Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Підвищення ефективності експлуатації утилізаційних контурів морських суден

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Широке застосування теплових двигунів на транспорті приводить до теплового та хімічного забруднення атмосфери. Рух морських та річкових суден супроводжується викидом вихлопних газів, які після здійснення механічної роботи підлягають утилізації. Якість експлуатації утилізаційних комплексів визначається двома факторами: інтенсивністю теплозйому та хімічним складом вихлопних газів. Від них залежить розмір портового екологічного збору.

На жаль, інформація по удосконаленню експлуатації, обслуговуванню та ремонту цих комплексів вкрай обмежена і не дає відповідь на поставлене питання. Тому проблема зниження теплового забруднення атмосфери суднами актуальна, як для екологічної безпеки транспортного засобу, так і для підвищення ефективності його енергетичного комплексу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до державної політики, яка визначена в документах:

Указі Президента України №679/2008 «Про стан реалізації державної політики щодо забезпечення ефективності паливно-енергетичних ресурсів»; «Законі України про пріоритетні напрямки розвитку науки й техніки», Постанові Кабінету Міністрів України «Про затвердження пріоритетів інноваційної діяльності в Україні на 2001-2002 р.»; «Законі України про пріоритетні напрямки інноваційної діяльності до 2013 р.». Тема дисертаційної роботи пов'язана з виконанням держбюджетної НДР №5-П: «Розробка теоретичних основ технічної експлуатації флоту» (ДР №0104U002960), в якої автор був виконавцем розділу.

Мета й завдання дослідження. Метою даної роботи є покращення екологічної безпеки судна. Для її досягнення розв'язано ряд задач:

- аналізу ефективності експлуатації суден по дотриманню норм охорони атмосферного середовища;

- розробки методики визначення екологічного навантаження на атмосферу під час роботи судна;

- дослідження впливу термодинамічного стану відпрацьованого робочого тіла головного двигуна на зміну екологічного навантаження судна на навколишнє середовище та економічні показники судна як транспортного засобу;

- визначення кількісних характеристик екологічних показників роботи судна при зміні теплового опору на поверхнях утилізаційного комплексу;

- синтез рішень щодо оптимізації показника екологічної безпеки судна.

Об'єкт дослідження - процес руху судна.

Предмет дослідження - екологічні та економічні показники ефективності експлуатації судна.

Методи дослідження. Для розв'язання поставлених завдань використано:

· системний підхід при комплексному дослідженні суднових утилізаційних комплексів, як складної системи, при формуванні цільової функції для досягнення поставленої мети;

· фізичне і математичне моделювання при описі екологічного навантаження на атмосферу під час роботи судна;

· експериментальні дослідження термодинамічного стану відпрацьованого робочого тіла головного двигуна судна в рейсі;

· теорію теплообміну при визначенні кількісних характеристик екологічних показників роботи судна при зміні теплового опору на поверхнях утилізаційного комплексу;

· теплотехнічні випробування суднових утилізаційних контурів при оцінці вихідних характеристик у процесі експлуатації суден.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше було доведено, що екологічне навантаження на повітряний басейн та економічні показники роботи судна визначаються станом та умовами теплопередачі на поверхнях утилізаційного контуру.

При цьому:

· встановлено, що на екологічні показники та експлуатаційні витрати судна найбільш негативний вплив здійснює товщина шару твердих відкладень продуктів згоряння палива на зовнішніх поверхнях нагрівання утилізаційних котлів (УК);

· встановлено механізм формування твердих відкладень продуктів згоряння рідкого вуглеводневого палива на зовнішніх поверхнях нагрівання УК, які утримуються під дією сил адгезії згідно молекулярно-адгезійної теорії Дерягіна та її закономірностям;

· визначено кількісну величину роботи, яка потрібна для відновлення початкового теплового опору УК шляхом видалення відкладень продуктів згоряння палива, еквівалентну енергії адгезійної взаємодії;

· встановлено, що паропродуктивність УК на ходовому режимі судна зворотно пропорційна товщині відкладень продуктів згоряння палива на його зовнішніх поверхнях теплообміну;

· встановлено критичну товщину шару відкладень на зовнішніх поверхнях нагрівання УК, вище якої значно швидше погіршуються екологічні та економічні показники, необхідно здійснити позачергове технічне обслуговування котла.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

· можливість організації експлуатації і технічного обслуговування судна з мінімальними експлуатаційними видатками і екологічним навантаженням на навколишнє середовище;

· можливість розрахунку додаткових експлуатаційних видатків добової витрати палива судна в рейсі;

· визначено необхідний час між двома послідовними операціями технічного обслуговування УК в залежності від умов експлуатації судна;

· запропоновано схему модернізації системи видалення твердих відкладень продуктів згоряння палива на зовнішніх поверхнях теплообміну УК та відповідні зміни до суднової технічної документації.

