Сохранение природной среды является одной из самых актуальных проблем, стоящих перед современной цивилизацией [49]. Морской транспорт, насчитывающий сотни тысяч судов, одним из первых оказался перед необходимостью практического решения экологических задач по предотвращению загрязнения акваторий портов, морей и океанов. В нормативных требованиях международной конвенции МАРПОЛ 73/78 и государственных органов различных стран предусмотрены меры по предотвращению загрязнения нефтью, мусором, пищевыми отходами, сточными водами, остатками груза и его упаковкой [38]. В настоящее время рассматривается возможность введения ограничений на содержание токсичных веществ в уходящих газах судового энергетического оборудования [30, 65,100].
Среди факторов, оказывающих губительное влияние на морскую среду со стороны тысяч больших и малых судов, нефтяной является наиболее существенным. Из общего количества попадающих в океан нефти и нефтепродуктов 35% приходится на долю флота. При этом порядка 25% от общего её количества поступает с танкеров и 10% - с судов других типов [46]. Поэтому основные усилия международной морской организации (1МО) в первую очередь направлены на предотвращение загрязнения нефтью.
Актуальность темы
диссертации обуславливается тем, что в соответствии с требованиями МАРПОЛ 73/78 и «Наставления по предотвращению загрязнения с судов» [38,44], сброс нефтесодержащих вод на расстоянии 50-ти миль от ближайшего берега запрещен. Ужесточение требований по содержанию вредных веществ в сбросах и отсутствие в ряде портов приемных сооружений для сбора и обработки вредных веществ, а также наличие замерзающих портов, в которых затруднен подход судна к береговым сооружениям или плавучих сборщиков, указывает на необходимость работ по те8 ме диссертационного исследования. Кроме того, изложенное выше вызывают необходимость решения проблемы утилизации нефтесодержащих вод непосредственно на борту судна. Последнее подтверждается большим количеством публикаций и ведущихся научных исследований. Однако, несмотря на значительное количество задействованных сил и средств, проблема предотвращения загрязнения моря до настоящего времени полностью не решена и по прежнему остается актуальной.
Попытки решения проблемы утилизации вредных сбросов на борту судна направлены на создание «замкнутых» судовых систем. Предлагаемые технические решения включают, как правило, регенерацию сбрасываемых сред, реже утилизацию последних. В этих условиях автор считает оправданным возложить на одну из судовых систем функцию утилизации вредных сбросов. Тем более, что последняя, в той или иной мере, выполняется на всех морских судах. Дальнейшее совершенствование судовых систем, используемых для выполнения требований МАРПОЛ 73/78, может вестись в двух направлениях. Одним из них является создание новой специализиро ванной системы, функцией которой является утилизация вредных сбросов. Другим направлением решения проблемы утилизации вредных сбросов может быть совместное использование, с той же целью, различных комбинаций существующих судовых систем. Последнее направление, по мнению автора, наиболее приемлемо.
Вместе с тем очевидно, что современное состояние технологии использования топлива на судах не позволяет создать «замкнутую» систему, полностью исключающую сброс всех вредных веществ. В связи с этим в работе «замкнутость» систем «утилизации вредных сбросов» рассматривается при их контурном представлении. При этом все элементы комбинированной системы рассматриваются как составляющие «многоконтурного» объекта [84]. Наличие сбросов свидетельствует о «незамкнутости» судовой системы. 9.
Все вредные сбросы разделены на потери и выбросы. К последним отнесены сбросы контурных сред, принявшие участие в выполнении функциональной задачи, к потерям — удаляемые контурные среды, непринявшие участие. При этом потери подлежат полному устранению, а выбросы снижению и последующей утилизации, регенерации или «замыканию» в другой контур. Проблема снижения количества вредных сбросов в окружающую среду, в случае «контурного» рассмотрения судовых систем, представляет собой единую проблему «замкнутости контуров» .
