Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1. Основные направления экономии топлив и повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов на судах 12
1.2. Сравнительный анализ методов снижения газовых выбросов токсичных веществ судовых энергетических установок 17
1.3. Анализ существующих способов оценки экологической безопасности судовых энергетических установок 37
1.4. Способы нормирования расходов топлива на рыбообрабатывающих и транспортных судах 48
1.5. Повышение эффективности и экологической безопасности использования топливно-энергетических ресурсов судовых энергетических установок 62
1.6. Цель и задачи исследований 80
2. Методика нормирования расходов топлива и учет экологического ущерба от газовых вы бросов рыбообрабатывающих и транспортнбіх судов 81
2.1. Установление научно-обоснованных цен на нефтяное топливо с учетом экологического ущерба ,. 81
2.2. Методические основы и расчетные зависимости нормирования расходов топлива СЭУ на рыбообрабатывающих и транспорт ных судах 91
2.2.1. Расчетно-аналитический метод определения индивидуальных норм расхода топлива по элементам рейса 91
2.3. Методика и алгоритм нормирования расхода топлива с учетом экологического ущерба газовых выбросов СЭУ для транс портных и промысловых судов 99
2.3.1. Методика и алгоритм расчета запасов топлива для судов с ди зельными главными и вспомогательными установками 100
3. Натурные испытания рыбообрабатывающей базы рмб «а. чуев» и разработка имитационной модели по нормированию расходов топлива 109
3.1. Программа и методика испытаний 109
3.2. Методика обработки опытных данных и определение погрешности измерений 112
3.3. Анализ статистических данных и натурных испытаний судовых энергетических установок РМБ 413 проекта 123
3.4. Разработка имитационной модели по нормированию расходов топлива наРМБ 413 проекта 131
3.4.1. Проверка соответствия гипотезы о приеме сырца РМБ нормальному закону распределения 133
3.4.2. Определение корреляционной зависимости загрузки судовой холодильной установки и судовой электростанции от выпуска продукции 135
3.4.3. Анализ расходов топлива и разработка имитационной модели эксплуатации пароэнергетической установки 136
3.4.4. Проверка адекватности имитационной модели технологического комплекса и эксплуатации ПЭУ 144
3.4.5. Методика нормирования расходов топлива на основе применения имитационного моделирования эксплуатации базы РМБ
413 проекта .„ 145
3.5. Выводы поЗ главе 149
4. Показатели загрязнения воздушной среды морским транспортом и оценка экономиче ской эффективности предложенных мероприя тий по снижению токсичных газовых выбросов СЭУ 151
4.1. Показатели загрязнения воздушной среды, их учет и контроль при эксплуатации СЭУ по токсичным газовым выбросам 151
4.1.1. Анализ применяемых показателей загрязнения воздушной среды и формы контроля при эксплуатации СЭУ 151
4.1.2. Формирование обоснованной методики сертификации судов по токсичным газовым выбросам 161
4.2. Оценка экономической эффективности от внедрения предпо лагаемых мероприятий по снижению токсичности газовых вы бросов СЭУ в условиях эксплуатации 166
Выводы и заключение 173
Литература 176
Приложение 187
- Сравнительный анализ методов снижения газовых выбросов токсичных веществ судовых энергетических установок
- Методические основы и расчетные зависимости нормирования расходов топлива СЭУ на рыбообрабатывающих и транспорт ных судах
- Методика обработки опытных данных и определение погрешности измерений
- Оценка экономической эффективности от внедрения предпо лагаемых мероприятий по снижению токсичности газовых вы бросов СЭУ в условиях эксплуатации
Введение к работе
Развитие судовых энергетических установок (СЭУ) в значительной степени определяется требованиями экономичности и экологической безопасности, которые отражены в международных и национальных нормативных документах. В числе последних - конвенции МЛРПОЛ 73/78 [20], СОЛАС 74, РД 51.249-99 [21], «Наставления по предотвращению загрязнения с судов» [22J, Федеральный закон об охране атмосферного воздуха [23].
В сложившейся практике процессы использования топливно-энергетических ресурсов в элементах судовых энергетических установок как на морском транспорте, так и на судах флота рыбной промышленности сопровождаются значительными потерями энергии, а также загрязнением окружающей среды.
Введение в действие конвенции МАРПОЛ 73/78 и РД 51.249-99 ускорило создание «экологически чистых» судов и энергоустановок [24, 25], а также способствовало появление у источников энергии и судовых систем дополнительных функций по снижению вредных выбросов.
Внедрение энергосберегающих технологий при использовании топливно-энергетических ресурсов на судах способствует снижению вредных выбросов, а именно их суммарному количеству, но нг решает проблему экологической безопасности.
Экологическая безопасность использования топливно-энергетических ресурсов на судах зависит от ряда факторов.
В практике вопросы экономичности, надежности СЭУ и экологпчности оказываются взаимосвязанными. С понижением надежности и ростом теплона-пряженности СЭУ возрастает количество токсичных газовых выбросов [26, 27, 28]. В целях снижения теплонапряженности и повышения надежности при проектировании СЭУ с дизельными двигателями увеличивают суммарный коэффициент избытка воздуха, а это приводит к увеличению потерь с уходящими газами и увеличению токсичных соединений NOx.
Для переменных режимов судовых котельных установок (главных и вспомогательных) существенное значение на токсичные выбросы оказывает влияние коэффициент избытка воздуха, сорт топлива и надежность работы горелочного устройства [29].
Проведенные исследования показывают, что значительное влияние на токсичность газовых выбросов котельных установок оказывают выбросы мазутной золы [30], которые обусловлены применением тяжелых топлив с содержанием серы до 2%, а также наличием пятиокиси ванадия V2O5.
