Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние в области загрязнения воздушной среды дизелями морских судов 12
1.1. Роль морских судов в загрязнении воздушного бассейна токсичными компонентами отработавших газов, характеристика вредных выбросов дизелей 12
1.2. Требования по ограничению загрязнения воздушной среды судовыми дизелями 19
1.3. Анализ публикаций в области исследований параметров, количества и состава отработавших газов судовых дизелей 26
1.4. Постановка задачи исследования 36
Глава 2. Объекты и методика исследования параметров и концентрации вредных веществ в отработавших газах главных судовых малооборотных двигателей в эксплуатации 41
2.1. Объекты исследования. Анализ режимов эксплуатации малооборотных двигателей SMC/-C 41
2.2. Система измерений параметров, количества и концентрации вредных веществ в отработавших газах дизелей 45
2.3. Методика исследования параметров, количества и концентрации вредных веществ в отработавших газах дизелей 59
Глава 3. Экспериментальные исследования параметров и концентрации вредных веществ в отработавших газах малооборотных дизелей танкеров 70
3.1. Анализ параметров работы главных двигателей модели SMC/-C 70
3.2. Исследование концентрации вредных веществ в отработавших газах главных двигателей моделей SMC/-C 80
3.3. Влияние изменения геометрических характеристик соплового аппарата турбокомпрессора на примере главного двигателя 6S50 МС на концентрацию вредных веществ в отработавших газах 91
Глава 4. Совершенствование эксплуатации судовых дизелей моделей SMC/-C. анализ результатов контроля параметров и концентрации вредных веществ в отработавших газах и разработка рекомендаций 95
4.1. Определение коэффициентов, характеризующих процесс газообмена в цилиндрах МОД серии SMC/-C по эксплуатационным данным 95
4.2. Влияние коэффициента избытка воздуха судового дизеля на характеристики токсичных выбросов 99
4.3. Оценка влияния режимов эксплуатации судов на величину удельных выбросов диоксида азота в отработавших газах дизеля 103
4.4. Аналитические зависимости содержания основных компонентов отработавших газов в функции параметров дизеля 109
Заключение 111
Список сокращений и условных обозначений 113
Список литературы 115
Приложения 124
Приложение 1.1. Негативные экологические воздействия токсичных компонентов отработавших газов судовых дизелей 124
Приложение 2.1. Режимы работы ГД судов ОАО "Новороссийское морское пароходство" за период 2009 -2011 гг 125
Приложение 3.1. Таблица нагрузок ГД т/х "NS Challenger" 127
Приложение 3.2. Замеры параметров и состава отработавших газов ГД т/х "NS Clipper" 127
Приложение 3.3. Замеры параметров и состава отработавших газов ГД т/х "Tomsk" 129
Приложение 3.4. Параметры и состав вредных веществ в отработавших газах дизеля 6S50MC т/х "Troitsk" с разными вариантами турбокомпрессоров и сопловых аппаратов 130
Приложение 4.1. Расход воздуха на дизель танкера "NS Challenger" 131
Приложение 4.2. Расчет удельных выбросов NOx дизелей SMC при различных весовых коэффициентах 132
Приложение 4.3. Форма заказа системы очистки отработавших газов компании "Wartsila" 133
- Требования по ограничению загрязнения воздушной среды судовыми дизелями
- Система измерений параметров, количества и концентрации вредных веществ в отработавших газах дизелей
- Исследование концентрации вредных веществ в отработавших газах главных двигателей моделей SMC/-C
- Оценка влияния режимов эксплуатации судов на величину удельных выбросов диоксида азота в отработавших газах дизеля
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Интенсивное развитие мирового судоходства привело к строительству флота большой грузоподъемности с мощными энергетическими установками. Эксплуатация такого флота сопровождается ростом его воздействия на окружающую среду. Важность решения задач защиты атмосферы от вредных выбросов морских судов определяется тем, что загрязнения от современных судовых дизелей составляют наиболее существенную долю, в основном за счет диоксидов серы, азота и углерода, несгоревших компонентов топлива, твердых частиц (сажа). Неудовлетворительное состояние атмосферного воздуха, ведущее к росту численности заболеваний, а также перспектива глобальных осложнений в окружающей среде («кислотные дожди», изменение климата) приводят к необходимости ограничения выбросов веществ, содержащихся в отработавших газах. В связи с этим возникает функциональная задача оценки экологического ущерба от токсичности газовых выбросов и принятия мер по его снижению. В вопросах выброса отработавших газов в судоходстве действует международная конвенция МАРПОЛ, Приложение VI. На данный момент на транспортный сектор приходится 13% объема выбросов диоксида углерода СОг - парниковых газов (ПГ), в том числе на морское судоходство - лишь около 3%. Однако за период 1990-2010 годы выбросы ПГ с морских судов выросли вдвое, поэтому для морского судоходства также необходима разработка и внедрение эффективных мер по контролю и снижению выбросов ПГ. На примере флота ОАО "Но-вошип" (4 миллиона млн. т дедвейт), где количество выбросов ПГ достигает порядка 1.1 млн. т в год (2012 г.). Причем, на эту цифру могут повлиять такие факторы как: режимы эксплуатации судовых двигателей, техническое состояние судна и двигателей, методика определения состава отработавших газов и другие факторы. Единственным нормируемым компонентом в составе отработавших газов (ОГ) дизеля являются оксиды азота NOx. С 01.01.2013 г. стало обязательным требование МАРПОЛ по подсчету на судах EEOI (Energy Efficiency Operation Index), который учитывает выбросы С02 с отработавшими газами дизелей.
