Науково-технічні основи створення суднових енергетичних установок на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів

ВИСНОВКИ

1. Створення суднових енергетичних установок на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів із повним заміщенням традиційних палив стримується відсутністю теоретичних основ побудови СЕУ з утилізацією вторинного тепла у технологічних процесах виробництва альтернативного палива, відповідних схемних рішень СЕУ, підсистем і обладнання, методології визначення раціональних параметрів. В дисертаційній роботі вирішено актуальну для суднової енергетики науково-прикладну проблему розробки науково-технічних основ створення СЕУ на альтернативних паливно-енергетичних ресурсів шляхом раціональної організації процесів енергоперетворення в СЕУ, її підсистемах і технологічних процесах виробництва альтернативного палива із використанням вторинного тепла СЕУ.

2. Розроблено методологічний підхід до створення суднових енергетичних установок на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів, який ґрунтується на використанні вторинної теплової енергії відпрацьованих газів двигунів СЕУ для енергозабезпечення технологічного процесу отримання альтернативного рідкого палива в складі СЕУ.

3. Створено узагальнену топологічну схему СЕУ, яка базується на методах теорії графів (з використанням матриць видів зв'язків, з'єднання та кодування), синтезовано схемні рішення, що дало змогу розробити математичну модель СЕУ, яка реалізує методи системного підходу, розглядає потоки маси та енергії, враховує вплив факторів навколишнього середовища, характеристик елементів, систему обмежень припустимих значень параметрів СЕУ, дозволяє виконати дослідження показників ефективності та на цій основі визначити раціональні значення параметрів, що забезпечують максимальну енергетичну ефективність СЕУ.

4. На основі аналізу методами математичного моделювання показників СЕУ із застосуванням альтернативних паливно-енергетичних ресурсів обґрунтована перспективність СЕУ з енергетичною підсистемою на базі вітчизняних суднових ГТД з технологічними підсистемами двох типів: підсистемою, що використовує додаткове паливо, та електротермічною.

5. Встановлено, що СЕУ з технологічною підсистемою, яка використовує додаткове паливо, досягає максимальних значень коефіцієнта корисної дії та потужності в діапазонах температур навколишнього середовища 260…295 К і 260…270 К відповідно, а для СЕУ з електротермічною технологічною підсистемою такі діапазони температур становлять 295…315 К і 270…280 К, при цьому більші значення температур відповідають меншій величині середньомасової температури газів перед турбіною високого тиску газотурбінного двигуна; максимальне значення ефективної потужності такої СЕУ досягається в діапазоні температур 265…275 К.

6. Виявлені протилежні закономірності впливу параметрів підсистем на ефективні значення ККД та потужності розглянутих СЕУ: зниження температури відпрацьованих газів на 50К призводить до зменшення відносного значення ККД СЕУ з технологічною підсистемою, яка використовує додаткове паливо, на 0,05…0,1 та її відносної потужності на 0,01…0,05; для СЕУ з електротермічною технологічною підсистемою в таких умовах зменшення відносних значень ККД та потужності досягає 0,20…0,25.

7. Встановлено, що використання підсистеми утилізації тепла забезпечує такі величини підвищення ефективних енергетичних показників СЕУ: ККД в 1,2…1,5 та потужності в 1,2…1,3 рази при застосуванні технологічною підсистеми, яка використовує додаткове паливо та в 1,2…2,0 рази обох показників при застосуванні електротермічної технологічної підсистеми.

8. Визначено закономірності комплексного впливу параметрів СЕУ із застосуванням альтернативних паливно-енергетичних ресурсів, які забезпечують найвищі значення її ефективного ККД: в залежності від величини середньомасової температури газів перед турбіною високого тиску ГТД (Т 3) значення ККД дорівнює 0,292…0,305 (при Т 3 =1300К), 0,315…0,325 (Т 3 =1400К) та 0,320…0,334 (Т 3 =1500К) при раціональних величинах степені підвищення тиску ГТД 12…14, 16…18 і 23…25 відповідно; при цьому встановлена тенденція зниження оптимальної степені підвищення тиску ГТД при відхиленні термодинамічних, гідравлічних та технологічних параметрів СЕУ від оптимальних.

9. Експериментально виявлені закономірності впливу параметрів технологічної підсистеми СЕУ на її продуктивність та показники альтернативного палива: встановлено, що питомі витрати енергії на отримання альтернативного палива складають 600…1200 (Вт·год)/кг, а середня температура випаровування палива - 415…550 К; при цьому зменшення зазначених питомих витрат енергії супроводжується підвищенням середньої температури випаровування палива.

