Повышение эффективности судовых энергетических установок

DOI: 10.24143/2073-1574-2018-4-101-106 УДК 62-531.9

А. В. Соловьёв, М. М. Чиркова, Н. Ф. Попов

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Приоритетной задачей развития внутреннего водного транспорта Российской Федерации является повышение безопасности, экологичности и энергоэффективности перевозок. Приведён обзор способов повышения эффективности работы судовых энергетических установок. Установлено, что среди источников использования вторичной теплоты на речных судах наиболее перспективными являются выпускные газы дизелей и охлаждающая вода главных двигателей и дизель-генераторов для утилизации теплоты. Проведён анализ, подтверждающий, что вторичные энергоресурсы на судах, в том числе современных, практически не используются или используются в недостаточной степени и, кроме этого, окружающей среде наносится экологический ущерб. Приведены причины недостаточного использования вторичных энергоресурсов на судах: отсутствие автоматизированных систем управления комплексными системами утилизации теплоты, которое приводит к снижению её экономической эффективности и др. К системам утилизации теплоты эксплуатационники относятся недоверчиво, т. к. количество обслуживаемых систем возрастает, с паровыми утилизационными системами связаны негативные явления, отражающиеся на качестве воды. Системы с глубокой утилизацией теплоты подходят для морских судов и малопригодны для речных по причине недостаточно больших вторичных тепловых потоков и малой экономии топлива при достаточно высокой стоимости. Важной задачей в настоящее время становится разработка принципов и алгоритмов функционирования автоматизированной системы управления комплексными системами утилизации теплоты.

Ключевые слова: эффективность судовых энергетических установок, источники теплоты, системы утилизации теплоты, дизель-генератор, коэффициент теплоотдачи.

Введение

В соответствии со «Стратегией развития внутреннего водного транспорта Российской Федерации на период до 2030 года» [1] приоритетными задачами являются повышение безопасности, экологичности и энергоэффективности перевозок на внутреннем водном транспорте (ВВТ). При этом одной из актуальных задач для повышения эффективности использования флота на перевозках является снижение эксплуатационных издержек, которое может быть достигнуто путём рационального использования топлива и совершенствования технической эксплуатации флота. Решение указанных задач, в первую очередь, необходимо для обеспечения конкурентоспособности ВВТ по отношению к другим видам транспорта.

Анализ литературных источников [2-8] показывает, что повышение эффективности работы судовых энергетических установок (СЭУ) может быть достигнуто:

- обеспечением постоянного на протяжении срока эксплуатации исправного состояния двигателей и других судовых технических средств судна, параметры рабочего процесса и технического состояния которых регламентированы технической документацией изготовителя. Особое внимание при этом следует уделить поддержанию исправного технического состояния топливной аппаратуры потребителей топлива;

- обеспечением постоянного по времени эксплуатации исправного состояния движитель-но-рулевого комплекса;

- выбором судоводителем при осуществлении рейса таких режимов работы главных двигателей (ГД), которые обеспечивают минимально возможный расход топлива в данных эксплуатационных условиях, т. е. при данной глубине судового хода, извилистости фарватера, путевой обстановке, ограничениях на скорость движения, накладываемых местными правилами плавания, давлением ветра и волнением водной поверхности;

- исключением из работы ненужных в данный период времени судовых потребителей энергии, прежде всего электрической;

- введением в действие резервов энергосбережения, из которых наиболее пригодны для реализации мероприятия по утилизации на судне вторичной теплоты, т. е. теплоты сгоревшего

топлива, не преобразованной в работу при осуществлении рабочего процесса главных и вспомогательных двигателей, не переданной теплоносителю в автономных и утилизационных котлах, вырабатываемой холодильными машинами и другими объектами СЭУ.

Источниками вторичной теплоты на судах являются выпускные газы двигателей, наддувочный воздух, охлаждающая вода (жидкость) главных и вспомогательных двигателей (ВД), холодильных машин, систем кондиционирования воздуха и охлаждения трюмов (на рефрижераторных судах). В комплексных системах могут быть задействованы несколько источников в различных сочетаниях. Выпускные газы ГД и дизель-генераторов (ДГ), имеющие температуру 250-450 °С, относят к источникам высокопотенциальной теплоты, а охлаждающую воду с температурой 60-90 °С - к источникам низкопотенциальной теплоты.