При решении вопросов рационального использования топливно-энергетических ресурсов СЭУ с учетом снижения токсичных выбросов и тепловых потерь важное значение имеет нормирование расхода топлива. Для транспортных судов удельные расходы топлива нормируются па перевозку груза (на тонно-милю) и зависят от технического состояния корпуса судна [31, 32] и совершенства вннто-рулевой части судна [33].
Для рыбопромысловых л рыбообрабатывающих судов флота рыбной промышленности структура норм расхода топлива имеет ряд особенностей, которые характеризуются не только удельными расходами топлива на единицу мощности в различных режимах работы, но и удельными расходами топлива на единицу выловленной и переработанной продукции [19].
Разработка методики нормирования расхода топлива на судах с учетом энергосберегающих и экологических факторов способствует рациональному использованию топливно-энергетических ресурсов на морском транспорте [17, 18]. При этом в методике нормирования расхода топлива должны учитываться следующие энергосберегающие и экологические факторы: экономия за счет снижения потерь топлива при его подготовке и горении; экономия за счет оптимизации режимов работы судна с учетом его специфики (режимов траления рыбопромысловых пудов, ходовых и производственных режимов работы судна и т.д.); за счет эффективности пропульсивного комплекса, учитывающего особенности работы винта, корпуса и двигателя; за счет оснащения СЭУ экономичными и надежными двигателями, теплообменниками и системами; экономия за счет увеличения эксплуатационного времени работы судов на промысле; проведения организационно-технических мероприятий по поддержанию технического состояния СЭУ и судна; за счет внедрения мероприятий по повышению экологической безопасности (организация контроля токсичных сбросов и выбросов, применения технологий по подавлению токсичных газовых выбросов и очистных устройств по льяль-ным и сточным водам); за счет использования вторичных энергоресурсов (тепло уходящих газов, отработавшего пара, охлаждающей воды и д.р.) двигателей, котлов и технологического оборудования.
Разработка научно обоснованных норм расхода топлива как для отдельных потребляющих топливо агрегатов так и для судна в целом позволит выработать критерии для установления потребности в топливе для работы флота рыбной промышленности и транспортного флота.
Рентабельность судов в значительной мере зависит от надежности СЭУ и эксплуатационных расходов, связанных с затратами на топливо СЭУ и техническое обслуживание. Затраты на топливо зависят от существующих цен на топливо.
Для установления научно-обоснованных цен на нефтяное топливо используются различные подходы [16, 34]. Учет качества топлива в ценообразовании, представленные в работе [16], основан на принципе планирования ценообразования - единства цен на взаимозаменяемые виды продукции. Такой подход на основе технических эквивалентов не характеризует в достаточной мере изменений в затратах и овеществленного труда, происходящих у потребителей при замене одного топлива другим.
Кроме того, в оценке качества топлива при ценообразовании не учитывается экологический ущерб [34].
Разработка методики расчета цен с учетом экологического ущерба является актуальной задачей. Следует отметить, что в условиях рыночной экономики цены на топливо в основном формируются на основе спроса и необходимости реализации транспортных перевозок. Судовые компании (судовладельцы) стремятся приобрести топливо по низким ценам без учета его качества по отношению к загрязнению атмосферы. Экологический ущерб при использовании тяжелых то плив на установках, не имеющих очистных и нейтрализующих устройств, составляет от 10 до 15% стоимости топлива [34].
При генерировании энергии в котлах на жидком топливе имеют место выбросы и тепловые потери с уходящими газами, химический и механический не-дожоги. Часть теплоты теряется в окружающую среду. Сумма этих потерь на переменных режимах достигает 15-25%. У главных и вспомогательных двигателей внутреннего сгорания значительное количество тепловых потерь с охлаждающей средой q0!L1=15-28% и с отработавшими газами qr=25-42%. Наличие такого количества потерь обуславливает проблему возврата тепла и несгоревшего топлива для регенерации и утилизации в СЭУ, в том числе с целью снижения вредных выбросов в атмосферу.
Проблеме снижения потерь топлива при его подготовке и увеличения полноты его сгорания посвящены многие исследования. В работах [9, 11, 15, 26, 29, 38, 39, 41, 42, 43, 44] и др. доказывается целесообразность сжигания топлива при соответствующем распиливании и смесообразовании, а также сжигания водотоп-ливной эмульсии (ВТЭ) с содержанием воды 8-20% в дизелях и 15-50% в котлах.
Значительный вклад в исследование процессов и совершенствование устройств по сжиганию топлива и обеспечению экологической безопасности в энергоустановках внесли Иванов В.М. [15], Внуков Л.К. [51], Сигал И.Я. [52], Котлер В.Р. [53], Исаков А.Я. [54], Кулагин Л.В. [55], Сень Л.И. [11], Стаценко В.Н. [40], Суменков В.А. [41], Селезнев Ю.С.[42], Си-син В.Д. [57], Сомов В.А., Тув И.А. [58], Тузов А.В. [37], Корягин В.А. [11], Емельянов П.С. [10].
Исследования показывают, что вода в топливе оказывает благоприятное влияние на процесс горения [40, 41]. Существует несколько гипотез влияния воды на процесс сгорания («микровзрыва» и каталитического воздействия на окисления топлива). Однако при всех преимущестзах сжигания обводненного топлива системы приготовления ВТЭ не нашли широкого распространения на морском транспорте [43, 44]. Большинство исследований, направленных на повышение эффективности систем ВТЭ, проводились на экспериментальных стендах и в основном способствовали улучшению отдельных устройств: дозаторов, смесителей, диспергаторов, эмульгаторов и др.
Снижение загрязнения окружающей среды нефтесодержащими отходами топливоподготовки в настоящее время решается путем их огневого обезвреживания. В соответствии с требованиями конвенции МАРПОЛ 73/78 сжигание нефтяного шлама на транспортных судах должно производиться в инсинераторах, паровых и термомасляных котлах.
