Глава 7. Пути повышения эффективности эксплуатации судовых дизельных энергетических установок.

7.1. Способы повышения эффективности эксплуатации.

Применительно к объектам водного транспорта проблема энергосбережения обосновывается значительным наличием резервов экономии горюче-смазочных материалов, теплоты, энергии, а также широкой возможностью их практического использования без существенных затрат на создание нового технологического оборудования.

В условиях перехода к рыночным отношениям правовой базой, закрепляющей основные направления всех сфер деятельности, связанных с экономией топлива и энергии, является Федеральный Закон от 23.04.1996 г.№28-ФЗ «Об энергосбережении», принятый Государственной Думой ФС РФ 13.03.1996 г. Его основная цель заключается в создании и использовании автоматизированного управления энергопотреблением, энергоэффективных технологий топливо-энергопотребляющего и диагностического оборудования, конструкционных и изоляционных материалов, а также для контроля и учета расхода энергетических ресурсов.

Создание высокоэффективного энергосберегающего оборудования основывается на решении комплекса научно - технических задач в следующих направлениях: исследование, разработка и реализация эффективных теплотехнических принципов осуществления технологических процессов и их отдельных стадий, а также способов организации тепло - и энергоиспользования в технологических установках; разработка и оптимизация конструктивных схем технологических комплексов, теплотехнических элементов установок и их компоновок.

По существу меры, предусматривающие законом «Об энергосбережении» и направленные на эффективное использование топливо - энергетических ресурсов, призваны обеспечить высокий уровень полезности любого вида энергии, в частности, применительно к судовым условиям, в виде теплоты и работы. Ценность конкретной формы зависит от температуры ее носителя (рабочего тела) по отношению к окружающей среде. Высокая экономичность процессов, связанных с преобразованием топлива, может быть обеспечена путем наилучшего способа более полного использования его располагаемой работы (энергии). Для судов - это выполнение транспортной работы, получение электроэнергии в объеме, необходимом для информационного обеспечения безопасности и высокого уровня жизнеобеспечения пассажиров и экипажей, сохранности перевозимого груза и защиты окружающей среды.

В системе управления энергосбережением, топливо - и маслоиспользованием на судах наряду с различными, с точки зрения иерархии, можно выделить два направления: ТЭ в целом СЭУ и их элементов, обеспечивающую эффективное топливо- и маслоиспользование в каждом рейсе; информационно-техническое обеспечение и автоматизацию технологических процессов топливо- и маслоиспользования, а также оптимизацию их расхода. Первое - объединяет большой класс эксплуатационных задач, решение которых непосредственно влияет на эффективность и качество работы СЭУ и его оборудования и, соответственно, расход топлива и масла. К ним можно отнести: мероприятия по проведению теплотехнического контроля и контрольно-наладочных испытаний, исключающие появление недопустимых расходов топлива и масла; обеспечение высокоэффективных технологических схем и режимов работы отдельного оборудования (ВК, УК, технические средства топливоподготовки и др.); замена изношенных ГД и ВД новыми или прошедшими капитальный ремонт; использование двухтопливной системы и средств топливоподготовки; использование тяжелых сортов топлива и вторичных нефтепродуктов, увеличение объемов потребления смеси моторного и дизельного топлива; реализация мероприятий по рациональному использованию масел и их регенерация; упрощение системы учета и нормирования расхода топлива и масла.

Таким образом, рентабельность работы судна в значительной степени зависит от научно-обоснованной и рациональной системы ТЭ СЭУ, которая во многом определяет эффективность использования топливно-энергетических ресурсов, уровень безопасности плавания и экологические последствия перевозок. Это подтверждается следующей информацией: доля повреждений, в частности приходящихся на ЭУ по судну, составляет ~ 90%, затраты, связанные с ее ТЭ, - ~ 70%, а объемы работ по ТО — 40%; стоимость расходуемого топлива от себестоимости перевозимого груза достигает ~ 50%.

Себестоимость ТЭ судна складывается из затрат на заработную плату обслуживающему персоналу, топливо, амортизационные отчисления, ремонт, смазочные материалы и навигационные расходы, включающие две составляющие (реновационную, ремонтную), и зависящие от водоизмещения. Их взаимная связь такова: с увеличением водоизмещения реновационная снижается, а ремонтная возрастает. Наиболее значительными являются затраты на топливо и амортизационные отчисления (например, для танкеров они составляют соответственно 32% и 30%, т.е. в совокупности более 60%). Затраты на масло составляют ~ 5%. На себестоимость перевозки грузов значительное влияние оказывают затраты, связанные с расходом топлива и масла (расходы на содержание судна на 60% определяются себестоимостью топлива и смазочных материалов). Поэтому правильное их нормирование в зависимости от режимов работы судна и мощности ГД имеет важное значение в снижении общих эксплуатационных расходов.

Среди ЭУ, используемых на транспортном флоте, преобладающее распространение получили ДЭУ, благодаря присущих им достоинств. Современные тенденции развития ДЭУ связаны с улучшением весогабаритных характеристик, ростом агрегатных и цилиндровых мощностей, повышением надежности, снижением трудозатрат на ТО, а также утилизацией тепла в целях дальнейшего повышения экономичности.

