Содержание к диссертации
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 7
ВВЕДЕНИЕ 12
ГЛАВА 1. ВТОРИЧНЫЕ ЭНЕРГОРЕСУРСЫ МОД И СПОСОБЫ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 15
1.1- Современные МОД ведущих дизелестроительных фирм 15
1.1.1. Современные МОД фирмы MAN B&W Diesel A/S 15
1.1.2. МОД фирмы Wartsila New Sulzer Diesel 20
1.1.3. Современные МОД фирмы Mitsubishi Heavy Industries 22
1.1.4. Отечественные (лицензионные) МОД 24
1.2. Количественный и качественный анализ вторичных энергоресурсов МОД 27
1.2.1. Энергетический баланс МОД 27
1.2.2. Эксергетический баланс МОД 29
L23- Результаты анализа вторичных эпергоресурсов МОД 31
1.3. Потребители тепловой и электрической энергии на морских транспортных судах 35
1.3.1. Тепловые потребители 35
1.3.2- Потребители электрической энергии 39
1.4. Анализ современного состояния использования вторичных энергоресурсов МОД 42
1.4.1. Традиционные системы утилизации теплоты 42
1.4-2. Комплексные системы утилизации 54
1.4-3. Турбокомпаундные, вал о генераторные и комбинированные системы 62
1.4-4- Использование холодильных машин, тепловых насосов и органических теплоносителей в утилизационных установках 72
1.4.5, Сравнение эффективности энергосберегающих систем МОД 80
1.4.6. Классификация энергосберегающих систем судовых дизелей 84
1.5. Постановка задачи исследования 86
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ 92
2.1. Специфика решаемой задачи и се математическая формулировка 92
2,2- Объекты оптимизации и принципы их исследования 100
2.3. Графы систем утилизации теплоты и их анализ 110
2.4. Выбор комплекса оптимизируемых параметров 122
2.5. Критерии эффективности ГД и дизельной установки 127
2,5.1, Показатели энергетической эффективности 127
2.5-2. Массовые показатели 130
2.5.3. Технико-экономические показатели 134
2.5.4. Выбор целевой функции 136
2.6. Анализ эффективности и выбор метода нелинейного программирования 141
2.6.1, Классификация методов нелинейного программирования...141
2.6.2, Расчетное исследование эффективности методов нелинейного программирования 144
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ МОД С ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮ - ЩИМИ СИСТЕМАМИ 154
3.1. Параметры и характеристики МОД на номинальном и долевых режимах работы 154
3.2. Математические модели основных блоков систем утилизации теплоты МОД 164
3.2Л. Блок утилизационного котла 164
3.2.2, Блок утилизационного турбогенератора 172
3.2-3- Блок воздухоохладителя 183
3.2.4. Контур пресной охлаждающей воды 188
3.2.5. Блок маслоохладителя ГД 192
3.3. Алгоритм расчета тепловой схемы комплексной системы утилизации теплоты 195
3.4. Определение характеристик замыкающих звеньев 207
3.5. Особенности моделирования валогенераторных, турбокомпаундных и комбинированных систем 213
3.6- Программный комплекс для оптимизационных исследований энергосберегающих систем МОД 219
ГЛАВА 4. ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ И СХЕМНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ МОД МОРСКИХ ТРАНСПОРНЫХ СУДОВ 223
4.1. Формирование исходных данных 223
4.1-1. Данные главного двигателя 223
4.1.2, Общесудовые данные 224
4. L3. Данные вспомогательной установки 225
4.2. Танкер дедвейтом 60 тыс. тонн отечественной постройки 227
4.2.1. Результаты оптимизации энергосберегающих систем МОД 8L60MC при работе дизельгенераторов на легком топливе 227
4.2.2, Основные результаты оптимизации утилизационных систем при работе дизельгенераторов на тяжелом топливе 235
43- Танкернпродуктовоз дедвейтом 45 тыс. тонн (проект Болгарии)...240
4,3.1. О соотношении цен на альтернативное энергетическое оборудование для условий отечественной и зарубежной постройки судна -240
4.3-2. Основные результаты оптимизации энергосберегающих систем МОД 4RTA84M: 243
4A Контейнеровоз дедвейтом 47 тыс. тонн германской постройки 248
4.4.1. Параметрическая и схемная оптимизация систем утилизации теплоты МОД 7L80MC 248
4.5. Выводы и рекомендации 258
ГЛАВА 5, ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ МОД 260
5.1 Алгоритмы поверочных расчетов основного утилизационного оборудования и тепловых схем 260
5.1.1. Блок утилизационного котла 260
5.1.2. Блок воздухоохладителя 263
5.13. Блок утилизационного турбогенератора 265
5Л.4. Контур пресной охлаждающей воды 266
5 Л .5. Последовательность расчета статических характеристик систем утилизации теплоты МОД 267
5.2. Сравнение расчетных данных с результатами теплотехнических испытаний системы утилизации МОД танкера «Борис Бутома»...270
5.3. Формирование исходных данных 275
5.4. Статические характеристики комплексной системы утилизации теплоты МОД 8L60MC танкера дедвейтом 60 тыс. тонн 276
5.4Л. Блок утилизационного котла 276
5.4-2- Блок воздухоохладителя 280
5.4.3. Контур пресной охлаждающей воды 282
5.4.4. Интегральные характеристики комплексной системы утилизации 283
5-5. Статические характеристики других вариантов энергосберегающих систем 285
5.6. Сравнение эффективности систем утилизации на режимах долевой мощности 287
5.7. Пути обеспечения и повышения надежности энергосберегающих систем 292
ГЛАВА 6. РАБОТОСПОСОБНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭНЕРГО - СБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ МОД ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ В РАЗЛИЧНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ЗОНАХ 295
6.1. Влияние внешних условий эксплуатации на параметры МОД и уровень энергопотребления на судне 295
6.2, Работоспособность и эффективность комплексной системы утилизации теплоты МОД 7L80MC контейнеровоза при изменении параметров окружающей среды 297
6.3- Статические характеристики комплексной системы утилизации при северных условиях эксплуатации 300
6.4. Сравнительная оценка эффективности энергосберегающих систем при изменении условий эксплуатации судна 305
6.5. Выводы и рекомендации 314
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 316
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 320
ПРИЛОЖЕНИЯ 337
Приложение 1. Параметры современных МОД ведущих дизелестроительных фирм 337
Приложение 2. Анализ функциональных связей и матриц графов 344
Приложение 3. Вспомогательные зависимости 355
Приложение 4, Исходные данные для оптимизации и исследования статических характеристик энергосберегающих систем 359
Приложение 5, Параметры и характеристики оборудования оптимальных вариантов систем утилизации теплоты МОД 363
Приложение 6. Результаты поверочных расчетов систем утилизации теплоты МОД 8L60MC 370
Введение к работе
Экономия энергетических ресурсов относится к главнейшим задачам транспортного и энергетического машиностроения. Одним из путей ее решения является создание высокоэкономичных двигателей с эффективными энергосберегающими системами.