Результати дисертаційного дослідження використано: в СК «Genshipping Corporation» (акт впровадження від 25.06.2006); СК «Укррічфлот», м. Херсон (акт впровадження від 10.01.2008 р.); навчальному процесі судномеханічного факультету ОНМА (акт впровадження від 15.01.2008 р.).

Особистий внесок здобувача полягає у постановці мети і формуванні завдань дослідження, проведенні експериментальних досліджень та теплотехнічних випробувань на суднах, в отриманні та інтерпретації наукових результатів, у написанні статей, докладів, дисертації та автореферату.

Всі наукові результати і розробки, які наведені у дисертації та виносяться на захист, автором одержані самостійно.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися й обговорювалися на II Міжнародній науково-практичній конференції «Динаміка наукових досліджень 2003» (Дніпропетровськ - Івано-Франківськ - Кривий Ріг, 20-27 жовтня 2003 р.); III Міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів, науковців і фахівців «Суднова енергетика: стан і проблеми» (Миколаїв, 18-19 жовтня 2007 р.); на щорічних конференціях професорсько-викладацького складу ОНМА; на щорічних науково-технічних семінарах ОНМА.

Публікації. Основні результаті досліджень опубліковані у 5 статтях у виданнях, дозволених ВАК України для публікації результатів дисертаційних робіт, а також у 2-х матеріалах науково-технічних конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, трьох додатків та списку використаних літературних джерел зі 103 найменувань. Повний обсяг дисертації - 161 стор. (з них - 147 стор. основного тексту), містить 35 рисунків, 9 таблиць.

Основний зміст роботи

екологічний судно атмосферний середовище

У вступі обґрунтовано актуальність теми роботи та показано її зв'язок з науковими програмами, планами, темами; сформульовано мету й завдання досліджень; показано наукову новизну отриманих результатів і їхнє практичне значення.

У першому розділі виконано огляд літератури зі стану проблеми підвищення екологічної безпеки та ефективності експлуатації морських суден.

На морському транспорті системи утилізації теплоти випускних газів, охолоджуючої води, наддувного повітря дизелів і валогенераторних установок застосовуються понад 50 років, а тепер набули особливого значення через підвищення вимог до екологічної безпеки, скорочення запасів органічного палива й різке зростання цін на світовому ринку.

Зі всіх видів транспорту тільки на морських суднах у повному обсязі присутні і є найбільш потужними утилізаційні контури як системи підвищення екологічної безпеки, паливо- й енергозбереження. Характеристики УК впливають на розміри й вантажомісткість судна, потужність суднової енергетичної установки та її комплектацію, енергоємність устаткування, загальну витрату палива.

Постійне підвищення вимог до екологічних показників засобів транспорту в умовах експлуатації вносить певні корективи в тенденції розвитку сучасних суден. Так, на сучасних суднах УК проектуються, виходячи з умови забезпечення необхідної екологічної безпеки суден в умовах експлуатації. На рівні експлуатації забезпечення необхідних екологічних і економічних показників може бути досягнуто підтримкою заданих теплофізичних характеристик внутрішніх і зовнішніх поверхонь теплообміну УК.

Часті виведення котла з дії для відновлення теплофізичних характеристик робочих поверхонь, недосконалість методів їхнього очищення різко знижують ефективність експлуатації судна в цілому. Вихід з експлуатації УК для відновлення теплофізичних характеристик його робочих поверхонь позначається на величині експлуатаційних витрат судна - його паливної складової.

У даний час однією з найменш вивчених причин, що знижують екологічну безпеку та ефективність експлуатації судна, є забруднення зовнішніх поверхонь нагрівання УК продуктами згоряння рідкого вуглеводневого палива.

Забруднення УК з газового боку знижують ефективність екологічних показників судна, а їхнє загоряння становить надзвичайну небезпеку для судна, про що свідчать випадки аварії котлів. Слід також відзначити, що значна частина відмов утилізаційних котлів внаслідок локального зношування поверхонь нагрівання зумовлена несвоєчасним очищенням зовнішніх поверхонь нагрівання.

Таким чином, проведений вище огляд дозволив сформулювати напрямок необхідних наукових досліджень, спрямованих на забезпечення екологічної безпеки суден і підвищення їхньої експлуатаційної ефективності.

