Міністерство освіти і науки України

Національний університет кораблебудування

імені адмірала Макарова

ТКАЧ Михайло Романович

УДК 629.5:621.4

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

спеціальність 05.08.05 "Суднові енергетичні установки"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Миколаїв – 2007 | Дисертацією є рукопис | Робота виконана в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант | доктор технічних наук, професор

Тимошевський Борис Георгійович,

Національний університет кораблебудування

імені адмірала Макарова,

завідувач кафедри двигунів внутрішнього згоряння,

м. Миколаїв | Офіційні опоненти: | доктор технічних наук

Романов Віктор Іванович,

Науково-виробничний комплекс газотурбобудування "Зоря"–"Машпроект",

провідний конструктор, м. Миколаїв | доктор технічних наук, професор

Дикий Микола Олександрович,

Київська державна академія водного транспорту,

завідувач кафедри "Суднові енергетичні установки та їх експлуатація", м. Київ |

доктор технічних наук, професор

Ханмамедов Сергій Альбертович,

Одеська національна морська академія,

завідувач кафедри "Суднові енергетичні установки",

м. Одеса

Захист відбудеться 22 жовтня 2007 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 38.060.02 при Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України, за адресою: 54025,

м. Миколаїв, пр. Героїв Сталінграду, 9. | З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, пр. Героїв Сталінграду, 9. | Автореферат розісланий 21 вересня 2007 р.

Виконуючий обов'язки Ученого секретаря

спеціалізованої вченої ради,

доктор економічних наук, професор | Парсяк В.Н.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Енергетична незалежність є важливим атрибутом України як суверенної держави. Паливно-енергетичний баланс країни в останні роки формувався головним чином за рахунок імпорту вуглеводнів, що мало низку негативних наслідків. Виробництво та використання палив, які заміщують існуючи і отримані з нетрадиційних джерел та видів енергетичної сировини (альтернативних палив), віднесено до пріоритетних напрямків вирішення проблеми зниження залежності економіки держави від імпортних постачальників. Це відображено в законах України "Про альтернативні види рідкого та газового палива" та "Про альтернативні джерела енергії". Більшість держав світу стимулюють як виробництво, так і використання альтернативних палив як важіль зниження викидів парникових газів. Світова економіка визнає відходи полімерної сировини важливим видом альтернативних паливно-енергетичних ресурсів (АПЕР): щорічна їх кількість вже перевищує 200 млн. тонн. Відносно України відомі оцінки генерації відходів полімерів у кількості близько одного мільйону тонн на рік. Їх енергетичний потенціал вже сьогодні дає змогу заміщувати до 5% потреб держави у світлих нафтопродуктах, а з урахуванням імпорту сировини можливо задовольнити до 50% цих потреб. Здебільшого відходи полімерів утворюються у великих містах, тобто там, де має місце найбільший дефіцит вільних виробничних площ та максимальне екологічне навантаження. Більшість великих міст розташовано поблизу водоймищ (озер, річок, морів, океанів). Це підказує напрямок розв’язання вказаної вище колізії шляхом створення спеціалізованих суден на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів. Їх суднові енергетичні установки (СЕУ) забезпечують головне призначення судна –отримання електричної і теплової енергії за рахунок утилізації альтернативних паливно-енергетичних ресурсів. Використання спеціалізованих суден, а більш ширше – мобільні технологічні рішення, набули широкого розвитку у світі, що є наслідком низки їх принципових переваг порівняно зі стаціонарним розміщенням аналогічних виробництв: зниження економічних ризиків; оптимальні терміни та вартість будівництва; мінімальна собівартість переробки сировини; можливість переміщення виробництва при зміні економічних чи політичних умов.

На теперішній час відсутні дослідження ефективності суднових енергетичних установок на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів, хоча важливим аспектам загальної проблеми удосконалення енергоперетворення в СЕУ присвячено роботи відомих організацій: ІТТФ НАН України, НПКГ "Зоря" – "Машпроект", НТУУ "КПІ", ЦКБ "Чорноморсуднопроект", ЦндіМФ, С.-ПбІВТ, ОНМУ, ОНМА, а також вчених та фахівців: Г.А. Артемова, М.О. Дикого, А.А. Долинського, В.А. Голікова, Ю.В. Захарова, В.Г. Івановського, В.М. Клименка, М.Г. Лебедя, В.Д. Левенберга, В.В. Маслова, В.Т. Матвєєнка, Є.М. Письменного, М.І. Радченка, В.І. Романова, Г.Ф. Романовського, С.С. Рижкова, С.І. Сербіна, В.М. Селіверстова, Я.Х. Сороки, Б.Г. Тимошевського, А.П. Шевцова, А.Я. Шквара, В.П. Шостака, С.А. Ханмамедова.

Питання технології отримання палив з відходів полімерної сировини досліджуються закордонними корпораціями Mitsubishi Heavy Industries, BASF, BP Chemicals та науковцями W. Kaminsky, H. Bockhorn (ФРН), K. Murata, Y. Sakata (Японія), S.Y. Kim, W.L. Yoon (Респ. Корея), C. Roy (Канада), A. Tarrer (США), J. Walendziewski (Польща) та ін.

