ISSN 1733-8670
ZESZYTY NAUKOWE NR 10(82)
AKADEMII MORSKIEJ
W SZCZECINIE
IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA E X P L O - S H I P 2 0 0 6 Азад Абул Калам, Павел Краузе, Анатолий Моторный
Анализ потенциальных возможностей применения
утилизационных турбогенераторов
Ключевые слова: судовая энергетическая установка (СЭУ), нагрузки СЭУ, утилизационные турбогенераторы Стремление к повышению экономичности работы СЭУ неизбежно приводит к необходимости увеличения степени использования тепла выхлопных газов главных двигателей (ГД) судов. На основе сопоставления располагаемого тепла выхлопных газов ГД с ожидаемыми нагрузками судовых электростанций и потребностями в паре анализируется возможность использования утилиза-ционных турбогенераторов.Analysis of Potential Applications of Waste
Heat Recovery Turbo-Generators
Key words: ship power installation (SPI), steam and electrical power consumption, turbo-generators
Attempts to increase the profitability of SPI work inevitably result in the necessity of increasing the degree of utilizing waste heat from exhaust gases of marine main engines (ME). This analysis of possible use of turbo-generators is based on a comparison of available heat of ME exhaust gases with expected loads of ME, steam and electrical power consumption.
Введение
Существенное влияние на эффективность эксплуатации судовой энергетической установки и судна в целом оказывает полнота исполь-зования тепла топлива, сжигаемого в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания. В связи с этим в настоящее время, как при проектировании, так и в процессе эксплуатации судов и их энергетических комплексов вопросам оптимальной утилизации вторичных энергоресурсов уделяется первостепенное внимание. С достижением практически предельного совершенства рабочих процессов, протекающих в двигателях внутреннего сгорания, большое значение для повышения эффективности СЭУ имеет максимально возможное использование тепла, теряемого с выхлопными газами и водой, охлаждающей ГД и наддувочный воздух. При увеличении мощностей ГД современных крупнотоннажных судов и повышении экономичности потребителей тепловой энергии отмеченное располагаемое тепло, получаемое в утилизационных установках, может превышать при определенных условиях потребности на судне в паре, как носителе тепловой энергии. В этих случаях варианты повышения эффективности СЭУ за счет применения современных комбинированных тепловых схем с утилизационными турбогенераторами могут оказаться приемлемыми.1. Постановка задачи исследования
Целью проведенных исследований было, прежде всего, сопоставление располагаемого тепла (количества пара), которое может быть получено при комплексном использовании вторичных энергоресурсов ГД, работаю-щих в реальных условиях эксплуатации, с потребностями судна в тепловой и электрической энергии в рейсе. Предполагалось, что в результате анализа, проведенного на основе материалов, собранных на кафедре судовых энергетических установок и теплоэнергетики (СЭУ и ТЭ) Калининградского государственного техни-ческого университета (КГТУ, Россия) и эксплуатации судовых энерге-тических установок Морской Академии (МА) г. Щецин (Польша), могутпроводить оценку границ применимости утилизационных турбогенера-торов для конкретных типов судов в реальных условиях их эксплуатации.
2. Основные исходные данные
В качестве исходного материала для проведения анализа и разработки математических зависимостей использовались данные, собранные по литературным источникам и материалам испытаний транспортных судов морского флота и крупнотоннажных судов флота рыбной промышлен-ности. На текущем этапе исследования предметом анализа являлись энерге-тические установки сухогрузных судов морского флота и транспортных рефрижераторов флота рыбной промышленности, оснащенные мало-оборотными главными двигателями. Однако, по нашему мнению, основы представляемой методики анализа и полученные результаты могут, конечно, использоваться и для других типов судов и главных двигателей. При анализе принималось использование ГД тяжелого топлива с вязкостью до 700 cSt при 50°C, соответствующей 130 cSt при 80°C и 7000 секунд Redw.1 при 100 F.3. Порядок анализа