Другий розділ присвячений розробці методики визначення екологічного навантаження на навколишнє середовище в умовах експлуатації і добових експлуатаційних витрат суден. Наводиться методологія виконання дисертаційної роботи й методи дослідження впливу процесів відкладень продуктів згоряння вуглеводневого палива на зовнішніх поверхнях нагрівання УК на екологічні показники та експлуатаційні витрати судна.

У методологічну основу досліджень був покладений системний підхід. Аналіз особливостей роботи утилізаційного контуру показав, що рішення поставлених завдань щодо підвищення його екологічної безпеки та ефективності експлуатації здійснено тільки у функціональному зв'язку з судном. Вивчення судна в цілому, його елементів і процесів, дослідження й конструювання бажано проводити в рамках системного підходу, загальної теорії систем. У цих умовах судно невіддільне від таких понять як цілісність, структура, зв'язок, елемент, відношення, підсистема та ін. Утилізаційний контур являє собою складну багаторівневу систему. Складні об'єкти вимагають системного підходу до рішення проблеми. Тому утилізаційний контур розглядається у всій його єдності, з урахуванням загальних для нього властивостей, а не як проста сукупність елементів, що входять до нього. Усі системи, що входять у контур, утворюють ієрархію: кожна система подається, з одного боку, як підсистема всередині іншої системи, що перебуває на більш високому щаблі ієрархії, а з іншого боку - як така, що складається з елементів - підсистем, розташованих на нижчому щаблі ієрархії.

Системний підхід до підвищення ефективності експлуатації утилізаційних контурів дозволяє сформувати цільову функцію для досягнення поставленої мети, математичний опис якої визначає її залежність від величини показників ефективності роботи судна:

, (1)

де ДЗ_Р - економія експлуатаційних витрат судна (у грошовому вираженні), що може бути отримана в результаті модернізаційних робіт; ДЗ_УР - економія в результаті підвищення надійності завдяки модернізації; Е_Н - нормативний коефіцієнт ефективності капіталовкладень; Дk_Р - капітальні витрати, необхідні для проведення цих робіт.

Як видно з формули (1), найбільш ефективним способом одержання максимального значення цільової функції є розв'язання завдання шляхом економії експлуатаційних витрат судна, підвищення надійності в результаті модернізації й скороченні капітальних витрат, необхідних для проведення цих робіт.

Утилізаційний контур у судновому комплексі піддається різним збурюючим впливам. Насамперед, до них варто віднести зміну режиму роботи ГД і пов'язану з цим зміну кількості й температури випускних газів, що проходять через УК. Не менш важливо впливають інші фактори, серед яких - відкладення продуктів згоряння палива на зовнішніх поверхнях нагрівання, які приводять до зміни параметрів пари, що продукується УК. Щоб мати можливість судити про ефективність і надійність роботи УК як частини судна і для створення раціональних систем керування, необхідно дослідити перехідні процеси в утилізаційному контурі. Простіше й дешевше за все таке дослідження можна виконати методом математичного моделювання процесів.

Для розв'язання більшості практичних питань математичний опис може бути отримано при розгляді фізичної моделі УК як сукупності підсистем із зосередженими параметрами (рис. 1):

§ підсистема 1: випускні гази ГД - поверхня нагрівання УК;

§ підсистема 2: поверхня нагрівання - робоче тіло УК;

§ підсистема 3: сепаратор пари.

Як відомо, концентрація NOx, SOx та ін. в газах, що йдуть з ГД, має пряму лінійну залежність від температури газів, що залишають УК і викидаються в атмосферу.

Таким чином, підтримуючи температуру газів на можливому гранично низькому рівні можна в умовах експлуатації судна контролювати концентрацію NOx, SOx і ін., тобто екологічне навантаження судна на навколишнє середовище. Керувати цими процесами можливо за допомогою регулювання товщини шару відкладень на поверхнях нагрівання УК.

Розглянуто різні теоретичні методи досліджень процесів адгезії сферичних часток до підкладки. Описано принцип проведення експериментальних досліджень процесу відкладення продуктів згоряння палива на зовнішніх поверхнях котлових труб.

Визначена похибка теплотехнічних випробувань дорівнює 5,8%, ступінь розбіжності отриманих теоретичних і експериментальних значень не перевищує 10%.

Таким чином, були визначені методи дослідження екологічного навантаження на навколишнє середовище і добових експлуатаційних витрат судна в умовах експлуатації.

Матеріали розділу опубліковані в роботі [4].

Третій розділ присвячено теоретичним дослідженням впливу термодинамічного стану відпрацьованого робочого тіла головного двигуна на зміну екологічного навантаження судна на навколишнє середовище та економічні показники судна як транспортного засобу.