В качестве главного элемента ДЭУ преимущественно используется два конструктивных типа - МОД и СОД. Интенсивный путь развития первых связан с нахождением решений, позволившим сжигать в них дешевые сорта топлив и увеличивать форсировку за счет газотурбинного наддува. Первой из ведущих дизелестроительных фирм, построившей ГД с газотурбинным наддувом, является «Бурмейстер и Вайн». Этим объясняется значительный прогресс, достигнутый по их основным характеристикам. Менее, чем за 20 лет достигнуто увеличение цилиндровой мощности в три раза при одновременном улучшении удельных весовых и габаритных характеристик. Аналогичный путь развития прошли ГД других ведущих дизелестроительных фирм, например, «Зульцер» (Швейцария), «МАН» (Германия). Двигатели этих фирм обеспечили ~ 70% установленной мощности на судах. В последнее время ведущими фирмами разработаны новые мощностные ряды МОД, обеспечивающие диапазон агрегатной мощности от 4,0 тыс. до 35 тыс.кВт при скорости вращения вала от 228 до 103 об/мин. (Двигатели KGF, RND, KSZ, работающие на один гребной винт, обеспечивают мощностной диапазон до 40 тыс.кВт). Отличительная особенность современных МОД заключается в способности работать на дешевых низкокачественных моторных сортах топлив с содержанием серы до 3,5%. В этом случае, при условии использования высококачественных цилиндровых масел, может быть обеспечен высокий моторесурс и, соответственно, ЭН. Одним из эффективных путей повышения цилиндровой мощности ГД и снижения удельного расхода топлива считается увеличение среднего эффективного давления за счет совершенствования газотурбинного наддува, однако более перспективное направление - глубокая утилизация тепла УГ и охлаждающей воды ГД.

Основными проблемами, связанными с созданием МОД, являются рост механических и тепловых нагрузок, обеспечение высокой надежности, снижение трудозатрат на ТО и разработку инструмента и приспособлений, позволяющих ускорить процесс монтажных и демонтажных работ. Исходя из предъявляемых требований, современные типы МОД должны иметь: ресурс до капитального ремонта более 100 тыс.часов, но не менее установленного срока службы судна, продолжительность работы между переборками с выемом поршней - не менее 12 тыс.часов; ресурс непрерывной работы - не менее 1,5 тыс.часов.

Эксплуатационные качества ДЭУ в процессе ее ТЭ в значительной степени определяются качеством ТО, зависящего от уровня квалификации обслуживающего персонала, видом применяемого топлива и масла, наличием необходимого объема запасных частей и рядом других факторов. Существенное снижение эксплуатационных расходов (в частности, затрат на топливо, ремонт и масло) может быть достигнуто путем повышения тепловой экономичности ДЭУ и ЭН ее оборудования. Учитывая, что расходы на топливо и масло оказывают значительное влияние на себестоимость перевозимого груза, поэтому важное значение в снижении эксплуатационных расходов отводится процессу их нормирования при ТЭ судна и ДЭУ на различных режимах работы (длительность полного хода, например, танкеров составляет более 60%, стоянки без грузовых операций - 20%, а транспортного судна, основная часть рейса которого приходится на режим полного хода, при этом мощность ГД не превышает 90% номинального значения).

Из используемых видов масел (цилиндровое, циркуляционное, турбинное, компрессорное) наибольший расход приходится на циркуляционное, складывающийся из расхода, заливаемого в циркуляционную систему ГД, и на добавку, компенсирующую угар и утечки. Продолжительность работы масла в системе в ДЭУ с МОД составляет 15-20 тыс. часов, а в СОД - от 3 до 5 тыс. часов. Расходы масла в ДЭУ составляют от 2,5 до 4% от расходов на топливо, однако при этом следует учитывать, что стоимость масла в несколько раз превышает стоимость топлива.

Экономический КПД современных ДЭУ с учетом утилизации тепла УГ и охлаждающих жидкостей достигает 40%. Анализ теплового баланса ГД показывает, что с УГ и охлаждающей водой уносится примерно в 1,5 раза больше тепла, чем преобразуется в полезную работу. В то же время эффективность ТЭ судов существенно зависит от уровня ЭН, так как, например простои в море вследствие отказов элементов ДЭУ и их последующее восстановление могут привести к значительному экономическому ущербу. Основными факторами, определяющими эффективность ТЭ судна и ДЭУ в целом, являются: уровень ТС основного оборудования, зависящий от отношения обслуживающего персонала к его ТИ и ТО; экономия топлива и масел в сравнении с плановым расходом, достигаемая за счет оптимизации режимов работы ГД; уровень квалификации обслуживающего персонала; обеспечение защиты окружающей среды. По оценке экспертов ЦНИИМФа каждая разлитая в море тонна нефти наносит ущерб, оцениваемый до 25 тыс. долларов США.

Одно из важных направлений повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов ДЭУ - это применение установок, позволяющих в максимальной степени утилизировать тепло УГ и охлаждающей воды. Опыт ТЭ таких установок на отечественных и зарубежных судах показывает, что экономия топлива может достигать 8 -14%. Наибольший экономический эффект от утилизации тепла УГ достигается при использовании пара в ТА вследствие высокого КПД (0,88-0,92), меньший от использования ТГ из-за низкого термического КПД цикла для параметров пара УК, наименьший - от применения ходовой турбины (в этом случае экономится относительно дешевое моторное топливо при низком термическом КПД цикла). Поэтому в мощных ДЭУ целесообразно максимальное использование тепла УГ ГД. Решение вопросов, связанных с утилизацией тепла, зависит не только от мощности ДЭУ, но и от других факторов (тип и назначение судна, тип ГД, продолжительность ходового времени и т.п.).