В качестве главных двигателей (ГД) на судах, в основном, устанавливают малооборотные двигатели (МОД) ведущих мировых производителей "MAN Die-sel&Turbo" и "Wartsila". Развитие конструкций и улучшение показателей МОД этих производителей достигли в настоящее время по результатам стендовых испытаний высоких показателей как с точки зрения экономичности, так и соответствия экологическим требованиям. Но ценными для теории и практики судового дизелестроения, судовладельцев являются опытные данные по параметрам, характеризующим работу современных дизелей, количеству и концентрации вредных веществ (ВВ) в ОГ при их эксплуатации в широком диапазоне изменения нагрузок. Для того чтобы устанавливать какие-либо устройства для принятия мер по снижению выбросов NOx, SOx, СОг необходимо точно знать параметры, коли-
чественный и качественный состав ВВ в ОГ дизелей.
Актуальность диссертационного исследования определяется необходимостью проведения инструментальных замеров параметров, решения вопросов сбора и анализа информации по качественному и количественному составу выбросов вредных веществ в отработавших газах и параметров судовых дизелей для оценки экологической безопасности.
Степень ее разработанности. Анализ литературных источников и работ в области исследований параметров, количества и состава ВВ в ОГ судовых дизелей Новикова Л.А., Туркина В.А., А. Гедгаудас, В. Смайлис, Р. Страздаускене, Х.Х. Нгуен, Климовой Е.В. показал, что все эти работы либо посвящены среднеоборотным двигателям старого поколения, либо исследования проводились на лабораторных установках и т.п. Однако, в настоящее время на судах мирового морского флота находят широкое применение МОД производства компаний "MAN Diesel&Turbo" моделей S/LMC/MC-C, ME, ME-B/C/GI и "Wartsila" моделей RTA и RT-flex-B/D и отсутствуют какие-либо данные по контролю параметров, количества и состава ВВ в ОГ двигателей в реальных условиях эксплуатации.
Объект исследования - современные судовые малооборотные двигатели производства компании "MAN Diesel & ТигЬо"моделей SMC/-C.
Предмет исследования - совершенствование эксплуатации судовых малооборотных двигателей производства компании "MAN Diesel & Turbo" моделей SMC/-C на основе контроля параметров и концентрации ВВ в ОГ.
База исследования. Работа выполнена на кафедре "Судовые тепловые двигатели" Государственного морского университета имени адмирала Ф.Ф. Ушакова и морских судах компании ОАО "Новороссийское морское пароходство".
Цели и задачи исследования. Цель диссертации состоит в формировании комплекса научно-обоснованных технических решений, направленных на совершенствование эксплуатации судовых малооборотных двигателей производства компании "MAN Diesel & Turbo" моделей SMC/-C в широком диапазоне изменения нагрузок на основе контроля теплотехнических параметров, количества и состава вредных веществ в отработавших газах в эксплуатации.
Целесообразность скорейшей 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:
1. Анализ режимов и условий работы, существующих методов и техноло
гий контроля состава отработавших газов судовых двигателей в эксплуатации.
-
Разработка метода контроля параметров и состава вредных веществ в отработавших газах судовых малооборотных двигателей в эксплуатации.
-
Экспериментальное исследование параметров, количества и концентрации вредных веществ в отработавших газах судовых МОД моделей SMS/-C.
4. Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований и создание информационно-статистического банка данных параметров, количества и состава С02, NOx, SOx в отработавших газах судовых МОД моделей SMS/-C при эксплуатации в широком диапазоне нагрузок.
-
Получение основных аналитических уравнений для параметров и концентрации вредных веществ в отработавших газах судовых дизелей моделей SMC/-C.
-
Разработка рекомендаций по выбору параметров системы для снижения выбросов с отработавшими газами дизеля.
Научная новизна результатов работы заключается в:
-
Определении и внедрении в теорию и практику современного судового дизелестроения данных по коэффициентам избытка воздуха, наполнения и продувки судового малооборотного двигателя 6S60MC.