Продукти згоряння палива, які відкладаються на зовнішніх поверхнях нагрівання УК, мають вуглеводневу природу. Вуглець - основний як з погляду хімічного складу (від 50% до 96%), так і з погляду тепловиділення при згорянні елемент палива. Згоряння палив приводить до характерного розпаду вуглецю на «твердий», «зв'язаний» або «коксовий» вуглець і на «летючий».

Весь вуглець, що згоряє в кисні, дає вуглекислий газ, а ті частки, які при цьому не встигають згоріти, осаджуються на зовнішніх поверхнях нагрівання УК у вигляді другої складової частини вуглекислого газу - сажі.

Висунуто гіпотезу, що відкладення на зовнішніх поверхнях нагрівання УК виникають і утримуються під дією сил адгезії. Центральною проблемою, пов'язаною з теорією адгезії, є розшифровка механізму явища. Адгезія - це опір порушенню контакту двох різнорідних тіл. Тому явища адгезії природно відносити до поверхневих явищ, обумовлених поверхневими силами.

Взаємодія часток з підкладкою у вакуумі, газоподібному й рідкому середовищах піддавалася багаторазовому вивченню й моделюванню із застосуванням різних підходів. Найбільш перспективним напрямком є підхід, запропонований Дерягіним, Муллером і Топоровим (метод ДМТ), що полягає у наступному.

При прилипанні часток до підкладки в повітрі або газах основними факторами адгезії часток є:

§ Ван-дер-ваальсові сили;

§ сили електричної природи;

§ капілярні ефекти, які виникають у результаті капілярної конденсації пари, що присутня у газовому середовищі в кільцевій зоні, яка оточує місця контакту часток із субстратом.

Ці три фактори (складові сили адгезії) по-різному залежать від геометричної форми часток. Для часток, розміри яких значно перевершують радіус поверхневих сил, молекулярна (і взагалі будь-яка термодинамічно рівноважна) взаємодія підкоряється загальному рівнянню, виведеному Б.В. Дерягіним, яке виражає цю взаємодію у вигляді добутку двох множників. З них перший визначається винятково формою часток, а другий - їхньою природою:

, (2)

де F_m - сила взаємодії частки з підкладкою при крапковому контакті, R - радіус частки, ц - питома енергія адгезії.

Із зіставлення електронної теорії адгезії й експериментальних робіт з адгезії плівок випливає, що процес їх прилипання зазвичай в основному визначається подвійним електричним шаром, який утворюється на межі розподілу.

На рис. 2 представлено графік залежності сили відштовхування частки від глибини проникнення. З графіка видно, що при h = 0 сила негативна. Це означає, що при незначному торканні частки й підкладки діє сила, що притягує. Стрілками показана траєкторія при переміщенні зонда вниз і вгору. Зонд, що прилип до поверхні, при русі вгору тягне за собою невелику «прилиплу» ділянку зразка, яка протягом деякого часу, поки не відбудеться відрив, піднімається, утворюючи шийку (рис. 3).

Через сили адгезії дотик і відрив відбуваються по-різному, тобто в системі з'являється гістерезис. Наявність петлі гістерезису на графіку (див. рис. 2) говорить про те, що щоб пригорнути зонд до поверхні зразка й потім його відірвати, повернувши в первісне положення, необхідно витратити роботу. Заштрихована зона відповідає величині роботи адгезії.

Теоретичні й експериментальні дослідження доводять, що на межі розподілу «метал - частки» існує подвійний електричний шар, що підтверджує фундаментальну роль електростатичної складової в адгезії сферичних часток. Знаючи природу сил, відповідальних за «прилипання» залишків згоряння палива на зовнішніх поверхнях труб, стає можливим визначити спосіб деструкції шару відкладень.

Загально відомо, що у теперішній час найпоширенішим методом очищення зовнішніх поверхонь нагрівання УК під час руху судна є стаціонарне парове обдування, яке показало свою неефективність. Причина незадовільного результату пов'язана з тим, що сили зчеплення гідрофобних поверхонь у воді приблизно вдвічі більше сил зчеплення тих самих поверхонь на повітрі. Цей результат суперечить широко розповсюдженому уявленню, згідно з яким рідке середовище завжди ослаблює притяжіння між частками і є проявом ефекту гідрофобних взаємодій.