Опыт использования подобных систем утилизации пефтеостатков во вспомогательных котлах и инсинераторах способствует экономии топливо-энергетических ресурсов и улучшению экологической безопасности [45, 46, 47, 48]. Однако сложность конструкции и автоматизации, а также низкая надежность и эксплуатационная эффективность этих установок снижают широкое внедрение их на морском транспорте.
По мнению специалистов технического управления и судовых механиков АО «Дальневосточное морское пароходство», сжигание шлама сепараторов в котлах приводит к значительным отложениям зольных соединений на поверхностях нагрева с огненной стороны, а также ванадиевой коррозии. Кроме этого, имеет место дополнительный расход дизельного топлива, достигающий 60% объема сжигаемой смеси. Использование инсинераторов для сжигания отходов (промасленной ветоши, шлама и т.д.) затрудняет экологический контроль газовых выбросов токсичных соединений [2, 3].
Решению проблемы снижению вредных сбросов и выбросов судовых энергоустановок, утилизации нефтесодержащих и сточных вод посвящены диссертационные исследования докторов технических наук Стаценко В.Н. [49], Карасте-лева Б.Я. [50], Ковалева О.П. [129], кандидата технических наук Коломейца Ю.М. [44]. Следует отметить, что в упомянутых исследованиях предложены схемные решения по очистке токсичных веществ при газовых выбросах. Однако реализация комплексной системы требует решения ряда частных научно-технических задач по обеспечению ее эффективности и эксплуатационному экологическому контролю.
Повышению экологической безопасности судовых энергетических установок способствуют не только мероприятия и конструктивные решения на стадии проектирования судов и судовых энергетических установок [10], но и в процессе эксплуатации и технического обслуживания СЭУ [34, 35].
В процессе работы СЭУ возникают различные условия работы топливной аппаратуры и систем, обеспечивающих функционирование энергетической установки. При этом для различных типов энергетических установок должны применяться специфичные подходы к оценке экологической безопасности [2].
Вопросы сжигания обводненных мазутов в автоматизированных котлах в определенной степени решены в работах Полякова А.А. [48], Селезнева Ю.С., Стаценко В.Н. [49, 38], Суменкова В.М. [39]. Это, прежде всего, касается отработки надежной системы горения ВТЭ с учетом обеспечения розжига автоматизированного котла [44]. Вместе с тем при решении этих вопросов не учтены моменты оценки экологической опасности энергетических объектов. Отсутствует приемлемые и оперативные критерии в условиях эксплуатации.
Необходимо обеспечить взаимодействие и совместимость топливных горе-лочных устройств с элементами, определяющими экологическую безопасность СЭУ (ПДК, ПДВ, коэффициентами токсичности ft и т.д.) и надежность работы агрегатов.
В настоящее время существуют различные подходы к определению составляющих «КОМПЛЕКС ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ» судовой энергетической установки [35, 2, 49, 87].
Вопросы оценки экологической безопасности СЭУ специфичны и в настоящее время однозначного решения не имеют. В зависимости от типа СЭУ при эксплуатации судна имеют место воздействия вполне определенные количества вредных антропогенных факторов (загазованность атмосферы NOx, СО, S02 , мазутной золы, загрязнений углеводородами гидросферы, шум, вибрация, электромагнитные поля и СВЧ, тепловые загрязнение).
Вполне очевидно, что экологическая безопасность СЭУ это процесс обеспечения защиты окружающей среды от вредного воздействия антропогенных факторов в СЭУ. При этом имеется в виду и проведение организационно-технических мероприятий как на стадии постройки СЭУ, так и в процессе эксплуатации с учетом установления научно-обоснованных цен на топливо, методики нормирования расходов топлива, предусматривающей оценку экологического ущерба.
Целью диссертационной работы является разработка путей повышения эффективности и экологической безопасности использования топливно-энергетических ресурсов судовых энергетических установок в направлениях уменьшения потерь СЭУ и выбросов экологически вредных веществ при обеспечении оптимального нормирования расхода топлива с учетом экологического ущерба, установление научно-обоснованных цен на топливо и применения критериев оценки экологической опасности в зависимости от типа судового энергетического объекта и выбора горелочного устройства.
Для достижения поставленной цели необходимо: провести обзор и сравнительный анализ существующих и перспективных направлений повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов судовых энергоустановок; выбрать пути и предложить новые технические решения, повышающие эффективность использования топлива на судах с учетом обеспечения экологической безопасности СЭУ; провести анализ способов нормирования расходов топлива на рыбопромысловых и транспортных судах и определить приемлемый метод нормирования; разработать методику нормирования расходов топлива для рыбопромысловых судов на основании анализа опытных данных рыбообрабатывающих и рыбопромысловых судов; разработать методику расчета экологического ущерба газовых выбросов СЭУ и выполнить расчеты для различных видов топлив; разработать методику и выполнить расчеты по установлению научно-обоснованных цен на судовые сорта топлив с учетом экологического ущерба; дать анализ использования водотопливной эмульсии (ВТЭ) в судовых энергетических объектах и разработать рекомендации по повышению ее эффективности; разработать методическую модель расчета траекторий капель распыленного топлива горелочных устройств для определения качества распыла и надежности горения; - разработать рекомендации по расчету рабочих и конструктивных параметров низконапорных прямоточных горелочных устройств и дать рекомендации но их выбору.
Объектом исследования являются судовая энергетическая установка рыбопромыслового судна РМБ, а также судовые энергетические установки танкеров типа «Интернационал». Кроме этого исследовались системы приготовления ВТЭ и котлоагрегаты КВС с низконапорными прямоточными горел очными устройствами.
В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Для разработки методики нормирования использован расчетно-аналитический метод определения норм расхода топлива СЭУ. Методика расчета газовых выбросов энергетических объектов СЭУ базировалась на известных закономерностях рассеяния и нормативного документа OHD-86 теоретических и экспериментальных исследованиях [59]. Кроме этого, при анализе горелочных устройств использовались законы гидравлики и аэродинамики.