-
Полученных на основе накопленного статистического банка данных основных регрессионных уравнений для параметров и концентрации ВВ в ОГ судовых дизелей моделей SMC/-C.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в:
-
Определенных значениях коэффициента избытка воздуха и весового коэффициента избытка воздуха для МОД модели S60MC в широком диапазоне изменения нагрузок.
-
Внедрении разработанного метода и результатов контроля концентрации ВВ в ОГ судовых МОД в состав действующей в компании ОАО "Новороссийское морское пароходство" системы Мониторинга энергоэффективности и экологической безопасности судов "S3ES-Novoship"(naTeHT Российской Федерации (РФ) на полезную модель №11006? от 10.11.2011).
3. Определении количественного и качественного состава ВВ в ОГ судо
вых МОД, работающих на тяжелом топливе ISO 8217-2010 марки RMG 380 в
широком диапазоне изменения нагрузок.
4. Рекомендациях по определению габаритных показателей систем очистки ВВ до нормируемых значений в ОГ судовых малооборотных двигателей моделей SMC/-C.
Методология н методы исследования. В диссертации использованы экспериментальные и статистические методы исследования. Для решения поставленной цели и задач исследования использованы приборы, обеспечивающие высокую точность измерений, достаточный объем выборок, их статистический анализ и обработка данных на электронно-вычислительной машине с использованием средств пакета SSPS и др.
Положения, выносимые па защиту:
1. Результаты экспериментальных исследований и информационно-статистический банк данных параметров, количества и состава ВВ в ОГ судовых дизелей моделей SMC/-C в широком диапазоне изменения режимов эксплуатации.
2. Полученные на основе накопленного статистического банка данных регрессионные уравнения для параметров и концентрации ВВ в ОГ судовых дизелей моделей SMC/-C.
3. Данные по коэффициентам избытка воздуха и весовому коэффициенту избытка воздуха судовых дизелей моделей SMC/-C в широком диапазоне изменения нагрузок.
Степень достоверности и апробация результатов исследования.
Достоверность научных результатов обеспечивается использованием комплекса методов натурных экспериментальных исследований и статистической обработки данных на электронно-вычислительной машине с использованием средств пакета SSPS и др., апробацией полученных результатов и репрезентативностью опытных данных. Материалы диссертации докладывались на:
- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского со
става ГМУ имени адмирала Ф.Ф.Ушакова (г. Новороссийск) 2009-2011 гг;
- международных конференциях: "First Global International Conference on Innovation in Marine Technology and Future of Maritime Transportation" (Стамбул, 2010) и "XI конференции по судостроению, судоходству, деятельности портов, освоению океана и шельфа"(г.СанктПетербург,2011);
сессиях комитета ISTEC (INTERTANKO Safety Technical Environmental Committee) INTERTANKO 2009-2013 гг.;
межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики», Санкт-Петербургский государственный морской технический университет (г. Санкт-Петербург,2012 г.).
Основные результаты диссертации опубликованы в 13 научных работах, все по теме диссертации. Из них б статей, 1 патент на полезную модель, 6 тезисов докладов. 4 работы выполнены без соавторов, авторская доля в остальных от 40% до 50%. В рецензируемых научных журналах опубликовано 3 работы, из них в одной работе авторская доля составляет 50%, в остальных работах - 40%.
Структура и объём работы. Диссертация, объёмом 133 страницы, состоит из титульного листа, оглавления, текста диссертации: введения, 4 глав основной части с 59 рисунками и 14 таблицами, заключения; списка сокращений и условных обозначений, списка литературы из 93 наименований и приложения.
Требования по ограничению загрязнения воздушной среды судовыми дизелями
Важным элементом в системе организационно-технических мероприятий, направленных на уменьшение вредного воздействия дизельных установок судов на окружающую среду, является формирование технических требований к количеству, составу и уровню вредных выбросов с ОГ двигателей транспортных средств [1].
В последнее десятилетие вопросы охраны окружающей среды выдвинулись в число важнейших, которые необходимо решить человечеству. Из-за высокой токсичности вредных компонентов дизелей, их содержание в ОГ ограничивается национальными и межгосударственными стандартами [26,27,70,71,83]. Каждая страна или группа стран принимают стандарты в зависимости от условий окружающей среды, специфических особенностей экономики, мнения различных вовлеченных групп, защищающих свои позиции (экономистов, промышленности, ученых) и решения политиков.
Единодушно, в качестве наиболее опасных компонентов ОГ дизелей специалистами всех стран принимаются: оксиды азота, оксиды серы, окись углерода и несгоревшие углеводороды. В связи со специфическими особенностями судовых, тепловозных и промышленных дизелей в их ОГ в большинстве стран нормируются только выбросы оксидов азота. Но мировая общественность ведет активную борьбу за чистоту окружающей среды и поэтому, в стремлении не загрязнять атмосферу содержащимися в ОГ агрессивными соединениями серы, в ряде регионов введены ограничения на содержание серы в топливах, используемых не только на берегу, но и на судах [1].
