Введение к работе
Актуальность работы. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с научно-техническими программами Минвуза РСФСР «Мировой океан» 1981– 1985 гг. – Тема 6.2 «Сжигание обводненных нефтеостатков в судовых парогенераторах»; Минвуза СССР, приказ № 223 от 17.02.83г. «О координационном плане научно-исследовательских работ высших учебных заведений в области судостроения». - Тема 4.4.4 «Энерготехнологическое использование морских, сточных и нефтесодержащих вод на рыбопромысловых судах и плавбазах»; Координационного плана «Создание судового комплектующего оборудования и материалов для обеспечения транс-портного судостроения на 1984-90 гг. и до 2000 г.»; Указом Президента РФ № 472 от 07.05.1995г «Об основных направлениях энергетической политики и структурной перестройки топливно-энергетического комплекса РФ на период до 2010 года» и одобрены «Основные положения Энергетической стратегии России на период до 2010 года»; ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы» пункты 1.6 и 2.6.; Указом Президента РФ № 889 от 04.06.1995г «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики», поставившим задачу снижения к 2020г энергоемкости РФ не менее чем на 40 % по сравнению с 2007г.
Для решения поставленных задач первоочередной является разработка путей интенсификации топочных процессов в судовых котлах при сжигании высоковязких тяжелых топлив (ВВТТ) в виде водотопливных эмульсий (ВТЭ). Результатом такого сжигания топлива являются снижение химического и механического (q3, q4) недожегов, коэффициента избытка воздуха () и отложений на поверхностях теплообмена.
Наиболее полно морская тематика представлена в монографии Дементьева К.С. и др. « Проектирование судовых парогенераторов», 1986г. Со времени выхода монографии прошло более 25 лет, в течение которого появились новые разработки в теории процессов аэродинамики, тепло- и массообмена рабочих сред, надежности и экономики, которые по сути трансформировались в рыночную, развились средства вычислительной техники, компьютеризации процессов управления и конструи-рования объектов новой техники.
В судовых котлах рассматривались вопросы конструирования, увязывая их с типом топочного устройства, тепловым напряжением топочного пространства, степенью экранирования, шагом труб экрана топки, и эффективностью конвектив-ного теплообмена.
Необходим комплекс исследований, позволяющий получить рекомендации для разработки и конструирования судовых котельных установок (СКУ), способных надежно использовать ВВТТ в виде ВТЭ в неограниченных количествах. Эта проблема приобретает важную значимость и является актуальной народно-хозяйст-венной задачей.
Объект диссертационного исследования - судовые котельные установки, особенности расчета их конструкций и эксплуатации.
Предмет исследования - технологии подготовки и процессы сжигания ВВТТ в судовых котельных установках.
В соответствии с задачами исследований разработана блок-схема диссер-тационной работы, представленная на рис.1.
Оптимизация технологических и технических решений сжигания высоковязких тяжелых топлив в судовых котельных установках
Жидкие топлива для судовых котлов
Перспективные виды топлив и проблемы их сжигания в судовых котлах
Традиционные топлива
Интенсификация сжигания высоковязких тяжелых топлив (теоретические исследования)
Горелочные устройства
Новые технические
решения
Использование водотопливных эмульсий
Теплофизические свойства водотопливных эмульсий
Экспериментальные исследования методов интенсификации сжигания
высоковязких тяжелых топлив
Промышленные установки
Экспериментальные стенды
Анализ экспериментальных и теоретических исследований
Методика расчета и конструирования котельных установок
Корректировка некоторых положений нормативного метода применительно к судовым котлам
Судовые котельные установки на традиционном топливе
Судовые котельные установки на перспективных видах топлива
Рекомендации по конструированию элементов судовых котлов судов различного назначения по условиям энергоресурсосбережений
Ресурсосберегающие технологии эксплуатации судовых котельных установок
Рис. 1 Блок схема диссертационной работы
Цель – повышение эффективности работы судовых котельных установок на основе качественного сжигания высоковязких тяжелых топлив.
Задачи исследования:
1. Выполнить анализ физических и теплофизических свойств, характеристик топлив и процессов сжигания ВТЭ;
2. Произвести анализ существующих диспергирующих аппаратов, схем топливоподготовки ВТЭ;
3. Разработать и изготовить лабораторные стенды для исследований сжигания ВТЭ;
4. Исследовать процесс интенсификации сгорания ВТЭ с учетом особенностей ГУ и судовых котлов;
5. Выполнить экспериментальную проверку эффективности использования ВВТТ на специализированных «горячих» стендах и судовых котлах;
6. Разработать обобщенную модель распыливания и выгорания ВВТТ в виде ВТЭ в центробежных, ротационных и пневматических форсунках с определением формирования факела в объеме топочного пространства;
7. Разработать методы оптимизации технико-экономических характеристик
котла с минимальными затратами на получение заданного количества и качества тепловой энергии на стадии обоснования конструкции с учетом новых научно-технических достижений, внешних и внутренних ограничений;
8. Разработать оптимизационную программу расчетов и конструирования современных котельных установок и их элементов;
9. Сопоставить результаты технико-экономических характеристик СКУ, выпол-ненных по традиционной и оптимизационной схемам, с учетом наиболее вероятной нагрузки и годовой наработки.
Методика исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе применялись методы планирования экспериментальных и промышленных исследований: математическое моделирование и вычислительные эксперименты, методы экспериментального исследования, включая анализ, изучение, использование разработок научных и научно-производственных коллективов ИГИ, ВТИ, ЦКТИ, СКБК. СПбКУ.