Для выполнения расчетов применялись разработанные компьютерные программы. Результаты опытов обработаны математическими методами с применением теории погрешностей измерений.
Предметом защиты являются следующие основные положения диссертационной работы, определяющие ее научную новизну:
Методика нормирования расхода топлива рыбопромысловых судов с учетом экологического ущерба.
Методика формирования научно-обоснованных сравнительных цен на топливо с учетом экологического ущерба.
Расчетные и экспериментальные зависимости изменения экологического ущерба от газовых выбросов судовых энергетических, установок при работе на различных видах топлив.
Математическая модель расчета траекторий распыленных капель низконапорного гор елочного устройства.
Рекомендации по выбору горелочных устройств, обеспечивающих снижение экологического ущерба от газовых выбросов котельных установок.
Методика эксплуатационного контроля судовых дизельных и котельных установок в условиях эксплуатации.
Практическая ценность работы заключается в следующих результатах:
Предложена методика нормирования расхода топлива рыбопромысловых судов.
Разработаны способы контроля параметров вредных газовых выбросов СЭУ в условиях эксплуатации.
Даны рекомендации по выбору рабочих и конструктивных параметров горелочных устройств, обеспечивающих снижение экологического ущерба.
Предложена методика установления научно-обоснованных цен на топливо с учетом экологического ущерба.
Основные научные результаты диссертационной работы апробированы на 8-ми конференциях (в том числе 3-х международных) и опубликованы в работах [2, 3, 4,5,17, 20, 27, 29, 34, 39, 60, 65].
Сравнительный анализ методов снижения газовых выбросов токсичных веществ судовых энергетических установок
Сравнительный анализ выполнен по данным открытых публикаций, технической документации, а также исследований автора, проведенных на кафедре «Морских технологий и энергетики» Морского института ДВГТУ, В основу анализа брались результаты испытаний и расчетов по вспомогательным судовым котлам, главным судовым дизелям, а также береговым котельным установкам малой мощности.
Для снижения газовых выбросов токсичных веществ котельных установок на сегодняшний день имеется четыре направления борьбы с загрязнителями приземной атмосферы: - оптимизация процесса сжигания топлива;- очистка топлива от элементов, образующих при сжигании загрязняющие вещества; - очистка дымовых газов от загрязняющих веществ;- ассимиляция загрязнителей в атмосферном воздухе.
Рассматривая методы снижения выбросов загрязнителей, необходимо определить критерии их эффективности использования на небольших котельных, оборудованных котлами малой мощности.
На рис. 1.3 представлена классификация методов снижения выбросов загрязняющих веществ в судовых котлах. Систематизация существующих способов показала, что их можно объединить в два направления:- способы, основанные на оптимизации режима работы котла и контроле токсичных выбросов;- способы, основанные на очистке топлива и нейтрализации отработавших газов и утилизации их теплоты.
В условиях эксплуатации на действующих судовых котлах без существенных модернизационных затрат оказываются приемлемыми методы оптимизации. При этом, важное значение имеет достоверная оценка токсичных выбросов в атмосферу от судовых котлов [2]. Для судовых котлов своевременный контроль выбросов является важнейшей экологической задачей при нахождении судов в морских портах, чему в настоящее время на судах рыбопромыслового и транспортного флотов уделяется недостаточное внимание. Применение и выбор современных горелочпых устройств со своевременной и качественной наладкой котельного оборудования в судовых котлах по заключениям специалистов службы технического управления и судовых механиков АО «ДВМП» проводится на низком уровне.
Форсунки с механическим распылом не имеют большого диапазона регулирования по коэффициенту избытка воздуха а. Выбор геометрической характеристики форсунок не учитывает факторы и условия работы горелочпых устройств на переменных режимах. Эффективность сжигания топлива заметно снижается. При этом устье горелки закоксовывается, вследствие попадания капель распыленного топлива на нагретую поверхность [2]. Перспективным представляется применение низконапорных форсунок конструкции, представленной в работе [57].
Сжигание водомазутных эмульсий (ВМЭ) требует решения вопросов, связанных с поддержанием стабильности состава эмульсии, а также выбора форсунок [51].
От решения этих вопросов зависит экономичность и надежность работы судовых вспомогательных котлов. Это оказывает влияние на токсичность газовых выбросов судовых котлов.
Проведение анализа эффективности методов снижения выбросов загрязняющих веществ в судовых котлах в полном объеме встречает большие затруднения.
По характеристикам судовых котлов (типа КАВ4/7, КАВб,3/7, КВ1, КВГ-34К), а также работам [27, 38] в табл. 1.1 приведены ориентировочные данные по эффективности того или иного способа снижения эмиссии загрязнителей в атмосферу. Применение способов, тормозящих радикально-цепные реакции горения, недопустимо в котлах с малыми топочными объемами (впрыск воды, рециркуляция и т.п.). Снижение NOx может вызвать резкое увеличение эмиссии СО, сажи и поверхностно активных углеводородов (ПЛУ).
За основу для составления таблицы послужило следующее:- КПД котлов был принят по данным обследования, проведенного в обычных эксплуатационных условиях;- все данные брались из исследований, выполненных кафедрой «Морских технологий и энергетики)) Морского института ДВГТУ и анализа литературных данных;- использованы наиболее характерные жидкие судовые топлива для вспомогательных котлов (мазут 40, мазут 100, флотский мазут Ф-5, дизельное топливо);- значения всех выбросов, принятых за основу, были взяты по усредненным показателям, которые определялись по результатам замеров в эксплуатационных условиях для каждого вида топлива;- в тех случаях, когда измерения не удавалось выполнить с приемлемой точностью, то проводились расчеты (выбросы мазутной золы, бензопиреиа ит.д.);- за сравнение были взяты значения выбросов без применения того илииного способа их снижения.