В настоящее время основными двигателями судов морского транспортного флота являются малооборотные дизели (МОД) ведущих днзелестроительных фирм и их лицензиатов- Это обусловлено высокими КПД таких двигателей, а также широкими диапазонами мощностей и частот вращения, способными удовлетворить требования большинства заказчиков и судовладельцев. Так, фирма MAN B&W выпускает 25 моделей МОД (программа 2000 года), которые в целом могут обеспечить номинальную мощность от 1100 до 68640 кВт и номинальную частоту вращения от 57 до 250 мин"1.
Однако применение современных МОД вызывает проблему обеспечения потребностей ходового режима судна в тепловой и электрической энергии за счет вторичных энергоресурсов» т,е. без дополнительных затрат топлива. Уменьшение теплоты отработавших газов МОД до 27 - 29 % (от теплоты сгорания топлива) и их температуры до 235 - 270 °С делает малопригодным традиционные системы глубокой утилизации. Комплексные системы, использующие теплоту отработавших газов, наддувочного воздуха и пресной воды, охлаждающей втулки цилиндров МОД, повышают теплоиспользование в дизельной установке, но и значительно её усложняют. Это связанно с применением более крупных и дорогих утилизационных котлов, паровых турбин, дополнительного теплообмен ного оборудования и необходимости их оснащения разветвленными системами автоматики.
В качестве альтернативы традиционным и комплексным системам могут рассматриваться валогенераторные, турбокомпаундные и комбинированные (валогенсратор - турбокомпаунд) системы, производство которых освоено зарубежными фирмами
Многообразие вариантов использования вторичных энергоресурсов главных двигателей и способов выработки тепловой и электрической энергии на судах не позволяет заранее утверждать какой из них будет лучшим в тех или иных условиях. Поэтому выбор для конкретного судна наиболее целесообразного варианта энергосберегающей системы и ее параметров является актуальным и относится к классу оптимизационных проектировочных задач.
Эффективность энергосбережения на судне во многом определяется как типом систем утилизации, так и реальными условиями эксплуатации, к которым, прежде всего, относятся режимы работы судна и главного двигателя (ГД), а также параметры окружающей среды. Морские транспортные суда эксплуатируются в различных климатических зонах и часто, с целью экономии топлива, на экономических ходах с соответственно низкими коэффициентами использования мощности главного двигателя. По данным ЦНИИ МФ эти коэффициенты для танкеров и сухогрузов составляют 57 - 82 % [85], Поэтому реальные эксплуатационные режимы судовых дизелей являются долевыми.
Изменение условий эксплуатации отражается на экономичности двигателя и потенциале его вторичных энергоресурсов, уровне тепло- и электро потребления на судне и, следовательно, на параметрах и характеристиках энергосберегающих систем. При этом оборудование таких систем будет работать на нерасчетных режимах с соответствующим изменением эффективности и надежности. Это положение требует комплексного исследования статических характеристик утилизационных систем, которые до сих пор не были исследованы с точки зрения рационального перераспределения энергетических потоков, направленного, прежде всего, на повышение эффективности МОД и его энергосберегающих систем. Поэтому задача поддержания работоспособности и эффективности энергосберегающих систем на долевых режимах МОД и при изменении параметров окружающей среды является актуальной. Широкое применение современных МОД на транспортных судах, а также постоянный рост цен на нефть и нефтепродукты делают эту проблему еще более важной.
В соответствии с представленной проблемой и направлениями ее решения цель диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:
-повышение эффективности энергосберегающих систем современных МОД на основе параметрической и схемной оптимизации и исследования статических характеристик при изменении внешних условий эксплуатации.
При выполнении диссертационной работы были получены следующие основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-методика оптимизации параметров и оценки эффективности энергосберегающих систем современных МОД;
— математические модели, алгоритмы и программы по проведению проектировочных и поверочных расчетов утилизационного оборудования судовых дизелей различного класса и назначения;
-результаты численного эксперимента по сравнению методов нелинейного программирования;
— оптимальные значения параметров и сравнительная эффективность ди- зельгенераторных, турбогенераториых, комплексных, валогенераторных и комбинированных энергосберегающих систем МОД морских транспортных судов;
-статические характеристики блоков утилизационного котла,-турбогенератора, воздухоохладителя, контура пресной охлаждающей воды и систем утилизации теплоты МОД в целом;
— результаты сравнения эффективности и работоспособности различных энергосберегающих систем в широком диапазоне режимов МОД и при эксплуатации судна в различных климатических зонах.
