 4. Система контроля параметров судовых вспомогательных котельных установок танкеров и предложений по нормированию и ограничению выбросов вредных веществ .112
4.1. Регрессионные зависимости параметров и состава токсичных веществ в отработавших газах котельной установки 112
4.2. Сравнение полученных результатов с общепринятыми методами расчета выбросов загрязняющих веществ 124
4.3. Анализ эффективности грузовых операций и определение индекса экологической безопасности при грузовых операциях танкеров 127
4.4. Сравнение массовых выбросов главного двигателя и котельной установки танкера дедвейтом 106 тысяч тонн, методы и способы снижения выбросов вредных веществ с отработавшими газами при грузовых операциях танкеров 135
Список сокращений и условных обозначений 141
Список использованной литературы .144
Список иллюстративного материала 156
Приложение 1 160
Приложение 2 163
Приложение 3 174
- Анализ законодательных актов и современные требования в области предотвращения загрязнения атмосферы с судов
- Система измерений и приборное обеспечение
- Анализ влияния режимов эксплуатации котельной установки на состав отработавших газов, при работе на дизельном топливе
- Сравнение полученных результатов с общепринятыми методами расчета выбросов загрязняющих веществ
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Основную роль в загрязнении воздушного бассейна транспортным флотом играют выбросы вредных веществ в отработавших газах (ОГ) не только главных и вспомогательных дизелей, но и котельных установок танкеров. Но загрязнение от главных двигателей происходит в основном за пределами акватории порта, а в порту главным источником загрязнения является котельная установка. На танкерах, где судовая грузовая система оснащена насосами с паровым турбоприводом (линейная грузовая система), суточное потребление топлива котельной установкой может превышать потребление топлива главного и вспомогательных двигателей вместе взятых. Это происходит в порту в непосредственной близости от населенных пунктов.
Экологические характеристики ОГ определяются главным образом содержанием в продуктах сгорания оксидов азота NOx, которые по индексу токсичности превосходит другие вредные компоненты ОГ. Выбросы оксидов азота с ОГ судовых дизелей регламентируются в нашей стране ГОСТом Р 51249-99 и Международной конвенцией по предотвращению загрязнения с судов MARPOL 73/78. Помимо этого с 1 января 2011 года Международной морской организацией (IMO) принято дальнейшее ужесточение действующих норм выбросов оксидов азота. При этом IMO планирует включить Балтийское море в зону контроля эмиссии оксидов азота NECA.
Но, что касательно судовых котельных установок, то со стороны Российского законодательства и международных конвенций никаких ограничений нет, не смотря на то, что выбросы происходят в порту и довольно существенные.
Прежде всего, актуальность исследования определяется необходимостью решения вопросов сбора и анализа информации по качественному и количественному составу выбросов отработавших газов судовых котельных установок с учетом эксплуатационных факторов для оценки экологической безопасности.
Степень разработанности. Экспериментальные и теоретические исследования по изучению закономерностей образования вредных веществ в отработавших газах стационарных котельных установок проводятся в научно-исследовательских институтах и ВУЗах, как в России, так и за рубежом. В работах ученых Н.И. Денисенко, И.И. Костылева, П.А. Бараш, А.С. Хряпченкова, Б.И. Лубочкина, В.И. Енина, Ю.В. Александровского, Ю.В. Разумова рассматриваются вопросы устройства, надежности, эксплуатации котельных установок, в том числе и судовых котельных установок. Проблемам выбросов загрязняющих веществ и снижению их концентрации, очистки ОГ посвящены работы В.А. Туркина, A.A Иванченко, В.А. Маркова, В.И. Смайлиса, В.Р. Котлера, С.А. Требунских, В.В. Гапеева и др.
Несмотря на большой объем выполненных исследований в работах отсутствует информация о выбросах загрязняющих веществ с судовых котельных установок и вопросы контроля замеров параметров, количества и состава вредных веществ в отработавших газах современных судовых котельных установок танкеров в широком диапазоне нагрузок.
Объект исследования - современные котельные установки производства фирмы Aalborg Industries тип MISSION OL с топочным устройством KBSD.
Предмет исследования – параметры и концентрация вредных веществ в отработавших газах судовых котельных установок производства фирмы Aalborg Industries тип MISSION OL с топочным устройством KBSD.
База исследования. Работа выполнена на кафедре “Судовые тепловые двигатели” Государственного морского университета имени адмирала Ф.Ф. Ушакова. Экспериментальные исследования проводились на морских судах компании ОАО «Новороссийское морское пароходство» (СКФ «Новошип») входящее в группу компаний СКФ («Совкомфлот»).