Утилизация теплоты

В соответствии с классификацией известных к настоящему времени систем утилизации теплоты (СУТ) [2] их можно разделить на основе пяти классифицирующих признаков: рода источника вторичной теплоты; рода теплоносителя; назначения; типа утилизационного оборудования; глубины утилизации теплоты.

Несмотря на интерес в мировом судостроении к системам с органическими теплоносителями, на речных судах их практически не применяют. Это связано с высокой текучестью и очень высокой стоимостью низкокипящих теплоносителей ^11, Я22, R114, R502 и др.). Не решены трудности с герметизацией систем, а низкие значения скрытой теплоты парообразования и коэффициентов теплоотдачи приводят к увеличению мощности перекачивающих насосов и развитию поверхностей нагрева котлов и теплообменников. Высококипящие органические теплоносители (термальные жидкости) выгодны с термодинамической точки зрения в условиях высокотемпературного охлаждения дизелей или утилизации теплоты выпускных газов, однако низкие значения коэффициента теплоотдачи (300-350 Вт/(м2-К)) и свойства высокотемпературных органических жидкостей приводят к тем же последствиям, которые сдерживают применение низкокипящих теплоносителей [9]. В то же время термальным жидкостям как теплоносителям присущи существенные недостатки: низкая термическая стойкость, что приводит к образованию на поверхностях нагрева термомасляных котлов плотных отложений нефтепродуктов, ухудшающих теплопередачу; высокая пожароопасность; высокая стоимость; отсутствие опыта (и традиций) эксплуатации оборудования систем с органическими теплоносителями; большие трудности при ремонте сваркой.

Системы утилизации теплоты для выработки электроэнергии используют утилизационные турбогенераторы (УТГ), СУТ для работы на винт используют паровые пропульсивные турбины, обеспечивающие судно электроэнергией и отдающие избыток мощности через редуктор на винт, утилизационные газовые турбины, соединённые посредством зубчатой передачи с валом ГД или электрогенератора (бустерные турбины, система «турбокомпаунд» и др.).

Поскольку на речных судах режимы работы ГД и ДГ вследствие изменений судоходной обстановки, глубины фарватера, извилистости судового хода и других причин непрерывно меняются, а следовательно, изменяется количество и качество вырабатываемого утилизационными котлами пара, то СУТ с УТГ, как и пропульсивные паровые турбины, не применяются.

Системы утилизации теплоты с аккумуляторами теплоты фазовых переходов и газовыми заслонками, объединяющими газовыпускные системы ГД и ДГ, могут применяться на пассажирских и других водоизмещающих судах с электростанциями, мощность которых соизмерима с мощностью ГД на эксплуатационном режиме работы, а также на тех судах, на которых периодически возникают несоответствия во времени между производством и потреблением теплоты.

По глубине утилизации теплоты СУТ разделяются на теплофикационные и с глубокой утилизацией, признаком которой является наличие УТГ, пропульсивной паровой или силовой газовой турбины. Системы с глубокой утилизацией теплоты весьма перспективны для морских судов и практически непригодны для речных судов вследствие недостаточно больших вторичных тепловых потоков и малого выигрыша в экономии топлива при достаточно высокой стоимости.

На речных судах тепловой поток охладителей наддувочного воздуха составляет максимум 50 кВт, в результате чего вода в утилизационном теплообменнике может быть нагрета не более чем на 5-10 °С. Поэтому утилизация теплоты наддувочного воздуха на речных судах экономически оправдана только в комплексных системах утилизации теплоты или в системах с тепловыми насосами (ТН), что в перспективе реально. Схемы с использованием ТН необходимы

и для утилизации теплоты воды охлаждения холодильных машин. Для того чтобы использовать теплоту наддувочного воздуха и воды охлаждения холодильных машин, нужно создавать специальные двухконтурные системы охлаждения. Но поскольку потребителей теплоты низкого потенциала на подавляющем большинстве речных судов не так уж много, то их потребности с избытком могут удовлетворить ДГ и ГД.