На металевих поверхнях у більшості випадків присутня окисна плівка, що впливає на адгезійну міцність. При цьому утворення пухкої окисної плівки спричиняє відсутність адгезії. Дослідження адгезійної міцності різних металевих плівок до порошків виявили наступні закономірності. Адгезійна міцність плівок з благородних металів (срібла, золота, платини), у яких відсутня окисна плівка, а також плівок з цинку та алюмінію, на поверхні яких перебувають окисли Zn та Al₂O₃, відносно невелика. В той же час плівки з магнію з окисною плівкою Mg і заліза з окисною плівкою Fe₃O₄ мають підвищену в сотні разів адгезійну міцність, що пояснюється особливостями взаємодії цих окислів з вуглецем. При цьому товщина окисної плівки на сталі не повинна перевищувати 25-30 нм, що досягається при температурі нагрівання поверхні 250єС. Більш висока температура сприяє утворенню більш товстої й пухкої окисної плівки, що зменшує адгезійні властивості. Як було відзначено в першому розділі, сучасний розвиток суднових дизелів має тенденцію до зниження температури вихлопних газів після двигуна. Так, у двигунах 70-х-80-х років побудови температура газів перед котлом становила 365-335°С, на сучасних довгоходових двигунах вона знижена до 260-230°С. Як було помічено вище - це ідеальна температура для утворення окисної плівки Fe₃O₄, що має підвищену адгезійну міцність. І якщо на двигунах попередніх моделей з більш високою температурою вихлопних газів перед УК використання парового обдування мало певний ефект, то на сучасних дизелях необхідно застосувати інші засоби очищення зовнішніх поверхонь нагрівання.

Матеріали розділу викладені в статті [7].

У четвертому розділі приділено увагу експериментальним дослідженням екологічних показників та вихідних економічних характеристик судна у процесі експлуатації з урахуванням зміни стану УК.

Для підтвердження робочої гіпотези й висновків теоретичних досліджень впливу термодинамічного стану відпрацьованого робочого тіла головного двигуна на зміну екологічного навантаження судна на навколишнє середовище та економічні показники судна був проведений експеримент методом склерометрії. Зразки котельних труб поміщали в проточну частину УК. Під час переходу судна між портами продукти згоряння рідкого вуглеводневого палива у вигляді нагару осаджувалися на випробуваних зразках труб. Після приходу судна в порт, труби витягували з УК і продряпували індентором з різним навантаженням. За допомогою мікроскопа при 100-кратному збільшенні визначали ширину подряпин. При кожному навантаженні від 10 мН до 70 мН з кроком 10 мН було проведено по 10 дослідів. Результати (рис. 4) свідчать, що ширина подряпини продуктів відкладень має лінійну залежність від навантаження на індентор. Це доводить, що сила, при якій відбувається зрушення відкладень, залежить тільки від товщини шару.

Виконано розрахунок тиску, при якому відбувається зрушення часток вуглеводної природи від зразків труб при проведенні експерименту. Розрахунок був виконаний для випадку, коли товщина шару відкладень була 0,1 мм, при цьому радіус стержня індентора становив 0,058 мм, а площа поверхні «розрізування» - 1,05·10^-8 м². На графіку (рис. 5) зображено залежність тиску відриву часток від навантаження на індентор.

За результатами експериментальних досліджень можна відзначити, що сила зрушення шару відкладень продуктів згоряння на поверхні котельних труб має лінійну залежність як і в адгезійно-молекулярній теорії Дерягіна. Таким чином, можна зробити висновок, що теорія Дерягіна може бути застосована для випадку відкладення продуктів вуглеводної природи на зовнішніх поверхнях сталевих котельних труб. Цей висновок дає нам право використати досліджені й доведені положення адгезійної теорії стосовно до суднових утилізаційних контурів. А саме:

· можливість розрахунку і номінування додаткових експлуатаційних видатків на добову витрату палива судна;

· можливість організації експлуатації і технічного обслуговування елементів судна з мінімальним екологічним навантаженням судна на навколишнє середовище і експлуатаційними видатками.

· визначити час між двома послідовними операціями технічного обслуговування УК судна.

Розроблено методику теплотехнічних випробувань УК для оцінки екологічних і економічних показників суден в умовах експлуатації з урахуванням зміни стану теплообмінних поверхонь УК і виміру паропродуктивності при різних ступенях забруднень і на різних режимах роботи судна.

Обрано план двофакторного експерименту, що було обумовлено можливостями організації спостережень у рейсі. Ці можливості визначалися навантажувальними режимами роботи ГД, які були пов'язані з конкретними транспортними завданнями судна. Був організований процес випадкової послідовності дослідів (рандомізація). Паропродуктивність УК було обрано як змінну відгуку при дослідженнях. Керуючі фактори - забруднення зовнішньої поверхні нагрівання й навантаження ГД.

Очікувана похибка теплотехнічних випробувань утилізаційного контуру становить 5,8%.

Випробування було проведено на п'ятьох різних режимах роботи ГД. За даними випробувань побудовано залежність паропродуктивності УК від витрати палива ГД і від забруднення зовнішньої поверхні труб.

