Обеспечение экологических показателей работы судовой энергетической установки при использовании системы рециркуляции выпускных газов дизеля

АННОТАЦИЯ

Рассмотрена система рециркуляция выпускных газов судового дизеля 7UEC60LS фирмы Mitsubishi. Приведена принципиальная схема системы, указаны способы изменения степени рециркуляции. Приведены результаты исследований по определению влияния рециркуляции выпускных газов на эмиссию оксидов азота в газовых выбросах дизеля, а также на изменение его мощности и удельного эффективного расхода топлива. Экспериментально установлено, что уровень эмиссии оксидов азота находится в обратной зависимости от степени рециркуляции выпускных газов. При увеличении степени рециркуляции в диапазоне значений 0…18,8 % происходит 38,0…53,5 %-е снижение концентрации оксидов азота в выпускных газах. Одновременно с этим для таких же значений рециркуляции установлено снижение на 0,4…3,4 % эффективной мощности дизеля и повышение на 1,8…4,3 % удельного эффективного расхода топлива.

ABSTRACT

The exhaust gases recirculation system of Mitsubishi the ship diesel engine  7UEC60LS has been observed. The principal scheme of system is provided, the measures of recirculation systems changes are showed. The results of exhaust gases impact on nitrogen oxide emission in engine gas emission are provided, as well its impact on power changing and on specific fuel oil consumption. Experimentally it was found that the emission level of nitrogen oxide is in inverse relationship from the exhaust gases recirculation level. The increasing of recirculation level in tolerance 0...18.8 % leads to 38.0…53.5 % decreasing of nitrogen oxide concentration in exhaust gases. In parallel with this, for the same recirculation value the decreasing on 0.4..3.4 % of effective diesel power was fixed as well the increasing on 1.8...4.3 % of effective fuel  consumption.

Ключевые слова: судовая энергетическая установка, судовой дизель, система рециркуляции выпускных газов, экологические показатели дизеля, эмиссия оксидов азота, максимальная температура сгорания, эффективная мощность.

Keywords: ship power plant, marine diesel, exhaust gas recirculation system, environmental performance of a diesel engine, nitrogen oxide emission, maximum combustion temperature, effective power.

Одной из особенностей эксплуатации морских судов и их энергетических установок является их подотчетность международным классификационным обществам (например, Lloyd's Register of Shipping – England, Bureau Veritas – France, Det Norske Veritas & Germanischer Lloyd – Germany, The American bureau of shipping – USA). Причем одно морское судно может быть под надзором сразу нескольких обществ [1, 11]. Эти организации на базе эмпирического опыта, статистического учета и научных исследований разрабатывают свои собственные Правила классификации морских судов и ведут систему непрерывного контроля над соблюдением этих правил на классифицированных судах. Это ограничивает возможность выполнения конструкционных изменений в устройстве судового энергетического оборудования (как тепловых и механических двигателей, так и систем, обеспечивающих их работу) без соответствующего согласования с этими надзорными органами. Судовой экипаж при выполнении своих функциональных обязанностей лишен возможности самостоятельного переоборудования как самой энергетической установки, так и систем, ее обслуживающих. Поэтому задачей и судовых механиков, и представителей научно-исследовательских организаций является определение оптимальных условий эксплуатации судовой энергетической установки без внесения каких-либо усовершенствований и модернизаций в ее конструкцию [5].

Выполнение этой задачи связано не только с поддержанием энергетических показателей (обеспечивающих скоростные характеристики судна), но и с выполнением международных и национальных требований к экологическим параметрам работы судовых дизелей (использующихся в качестве главных и вспомогательных двигателей). Одним из таких параметров является содержание оксидов азота в выпускных газах. Поддержание эмиссии оксидов азота с выпускными газами в требуемых пределах на современных морских судах обеспечивается путем использования различных технологических решений (впрыска пресной воды в продувочный ресивер, цилиндр дизеля и выпускной коллектор; подачи в цилиндр дизеля водотопливных эмульсий; каталитической очистки выпускных газов; рециркуляции выпускных газов). Системы рециркуляции выпускных газов – Exhaust gas recirculation (EGR) являют одним из оптимальных способов обеспечения экологических показателей работы судовых энергетических установок. При этом отсутствие системного подхода к их применению снижает их эффективность и приводит к повышению эксплуатационных расходов [2].