Вопросам обеспечения высокой топливной экономичности судов морского назначения всегда уделялось повышенное внимание. Изыскание новых путей снижения эксплуатационных расходов топлива и масел, а также реализация имеющихся резервов особенно стали актуальными в последнее десятилетие в связи с глобальными энергетическими проблемами и высокой стоимостью нефтяного топлива и масел. Существенным образом возросли и абсолютные затраты на топливо и масла в связи с увеличением скоростей и повышенной энерговооруженностью специализированных судов. Требования высокой экономичности привели к преимущественному использованию на судах ДЭУ и внедрению ряда мер, повышающих их КПД и удельную производительность на основе оптимизации эксплуатационных режимов. Значительные успехи достигнуты в области повышения экономичности СД, их эффективный КПД превысил 50% за счет: форсирования путем совершенствования систем газообмена, наддува и повышения КПД турбокомпрессоров; применения длинноходовых и сверхдлинноходовых конструкций с прямоточно-клапанной продувкой, керамики и композитных материалов и организации рабочего цикла с высоким значением давления сгорания; использования энергии УГ в силовых турбинах. Находят дальнейшее развитие и традиционные пути снижения расходов топлива на основе утилизации тепловых потерь и совершенствования пропульсивных качеств ДЭУ за счет применения длинноходовых МОД, работающих непосредственно на гребной винт с пониженной на 25-35% частотой вращения. В таких конструкциях ГД, благодаря увеличению отношения объема камеры сгорания к ее поверхности, потери тепла в охлаждающую среду могут быть снижены на 20-30%. Эффективность малоразмерных ГД может быть повышена на основе реализации принципа компаундирования (объединения) поршневой части с силовой турбиной, передающей до 10-15% суммарной мощности на вал. Теоретически КПД компаундированного ГД может быть доведен до 60%. Несмотря на достигнутые успехи проблемы, связанные с созданием высокоэффективных ДЭУ и обеспечением максимальной экономии горюче-смазочных материалов, по-прежнему остаются. Базой для решения этих проблем является количественная оценка эффективности систем утилизации тепла, выбор рациональных режимов работы ДЭУ, совершенствование элементов систем смазки и оценка их ЭН. В принципе существующие способы исчерпывают возможности воздействовать на экономические показатели ДЭУ. Поэтому дальнейшее повышение их КПД полностью зависит от степени утилизации тепловых потерь и способа привода вспомогательных механизмов. В настоящее время, несмотря на многообразие методов утилизации тепловых потерь в ДЭУ, направленных на удовлетворение собственных нужд судна в тепле, паре, электроэнергии, воде и холоде, единой точки зрения по рациональной их глубине для конкретного судна нет. Поэтому необходимость решения задачи по экономическому и термодинамическому обоснованию рациональной глубины утилизации, например тепла УГ, и способов утилизируемой энергии с учетом различных факторов и особенностей ДЭУ и судна (назначение, относительное ходовое время при эксплуатационной нагрузке, район плавания, мощность, сорт топлива и масла и т.п.), по-прежнему остается.

Взаимосвязь между утилизируемой энергией УГ и, например, экономией топлива, может быть выражена в виде следующей схемы: направление - объект (ТА, ТГ, ходовая турбина). При направлении утилизируемой энергии на ТА или гребной вал экономится дешевое моторное топливо, а на ТГ - дорогое дизельное. Сравнительный анализ этих вариантов утилизируемой энергии по показателю уменьшения себестоимости энергии за счет топливной составляющей при переводе ДЭУ на газопаровой цикл позволяет сделать следующее заключение: наибольшая экономия от утилизации тепла УГ имеет место при использовании пара в ТА (подогрев груза, топлива, отопление и т.п.), имеющих КПД более 90%; менее целесообразен вариант использования пара в УТГ, несмотря на более высокую стоимость сэкономленного топлива вследствие низкого термического КПД цикла Ренкина для возможных параметров пара УК, но нашедший наибольшее распространение в судовой практике из-за ограниченной мощности ТА; наименьшая экономия достигается при реализации варианта ходовой турбины с передачей ее энергии на гребной вал из-за низкого термического КПД цикла, несмотря на экономию, относительно дешевого топлива; выбор целесообразности реализуемого варианта схемы направление-объект должен быть обоснован технико-экономическими расчетами.