Проблема законодательного ограничения вредных выбросов с ОГ дизельных установок судов не остается без внимания и со стороны экспертов Международной морской организации (ИМО). Так предложение о дифференцированном ограничении вредных выбросов с ОГ дизельных установок по типам двигателей и по типам судов прозвучало еще в 1992 г. ИМО на мировом уровне ввела регулирующий режим, который ограничивает содержание серы в морском топливе. Созданный ИМО документ МАРПОЛ 73/78 - главное международное соглашение, охватывающее предотвращение загрязнения окружающей среды судами от эксплуатационных или случайных причин. Конвенция МАРПОЛ 73/78 является основным международным конвенционным документом по предотвращению загрязнения морской среды с судов [23,50]. Приложением VI данной конвенции «Правила предотвращения загрязнения атмосферы», принятым в 1998 году и вступившим в силу в мае 2005 года, для морских судов нормируются выбросы оксидов азота, летучих оксидов серы и выбросы озон разрушающих веществ. На 58-й сессии Комитета по защите морской среды ИМО был одобрен проект пересмотренного Приложения VI «Правила предотвращения загрязнения атмосферы с судов» МАРПОЛ и Технического кодекса NOx.
С 1 июля 2010 года вступила в силу новая редакция Приложения VI МАРПОЛ, предусматривающая содержание серы в любом жидком топливе, используемом на судах, которое не должно превышать следующих пределов (рисунок 1.1): о 3,50 % по массе с 1 января 2012 года; о 0,50 % по массе с 1 января 2020 года. Когда суда эксплуатируются в районах контроля выбросов, содержание серы в жидком топливе, используемом на судах, не должно превышать следующих пределов (рисунок 1.2).
Правило 14 Приложения VI МАРПОЛ 73/78 [50] требует от судов использовать топливо с содержанием количества серы, не превышающим указанного в инструкциях 14.1 или 14.4.
Разрешается применение систем очистки отработавших газов для уменьшения общего выброса SOx до регламентируемой величины. Система очистки отработавших газов должна быть одобрена Администрацией флага судна. В МАРПОЛ разработаны требования к судовым системам очистки [23,70], позволяющие администрации флага судна применение на судне устройств, материалов, приспособлений, либо других процедур, альтернативного жидкого топлива, методов обеспечения соответствия, отличных от требуемых настоящим Приложением, если они являются не менее эффективными с точки зрения сокращения выбросов, чем требуемые настоящим Приложением, включая любые стандарты, изложенные в Правилах 13 и 14 [50,70]. На судах, которые должны использовать систему очистки ОГ частично или полностью для соответствия требованиям, должен быть одобренный План соответствия SOx. Эти требования распространяются на любой агрегат, подключенный к устройствам для сжигания жидкого топлива, за исключением судовых инсинераторов. При освидетельствовании двигателей с системами очистки ОГ для уменьшения общего выброса SOx до регламентируемой величины, соблюдение норм содержания SOx в ОГ должно быть подтверждено в соответствии с положениями резолюции ИМО МЕРС. 184(59) [70]: «Руководство 2009 по системам очистки отработавших газов». Пересмотренное Руководство по системам очистки отработавших газов (Резолюция ИМО МЕРС 184.(59) Приложение 9 к МЕРС 59/24/ADD. и п. 4.32.6 МЕРС 59/24), предназначенное для замены предшествовавшего документа (МЕРС 170 (57)) по системам очистки, было введено в действие 1 июля 2010 года. Резолюция МЕРС 170 (57) была отменена с этой же даты. Для дистиллятных топлив, предназначенных для берегового использования, содержание серы ограничено значением 0,1%, а в некоторых западных странах - даже значением 0,02% (Норвегия, Швеция). Ужесточение требований к содержанию серы в топливах, используемых на судах, в последние годы распространилось не только на акватории портов, но и на ряд морских бассейнов и прибрежных зон. Так в двигателях морских судов, работающих в Балтийском бассейне, и прибрежных водах или в портах США, и ряда других стран, запрещено сжигать топлива с содержанием серы, превышающем 1,0% [19]. Уже сейчас в перечисленных странах нормы по выбросу вредных ингредиентов настолько ужесточены, что возможности выполнения соответствующих требований только за счет организации рабочего процесса ДВС практически исчерпали свой резерв. Весомой причиной в процессе ужесточения требований по вредным выбросам в ЕЭС явился феномен "кислотных дождей", обративший внимание политиков не только на автомобильные и стационарные выбросы, но и на судовые. Серный газ S02, входящий в состав ОГ, окисляясь до состояния SO3, растворяется в воде и образует серную кислоту, в связи с чем степень вредности S02 для окружающей среды вдвое выше, чем окислов азота NO2, эти газы и кислоты нарушают экологический баланс [33].