10. Використання альтернативного палива, напрацьованого в технологічній підсистемі СЕУ, супроводжується зміною параметрів робочого процесу суднового ДВЗ 6ЧН 12/14 у припустимих діапазонах: питома витрата палива на номінальному режимі зменшується на 2…3 %, кут затримки запалення - на 3…4° п.к.в, концентрація NOx у продуктах згоряння підвищується на 8…10 %, а концентрація CO - зменшується на 12…15 %.

11. Встановлено, що робочий процес ГТД АІ-8 при використанні альтернативного палива, отриманого в технологічній підсистемі СЕУ, відповідає процесу із застосуванням дизельного палива, а варіація його параметрів відносно параметрів при роботі на дизельному палеві не перевищує таких значень: 1…3 % - для питомої витрати палива, 10К…20К - щодо температури продуктів згоряння на виході, 10 % - для концентрації NOx; 1 %...2 % - для концентрації CO.

12. Результати дисертаційної роботи можуть служити теоретичним підґрунтям подальшого розвитку наукових досліджень СЕУ на базі АПЕР, технічного удосконалення її підсистем та обладнання в напрямку підвищення їх енергетичної ефективності, впровадження в практику проектування отриманих результатів, висновків та рекомендацій. Застосування розробленого методологічного підходу до створення СЕУ дасть змогу отримати альтернативне паливо з АПЕР з використанням "позапікової" електричної енергії атомних електричних станцій. Подальший розвиток досліджень за тематикою дисертації пов'язаний з поглибленим вивченням полів температур, тиску і концентрацій речовин в обладнанні СЕУ, що забезпечує отримання палива з альтернативних паливно-енергетичних ресурсів, удосконаленням на цій основі робочих процесів обладнання та поліпшенням показників ефективності СЕУ в цілому.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Основні результати дисертації опубліковані у наукових фахових виданнях:

1. Тимошевский Б.Г., Ткач М.Р. Альтернативные топлива для тепловых двигателей // Авіаційно-космічна техніка і технологія: Зб. Наук. праць. Харків: Нац. Аерокосмічний ун-т "Харк. авіац. ін-т", 2001. - Вып. 26-Двигуни та енергоустановки. - с. 13-18.

2. Тимошевский Б. Г, Ткач М.Р. Эффективность энергетических установок специализированных судов и технологических платформ на базе двс // Вестник двигателестроения №3/2003, Запорожье 2003,-с. 38-43.

3. Ткач М.Р. Эффективность схемных решений энергетических установок специализированных судов и платформ на базе ГТУ // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2003. - №5(391). - с. 58-66.

4. Ткач М.Р. Моделирование влияния условий эксплуатации на эффективность газотурбинных энергетических установок специализированных судов // Вестник двигателестроения. - Запорожье: Мотор Сич, 2004. - №2. - с. 13-17.

5. Ткач М.Р. Влияние масштабного фактора на эффективность газотурбинных энергетических установок специализированных судов //Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: ХАИ, 2004. - №7(15). - с. 16-19.

6. Ткач М.Р. Определение рациональных диапазонов применения газотурбинных энергетических установок с утилизацией тепла для специализированных судов //Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: ХАИ, 2004. - №8(16). - с. 16-20.

7. Ткач М.Р. Моделирование эффективности газотурбинных энергетических установок с дополнительной камерой сгорания на базе альтернативных топлив для специализированных судов // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ 2005. - №2(401). - с. 62-70.

8. Ткач М.Р. Эффективность газотурбинных энергетических установок с дополнительной камерой сгорания для специализированных судов //Судовые энергетические установки: науч. - техн. - сб. Вып. 14. - Одеса: ОНМА, 2005. - С. 43-48.

9. Ткач М.Р. Влияние температуры наружного воздуха на параметры газотурбинных энергетических установок с ДКС для специализированных технологических судов // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ 2005. - №4(403). - с. 63-68.

10. Ткач М.Р. Влияние утилизации тепла на эффективность газотурбинных энергетических установок специализированных судов с ДКС //Судовые энергетические установки: науч. - техн. - сб. Вып. 15. - Одеса: ОНМА, 2006. - С. 61-68.с.

11. Ткач М.Р. Моделирование влияния параметров системы подготовки альтернативного топлива на эффективность газотурбинных СЭУ с утилизацией тепла // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: НУК, 2006, №1(406). - с. 123-129.