В связи с изложенным, целью исследования было определение экологических (концентрации NO_X в выпускных газах) экономических (удельного эффективного расхода топлива b_e) и энергетических (эффективной мощности N_е) показателей работы дизеля при различной степени рециркуляции выпускных газов.

Эксперименты выполнялись на судовом малооборотном дизеле 7UEC60LS фирмы Mitsubishi, оборудованному системой EGR. Основные характеристики дизеля:

• диаметр цилиндра – 600 мм;
• ход поршня – 2400 мм;
• количество цилиндров – 7;
• номинальная мощность – 12600 кВт;
• частота вращения, соответствующая номинальной мощности – 82 об/мин.

Принципиальная схема дизеля 7UEC60LS фирмы Mitsubishi с системой рециркуляции выпускных газов показана на рис. 1.

Выпускные газы из цилиндров дизеля 11 поступают в общий выпускной коллектор 12 и далее к газотурбонагнетателям 1 и 3, после чего через газовыпускную трубу удаляются в атмосферу. Газотурбонагнетатели забирают воздух из машинного отделения и после сжатия направляют его через охладители 8 и 9 в воздушный (продувочный) ресивер 10. При этом газотурбонагнетатель 3 оборудован системой рециркуляции выпускных газов, которая состоит из управляющего клапана 2, скруббера очистки газов 4, газового нагнетателя 7, водяной цистерны 6 и водяного насоса 5. В случае использования системы рециркуляции выпускных газов их количество регулируется клапаном 3. Выпускные газы очищаются и предварительно охлаждаются в скруббере 4, после чего дополнительным нагнетателем 7 подаются к компрессору газотурбонагнетателя 3 и вместе со свежим воздухом сжимаются и поступают к охладителю 8, воздушному ресиверу 10 и далее в цилиндр дизеля 11 [8].

Рисунок 1. Принципиальная схема системы EGR судового дизеля 7UEC60LS фирмы Mitsubishi:

1, 3 – газотурбонагетатель; 2 – управляющий клапан системы рециркуляции выпускных газов; 4 – скруббер; 5 – водяной насос; 6 – водяная цистерна; 7 – газовый нагнетатель с электрическим приводом; 8, 9 – охладитель наддувочного воздуха; 10 – воздушный ресивер; 11 – цилиндры дизеля; 12 – выпускной коллектор; T, K – газовая турбина и воздушный компрессор газотурбонагнетателя

Контроль концентрации NO_X в выпускных газах производился с помощью переносного газоанализатора Testo350XL, позволяющего определять в содержание в диапазоне измерения 0…3000 млн^–1 с точностью 1 млн^–1 [9].

Определение частоты вращения коленчатого вала  n (определяющей режим работы дизеля), эффективной мощности N_e, а также удельного эффективного расхода топлива b_e обеспечивалось системой мониторинга основных параметров работы дизеля Doctor, позволяющей определять значения контролируемых величин с отклонением менее 1,0 % [3].

Эксперименты выполнялись для следующих скоростных режимов работы дизеля: 55, 65, 75 и 80 об/мин, что соответствовало значениям относительной мощности дизеля: 0,3N_eном, 0,5N_eном, 0,77N_eном и 0,93N_eном. В качестве N_eном принималась номинальная мощность, соответствующая своему значению коэффициента избытка воздуха a [6].

Коэффициент избытка воздуха a определялся с учетом объемных концентраций O_2,Gas и N_2,Gas в выпускных газах (измеряемых с помощью газоанализатора Testo350XL) по выражению

Измерение эмиссии NO_Х, а также объемных концентраций O_2,Gas и N_2,Gas выполнялось в газовыпускной магистрали на расстоянии 10 м от места выхода газов из газотурбонагнетателя, что соответствовало требованиям Технического кодекса Международной морской организации по NO_Х.

Степень рециркуляции уходящих газов во время экспериментов изменялась в следующих значениях: EGR=4,7 %, EGR=9,8 %, EGR=14,6 %, EGR=18,8 % и рассчитывалась по выражению

где:

a_реж – текущее значение коэффициента избытка воздуха на заданном режиме работы дизеля (в зависимости от частоты вращения дизеля);

a_EGR – коэффициент избытка воздуха при использовании системы EGR.