Анализ опыта ТЭ судов и результатов исследований, проведенных отечественными и зарубежными специалистами в области использования широко развитой системы утилизации тепла УГ показывает, что приращение затрат на ТО и ремонт с избытком компенсируется сокращением трудозатрат на моточистки ДГ, некоторым увеличением провозоспособности судна. При этом следует отметить, что из суммарной стоимости используемого утилизационного оборудования 80-90% приходится на УК и ТГ различной модификации турбины с одно и двухступенчатыми редукторами, гидромуфтой, генератором, а оставшиеся 10-20% - на ВО (конденсатор, насосы, трубопроводы и т.п.). Себестоимость энергии, вырабатываемой ДЭУ при утилизации тепла УГ, определяется рядом факторов, в частности: степенью утилизации тепла; ходовым временем судна; температурой газов перед УК; режимом работы комплексов ГД-УК; методом использования утилизируемой энергии (ТА, ТГ, ходовая турбина). Наиболее существенное влияние оказывает относительное ходовое время судна. Например, при его уменьшении от 0,9 до 0,3 экономическая эффективность от утилизации тепла УГ снижается более чем в четыре раза по причине длительных простоев ТГ. Для ДЭУ, работающих по газо-паровому циклу, с относительным ходовым временем на эксплуатационном режиме более 50% степень утилизации тепла УГ должна соответствовать температуре, превышающей на 50-60°С точку росы при используемых сортах топлива. В этом случае при мощностях ГД более 15-20 МВТ с экономической точки зрения целесообразно использовать ходовую турбину. Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в Астраханском государственном техническом университете, а также анализ загрузки ГД и ВД (авторы Коршунов Л.П., Маницын В.В.) показывают, что имеет место недостаточная эффективность использования тепла УГ на долевых режимах работы комплекса ГД-УК, составляющих большую часть времени ГД рыбопромысловых судов. Несовершенными являются методики расчетов и выбора УК, отсутствуют обоснованные рекомендации по их ТЭ. Поэтому для решения такого рода задач необходимо проводить исследования, направленные на схемное и режимное совершенствование совместной работы комплекса ГД-УК при работе на долевых режимах.

Заслуживает внимания концепция ТЭ ДГ предлагаемая фирмой "MAN-B&W Diesel", состоящая в распределении функций между ДГ в таком соотношении: один основной, работающий на тяжелом топливе постоянно, как и ГД (на ходу, при маневрировании, на стоянке), а два других находятся поочередно один в горячем резерве, а второй - в запасе и работают кратковременно в случае остановки основного ДГ. В случае резкого увеличения мощности ДГ вступает в работу, разработанная фирмой струйная система ускорения ТК, а также может быть использована интегрированная система ТН (ICS), позволяющая при необходимости направлять воздух от ТК ГД на ДГ, обеспечивая его надежную работу на малых нагрузках. Такая концепция основного ДГ дает возможность реализовать комбинацию дизель-газотурбогенераторного агрегата с силовой турбиной ГД.

Таким образом, повышение эффективности использования органического топлива и масла в ДЭУ было и остается актуальной задачей. Одним из перспективных путей ее решения, а во многих случаях и единственным, является утилизация УГ ГД и ВД, а также оптимизация расхода масла в процессе их ТЭ.

7.2. Эффективность использования систем утилизации тепла вторичных энергоресурсов.

Несмотря на относительно высокую тепловую экономичность ДЭУ, потери тепловой энергии от сожженного в ГД топлива составляют более 50%. Поэтому вопрос их утилизации по-прежнему является актуальным. Практические возможности утилизации тепла зависят от ряда причин (мощность ГД, температура вторичных энергоресурсов, потребность в низко потенциальном тепле и др.). При мощности ГД более 6-8 тыс.кВт абсолютное количество отводимого тепла существенно превышает потребности общесудовых потребителей, что создает предпосылки для использования его в энергетических целях.

В ДЭУ основными источниками вторичных энергоресурсов являются УГ и пресная охлаждающая вода, имеющие различный температурный потенциал. Возможность использования тепла охлаждающей пресной воды из-за низкого температурного потенциала ограничивается вакуумными испарителями и подогревателями воды для общесудовых нужд. Температурный потенциал УГ по сравнению с охлаждающей пресной водой превосходит ее ~ в 5-6 раз, а поэтому эффект от утилизации их тепла более существенный. Для его практической реализации используются системы утилизации тепла уходящих газов (СУТУГ) в паровом цикле с ТГ, обеспечивающим электроэнергией ходовой режим судна. Однако тепло УГ может быть использовано в целях получения пресной воды, пара для общесудовых нужд, а также холода для кондиционеров и рефрижераторных установок. Исходя из этого, основным путем снижения расходов топлива в ДЭУ является использование СУТУГ.

Препятствием широкого внедрения СУТУГ на судах различного функционального назначения является целый ряд причин. Для судов большого тоннажа (включая и новые типы) растут затраты мощности на привод ВО, обслуживающего ГД, возникает потребность в обеспечении холодом значительного числа рефрижераторных контейнеров. Для судов типа РО-РО большие мощности затрачиваются на вентиляцию трюмов. Для универсальных сухогрузов и танкеров умеренного тоннажа с ГД мощностью до 15000 кВт характерен рост мощностей судовой электростанции (СЭС), обусловленный повышенными затратами энергии на автоматизацию, бытовые системы, электронавигационные комплексы, системы трюмного кондиционирования и т.д. Следует отметить, что на судах отечественного флота за последние 20 лет мощности СЭС удвоились. Для ГД перспективной постройки трудности использования СУТУГ связаны с перераспределением статей теплового баланса. К другим причинам можно отнести ТЭ ГД с пониженной мощностью, завышение мощности СЭС из-за низкой экономичности ВО, недостатки в проектировании систем, низкую экономичность ТГ, применяемых в системах, и др. Отсюда следует, что дальнейшие перспективы применения на судах СУТУГ связаны с оптимизацией энергетических затрат на вспомогательные нужды, с использованием утилизационных установок новых типов, а также комплексов утилизации для судов различных типов.