Визначено розрахункову залежність паропродуктивності УК від ступеня забруднення зовнішньої поверхні нагрівання котла. Із цих залежностей добре видно, що паропродуктивність має лінійну залежність від витрати палива при різних ступенях забруднення.

На підставі експериментальних досліджень утилізаційного контуру отримано залежність паропродуктивності УК від товщини відкладень продуктів згоряння на зовнішній поверхні теплообміну котла (рис. 6).

З цього графіка видно, що при товщині відкладень 4,7 мм, паропродуктивність падає до 0,35 кг/с (на 21%), а це не задовольняє потреби судна в парі. Аби забезпечити судно необхідною кількістю пари, необхідно включати в роботу допоміжний котел (ДК), що пов'язано з додатковою витратою палива.

Зроблено перевірку розробленої математичної моделі й достовірності отриманих розрахунків. За результатами порівняння розрахунків з експериментами, проведеними на суднах можна зробити наступний висновок. Теоретично пророковані закономірності зміни паропродуктивності УК від товщини шару відкладень продуктів згоряння палива ГД на зовнішніх поверхнях нагрівання котла збігаються зі спостережуваними параметрами в процесі експлуатації суден. Ступінь адекватності отриманих теоретичних і експериментальних значень має задовільну збіжність і не перевищує 10%, середньоквадратична похибка склала 6,8%.

Отже, можна зробити висновок, що математичний опис теплових процесів у системі досить точно відображає дійсний характер процесів, які відбуваються в реальній утилізаційній установці. Теоретично передбачені закономірності зміни екологічних показників судна від товщини шару відкладень продуктів згоряння рідкого вуглеводневого палива на зовнішніх поверхнях нагрівання котла збігаються зі спостережуваними параметрами в процесі експлуатації суден.

Отримані результати викладені в роботах [1 - 3].

У п'ятому розділі виконано рішення п'ятої задачі - організації екологічно безпечної, економічно ефективної та надійної експлуатації суден.

Ознаками забруднення зовнішніх поверхонь нагрівання котлів при незмінних навантаженні котла й параметрах випускних газів двигуна є:

§ підвищення температури випускних газів ГД за котлом;

§ підвищення газового опору в проточній частині УК;

§ зниження тиску пари.

Основними способами очищення поверхонь нагрівання котлів, які застосовуються в теперішній час в судновій енергетиці й промисловості, є:

§ парове обдування,

§ дробоочищення,

§ віброочищення,

§ газоімпульсне очищення.

Ці засоби очищення поряд з перевагами мають цілу низку недоліків, які обмежують їхнє застосування. Тривалий досвід експлуатації котлів, обладнаних вищезгаданими засобами очищення поверхонь нагрівання, показав їхню недостатню ефективність і надійність, що значною мірою знижує економічність роботи котлоагрегатів і вимагає великих працезатрат для ручного очищення.

Найпоширеніший метод очищення зовнішніх поверхонь нагрівання УК на суднах - це стаціонарна система обдування парою під час руху судна. Як показує досвід експлуатації УК, системи парового обдування сажі не можуть ефективно справлятися з відкладеннями на зовнішніх поверхнях нагрівання котлів.

Обдування парою не може повністю видалити відкладення, тому для більш ретельного очищення необхідно використовувати водяне відмивання зовнішніх поверхонь нагрівання УК.

Метод водяного очищення зовнішніх поверхонь нагрівання УК деякою мірою дозволяє вирішувати проблему відкладень на зовнішніх поверхнях нагрівання, але його можна застосовувати тільки під час стоянки судна. На практиці ж необхідність очищення УК виникає на ходу судна - після завершення маневрів і протягом переходу між портами.

Парове обдування й водяне очищення є основними стаціонарними системами очищення зовнішніх поверхонь нагрівання УК. Необхідно, використовуючи їх і хімічне очищення, організувати ефективну, безпечну й надійну експлуатацію судна.

З визначеної цільової функції (1) випливає, що найбільш ефективним способом досягнення її максимального значення є зниження експлуатаційних видатків судна, підвищення надійності в результаті модернізації й скорочення капітальних витрат, необхідних для проведення цих робіт:

При періодичному включенні ДК для заповнення нестачі виробленої УК пари добова витрата палива становить:

§ дизельне паливо - 0,3 тонни;

§ важке паливо - 1,5 тонни.

На теперішній час середньосвітові ціни на паливо становлять:

§ дизельне паливо - 1100 $/т;

§ важке паливо - 600 $/т.

Таким чином, економічні збитки по паливній складовій - 1230 $/добу.