Цели и задачи исследования. Цель диссертации состоит в формировании комплекса организационных и научно-обоснованных технических решений, направленных на оценку и совершенствование эксплуатации судовых котельных установок производства фирмы Aalborg Industries тип MISSION OL с топочным устройством KBSD в широком диапазоне изменения нагрузок на основе контроля параметров, количества и состава вредных веществ в отработавших газах в эксплуатации.
Целесообразность разработки данного вопроса, в первую очередь для защиты человека, природы и подготовки компании к предстоящим будущим нормируемым ограничениям по части выбросов в атмосферу, требуют решения следующих основных задач:
-
Анализ конструкций и режимов эксплуатации судовых котельных установок танкеров на примере СКФ -Новошип.
-
Разработка методики исследования теплотехнических параметров и состава вредных веществ в отработавших газах котельной установки на различных режимах эксплуатации и сортах топлива.
-
Проведение экспериментальных исследований и создание информационно-статистического банка данных теплотехнических параметров, количественного и качественного состава вредных веществ в отработавших газах судовых котельных установок.
-
Оценка влияния различных эксплуатационных факторов на величину вредных выбросов и разработка индекса эффективности грузовых операций.
-
Определение основных аналитических уравнений для параметров и концентрации вредных веществ в отработавших газах судовых котельных установок танкеров.
Научная новизна исследования заключается в следующих результатах:
1. Создан информационно-статистический банк данных по контролю параметров, количественному составу вредных веществ в отработавших газах судовых котельных установок производства фирмы Aalborg Industries тип MISSION OL с топочным устройством KBSD.
2.Оценено влияние нагрузки котельной установки и коэффициента избытка воздуха на величину выбросов и получены аналитические выражения.
3. Определена зависимость поправочного коэффициента при изменении коэффициента избытка воздуха ()в пределах от 1,03 до 1,93 для современных котельных установок работающих на топливе RMG 380 и DMA.
4. Разработаны и предложены для введения в регламентирующие документы индекс эффективности грузовых операций (Cargo Operation Efficiency Index) и индекс экологической безопасности при грузовых операциях (Cargo Operation Environmental Safety Index).
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что разработанная методика и результаты контроля состава вредных веществ в отработавших газах судовых котельных установок вошла в состав действующей в компании ОАО “Новошип”, защищенной патентом системы Мониторинга энергоэффективности и экологической безопасности судов “S3ES-Novoship”(патент Российской Федерации (РФ) на полезную модель №110068 от 10.11.2011). Результаты, полученные в диссертации, внедрены в систему мониторинга энергоэффективности и экологической безопасности СКФ «Новошип», а также в учебный процесс для подготовки инженеров-судомехаников, инженеров-экологов в государственном морском университете имени адмирала Ф.Ф.Ушакова.
Методология и методы исследования. Базой являются отечественные и зарубежные исследования в области контроля и методов снижения вредных веществ в отработавших газах котельной установки, а также основные положения термодинамики, методы проведения теплотехнических измерений и требования к их проведению, математической статистики и моделирования, пакеты прикладных программ Excel 2010, Mathcad 13, MathLab 7.
Положения, выносимые на защиту:
1.Результаты экспериментальных исследований и информационно-статистический банк данных по контролю параметров, количественному составу вредных веществ в отработавших газах судовых котельных установок производства фирмы Aalborg Industries тип MISSION OL с топочным устройством KBSD.
2. Полученные на основе накопленного статистического банка данных, регрессионные уравнения для параметров и концентрации ВВ в ОГ судовых котельных установок танкеров и влияние коэффициента избытка воздуха на величину выбросов.
3. Разработанные индексы эффективности грузовых операций (Cargo Operation Efficiency Index) и экологической безопасности при грузовых операциях (Cargo Operation Environmental Safety Index).
Степень достоверности и апробация результатов. Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивается выполненным значительным объемом научно обоснованных экспериментальных исследований, корректностью методики обработки опытных данных, применением апробированных методов, удовлетворительным совпадением экспериментальных данных и расчетных величин, выполненных по разработанной автором методике.
Материалы диссертации докладывались на:
- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ГМУ имени адмирала Ф.Ф.Ушакова (г.Новороссийск) 2010-2011 гг;
- сессиях комитета ISTEC (INTERTANKO Safety Technical Environmental Committee) INTERTANKO 2009-2013гг;
- ХI Конференции по судостроению, судоходству, деятельности портов, освоении океана и шельфа Нева 2011, г. Санкт-Петербург;
- межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики», Санкт-Петербургский государственный морской технический университет (г. Санкт-Петербург,2012 г.).
-международной конференции BSAMI «Actual problem of marine shipping» Admiral Ushakov Maritime State University, Novorossiysk, Russia 25-27 June 2013
Основные результаты диссертации опубликованы в 11 научных работах, все по теме диссертации. Из них 5 статей, 1 патент на полезную модель, 5 тезисов докладов. В рецензируемых научных журналах опубликовано 2 работы, из них в одной работе авторская доля составляет 50%, в другой - 100%.