Анализируя способы подавления токсичных соединений в газовых выбросах судовых котлов, работающих на сернистых высоковязких топливах (мазут 40, мазут 100, Ф-5) следует обратить на содержание мазутной золы.
В целях усиления нормирования мазутной золы выбрано токсичное соединение - пятиокнсь ванадия с классом опасности «1». Поэтому расчеты количест ва мазутной золы в существующем нормативном документе РД34.02.305-97 проводятся в пересчете на пятиокись ванадия. От способа определения оксидов ванадия зависит точность расчета количества мазутной золы. Выделить экспериментально из уловленной в циклоне пыли пятиокись ванадия чрезвычайно трудно, так как существующий фотометрический метод, основанный на реакции ионов ванадия с вольфраматом натрия, начиная с концентрации 0,5мг/м3 испытывает сильное влияние оксидов железа, кальция, магния, марганца, кремния, титана, меди, никеля и т.д. [67], большинство которых находится в золе.
Анализ, проведенный в работе [67] показал, что в расчетах экологического ущерба по выбросам мазутной золы следует учитывать и применяемые методы расчета с установленными циклонами для ее улавливания.Применительно к котельной Первомайского судоремонтного завода г. Владивостока с котлами ДКВР-10/13 и ДЕ25/13, работающих на топочном мазуте Ml00 (ГОСТ 10585-75) в табл. 1.2 представлены удельные выбросы загрязняющих веществ отопительной котельной и влияние на них повышения КЛ1.Д., табл. 1.3.
Методические основы и расчетные зависимости нормирования расходов топлива СЭУ на рыбообрабатывающих и транспорт ных судах
В основу методики нормирования расходов топлива взят расчетно-аналитический метод определения индивидуальных норм по элементам рейса как промысловых судов, так и транспортных. Кроме этого, для рыбообрабатывающих судов типа РМБ 413 проекта для методики нормирования использована имитационная модель, построенная на результатах статистической обработки данных энергетических затрат на выпуск продукции.
Таким образом, в разработанной автором методике нормирования расхода топлива применен комбинированный метод.
Следует отметить, что основным методом является расчетно-аналитический метод, который предусматривает определение норм расхода топлива расчетным путем по статьям расхода на основании выявленных энергетических характеристик агрегатов, их загрузки (производительности) и прогрессивных методов эксплуатации судовой энергетической установки и ее элементов.
Расчетно-аналитический метод формируется на базе теоретических расчетов, экспериментальных данных, уточняющих теоретические расчеты, проверенных и утвержденных приемов эксплуатации энергетического оборудования с учетом оптимизации и соблюдения сроков технического обслуживания судна и его агрегатов.
Вычисленные нормы устанавливаются судну в виде карты нормативов, в которой приведены следующие данные: - чистая (плановая) грузоподъемность судна, Т- полное (специфика ционное) количество груза, которое может принять морское транспортное судно при наличии на борту полных запасов до осадки его по летнюю грузовую марку; - спецификационная (построечная) мощность главного двигателя, и. кВт; - заданная чистая техническая скорость судна в грузу и в балласте, и.кВт; - заданная чистая техническая скорость судна в грузу и в балласте (в узлах), за которую принимается скорость по лагу, определяемая в результате испытаний судна в грузу и в балласте при режиме полного хода (с заданной мощностью) при силе ветра не более 4 баллов и волнении 3 баллов; - удельный расход условного топлива при ходе судна с заданной мощностью, кг/и.кВт-ч: на главный двигатель (с учетом навешенных вспомогательных механизмов), на вспомогательные механизмы энергетические установки и судна; - часовой расход топлива (кг/ч) на все нужды судна: стоянка с грузовыми операциями, выполняемыми судовыми средствами, стоянка с неработающими судовыми грузовыми средствами; - часовой расход топлива (кг/ч) на маневры и режимы готовности; - часовой расход топлива на вспомогательный котел (отопление и общественные нужды на стоянках и во время хода); - часовой расход смазочных масел на энергетическую установку с разделением масла на цилиндровое и циркулярное: во время хода, на стоянках; - рекомендуемые сорт и марка (основные и заменяющие) смазочных масел для главных и вспомогательных двигателей.
Кроме перечисленных показателей, могут быть указаны: расход условного топлива на разогрев груза выкачку балласта и мойку танков (на танкерах) и др. нужды.
Расчетно-аналитические зависимости норм расхода топлива на работу главных и вспомогательных двигателей
Для определения норм расхода топлива на работу котельной установки необходимо в начале установить паропроизводительность котлов на основных режимах работы судна по правилам и нормам на проектирование систем пароснабжения.
Загрузка котельной установки на основных режимах работы судна приводится в проектной документации. При отсутствии такой документации загрузка котельной установки для каждого из режимов устанавливается путем проведения испытаний или по результатам эксплуатации, подтвержденным отчетными данными о работе агрегатов.
При установлении расхода пара на каждом из режимов работы судна все паровые п требители можно разделить на четыре группы в зависимости от объема потребителей и режимов работы. Принимаются потребители по следующим основным четырем группам: - в первую группу включаются потребители расхода пара на обогрев помещений и бытовые нужды, подогрев мытьевой воды; - во вторую группу включают расход пара на подогрев топлива, масла и воды в цистернах; - к третьей группе относятся потребители паровых механизмов и испарителей; в четвертой группе находятся потребители технологического оборудования по выпуску рыбной продукции.
Настоящий документ устанавливает основные положения и методику расчета запасов топлива и масла для судов с дизельными энергетическими установками (ГЭУ) транспортных и промысловых судов.
Большое разнообразие типов судов, схем утилизации и условий работы судов с учетом изменения технического состояния энергетических устройств и оборудования, вызывают необходимость вводить обоснованные уточнения расчетных зависимостей, представленных в таблице 2.9.