Витрати на встановлення додаткового устаткування не порівнянні з економічним ефектом. Інжектор - простий і недорогий пристрій, що може бути виготовлений і установлений силами суднового екіпажа. Витрати на встановлення не перевищать 100 $.

Підвищення ефективності експлуатації УК у результаті модернізації не піддається оцінці, тому що погіршення екологічних та економічних показників судна мають надзвичайно серйозніші наслідки.

Таким чином, вирішено завдання детермінування цільової функції, що визначає екологічну безпеку і експлуатаційну ефективність судна.

Для судна, на якому здійснювалися згадані теплотехнічні випробування на сталому режимі роботи, при падінні паропродуктивності до 0,35 кг/с (на 21%), виробленої УК теплової енергії недостатньо для задоволення потреб судна в парі і виникає необхідність включення в роботу ДК, що спричиняє додаткову витрату палива. Таким чином, при падінні паропродуктивності УК до рівня 0,35 кг/с, необхідно здійснювати позачергове технічне обслуговування систем судна для відновлення його екологічних показників, теплофізичних параметрів і працездатності судна в цілому.

Справа від графіку схематично представлено залежність експлуатаційних видатків на паливо і екологічного навантаження судна на навколишнє середовище залежно від зростання товщини шару відкладень продуктів згоряння рідкого вуглеводневого палива. Отже, керувати екологічними і економічними показниками судна в умовах експлуатації можна за допомогою контролю товщини шару відкладень продуктів згоряння рідкого вуглеводневого палива.

Це дає можливість сформулювати рекомендації щодо підтримання екологічних і економічних показників судна в експлуатаційно надійному стані. Знаючи закон, за яким змінюється товщина шару відкладень, можна планувати, коли екологічні і економічні показники судна досягнуть мінімально допустимого рівня. У цьому разі необхідно призначити технічне обслуговування поверхонь нагрівання котла, щоб уникнути економічних збитків, пов'язаних з підвищеною витратою палива й погіршенням екологічних показників судна.

Висновки

Огляд стану проблеми підвищення екологічної безпеки та економічної ефективності експлуатації морських суден дозволив виявити характерні прогалини в організації та виконанні технічної експлуатації суден. У теперішній час однією з найменш вивчених причин, що знижують екологічну безпеку та ефективність експлуатації судна, є забруднення зовнішніх поверхонь нагрівання УК продуктами згоряння рідкого вуглеводневого палива. Зниження екологічної безпеки та економічної ефективності суден через забруднення зовнішніх поверхонь нагрівання УК пов'язано з відсутністю ефективних технологій і очисних пристроїв для їхньої реалізації. В опублікованих у відкритій пресі джерелах немає даних про механізм утворення відкладень на зовнішніх поверхнях нагрівання УК і їхній вплив на екологічні показники та ефективність роботи судна. Необхідність забезпечення екологічно безпечної, експлуатаційно ефективної та надійної роботи судна вимагає розв'язання важливих для транспорту завдань - встановлення закономірностей зміни екологічних параметрів у процесі експлуатації, прогнозування технічного стану судна по цьому показнику й розробки програм технічного обслуговування. Проведений огляд дозволив сформулювати напрямок необхідних наукових досліджень, спрямованих на забезпечення екологічної безпеки суден і підвищення їхньої експлуатаційної ефективності.

1. Вперше було доведено, що екологічне навантаження на повітряний басейн та економічні показники роботи судна визначаються станом та умовами теплопередачі на поверхнях утилізаційного контуру. При цьому відзначено, що відкладення продуктів згоряння рідкого вуглеводневого палива утримуються на зовнішніх поверхнях нагрівання УК під дією сил адгезії згідно з молекулярно-адгезійною теорією Дерягіна та її закономірностями. Причина адгезії - електростатичні сили на межі розподілу двох тіл, які виникають завдяки створеному в контакті подвійному зарядженому шару.

2. Наведено методику оцінки й прогнозування зміни екологічних і економічних характеристик судна в умовах експлуатації та розроблено методику організації екологічно безпечної, економічно ефективної і надійної експлуатації судна. З'явилася можливість розрахунку і номінування додаткових експлуатаційних видатків на добову витрату палива судна, організації експлуатації і технічного обслуговування елементів судна з мінімальними експлуатаційними видатками і екологічним навантаженням судна на навколишнє середовище.

3. Зроблено оцінку ефективності застосовуваних методів технічного обслуговування УК. Встановлено, що штатні системи обдування зовнішніх поверхонь паром неефективні. Відзначено, що сили зчеплення неполярних молекул у водному середовищі приблизно вдвічі більші за сили зчеплення тих самих поверхонь на повітрі. Це пояснює неефективність застосовуваних систем технічного обслуговування судна. Запропоновано схему модернізації системи видалення відкладень продуктів згоряння палива на зовнішніх поверхнях теплообміну УК та відповідні зміни до суднової технічної документації.