Сравнительный анализ отечественных и зарубежных СУТУГ в ДЭУ показывает, что последние имеют ряд преимуществ (меньшие габариты УК за счет шипования и оребрения труб, более глубокое использование тепла УГ t_ух<180°С вследствие применения топлив с более благоприятными характеристиками, более высокой экономичности ТГ). Однако зарубежные СУТУГ имеют и более сложные схемы «пар-конденсат», так как предполагают применение подогревателя питательной воды, котлов с двумя давлениями пара, специальных генераторов пара низкого давления, работающих на циркуляционной воде УК, отбор пара от ТТ. В современных условиях, учитывая тенденцию перехода к безвахтенному обслуживанию ДЭУ, утилизационные системы и их комплектация должны быть максимально упрощены с точки зрения простоты регулирования и минимальной трудоемкости их ТО. Исходя из этого, на судах отечественного транспортного флота наибольшее распространение получили простейшие утилизационные установки с использованием паровых УК и испарителей. На нефтеналивных судах мощностью свыше 8000 кВт СУТУГ имеют в своем составе мощные УК и ТГ.

Решение задач, связанных с оптимизацией СУТУГ, обусловлено расширением диапазона применения ТГ, а также получением дополнительных количеств пара и электроэнергии в ходовом режиме с ДЭУ. Для этого могут быть использованы различные пути (снижение нагрузки ТГ за счет уменьшения мощности, расходуемой в ходовом режиме судна основными потребителями; применение утилизационной холодильной машины (УХМ) в кондиционерах, уменьшающих нагрузку СЭС; использование тепла охлаждающей воды в УК с легко кипящими рабочими жидкостями; создание систем испарительного охлаждения ГД). Снижение нагрузки ТГ может быть осуществлено двумя путями (уменьшением мощности главных циркуляционных насосов, составляющих до 30% нагрузки СЭС, и приведение их в действие от ГД). Способ приведения механизмов от МОД и СОД в ДЭУ находит широкое распространение и осуществляется с помощью валогенераторов (ВГ) и гидроприводов. Аналогом такого решения является система гидропривода Гинар, обеспечивающая смазку и охлаждение ГД фирмы ФИАТ мощностью ~ 13000 кВт. Анализ результатов выполненных расчетов показывает, что использование гидропривода для вспомогательных механизмов дает возможность расширить область применимости УТГ с точки зрения снижения мощностного диапазона ГД с ~ 13000 кВт (при удельном расходе пара d_ТГ = 9кг/кВт) до 9000 кВт и менее (при d_ТГ =7 кг/кВт). Использование УХМ позволяет снизить нагрузку СЭС до 10-15% за счет отсутствия в них наиболее энергоемких потребителей (компрессоров). Из существующего многообразия УХМ (абсорбционные, пароэжекторные и т.п.) для ДЭУ наиболее приемлемыми являются бромисто-литиевые, используемые в кондиционерах и в качестве средств дополнительного охлаждения наддувочного воздуха. Исследования тепловых балансов перспективных типов ДЭУ с МОД показывают, что их применение позволяет снизить температуру наддувочного воздуха с 30-40°С до 5-10°С и, таким образом, существенно увеличить мощность ГД. Однако их использование не позволяет произвести утилизацию значительного количества тепла, выделяемого в системах охлаждения ГД из-за низкого температурного потенциала охлаждающей среды. Решение задачи в такой постановке может быть осуществлено путем использования низкокипящих жидкостей (например, фреонов). Комплексное использование ВЭ (УГ, охлаждающей пресной воды) с высоким и низким температурным потенциалом ГД ДЭУ может быть реализовано во фреоновых утилизациооных установках, состоящих из двух контуров (фреонового, пароводяного). Получаемый в них пар может быть использован в качестве рабочего тела в ТГ, холодильных турбокомпрессорах, турбокомпрессорах для наддува, турбоприводных грузовых и балластных насосах и т.д. Однако практическое применение таких установок в ДЭУ связано со значительными трудностями. Одна из них - утечка фреона в процессе ТЭ. Поэтому целесообразность использования фреоновых турбин ограничивается их количественной величиной, которая должна быть менее 0,001%. Сравнительный анализ эффективности применения паровых и фреоновых утилизационных установок показывает, что в реальных условиях мощность фреонового ТГ примерно в три раза меньше парового, а мощности циркуляционных насосов котлов и конденсаторов существенно больше и составляют соответственно в 10-15 и 4-5 раз. Повышение мощности утилизационного фреонового ТГ примерно на 15-20 кВт может быть достигнуто путем реализации цикла утилизационной установки, в котором парообразование осуществляется за счет тепла охлаждения ГД, а подогрев и перегрев фреона - в специальном фреоновом котле за счет тепла УГ ГД. По аналогии с фреоновым циклом возможен и другой путь использования тепла охлаждающей воды ГД - это реализация пароводяных циклов, основанных на высокотемпературном охлаждении (ВТО). Актуальность такого подхода подтверждается значительным интересом зарубежных дизелестроительных фирм (например, в США: Купер-Бессемер, Фербенкс-Морзе, Вортингтон, Мирлис и др.). В частности, двигатели фирм Энрерпрайз и Нордберг с температурой охлаждающей воды 120°С используются на речных толкачах умеренной мощности. В ДЭУ с МОД по сравнению с тронковыми СОД реализация такого подхода является более сложной. Это связано с ростом температурного уровня рабочего процесса в цилиндре ГД и, как следствие, с разработкой новых конструкций и материалов, применением более стабильных сортов масел, а также решением вопросов уплотнения в системе охлаждения ГД и теплоизоляции поверхностей.