Окремі науковці (O. Nishida, Y. Mitsuhara) розглядали особливості використання в двигунах СЕУ компаундованих палив, які вміщували компоненти, отримані з полімерної сировини, у кількості до 40%, проте комплекс питань, що входять до проблеми створення СЕУ на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів, тобто повної заміни в СЕУ такого типу традиційних палив альтернативними, на теперішній час не розглянуто.

Таким чином, науково-прикладна проблема, яка вирішується у дисертації – розробка науково-технічних основ створення суднових енергетичних установок на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів шляхом раціональної організації процесів енергоперетворення в СЕУ, її підсистемах і технологічних процесах виробництва альтернативного палива із використанням вторинного тепла СЕУ – є актуальною для суднової енергетики.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Наведені у дисертації матеріали узагальнюють результати досліджень, виконаних автором відповідно до державних науково-технічних програм і напрямків розвитку науки і техніки: Закону України "Про пріоритетні напрямки інноваційної діяльності в Україні" (пп.1, 2 статті 8); програм і планів виконання фундаментальних науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України (наказ № 633 від 05.11.02 р.); тематики Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова "Розробка загальної концепції вдосконалення процесів в енергетичному обладнанні на основі альтернативних робочих тіл и енергоносіїв" (Секція № 3.1 "Енергетика, енергозбереження", відповідно до Переліку наукових рад і секцій по спеціальних напрямках фундаментальних і прикладних досліджень); Комплексної державної програми з енергозбереження України до 2010 р.; науково-дослідних робіт Регістру судноплавства України по розробці "Правил класифікації та побудови морських суден" за тематичним планом, погодженим з міністерством транспорту України (наказ Укрморрічфлоту України № 34 від 19.02.02 р.); науково-дослідних робіт Інституту проблем безпеки АЕС Національної Академії наук України за "Програмою робіт з підтримки в безпечному стані енергоблоків та об'єкту "Укриття" ЧАЕС та виведення її з експлуатації на 2004 рік" (п.3.1.5.4, розділ 3); Угоди між Урядом України та Урядом Китайської Народної Республіки від 27.04.1992 р.: Протоколу П'ятого засідання спільної українсько-китайської комісії з науково-технічного співробітництва від 03.04.2004 р.; Протоколу Шостого засідання китайсько-української комісії з науково-технологічного співробітництва від 6 червня 2006 року; НДР за номерами державної реєстрації 01198U004220, 0196U025005, 0197U012951, 0103U006849, 0104U003291, 0104U003292, 0104U003093, 0104U008261, 0104U008262, 0104U008262, де автор був науковим керівником, – що також є підтвердженням актуальності теми дисертації.

Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності суднових енергетичних установок на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів шляхом утилізації теплової енергії їх вторинних енергетичних ресурсів в технологічних процесах отримання альтернативного рідкого палива.

Задачі дослідження:

- синтез схем СЕУ на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів, створення їх топологічних моделей та формалізація зв’язків між елементами та підсистемами СЕУ;

- розробка математичної моделі СЕУ на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів, з адекватним відображенням взаємозв’язків процесів енергоперетворення, параметрів підсистем та елементів СЕУ;

- встановлення методами математичного моделювання впливу схемних рішень СЕУ та параметрів навколишнього середовища на показники ефективності СЕУ з урахуванням взаємозв’язків термодинамічних, гідравлічних та технологічних параметрів;

- визначення раціональних параметрів СЕУ на основі комплексного дослідження методами математичного моделювання сумісного функціонування їх підсистем;

- створення фізичних моделей елементів та підсистем СЕУ на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів;

- виявлення експериментальними методами закономірностей впливу параметрів технологічної підсистеми СЕУ на її показники та властивості отриманого альтернативного палива;

- встановлення показників робочих процесів суднових теплових двигунів, що використовують альтернативне паливо, отримане в технологічній підсистемі СЕУ.

Об’єктом дослідження в дисертаційній роботі є процеси енергоперетворення в суднових енергетичних установках на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів, їх внутрішні взаємозв’язки та взаємодія з навколишнім середовищем.

Предмет дослідження – закономірності та параметри процесів енергоперетворення у взаємозв’язаних енергетичних та технологічній підсистемах суднових енергетичних установок на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів.

Методи і методики дослідження: системний аналіз процесів енергоперетворення в СЕУ на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів у взаємодії СЕУ з її підсистемами, елементами та навколишнім середовищем; математичне та фізичне моделювання СЕУ, як інструмент реалізації системного підходу до вивчення та аналізу об’єкту досліджень; фізичні та обчислювальні експерименти на моделях об’єктів досліджень; варіантний, багаторівневий метод комплексної оптимізації параметрів СЕУ внаслідок нелінійності моделі об’єкту досліджень і наявності системи обмежень; вивчення характеру багатовимірних залежностей, показників ефективності СЕУ шляхом їх подання у вигляді ізопараметричних кривих; вирішення задачі оптимізації шляхом її розділу на низку часткових з погодженням граничних умов на кожному кроці ітерації; розрахунково-аналітичні методи досліджень, які базуються на першому та другому законах термодинаміки, системі балансових рівнянь мас, витрат та тиску робочих тіл і енергоносіїв; фізичне моделювання процесів в елементах СЕУ з використанням безпосередніх методів вимірювання параметрів і комп’ютерною реєстрацією експериментальних даних.

