Повышение эффективности судового водотрубного котла-утилизатора на основе моделирования тепловых и газодинамических процессов
|
Скачать 1.08 Mb.
|
ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследования. Мероприятия, направленные на экономию топлива, относятся к одним из наиболее перспективных с точки зрения повышения рентабельности флота. Значительная экономия топлива при эксплуатации судовых энергетических установок (СЭУ) может быть получена за счёт полезного использования теплоты отработавших газов главных и вспомогательных двигателей. Анализ тепловых балансов СЭУ показывает, что при эффективном использовании теплоты отработавших газов судовых двигателей может быть ликвидирована необходимость в сжигании топлива в автономных водогрейных или паровых котлах для получения горячей воды систем отопления и приготовления горячей санитарной воды, пара на технологические нужды и т.п. Несмотря на то, что целесообразность применяемых котлов-утилизаторов с целью полезного использования теплоты отработавших газов двигателей подтверждена теорией и проверена практикой, должного широкого использования этого типа энергетических аппаратов не наблюдается. Например на большинстве речных судов котлы-утилизаторы установлены либо на главных, либо на вспомогательных двигателях. То есть, в утилизационные аппараты попадает не более 50% вырабатываемого СЭУ вторичного газового теплоносителя. Анализ параметров эксплуатирующихся судовых котлов-утилизаторов показывает их низкую тепловую эффективность, колеблющуюся в пределах 0,35…0,5, что ещё как минимум вдвое снижает эффект от применения утилизации. Причины слабого использования котлов-утилизаторов на флоте объясняются рядом объективных факторов: - из-за относительно невысокой температуры отработавших газов дизелей, температурные напоры в котлах-утилизаторах значительно ниже, чем в автономных котлах. В результате котлы-утилизаторы значительно уступают автономным котлам по удельной теплопроизводительности, габаритам и массе; - из-за относительно низких температур газов в проточной части котлов-утилизаторов на долевых нагрузках возможно образование кислого конденсата, что приводит к развитию коррозии на теплообменных поверхностях, выходу котлов из строя, появлению дополнительных затрат, связанных с обслуживанием и ремонтом; - использование в котлах-утилизаторах слабоэффективных в тепловом и газодинамическом отношении теплообменных поверхностей и схем течения теплоносителей при низких значениях коэффициентов теплопередачи даёт относительно высокое сопротивление по газовой стороне, что не позволяет в нужной степени увеличивать теплообменные поверхности и, в некоторых случаях, ухудшает условия работы деталей цилиндропоршневой группы дизелей. Преодолению отрицательного влияния указанных факторов посвящены работы известных специалистов: Бажана П.И., Голубева В.К., Бойко П.В., Денисенко Д.И., Енина В.И., Лощакова И.И., Манушина Э.И., Осипова Д.И. и др. Большой объём выполненных исследований позволил получить ряд новых решений, которые являются базой для продвижения в понимании тепло-газодинамических процессов и формировании дальнейших направлений работы. Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение тепловой и газодинамической эффективности судового водотрубного котла-утилизатора на базе применения новых схемных решений и оптимизации конструктивных параметров. Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - разработка эффективной тепловой и гидро-газодинамической схемы котла-утилизатора; - разработка исследовательской математической модели перспективного котла-утилизатора для определения особенностей течения теплоносителей и тепломассообмена в его проточной части; - создание основ инженерной методики теплового расчёта котла-утилизатора; - экспериментальная проверка эффективности разработанных конструктивных решений и точности расчётной методики. Объектом исследования является судовой водотрубный котёл-утилизатор. Методы исследования. В работе использовались методы математического анализа на базе систем дифференциальных уравнений теплопередачи и течения вязкой жидкости и газа в трёхмерной постановке с генерацией моделей в программной среде ANSYS CFX, теоретические методы определения температур теплоносителей в парных комплексах теплообменников. Экспериментальное исследование выполнялось на физически полноразмерной модели котла-утилизатора с использованием специально созданного экспериментального стенда по методикам, рекомендуемым современными ГОСТами с применением методов теории планирования эксперимента. Положения выносимые на защиту: 1. Разработка технологических требований, основных схемных и конструктивных параметров перспективного судового котла-утилизатора. 2. Разработка математической модели с распределёнными парамет-рами и результаты моделирования газо-гидродинамических и тепловых процессов в котле-утилизаторе. 