Д.т.н. Радченко М.І.*, к.т.н. Сирота О.А.**, к.т.н. Щербак Ю.Г.**

*Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова,

**Чорноморський державний університет імені Петра Могили

ТРИГЕНЕРАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ У СУДНОВИХ

ДИЗЕЛЬНИХ УСТАНОВКАХ

Сучасні суднові дизельні установки (ДУ) являють собою установки когенераційного типу, що виробляють додатково до основного виду енергії (механічної та електричної) також теплову енергію у вигляді пари або нагрітої води. Умови їх експлуатації відрізняються значними коливаннями температури зовнішнього повітря tзп та забортної води tзв, що впливає на температуру наддувного повітря. При значному підвищенні температури зовнішнього середовища штатні системи водяного охолодження не здатні забезпечити підтримання температури наддувного повітря на бажаному рівні: 40…50 ⁰С і нижче. Для надійного охолодження циклового повітря сучасних високонаддувних двигунів (повітря на вході турбокомпресора (ТК) і наддувного повітря) необхідні принципіально нові схеми охолодження, зокрема, з використанням машинного холоду.

Оскільки підвищення температури зовнішнього повітря і забортної води супроводжується зростанням теплових втрат з охолодною водою, що відводиться від охолодників наддувного повітря (ОНП) і водою, що відводить теплоту від корпусу двигуна, а також з відхідними газами, є доцільним використання згаданих джерел теплової енергії для виробки холоду, який, у свою чергу, – для зниження температури повітря на вході двигуна і наддувного повітря. Вироблення холоду за рахунок теплоти вторинних енергоресурсів (ВЕР) здійснюється у тепловикористовувальних холодильних машинах (ТХМ). Доповнення когенераційної ДУ теплоспоживаючим контуром для вироблення холоду в якості третього виду енергії перетворює її на ДУ тригенераційного типу.

Анализ надлишкового теплового потенціалу ВЕР ДУ свідчить, що для більшості типів суден (окрім нафтоналивних суден у разі їх плавання у північних широтах, а також рибообробних суден) при навантаженні головних двигунів більше 50 % кількість теплової енергії, що виробляється утилізаційними котлами (УК), перебільшує потребу у ній суднових споживачів [1].

На рис. 1 наведено дані з паропродуктивності УК Gук при tзп = 25 ⁰С для сучасного контейнеровозу, у складі ДУ котрого використано малооборотний дизель МОД 12К98МЕ/МС (номінальна потужність Nе = 68, 64 МВт, n = 94 об/хв), який обладнаний турбокомпаундною системою (ТКС) утилізації теплоти відхідних газів. Згадана ТКС містить утилізаційні парову і газову турбіни (УПТ і УГТ), що передають потужність на грібний вал або на привід електрогенератора, при цьому УГТ установлена на байпасній лінії газовипускного тракту, що поєднує УГТ безпосередньо з випускним ресивером двигуна в обхід ТК [2]. Використання додаткової УГТ дозволяє використовувати надлишкову енергію відхідних газів (понад необхідної для турбонаддуву дизеля), яка утворюється при навантаженнях двигуна більше 50 % завдяки високим ККД сучасних ТК (0,75 і вище). Це здійснюється шляхом перепуску частини відхідних газів (10…13 % їх загальної кількості) безпосередньо з випускного колектора, минуючи утилізаційну турбіну (УТ) турбокомпресора (ТК), на додаткову УГТ. За даних умов температура газів перед УК підвищується на 30…50 ⁰С, що призводить до зростання паропродуктивності УК і відповідно потужності УПГ. Виробка в УПГ і УТГ додаткової потужності складає приблизно 10 % потужності дизеля, відповідає зростанню ККД ДУ майже на 5 % з відповідним скороченням питомої витрати палива.

Залежності на рис. 1 свідчать, що при tзп = 25 ⁰С на загальносуднові споживачі витрачається не більше 10 % загальної кількості пари, що виробляється в УК. У тропічних умовах експлуатації (судна необмеженої експлуатації) при tзп = 45 ⁰С і tзв = 32 ⁰С кількість пари, що витрачається на загальносуднові потреби, понад 1,5 рази меньше в порівнянні з tзп = 25 ⁰С.