В этой связи для речных судов будем считать источниками, перспективными для утилизации теплоты, выпускные газы дизелей и охлаждающую воду ГД и ДГ, т. е. в дальнейшем исследовании будем ориентироваться на СУТ с неглубокой утилизацией теплоты.

Несмотря на то, что СУТ различного типа и сложности внедряют на флоте с 40-х гг. прошлого столетия, вопросами совершенствования утилизации теплоты на судах занимались многие специалисты, разработаны концепции применения того или иного оборудования, созданы методы определения оптимального состава утилизационных систем, на вновь строящихся судах не всегда применяются СУТ, тем более комплексные, сочетающие в себе несколько видов утилизационных устройств. Проектанты не уделяют должного внимания данному направлению энергосбережения, поскольку не всегда готовы оценить его преимущества. Например, на серии новых судов пр. № RST54 (комбинированное судно-площадка/танкер) применяются два паровых утилизационных котла, установленных в системе газовыпуска ГД, при этом тепловые потоки выпускных газов ВД и охлаждающей воды ГД и ВД полностью выбрасываются в окружающую среду. На обстановочных судах пр. ВЦУШ, построенных на класс М-СП3.5 (лед 40) А и предназначенных для эксплуатации при температурах наружного воздуха от +40 °С до -20 °С, в том числе в морских районах А1, вообще не применяются СУТ. Аналогичная ситуация на судах пр. № SV2407, А217-1 и других новых судах, и нисколько не лучшая - на судах, находящихся в эксплуатации. На повестке дня у проектных организаций и судовладельцев не актуален вопрос оснащения судов СУТ, не говоря уже о комплексных СУТ.

Специфика эксплуатации речных судов накладывает ограничение на применение многих современных технологий утилизации теплоты. На судах, построенных 40 лет назад, и на вновь строящихся судах реализуется главным образом утилизация теплоты выпускных газов ДВС посредством установки утилизационных котлов, а дефицит теплоты для нужд отопления, горячего водоснабжения, подогрева жидкого груза компенсируется работой автономного котла. При этом в окружающую среду выбрасываются такие потоки, которые могли бы обеспечить теплопо-требность судна не только в тёплый, но и в холодный период навигации.

На некоторых судах, построенных большими сериями, например теплоходах пр. № 301, 302, 781, 488А, не установлены утилизационные котлы на ГД, и в окружающую среду выбрасываются тепловые потоки, составляющие до 50 % мощности самих двигателей. Вспомогательные утилизационные котлы установлены только на теплоходах пр. № 301, 302 и 302М. Тепловые потоки охлаждающей воды, за исключением некоторых теплоходов пр. № 92-016 и 302, оборудованных по инициативе механиков утилизационными теплообменниками, полностью выбрасываются в окружающую среду.

Таким образом, вторичные энергоресурсы на судах, в том числе современных, практически не используются или используются в недостаточной степени и, кроме этого, окружающей среде наносится экологический ущерб. Анализ причин недостаточного использования вторичных энергоресурсов на судах носит комплексный характер, и основными причинами можно назвать следующие:

- проектанты, заказчики и судовладельцы не уделяют данному направлению соответствующего внимания, поскольку не готовы оценить все преимущества СУТ и комплексных систем утилизации теплоты (КСУТ);

- заказчик при постройке судна ориентируется на минимизацию капитальных вложений, не просчитывая эксплуатационные затраты, в том числе не учитывая возможную экономию топлива, расходуемого на отопление и горячее водоснабжение;

- эксплуатационники скептически относятся к СУТ, поскольку возрастает количество обслуживаемых систем, а паровым утилизационным системам сопутствуют нежелательные явления, связанные с качеством питательной воды;

- отсутствие автоматизированных систем управления КСУТ, которое приводит к снижению экономической эффективности КСУТ и к сложностям интеграции в систему управления СЭУ.

Конструкции утилизационного оборудования и схемы СУТ достаточно полно описаны в [2, 6]. По нашему мнению, создавать автоматизированные системы управления целесообразно только для КСУТ, а не для отдельных СУТ, использующих вторичную теплоту высокого или низкого потенциала.