3. Основы методики теплового поверочного расчёта котла-утилизатора со сложно-перекрёстным типом тока. 4. Обоснование основных геометрических и режимных параметров котла-утилизатора со сложно-перекрёстным типом тока. Информационная база исследования. В число информационных источников диссертационной работы входят: - научные источники в виде сведений и данных из книг, научных отчётов и научных конференций; - официальные документы в виде нормативных актов, руководящих документов, технологических инструкций; - результаты проведённых экспериментов и собственных расчётов. Достоверность полученных результатов обоснована корректным использованием методов анализа при создании математических моделей, экспериментальным подтверждением теоретических положений при определении характеристик опытно-промышленного образца котла-утилизатора,ъ применением при проведении экспериментов апробированных и надёжных методов измерений, использованием при планировании экспериментов и обработке опытных данных методик, одобренных государственными стандартами и отраслевыми нормативными документами. Научная новизна и личный вклад автора заключается в следующем: 1. Разработана математическая модель котла-утилизатора с распределёнными параметрами и исследовано влияние геометрических и конструктивных параметров на тепловые и газодинамические характеристики. 2. Получено распределение газового потока в трубном пучке нового перспективного котла-утилизатора. 3. Разработана методика теплового поверочного расчёта котла-утилизатора со сложно-перекрёстным типом тока теплоносителей. 4. Выработаны критерии оценки влияния геометрических парамет-ров котла-утилизатора на показатели эффективности по обобщённому параметру совершенства. Практическая ценность работы заключается в следующем:
Реализация результатов работы состоит в применении разработанных основ методики теплового расчёта котла-утилизатора в практике предприятия ООО «Гидротермаль» при создании проекта промышленных образцов типоразмерного ряда котлов-утилизаторов для совместной работы с судовыми двигателями мощностью 200…2500 кВт. Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на международном промышленно-экономическом форуме «Великие реки’ 2012» и «Великие реки’ 2013»,18-й сессии молодых учёных 2013 г., ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (2012-2014 гг.). Публикации. Список публикаций по материалам диссертации включает 5 печатных работ в т.ч. 2 работы в изданиях рецензируемых высшей аттестационной комиссией, патент на полезную модель. Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка использованной литературы, приложения. Основное содержание работы изложено на 118 страницах машинописного текста и включает 50 рисунков и 9 таблиц. Список литературы состоит из 87 наименований.
В составе всех производственно-эксплуатационных расходов речных судов затраты на топливо судовых энергетических установок (СЭУ) являются одними из основных. Например, по данным компании «Водоходъ», они достигают 20-25%. В связи с этим мероприятия, направленные на экономию топлива, относятся к наиболее перспективным с точки зрения повышения рентабельности флота. В ряде работ [16, 18, 32, 42, 68] показано, что значительная экономия топлива при эксплуатации СЭУ может быть получена за счет полезного использования вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), к которым относятся: теплота отработавших газов главных двигателей (ГД) и дизель генераторов (ДГ), теплота контуров охлаждения и смазывания ГД и ДГ, теплота системы охлаждения надувочного воздуха и другое. Вторичные тепловые потоки (ВТП) СЭУ эксплуатирующихся речных судов весьма велики и при правильном их использовании могут полностью покрыть потребности судна в теплоте на ходовых режимах (кроме наливных судов для тяжелых нефтепродуктов). Для примера в таблицах 1.1 и 1.2 приведены данные [85]. По этим примерам видно, что для пассажирских судов, сухогрузных теплоходов, нефтерудовозов, буксиров-толкачей и некоторых других групп подвижного состава флота характерно значительное превышение мощности ВТП над потребностями в теплоте, либо недостаточно полное использование ВТП. В связи с этим целесообразно рассматривать возможности преобразования ВТП без преобразования или с преобразованием в механическую или электрическую энергию [16, 42]. Таблица 1.1 - Тепловые потоки СЭУ танкеров, сухогрузных теплоходов и буксира-толкача
Однако данных о применении систем глубокой утилизации теплоты с электромеханическим преобразованием на российском речном флоте пока нет. Этому, на наш взгляд, есть несколько причин. Во-первых, в силу известных экономических проблем, обновление и модернизация речного флота в последние десятилетия резко замедлились. Объем средств, выделяемых владельцами флота на новые разработки, был совершенно недостаточен. В новое строительство закладывались решения 20…30-ти летней давности из принципа минимизации построечной стоимости судов. Таблица 1.2 - Тепловые потоки СЭУ пассажирских судов (не учтена работа вспомогательного котла)