Принципиально могут быть использованы различные схемы высокотемпературного охлаждения (ВТО), однако наибольший эффект достигается в том случае, когда ГД становится частью испарительной системы УК. При этом в охлаждающих полостях ГД происходит частичное преобразование, а пароводяная смесь сбрасывается в испарительную часть УК. Получаемый, таким образом, пар может быть использован в двух направлениях (основное - в ТГ, турбоприводных механизмах УХМ и др.; частично - для общесудовых нужд). При полном использовании пара в ТГ максимальная потребность в электроэнергии обеспечивается при мощности ГД, начиная с ~ 5500 кВт, а при навешивании части механизмов на ГД - с ~ 3500 кВт.

Особенность системы ВТО состоит в том, что при ее использовании изменяются как эксплуатационные качества ГД, так и ТС его элементов, в частности: увеличивается удельный расход топлива; несколько возрастают эффективные показатели вследствие роста механического КПД, определяемого уменьшением вязкости масла в зазоре между поршнем и зеркалом цилиндровой втулки; повышается температура деталей ЦПГ; происходит уменьшение коррозионного износа деталей ЦПГ, в то же время абразивный износ несколько возрастает. Таким образом, несмотря на гипотетичность и многовариантность решений в создании утилизационных установок с ВТО в ДЭУ, практическая реализация такого подхода позволяет сформировать единую тепловую схему, обеспечивающую высокую экономичность, недостижимую в установках других типов.

Использование ВЭ в ДЭУ позволяет получить существенный экономический эффект, а поэтому находит широкое распространение и на современных судах в виде системы утилизации тепла вторичных энергоресурсов (СУВЭ). В частности, в зарубежной практике получило распространение использование ВГ, турбокомпаундных (ТК) и комбинированных систем (ВГ-ТК). Для нефтеналивных судов СУВЭ отличаются особенностями в комплектовании, а также разнообразием режимов и условиями ТЭ ГД. Использование оборудования в составе СУВЭ позволяет уменьшить затраты на топливо путем обеспечения водо-, паро- и электроснабжения судовых нужд. Его эффективность зависит от ряда факторов, в частности схемных решений, оптимизации режимов работы ГД, технологии ТО и уровня ЭН. Вопрос влияния схемных решений достаточно подробно изучен. Незначительное количество работ посвящено вопросам совершенствования ТЭ СУВЭ судов с газотурбинными установками, а также исследованию причин отказов ДЭУ и их оборудования. Для исследования различных технических решений по компоновке и составу ДЭУ и анализа эффективности СУВЭ на оптимальном режиме нагрузки ДЭУ использовано имитационное моделирование. Объектом исследования явилась обобщенная схема ДЭУ танкера, включающая в себя СУТУГ, наддувочного воздуха, пресной охлаждающей воды, а также различные варианты комплектации СЭС с помощью ДГ, УТГ и ВГ. В качестве основного критерия эффективности (целевой функции) принят дополнительный экономический эффект, получаемый за весь срок службы судна по сравнению с «нулевым» вариантом, не предусматривающим использование ВЭ. Полезный годовой эффект ДЭУ определяется в соответствии с выражением ( предложенный Седельниковым Г.Д.):

П_Г = (Σ_j=1ⁿN_ГДJ + Σ_j=1ⁿ N_OCJ + Σ Q_OCJτJ + Q_OYROY + Q_{ПГРГПРР})Т_НГ, (7.1)

где N_ГД, N_OCJ, Q_OCJ - соответственно эффективная мощность ГД, потребление общесудовым оборудованием электрической и тепловой энергии на j-м режиме; τ _j -относительная продолжительность j-го режима (ход, маневры, стоянка с грузовыми операциями и др.); Q_oy, δ_ох - тепловая нагрузка и продолжительность работы опреснительной установки; Т_нг – годовая наработка установки; i_пгр- энтальпия пара, подаваемого на подогрев груза.

При условии выравнивания рассматриваемого и «нулевого» вариантов целевая функция определяется по формуле:

ΔЭ_сл^о = (Z_ro – Z_r)/(K_p + E_н), (7.2)

где Z_r -общие годовые затраты на установку; К_P- норма реновации; Е_H - норматив приведения разновременных затрат. Для определения массы и стоимости основного оборудования установки, включая и теплообменное (ДГ, УТГ, УК, конденсаторы пара, масло и воздухоохладители, подогреватели воды, насосы) использованы приближенные зависимости с аппроксимацией данных прейскурантов.