Заключение

Исследованиями [10] установлено, что для отдельных типов судов, например круизных пассажирских теплоходов с низкими значениями коэффициента ходового времени, применение паровых утилизационных котлов, использующих теплоту выпускных газов ГД, не всегда экономически оправдано. Принимая это обстоятельство во внимание, укажем, что авторами [2, 6] рассматривались отдельные СУТ, не оснащённые автоматизированными системами управления, которые без участия обслуживающего персонала выбирали бы для каждого эксплуатационного режима работы СЭУ наиболее эффективное сочетание элементов КСУТ, т. е. управляли включением утилизационных котлов или от ГД, или от ДГ, либо обеспечивали совместную работу утилизационных котлов от ГД и ДГ, а также включение на зарядку или разрядку аккумуляторов теплоты и т. д. Применение аккумуляторов теплоты на речных судах сдерживается отчасти необходимостью включать вручную на зарядку или разрядку такие аккумуляторы, что с неизбежностью влечёт за собой несвоевременную с позиций эффективности СУТ зарядку или разрядку аккумуляторов теплоты обслуживающим персоналом. Как можно понять из вышесказанного, разработка принципов и алгоритмов функционирования такой автоматизированной системы управления КСУТ является важной и актуальной задачей.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Стратегия развития внутреннего водного транспорта Российской Федерации на период до 2030 года (утв. Распоряжением Правительства РФ от 29 февраля 2016 г. № 327-Р). URL: http://government.ru/docs/22004/ (дата обращения: 20.09.2018).

2. Абрамов Г. А. Разработка концепции утилизации теплоты на речных судах: дис. ... канд. техн. наук. Н. Новгород, 1994. 141 с.

3. Безюков О. К., Ерофеев В. Л., Ерофеева Е. В., Пряхин А. С. Энергосбережение: энергетическая эффективность водного транспорта: моногр. СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2016. 283 с.

4. Ерофеев В. Л., Маркин В. В. Основы энергосбережения. Энергетическая эффективность водного транспорта: моногр. СПб.: Судостроение, 2006. 220 с.

5. Артемов А. В., Артемов Г. А., Волошин В. П., Захаров Ю. В., Шквар А. Я. Судовые энергетические установки. Л.: Судостроение, 1987. 480 с.

6. Маслов В. В. Утилизация теплоты судовых дизелей. М.: Транспорт, 1990. 144 с.

7. Васильев Б. В., Кофман Д. И., Эренбург С. Г. Диагностирование технического состояния судовых дизелей. М.: Транспорт, 1982. 144 с.

8. Моек Е., Штрикерт Х. Техническая диагностика судовых машин и механизмов. Л.: Судостроение, 1986. 232 с.

9. Енин В. И., Денисенко Н. И., Костылев И. И. Судовые котельные установки: учеб. для вузов. М.: Транспорт, 1993. 216 с.

10. Выполнить проектные исследования по созданию новых систем комплексной утилизации теплоты на судах: отчёт о НИР / Горьков. ин-т инж. вод. трансп.: науч. рук. П. И. Бажан. Горький, 1988. 205 с. № IV - 12.3.

Статья поступила в редакцию 02.10.2018

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Соловьёв Алексей Валерьевич — Россия, 603950, Нижний Новгород; Волжский государственный университет водного транспорта; канд. техн. наук; доцент кафедры информатики, систем управления и телекоммуникаций; solovev@rivregnn.ru.

Чиркова Маргарита Макаровна — Россия, 603950, Нижний Новгород; Волжский государственный университет водного транспорта; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры информатики, систем управления и телекоммуникаций; chirkova@vgavt-nn.ru.

Попов Николай Фролович — Россия, 603950, Нижний Новгород; Волжский государственный университет водного транспорта; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры эксплуатации судовык энергетических установок; esse665@vgavt-nn.ru.

A. V. Soloviev, M. M. Chirkova, N. F. Popov IMPROVING THE EFFICIENCY OF SHIP POWER PLANTS

Abstract. The foreground task of the development of inland water transport in the Russian Federation is increasing security, environmental protection and power efficiency of shipping operations. The article provides an overview of methods to improve the efficiency of marine power plants. The sources of secondary heat are considered and it is found that the most promising heat recovery sources for river vessels are the exhaust gases of diesel engines and cooling water of the main engines and diesel generators. The analysis shows that the secondary energy resources on ships, including modern ones, are practically not used or are used insufficiently and, in addition, the environment is being damaged. The reasons for the insufficient use of secondary energy resources on ships have been found, among them the lack of automated control systems for integrated heat recovery systems, which leads to a decrease of its economic efficiency. The integrated heat recovery systems are regarded by the operatives with distrust due to the increasing number of the repaired systems and bad quality of tap water. Deep heat recovery systems are good for sea-going ships, but are of little use in the river transport because of weaker secondary heat flows and poor fuel saving at the relatively high fuel cost. Today the important problem is to develop principles and algorithms of functioning of automated system of control over integrated heat recovery systems.