Во-вторых, речной флот, в отличии от морского, к началу перестройки на имел значительного задела, разработки и практического применения систем глубокой утилизации теплоты. Так, например в [19] приведены сведения об эксплуатации ряда отечественных морских судов (таблица 1.3) с системами глубокой утилизации теплоты. Аналогичных данных о применении данной технологии на речном флоте нет. Следует отметить, что техническое руководство Министерства Речного Флота (МРФ), в первую очередь, в лице начальника технического управления МРФ Абрамова Г.А. в последние доперестроечные годы прекрасно понимало грядущие проблемы и прилагало все усилия для исправления сложившейся ситуации. В это время были проведены значительные работы в направлении увеличения эффективности использования ВЭР в ГИИВТе (ныне ВГАВТ) под руководством профессора Бажана П.И., которые привели к созданию и практическому использованию на крупных пассажирских судах систем комплексной утилизации теплоты [85]. Таблица 1.3 - Технические характеристики утилизационных установок отечественной постройки
Интересные работы проводились Новосибирским институтом инженеров водного транспорта (ныне НГАВТ) по прямому преобразованию теплоты отработавших газов дизельных двигателей в электроэнергию. В-третьих, в силу специфики СЭУ речных судов, с целью использования ВЭР, должно быть разработано новое утилизационное оборудование, отличающееся компактностью и возможностью эффективной работы на частичных и переменных режимах. В работе [85] показано, что на данном этапе технического развития речного флота является экономически целесообразным совершенствование и разработка систем комплексной утилизации вторичной теплоты СЭУ, направленных на выработку теплоты используемой для нужд теплоснабжения, горячего водоснабжения (подогрева санитарной воды), технологических нужд (подогрев груза, тяжелого топлива и др.). Предпосылками для развития данного направления является значительный неиспользуемый запас ВЭР; положительный опыт применения на пассажирских и грузовых судах модернизированного утилизационного оборудования, в частности, интенсифицированных теплообменников-утилизаторов, аккумуляторов теплоты, лабораторные исследования модернизированного котла КАУ-4,5 и др. Кроме того, построечная стоимость систем комплексной утилизации теплоты на порядок ниже, чем систем утилизации с электромеханическим преобразованием, например на основе паротурбинных установок. В условиях ограниченного финансирования это является важным. Конечной целью разработки и внедрения систем комплексной утилизации теплоты является полный отказ от сжигания топлива в автономных водогрейных или паровых котлах и обеспечении всех нужд в теплоте на речных судах за счет использования ВЭР. Для крупных судов пр. 92-016, пр. 301, пр. 302 экономия расхода котельного топлива может составить 80…160 тонн за навигацию. В соответствии с концепцией работы [85], в состав системы комплексной утилизации теплоты СЭУ речного судна должны входить теплогенерирующие устройства: котел-утилизатор (паровой либо водогрейный) и теплообменники-утилизаторы, отбирающие теплоту систем охлаждения и смазывания ГД и ДГ, а также теплоту из систем наддува. Важным элементом системы комплексной утилизации речных судов должен быть аккумулятор теплоты. Этот аппарат необходим для согласования графиков производства и потребления теплоты на судне путем накопления теплоты при её избыточном производстве СЭУ и выдаче потребителям при недостатке ВЭР, например, при стоянке. На рисунке 1.1 приведена одна из возможных схем комплексной утилизации теплоты ДГ для подогрева санитарной воды [85].  Рисунок 1.1 - Схема включения оборудования утилизации теплоты ДГ для подогрева санитарной воды 1 – дизель-генератор; 2 - котел-утилизатор; 3 аккумулятор теплоты; 4 теплообменник; 5 бойлер; 6 питательный насос. Теплопроизводящим оборудованием в схеме на рисунке 1.1 является подогреватель-утилизатор 4 контура охлаждения ДГ и котел-утилизатор 2 теплоты отработавших газов ДГ. Оба источника передают теплоту в теплоаккумулятор 3, который накапливает теплоту в режиме избытка ВЭР и отдает её в систему санитарной воды в период недостатка ВЭР. Следует отметить простоту и функциональность данной схемы. В частности, штатная система охлаждения подвергается минимальной модернизации: в контур охлаждения ДГ встраивается только подогреватель-утилизатор 4. Всё регулирование температуры контура охлаждения обеспечивается штатным терморегулятором. Трубная система утилизационного контура охлаждения, находящаяся в аккумуляторе теплоты, может выполнять как функции зарядки, так и разрядки теплового аккумулятора 3. Эффективность работы данной схемы определяется, в первую очередь, тепловой эффективностью утилизационных устройств 4 и 2. Заметим, что предприятиями системы речного флота высокоэффективные утилизаторы