ъ>
<se 2.5
о - 5ЗД - 5
(М
-ме,
В.
В. Маслов
УТИЛИЗАЦИЯ
ТЕПЛОТЫ
СУПОВЫХ
ДИЗЕЛЕЙ
МОСКВА
"ТРАНСПОРТ" 1990
50
коп.
УТИЛИЗАЦИЯ
ТЕПЛОТЫ
СУПОВЫХ
ДИЗЕЛЕЙ
Появление
на судах
малооборотных дизелей
с
постоянным давлением
наддува
заставило искать
принципиально
новые решения
систем утилизации
теплоты.
Книга, в которой обобщен
опыт
рекомендации
по модернизации
существующих
систем,
а главное, проведен
технико-
экономический анализ
перспективных
систем, поможет
выбрать наиболее
эффективный
вариант
рационального
использования
вторичных
энергоресурсо а.
Автор,
известный специалист
в области
судовой энергетики.
руководит
в ЦНИИ морского
флота
исследованиями
перспектив
развития
энергетических
установок.
Результаты
работ,
проведенных
в
последние
годы, и
легли
эксплуатации
и даны
в
течение
многих лет
в
основу книги.
УДК
662.6.14.2.006.8 : 661.461/4
Маслов
В. В. Утилизации теплоты судоньи интслей
М Транс-
порт, 1900. — 144 с.
Описи
мы
системы глубокий утпли.тицтш |еилшы
судом отечествен-
ной и зарубежной
постройки. Дины
рекомснчиним
щ> их модерниза-
ции Рассмотрены
иредложенни зирубежных фирм по созданию
систем
глубокой утилизации теплоты
г различными теплоносителями, и
также
утилизационных холодильных
машин.
На
основании анализа параметров отработавших
газов перспектив-
ных главных и
вспомогательных двигателей предложены
схемы ком-
плексных систем утилизации
теплоты, в том числе схемы с утилиза-
ционными
газовыми турбинами и валогенераторами.
Показана техни-
ко-экономическая
целесообразность широкого внедрения
таких систем
на судах перспективной
постройки.
Для
судовых механиков и инженерно-технических
работников Мин-
морфлота, Минрыбхоза
и Минсудпрома, занимающихся
вопросами
эксплуатации и проектирования
судовых энергетических установок.
Ил.
86, табл. 29, библиогр. 19 назв.
Рецензент
И. Г. Беляев
Заведующий
редакцией
Е. Д. Некрасова
Редактор
С. Ю. Ланцев
,
3205036000-258
М
—-
049
(Oil)-90
©
3. li. Маслов, 1990
Isbn 5-277-01019-х
ОТ
АВТОРА
Экономия
энергетических ресурсов является одной
из глав-
нейших задач, стоящих перед
народным хозяйством. Значимость
ее
определяется, с одной стороны, все
возрастающим потребле-
нием топлива
и энергии в стране (в том числе и на
транспорте),
с другой стороны —
невозобновляемостью запасов
органиче-
ского топлива. По сравнению
с другими видами транспорта
морской
флот имеет ряд преимуществ, в частности
главные
двигатели судов не только
значительно более экономичны,
чем
двигатели тепловозов и автомобилей,
но и позволяют сжигать
дешевое
тяжелое топливо. Однако в судовых
энергетических
установках имеются
еще определенные резервы, дающие
воз-
можность дополнительно повысить
их экономичность. В первую'
очередь
это относится к системам утилизации
вторичных энер-
горесурсов.
Обоснованию
применения систем утилизации теплоты
на
судах и посвящена настоящая книга.
В ней широко показаны
опыт эксплуатации
существующих систем утилизации
теплоты,
а также перспективы развития
методов и систем в связи с
продолжающимся
неуклонным ростом экономичности
дизелей.
В
основу книги положены исследования,
выполненные авто-
ром в последние
годы в ЦНИИ морского флота, по обоснова-
нию
применения различных систем утилизации
теплоты на
судах, результаты испытаний
судов и их систем утилизации в
пароходствах,
перспективные разработки ведущих
зарубежных
фирм, а также различные
публикации в отечественной и зару-
бежной
научно-технической литературе.