Реалізація математичних моделей виконана на електронно-обчислювальних машинах з раціональною взаємодією алгоритмічних мов, математичного пакету MathCAD та системи комп’ютерної підтримки проектування AutoCAD.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у тому, що вперше:

- методами математичного моделювання та експериментальним шляхом доведена доцільність використання газотурбінних СЕУ на базі АПЕР з двома варіантами технологічної підсистеми: з використанням додаткового палива та з електротермічною технологічною підсистемою;

- встановлена наявність діапазонів температур навколишнього середовища, в яких досягають максимальних значень ефективні показники СЕУ – коефіцієнт корисної дії (ККД) та потужність: для СЕУ з технологічною підсистемою, яка використовує додаткове паливо вони становлять 260…295 К та 260…270 К відповідно, а для СЕУ з електротермічною технологічною підсистемою – 295…315 К і 270…280 К, при цьому більші значення відповідають меншій величині середньомасової температури газів перед турбіною високого тиску (ТВТ) газотурбінного двигуна (ГТД) –Т3; максимальне значення ефективної потужності досягається в діапазоні температур 265…275 К;

- виявлені протилежні закономірності впливу параметрів підсистем на ефективні значення ККД та потужності СЕУ розглянутих схем: відповідно до СЕУ з технологічною підсистемою, яка використовує додаткове паливо, суттєвого впливу параметрів технологічної підсистеми та ГТД не визначено (зменшення температури відпрацьованих газів на 50К призводить до зменшення відносного значення ККД на 0,05…0,1 та відносної потужності на 0,01…0,05), навпаки, для СЕУ з електротермічною технологічною підсистемою аналогічне зменшення температури відпрацьованих газів супроводжується зменшенням відносних значень ККД та потужності на 0,20…0,25;

- встановлено, що використання підсистеми утилізації тепла забезпечує для СЕУ з технологічною підсистемою, яка використовує додаткове паливо, підвищення ККД у 1,2…1,5 рази, потужності у 1,2…1,3 рази, а для СЕУ з електротермічною технологічною підсистемою збільшення ККД та потужності становить 1,2…2,0 рази;–

встановлено, що максимальне значення ефективного ККД СЕУ становить залежно від величини середньомасової температури газів перед турбіною високого тиску ГТД 0,292…0,305 (при Т3 =1300К), 0,315…0,325 (Т3 =1400К), та 0,320…0,334 (Т3 =1500К); раціональна величина степені підвищення тиску ГТД 12…14, 16…18, і 23…25 відповідно; при цьому, встановлена тенденція зниження оптимальної степені підвищення тиску ГТД при відхиленні інших параметрів СЕУ від оптимальних;

- виявлено, що питомі витрати енергії на отримання альтернативного палива в технологічній підсистемі СЕУ складають 600…1200 (Вт·год)/кг, середня температура випаровування палива – 415…550 К, при цьому встановлено зворотнопропорційний характер залежностей цих характеристик;

- експериментально доведено, що використання альтернативного палива супроводжується такою зміною показників робочого процесу суднового ДВЗ 6ЧН12/14: питома витрата палива на номінальному режимі зменшується на 2…3%, кут затримки запалення змінюється на 3…4° п.к.в, концентрація NOx у продуктах згоряння підвищується на 8…10%, а концентрація CO зменшується на 12…15%;

- встановлено, що робочий процес ГТД АІ-8 із застосуванням отриманого альтернативного палива відповідає процесу при використанні дизельного палива, а експериментальна варіація параметрів не перевищує значень: 1…3% – щодо питомої витрати палива, 10…20К – для температури продуктів згоряння на виході, 10% – для концентрації Nox та 1...2% – для концентрації CO.

На основі отриманих наукових результатів сформульовані наступні нові наукові положення.

1. Створення суднових енергетичних установок на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів шляхом утилізації теплових вторинних енергетичних ресурсів в технологічних процесах отримання рідкого палива дозволяє підвищити ефективність перетворення первинної енергії в 1,1…1,2 рази порівняно з установками без їх утилізації в технологічних процесах.

2. Реалізація виявлених закономірностей взаємного впливу термодинамічних, гідравлічних та технологічних параметрів СЕУ на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів при визначенні раціональних параметрів СЕУ дозволяє додатково підвищити енергетичну ефективність газотурбінних СЕУ в 1,07…1,15 рази у порівнянні з їх ефективністю при використанні сучасних суднових двигунів.

3. Використання в СЕУ рідкого палива, отриманого з альтернативних паливно-енергетичних ресурсів (відходів полімерної сировини), призводить до незначної зміни відносних значень специфікаційних параметрів робочих процесів суднових теплових двигунів: в діапазоні 0,95…1,07.

Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що розроблені та створені:

- методологія побудови СЕУ на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів, методики обґрунтованого вибору та оптимізації параметрів технологічних процесів, пристроїв та обладнання;

- алгоритми розрахунку та відповідне програмне забезпечення, що їх реалізує, які дозволяють на стадії проектування вирішувати завдання вибору раціональних співвідношень параметрів технологічних процесів, підсистем та енергетичного обладнання СЕУ на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів;

- схемні та технічні рішення енергетичних установок спеціалізованих суден на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів;

- методологія створення та технічні рішення СЕУ на базі АПЕР реалізовані при розробці правових та наглядових положень Правил Регістру судноплавства України, що визначають порядок та умови використання альтернативних палив на морських суднах і суднах внутрішнього плавання.