до сих пор серийно не выпускаются. В качестве теплообменников-утилизаторов используются охладители дизелей. Тепловая эффективность этих аппаратов составляет всего 0,17….0,22, что недостаточно. Отечественные котлы-утилизаторы также отличаются низким КПД, например, тепловая эффективность водогрейных котлов-утилизаторов серии КАУ ηкау=0,18…0,28 [85]. С целью увеличения эффективности работы системы комплексной утилизации теплоты в схему может быть включен подогреватель-утилизатор. Так в работе [85] приведена схема экспериментальной установки с подогревателем-утилизатором, котлом-утилизатором и аккумулятором теплоты (рисунок 1.2). Данная схема обеспечивает эффективный отбор и использование вторичной теплоты дизель-генераторной установки. При этом на нужды теплоснабжения или подогрева санитарной воды, может быть использовано до 90% вторичной теплоты ДГ. Аккумулятор теплоты позволяет согласовать между собой графики производства и потребления тепловых потоков. Схема может быть применена не только в составе дизель-генераторной установки, но и в комплексе с главными двигателями. В теплофикационных системах утилизации могут применятся не только водогрейные котлы, но и паровые. Так на теплоходах пр. 301 и пр. 302 установлены паровые утилизационные котлы серии AKS1,0-16. Эти котлы используют теплоту отработавших газов дизель-генераторов с двигателями 6NVD26/20 для производства пароводяной смеси, которая насосами подается в пароводяной барабан автономного парового котла (рисунок 1.3).  Рисунок 1.2 - Экспериментальная система комплексной утилизации теплоты ДГ судна ЗПГ1,2 – заслонки поворотные газовые; ДГ – дизель-генератор; ТУ – теплообменник-утилизатор; КУ – котел-утилизатор; АТ – аккумулятор теплоты; ОВ – штатный охладитель внутреннего контура.  Рисунок 1.3 - Схема утилизационной установки 1 – теплый ящик; 2 – питательный насос; 3 - паровой сепаратор; 4 – трубопровод к потребителям; 5 – утилизационный котел; 6 - циркуляционный насос; ОГ – отработавшие газы. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Похожие:
 |
Термины и определения Технические требования на поставку комплектного водогрейного котла-утилизатора (кув) горизонтального |
 |
Типовая инструкция по пуску из различных тепловых состояний и останову... Инструкция предназначена для инженерно-технического персонала тепловых электростанций. Настоящая Инструкция выпускается вновь. Из... |
|
На поставку парового водотрубного котла дквр-4-13гм для нужд Акционерное общество «Марийский машиностроительный завод», именуемое в дальнейшем |
|
Типовая инструкция по технической эксплуатации систем транспорта... Инструкция предназначена для персонала организаций, осуществляющих эксплуатацию тепловых сетей в составе организаций и предприятий,... |
|
6 июля 1998 года Вводится в действие Инструкция предназначена для персонала организаций, осуществляющих эксплуатацию тепловых сетей в составе организаций и предприятий,... |
|
Рабочая программа дисциплины «Имитационное моделирование» Направление подготовки «Имитационное моделирование» являются получение теоретических знаний по имитационному моделированию и приобретение практических навыков... |
|
Основным направлением развития машиностроения является повышение... Это обеспечивается совершенствованием существующих и внедрения новых видов оборудования, технологических процессов и средств их механизации... |
|
Примерная программа профессионального модуля техническая эксплуатация... Примерная программа профессионального модуля разработана на основе Федерального государственного образовательного стандарта по специальностям... |
|
Минимальный перечень документов и информации по энергоблокам тепловых... Типы турбины и котла, входящих в состав энергоблока, основные технические характеристики энергоблока, турбины, котла, в том числе... |
|
Инструкция по сборке кожуха Описание котла Производить эксплуатацию котла только после изучения и ознакомления указаниями по эксплуатации котла |
|
ИМ. К. Д. Памфилова Повышение эксплуатационной надежности магистральных и внутриквартальных тепловых сетей |
|
К городской целевой программе «Энергосбережение и повышение энергетической... Информационная система в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности 5 |
|
Последняя редакция коллективный договор бюджетного учреждения Чувашской Республики Бу «рссмп» Минздравсоцразвития Чувашии, направлен на повышение социальной защищенности работников, на обеспечение стабильности и... |
|
Котла паспорт котла При передаче котла другому владельцу вместе с котлом передается настоящий паспорт |
|
Руководство по эксплуатации паспорт Перед установкой котла необходимо обратить особое внимание на п. 4 «Меры безопасности», п. 6 «Монтаж котла и системы отопления»,... |
|
Руководство по эксплуатации паспорт Перед установкой котла необходимо обратить особое внимание на п. 4 «Меры безопасности», п. 6 «Монтаж котла и системы отопления»,... |