В математическую модель вводятся ограничения на диапазон изменения оптимизируемых параметров (скорость и максимальная температура забортной воды в трубках ТА, влажность пара в турбине УТГ и др.), максимальные габариты УК и воздухоохладителя, а также ряд ограничений, обусловленных обеспечением надежной работы оборудования. Оптимизация параметров производится по методу линейного программирования, в частности, используется метод Вейсмана. Цель исследования заключается в решении задач, связанных с анализом эффективности различных вариантов использования ВЭ (газов, воздуха, воды); комплектацией СЭС на основе применения дизель-генераторных, турбогенераторных, валогенераторных, турбокомпаундных или комбинированных агрегатов; выбором наиболее целесообразного способа дополнения недостающей мощности УТГ из возможных вариантов (параллельная работа УТГ и базового ДГ; УТГ и меньшего по мощности ДГ; использования привода основных циркуляционных насосов через гидропередачу от ГД; использование в УТГ пара ВК; перевод части тепловых потребителей с пара на подогретую охлаждающую воду и наоборот). Анализ полученных результатов (авторы Курзон.А.Г., Седельников Г.Д.) показывает, что наибольшее количество электроэнергии за счет утилизации теплоты ГД может быть получено в том случае, когда используются все три источника ВЭ ГД и оборудованного ТК системой. Это дает возможность выработать до 3-4% мощности ГД и снизить удельный расход топлива на 4-5 г/кВт.ч, при этом эффективность работы системы ТК значительно снижается с уменьшением нагрузки ГД. Поэтому при 50-55% мощности ГД систему ТК рекомендуется отключать. В этом случае дополнительный выигрыш по расходу топлива может составить до 2 г/кВт.ч по сравнению с подключенной системой ТК и до 4 г/кВт.ч по сравнению с ГД, не оборудованным такой системой. Использование этой системы позволяет обеспечить 310-350 кВт номинальной мощности, уменьшить расход УГ ГД на 8% и увеличить их температуру на 30°С. Наилучшие результаты достигаются при комплексном использовании ВЭ. Так, утилизация теплоты наддувочного воздуха позволяет уменьшить годовые затраты на топливо до 3%, а общие затраты до 2%. Наибольший эффект достигается при совместном использовании турбокомпрессора с КПД не менее 70% и системы ТК. По сравнению с «нулевым» вариантом затраты на топливо и общие затраты уменьшаются соответственно на 13% и 18%. Эффективность разных СУВЭ существенно отличается с тепловой и технико-экономической точек зрения и в значительной степени зависит от типа используемого в установке топлива. При работе ГД на дизельном топливе наибольшая тепловая эффективность достигается при ТК системе и комплексном использовании всех ВЭ (газы, воздух, вода). Такая система позволяет снизить затраты на топливо до 6% по сравнению с более простой системой.

При работе ГД на тяжелом топливе (основное топливо) эффективность разных СУВЭ меняется. Относительно простая система, хотя и требует больших (на 1 -4%) затрат на топливо, чем системы с воздухоохладителем и УТГ, но в технико-экономическом отношении им не уступает. Таким образом, для установок, работающих на едином тяжелом топливе, простой дизель-генераторный вариант с теплофикационным УК равнозначен новейшим сложным комплексным системам.

Компаундную установку с утилизационной турбиной, передающей энергию гребному винту, целесообразно использовать на судах с ГД мощностью 15000 кВт. В этом случае обеспечивается наиболее полное расходование пара, вырабатываемое в УК, и не требуется дополнительной затраты СЭС в случае внезапного изменения режима ГД. Наиболее удачным является вариант компаундной установки в сочетании с СОД. Утилизационные турбины мощностью до 200 кВт могут быть использованы для приведения в действие масляных, насосов охлаждающей воды и дополнительного воздухонагнетателя. Менее эффективным способом, но более простым является использование дополнительного УК с поверхностью нагрева до 150 м², работающего на выпускных газах ДГ. Достоинство этого варианта заключается в обеспечении паром судовых потребителей на стоянке при выключенном ВК. Кроме того, в этом случае наряду с экономией топлива обеспечиваются условия для осуществления ремонта ВК в порту, что особенно важно при ТО судов с сокращенными экипажами. Анализ эффективности различных схем утилизационных установок применительно к судам типа т/х «Капитан Гаврилов» (ГД 9ДКРН 80/160-4, эксплуатационная мощность 13-14 тысяч кВт., ТГУ-500) свидетельствует о целесообразности проведения модернизационных работ СУВЭ путем включения в существующий УК пароперегревателя, использования перегретого пара в ТГУ-500, который на ходовом режиме позволяет обеспечить судно электроэнергией совместно с ДГ, а также использование дополнительного УК на газовыпускном тракте ДГ. При этом годовая экономия топлива может составить до 550 тонн, а окупаемость произведенных затрат - в пределах четырех лет.

Таким образом, анализ эффективности СУТУГ в ДЭУ нефтеналивных судов показывает, что получение максимального эффекта от использования ВЭ становится многофакторной задачей. По-прежнему актуальными являются вопросы оценки влияния эксплуатационных факторов на эффективность СУВЭ и их оборудования, а также выбора наиболее рационального режима его ТЭ.

Возможны и другие варианты использования тепла УГ ГД, например, отбор их части газовой турбиной, соединенной с коленчатым валом ГД через передачу. В этом случае энергия УГ превращается в механическую энергию и передается ГД, заменяя таким образом часть его мощности, что при той же мощности позволяет снизить расход топлива до 5 г/э.л.с.-ч. Такая конструктивная схема может использоваться в другом сочетании, например, генератор отбора мощности - планетарная передача. В этом случае, по данным зарубежных источников, стандартный генератор монтируется на кронштейнах вдоль фундаментной рамы ГД на стороне выпуска УГ. Для предотвращения скручивания и осевой вибрации генератора и его привода используется эластичная муфта и зубчатое соединение, смонтированные на фланце свободного конца коленчатого вала. Передающее устройство состоит из трех зубчатых колес (скорость вращения на выходе при максимальной мощности - 500 об/мин) и планетарной передачи с последовательно расположенными зубчатыми колесами (скорость вращения на выходе – 1800 об/мин). Обеспечение постоянной частоты вращения генератора осуществляется с помощью планетарной передачи, соединенной с гидравлическим регулятором в пределах понижения оборотов ГД до 70% от номинальных при использовании винта фиксированного шага в ДЭУ.