При
написании книги были поставлены-следующие
основные
задачи: обобщение опыта
эксплуатации систем глубокой ути-
лизации
теплоты на судах Минморфлота; анализ
различных,
способов и систем утилизации
теплоты, рекомендуемых зару-
бежными
фирмами; анализ теплому: характеристик
главных
малооборотных дизелей
перспективных типов и энергетического
баланса
судов; разработка структуры, комплектации,
основных
требований к оптимальным
системам утилизации для перспек-
тивных
типов дизелей; определение оптимальных
областей при-
менения систем глубокой
утилизации теплоты; технико-экономи-
ческий
анализ эффективности различных систем
утилизации
применительно к
перспективным типам двигателей. В
соответ-
ствии с этими задачами
скомпонован материал книги, в
начале
которой излагаются отечественный
опыт эксплуатации систем
глубокой
утилизации теплоты и зарубежный опыт
проектирова-
3
ния
систем, анализируются потребности
судов в теплоте, паре
и электроэнергии,
а также возможность их обеспечения с
помо-
щью утилизации теплоты
отработавших газов и охлаждающей
воды
двигателей. Выполненный анализ положен
в основу реко-
мендаций по применению
систем утилизации теплоты, в том
числе
систем с утилизационными газовыми
турбинами в сочета-
нии с
валогенератор.ами.
Таким
образом, книга дает возможность читателю
достаточ-
но глубоко ознакомиться
с системами утилизации теплоты на
судах
Минморфлота, использовать на практике
основные пред-
ложения по их
модернизации, выбрать оптимальные
схемные
решения и типаж оборудования,
а также методически обосно-
вать
целесообразность их использования на
судах перспектив-
ной постройки.
Следует
отметить, что, как правило, системы
глубокой ути-
лизации теплоты на
судах применяются совместно с
малообо-
ротными дизелями. Поэтому
в книге основное внимание уделено
применению
систем утилизации теплоты малооборотных
дизе-
лей перспективных типов, из
которых выбраны двигатели фирм
МАН-«Б
и В» (Дания) и «Зульцер» (Швейцария), так
как объ-
ем их продукции по мощности
составляет свыше 93 % мирового
выпуска
всех малооборотных дизелей. Кроме того,
по мнению
многих специалистов,
малооборотные дизели являются
наиболее
перспективными двигателями
в диапазоне мощностей свыше 3—
6 МВт
для судов транспортного флота будущего.
Попытка
обобщения сведений по данной теме
предпринята
впервые, и, возможно,
книга не лишена недостатков,
поэтому
замечания и пожелания
читателей будут приняты с благодар-
ностью.
СПИСОК
ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИИ
абсорбционная
холодильная машина
быстрозапорный
клапан
бромисто-литиевая
абсорбционная холодильная машина
байпас
валогенератор
вспомогательный
котел
высокотемпературное
охлаждение
винт
регулируемого шага
высокотемпературная
секция
винт
фиксированного шага
главный
двигатель
-горюче-смазочные материалы
дизель-генератор
коэффициент
полезного действия
комплексная
система утилизации теплоты
Латвийское
морское пароходство
максимальная
длительная мощность
Мурманское
морское пароходство
машинное
отделение
малооборотный
дизель
Новороссийское
морское пароходство
отработавшие
газы
Производственное
объединение «Брянский машиностроительный
завод»
парокомтрессионная
фреоновая машина
пароэжекторная
машина
резервный
дизель-генератор
редуктор
постоянной частоты вращения
система
глубокой утилизации теплоты
-система
инертных газов
-среднеоборотный
дизель
система
утилизации теплоты охлаждающей
воды
-судовая электростанция
судовая
энергетическая установка
-система
стурбокомпаунд»
-техническое
обслуживание
утилизационная
газовая турбина
утилизационный
котел
утилизационный
турбогенератор
-утилизационная
холодильная машина
фреоновая
абсорбционная холодильная машина
центральное
конструкторское бюро
Черноморское
морское пароходство
ВВЕДЕНИЕ
Системы
утилизации теплоты ОГ и воды, охлаждающей
ГД,,
давно и прочно заняли ведущее
место среди энергосберегающих
мероприятий,
осуществляемых на судах морского флота.