У зимовий період та північних широтах (при tзп = 0 ⁰С ) кількість пари, що виробляється в УК, також перебільшує загальносуднові потреби, а при навантаженнях 80…100 % перебільшення стає майже подвійним (рис. 2, [1]). Тільки у випадку використання ТК застарілих моделей з низьким ККД і, як наслідок, за відсутності надлишку енергії відхідних газів понад необхідної для наддуву (без УГТ на байпасній лінії відхідних газів) на часткових навантаженнях головного двигуна (ГД) спостерігається незначний дефіцит пари, який повністю покривається при навантаженнях ГД, що наближаються до номинального.

Таким чином, надлишкова (понад загальносуднових потреб) пара, що виробляється в УК при навантаженнях головного двигуна понад 50 %, може бути джерелом теплової енергії для ТХМ. До того ж, надлишок теплової енергії е найбільш суттєвим за підвищених зовнішніх температурах, коли потребується охолодження циклового повітря двигунів.

Більш того, як свідчить практика експлуатації суднових ДУ, при потужностях ГД понад 5…6 МВт на суднах спостерігається надлишок електроенергії, що виробляється в утилізаційних турбогенераторах, у тому числі турбокомпаундних систем [2]. В останньому випадку частина пари, минуючи утилізаційний паротурбогенератор, скидається із УК у демпферний конденсатор. Такої втрати теплоти можна позбавитись шляхом переходу когенераційної ДУ на тригенерацію.

Таким чином, тригенераційні ДУ є доцільними для використання не тільки за потужності головних двигунів Nе до 20…50 МВт, коли використання складних і високої вартості ТКС не є економічно виправданим за причини значних термінів окупності, але й дозволяє підвищити ефективність ДУ з ТКС при часткових навантаженнях на дизель (менше за 50 %, коли ТКС вимикають за причини зниження її ККД нижче 25 %), а також у разі перевищення за необхідних потреб судна теплової та електричної енергії, що виробляється в ТКС.

Рис. 1. Продуктивність утилізаційного котла Gук в залежності від навантаження Nе дизеля 12К98МЕ/МС

Рис. 2. Продуктивність утилизаційного котла і витрата пари на загальносуднові споживачі в залежності від навантаження головного двигуна 6S60MC-C/ME-C (Nе = 13,6 МВт, n = 105 об/хв) контейнеровозу за температури зовнішнього повітря tзп = 0 ⁰С: 1 – продуктивність УК без байпасноі лінії (А); 2 – продуктивність УК з байпасною лінією; 3 – витрата пари на

загальносуднові споживачі; В- надлишок пари; С- дефіцит пари

Використання холоду, що виробляється у тригенераційних системах для охолодження циклового повітря, дозволяє покращити енергетичні показники ДУ при підвищених температурах наружного повітря і забортної води.

Таким чином, є доцільним оцінка ефективності застосування тригенераційних установок на базі суднових ДУ, що використовують ВЕР для охолодження циклового повітря дизелей.

В якості ТХМ тригенераційних ДУ можуть застосовуватись ежекторні холодильні мащини (ЕХМ) і абсорбційні (АХМ). Конструктивно найбільш простими і компактними є ЕХМ, в яких функцію компресора виконує ежектор. Використання в ЕХМ низькокиплячих робочих тіл (НРТ) дозволяє утилізувати теплоту ВЕР низького температурного рівня. Однак енергетична ефективність ЕХМ, яка характеризується тепловим коефіцієнтом ζ = Qо /Qт, що являє собою відношення холодопродуктивності Qо (кількості теплоти, відведеної від повітря на вході двигуна до НРТ, киплячому при низькому тиску і відповідно температурі) до кількості теплоти Qт, підведеної до киплячого НРТ високого тиску від відхідних газів або іншого джерела, є низькою. Так, тепловий коефіціент ЕХМ, у якій використовується в якості НРТ хладони R142B, R600, R600a R290 складає ζ = 0,2…0,3.

Розрахунки, наведені в роботі [4], свідчать, що застосування ЕХМ, яка використовує теплоту відхідних газів, призводить до помітного зниження температури повітря на вході двигуна (Δtп = 20 ⁰С і більше) тільки при температурі відхідних газів, що перевищує 250 ⁰С. Таке можливо при розміщенні генератора ЕХМ безпосередньо після утилізаційної турбіни ТК, тобто на байпасній лінії газовипуску в обхід УК. Обмеження температури відхідних газів після економайзерної секції генератора величиною tг2 = 150 ⁰С при температурі кипіння НРТ у генераторі tг = 120 ⁰С , суттево скорочує теплоперепад відхідних газів, що спрацьовується у генераторі. В результаті, в економайзерній секції генератора використовується теплота порівняльно високого температурного рівня tвід.г > tг , яку доцільно реалізувати у його випарній секції. Підтвердженням цього є той факт, що за підвищеної температури кипіння НРТ у випарнику tо = 10 ⁰С, зниження температури Δtп повітря в ньому залишається практично таким, як і у випадку tо = 0 ⁰С.