В некоторых случаях, особенно для рыбообрабатывающих судов, не представляется возможным использовать для разработки норм с достаточной точностью расчетно-аналитический и опытный методы. В этой связи автором при нормировании расхода топлива для рыбообрабатывающих судов типа РМБ 413 проекта использован расчетно-статистический метод определения норм расхода на основе статистических данных о фактических удельных расходах топлива, тепловой и электрической энергии, влияющих на их изменение. В главе 3 представлена разработка имитационной модели по нормированию расходов топлива на основе испытаний рыбообрабатывающей базы РМБ «А. Чуев», а также статистической обработки данных по РМБ «В. Чернышев», РМБ «Пятидесятилетие СССР». В диссертационной работе, изложенный выше расчетно-аналитический метод нормирования расхода топлива дополнен автором с учетом экологического ущерба от загрязняющих веществ газовых выбросов судовых энергетических установок. Реализация этого метода показана в таблице 2.2 на примере танкера «Интернационал» с главным двигателем 6RD76.
Методика обработки опытных данных и определение погрешности измерений
При выполнении экспериментальных исследований на работающей судовой энергетической установке (СЭУ) РМБ 413 проекта использовались приборы, представленные в таблице 3.1. Существуют различные способы оценки точности измерений [136]. В зависимости от поставленной задачи, наличия статистических данных применяется соответствующий способ оценки погрешности измерений. В практике оценки контроля параметров СЭУ используются вероятностные методы, где устанавливается закон распределения погрешности. Это требует достаточно большого количества статистических данных. Погрешности средств измерений подразделяются на абсолютные, относительные, систематические, случайные и грубые. В данном параграфе рассматриваются ошибки погрешностей прямых и косвенных измерений. Наиболее достоверным (наиболее точным) значением прямой измеряемой величины является среднее арифметическое из полученных ее значений. При этом необходимо произвести измерения при одних и тех же условиях несколько раз и определить их среднее арифметическое Косвенным измерением называется измерение при котором искомое значение величины «у» находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами ,-, подвергаемыми прямым измерениям: Если величины Х( независимы, то зависимость погрешности 8У от погрешности исходных величин 5ХІ выражается формулой [136], подчиняющейся дифференциальному закону распределения. Коэффициент избытка воздуха (КИВ) рассчитывался по содержанию в дымовых уходящих газах (трехатомных газов - R02, кислорода - 02), измеренных газоанализатором ГХП-100М, по формуле: 21-(Ю0-ЛО2-О2) Контроль КИВ осуществляется по хроматографу «Газохром-3101», в котором измерялось количество кислорода в дымовых газах, а расчет производился по формуле: Отбор газов на анализ проводился в газоходе за экономайзером. Расчет абсолютной допустимой погрешности q2 проводился на основании дифференциальной формулы оценки функции нескольких переменных [116]. Результаты расчета представлены в таблице 3.3. При обработке цифрового материала измерений температур уходящих газов и воздуха, анализа дымовых газов на содержание R02 и 02 и вычисления по ним h для каждого измерения необходимо вычислить среднеарифметические значения измеренных величин и допустимые погрешности их наблюдения. Среднеквадратичная погрешность наблюдения, или выборочный стандарт, вычисляется по формуле где t; - значение измеренной величины; 7- среднестатистическое значение «к» измерений величины t. Погрешность определения коэффициента разбавления сухих продуктов сгорания воздухом, равная погрешности определения коэффициента избытка воздуха, находится следующим образом: Суммарная предельная допустимая абсолютная погрешность измерения ЭДС (термопары с вторичным прибором) где Дп - предельно допустимая абсолютная погрешность показаний и записи (погрешность потенциометра); АЕг- допустимое отклонение термо ЭДС градуировки; АЕтп - допустимое отклонение термо ЭДС пары. Пределы допускаемой основной погрешности на всех отметках диаграммы самопишущих потенциометров устанавливаются в зависимости от класса точности и ширины поля записи при относительной влажности 60%. Измерение расхода топлива и воды производится объемным методом, с помощью мерной емкости и секундомера. Максимальная относительная среднеквадратичная погрешность измерений Рассчитанные погрешности измерений параметров судовой энергетической установки РМБ 413 проекта позволяют сделать вывод, что определяемые при испытаниях величины находятся в пределах достоверных значений и в соответствии с требованиями замера параметров с максимальной допустимой погрешностью, указанной в ГОСТ 10448-80. Для разработки имитационной модели целесообразно использовать не только натурные испытания, но и статистические данные, собранные на судах типа РМБ 413 проекта. В работах [100, 128, 129] проведены исследования и подробно представлен материал по статистическим данным и натурным испытаниям судов типа РМБ 413 проекта (РМБ: «А. Чуев», «В. Чернышев» и «ЗОлетие СССР»). В диссертационной работе приводится анализ статистической информации основных энергетических подразделений СЭУ РМБ 413 проекта. Анализировались основные энергетические подразделения, оказывающие влияние на расход топлива. Исследовалась работа по судовой электростанции, пароэнергетическому комплексу, судовой холодильной установки и дизельных агрегатов. Собранный материал позволяет сделать следующие общие выводы: 1. Максимальная загрузка электростанции РМБ этого проекта не превышает 3300 кВт, а средняя нагрузка электростанции на промысле составляет 2500-2750 кВт. 2. Пик загрузки электростанции приходится на март-апрель Охотоморской экспедиции (средняя загрузка 3000-2750 кВт). 3. Дизель-генераторы на промысле практически не работают. При потребности в электроэнергии до 1500 кВт, вырабатываемая ими электроэнергия составляет около 1,0% от всей выработанной электроэнергии. 4. При нахождении судна на промысле в работе постоянно находится три турбогенератора, при чем два из них работают в режиме с промежуточным отбором пара, один - в конденсационном режиме; два турбогенератора работают только при нагрузке электростанции 1300-1800 кВт. 5. В режиме перехода практически всегда работают турбогенераторы, а в режиме стоянки загрузка электростанции составляет 850 кВт, работают дизель-генераторы. В реальных условиях эксплуатации при существующих загрузках электростанции и пара на технологию возможна экономия топлива на базах этого проекта. В результате изменения режима работы турбогенераторов возможна экономия пара до 2 т/ч, переводя на топливо, получим экономию до 3,5 т/сут мазута. Проведенный анализ позволяет рекомендовать обслуживающему персоналу осуществлять работу на всех режимах, где работают турбогенераторы, все турбины держать в режиме с промежуточным отбором пара, тем самым улучшая экономические показатели работы ПЭУ [128]. В данном разделе третьей главы ставилась задача рассмотреть пароэнерге-тический комплекс с точки зрения возможности моделирования расходов пара на базе с учетом собранных статистических данных и результатов натурных испытаний. Указанные материалы были представлены в исследованиях при уча стіш автора в работах [128]. Полученные данные рассматриваются как исходные положения для создаваемой модели. В работе [128] рассхмотрсны расчетные схемы паропотребления базы по режимам эксплуатации, сравниваются с данными натурных испытаний, устанавливаются совпадения и различия расчетных и реальных схем. Технологические потребители рассматриваются с точки зрения установления зависимости паропотребления от выпущенной продукции, т.е. удельное па-ропотребление на единицу выпущенной продукции.