4. На поверхні сталевих труб УК присутня окисна плівка, що впливає на адгезійну міцність. Плівка із заліза з окисною плівкою Fe₃O₄ має підвищену у сотні разів адгезійну міцність, що пояснюється особливістю взаємодії цього окислу з вуглеводневою часткою. При цьому товщина окисної плівки на сталі не повинна перевищувати 25-30 нм, що досягається при температурі нагрівання поверхні 250°С.

5. На підставі експериментальних досліджень утилізаційного контуру отримано залежність екологічних показників судна в умовах експлуатації від товщини відкладень продуктів згоряння рідкого вуглеводневого палива на зовнішній поверхні теплообміну котла. Встановлено критичну товщину шару відкладень на зовнішніх поверхнях нагрівання, при якій внаслідок погіршення екологічних та економічних показників необхідно здійснити позачергове технічне обслуговування котла.

6. Теоретично передбачені закономірності зміни екологічних і економічних показників залежно від товщини шару відкладень продуктів згоряння рідкого вуглеводневого палива на зовнішніх поверхнях нагрівання котла збігаються зі спостережуваними параметрами в процесі експлуатації суден. Визначено очікувану похибку теплотехнічних випробувань, яка дорівнює 5,8%; ступінь розбіжності отриманих теоретичних і експериментальних значень не перевищує 10%.

7. Визначено ознаки погіршення екологічних показників судна під час експлуатації. Розроблено рекомендації судновим екіпажам щодо забезпечення екологічно безпечної, економічно ефективної та надійної експлуатації судна.

8. Результати роботи дозволяють:

§ покращити екологічні показники в умовах експлуатації судна за рахунок зниження температури вихлопних газів на 15-20°С;

§ знизити загальні експлуатаційні видатки судна на 3-4%;

§ знизити час і витрати на технічне обслуговування й ремонт судна.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Ромашко В.Н. Особенности динамики судовых утилизационных контуров на разных режимах работы главных двигателей / Ромашко В.Н. // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. - 2004. - Вып.10. - Одесса: ОНМА. - С. 65-67.

2. Ромашко В.Н. Результаты теплотехнических испытаний утилизационного контура с котлом «Diesecon» / В.Н. Ромашко, С.М. Сурин // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. - 2001. - Вып. 6. - Одесса: ОНМА. - С. 97-100 (здобувачу належать: проведення експериментів і аналіз їх результатів; розрахунки; формулювання висновків).

3. Ромашко В.Н. Сравнение результатов теплотехнических испытаний утилизационных контуров с котлом «Diesecon» / В.Н. Ромашко, С.М. Сурин // Судовые энергетические установки: научн.-техн. сб. - 2002. - Вып. 7. - Одесса: ОНМА. - С. 110-114 (здобувачу належать: проведення експериментів і аналіз їх результатів; перевірка адекватності висновків попередніх досліджень; розрахунки; формулювання висновків).

4. Ромашко В.Н. Моделирование на ЭВМ расчётов утилизационных контуров на переменных режимах работы главного двигателя / В.Н. Ромашко, С.М. Сурин // Судовые энергетические установки: научн.-техн. сб. - 2003. - Вып. 8. - Одесса: ОНМА. - С. 86-89 (здобувачу належать: розробка математичної моделі УК, одержання лінійних залежностей, формулювання висновків).

5. Ромашко В.Н. Особенности коррозионных процессов во вспомогательных паросиловых установках / С.М. Сурин, В.Н. Ромашко // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. - 2000. - Вып. 5. - Одесса: ОГМА. - С. 119-121 (здобувачу належать: обговорення структури статті; аналіз особливостей корозійних процесів у допоміжних паросилових установках; формулювання висновків).

6. Ромашко В.Н. Теплотехнические испытания утилизационных контуров / В.Н. Ромашко, С.М. Сурин // Мат. Междунар. науч.-практ. конф. «Динамика научных исследований 2003». - Днепропетровск - Ивано-Франковск - Кривой Рог, 2003. - Т. 37. - С. 24-26 (здобувачу належать: проведення експериментів та їх інтерпретація; формулювання висновків).

7. Ромашко В.Н. Очистка проточной части утилизационного котла / Ромашко В.Н. // Мат. міжнар. наук.-техн. конф. студентів, науковців та фахівців «Суднова енергетика: стан та проблеми». - Миколаїв: НУК. - 2007. - С. 33-35.

Размещено на Allbest.ru

...