Выполненная работа соответствует паспорту специальности: 05.08.05 Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные).
Основные научные результаты и их новизна.
Научная новизна результатов диссертационного исследования состоит в следующем:
1. Разработаны и реализованы лабораторные установки, экспериментальные базовые и судовые производственные стенды, оборудованные средствами исследова-ния, изготовлены аппараты и системы топливоподготовки, представлены физические и теплофизические свойства ВТЭ;
2. Изучен процесс интенсификации и получены экспериментальные данные о полноте выгорания ВВТТ в виде ВТЭ в лабораторных, стендовых и производ-ственных котельных установках;
3. Выполнены экспериментальные исследования на лабораторной установке и получены результаты сжигания экспериментального высоковязкого тяжелого топлива (ЭВТ) в виде ВТЭ на основе мазута М100 и гудрона (градация представлена в % М100/гудрон–100/0,75/25,50/50,25/75,0/100);
4. Исследовано влияние ВТЭ на процесс формирования и заполнения топки факелом (m);
5. Получены новые данные о снижении потерь от химического и механического недожога и отложений на поверхностях теплообмена при сжигании ВТЭ;
6. Рассмотрен и решен вопрос снижения при сжигании ВВТТ в виде ВТЭ, который позволяет это реализовать на частичных нагрузках;
7. Разработана обобщенная математическая модель расчета и конструирования ГУ, решен вопрос распыливания ВТЭ в центробежных, ротационных, пневма- тических ГУ и формирование факела в объеме топочного пространства;
8. Разработаны методы оптимизации технико-экономических характеристик котла при минимизации затрат на получение заданного количества и качества тепло-вой энергии на стадии конструирования с учетом внешних, внутренних ограничений и новых научно-технических достижений;
9. Разработана оптимизационная программа расчета и конструирования совре-менных котельных установок, на которых используются экспериментально прове-ренные методики сжигания ВВТТ в виде ВТЭ;
10. Сопоставлены результаты технико-экономических характеристик СКУ, выполненных по традиционной и оптимизационной схемам проектирования с учетом наиболее вероятной нагрузки и годовой наработки при сжигании товарного топлива (ТТ) и ВТЭ.
Разработаны математические модели:
- течение и распыливание пленки жидкости в центробежных, ротационных и пневматических форсунках;
- процесс формирования факела в объеме топочного пространства и сгорание топлива;
- программно-аналитического комплекса оптимизационного конструирования котельной установки с учетом внешних и внутренних ограничений для получения технико-экономических характеристик;
- процесса сернокислотной коррозии поверхностей теплообмена с газовой стороны.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается использованием апробированных методик, классическими методами теоретических расчетов по разработанным моделям экспериментальных исследований на специа-лизированных лабораторных, стендовых и судовых производственных котлах, что потверждается государственными авторскими свидетельствами и патентами, актами внедрения разработанных технологий и технических решений.
На защиту выносится:
1. Технико-технологическое единство решений сжигания ВВТТ в судовых котельных установках.
2. Обобщенные модели и теоретические решения процессов сжигания ВТЭ и оптимизация характеристик судовых котельных установок.
3. Новые результаты экспериментальных и промышленных исследований по сжиганию ВВТТ в виде ВТЭ с учетом их физических и теплофизических свойств.
4. Рекомендации инженерного обеспечения конструирования элементов судовых котельных установок и технологий сжигания ВТЭ.
Практическая значимость результатов
Результаты научных исследований автора по сжиганию ВВТТ в виде ВТЭ внедрены на судах рыбопромыслового флота: котел КВС30/1 на т/х «Ильич», т/х «Аскольд», котел типа «Бабкок-Вилькокс», котел КВГ-34К на РМБ «Алексей Чуев», ВТЭ использованы при разработке технической документации на котлоагрегаты
КСВ 4/0,7, КСВ 6,3/0,7 и КВС16/0,7, система ВТЭ успешно испытана на головном к/а КСВ 4/0,7, предусмотрена установка 3-х к/а КАВ16/16М с системами ВТЭ, на к/а КАВ 4/7М ролкеров проекта16075 («Новороссийск» и «Сочи»), после успешных испытаний системы ВТЭ находятся в эксплуатации, а программные продукты «Проект КВ», «Поверка КВ», «Годовая поверка КВ» по обеспечению проектирования (компоновки и конструирования) внедрены при разработке проектов вспомо-гательных котлов КВВА 12/28М, КАВ 4/7-11 и КВ-2, на котле КАВ-1,5, о чем свидетельствуют акты внедрения.
Опыт эксплуатации модернизированных котельных установок с системами ВТЭ может быть рекомендован для внедрения на судах морского флота при сжигании ВВТТ.
Методики оптимизации котельных установок внедрены в ОАО СКБК и в учебный процесс Дальневосточного государственного технического университета и Морского государственного университета имени адм. Г.И. Невельского и могут быть рекомендованы для подготовки судовых механиков в вузах Минобразования и ведо-мственных учебных заведениях.
Апробация. Основные положения работы представлялись на 33 Международ-ных, Всесоюзных и Всероссийских научно-теоретических, практических и методи-ческих конференциях.
Публикации. Материалы диссертации изложены в 59 публикациях, в том числе в двух монографиях и 9 статьях в центральных научных изданиях, рекомендованных ВАК и 15 авторских свидетельствах и патентах.
Содержание и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 112 наименований и 3 приложения. Содержит 302 страницы машинописного текста, 109 рисунков, 36 таблиц.