Структура и объём работы. Диссертация, объёмом 154 страницы, состоит из титульного листа, оглавления, текста диссертации: введения, 4 глав основной части с 73 рисунками и 18 таблицами, заключения; списка сокращений и условных обозначений, списка литературы из 105 наименований и приложения.
Анализ законодательных актов и современные требования в области предотвращения загрязнения атмосферы с судов
Экологические проблемы в настоящее время продолжают обостряться как на местном уровне, так и в мировом масштабе. Одним из важнейших элементов в системе организационно-технических мероприятий, направленных на уменьшение вредного воздействия дизельных и котельных установок судов на окружающую среду, является формирование технических требований к составу и уровню вредных выбросов с отработавшими газами двигателей транспортных средств [1,4]. За последние два десятилетия вопросы обеспечения охраны окружающей среды являются первоочередными. Так каждая страна или группа стран принимают стандарты в зависимости от условий окружающей среды, специфических особенностей экономики, мнения различных вовлеченных групп, защищающих свои позиции и интересы.
Из-за высокой токсичности вредных компонентов отработавших газов дизелей и котлов, содержание данных веществ ограничивается национальными и межгосударственными стандартами [60,86]. Процесс разработки стандарта и, соответственно, формирование требований весьма непрост. Он требует решения целого ряда принципиальных вопросов, касающихся выбора состава нормируемых компонентов, разработки методов измерения и выбора режимов испытаний, выбора нормируемых параметров и разработки методов их расчета по результатам измерений. Основным инструментом, регулирующим воздействие человека на природу, является законодательство. В нашей стране функционирует система законодательства по реализации предусмотренных Конституцией Российской Федерации [71] прав граждан на охрану здоровья и благоприятную окружающую среду. Перечень контролируемых актов включает следующее: - Кодексы; - Федеральные законы; - Санитарные нормы и правила; - Методические указания, рекомендации; - Руководящие документы; Дополнительная документация: - ГОСТ; - СНиП. Выбросы оксидов азота с ОГ судовых дизелей в нашей стране регламентируется ГОСТ Р 51249-99 «Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения.»[15]
На обеспечение благоприятной окружающей среды направлены санитарно-эпидемиологические требования, которые регулируются Федеральным законом от 30 марта 1999 года №52-ФЗ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения»[23,68].
Нормативно-правовое регулирование в сфере охраны атмосферного воздуха осуществляется собственным законодательным блоком, включающим Федеральный закон «Об охране атмосферного воздуха» от 4 мая 1999 года №96-ФЗ [69]. Необходимость разработки этого федерального закона была вызвана значительными изменениями в политической и социально-экономической сферах жизни страны, целым рядом международных обязательств России в области охраны атмосферного воздуха, а также принятием новой Конституции РФ и ряда федеральных законов [38]. В основу законопроекта легла нормативно-методическая база воздухоохранной деятельности, разработанная НИИ охраны атмосферного воздуха и одобренная коллегией Минприроды России. Параллельно был проанализирован и использован международный опыт построения систем национального воздухоохранного законодательства [37,38]. С момента принятия Федерального закона и вплоть до конца 2008 года, были приняты ряд поправок к Федеральному закону «Об охране атмосферного воздуха» [13,24,25,38,41,42,54,58,61,62,63,64,65,66,67,70,72,73]. В целом в мировом законодательстве существует два типа стандартов качества воздуха:Iкласс стандартов - U.S. National Ambient Air Quality Standards и E.U. Air Quality Directive устанавливают максимальные концентрации в атмосфере для конкретных загрязнителей; II класс стандартов – North American Air Quality Index принимают форму относительно различных пороговых значений. В Канаде загрязнение атмосферы связано с риском для здоровья, и измеряются в The Air Quality Health Index (индекс здоровья качества воздуха) или (AQHI). В Европе Council Directive 96/62/EC по оценке качества окружающего воздуха и управления, обеспечивает общую стратегию государств союза [103]. Проблема законодательного ограничения вредных выбросов с отработавшими газами дизельных установок судов не остается без внимания и со стороны экспертов Международной морской организации(IМО), которая является агентством Организации Объединенных Наций (ООН), отвечающей за безопасность на море. Это было формально установлено международной конференцией в Женеве в 1948 году, и стало активным в 1958 году, когда Соглашение IMO вступило в силу. Россия (СССР) участвует в работе IМО начиная с января 1959 г., т.е. с 1-ой сессии Ассамблеи.
Правила загрязнения судна IMO содержатся в “Международной конвенции по Предотвращению Загрязнения с Судов”, известный как MARPOL 73/78. 27 сентября 1997 Соглашение MARPOL было исправлено “Протоколом 1997 года”; который включает Приложение VI, названное “Правила предотвращения загрязнения воздушной среды с судов”.
