Научные основы повышения эксплуатационных показателей судовых утилизационных котлов

УДК 536.24

А. В. Воробьёв, С. В. Виноградов, Е. А. Колядин

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СУДОВЫХ УТИЛИЗАЦИОННЫХ КОТЛОВ

Введение

Важнейшими задачами развития судовых энергетических установок (СЭУ) являются повышение эффективности их работы и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов. Решение этих задач может быть достигнуто и за счет наиболее полного использования вторичных энергетических ресурсов, в частности, теплоты отработавших газов судовых дизелей в утилизационных паровых и водогрейных котлах (УВК).

В данной работе предложен способ отключения цилиндров дизелей на режимах долевых нагрузок для улучшения экологических и экономических показателей судовых утилизационных комплексов с водогрейными котлами, не требующий изменения конструкции и модернизации судового дизеля.

К анализу влияния отключения цилиндров дизеля на технико-экономические и динамические показатели его работы

Как показал анализ загрузок дизелей различных типов судов, спектр нагрузок широк, в том числе долевых. Одним из перспективных путей повышения экономичности дизеля на режимах холостого хода и долевых нагрузок является регулирование его работы отключением цилиндров. Экспериментальные исследования, выполненные А. П. Читкиным, А. И. Гуревичем,

А. Э. Симсоном и др., показывают, что расход топлива дизеля на холостом ходу и долевых нагрузках может быть снижен на 15-20 %. Вместе с этим при отключении цилиндров происходит перераспределение топливоподачи и нагрузки с отключенных цилиндров на работающие, изменение коэффициента избытка воздуха, температуры отработавших газов [1].

При отключении цилиндров необходимо учитывать, что изменяется степень неравномерности вращения коленчатого вала. В связи с этим нами для оценки влияния отключения цилиндров на динамические показатели дизеля (силы, действующие на поршень, нагрузки на коленчатый вал, неравномерность вращения) были проведены соответствующие расчеты с использованием программного продукта «Интегрированный обучающий комплекс «Двигатели внутреннего сгорания». Для дизеля 6ЧН 15/18 на основании расчетов были определены наиболее предпочтительные с позиции нагружения коленчатого вала варианты отключения цилиндров и степень неравномерности вращения.

Результаты анализа показали, что при отключении одного цилиндра рационально отключать цилиндр, наиболее удалённый от фланца отбора мощности, чтобы нагрузка, генерируемая оставшимися в работе цилиндрами, не передавалась через ненагруженное колено. Количество отключённых цилиндров, режимы отключения зависят от типа дизеля, числа цилиндров, условий эксплуатации и должны определяться в каждом случае индивидуально. Степень неравномерности при отключении одного цилиндра изменяется в пределах значений, указанных в работах Ю. Я. Фомина, В. А. Ваншейдта, А. С. Орлина и др.

Расчётно-теоретические исследования влияния отключения цилиндров дизеля на работу УВК и эмиссию отработавших газов

Расчётно-теоретические исследования влияния отключения цилиндров дизеля на эмиссию и показатели рабочего процесса проводились на базе программного продукта «Дизель-РК», разработанного в МГТУ им. Н. Э. Баумана и предназначенного для математического моделирования и компьютерной оптимизации рабочих процессов 2- и 4-тактных дизелей.

С помощью данной программы был произведён полный расчёт рабочего процесса дизеля 6ЧН 15/18 при нормальной работе и отключении одного из цилиндров.

Расчёт на токсичность математической модели двигателя 6ЧН 15/18 показал, что при отключении одного из цилиндров концентрация влажных К0х, приведенных к К02, уменьшилась в среднем на 6 %, что определяет улучшение экологических показателей СЭУ (рис. 1).

♦ Без отключения цилиндров  С отключением цилиндров

Рис. 1. Изменение концентрации Ы02

Расчет по уточненной математической модели УВК при отключении цилиндра дизеля показал хорошие результаты (рис. 2, 3).

Р к, кВ т

3.50 -

3.00 -

2.50 -

2.00 -

1,50

0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 0,32 0,34 0,36

а

N. т.

е'1' е ном

♦ Экспериментальные исследования без отключения цилиндров

ф Экспериментальные исследования с отключением цилиндра

А Теоретические исследования без отключения цилиндров —А— Теоретические исследования с отключением цилиндра

Рис. 2. Изменение: а - тепловой мощности Рк; б - коэффициента утилизации у; в - КПД УВК

б

в

Без отключения цилиндров С отключением цилиндров д Экспериментальные значения на выходе из УВК О На входе в УВК

X Т еоретические значения на выходе из УВК

Рис. 3. Изменение температуры отработавшего газа при работе комплекса

Уменьшение температуры отработавших газов на выходе из котла при работе дизеля с отключенным цилиндром по сравнению с режимом без отключения цилиндра составляет 6 °С, что говорит о более полной утилизации теплоты отработавших газов в котле. Тепловая мощность котла Рк при работе двигателя с отключённым цилиндром увеличивается в среднем на 60 %. Коэффициент утилизации теплоты ¥ и КПД котла пк увеличиваются в среднем на 27 % при отключении цилиндра в исследованном интервале мощности 0,23^0,36 Ne ном.