Основні результати дисертаційної роботи використані : Регістром судноплавства України при розробці правових та наглядових положень "Правил класифікації та побудови морських суден", а також " Правил класифікації та побудови суден внутрішнього плавання"; НВКГ "Зоря"-"Машпроект" в проекті енергетичної установки морської льодостійкої платформи (МЛСП) "Приразломная"; ЦКБ "Чорноморсуднопроект" у схемних рішеннях спеціалізованого судна забезпечення видобування нафти на базі конверсії танкерів проектів 17012 (17015); ВАТ "Завод Ленінська кузня" в проекті спеціалізованого судна – плавучої електростанції на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів.

Результати роботи також використані ІПБ АЕС НАН України в проекті автономної електростанції на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів для надійного енергозабезпечення об’єкту "Укриття" та ВАТ "Завод Ленінська кузня" в проекті дослідного виробництва з переробки альтернативних паливно-енергетичних ресурсів (відходів полімерів) на рідке паливо.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові положення та результати, що наведені у дисертації, отримані особисто автором в період з 1992 по 2007 роки в Центрі перспективних енергетичних технологій Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова: постановка проблеми використання альтернативних паливно-енергетичних ресурсів в СЕУ; розробка комплексу математичних моделей СЕУ на основі АПЕР та відповідного програмного забезпечення; створення узагальненої топологічної схеми СЕУ на базі АПЕР та її представлення із застосуванням теорії графів; виявлення закономірностей впливу параметрів навколишнього середовища та підсистем СЕУ її на енергетичну ефективність; постановка задачі оптимізації, визначення раціональних параметрів СЕУ та властивостей гіперповерхні цільової функції; розробка комплексу фізичних моделей підсистем та обладнання СЕУ на базі АПЕР, отримання та аналіз їх експериментальних характеристик і показників робочих процесів.

Проектування та створення експериментальних стендів та установок, що використані при проведенні досліджень, самі експериментальні дослідження виконані під науково-методичним керівництвом автора та при його безпосередній участі.

Апробація результатів, що викладено у дисертації. Основні результати роботи доповідалися та обговорені на міжнародних конгресах, науково-технічних конференціях та симпозіумах: "Проблемы энергосбережения и экологии в судостроении", Миколаїв, 1998; "Современные проблемы геометрического моделирования", Мелітополь, 1997 та 1999; TASIS – "Когенерация для украинской пищевой промышленности" та "Техноресурс-2000" Київ, 2000; "R'2000 – Recovery Recycling Re-integration", Toronto, 2000; VI…XI Конгрессы двигателестроителей, Рибаче, 2001…2006; "Техноресурс-2001" Київ, 2001; "Расширение регионального энергообеспечения газотурбинными и комбинированными источниками", Миколаїв, 2001; "Энергия из биомассы", Київ, 2002; III...V конференції "Проблемы промышленной теплотехники" Київ, 2003...2007; "Когенерация в промышленности и коммунальной энергетике" Київ, 2004; "Waste-To-Energy Research and Technology Council" , Fall Meeting of 2004, Columbia University in the City of New York, 2004; isfr-2005 – "3rd International symposium on Feedstock Recycling of Plastics & other Innovative Plastics Recycling Techniques" Karlsruhe, 2005; "The 3rd Korea – Ukraine Gas Turbine Technology Symposium", Korea Institute of Machinery & Materials, Daejeon, Korea, 2006.

Зразки та макети, що створено за результатами досліджень, експоновано на виставках: "Судостроение ", Миколаїв, 1998 та 2001; "Техмаш. Энергосбережение", Миколаїв, 1998, 1999, 2001; "Техноресурс-2000", Київ, 2000; "Дни науки и техники Украины в КНР", Пекин 2003, 2004 ; "Дни науки и техники Украины в Индии", Нью Дели, 2005.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 65 друкованих робіт. З них 22 (18 без співавторів) у наукових журналах та збірниках наукових праць, що входять до переліку фахових видань ВАК України, 5 в патентах України, 37 – у інших науково-технічних публікаціях та тезах доповідей науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, семи розділів, висновків, переліку використаних джерел та додатків. Обсяг дисертації містить у собі 295 сторінок основного тексту, 263 найменування використаних джерел, 5 сторінок додатків. Робота проілюстрована 119 рисунками та містить 40 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі дано загальну характеристику дисертаційної роботи, де викладені актуальність теми дослідження, зв’язок з науковими програмами, планами та темами, мета досліджень та завдання, які були вирішені для її досягнення. На підставі цього визначені об'єкт та предмет дослідження. Наведені методи досліджень, що використані у дисертації. Далі сформульовані наукові положення, що узагальнюють наукові результати та виносяться на захист і нові наукові результати, що їх підтверджують, наведено практичне значення отриманих результатів та відомості про впровадження результатів досліджень, особистий внесок автора, апробацію результатів, повноту викладення матеріалів у публікаціях та обсяг дисертаційної роботи.