При создании модели будут, в первую очередь, использованы данные натурных испытаний, как наиболее реальные. При отсутствии натурных испытаний принимались в анализ расчетные величины. При этом учитывается различие в проектных и реальных параметрах пара. Все пересчеты расходов пара в топливо проводятся для мазута марки М40 с низшей теплотой сгорания 40000 кДж/кг. Коэффициенты полезного действия котлов брались из испытаний котлов по обратному балансу. Полученные опытные и расчетные данные о работе пароэнергетического комплекса РМБ [128] позволяют провести анализ и сделать следующие основные выводы: 1. Расход пара на технологические потребители близок к проектному, но в реальной эксплуатации РМУ работает без выпарных установок, потребляющих 6,4 т/ч пара. С включенными выпарными установками расход пара на технологические потребители увеличился бы на 30%. 2. В схеме цикла пар-конденсат [128] велики утечки пара и составляют 5-8%. 3. ПЭУ базы работают не на расчетном режиме, котлы вырабатывают в основном охлажденный пар, что обусловлено малым количеством пара отбора от турбин (в реальных условиях пара пониженных параметров требуется около 44 т/ч, по проекту - 33 т/ч), 4. Наибольшие отличия проектных данных от реальных режимов эксплуатации приходятся на режим перехода базы, поскольку по проекту не предусмотрена работа турбин (работают дизель-генераторы), в режиме эксплуатации всегда работают турбогенераторы. 5. В результате проведенных испытаний уточнены расходы пара на собственные нужды. Для расчета количества охлажденного пара, идущего на работу турбопита-тельных насосов использовалась математическая зависимость, полученная на основе аппроксимации опытных данных: тпн=0,010534- +1,789, т/ч где D - количество пара, которое необходимо выработать котлу (котлам), т/ч. Расход охлажденного пара на подогрев топлива котлов: Д1ТК=4?235-1{Г3 +8,99-10 4, т/ч Расход технологического пара на подогрев воздуха котлов: Дюд=0,06293- -0,028, т/ч Решая систему этих трех уравнений и учитывая небольшой расход пара на подогрев воздуха котлов, можно записать D + V7619 0,92232 V } где -общая паропроизводительность котлов, т/ч; D - количество пара, которое идет на технологические и собственные нужды базы, т/ч. В паропотреблении базы имеется две группы потребителей - это технологические потребители и потребители собственных нужд. Анализ расхода пара на технологические потребители позволяет сделать следующие выводы: - удельное проектное электропотребление в основном завышено по сравнению с данными испытаний, особенно это заметно на выпуске мороженной продукции; - удельное проектное паропотребление базы в реальных режимах эксплуатации выше проектного, что связано с форсированием процесса выпуска муки и жира. Анализ статистической информации о работе судовой холодильной установки проведен на основе опытных данных РМБ «В. Чернышев», РМБ «50-летие СССР» и РМБ «А. Чу ев», представленных в работе [128]. Определение расходов электроэнергии на работу компрессоров в реальных условиях проводилось на основе статистических материалов (в виду невозможности вести прямые замеры в течение длительного времени) о времени их работы. Для определения мощности работающих компрессоров использовались среднестатистические данные замеров силы тока электродвигателей компрессоров. Расчет мощности, потребляемой компрессорами, проводился по формуле: W=(IiT! л-Іі-тд-vlO 3, кВт-ч/сут (3.25) где /,- - сила тока, потребляемая электродвигателем г-го компрессора, А; ТІ - время работы г-го компрессора в сутки, ч/сутки; v=380 В - напряжение в сети. Записи в судовом журнале о времени включения и выключения компрессоров ведутся с точностью ±5 минут, поэтому, учитывая осреднение потребляемых токов, можно полагать, что ошибка в определении мощности лежит в пределах 10-15%.
Оценка экономической эффективности от внедрения предпо лагаемых мероприятий по снижению токсичности газовых вы бросов СЭУ в условиях эксплуатации
Экономический эффект достигается за счет внедрения системы приготовления и сжигания водотопливной эмульсии в котлах, дизелях судовой энергетической установки за счет установки циклона для улавливания выбросов мазутной золы, а также за счет внедрения методик контроля токсичных газовых выбросов и оптимизации режимов с полностью разработанной номограммы.