Экспериментальные исследования работы установки в составе судового дизеля 6ЧН 15/18 и утилизационного водогрейного котла КАУ-1,7 при отключении цилиндров дизеля

Исследования проводили на моторной установке в составе судовой дизель 6ЧН 15/18 -утилизационный водогрейный котел КАУ 1,7, оборудованной средствами контроля и измерения параметров работы по разработанным программам испытаний по винтовым и нагрузочным характеристикам [2-4].

На графиках (рис. 2-4) представлены результаты исследований по нагрузочной характеристике с «открытым» цилиндром, показавшие лучший результат.

При работе дизеля по винтовой характеристике отключение цилиндра не привело к улучшению технико-экономических показателей как дизеля, так и УВК. Так, если температура отработавших газов за турбиной, на входе в котёл, на выходе из котла повысилась соответственно на 5,6, 6,4, 11 % при отключении цилиндра дизеля, то тепловая мощность котла, наоборот, понизилась на 12,5 % по сравнению с базовой характеристикой. Расход воздуха практически не менялся, среднее изменение составило не более 1 %.

При работе по нагрузочной характеристике в целом, при отключении цилиндра, основные показатели изменились в положительную сторону. Увеличение температуры отработавших газов за турбиной, на входе в котёл, на выходе из котла при работе дизеля с «закрытым» и «открытым» отключённым цилиндром по сравнению с базовой характеристикой составило в среднем 5 и 4,4 %, 4,1 и 17,5 %, 14,3 и 12,7 % соответственно. Коэффициент утилизации теплоты ¥ больше при «закрытом» и «открытом» цилиндре и на режиме 0,24 Ne ном составляет 1,9 и 34,1 %, однако на режиме 0,36 Ne ном ¥ больше при «открытом» цилиндре на 50 % и меньше при «закрытом» на 4,5 % по сравнению с базовой характеристикой. Аналогично себя ведёт и КПД котла Пк, который на тех же режимах составляет 33,7 и 5,2 %, 48,1 и 4,3 % при «открытом» и «закрытом» отключённых цилиндрах. Расход воздуха увеличивается и в среднем составляет 2,6 и 2,7 % при «закрытом» и «открытом» цилиндрах, при работе дизеля на пяти цилиндрах по сравнению с базовой характеристикой. Тепловая мощность котла Рк при работе двигателя с отключённым цилиндром увеличивается в среднем на 7 % при «закрытом» и 70,2 % - при «открытом» цилиндрах.

а

Без отключения цилиндров “ С отключение цилиндров

Рис. 4. Изменение: а - коэффициента избытка воздуха а; б - удельного расхода топлива дизеля ge при работе комплекса по нагрузочной характеристике

Наибольший эффект достигнут при работе комплекса с отключённым «открытым» цилиндром, что позволяет говорить о возможности и целесообразности использования данного способа в судовых утилизационных комплексах с водогрейными котлами, работающими на режимах долевых нагрузок, с целью повысить эффективность использования теплоты отработавших газов и снизить удельный расход топлива.

Сравнительный анализ экспериментальных и расчетно-теоретических исследований работы утилизационного комплекса без отключения и с отключением цилиндра (рис. 2, 3) показал хорошую сходимость результатов, что говорит об адекватности выбранной обобщенной модели расчета УВК реальному эксперименту. Значения температуры отработавших газов показали почти 100 % сходимость, а отклонение расчетных значений тепловой мощности, коэффициента утилизации и КПД УВК от экспериментальных не превышает 15 %.