Так Советом министров Европейского сообщества (ЕС) утверждены две директивы 84/360/ЕС и 88/609ЕС, направленные на ограничение вредных выбросов с отработавшими газами промышленных предприятий и судов, плавающих по внутренним водным путям [92]. Согласно этим документам предусматривается полная экспертиза морских грузовых портов, фарватеров и речных портов для судов водоизмещением более 1350 т, вследствие больших масштабов воздействия их на окружающую среду.
В соответствии с директивой Европарламента ЕС 2005/33/ЕС от 06 июля 2005 года, вступившей в силу 01.01.2010, в портах стран Европейского сообщества запрещена работа главных и вспомогательных двигателей, котлов на топливе с содержанием серы более 0,1%. [66].
Российское законодательство также лимитирует предельную эмиссию вредных веществ. В целом, все газовые выбросы с судов не должны превышать ПДК, указанные в Законе РФ «Об охране атмосферного воздуха», принятом в 1999 году. До 2000 г. вредные выбросы дизелей в России нормировались в соответствии с ГОСТ 24585-81 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения». Дымность отработавших газов определялась и нормировалась в соответствии с ГОСТ 24022В-80 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерения». Однако требования этих государственных стандартов распространялись только на заводские стендовые испытания дизелей и не применялись для дизелей в эксплуатации.
С 1 января 2000 г. введен в действие новый государственный стандарт ГОСТ Р 51249-99 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения» [27], требования которого допускается распространять на дизели в условиях эксплуатации, в том числе и после капитального ремонта.
Система измерений параметров, количества и концентрации вредных веществ в отработавших газах дизелей
Работу судовых дизелей характеризуют следующие основные теплотехнические параметры [13]: мощность дизеля эффективная Ne; частота вращения пгд; среднее индикаторное давление по цилиндрам Pi; максимальное давление сгорания по цилиндрам Pz; давление сжатия в цилиндрах Рс; температура отработавших газов за цилиндрами W, влажность воздуха в машинном отделении; температура воздуха в машинном отделении tM0; давление наддува рн; расход отработавшего газа Gr
Однако стремление к эффективной и надёжной эксплуатации ГД диктует необходимость в дополнение к штатным контрольно-измерительным приборам устанавливать специальные (или использовать переносные) приборы, позволяющие расширить перечень измерительных параметров, как, например, в [24,43,55,57,64,79]. Измерительные приборы подбираются так, чтобы их диапазон измерения был больше на 20-25%, чем ожидаемый диапазон изменения измеряемых параметров. Устанавливают приборы в соответствии с инструкцией к прибору в соответствующих точках системы ОГ ГД.
На рисунке 2.3 приведена, в качестве примера, схема системы ОГ МОД 6S60MC и расположение контрольно-измерительных приборов. Такое расположение и назначение контрольно-измерительных приборов характерно и для других типов дизелей. В связи с этим ниже будут описаны устройства и методы, которые специально применялись при измерении параметров и концентрации ВВ в ОГ на дизелях в судовых условиях.
Система измерений и приборы, которые использовались при испытаниях на судах, использующих как стационарный, так и переносной газоанализаторы, состоит из следующего оборудования:
Отбор проб отработавших газов осуществлялся в соответствии с [29,30,31] в 10 метрах от входа газов в Утилизационный котел и в 15 метрах от выхода ОГ в атмосферу (рисунки 2.3, 2.4). Выхлопная труба в месте отбора пробы диаметром 1000 мм, температура ОГ не менее 190С.
Система пробоотбора. Для отбора и анализа концентрации ВВ в ОГ в работе используется стационарная система пробоотбора и стационарный, либо переносной прибор газоанализа. Стационарная система состоит из пробоотборного зонда и пробоотборной магистрали с устройствами пробоподготовки (фильтрации) для очистки пробы газов и дальнейшей передачи ее на анализ. В анализаторе встроен мощный мембранный насос с автоматическим управлением для отбора газов из выхлопного коллектора как при отрицательном, так и положительном давлениях (от -200 до +50 мбар). Схема установки для анализатора выбросов ВВ согласно ГОСТ Р 51249-99 [28] представлена на рисунке 2.3.
Переносной газоанализатор TESTO 340 показан на рисунке 2.6. Согласно сертификата, данный анализатор не требует дополнительной калибровки калибровочным газом, обнуление и калибровка осуществляется автоматически перед началом эксплуатации в течение 30 секунд. Данный анализатор соответствует требованиям немецкого стандарта EN. Газоанализатор TESTO 340 внесен в Государственный Реестр Средств Измерений РФ (номер 13340-92) и допущен к применению в Российской Федерации. Анализатор оснащен сенсором 02 с возможностью использовать одновременно до трех дополнительных сенсоров из перечисленных: N02, S02, СО„„з, СО, NO, NOHH3. (рис. 2.7).