Осо-
бенно следует отмстить значительную
роль систем утилизации,
в состав
которых входят УТГ. Так, период с конца
60-х —
начала 70-х годов, когда скорости
судов и мощности их ГД
непрерывно
возрастали, экономичность ГД была
относительно
невысока (КПД ГД не
превышал 35—37%, температуры ОГ
достигали
375—390 °С), а мощности СЭС были невелики,
ха-
рактеризуется созданием и широким
применением СГУТ на
морских судах
за рубежом. Такие системы стали появляться
и
на судах отечественного флота
зарубежной постройки (напри-
мер,
типа «Лисичанск», «Сплит», «Леонардо
да Винчи»), В кон-
це 60-х годов появились
отечественные СГУТ. Они были уста-
новлены
на судах типа «Великий Октябрь», «Победа
Октября»,
«Зоя Космодемьянская»,
«Капитан Алексеев» и др. Всего
в
Минморфлоте в настоящее время
эксплуатируется свыше 100
судов со
СГУТ.
После
резкого скачка цен на топливо в 1973 г.
интерес к
глубокой утилизации возрос
еще больше. Однако при этом
начался
процесс снижения скоростей судов и
мощностей их
ГД. В то же время
происходил непрерывный рост мощностей
СЭС,
а также началось интенсивное повышение
экономичности
ГД. Все это усугубило
положение с применением СГУТ на
судах:
ограничился объем их внедрения,
существенно усложни-
лись структура
и комплектация. В этот период СГУТ
были
установлены на нескольких
сериях судов отечественной построй-
ки,
таких, как «Борис Бутома», «Победа»,
«Алексей Косыгин»
в сочетании с
главными двигателями ДКРНЗ и ДКРН4
по-
стройки ПО БМЗ (по лицензии фирмы
МАН-«Б и В»), Эти
системы оказались
удачными: так, суда во многих ходовых
режимах
обеспечивались электроэнергией только
от УТГ. Хуже
обстояло дело с применением
СГУТ в энергетических установ-
ках
с МОД фирмы «Зульцер», где температуры
ОГ благодаря
специфике организации
процесса были существенно ниже, чем
у
ГД фирмы МАН-«Б и В».
Новый
период в области использования СГУТ
на судах на-
ступил после создания
и появления на флоте первых двигателей
с
постоянным давлением наддува фирмы
МАН-«Б и В» (типа-
GFCA),
а также аналогичных двигателей фирмы
«Зульцер».
Характерными особенностями
этих двигателей являются: более
6
низкие
температуры ОГ (около 300 °С); существенно
понижен-
ные потери теплоты с ОГ;
возросшие потери теплоты с охлаж-
дением
наддувочного воздуха; повышенные
температуры воды,
охлаждающей
цилиндры ГД, до 75—80 °С. В этих
условиях
обычные СГУТ значительного
эффекта не могут дать, так как
мощность
УТГ становится незначительной, и он
вынужден рабо-
тать на всех ходовых
режимах параллельно с ДГ. Это сущест-
венно
снижает эффективность СГУТ, особенно
на судах с мощ-
ными ДГ, так как при
параллельной работе приходится
пере-
распределять нагрузку между
ДГ и УТГ, нагружая при этом
ДГ по
крайней мере на 50 % номинальной мощности
и значи-
тельно понижая нагрузку
УТГ.