12. Ткач М.Р. Моделирование влияния технологических параметров на эффективность газотурбинных энергетических установок специализированных судов //Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: ХАИ, 2005. - №9(25). - с. 37-43.

13. Ткач М.Р. Влияние мощности на эффективность газотурбинных энергетических установок специализированных технологических судов//Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: ХАИ, 2004. - №8(16). - с. 89-94.

14. Ткач М.Р. Моделирование влияния технологических параметров на эффективность газотурбинных энергетических установок с ДКС для специализированных технологических судов //Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: ХАИ, 2005. - №10(26). - с. 111-115.

15. Ткач М.Р. Влияние мощности на эффективность газотурбинных энергетических установок с ДКС для специализированных технологических судов // Вестник двигателестроения. - Запорожье: Мотор Сич, 2005. - №2. - с. 26-31.

16. Ткач М.Р. Регресійне моделювання параметрів газотурбіних енергетичних установок спеціалізованих суден // Прикладна геометрія та інженерна графіка. Праці // Тавійська державна агротехнічна академія Вип. 4, т.31. - Мелітополь: ТДАТА, 2006. - С. 72-77.

17. Ткач М.Р., Тимошевский Б.Г., Тхы Б.А. Математическое моделирование рабочих процессов в ДВС при работе на альтернативных топливах // Наукові праці: Науково-методичний журнал. Т.43 Вип. 30. Техногенна безпека. - Миколаїв: Вид-во МДГУ ім.. П. Могили, 2005. - с. 69-76.

18. Ткач М.Р., Тимошевский Б.Г., Тхы Б.А. Повышение точности измерения индикаторного давления в цилиндре ДВС методом прямого преобразования Фурье // Двигатели внутреннего сгорания. - Харьков: НТУ ХПИ. - 2005. - с 23-25.

19. Ткач М.Р. Влияния параметров системы подготовки альтернативного топлива на эффективность газотурбинных СЭУ с ТУК // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: НУК, 2006. - №2(407). - с. 123-129.

20. М.Р. Ткач Обобщенные характеристики газотурбинных энергетических установок специализированных технологических судов // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: ХАИ, 2006. - №7(33). - С. 62-65.

21. М.Р. Ткач Характеристики судовых энергетических установок на базе ГТД с дополнительной камерой сгорания // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: ХАИ, 2006. - №4(30). - С. 61-64.

22. Ткач М.Р., Тимошевский Б.Г., Тхы Б.А. Экспериментальные исследования показателей судового ДВС, использующего альтернативное топливо // Двигатели внутреннего сгорания - Харьков: ХПИ, 2006. - №2. - С. 114-118.

Основні публікації, в яких додатково викладено зміст дисертації:

1. Патент України 73900. Спосіб та пристрій для переробки відходів полімерів в альтернативне паливо/ Тимошевський Б.Г., Ткач М.Р., Харитонов Ю.М.. МПК 6C10B 1/00, B09B 3/00/.

2. United States Patent Appl. 20030211193 Device for processing thermoplastic materials/ Timoshevsky B.; Tkach M.; Bozhenar V. November 13, 2003, 5 p.

3. B.G. Tymoshevskyy, M.R. Tkach Energetic complex for the plastic's waste processing and electricity production. - "R'2000"-Recovery Recycling Re-integration June 5-9, 2000 Toronto Convention Centre, Toronto, Canada, р. 31.

4. Газотурбинные энерготехнологические комплексы утилизации пластиков / А.Ф. Головащенко, А.В. Равич, Б.Г. Тимошевский, М.Р. Ткач // Газотурбинные технологии. - 2003. - №5, с. 22-23.

5. Головащенко А.Ф., Тимошевский Б.Г., Ткач М.Р. Энерготехнологические газотурбинные комплексы на базе альтернативных топлив // Судовое и энергетическое газотурбостроение. Научно-технический сборник. т.1. - Николаев: НПКГ "Зоря" - "Машпроект", НО ИАУ, 2004. - с. 281-285.

6. B.G. Tymoshevskyy, M.R. Tkach Resource recovery from plastic and rubber wastes. - Waste-To-Energy Research and Technology Council (WTERT), Columbia University in the City of New York on October 7th and 8th, 2004. p.3.

7. Ткач М.Р. Эффективность энерготехнологических газотурбинных энергетических установок на базе альтернативных топлив для специализированных судов // Газотурбинные технологии - 2005. - №3, с 1-3.