Данный газоанализатор имеют возможность передачи данных в реальном режиме времени через Bluetooth2.0 непосредственно на ноутбук/ПК для хранения и дальнейшего анализа. Это позволяет проводить замеры выбросов ВВ с ОТ судовых двигателей и судовой вспомогательной котельной установки в реальном режиме времени, с заданным интервалом записи данных, на различных режимах эксплуатации судовых двигателей и котельной установки.
Система автоматического контроля за составом отработавших газов SALWICO Emissions Monitoring System (EMS), компании Consilium Marine AB - стационарная система, использующейся на одном из танкеров компании, показанная на рисунке 2.8, состоит из следующих блоков:
- DP7900 Dilution probe - блок отбора газов (рисунок 2.9);
- NOx analyzer - анализатор газов NOx с LCD монитором (рисунок 2.10);
- SOx analyzer - анализатор газов SOx с LCD монитором;
- D100 С02 Monitor (рис.2.11);
- DT 256 Data logger - регистратор данных с монитором;
- Display Computer - дисплей компьютера системы (рисунок 2.12).
Система в автоматическом режиме обеспечивает отбор проб ОГ и производит анализ содержания в них компонентов С02, NOx, SOx, запоминает и хранит эти данные в компьютере системы. Данные визуально отображаются на мониторе компьютера и мониторах анализаторов газов.
В начале эксплуатации система была протестирована специалистами компании SALWICO и подготовлена к эксплуатации. Результаты тестирования оборудования перед началом испытаний приведены в таблице 2.3. Погрешности измерений по результатам контрольных замеров не превышают +/- 5% от значений параметров, указанных в техническом файле судна.
Атмосферные условия: атмосферное давление, влажность и температура воздуха на входе в двигатель фиксировались при помощи штатных приборов (рисунок 2.13) или переносного рекордера TESTO 174Н (рисунок 2.14), которые позволяет с заданной периодичностью записывать показания температуры и влажности воздуха. По требованию главы 5 "Процедуры измерения выбросов NOx на испытательном стенде" Технического кодекса по контролю выбросов окислов азота из судовых дизелей МАРПОЛ 73/78, все объёмы и объёмные расходы должны быть приведены к значениям 273 К (0С) и 101,3 кПа[72].
Мощность двигателя принимается: NeH0M= 100% нагрузки двигателя = MCR = NMCR - максимальная мощность двигателя. Для расчёта удельных средневзвешенных выбросов вредных веществ мощность двигателя определялась несколькими способами и различными приборами:
- торсиометром (рисунок 2.15);
- диагностической системой "Diesel Performance Analyzer"(DPA) (рисунок 2.16);
- Maihak - 50 (рисунок 2.17);
- электронным индикатором (рисунок 2.18)
Частота вращения ГД задавалась электронным регулятором частоты вращения, замерялась торсиометром, а также штатными счетчиками частоты вращения фирмы "Kongsberg".
Расход топлива на дизель определялся объемным способом [10]. Замер расхода топлива осуществлялся по штатному расходомеру фирмы VAF Instrument (рисунок 2.19).
Измерение параметров газового потока отработавших газов производилось прибором для определения скорости газа в автоматическом режиме - Трубкой Пито (Pito tube) (рисунок 2.20), которая входит в состав газоанализатора TESTO 340. Диапазон измеряемых скоростей 0-К30 м/с.
Помимо всего прочего, в данный зонд интегрирован измеритель температуры отработавших газов, технические данные зонда указаны в таблице 2.4. Принцип измерения температуры газа - термоэлемент; температуры воздуха и давления (разрежения) - полупроводниковый сенсор.
Исследование концентрации вредных веществ в отработавших газах главных двигателей моделей SMC/-C
Замеры концентрации вредных веществ С02, NOx, SOx в отработавших газах судового малооборотного главного двигателя танкера "Krasnodar" производились непрерывно в течение одного года в автоматическом режиме на всех его режимах эксплуатации. Полученные данные инструментальных замеров с помощью оборудования системы SALWICO и расчетов с использованием программы компании «S3ES-Novoship» [34] за отчетный период времени, представлены на рисунке 3.8 в виде зависимостей удельных средневзвешенных выбросов компонентов отработанных газов С02, NOx, SOx от относительной нагрузки ГД. Результаты испытаний показывают, что разница между измеренными и расчетными значениями удельных средневзвешенных выбросов двуокиси углерода (С02) минимальны на долевых нагрузках эксплуатации ГД (до 40% NMCR) И растут до 0,12 кг/кВтч при мощности ГД до 75% NMCR- В настоящий момент действующее международное законодательство не ограничивает выбросы С02 в морском судоходстве. Измеренные значения выбросов окислов азота NOx на всех режимах работы ГД не превышают ограничения по выбросам NOx Tier II - 14,4 г/кВт час (рисунок 3.7), согласно МАРПОЛ 73/78 Приложения VI , вступившего в силу 01.07.2010 г. [50]. Расчетные данные в [34] имеют девиацию от измеренных значений 0,4 - 1,4 г/кВтч в диапазоне мощности ГД от 40% до 75% NMCR. Разница между измеренными и расчетными значениями выбросов окислов серы SOx (рисунок 3.12) составляет от 1 г/кВтч при 40% NMCR ДО 0,6 г/кВтч при 75% NMCR И равны при 63%) NMCR Результаты инструментального контроля двигателя MAN 7S60MC-C в широком диапазоне нагрузок показывают, что имеет место отличие полученных экспериментальных данных от расчетных данных системы мониторинга «S3ES-Novoship» [34].