Сравнивая результаты экспериментальных исследований дизеля на токсичность (рис. 5) по нагрузочной (базовой) характеристике с режимами работы при отключенном первом цилиндре, можно сделать следующие выводы. Во-первых, при исследуемом режиме работы дизеля содержание К02 в составе отработавших газов изменялось от 0,123 до 0,254 мг/м3. После отсоединения топливного трубопровода от 1 цилиндра концентрация К02 колебалась в пределах от 0 до 0,156 мг/м3. В среднем концентрация К02 уменьшилась на 45 %. Во-вторых, изменение содержания СО2 при нормальной работе наблюдалось в диапазоне 3,3-5,1 %. После отключения цилиндра содержание СО2 находилось в пределах 3,4-5,1 %. Анализ данных показал, что концентрация СО2 снизилась в среднем на 2,5 % после отключения цилиндра. В-третьих, аналогичная ситуация просматривается и в случае содержания СО в отработавших газах. После отключения цилиндра содержание СО снизилось на 6,2 %.

а

б

♦ Без отключения цилиндров  С отключением цилиндров

в

Рис. 5. Зависимость концентрации: а - К02; б - СО2; в - СО от мощности двигателя

Из вышеизложенного следует: концентрация токсичных компонентов, содержащихся в отработавших газах, снижается после отключения одного из цилиндров, что позволяет говорить о целесообразности применения данного способа.

Проанализировав данные испытаний, можно сделать вывод, что дизель с «открытым» отключённым цилиндром работает эффективнее. В результате достигается экономия топлива, улучшение таких параметров котла, как ¥, пк, Рк и снижение эмиссии отработавших газов.

Заключение

На основании анализа путей повышения экономичности дизелей на режимах холостого хода и долевых нагрузок предложено научно-техническое решение по улучшению экологоэкономических показателей совместной работы судового дизеля и УВК за счет отключения цилиндров на указанных режимах. Расчетно-теоретические исследования совместной работы судового дизеля 6ЧН 15/18 и УВК КАУ 1,7 при отключении цилиндра на долевых режимах работы показали, что в среднем: тепловая мощность котла увеличивается на 60 %; коэффициент утилизации теплоты и КПД котла увеличиваются на 27 %; концентрация влажных К0Х, приведенная к К02, уменьшается на 6 %.

Полнофакторные экспериментальные исследования на установке в составе судового дизеля 6ЧН 15/18 и УВК КАУ 1,7 при отключении цилиндра на долевых режимах работы показали:

наибольший эффект достигнут при работе комплекса по нагрузочной характеристике с отключённым «открытым» цилиндром; удельный расход топлива уменьшился на 20 %. Кроме того, в среднем: тепловая мощность котла увеличивается на 70 %; коэффициент утилизации теплоты и КПД котла - на 38 %; концентрация влажных К0Х, приведенная к К02, уменьшается на 45 %; эмиссия СО2 - на 6 %.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Курзон Ф. Г., Сидельщиков Г. Д. Исследование эффективности и оптимизации параметров систем утилизации теплоты судовых дизельных установок // Актуальные проблемы развития ДВС и дизельных установок: тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. /Ленинград. кораблестроит. ин-т и др. -Л., 1990. - С. 178-179.

2. Методы планирования многофакторных экспериментов в дизелестроении / М. К. Овсяников,

В. А. Петухов, М. Ф. Усеня, И. Л. Шегалов // Двигателестроение. - 1979. - № 9. - С. 5-7.

3. Трембовля В. И., Фингер Е. Д., Авдеева А. А. Теплотехнические испытания котельных установок. -М.: Энергия, 1977. - 296 с.

4. Бошняк Л. Л. Измерения при теплотехнических испытаниях. - Л. Машиностроение, 1974. - 448 с.

Статья поступила в редакцию 11.02.2009

SCIENTIFIC BASIS FOR IMPROVING OPERATIONAL PARAMETERS OF MARINE WASTE-HEAT BOILERS

A. V. Vorobyev, S. V. Vinogradov, E. A. Kolyadin

The paper offers a method to shutdown diesel cylinders at part-load operations for improving ecological and economic parameters of marine waste-heat recovery units with hot water boilers. This method does not require any changes in the construction and modernization of marine diesel engines. Design- theoretical analysis of joint action of the marine diesel engine and hot water boiler KAy 1.7, when the cylinder was shutdown at part-load operation, has shown that the heat power of the boiler rises up to 60 %, heat recovery factor and efficiency of the boiler - up to 27 %, the concentration of wet NOx, reduced up to NO2, decreases up to 6 %. The experimental research conducted, when the cylinder was shutdown at part-load operation, has shown that the complex will have the greatest effect operating with a disconnected "open" cylinder, fuel rate reduces up to 20 %, moreover, boiler heat power rises up to 70 %, heat recovery factor and efficiency of the boiler - 38 %, the concentration of wet NOx, reduced up to NO2, decreases up to 45 % on the average, CO2 emission reduces up to 6 %.

Key words: marine waste-heat boilers, shutdown of diesel cylinders, part-loads.