При разработке путей повышения эффективности и «замкнутости» судовых систем «утилизации вредных сбросов» возникает проблема сравнительной оценки их различных вариантов. В настоящий момент затруднительно сделать корректный вывод о большей эффективности той или иной системы по существующим показателям. В случае использования контурного представления «каждая из судовых систем может оцениваться коэффициентами материальной, энергетической и экологической замкнутости» [84]. Для возможности сравнительной оценки систем в работе решается задача адаптации коэффициентов замкнутости материального, энергетического и экологического контуров для систем «утилизации вредных сбросов». Проблему оценки степени выполнения функциональной задачи системой в процессе ее работы предлагается решать также с использованием коэффициентов замкнутости контуров.
В настоящей работе из нескольких десятков судовых систем выделены те, в которых решается функция снижения и утилизации вредных сбросов. Системы, задействованные для выполнения указанной функции, условно объединены в единую комбинированную и рассматриваются как ее «подсистемы». В качестве последних автор рассматривает следующие судовые системы: нефтесодержащих трюмных вод, топливную, газоотвода, мокрого искрогашения, сточных вод, инертных газов, мойки танков.
На решение проблем, возникающих при работе указанных систем, направлены усилия многих организаций, творческих коллективов и отдельных специалистов. В решение проблем совершенствования системы нефте-содержащих трюмных вод и оборудования для очистки последних вносят вклад работы Алексеевой В. А., Грановского М. Г., Карпинского Ю. И., Нуну-парова С. М, Перевалова В. Г., Тув И. А. и многих других [15, 16, 46, 56, 68].
Однако, работа системы нефтесодержащих трюмных вод и ее элементов / рассматривается изолировано от прочих систем.
Функционирование системы газоотвода и мокрого искрогашения описывается в работах Бирюк B.C., Захарова A.M. Райкина Л. И. и др. [7, 8, 25], но в этих работах не рассматривается функциональная задача снижения вредных сбросов в атмосферу применительно к указанным системам.
Решению проблем совершенствования систем инертных газов на наливных судах посвящены работы Богатых С. А., Каратаева В. Е., Крохмаль Д. Ю., Мокрецова В. П., Мундингера А. А., Подволоцкого Н. М. и многих др. [33, 41, 57, 61]. Однако в их работах не затрагивалась проблема предотвращения загрязнения моря в результате работы системы инертных газов.
Разработанный и представленный в последние годы в работах Коро-стылева Б.Я., Стаценко В. Н., Якубовского Ю. В. [32, 65,91] комплекс технологий позволяет снизить вредные сбросы с нефтесодержащими и сточными водами в море, а также с уходящими газами в атмосферу. В рамках этих технологий предусмотрено использование систем: топливной для «огневой утилизации» жидких сбросов в топке судового котла, газоотвода для жидкофаз-ного обезвреживания сточных вод, а также очистки и нейтрализации уходящих газов. Однако, в представленных работах не оговаривается на какую именно систему возложена функция снижения и утилизации вредных сбросов, а также, как решаются вопросы автоматического управления системой при безвахтенном обслуживании СЭУ. В работах Коростылева Б .Я. и Ста.
11 ценко В.Н. при «огневой утилизации» нефтесодержащих и сточных вод не рассматривалась проблема автоматических пусков вспомогательных котлов на обводненном топливе и предотвращения неудачного розжига. Кроме того, не исследована работа системы газовыпуска с жидкостным нейтрализатором при неработающем топочном устройстве вспомогательного котла с позиционным регулированием топливоподачи.
Общей целью настоящей работы является разработка путей повышения эффективности и «замкнутости» судовых систем «утилизации вредных сбросов». Основным направлением в достижении указанной цели автор считает разработку системы «утилизации вредных сбросов», представляющей собой комбинацию существующих судовых систем, выполняющих единую комплексную функциональную задачу утилизации вредных сбросов. Для реализации указанного направления достижения цели работы планируется решить ряд частных задач исследования, в числе которых: определение направлений развития систем «утилизации вредных сбросов» — разработка схемного решения комбинированной системы «утилизации вредных сбросов» — теоретическая оценка комплексной эффективности систем «утилизации вредных сбросов» — оценка «замкнутости» систем при их контурном рассмотрениитеоретическое обоснование выбора топологической схемы комбинированной 'системы «утилизации» — лабораторное моделирование системы «утилизации» в комбинации одновременно использующихся подсистем газовыпуска и искрогашения, а также совместно функционирующих расходно-топливной подсистемы котельной установки и подсистемы нефтесодержащих трюмных водоценка технико-экономической эффективности использования комбинированной системы «утилизации вредных сбросов» .