На шести танкерах-афрамаксах С-класса дедвейтом 105,000 тонн и танкере-продуктовозе дедвейтом 40,000 тонн были проведены экспериментальные исследования по замерам концентрации вредных веществ в отработавших газах главного судового малооборотного двигателя HYUNDAI MAN-B&W моделей 6S50/60MC в широком диапазоне изменения нагрузок на основных режимах работы ГД (90%, 75%, 50%, 25% MCR), в соответствии с программой нагрузок в таблице Приложения 3.1. Производились замеры выбросов при снижении мощности, т.е. испытания начинались при максимально возможной частоте вращения ГД (97 оборотов в минуту) и мощности 9553 кВт, что соответствует 85% MCR. Замеры производились в режиме непрерывной записи с интервалом записи в 10 секунд, снижение частоты вращения ГД осуществлялось вручную из ЦПУ. На режимах: 85%), 75%), 50% и 25% от максимальной мощности ГД. На рисунке 3.9, в качестве примера, показаны изменения значений состава компонентов отработавших газов при снижении относительной мощности двигателя от 90% до 25% в режиме реального времени: снижение С02 связано напрямую со снижением массового расхода топлива; изменение NOx связано со снижением значений максимального давления и температуры сгорания в цилиндрах дизеля; уменьшение значения компонента 02, в связи с ростом коэффициента избытка воздуха; компонент SOx практически остается неизменным, т.к. его состав зависит от содержания серы в топливе.
Обработка полученных результатов. Результаты замеров концентрации вредных веществ в отработавших газах: СО2, NOx, SOx ГД в широком диапазоне нагрузок были обработаны (приложение 3.1) и подсчитаны (таблица 3.4). Результаты расчетов выбросов отработавших газов представлены в виде графиков зависимостей от параметров главного двигателя: нагрузки, частоты вращения и удельного расхода топлива (рисунки 3.10-3.18).
В процессе расчетов использовались данные об элементарном составе топлива, которые были получены из лаборатории DNVPS (таблицы 3.2, 3.3). Для экспериментальных кривых на рисунке 3.11 указаны доверительные интервалы при доверительной вероятности (1-а) 0.95, находящиеся в диапазоне 10,81-12,25 г/кВтч для дизеля S60MC и 12,19-15,76 г/кВтч для дизеля S50MC .
На рисунках 3.10-3.12 показаны зависимости удельных выбросов компонента NOx от частоты вращения, мощности и удельного расхода топлива дизелей 6S50/60MC. Прослеживается следующая тенденция: для двигателя 6S50MC минимальное значение удельных выбросов NOx при 50% значениях мощности и частоты вращения, максимальное - при 75%. Зависимость от удельного расхода топлива следующая: с увеличением удельного расхода значение удельных выбросов NOx снижается от 15,31 г/кВт ч до 12,23 г/кВт ч.
На рисунках 3.13-3.15 приведены зависимости удельных выбросов SOx от частоты вращения, мощности и замеренного удельного расхода топлива дизелей 6S50/60MC. Прослеживается прямая зависимость содержания SOx в выбросах отработавших газов от содержания серы в топливе.
Оценивая на рисунках 3.16-3.18 зависимости удельных выбросов диоксида углерода С02 от мощности, относительной нагрузки и частоты вращения дизелей, можно заметить следующую закономерность: с увеличением этих параметров значение удельных выбросов снижается и достигает своего минимума при максимальной мощности при испытаниях для дизеля 6S60MC и 75% MCR для дизеля 6S50MC. Максимальные значения удельного расхода определены при минимальной мощности испытаний - 25% MCR. Имеется прямая зависимость удельных выбросов С02 от удельного расхода топлива: чем ниже удельный расход топлива, тем ниже удельные выбросы диоксида углерода.
На основании анализа концентрации выбросов вредных веществ в отработавших газах МОД 6S50/60MC можно сделать следующие выводы:
1. С целью расчета массовых и удельных выбросов отработавших газов судовых двигателей, накопления статистических данных и уточнения корректирующих факторов необходимо продолжать проводить инструментальные замеры концентрации вредных веществ в отработавших газах в широком диапазоне нагрузок.
2. Результаты инструментального контроля двигателя MAN S60MC/-C в широком диапазоне нагрузок показывают, что имеет место отличие полученных экспериментальных данных от расчетных, рассчитанных системой «S3ES-Novoship» [34].