У першому розділі розглянуті шляхи розв’язання актуальної науково-прикладної проблеми розробки науково-технічних основ реалізації ефективних процесів енергоперетворення в СЕУ на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів.

Шляхом розгляду показників суднових ДВЗ та ГТД, традиційних методів утилізації їх вторинних енергетичних ресурсів (ВЕР) доведено досягнення певних технологічних обмежень підвищення ефективності СЕУ, що робить перспективними методи утилізації ВЕР, що базуються на їх використанні у технологічних процесах, реалізованих як в СЕУ, так і на судні в цілому. На основі аналізу характеристик та показників існуючого флоту спеціалізованих суден (плавучих електростанцій, суден з видобутку та переробці нафти) обґрунтована перспективність підвищення ефективності їх СЕУ шляхом використання альтернативних паливно-енергетичних ресурсів.

Розглянуті схеми СЕУ, що використовують альтернативні паливно-енергетичні ресурси, наведені їх енергетичні та економічні показники, висвітлені існуючі проблеми їх реалізації, та доведено, що СЕУ на базі АПЕР доцільно розглядати як систему, структура якої містить в собі низку пов’язаних підсистем (ПС): енергетичну, технологічну та утилізації тепла.

На основі аналізу властивостей альтернативних паливно-енергетичних ресурсів обґрунтована перспективність використання для існуючого флоту спеціалізованих суден відходів полімерів та сирої нафти як АПЕР, що дають змогу отримати рідке паливо, яке найбільшою мірою відповідає умовам суднового використання. Порівняння характеристик і показників варіантів реалізації технологічних підсистем СЕУ на базі таких АПЕР дало змогу зробити висновок про доцільність використання технологічних процесів їх крекінгу для отримання альтернативного рідкого палива.

На підставі аналізу стану досліджень та розробок визначені основні шляхи вирішення науково-прикладної проблеми, що розглядається, та сформульовано мету та основі завдання дисертаційного дослідження.

У другому розділі наведено особливості використання системного підходу як методу теоретичних досліджень при моделюванні СЕУ на базі АПЕР. Аналіз структури похибок методу математичного моделювання, оцінка їх можливих значень визначили основні їх складові, які пов’язані з залежностями, що використано та методами розрахунків. Розглянуто планування експерименту як спосіб аналітичного представлення розрахункових залежностей та інструмент аналізу отриманих результатів, та висвітлені особливості використання квадратичних ротатабельних планів при досліджені СЕУ на базі АПЕР.

Відзначені загальні характеристики експериментального методу вивчення процесів в системах та обладнанні СЕУ на базі АПЕР, та необхідність автоматизації експерименту як інструменту забезпечення сучасного рівня досліджень. Це реалізовано шляхом створення другої генерації комп’ютеризованої системі збирання та реєстрації даних, яка дає змогу контролю та фіксації до 256 параметрів двох типів та низки екологічних показників (КСИРД–2–256–ЕТ). Перетворення фізичних величин у цифровий код виконано на базі первинних перетворювачів (відповідних для кожної величини, що вимірюється), пов’язаних з аналого-цифровими перетворювачами (рис.1). Всі параметри, що вимірюються, розподілено на дві групи – швидкісні (значення індикаторного тиску ДВЗ та тиску вприскування) та квазістаціонарні. Цифрові сигнали, що відповідають швидкісним параметрам, надходять безпосередньо до шини даних комп’ютера, а квазістаціонарні – за допомогою мультиплексорів, що керовані комп’ютером. Мінімальна похибка вимірювань досягнута індивідуальним таруванням всіх каналів вимірювань та використанням безпосереднього заміру вагової витрати палива. Визначення складу та компонентів продуктів згоряння забезпечено системою вимірів Testo 354/454. Аналогові сигнали, пропорційні вмісту компонентів, перетворюються платою погодження та надходять до комп’ютера по інтерфейсному кабелю. Індивідуальний склад фракцій альтернативного палива визначено з використанням хромато-мас-спектрометра HP5890/5972 з капілярної колонкою HP5MS, внутрішнім діаметром 0,20 мм та довжиною 25м. Надійність ідентифікації речовин забезпечено порівнянням хроматограм індивідуальних вуглеводнів з хроматограмами, що знаходяться у базі даних приладу HP5890/5972.

Максимальна похибка прямих вимірів теплофізичних параметрів складає 2%, а екологічних – 5%. Наведене дає змогу вважати, що методи теоретичних та експериментальних досліджень, що використано у дисертації, відповідають сучасному рівню та забезпечують отримання достовірних та відтворюваних результатів.