Key words: efficiency of ship power plants, heat sources, heat recovery systems, dieselgenerator, heat emission coefficient.

REFERENSES

1. Strategiia razvitiia vnutrennego vodnogo transporta Rossiiskoi Federatsii na period do 2030 goda (utv. Rasporiazheniem Pravitel'stva RF ot 29 fevralia 2016 g. № 327-R) [Strategy of the RF inland water transport development for the period up to 2030 (Approved by the RF Government Decree No. 327-P dated February 29, 2016)]. Available at: http://government.ru/docs/22004/ (accessed: 20.09.2018).

2. Abramov G. A. Razrabotka kontseptsii utilizatsii teploty na rechnykh sudakh. Dis. ... kand. tekhn. nauk [Development of the concept of heat recovery on river ships. Diss... .Cand.Tech.Sci.]. Nizhnii Novgorod, 1994. 141 p.

3. Beziukov O. K., Erofeev V. L., Erofeeva E. V., Priakhin A. S. Energosberezhenie: energeticheskaia effek-tivnost' vodnogo transporta: monografiia [Energy saving: energy efficiency of water transport: monograph]. Saint-Petersburg, izd-vo Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova, 2016. 283 p.

4. Erofeev V. L., Markin V. V. Osnovy energosberezheniia. Energeticheskaia effektivnost' vodnogo transporta: monografiia [Principles of energy saving. Power efficiency of water transport: monograph]. Saint-Petersburg, Sudostroenie Publ., 2006. 220 p.

5. Artemov A. V., Artemov G. A., Voloshin V. P., Zakharov Iu. V., Shkvar A. Ia. Sudovye energeticheskie ustanovki [Ship power plants]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1987. 480 p.

6. Maslov V. V. Utilizatsiia teploty sudovykh dizelei [Heat recovery of marine diesel engines]. Moscow, Transport Publ., 1990. 144 p.

7. Vasil'ev B. V., Kofman D. I., Erenburg S. G. Diagnostirovanie tekhnicheskogo sostoianiia sudovykh dizelei [Diagnosing technical state of ship diesels]. Moscow, Transport Publ., 1982. 144 p.

8. Moek E., Shtrikert Kh. Tekhnicheskaia diagnostika sudovykh mashin i mekhanizmov [Technical diagnostics of ship machines and mechanisms]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1986. 232 p.

9. Enin V. I., Denisenko N. I., Kostylev I. I. Sudovye kotel'nye ustanovki: uchebnik dlia vuzov [Ship boiler plants: textbook for Universities]. Moscow, Transport Publ., 1993. 216 p.

10. Vypolnit'proektnye issledovaniiapo sozdaniiu novykh sistem kompleksnoi utilizatsii teploty na sudakh [To submit design studies on developing new integrated heat recovery systems for ships]. Otchet o NIR. Gor'kovskii institut inzhenerov vodnogo transporta: Nauchnyi rukovoditel': P. I. Bazhan. Gor'kii, 1988. 205 p. No. IV - 12.3.

The article submitted to the editors 02.10.2018

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Soloviev Alexey Valerievich — Russia, 603950, Nizhny Novgorod; Volga State University of Water Transport; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department of Informatics, Control Systems and Telecommunications; solovev@rivregnn.ru.

Chirkova Margarita Makarovna - Russia, 603950, Nizhny Novgorod; Volga State University of Water Transport; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Informatics, Control Systems and Telecommunications; chirkova@vgavt-nn.ru.

Popov Nikolay Frolovich - Russia, 603950, Nizhny Novgorod; Volga State University of Water Transport; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Marine Power Units Operation; esse665@vgavt-nn.ru.