8. M.R. Tkach, B.G. Tymoshevskyy Energy Derived from Plastics Waste by Diesel and Gas Turbine Engines "Third International symposium on Feedstock Recycling of Plastics & other Innovative Plastics Recycling Techniques" Programme and abstracts-Karlsruhe,2005 p. 40.

9. M.R. Tkach, B.G. Tymoshevskyy Resourse recovery from medical plastic waste "Third International symposium on Feedstock Recycling of Plastics & other Innovative Plastics Recycling Techniques" Programme and abstracts-Karlsruhe, 2005 p. 41.

10. M. Tkach Generalized performances of Gas Turbine Power Plant for the Specialized Ships "The 3rd Korea-Ukraine Gas Turbine Technology Symposium" November 20-23, 2006, Korea Institute of Machinery& Materials (KIMM), Daejeon, Korea. - Papers. p. 240-243.

У працях, що опубліковані у співавторстві, особистий внесок здобувача складає:

[1, 2, 23, 24, 25] - постановка проблеми, розробка методів отримання альтернативних палив, проведення випробувань та аналіз результатів;

[17, 26, 27] - розробка математичної моделі ДВЗ із використанням альтернативного палива, постановка задач моделювання, реалізація програмного продукту та аналіз результатів;

[18] - постановка задач моделювання, розробка алгоритму та програмного продукту, аналіз результатів;

[22, 28, 30, 31] - постановка задач експериментальних досліджень, наукове керівництво розробка, проектування та створення стендів і систем вимірів, проведення експериментальних досліджень та аналіз їх результатів.

АНОТАЦІЯ

Ткач Михайло Романович. Науково-технічні основи створення суднових енергетичних установок на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.08.05 "Суднові енергетичні установки".

Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2007.

Створення ефективних суднових енергетичних установок (СЕУ) на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів реалізує підхід до утилізації теплової енергії вторинних енергетичних ресурсів СЕУ в технологічних процесах отримання альтернативного палива, що реалізовані у складі СЕУ.

Розроблені та створені експериментальні стенди дали змогу провести дослідження підсистем та обладнання та визначити закономірності впливу їх параметрів, питомі витрати енергії, технохімічні показники альтернативного палива та їх взаємозв'язок. Експериментально вивчено характеристики робочих процесів суднового ДВЗ та допоміжного ГТД та доведена можливість використання в них альтернативного палива, отриманого в складі СЕУ.

Математичне моделювання СЕУ виконано на базі системного підходу з синтезом потенційних схем, розробкою їх узагальненої топологічної схеми, розглядом потоків маси та енергії у кожному елементі, врахуванням впливу факторів навколишнього середовища, характеристик елементів та системи обмежень. Встановлені діапазони температур навколишнього середовища, де раціонально використання газотурбінних СЕУ розглянутих схем в залежності від параметрів технологічного процесу та базових ГТД. Визначені параметри СЕУ, що забезпечують її максимальну енергетичну ефективність, та встановлено їх взаємозв'язок при локальних екстремумах показників ефективності.

Результати досліджень використано в положеннях Правил Регістру України, в проектах енергетичних установок спеціалізованих суден, об'єктів автономного енергозабезпечення та виробництв на базі альтернативних палив.

Ключові слова: суднові енергетичні установки, альтернативне паливо, системні дослідження, енергетична ефективність, експериментальні дослідження, математичне моделювання, оптимізація параметрів.

АННОТАЦИЯ

Ткач Михаил Романович. Научно-технические основы создания судовых энергетических установок на базе альтернативных топливно-энергетических ресурсов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.08.05 "Судовые энергетические установки".

Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова, Николаев, 2007.

Создание эффективных судовых энергетических установок (СЭУ) на базе альтернативных топливно-энергетических ресурсов (АТЭР) реализует подход к утилизации тепловой энергии вторичных энергетических ресурсов СЭУ в технологических процессах получения альтернативного топлива, реализованных в составе СЭУ. Это дает возможность повысить эффективность использования первичной энергии в СЭУ а за счет использования специализированных судов решить ряд экологические проблем.

Созданные экспериментальные стенды для исследований технологических подсистем СЭУ обеспечили изучение закономерностей получения альтернативного топлива в составе СЭУ. Выявлены взаимосвязи параметров технологической подсистемы СЭУ и технохимических свойств получаемого топлива. Показана обратная зависимость удельных затрат энергии на технологический процесс и величины средней температуры выкипания указанного топлива. Изучение показателей рабочего процесса и параметров судового ДВС и вспомогательного ГТД при работе на получаемом топливе выявило отклонение относительных значений их спецификационных параметров в диапазоне 0,95…1,07 по сравнению с таковыми на дизельном (ДЛ) топливе. На основании проведенных исследований обоснована возможность применения получаемого альтернативного топлива в судовых энергетических установках.