3. Средневзвешенный удельный выброс компонента NOx с отработавшими газами главных двигателей MAN 6S50/60MC/-C, замеренный в широком диапазоне изменения нагрузок, не превышает действующего международного норматива TIER II МАРПОЛ 73/78 - 14.4 г/кВт ч.
4. На основании экспериментальных данных получены аналитические зависимости содержания удельных выбросов С02уд от относительной мощности дизеля моделей SMC/-C (рисунок 3.176).
Оценка влияния режимов эксплуатации судов на величину удельных выбросов диоксида азота в отработавших газах дизеля
Согласно Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов (МАРПОЛ 73/78) и Технического кодекса по NOx (2008 года) [71], Добавление 8 "Применение метода непосредственных измерений и мониторинга", пункт 6.3 сочетание точек нагрузки может использоваться с соответствующими пересмотренными весовыми коэффициентами, указанными в таблице 3.3. Анализ времени работы судов ОАО "Новороссийское морское пароходство" за последние 3 года показывает смещение режимов работы ГД в сторону снижения средней эксплуатационной мощности с 85% в 2009 г. до 50-55% в 2011 г. (рисунок 4.9) и увеличение режимов движения судов экономичными ходами и ультра-малыми ходами (скоростью до 8 узлов и мощностью ГД 10-25% MCR). Поэтому для получения более точных значений выбросов необходимо использовать расчетные значения весовых коэффициентов основных режимов работы ГД судов компании, работающих в диапазоне 25-75% мощности ГД за продолжительный период времени, например, за 1 -3 года.
Из расчетов выбросов NOx, приведенных в таблице 4.3 с различными весовыми коэффициентами, рекомендованных ИМО и взятых с учетом реальных условий эксплуатации судов в 2009-2011 годах видно, что значения удельного и массового выбросов NOx в отработавших газах ГД незначительно зависят от значений весовых факторов, рассчитанных из реальных условий эксплуатации ГД судов за продолжительный промежуток времени, т.е. при расчетах удельных выбросов оксидов азота можно принимать рекомендованные значения ИМО, указанных в таблице 4.2.
Удельные выбросы NOx в отработавших газах практически не зависят от мощности дизеля и все суда данной серии соответствуют действующим требованиям TIER II Приложения VI Международной Конвенции МАРПОЛ 73/78 по содержанию выбросов NOx в отработавших газах дизелей.
Так как единственным нормируемым компонентом в составе отработавших газов дизеля являются оксиды азота NOx, становится важным определение их зависимости от параметров работы дизеля для того, чтобы выбрать пути снижения их выбросов.
На основании произведенной статистической обработки экспериментальных данных параметров и концентрации ВВ в ОГ малооборотных двигателей моделей 60SMC/-C, их обработки получены аналитические уравнения и построены зависимости удельных МОхуд и замеренных N0X3aM выбросов NOx с отработавшими газами от относительной нагрузки двигателя, температуры отработавших газов перед ТК и максимального давления сгорания в цилиндрах (рисунки 4.10-4.14).
Согласно рисунка 4.10 значение удельного выброса NOx дизелей уменьшается со значения 12 г/кВтч при относительной нагрузке 25% до 11.2 г/кВтч при нагрузке 50%), затем незначительно повышается до 11.7 г/кВтч при увеличении нагрузки дизеля до 75% и снижается до значения 10.7 г/кВтч при нагрузке 90% и при этом во всем диапазоне изменения относительной мощности двигателя не превышает нормируемого TIER II значения - 14.4 г/кВтч.
Согласно рисунка 4.11 значение замеренных значений выбросов NOx дизелей при изменении температуры отработавших газов перед ТК изменяется в следующей последовательности: при увеличении температуры от 300С до 330С значение снижается с 675 до 600 ррт и затем увеличивается до 850 ррт при увеличении температуры до 430С. Рисунок 4.12 представляет зависимость изменения значений удельных выбросов NOx дизелей также при изменении температуры отработавших газов перед ТК. Здесь прослеживается следующая картина: при увеличении температуры от 300С до 330С значение удельных выбросов NOx снижается с 12 до 11.2 г/кВтч, затем незначительно увеличивается до 11.5 г/кВтч при увеличении температуры 390С, и затем снижается до 10 г/кВтч при увеличении температуры до 430С.
Анализируя рисунки 4.10-4.14 можно сделать вывод, что самым оптимальным режимом работы с точки зрения минимальных выбросов NOx с отработавшими газами является режим работы МОД со следующими параметрами: температура отработавших газов перед ТК - 330С, максимальным давлением сгорания в цилиндрах 80-90 бар, что соответствует относительной нагрузке двигателя 45-55%, на которой в данный момент работает большинство судов компании ОАО "Новороссийское морское пароходство".