В 1992 году в Рио-де-Жанейро на Конференции ООН по окружающей среде и развитию была принята рамочная Конвенция ООН об изменении климата (РКИК)[57]. Конвенция направлена на принятие мировым сообществом мер по смягчению глобального потепления, вызванного повышением концентрации в атмосфере так называемых «Парниковых газов», и адаптации к его последствиям. Конечная цель Конвенции заключается в стабилизации концентраций парниковых газов в атмосфере на таком уровне, который не допускал бы опасного антропогенного воздействия на климатическую систему. Конвенция вступила в силу 21 марта 1994 г. К середине 2002 года более 190 государств, включая Россию, все развитые страны и страны СНГ, ратифицировали или ввели в действие Конвенцию, тем самым связав себя условиями Конвенции [90]. Основным международным документом в дополнении к Рамочной конвенции ООН об изменении климата является Киотский протокол, вступивший в силу 16 февраля 2005 года, который придал количественным обязательствам по снижению выбросов дифференцированный и юридически узаконенный характер, и перенес сроки их выполнения на период с 2008 по 2012 год [90].Киотский протокол ратифицирован 181 страной и одним региональным содружеством -Европейским союзом. Действие Киотского протокола заканчивается в 2012 году. На смену "Киото" должен прийти новый документ, основные положения которого страны-участницы Рамочной конвенции ООН по изменению климата обсуждали на переговорах в Копенгагене в декабре 2009 года. Россия подписала Киотский протокол в марте 1999 года, но не ратифицировала его. Для России протокол вступил в силу 16 февраля 2005 года. Соединенные Штаты Америки заявили о неучастии в протоколе до 2013 года.
Система измерений и приборное обеспечение
Приборная база, используемая при испытаниях котельной установки на танкерах, состоит из следующего оборудования: - газоанализатор вредных выбросов портативный или стационарный, с устройством хранения и передачи данных; - дымомер оптического типа (переносной или стационарный); - напорная трубка (с термопарой); - приборы для измерения температуры, влажности и давлении атмосферного воздуха (переносные или стационарные); - расходомер топлива (переносной или стационарный); - комплект вспомогательных устройств (переносных или стационарных) для замера основных теплотехнических параметров; На каждом режиме испытаний котельной установки измерению подлежит следующие показатели: - нагрузка котельной установки; - паропроизводительность; - термический КПД; - давление топлива в системе и перед форсункой; - расход топлива; - расход воздуха; - температура отработавших газов; - коэффициент избытка воздуха; - концентрация O2/CO2; - концентрация NOx; - концентрация SOx; Места замеров перечисленных выше параметров и установки приборов учета изображены на рисунке 23. Место установки газоанализатора Место замера температуры и влажности окружающей среды Место замера температуры и расхода топлива Место замера основных теплотехнических параметров асек Рисунок 23 – Схема котельной установки с указанием мест замеров различных параметров Измерения концентрации загрязняющих веществ, температуры, давления и скорости газовых потоков проводятся в специально оборудованных точках газохода (рисунок 23 – место установки газоанализатора). А в случае их отсутствия (так как требований по местам отбора загрязняющих веществ в отработавших газах котельной установки на сегодняшний день не существует) выбирается исходя из следующих принципов: - Измерительное сечение А-А в соответствии с [14] выбирается на прямом участке газохода (воздуховода) на достаточном расстоянии от мест, где изменяется направление потока газа (колена, отводы и т.д.)рисунок 24). Отрезок прямого участка газохода (воздуховода) до измерительного сечения должен быть длиннее отрезка за измерительным сечением. Отношение длин отрезков газохода до измерительного сечения и за ним устанавливается в соотношении 3:1; 2:1.