Теоретические исследования базируются на основных положениях теорий термодинамики, гидромеханики и квалиметрии. Экспериментальные.
12 исследования включают численное и физическое моделирование совместной работы подсистем в лабораторных условиях.
Научная новизна выполненных исследований по разработке комбинированной системы «утилизации вредных сбросов» заключается в том, что получены следующие результаты: выявлена тенденция увеличения числа судовых систем, задействованных для реализации требований МАРПОЛ 73/78, снижающих загрязнение окружающей среды, и необходимость разработки или их совместного использования как единой комбинированной «системы» — предложена методика выбора вариантов снижения вредных сбросов применительно к системам утилизацииуточнены расчетные зависимости эксплуатационного расхода энергии на различных режимах работы системыпредложены основы методики расчета коэффициентов замкнутости систем «утилизации вредных сбросов» при их контурном рассмотренииполучена экспериментальная зависимость расхода газа на различных режимах совместной работы системы мокрого искрогашения и газовыпуска;
Практическая ценность работы состоит в разработке новых научно-технических решений по модернизации системы «утилизации вредных сбросов», в создании методики определения потерь и выбросов из систем, а также выбора вариантов технических решений по снижению сбросов. На защиту выносятся следующие основные положения работы: выявленная тенденцию развития судовых систем утилизации вредных сбросов при реализации требований МАРПОЛ73/78- расчетные зависимости эксплуатационного расхода энергии на различных режимах работы комбинированной системы «утилизации вредных сбросов» — расчетные формулы определения коэффициентов замкнутости матери.
13 ального, энергетического и экологического контуров предложенной комбинированной системы «утилизации вредных сбросов» — экспериментальная зависимость величины расхода газа от его температуры перед нисходящим охлаждаемым участком на различных режимах совместно^ работы систем мокрого искрогашения и газовыпускаэкспериментальную зависимость полезной мощности топливного насоса и полной потребляемой мощности его приводного электродвигателя от относительного объемного влагосодержания топливанаучно-технические решения по модернизации системы «утилизации вредных сбросов» .
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
I.
В соответствии с общей целью разработки путей повышения эффективности и «замкнутости» судовых систем «утилизации вредных сбросов» сформулированы частные задачи настоящей работы, в числе которых: разработка схемного решения судовой комбинированной системы «утилизации вредных сбросов», теоретическая оценка комплексной эффективности предложенного варианта комбинированной системыопенка замкнутости системы при контурном рассмотрениитеоретическое обоснование выбора топологической схемы комбинированной системы «утилизации вредных сбросов» — лабораторное моделирование работы системы «утилизации» в комбинации одновременно действующих подсистем газовыпуска и искрогашениявариантное /моделирование работы системы «утилизации» в комбинации совместно использующихся подсистем нефтесодержащих трюмных вод и рас-ходно-топливной вспомогательного котлоагрегатаразработка технико-экономического обоснования использования предложенной системы и основ методики расчета коэффициентов замкнутости контуров комбинированной системы «утилизации вредных сбросов». В результате проведенных исследований получены следующие результаты и выводы:
1. На основе проведенного краткого обзора сущестаующих и перспективных систем «утилизации вредных сбросов» определено современное состояние вопроса разработки указанных систем. В кратком обзоре рассмотрены системы судов различных типов и годов постройки. Из нескольких десятков судовых систем выделены те, в которых решается функциональная задача снижения вредных сбросов с судна. По результатам обзора сделан вывод, что на сегодняшний день формально судовых систем «утилизации вредных сбросов» нет, но функция снижения вредных сбросов выполняется на всех морских судах. Последнее достигается совместным использованием комби.