Третій розділ присвячений характеристиці створеної експериментальної бази для вивчення процесів в системах та обладнанні СЕУ на базі АПЕР (рис. 1). Експериментальні дослідження виконано шляхом реалізації низки послідовних етапів: вибір методів та інструментів вимірювань, що забезпечують задану точність і відтворюваність результатів ; розробка програм експериментальних досліджень з урахуванням особливостей різних їх етапів; індивідуальне тарування засобів вимірювань ; проведення експериментальних досліджень;

аналіз експериментальних даних та обробку результатів. Системні дослідження процесів в технологічній підсистемі СЕУ вимагають послідовного створення трьох генерацій експериментальних технологічних стендів (рис. 2). Це дало змогу визначення принципових технологічних та конструктивних

рішень, визначення технічного вигляду обладнання, знаходження раціональних діапазонів температур та потоків тепла, вивчення характеристик обладнання. Перша генерація – установка УПП–6 з циклічною технологією отримання альтернативних палив, об’ємом разового завантаження 6м3 , де виявлено необхідність використання безперервного циклу обробки АПЕР та визначено технічний вигляд обладнання. Друга – установка У120 з безперервною технологією отримання альтернативного палива, насосною системою циркуляції розплаву полімерів та трубчастими нагрівачами, де отримано значне (у 3…5 разів) зниження питомих витрат енергії, та визначені діапазони температур і теплових потоків, що забезпечують отримання альтернативного палива, властивості якого аналогічні відповідному нафтовому. Третя – суднова система підготовки та отримання альтернативного палива (ССПАТ–1) – дала змогу вивчення

закономірностей процесів отримання палива в складі СЕУ та отримання альтернативного палива з прогнозованими властивостями, які максимально наближені до відповідного традиційного.

Вивчення показників робочих процесів ДВЗ та ГТД при роботі на альтернативному палеві виконано за допомогою експериментальних стендів ДВС–100–АТ (на базі ДВЗ 6ЧН12/14) та ГТД – 14–АТ (на базі допоміжного ГТД АІ-8), створених з максимальною уніфікацією вузлів та систем (рис. 3). Викладений у третьому розділі матеріал свідчить, що вперше розроблені та створені фізичні моделі обладнання та підсистем СЕУ на базі АПЕР, відповідні експериментальні стенди та установки обладнані комп’ютеризованою системою збирання та обробки даних, забезпечують вирішення завдань експериментального вивчення параметрів їх робочих процесів та достовірність отриманих результатів.

Четвертий розділ містить у собі результати експериментального вивчення закономірностей процесів в елементах та підсистемах СЕУ на базі АПЕР. Визначення властивостей альтернативних палив, що отримано на установках УПП-6 та У120, продемонструвало можливість отримання палива, технохімічні властивості якого дають змогу його використання у суднових ДВЗ та ГТД. Дослідження, що виконані на стенді третьої генерації, висвітлили

механізм впливу параметрів технологічного процесу на технохімічні властивості альтернативного палива. Вивчення властивостей палива, отриманого в установці ССПАТ–1, виконано методами дистиляційної перегонки, рідинної хроматографії та хромато-мас-спектроскопії. При цьому, бензинова (54–180°С), дизельна (54–324°С) фракції альтернативного палива досліджені окремо у порівнянні з відповідними товарними паливами. За більшістю нормованих показників (за винятком показника кислотності у бензиновій фракції, вмісту насичених вуглеводнів та щільності у дизельній фракції), вони відповідають вимогам діючих стандартів, що підтверджує можливість випробування альтернативного палива, яке отримано у технологічній підсистемі СЕУ, в суднових ДВЗ та ГТД. Подальше вивчення можливостей використання альтернативного палива в теплових двигунах СЕУ здійснено шляхом його моторних випробувань.

Дослідження характеристик робочого процесу та показників суднового дизель-генератора на базі ДВЗ 6ЧН12/14 та допоміжного ГТД АІ-8 виконані на альтернативному та дизельному (ДЛ) паливах, порівняльні технохімічні властивості яких наведено нижче (табл. 1).

Як свідчать отримані результати суттєва різниця як теплотехнічних, так і екологічних показників дизель-генератора відзначена на часткових режимах навантаження при використанні палив, що порівнюються (рис. 4, а, б). Екологічні показники при використанні альтернативного палива як мінімум не погіршуються на номінальному режимі навантаження та суттєво кращі на часткових режимах (рис.4, в).

Результати порівняльного вивчення характеристик допоміжного ГТД АІ–8 при використанні альтернативного та дизельного палив наведено на рис. 5. Достатня інваріантність отриманих показників пов’язана як з гарною організацією робочих процесів в камері згоряння ГТД навіть малої потужності, так і

Таблиця 1

Показник | Значення

Вид палива | Альтернативне | Дизельне

Фракційний склад,

мас % | Діапазон

температур випаровування,

(Т-273), К | 49…190 | 38,9 | 3…4

190…353 | 56,1 | 80…83

Вище 353 | 5,0 | 13…17

Структурно-груповий склад, мас % | Вуглеводні | Парафінові | 40,1 | 49…52

Моноолефінові | 48,8 | 35…29

Дієнові та ароматичні | 11,1 | 14…19

Кінематична в’язкість при Т=293 К, мм2/с | 2,88 | 3,2

Щільність при Т=293 К, кг/м3 | 729 | 840

Температура випаровування 50% (Т50 – 273), К | 230…240 | 280

Питома нижча теплота згоряння, МДж/кг | 43,1 | 42,0

з задовільними характеристиками альтернативного палива.