Измеряют внутренние размеры газохода микрометрическим нутромером. При наличии внутри газохода поверхностных слоев в качестве расчетного сечения принимают действительно свободное сечение. При невозможности непосредственного измерения внутренних размеров допускается определять размеры измерительного сечения измерением наружных размеров газохода и толщины его стенки. Измерения необходимо проводить измерительной рулеткой. Толщину стенки измеряют штангенциркулем или толщиномером [7,14]. Для газохода круглого сечения диаметр измеряют не менее четырех раз с приблизительно равными углами между измерительными диаметрами. Если разность результатов измерений более 1%, число измерений удваивают. Диаметр газохода определяют как среднее арифметическое всех измерений. Рисунок 25 – Места отбора отработавших газов На рисунке 25 изображены места отбора отработавших газов как стационарные, так и изготовленные самостоятельно для осуществления замеров. Схема установки газоанализатора приведена ниже (рисунок 26) Выход в атмосферу 1- пробоотборный зонд; 2- линия отбора проб; 3-клапан отбора воздуха; 4-предварительный фильтр; 5- фильтр; 6- насос подачи выхлопных газов переменной производительности; 7- камера смешивания (возможно 2-х кратное разбавление); 8- сенсор №1 установлен O2; 9- сенсор №4 установлен NO2 (возможна установка CO,COlow,SO2,NO2); 10 - сенсор №3 установлен NO (возможна установка NO,NOlow,NO2); 11- сенсор №2 установлен SO2 (возможна установка CO, COlow,NO, NOlow,SO2); 12- камера смешивания (возможно 5 кратное разбавление); 13 - 3/2 ходовой клапан; 14 - насос свежего воздуха. Рисунок 26– Схема установки для анализатора выбросов вредных веществ Замеры параметров окружающей среды такие как температура, влажность, и атмосферное давление измеряются непосредственно перед подающим вентилятором котельной установки (рисунок 23 Место замера температуры и влажности окружающей среды). Расход и температуры топлива замеряется расходомером и установленным перед ним термометром непосредственно перед подачей топлива на форсунку (рисунок 23 Место замера температуры и расхода топлива). Основные теплотехнические параметры современной судовой котельной установки, контролируются дистанционно, используя компьютер котельной установки расположенный в ЦПУ, а также местные приборы учета. На рисунке 27 изображен вид дисплея котельной установки расположенный в ЦПУ с контролируемыми параметрами. Рисунок 27 –Вид дисплея котельной установки в ЦПУ В ЦПУ на компьютере управления котельной установки контролировались и записывались следующие параметры: давление в топливной системе, давление топлива перед форсункой, температура топлива в цистерне, температура топлива после топливо-подогревателя, температура топлива перед форсункой, давление распыла пара, установка подачи воздуха (%), нормативный расход воздуха/топлива (%), ток вентилятора подачи воздуха, статическое давление в воздушном коробе/топке, давление пара в котле. Для теплового расчета котла использовались следующие величины: нагрузка или паропроизводительность, термический КПД, температура отработавших газов, давление топлива в системе и перед форсункой, расход топлива. Зависимости выше перечисленных параметров приведены на рисунках 28-29.
Для замера и анализа состава отработавших газов вспомогательных судовых котельных установок необходимо использовать стационарные или переносные газоанализаторы. В настоящее время для измерения концентраций компонентов отработавших газов широко используются газоанализаторы с электрохимическими сенсорами, действующими по принципу процесса электролиза с регулируемым потенциалом при управляемой диффузии. Данные газоанализаторы не требует дополнительной проверки калибровочными газами, эти газоанализаторы наиболее приемлемы для использования в судовых условиях, так как калибровочные газы относятся к категории «опасные грузы» и доставка на суда может потребовать дополнительных расходов, а в некоторых случаях осуществление доставки просто невозможна. Переносные компьютерные электрохимические газоанализаторы типа Testo позволяют быстро, в автоматическом режиме измерять в отработавших газах концентрацию следующих компонентов: оксида азота (NO), диоксида азота (NO2), оксида углерода (СО), кислорода О2, диоксида серы SO2, в ряде случаев H2S с высокой степенью точности, в таблице 7 представлены пределы допускаемой погрешности для газоанализатора Testo 340[7].
Диапазон измерения и пределы допускаемой погрешности переносного компьютерного электрохимического газоанализатора Testo 340 соответствуют требованиям ГОСТ. Данный газоанализатор производства Германии сертифицирован и внесен в Государственный Реестр Средств Измерений РФ номер 13430-92. Также одобрен Немецкой организацией технического контроля TUV и соответствует требованию стандарта EN. (рисунок 30).
Диапазоны измерения сенсоров могут быть увеличены в 5 раз с помощью функции автоматического расширения измерительного диапазона. Благодаря данной функции сенсор защищен от чрезмерной нагрузки при высоких концентрациях газа. Газоанализатор Testo 340 имеют возможность передачи данных в реальном режиме времени через Bluetooth2.0 непосредственно на ноутбук/ПК для хранения и дальнейшего анализа. Что позволяет проводить замеры выбросов вредных веществ с отработавшими газами судовой вспомогательной котельной установки в реальном режиме времени, с заданным интервалом записи данных (интервал может варьироваться от записи один раз в секунду до одного раза в час), на различных режимах эксплуатации котельных установок. Данные измерений отображаются в виде таблиц или диаграмм, возможно преобразование данных в форматы Excel и pdf. В анализаторе встроена конфигурация для 18 стандартных топлив и, возможно, добавлять до 10 дополнительных видов топлив.