136 нации нескольких судовых систем, на которые возложены как основные функциональные задачи — подготовка и подача топлива, осушение отсеков и т. д., так и дополнительные — обеспечение пожарной безопасности, очистка уходящих газов и т. п. Причем дополнительные функциональные задачи решаются при совместным использованием нескольких судовых систем.
2. Совокупность систем, решающих функциональную задачу снижения вредных сбросов с судна, рассматривается как условная единая комбинированная система. Последняя состоит из ряда подсистем и предназначена для выполнения комплексной функции утилизации вредных сбросов. В качестве подсистем рассматриваются существующие судовые системы. Комплексная функция утилизации вредных сбросов включает основные и допол нительные функциональные подзадачи. Выявлена тенденция увеличения в составе комбинированной системы числа подсистем и количества решаемых функциональных подзадач. Количество последних увеличилось с двух у системы т/х «Саранск» (1958 г.) до десяти у представленной Стаценко В. Н. (1997 г.), а число подсистем возросло с двух до пяти у тех лее систем.
3. Проведен сравнительный анализ эффективности различного типа систем «утилизации вредных сбросов». Анализ проводился по методу Дель-фы. Оценка проведена по 10-и балльной шкале. Наибольший суммарный балл получен системами, предложенными в последние годы, но к настоящему времени не реализованными на практике, а из реально существующихсистема контейнеровоза «Капитан Бянкин». Необходимо отметить, что системы, получившие большее количество баллов, характеризуются более высокими значениями коэффициентов замкнутости контуров.
4. По результатам краткого обзора систем «утилизации вредных сбросов» и существующей нормативной базы определены основные направления развития указанных систем. Необходимо указать, что требования международных соглашений и Российских нормативных документов предусматрива.
137 ют наличие на судне устройств, функциональной задачей которых является снижение вредных сбросов. Сделан вывод, что дальнейшее развитие систем «утилизации» может проводиться по двум направлениям: создание новой специализированной системы «утилизации вредных сбросов» или использование комбинации существующих судовых систем как единой комбинированной. Последнее направление, по мнению автора, наиболее приемлемо.
При разработке конкретного схемного решения наибольшее внимание / должно быть уделено техническим решениям, приводящим к повышению коэффициентов замкнутости контуров, имеющих наименьшие значенияэкологического и материального. При этом комбинированная система должна выполнять комплексную функцию утилизации вредных сбросов.
5. Определение направлений развития систем «утилизации» позволяет разработать вариант схемного решения комбинированной системы «утилизации вредных сбросов». Прогнозируется, что применение последней даст возможность снизить величину основных вредных сбросов, в том числе утилизировать нефтесодержащие воды частично или полностью. Использование комбинации, включающей подсистемы нефтесодержащих трюмных вод и расходнотопливную вспомогательного коглоагрегата, дает возможность утилизировать до 20% НСВ, а с подсистемой мокрого искрогашения в дополнение к указанным — до 100%.
6. Проведена оценка комплексной эффективности комбинированных систем «утилизации вредных сбросов» восьми типов по энергетическому КПД и по коэффициенту относительного приращения эксергии, а также по рекомендуемому нормативными документами показателю полезного эффекта. Средние расчетные значения энергетического КПД систем «утилизации» соответственно составило 0,585 отн. ед., а максимальное отклонение от средних величин не превышают 8г|мах =4,7%. Интервал погрешности для указанных показателей составляет ±6,5% от средней величины. Комплекс.
138 ные показатели полезного эффекта для судов одного типа отличаются от их среднего значения на величину, не превышающую интервала погрешности -11,2%. Выявлено влияние типа судна на величину показателей технического уровня.
7. Для оценки замкнутости систем при их контурном рассмотрении предложено представлять судовые системы на расчетных схемах с разбивкой входящих й выходящих компонентов по направлениям поступления и сброса (атмосфера, вода, берег), а также разделять сбросы на потери и выбросы. Рассмотрен вариант и предложен метод изображения на расчетных схемах комбинированных судовых систем для оценки замкнутости нескольких контуров (материального, энергетического и экологического) одновременно.