На рис.1 представлен алгоритм, отражающий особенности возможного подхода к решению поставленной задачи и порядок сопоставлений, проведенных по собранным данным. Как видно из рис. 1, анализ возможных вариантов систем утилизации тепла выхлопных газов ГД основывается на первоначальном сопоста-влении возможных паропроизводительности утилизационного котла ГД и мощности утилизационного турбогенератора с двумя определяющими показателями – потреблением судном в нормальных условиях эксплуатации тепла (пара) и электрической энергии. Опыт эксплуатации судов различного типа показывает, что для конкретных судов потребление этих видов энергии зависит от фактических окружающих температурных условий и, в определенной степени, от нагрузки ГД.Принятие решения об установке УК С У Д Н О Мощность главного двигателя Паропроизводительность УК Потребности судна в паре Потребности в эл. энергии Избыток паропроизводительности УК Определение возможной мощности УТГ Принятие решения об установке УТГ ВЫБОР тепловой схемы УТГ Рис. 1. Алгоритм оценки возможности применения УТГ
Fig. 1. Algorithm of an estimation of UTG application
3.1. Потребление насыщенного пара на тепловые нужды Тепловые потребители пара на судах могут быть разделены на две главных группы – потребители, не зависящие от температуры окружаю-щего воздуха и зависящие от параметров окружаюокружаю-щего воздуха и забор-тной воды. В связи с тем, что расходы тепла и пара на подогрев топлива (груза) зависят не только от его количества и параметров окружающей среды, но и от особенностей конструкции корпуса судна, и поэтому могут
Предварительные исследования показали, что взамен определения закономерности взаимосвязи уровня потребления пара с водоизмещением судна целесообразно использовать также отчетливо определяемую коррел-яционную связь расхода пара с типом (температурой выхлопных газов на выходе из ГД) и мощностью главного двигателя, установленного на судне. В частности, для малооборотных главных двигателей типа MC представлена на рис. 2 зависимость, отражающие связь максимального часового расхода насыщенного пара (p = 0.7 МПа) в зимних условиях плавания различными тепловыми потребителями с мощностью устано-вленного на судне ГД. Зависимость расхода пара от мощности ГД (зима) Мощность ГД, кВт Ра сх од п ар а, к г/ч ас 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Рис. 2. Зависимость расхода пара от мощности ГД
Fig. 2. The steam consumption as a function of the ME power
Обработка полученной зависимости с помощью компьютерной программы Curve Expert позволила получить уравнение (MMF Model), отражающее взаимосвязь максимального расхода пара с мощностью ГД, (т пара/час) 782 . 0 782 . 0 34181 4 . 32 Ne Ne DПОТ (1) P ас ход пар а , кг /ч ас
3.2. Производительность УК главного двигателя Для этих же типов малооборотных двигателей в результате расчетов получена, представленная на рис. 3, зависимость максимально возможной паропроизводительности УК по насыщенному пару (p = 0.7 МПа) от мощности ГД и температуры выхлопных газов на выходе из него. При получении этой зависимости предполагалась работа ГД с номинальной мощностью в нормальных условиях плавания и глубокой утилизацией тепла выхлопных газов – температура газов на выходе из УК принималась 170°С. При использовании ГД в рейсе с нагрузками ниже номинальных необходимо уточнение получаемых величин на иные значения количества и температуры выхлопных газов. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Ne, тыс. кВт 260 255 250 245 240 235 230 225 tг1,гр. С 0 0 2.5 2.5 5 5 7.5 7.5 10 10 12.5 12.5 15 15 17.5 17.5 Dн ас . т /ч ас Dн ас . т /ч ас Зависимость паропроизводительности УК от мощности ГД и t газов на входе Rank 1 Eqn 151232692 lnz=a+blnx+c/ y^2
r^2=0.99976402 DF Adj r^2=0.99975483 FitStdErr=0.058754862 Fstat=165231.25 a=0.63084069 b=0.98866377
c=- 110245.68
Рис. 3.Зависимость паропроизводительности УК от мощности ГД и температуры выхлопных газов на входе
Fig.3. Steam rate UB as a function of input temperature of exhaust gases and ME power
Взаимосвязь отмеченных параметров с высокой достоверностью (коэф. корреляционной связи r2 = 0.999) может быть представлена зависи-мостью 2 7 . 110245 989 . 0 631 . 0 lnDУК Ne (2) Dнас , т/ч ас tr1, гр. C Dнас , т/ч ас Ne, тыс. кВг
3.3. Оценка избытка насыщенного пара УК главного двигателя Первым условием возможности применения на судне турбогенератора, является превышение количества пара, вырабатываемого УК, его потребления на судне. Таким образом, разность величин, определяемых уравнениями (3) и (1) и будет представлять собой математическое определение этого условия. ПОТ УК ИЗБ D D D [т пара/час] 782 . 0 782 . 0 2 110246 ln 989 . 0 631 . 0 34181 4 . 32 Ne Ne e D Ne t ИЗБ (4) На рис. 4 представлена корреляционная зависимость возможной вели-чины избытка пара (при условии использования в УК отходящих газов ГД работающих на номинальной нагрузке) от мощности установленных двигателей и температуры газов на входе в котел. Представленная 3-D зависимость получена посредством обработки уравнения (4) при помощи программы Table Curve Expert.