Выполненный анализ работ отечественных и зарубежных исследователей в области утилизации ВЭ в ДЭУ позволяет сделать следующие выводы. Основным путем повышения эффективности ДЭУ мощностью до 7000 кВт являются: использование УТГ в сочетании с ВГ; применение гидропривода циркуляционных насосов; использование УХМ и вакуумных опреснителей, работающих на тепле охлаждающей воды ГД обычных параметров. Более перспективный путь для ДЭУ мощностью более 7000 кВт - это использование ВТО, позволяющее отказаться от отбора мощности ГД и обеспечивающее удельные расходы топлива на установку, равные удельным расходам топлива на ГД. Для ДЭУ мощностью более 13000 кВт применительно к нефтеналивным судам избыточное (бросовое) тепло рационально использовать для подогрева перевозимого груза, мойки танков и других целей. Таким образом, для ДЭУ в целях повышения их экономичности существуют реальные возможности глубокой утилизации ВЭ, в то же время имеют место и определенные трудности технического характера (обеспечение эффективности смазки при ВТО ГД, герметизация системы охлаждения при использовании фреона, создание УХМ и др.). Дальнейшие исследования в области утилизации ВЭ по повышению эффективности ДЭУ различной мощности связаны с решением оптимизационных задач, а также оценкой уровня ЭН судового оборудования.

БИБИЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аксельбанд А.М. Судовые энергетические установки. – Л.: Судостроение, 1970. – 472с.

2. Акимов П.П. Судовые силовые установки. – М.: Транспорт, 1976. – 435с.

3. Башуров Б.П. Техническая эксплуатация энергетических установок судовых транспортных средств: Учебное пособие. – Новороссийск: НГМА, 2001. – 170с.

4. Башуров Б.П. Эксплуатационная надежность и контроль технического состояния элементов судовых энергетических установок: Учебное пособие. – Новороссийск: НГМА, 2001. – 82с.

5. Башуров Б.П. Пропульсивный комплекс и режимы его работы: Учебное пособие. – Новороссийск: НГМА, 2001. – 146с.

6. Башуров Б.П. Пути совершенствования технической эксплуатации вспомогательного оборудования энергетических установок судовых транспортных средств: Монография. – Новороссийск: НГМА, 2002. – 269с.

7. Башуров Б.П., Середа М.П., Носенко С.Е. Техническая эксплуатация насосов судовых энергетических установок: Учебное пособие. – Новороссийск: НГМА, 2003. – 226с.

8. Башуров Б.П., Носенко С.Е, Шарик В.В. Эксплуатационные качества элементов судового энергетического комплекса: Учебное пособие: В двух частях. – Новороссийск: НГМА, 2005. – 293с.

9. Гаврилов В.С., Камкин С.В., Шмелёв В.П. Техническая эксплуатация судовых дизельных установок. – М.: Транспорт, 1985. – 288с.

10. Голуб Е.С., Мадорский Е.З., Розенберг Г.Ш. Диагностирование судовых технических средств: Справочник. – М.: Транспорт, 1993. – 150с.

11. Горелов В.И. Эксплуатация корабельных газотурбинных установок. – М.: Воениздат, 1972. – 312с.

12. Ермилов В.Г. Теплообменные аппараты и конденсационные установки. – Л.: Судостроение, 1974. – 223с.

13. Камкин С.В., Возницкий И.В., Шмелев В.П. Эксплуатация судовых дизелей: Учебник для вузов. – М.: Транспорт, 1990. – 344с.

14. Камкин С.В. Повышение эффективности эксплуатации судовых дизельных установок на основе утилизации и выбора режимов работы: Тексты лекций. – М.: В/О “Мортехинформреклама”, 1989. – 56с.

15. Курзон А.Г. и др. Газотурбинные установки морских судов. – М.: Транспорт, 1967.

16. Курзон А.Г. и др. Газотурбинные установки быстроходных судов. – Л.: Судостроение, 1969.

17. Мануилов В.П. Эксплуатация судовых энергетических установок. Учебник для вузов морского флота. – М.: Транспорт, 1979. – 168с.

18. Овсянников М.К., Петухов В.А. Эксплуатационные качества судовых дизелей. – Л.: Судостроение, 1982. – 208с.

19. Овсянников М.К., Петухов В.А. Судовые дизельные установки: Справочник. – Л.: Судостроение, 1986. – 424с.

20. Плотников А.В., Башуров Б.П. Безразборное диагностирование и прогнозирования технического состояния системы гребного вала с помощью ЭВМ. Тяжелое машиностроение, 1991, №9.

21. Правила технической эксплуатации судовых технических средств и конструкций. РД 31.21.30 – 97. – Санкт – Петербург. ЗАО ЦНИИМФ, 1997.

22. Середа М.П. Эксплуатация, безотказность и ремонтопригодность элементов судового пропульсивного комплекса: Учебное пособие, - Новороссийск: МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова, 2006, - 116с.

23. Трусов А.С., Башуров Б.П., Николаев Н.И. и др. Особенности эксплуатации силовой паротурбинной установки крупнотоннажных танкеров. Учебное пособие. – М.: ЦРИА “Морфлот”, 1981. – 68с.

24. Шишкин В.А. Анализ неисправностей и предотвращение повреждений судовых дизелей. – М.: Транспорт, 1986. – 191с.

34