Для
судов с такими двигателями фирмы
«Зульцер» и
МАН-«Б и В» стали
рекомендовать применение КСУТ, где
мак-
симальные количества перегретого
пара направляются в УТГ,
а теплоснабжение
судна осуществляется с помощью воды,
ох-
.лаждающей ВТС воздухоохладителя
п цилиндры ГД. Однако
для КСУТ
характерны большое количество сложных
систем,
трубопроводов и арматуры,
значительные площади поверхно-
стей
различных теплообменников, необходимость
оснащения
разветвленными
автоматизированными системами.
Множество
различных по структуре
КСУТ разработаны рядом зарубежных
фирм.
Опыт показал, что период окупаемости
таких систем
оказывается длительным,
а ощутимый экономический эффект
начинает
проявляться на судах, мощность ГД
которых превы-
шает 12—13 МВт, т. е.
когда УТГ может обеспечить нагрузку
СЭС
в большинстве ходовых режимов судна.
В
последние годы фирма МАН-«Б и В» сообщила,
что в
связи с ростом КПД турбонагнетателей
температура ОГ сни-
жается до 240—250
°С. Поэтому применение КСУТ даже в
со-
четании с ГД большой мощности
оказывается неприемлемым.
Для таких
двигателей фирмы МАН-«Б и В» и «Зульцер»
реко-
мендуют широкое использование
ВГ. В сотрудничестве с фир-
мой «Ренк»
(ФРГ) разработан ряд редукторов,
обеспечиваю-
щих постоянство частоты
вращения ВГ в диапазоне изменения
частот
вращения ГД 70—100 %. Кроме того, фирмы
МАН-«Б и
В», «Зульцер» и «Пилстик»
рекомендуют в сочетании с высоко-
экономичными
ГД с постоянным давлением наддува
использо-
вать УГТ. Так, фирмой МАН-«Б
и В» в этих целях разработана
так
называемая система «турбокомпаунд»,
представляющая
собой газовую турбину,
использующую около 12 % теплоты
отработавших
газов ГД. Утилизационная турбина
работает
параллельно с турбокомпрессорами
ГД и подключена к его
коленчатому
валу с помощью специального редуктора.
Сочета-
ние СТК с ВГ существенно
упрощает СГУТ, обеспечивает ощу-
тимую
экономию топлива и, главное, требует
существенно мень-
ших капитальных
затрат, чем КСУТ.
Известны
также попытки использовать органические
тепло-
7
носители
в системах утилизации вследствие их
более высокой*
термодинамической
эффективности. Однако детальный
анализ
показывает, что такие системы
не могут дать значительного
эффекта
в сравнении с описанными выше СГУТ и
КСУТ из-за
меньших температурных
напоров и соответственно больших
площадей
поверхностей нагрева котлов, малой
теплоты паро-
образования, что
приводит к росту мощности, затрачиваемой,
на
привод циркуляционных насосов.
Значительные сложности
возникают
с уплотнением систем. Отдельными
авторами разра-
батывались предложения
по применению тепловых насосов,
по
использованию АХМ, пароэжекторных
машин и других спосо-
бов утилизации
теплоты воды и газов. Однако применение
фре-
онов в таких установках полностью
исключается из-за отрица-
тельного
их влияния на озоновый слой атмосферы.
Продолжающийся
интенсивный рост КПД ГД (он уже пре-
высил
50 %) обусловливает все большие трудности
в примене-
нии традиционных систем,
использующих вторичные энерго-
ресурсы.
Все это усложняется тем, что доля
высокопотенциаль-
ной теплоты (т. е.
теплоты ОГ) уменьшается, а низкопотенци-
альной
(охлаждающей воды) — увеличивается.
Поэтому тради-
ционные пути становятся
неэффективными, и главным спосо-
бом,
позволяющим существенно снизить расходы
топлива и
его стоимость, становится
использование СТК и ВГ, что под-
тверждается
технико-экономическими расчетами.
Вместе с тем,
большой спектр различных
технических решений, приведенных
в
книге, позволяет выбрать наиболее
оптимальные из них, при-
годные для
реализации в составе конкретной СЭУ
как при про-
ектировании КСУТ, так и
при эксплуатации, избежав при
этомз
недостатков, присущих современным
системам.