Математическое моделирование СЭУ выполнено на базе системного подхода. Синтезированы потенциальные схемы СЭУ на базе АТЭР, на основе теории графов создана их обобщенная топологическая схема, что позволило создать математическую модель, основанную на рассмотрении потоков массы и энергии в каждом элементе СЭУ, учитывающую взаимодействие с окружающей средой, характеристики элементов и систем областных и функциональных ограничений. Это позволило исследовать закономерности зависимостей показателей эффективности СЭУ на базе АТЭР и определить значения ее параметров из условий максимальной энергетической эффективности. Анализ схем показал перспективность для углубленного изучения СЭУ с энергетической подсистемой на базе ГТД отечественного производства и с двумя вариантами технологической подсистемы: использующей дополнительное топливо и электротермической.

Показано, что эффективный КПД СЭУ с технологической подсистемой, использующей дополнительное топливо, достигает максимального значения в диапазоне температур окружающей среды 260К…295К, а эффективная мощность - при 260К…270К. Применение подсистемы утилизации тепла (ТУК) приводит к повышению КПД в 1,2…1,5 раз, а мощности - в 1,2…,3 раза.

Применительно к СЭУ с электротермической технологической подсистемой выявлено существенное влияние параметров технологической подсистемы и определено, что максимальное значение эффективного КПД СЭУ достигается в зависимости от параметров базового ГТД в диапазоне температур окружающей среды 270К…315К. При этом, с увеличением значения среднемассовой температуры перед ТВД ГТД - Т 3 это значение температуры снижается. Использование в этих условиях ТУК повышает значение КПД и мощности СЭУ в 1,2...2,0 раза. Причем, большие значения соответствуют ГТД с меньшим значением Т 3. Определено, что в рассматриваемом диапазоне параметров СЭУ на базе АТЭР максимальная энергетическая эффективность достигается при степени повышения давления ГТД 12..14 при Т 3=1300К и повышается до 23…25 при Т 3=1500К. Установлены закономерности комплексного влияния параметров СЭУ на базе АТЭР, обеспечивающие максимальные значения КПД: степени повышения давления ГТД, температурного напора и коэффициента восстановления полного давления на выходе, величины удельных затрат тепла на технологический процесс.

Результаты исследований использованы в правовых и надзорных положениях Правил Регистра Украины, в проектах энергетических установок специализированных судов на базе сырой нефти и отходов полимеров, а также объектов автономного энергоснабжения и производств на базе альтернативных топливно-энергетических ресурсов.

Ключевые слова: судовые энергетические установки, альтернативное топливо, системные исследования, энергетическая эффективность, экспериментальные исследования, математическое моделирование, оптимизация параметров.

ANNOTATION

Tkach Mykhaylo R. The scientific and technical fundamentals of the marine power plants creation on the basis of alternative fuel and energy resources. - Manuscript.

The dissertation on competition of the scientific degree of the doctor of technical sciences on a specialty 05.08.05 "Marine power plants".

Admiral Makarov National University of Shipbuilding, Nikolaev, 2007.

The creating of the effective marine power plant's (MPP) on the base of the alternative fuels realized the approach to secondary heat energy utilization in technological processes of alternative fuel production inside the MPP structure. The characteristics of the marine diesel engine and auxiliary gas turbine (GT) operating processes are investigated. The capability of the application of alternative fuel received in the structure MPP is shown.

The mathematical modeling MPP is executed on the basis of the system approach. The potential MPP diagrams on base of the alternative fuels and energy resources are synthesized. The mathematical model based on consideration of mass and energy flows in each element MPP is created. It takes into account interaction with an environment and characteristics of elements, system's regional and functional constraints as well.

The ranges of outside air temperatures are established, in which the application MPP of the considered diagrams are rational. The interrelation of technological process parameters and base's GT are revealed. The values parameters ensuring maximum power efficiency MPP are determined.

The results of researches are used in "Rules Classification and Building of Marine Ships" under Register of Ukraine, in projects of the power installations of specialized ships, objects of autonomous power plants and industries on the base of the alternative fuels and energy resources.

Key words: marine power plants, alternative fuel, system researches, power efficiency, experimental researches, mathematical modeling, parameter's optimization.

Размещено на Allbest.ru