Различная длина измерительных наконечников газозаборных зондов, разные диаметры и диапазоны температур обеспечивают высокий уровень эксплуатационной гибкости для всех областей применения. Специальные зонды отбора пробы для промышленных двигателей разработаны непосредственно для измерений при избыточном давлении, что позволяет использовать их в самых экстремальных условиях. Помимо этого, возможно использование модульных промышленных зондов для измерения в тяжелых условиях отбора пробы (высокие температуры, пыль).
Режим измерения включает отбор проб газа с помощью автоматического насоса, калибровку датчиков и измерение концентрации компонентов газа, а также температуры и давления (разряжения) газа в точке отбора, кроме того температуры и влажности атмосферного воздуха с помощью дополнительных устройств.
Анализ влияния режимов эксплуатации котельной установки на состав отработавших газов, при работе на дизельном топливе
Испытаний вспомогательной котельной установки на различных режимах на дистиллятном топливе были проведены на танкере типа Aframax дедвейтом 106 тысяч тонн(т/х «NS Columbus») в порту Фос, Франция, во время грузовых операций (выгрузка) в августе 2011 года. Котельная установка Aalborg MISSIONOL паропроизводительностью 25000кг/ч, работала на низкосернистом дизельном топливе с содержанием серы по массе равном 0,08%, что соответствует требованиям стран Евросоюза. До начала эксперимента воспользовавшись программным комплексом «Система мониторинга энергоэффективности и экологической безопасности судов» («S3ES-Novoship) [53], были получены данные для анализа работы котельной установки в течении одного года предшествовавшего эксперименту. Так же заблаговременно, до начала эксперимента были получены результаты анализа топлива из лаборатории DNVPS и произведено сравнение со стандартом ISO 8217:2010. Результаты анализа топлива представлены в таблице П.3.2. Элементарный состав жидкого топлива соответствует [40] и равен соответственно: углерод С - 86,2%; водород – 13,6%; азот – 0%; кислород – 0% по массе. Замер концентрации загрязняющих веществ в отработавших газах котельной установки производился во время выгрузки в порту Европы. Измерения осуществлялись приборами, описанными в Главе 2, параграф 2.2,согласно разработанной методики, параграф 2.3. Места отбора проб выбраны согласно ГОСТ 17.2.4.06-90 [14] и разработанной методике. Эксплуатация приборов, используемых в процессе проведения измерения, производилась в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.019 [10], правилами технической эксплуатации [59] и правилами техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей, утвержденными Госэнергонадзором. Расположение и организация рабочих мест при проведении работ выполнялась в соответствии с ГОСТ 12.2032 и ГОСТ 12.2.033 [11]. Отбор и анализ отработавших газов осуществлялся из выхлопного коллектора котельной установки газоанализатором Testo 340 (технические характеристики представлены в таблицах 7,8, Главы 2) в котором были установлены следующие сенсоры: O2;NO;СO;NO2. Так же помимо основного зонда использовалась Трубка Пито, основные технические характеристики представлены в таблице П.2.6 приложения. До начала эксперимента был произведен контрольный замер сечения выхлопного коллектора согласно методике и произведено сравнение полученных результатов с построечной спецификацией, погрешность измерений в пределах доверительного интервала согласно методике. Замеры производились в три этапа - при увеличении нагрузки(переходный режим, рисунок 51), на установившимся режиме (стационарный режим, рисунок 52) и при снижении нагрузки (переходный рисунок 53). Тренд зависимости измеряемых параметров первого этапа представлен на рисунке 51. На начало данного этапа котельная установка была нагружена на 25% от номинального режима, запись началась в 16:10. Через 7-8 минут после начала записи нагрузка на котел была увеличена до 50% от номинала (это видно на рисунке 51 в виде первого всплеска). Так как запись параметров осуществлялась непрерывно, то по рисунку видно, что на данном режиме котел проработал в течение 20-25 минут, после чего нагрузка котла была увеличена до 75% от номинальной (что также видно на рисунке в виде всплеска) и работал на таком режиме 25-30 минут. Данный этап замеров был соответственно разделен на три режима, это 25, 50 и 75% от номинальной нагрузки котла, результаты замеров параметров и расчета массовых выбросов вредных веществ на этих режимах представлены в таблице П.3.3. Следующий этап, это установившийся режим работы на нагрузке 90% от номинальной. На данном режиме также производился замер всех перечисленных выше параметров. Тренд зависимости измеряемых параметров этого этапа представлен на рисунке 52. В переходный период с 75% до 90% от номинальной нагрузки (с 17:20 до 17:45) запись параметров производилась, но не представлена в работе. Запись на режиме 90% от номинальной нагрузки производилась (как и в предыдущем случае, каждые 10 секунд) с 17:45 до 18:05, как видно из рисунка 52 изменения параметров незначительны. Результаты