Оценка эффективности от внедрения указанных мероприятий представляет собой комплексную задачу, в которую входят следующие моменты: - эффективность работы данных мероприятий с технической точки зрения; - целесообразность с точки зрения организационной и экономической деятельности, заключающей в экономии расхода топлива, снижении экологического ущерба и получения прибыли за счет уточнения цены на тяжелое топливо с учетом экологического ущерба.
Указанные мероприятия позволяют в определенной мере обеспечивать и контролировать качественную работу судовых энергетических установок в целом на судах с точки зрения экологической безопасности. Следует отметить, что не все разработки включены в экономический расчет. Например, не учтены разработки по нейтрализаторам S02 В.Н. Стаценко кафедры «Морские технологии и энергетика» Морского института ДВГТУ. Эти исследования по нейтрализации 50г автором диссертационной работы не проводились.
Целью данного экономического расчета является демонстрация того, насколько снижается экологический ущерб от внедрения мероприятий по снижению токсичных газовых выбросов СЭУ. Основной задачей является расчет интегрального экономического эффекта и внутренней нормы рентабельности от внедрения системы по приготовлению и сжиганию ВТЭ и циклона, улавливающего взвешенные частицы, а также методики контроля токсичных газовых выбросов, содержащихся в отработавших газах.
Расчет ущерба от вредных выбросов, загрязняющих атмосферный воздух при эксплуатации СЭУ, на базовом варианте и варианте при внедрении мероприятий по снижению вредных выбросов в атмосферу для удобства выполнен в табличной форме (табл. 4.3-4.5). При выполнении расчетов использовалась информация по методике расчета и выбору необходимых материалов [111, 125, 174-178].
Расчет капитальных вложений на мероприятия по снижению вредных выбросов при эксплуатации СЭУ для удобства выполнен в табличной форме (таблица 4.4). Расчет интегрального эффекта от внедрения мероприятии по снижению вредных выбросов СЭУ в условиях эксплуатации и внутренней нормы рентабельности. В условиях рыночных отношений предприятия и производственные компании стремятся получить максимальную прибыль от внедрения изобретений научно-технического прогресса.
Данное стремление является главной целью деятельности предприятий. В мировой и отечественной практике при расчете эффективности инвестирования в развитие предприятия и производственных компаний принято рассчитывать экономическую эффективность через интегральный экономический эффект. Под интегральным экономическим эффектом понимается сумма всех финансовых результатов предприятия и производственных компаний за расчетный период с учетом дисконтирования, полученных в результате внедрения технического проекта.
Интегральный экономический эффект (Э) рассчитывается по формуле: где: Г - расчетный период; 77, - прибыль, полученная в году за вычетом налога; Kt - капитальные вложения в году; Л, — стоимость ликвидации имущества в году; Е — норма приведения затрат к одному времени (норма дисконто).
Капитальные вложения составляют 105 тысяч рублей внедрения проекта на одно судно. Прибыль рассчитывается по данным расчетов таблицы 4,3 и маркетинговым исследованиям, затраты на обслуживание (30) взяты из источника [111]: 1-й год - прибыли нет; 2-й год - прибыль составит 73,5 тыс. руб.; 3-й год - прибыль составит 83.8 тыс. руб.; 4-й год - прибыль составит 42.5 тыс. руб.; 5-й год - прибыль составит 79.4 ты с. руб. Показатель дисконтирования рассчитывается при нормах дисконтирования 0.15; 0.3; 0.4; 0.6. Еще одним важным показателем эффективности инвестиций является внутренняя норма рентабельности (#//). Аналитически ЕВн рассчитывается методом последовательных приближений на основе использования формулы линейной интерполяции: Внутренняя норма рентабельности /=0.52%.
В результате диссертационной работы по теме «Совершенствование методов нормирования расходов топлива и повышения экологической безопасности судовых энергетических установок» получены следующие основные результаты и выводы: 1. Выполнен обзор существующих и перспективных способов повышения эффективности и экологической безопасности использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) судовых энергетических установок. Проведен анализ методов установления норм расхода топлива СЭУ и составлена классификация и структура норм расхода топлива и энергии для судов флота рыбной промышленности. Введены новые показатели экологического ущерба. Методы нормирования расхода топлива СЭУ можно разделить на три основных группы: 1) экспериментально-расчетные (опытные); 2) статистические методы установления норм расхода топлива; 3) расчетно-аналитические методы.
Анализ показал, что наиболее перспективными методами являются расчетно-аналитические, к числу которых относится метод нормирования расхода топлива, разработанный на основе имитационной модели выпуска продукции и приема сырца рыбообрабатывающих судов. 2. По результатам натурных испытаний и статистических исследований рыбообрабатывающих судов типа РМБ проекта 413 разработана методика нормирования расхода топлива пароэнергетической установки (ПЭУ) на основе имитационной модели выпуска продукции и приемки сырца. С применением программ множественной линейной регрессии получены эмпирические зависимости расчета норм топлива котельной установки. 3. В диссертационной работе показано, что расход топлива является основной исходной базой, которая при установленном техническом состоянии и существующих средствах очистки токсичных газов тепловых агрегатов позволяет оценить расчетным путем экологический ущерб от загрязнения атмосферного воздуха.
Разработана методика и алгоритм расчета экологического ущерба от токсичности газовых выбросов для судовых дизелей и вспомогательных котлов. Получена формула научно-обоснованной цены на тяжелые сорта топлив с учетом экологического ущерба.. Результаты расчетов и статистический анализ цен на тяжелые сорта топлив по рынку Приморья показали, что цены на топливо в основном зависят от содержания серы.
Выполненные расчеты и экспериментальные данные главного двигателя 6RD76 и вспомогательных котлов КВГ-34 К, КВС 30/1, КАВ 16/1,6ГМ показали, что основной составляющей экологического ущерба для дизелей является ущерб от загрязнения атмосферы оксидами азота (NOx), а для вспомогательных котельных установок - от выбросов сернистого ангидрида (SO2). Цена тяжелых