Дослідження властивостей установки ССПАТ-1 та особливостей її функціонування продемонструвало доцільність реалізації технологічних підсистем СЕУ на базі АПЕР у вигляді технологічного процесу, що складається з двох послідовних ступенів обробки АПЕР. Визначення закономірностей процесів отримання альтернативного палива довело суттєву залежність питомих витрат тепла на першу та другу ступені технологічного процесу отримання альтернативного палива від величин температур дефлегматора (Tд) та реактора крекінга (TII). Так, підвищення температури дефлегматора з 400 до 550 К зменшує питомі витрати енергії практично удвічі (рис. 6, а), потужність технологічної підсистеми підвищується у тричі (рис. 6, б). Однак, при цьому підвищується середня температура випаровування альтернативного палива T50 (див. рис. 6, а). Значення температури TII впливає на величини питомої нижчої теплоти згоряння та щільності газу крекінгу таким чином, що її підвищення збільшує значення теплоти згоряння та знижує щільність газу (рис. 6, б). Вивчення екологічних показників повітря робочої зони установки ССПАТ–1 довело, що концентрація досліджених компонентів не перевищує 50% від граничноприпустимих (рис. 6, в).

Таким чином, проведені експериментальні дослідження продемонстрували технічну доцільність створення СЕУ на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів та зміну параметрів теплових двигунів в припустимих діапазонах при переході з дизельного палива на альтернативне.

П'ятий розділ присвячений математичному моделюванню суднових

енергетичних установок базі АПЕР. СЕУ розглянуто як систему, що є сукупністю підсистем (рис. 7), кожна з яких складається із взаємопов’язаних елементів (або їх груп), які забезпечують реалізацію функції відповідної підсистеми, пов’язані потоками маси та енергії, що передаються відповідними енергоносіями (номери 1…12). Топологія можливих варіантів схем СЕУ на базі АПЕР відображена у вигляді графа, де кожному елементу відповідає вершина, а зв’язкам – його дуги (рис. 7, а). Кодування топології схем виконано у вигляді матриці видів зв’язків по енергоносіях та матриць з’єднань вершин графу (рис.7, б). Це дало змогу визначити зв’язки, які змінюються у різних варіантах СЕУ на базі АПЕР (позначено темним кольором на рис. 7, б), та розробити матрицю кодування схем у першому рядку якої розташовано номери цих зв’язків, а у другому – ознака наявності чи відсутності зв’язку (0 та 1 відповідно).

Система рівнянь, що дозволяє визначити таке співвідношення між параметрами зв’язків, що забезпечує досягнення заданого значення ефективної потужності СЕУ на базі АПЕР конкретної схеми має вигляд:

(; ; ; ,

де Дp, Дh– характеристики зміни тиску та ентальпії енергоносіїв в елементах

СЕУ; kОС– коефіцієнт, що враховує втрати енергії відповідного енергоносія у навколишнє середовище. Величина kОС щодо зв’язку, який входить в елемент графа, дорівнює значенню ККД, відповідного до типу елемента (теплового, механічного, гідравлічного або електричного), а для зв’язку, що виходить з елементу графа – зворотній величині. Індекси визначають номери: k – елемента, що розглядається, l – енергоносія, що розглядається; n – однопараметрового зв’язку. Загальна кількість: елементів – K; енергоносіїв та видів енергії – Lk; зв’язків даного елемента по всіх енергоносіях та видах енергії – Jkl; однопараметричних зв’язків даного елемента – Nk . Значення показників степені np и nh дорівнює 1 для процесів охолодження, розширення (дроселювання) енергоносіїв, та 2 для зворотних процесів.

У якості цільових функцій, що характеризують степінь досконалості процесів енергоперетворення в СЕУ на базі АПЕР, взяті ефективні значення її ККД та потужності:

; .

У наведених залежностях: X – вектор незалежних перемінних (параметрів СЕУ); – комплекс граничних параметрів; – сукупність технологічних обмежень; – питоме значення нижчої теплоти згоряння АПЕР;

– ефективні значення потужностей енергетичної та теплоутилізуючої підсистем СЕУ та потужність, що споживає її для технологічної підсистеми відповідно.

Масова витрата сировини визначена як: ,

де – масові витрати сировини для потреб енергетичної та технологічної підсистем СЕУ відповідно.

Теоретичне дослідження показників СЕУ виконано на базі їх аналітичного представлення у вигляді апроксимації істинної гіперповерхні функцій, що досліджуються, наближеними регресійними рівняннями від незалежних параметрів Х (нормованих значень параметрів СЕУ):

; .

Аналіз наведених вище залежностей виявив можливість узагальнення характеристик СЕУ у вигляді , при цьому фактори навколишнього середовища та незалежні перемінні виконують функцію параметрів узагальненої залежності. Локальні математичні моделі елементів СЕУ (підсистем, теплових двигунів, обладнання та ін.) враховують низку параметрів, найбільш значні з них наведено на рис. 8.

При моделюванні технологічної підсистеми (ТП) СЕУ її представлено у вигляді двох послідовних технологічних ступенів (I та II), кожний з яких характеризується питомими витратами тепла (QI та QII), температурним рівнем (ТI та ТII) і низкою інших параметрів (див. рис. 8, а).

Модель підсистеми утилізації тепла описує паровий теплоутилізуючий контур (ТУК) створений за схемою "одного тиску". Значення тиску водяної пари визначається за відомими рекомендаціями в залежності від температури відпрацьованих газів теплового двигуна СЕУ (), температурного напору за поверхнею випаровування () та тиску в конденсаторі (), а значення температури перегрітої пари – додатково залежить від припустимої мінімальної степені сухості пари на виході з парової турбіни ТУК (рис. 8, б).