Уравнение корреляционной связи (при r2 = 0.997 и стандартной ошибке Fit Std Err = 0.15) имеет вид 1 / 2 . 1364 ln 12 . 1 52 . 3 Ne tг ИЗБ e D [т пара/час] (5) Сопоставление расходов пара и возможностей УК, отраженное на рис. 4, указывает на существенные излишки пара на судах с ГД мощностью свыше 25 тыс. кВт и температурой выхлопных газов более 230°С. Это позволяет утверждать, что при использовании современных УТГ с низкими удельными расходами пара возможно получение значительного количества электроэнергии. Следует иметь в виду, что приведенные зависимости отражают, в определенном смысле, общие возможности утилизации тепла отходящих газов вследствие чего необходимо уточнение расчетов с учетом действи-тельных нагрузок ГД и определяющих условий плавания. Кроме того, полученные величины относятся к обычным распространенным утилиза-ционным установкам. Применение тепловых схем установок с комбинированной утили-зацией тепла отходящих газов и воды, охлаждающей ГД и высоко-температурную ступень охладителя наддувочного воздуха для повышения
температуры питательной воды может повысить паропроизводительность УК и возможности использования излишков пара в УТГ. 10 15 20 25 30 35 40 Ne, тыс. кВт 260 255 250 245 240 235 230 225 tг1, гр.С 0 0 2.5 2.5 5 5 7.5 7.5 10 10 12.5 12.5 Dу тг , т /ч ас Dу тг , т /ч ас Избыток пара.WK1 Rank 4 Eqn 151232689 lnz=a+blnx+c/ y r^2=0.99739794 DF Adj r^2=0.9971811 FitStdErr=0.15252986 Fstat=7091.2502
a=3.5171512 b=1.1183207 c=- 1364.2377
Рис. 4. Зависимость избытка пара от мощности ГД и t газов на входе УК
Fig. 4. Excess steam as function of power ME and t gases on an entrance UK
3.4. Потребление электроэнергии на судне Обработка обобщенных данных о нагрузках СЭС показывает, что для современных однотипных судов морского транспортного флота различ-ного тоннажа уровень потребления электроэнергии хорошо коррелируется как с водоизмещением судов, так и с мощностью установленных ГД и, в отличие от потребителей пара, практически не связан с изменением нагрузки главного двигателя. Для сохранения общего подхода в пред-ставляемой методике анализа уровень потребления электроэнергии сопоставлялся с мощностью ГД. На рис. 5 представлена полученная зависимость нагрузок СЭС от мощности ГД. Уравнение взаимосвязи (MMF Model) нагрузки СЭС с мощностью установленного ГД при коэф. корреляции 0.97 имеет вид Dутг , т/ч ас tr1, гр. C Ne, тыс. кВг Dутг , т/ч ас
Полученная зависимость отражает возможный максимальный уровень расхода электроэнергии при работе судна в море в нормальных условиях плавания. Зависимость нагрузки СЭС от мощности ГД Мощность ГД, кВт Н аг ру зк а С ЭС , к Вт 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Рис. 5. Зависимость потребления электроэнергии от мощности ГД
Fig. 5. Electrical energy demand as function of ME power
3.5. Определение мощности утилизационного турбогенератора В соответствии с представленным на рис. 1 алгоритмом на следующем этапе анализа необходимо определение возможной мощности УТГ, работающего на паре, вырабатываемом УК. При этом необходимо иметь в виду, что мощность УТГ будет существенно зависеть не только от параметров пара, вырабатываемого УК, давления в конденсаторе и К.П.Д. УТГ, но и от его агрегатной мощности. Как правило, УТГ меньшей мощности имеют повышенные значения удельных расходов пара. В частности, для тепловых схем утилизационных установок одного давления (0.7 МПа), при работе УТГ на перегретом паре с температурой около 200°С и давлении в конденсаторе 0.0065 МПа удельный часовой расход пара может составлять от 8.5 до 7.0 кг/кВт.
Заключение
Таким образом, анализируя полученные зависимости, можно утверждать, что при указанных общих условиях избыток пара на судах с мощностью ГД свыше 35 тыс. кВт будет достаточен для обеспечения их Наг р уз ка СЭ С , кВт Мощность ГД, кВтэлектроэнергией через УТГ при температуре газов на входе в УК выше 230°С. В свою очередь, для полного обеспечения УТГ электроэнергией судов с ГД мощностью около 20 тыс. кВт необходима температура газов на входе в УК выше 240°С. Проведенный с помощью предложенной методики и полученных математических зависимостей аналогичный предварительный анализ ЭУ судов флота рыбной промышленности подтвердил возможность исполь-зования пара для указанных целей и показал, что область применения УТГ ограничивается крупнотоннажными транспортными рефрижераторами со среднеоборотными главными двигателями. В заключение следует отметить, что более конкретные выводы, касаю-щиеся целесообразности применения той или иной схемы утилизации тепла, производятся после проведения соответствующего конкретного технико-экономического анализа выбранных на предварительных этапах вариантов.
Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r. Recenzent
dr hab. inż. Benedykt Litke, prof. PS
Adresy Autorów
mgr inż. Paweł Krause
Akademia Morska w Szczecinie
Instytut Technicznej Eksploatacji Siłowni Okrętowych 70-500 Szczecin, ul. Wały Chrobrego 1-2
doc. dr. inż. Anatoly Motorny inż. Azad Abul Kalam
Kaliningradzki Państwowy Uniwersytet Techniczny (KGTU) Instytut Siłowni Okrętowych i Energetyki Cieplnej