замеров параметров и расчета массовых выбросов вредных веществ на установившемся режиме представлены в таблице П.3.4. Последний заключительный этап, замеры которого проводились при снижении нагрузки, также как и первый этап был разбит на три режима это – 75% , 50% и 25% от номинальной нагрузки котельной установки. Как и во всех предыдущих замерах, соотношение воздух – топливо регулировалось в автоматическом режиме. Снижение нагрузки происходило поэтапно в течении 30 минут. Результаты замеров параметров и расчета массовых выбросов представлены в таблице П.3.5. На рисунке 54 представлены зависимости массовых выбросов твердых частиц, NOx, СO,SO2 и СО2 от нагрузки котельной установки. В настоящий момент было проведено 22 энергетических аудитов на судах ОАО «Новошип» на десяти из них производился замер концентрации вредных веществ в отработавших газах ГД, ДГ и котельной установки, большая часть судов на которых проводились испытания, это танкера типа Aframax дедвейтом 106 тыс.тонн, с главным двигателем фирмы MAN Diesel&Turbo 6S60MC максимальной мощностью 11327 кВт при 97 мин-1 и котельной установкой состоящей из 2-х котлов фирмы Alfa Laval Aalborg тип MISSIONOL паропроизводительностью 25000кг/ч, с топочным устройством KBSD 1900. Помимо вышеупомянутых судов было проведено исследование танкера продуктовоза дедвейтом 40 тыс.тонн с главным двигателем MAN Diesel&Turbo6S50MC мощностью 8 310 кВт при 123 мин-1и котельной установкой KLN/VIC паропроизводительностью 19000кг/ч рабочим давлением 10 бар и часовым расходом топлив 1380 кг/ч.
На всех судах до начала эксперимента, как и в случае проверки на дизельном топливе, воспользовавшись программным комплексом «Система мониторинга энергоэффективности и экологической безопасности судов» («S3ES-Novoship) [53], были получены данные для анализа работы котельной установки в течение одного года предшествовавшего эксперименту. Так же заблаговременно, до начала эксперимента были получены результаты анализа топлива из лаборатории DNVPS и произведено сравнение со стандартом ISO 8217:2010. Результаты анализа топлива представлены в таблице П.3.3. Помимо стандартного анализа топлива по специальному запросу лабораторией компании DNVPS был проведен элементарный анализ топлива на содержание в топливе водорода (H), углерода (С), азота (N). Один из результатов дополнительного анализа представлен в таблице 13 и на рисунке 55 (танкер «NS Clipper»).
Сравнение полученных результатов с общепринятыми методами расчета выбросов загрязняющих веществ
Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ при сжигании топлива в котлах производительностью до 30 т/ч разработанные: - Институтом Горючих ископаемых Минуглепрома СССР; - Всесоюзным теплотехническим институтом им.Ф.Э.Дзержинского Минэнерго СССР; - Западно-Сибирским региональным институтом Госкомгидромета; - Институтом санитарной техники и оборудования зданий и сооружений Минстройматериалов СССР. И утверждённые Государственным комитетом СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды 5 августа 1985 года, предназначены для расчета выбросов вредных веществ с газообразными продуктами сгорания при сжигании твердого топлива, мазута и газа в топках действующих промышленных и коммунальных котлоагрегатов и бытовых теплогенераторов (малометражные отопительные котлы, отопительно-варочные аппараты, печи), могут быть применены для расчета концентрации ВВ в ОГ судовой котельной установки современных танкеров. Используя данные методические указания [42] для расчета содержания окислов азота при сжигании мазута на стадии проектных разработок. И имея все необходимые данные для расчета содержания окислов азота такие как.
Поправочный коэффициент Ка для мазута В процессе эксперимента коэффициент избытка воздуха изменялся от 1,03 до 1,93, что выходит за пределы графика изображенного на рисунке 69. Данная зависимость Ка = f(aT) была обработана посредством кубической Spline функции и приведена на рисунке 70 кривая 2 (алгоритм spline функции приведен в приложении):
Ка= -25,89 г6 + 238,8 г 5 - 912,0 г/ + 1848 г 3 - 2098 г 2 + 1267 г - 316,9 В связи с тем, что в настоящее время в качестве топлива в современных судовых котельных установках применяется как тяжелое топливо RMG 380, так и дистиллятные DMA/DMB, то для определения зависимости Ка = /(о:г) выполнены экспериментальные исследования результаты которых приведены на рисунке 70 (для RMG 380 линия 3, для DMA линия 4). Аппроксимация полученных во время эксперимента значений Ка при фиксированных значениях г в диапазоне от 1,03 до 1,93 позволили получить следующие зависимости: RMG 380: Ка = 1,1748 г 3 - 7,4922 г 2 + 13,715 г - 6,2541(кривая 3, рисунок 70); DMA/DMB:Ka = 1,7815 г 3- 10,758 г 2 + 19,903 г - 10,287(кривая 4, рисунок 70). Результат испытания котельных установок Alfa Laval Aalborg тип MISSIONOL с топочным устройством KBSD 1900 при работе на тяжелом топливе (RMG 380) и дистиллятном топливе (DMA/DMB) обобщены и получена регрессионная зависимость третьего порядка (рисунок 70 кривая 5). Ка = 4,8164 г 3 - 24,207 г 2 + 39,074 г - 18,975.