Ситуація суттєво змінюється при використанні для нагрівання рідинного НРТ в економайзерній секції генератора іншого джерела скидної теплоти, наприклад нагрітої води контуру охолодження двигуна або наддувного повітря.

Однак не уся потенційно можлива (визначувана тепловим потенціалом ВЕР і ефективністю ЕХМ) різниця температур може бути реалізованою на ДВС, оскільки степінь охолодження повітря залежить від його вихідної температури (зовнішнє повітря або повітря машинного відділення), а її глибина обмежується температурою кипіння НРТ у випарнику-повітроохолоднику tо: з урахуванням температурного напору між повітрям і киплячим НРТ температура повітря на виході з випарника буде, як мінімум, на 10…15 ⁰С вище tо. З урахуванням цього повітря на вході ДВЗ може бути охолодженим не більше як на величину Δtп = 25…35 ⁰С (меньше значення відповідає tо = 10 ⁰С, а більше – tо = 0 ⁰С). Надлишкову ж різницю Δtп (надлишок холодопродуктивності ЕХМ) доцільно використовувати для глибокого охолодження наддувочного повітря після водяного охолодника наддувного повітря (ОНП) або зменшення температури охолодної води, що подається на ОНП, тобто комплексно реализовувати ВЕР и вироблюваний холод.

Виконані розрахунки [4] показують, що застосування ЕХМ призводить до суттєвого підвищення ефективності ДВЗ тільки при установленні ЕХМ безпосередньо після утилізаційної турбіни турбонаддувного агрегата, тобто на байбасній лінії відхідних газів в обхід утилізаційного пароводяного котла. При утилізації теплоти відхідних газів з температурою вище 350 ⁰С і додаткових джерел, наприклад охолодної двигуни води або наддувного повітря, приріст ККД складає Δη = 1,5…2,0 % та більше. Для цього економайзерну секцію генератора ЕХМ слід перенести із газовипускного тракту двигуна, наприклад на лінію наддувного повітря. Утворений при цьому надлишок холодопродуктивності ЕХМ (понад її величини, необхідної для попереднього охолодження зовнішнього повітря на вході ДВЗ) доцільно використати для глибокого охолодження наддувочного повітря після водяного ОНП або зниження температури охолодної води, що подається на ОНП. Схемне рішення такої ЕХМ передбачає виконання випарника-повітроохолодника у вигляді двох секцій: однієї – на вході турбокомпресора, а другої – після ОНП або на охолодній воді.

При оцінці впливу зменшення температури Δtп циклового повітря на ефективність двигуна виходили з того, що кожні 10 ⁰С зниження температури Δtп повітря забезпечує 0,5 % приросту ККД Δη двигуна [1, 3].

Таким чином, комплексне використання ВЕР суднових ДВС (відхідних газів, наддувного повітря, охолодної води) у тригенераційних системах охолодження циклового повітря дизельних двигунів на базі ЕХМ забезпечує підвищення їх ККД на 1…2 %.

Література:

1. Influence of Ambient Temperature Conditions on Main Engine Operation: MAN B&W Diesel A/S, Copenhagen, Denmark, 2005. – http://www.mandiesel. com/files/news/filesof762/5510-0005.00pr_low.pdf.

2. Thermo Efficiency System (TES) for reduction of fuel consumption and CO2 emission: MAN B&W Diesel A/S, Copenhagen, Denmark, 2005.– http://www.mandiesel. com/files/news/filesof5055/P3339161.pdf.

3. MAN B&W. Project Guide. Two-stroke Engines. MC Programme. Vol. 1: MAN B&W Diesel A/S, Copenhagen, Denmark, 1986.

4. Радченко Н.И., Сирота А.А., Бес Т. Судовые дизельные установки тригенерационного типа // Збірник наукових праць І Міжнародної науково-технічної конференції «Холод в енергетиці і на транспорті: сучасні проблеми кондиціонування та рефрижерації». Частина 2. – Миколаїв: НУК, 2008. – С. 76 –84.