Модель суднового ДВЗ базується на рішенні рівняння зміни внутрішньої енергії робочого тіла при здійсненні роботи продуктами згоряння:

,

де i0 = cpT0 – питома ентальпія робочого тіла; u = cV T – питома внутрішня енергія робочого тіла, – кількість тепла, що отрима

но (віддано) робочим тілом внаслідок процесів теплообміну з обмежуючими поверхнями. Визначення властивостей робочого тіла за рівнянням Майера дало змогу записати диференційні рівняння зміни тиску в процесах стиснення, згоряння-розширення, випуску газу з циліндра та його наповнення. Вплив властивостей альтернативного палива враховано при визначені тривалості періоду затримки запалення , при розрахунку середнього діаметра капель та швидкості струменів палива . Це впливає на динаміку тепловиділення (кількість палива, що вигоріло – х) на ділянках паливоподачі та догоряння та . Інтегрування диференційного рівняння збереження енергії дало змогу визначити зміну індикаторного тиску в залежності від кута повороту колінчастого вала ДВЗ, та на цій основі – ефективні показники ДВЗ.

Моделювання суднового ГТД виконано відповідно до його двокаскадної схеми з адаптацією параметрів (, , g1, g2, g3, , , , , ) відповідно до характеристиками суднових ГТД вітчизняного виробництва (рис. 8, г). Врахування зміни витрат повітря та газу по тракту ГТД реалізовано шляхом використання відповідних коефіцієнтів витрат для всіх елементів ГТД. Вплив охолодження лопаток ГТД враховано шляхом визначення відносних витрат повітря на охолодження в залежності від припустимої температури матеріалу лопаток, параметрів повітря та типу лопатки, що охолоджується. Залежності показників ГТД від втрат тиску на вході та виході враховано методом малих відхилень за коефіцієнтами поновлення повного тиску, , а вплив температури повітря на вході – шляхом апроксимації експериментальних даних поліномами 3 та 4 степені .

Оцінку адекватності математичного моделювання виконано шляхом порівняння розрахункових та експериментальних значень параметрів елементів та підсистем для яких є відповідна інформація (рис. 9). Достатньо висока степінь погодження результатів є наслідком адаптивного характеру створених математичних моделей. Як випливає з наведеного, розроблені математичні моделі адекватно відображають процеси енергоперетворення в СЕУ на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів та забезпечують припустиму степінь точності.

У шостому розділі наведено результати теоретичних досліджень ефективності та узагальнення характеристик суднових енергетичних установок на базі альтернативних паливно-енергетичних ресурсів. Генерація можливих варіантів схем СЕУ на базі АПЕР та аналіз файлу альтернатив довели доцільність подальшого аналізу схем, топологію яких відображено графом, зв’язки, що змінюються, якого наведено в табл. 2. Порівняння показників ефективності схем СЕУ при створенні технологічної підсистеми на базі сучасних суднових ДВЗ (Wдrtsilд Vasa 46A) та ГТД (UGT15000), дало змогу вважати за доцільне поглиблений аналіз схеми з енергетичною підсистемою на базі суднових ГТД вітчизняного виробництва та використанням додаткового палива в технологічній підсистемі (схема 2 – # 1986). Альтернативою є схема з енергетичною підсистемою на базі ГТД та електротермічною технологічною підсистемою (схема 5 – # 854). Вивчення впливу параметрів СЕУ та навколишнього середовища на показ ники схем, що розглядаються, з енергетичною підсистемою на базі ГТД

UGT6000, UGT15000 та UGT25000, дало змогу теоретичного узагальнення їх кліматичних характеристик у відносному вигляді (рис. 10 та 12). Тут у якості базових значень використано показники відповідних ГТД (ККД та механічна потужність – ) в умовах, що відповідають вимогам стандарту ISO 2314 (=288К, , (див. рис. 9, б). Діапазон варіювання параметрів СЕУ наведено в табл. 3. Аналіз наведених даних свідчить, що закономірності впливу параметрів навколишнього середовища на показники схем СЕУ, що розглядаються, якісно відрізняються. Так, для СЕУ з технологічною ПС, що використовує додаткове паливо, значення ККД досить слабо

Таблиця 2

Номер схеми | Номер перемінного зв’язку схеми СЕУ на базі АПЕР |

Код схеми

3 | 5 | 10 | 11 | 14 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38

Признак наявності зв’язку

4 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | #114

5 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | #854

1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | #1931

2 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | #1986

3 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | #1990

залежить від температури навколишнього середовища, а при використанні підсистеми утилізації тепла ця залежність ще уповільнюється (рис. 10). Навпаки, для СЕУ з електротермічною технологічною ПС така залежність більш ніж суттєва, і використання ТУК не призводить до якісних змін залежностей (рис. 12). Однак, слід зазначити, що при температурах повітря на вході вище 298 К та DTII 30…55 К показники схем, що досліджуються, досить близькі. Зазначене дає змогу розробити рекомендації до кліматичних регіонів використання кожної схеми. Аналіз закономірностей впливу параметрів СЕУ при постійній