Загрязнении Атмосферного воздуха и Энергетической Эффективности» (AIR POLLUTION AND ENERGY EFFICIENCY). В нем приводятся результаты исследования по оценке выбросов CO2 с введением обязательных технических и эксплуатационных мер энергетической эффективности для судов мирового флота, подготовленного Регистром Ллойда и DNV[99]. Исследование было инициировано IMO для анализа потенциала снижения выбросов CO2 от обязательного использования правил энергетической эффективности по EEDI (Energy Efficiency Design Index) для новых судов и SEEMP (Ship Energy Efficiency Management Plan) для всех судов. Поправки к Приложению VI МАРПОЛ – Правила предотвращения загрязнения Атмосферного воздуха с судов, добавлены в новую Главу 4 Приложения VI «Правила Эффективного использования энергии для судов» («Regulation on energy efficiency for ships»). Другие поправки Приложения VI добавляют новые определения и требования для проверки и сертификации, включая форму для Международного Сертификата Энергетической Эффективности (International Energy Efficiency Certificate). Правила, применимые ко всем судам грузоподъемностью 400 регистровых тонн и более, вступают в силу в международном масштабе с 1 января 2013 года [102].
В настоящее время EEDI (Energy Efficiency Design Index)для новых судов и SEEMP (Ship Energy Efficiency Management Plan) для существующих судов являются обязательными для использования. Данные индексы и планы оценивают эффективность доставки груза из порта в порт (с учетом балластного перехода), но не оценивают эффективность грузовых операций танкеров и соответственно не оценивают затраты необходимые для выгрузки доставленного груза, т.е. количество затраченного топлива на выгрузку груза и соответственно не оценивают количество отработавших газов и концентрацию вредных веществ выброшенных в атмосферу в течение грузовых операций. Так, например, только в Керченском проливе в данный момент времени находятся около 10 судов-накопителей суммарным дедвейтом более 700 тысяч тонн и грузовые операции производятся ежесуточно.
Количество затраченного топлива на грузовые операции включает топливо, затраченное на котельную установку и дизель-генератор (в случае если используется электропривод грузовых и/или балластных насосов), и находится как часовой расход топлива на котельную установку и дизель-генератор умноженный на время грузовых операций. В свою очередь минимальное время грузовых операций может быть найдено как количество выгружаемого груза, деленное на максимально возможную производительность грузовых насосов.
Расчет Индекса Эффективности грузовых операций выполнен для различных типов танкеров с различными грузовыми системами: 1. Танкер-продуктовоз дедвейтом 40 тыс.тон, грузовая система «Marflex» (электропривод грузовых насосов) грузовые насосы MDPC-200, насосы Slop танков MDPD-150, балластные насосы MBDP-300. Специализация танкера: сырая, неочищенная нефть, нефтепродукты, растительные масла, жиры, меласса, (черная патока). 2. Танкер-продуктовоз дедвейтом 40 тыс.тон, грузовая система «Framo» (гидравлический привод грузовых насосов) грузовые насосы SD200, насосы Slop танков SD100, балластные насосы VH300/250. Специализация танкера: сырая, неочищенная нефть, нефтепродукты, растительные масла, жиры, меласса, (черная патока), каустическая сода (каустик, едкий натр). 3. Танкер типа Afromax дедвейтом 115 тыс.тон с линейной грузовой системой (паровой турбопривод грузовых насосов) грузовые насосы CVD-40, турбопривод ENV-120G, балластные насосы BVD-35, турбопривод ENV-112G . Специализация танкера: сырая, неочищенная нефть.
Действия всех парниковых газов учитывается кумулятивно, т.е. данные инвентаризации необходимо выражать в единицах СО2 -эквивалента. Суммирующее воздействие парниковых газов получается как взвешенная сумма выбросов отдельных газов с весами, отражающими их общий парниковый эффект. Эффект парникового воздействия СО2 принят за единицу. Выбросы остальных парниковых газов умножают на соответствующий коэффициент -потенциал глобального потепления (ПГП). Так для закиси азота, который по индексу токсичности превосходит другие вредные компоненты отработавших газов, ПГП равен 310[84]. Например: C0ESIN0x C02 = COESINOx- 310 и соответственно для линейной системы равен 0,8730, для судов с грузовой системой «Framo» - 1,732 и судов с грузовой системой «Marflex» 1,519.