8. Получены формулы для расчета значения коэффициентов замкнутости контуров комбинированных систем «утилизации вредных сбросов». Предложены расчетные формулы коэффициентов замкнутости материального, энергетического и экологического контуров для разработанного схемного решения комбинированной системы «утилизации вредных сбросов». Разработан алгоритм расчета показателей работы комбинированной системы «утилизации вредных сбросов» на различных режимах. Применение программы, в которой использован указанный алгоритм, позволило определить величины единичных коэффициентов замкнутости материального, энергетического и экологического контуров, а также общего для системы. Выявлена степень влияния показателей отдельных подсистем на величины коэффициентов замкнутости.
9. Проведена оценка возможностей различных топологических схем предложенной системы по утилизации нефтесодержащих и сточных вод. Получены расчетные зависимости для расчета количества нефтесодержащих и сточных вод, утилизируемых без снижения технико-экономических показаI телей судна.
10. Проведено теоретическое обоснование выбора топологической схемы комбинированной системы «утилизации вредных сбросов» на основе оценки эксплуатационного расхода энергии на обработку нефтесодержащих I вод. Уточнены указанные расчетные зависимости эксплуатационного расхода энергии. Рассматривались следующие комбинации подсистем: нефтесодержащих трюмных вод и расходнотопливной вспомогательного котлоагре-гатанефтесодержащих трюмных вод и мокрого искрогашениянефтесодержащих трюмных вод на режиме сбора, сепарирования и удаления НСВ за бортнефтесодержащих трюмных вод на режиме сбора и сдачи нефтесодержащих вод на приемные сооружения. Получены расчетные зависимости эксплуатационного расхода энергии на обработку нефтесодержащих вод для указанных комбинаций подсистем при разной концентрации нефтепродуктов. Выявлены режимы работы систем «утилизации вредных сбросов» с минимальным’расходом энергии.
11. Проведено лабораторное моделирование совместной работы систем мокрого искрогашения и газовыпуска вспомогательного котлоагрегата. Получены экспериментальные зависимости расхода газа в газовыпускном трубопроводе на различных режимах совместной работы указанных систем. При охлаждении газа в 1>образном участке газохода фиксировалось снижение расхода воздуха в 3,14 раза от исходного. Получены графические зависимости расхода газа на различных режимах. Выявлена возможность снижения тепловых потерь вспомогательного котлоагрегата при неработающем топочном устройстве.
12. Проведено лабораторное моделирование совместной работы подсистем нефтесодержащих трюмных вод и расходно-топливной вспомогательного котлоагрегата. Получены графики полной потребляемой мощности приводного электродвигателя и полезной мощности топливного насоса в зависимости от относительного объемного влагосодержания топлива. Сделан.
140 вывод, что при относительном объемном влагосодержаиии топлива в диапазоне от 0 до 0,25 отн.ед. полная потребляемая мощность приводного электродвигателя не изменяется. В случае большей обводненности топлива по/ требляемая мощность увеличивается и при достижении 0,4 отн. ед. значение полной потребляемой мощности приводного электродвигателя и полезной мощности топливного насоса возрастает на 22 и 36% соответственно. Рост потребляемой мощности привода насоса выше заданного значения может служить признаком превышения «критического» влагосодержания топлива.
13. Проведена оценка технико-экономической эффективности использования предложенных технических решений. В качестве базового варианта для сравнения приняты показатели т/х «Капитан Бяшаш». При реализации предложенной системы увеличение строительной стоимости судна составит 359,885 тыс. руб., годовой экономический эффект от использования предложенных технических решений 359,591 тыс, руб./год, годовой прирост прибыли 151,77 тыс. руб./год, срок окупаемости мероприятий 2,47 года, абсолютная экономическая эффективность капитальных вложений 0,4. Значения срока окупаемости и абсолютной эффективности капитальных вложений выше нормативных показателей для судостроения на 266%. Таким образом, использование предложенной комбинированной системы «утилизации вредных сбросов» позволяет не только снизить загрязнение окружающей среды, но и экономически выгодно.