Эксперименты выполнялись при условии стабилизации внешних нагрузок на дизель. Длительность работы дизеля на каждом из режимов составляла3…3,5 часа, в течении которых с периодичностью не более 5 минут выполнялся контроль и фиксация всех указанных параметров. По истечении испытательного цикла полученные значения усреднялись. Изменение режимов работы дизеля (от 55 до 80 об/мин) проводилось последовательно ступенчато. При этом, на каждом новом режиме дизель до начала контроля параметров работал 30…45 минут, что обеспечивало равномерное распределение тепловых и массовых потоков. Во время исследований дизель работал на одном и том же сорте топлива (IFO380 LSFO) и цилиндрового масла (Castrol CL 50) [4, 10]. Также постоянными поддерживались значения охлаждающих сред на входе/выходе дизеля (воды и циркуляционного масла) [6].

Результаты исследований приведены в таблице 1 и на рис. 2-4. При этом значения концентрация оксидов азота, удельного эффективного расхода топлива и мощности измерялись системой контроля и диагностики Doctor непосредственно на дизеле, а величина максимальной температуры цикла была получена путем численного моделирования с учетом термодинамических процессов сжатия и сгорания.

Таблица 1.

Изменение показателей работы судового дизеля 7UEC60LS Mitsubishi в зависимости от частоты вращения п, об/мин и степени EGR, %

 Рисунок 2. Изменение удельного эффективного расхода топлива b_e, г/(кВт×ч) судового дизеля 7UEC60LS Mitsubishi в зависимости от частоты вращения п, об/мин и степени EGR, %:

0 – работа без рециркуляции (EGR=0 %;) 1 – EGR=4,7 %; 2 – EGR=9,8 %; 3 – EGR=14,6 %; 4 – EGR=18,8 %

 Рисунок 3. Изменение концентрации оксидов азота NO_X, г/(кВт×ч) в выпускных газах судового дизеля 7UEC60LS Mitsubishi в зависимости от частоты вращения п, об/мин и степени EGR, %:

0 – работа без рециркуляции (EGR=0%;) 1 – EGR=4,7 %; 2 – EGR=9,8 %; 3 – EGR=14,6 %; 4 – EGR=18,8 %

Рисунок 4.  Относительное снижение эффективной мощности (N_eEGR/N_e)×100, % судового дизеля 7UEC60LS Mitsubishi в зависимости от частоты вращения коленчатого вала п, об/мин и степени EGR:

1 – EGR=4,7 %; 2 – EGR=9,8 %; 3 – EGR=14,6 %; 4 – EGR=18,8 %

Определяющим фактором образования оксидов азота в цилиндре дизеля является максимальная температура цикла. Согласно высокотемпературному механизму окисления азота в зоне горения (механизма Я. Б. Зельдовича) превышение температуры значения 1500 К способствует повышенному образованию NO_X. При рециркуляции выпускных газов происходит изменение стехиометрического соотношения топливо–воздух, что приводит к ухудшению процесса сгорания и снижению максимальной температуры цикла. Поэтому в задачу исследования входило также определения влияния максимальной температуры цикла T_z на эмиссию NO_X в выпускных газах при различной степени их рециркуляции. Номограммы, отражающие это влияние, приведены на рис. 5.

Обобщенная диаграмма снижения максимальной температуры рабочего цикла T_z при разной степени рециркуляции выпускных газов EGR (в диапазоне рассмотренных эксплуатационных нагрузок) судового дизеля 7UEC60LS Mitsubishi, приведена на рис. 6.

 Рисунок 5. Влияние максимальной температуры рабочего цикла дизеля T_z на образование оксидов азота NO_X при разных режимах работы судового дизеля 7UEC60LS Mitsubishi:

а) N_ереж=0,3N_еном; б) N_ереж=0,5N_еном; в) N_ереж=0,77N_еном; г) N_ереж=0,93N_еном;0 – EGR=0 %; 1 – EGR=4,7 %; 2 – EGR=9,8 %; 3 – EGR=14,6 %; 4 – EGR=18,8 %

Рисунок 6. Снижение максимальной температуры рабочего цикла дизеля T_z в зависимости от степени рециркуляции выпускных газов EGR в диапазоне эксплуатационных нагрузок (0,3…0,93)N_eном:

0 – EGR=0 %; 1 – EGR=4,7 %; 2 – EGR=9,8 %; 3 – EGR=14,6 %; 4 – EGR=18,8 %

Результаты выполненных исследований позволяют сделать следующие выводы.

Система EGR обеспечивает принудительную подачу выпускных газов в цилиндр дизеля, при этом в цилиндре изменяется соотношение между горючими компонентами топлива (углеродом, водородом и серой) и окислителем (кислородом, содержащемся в воздухе). Это (при неизменном количестве топлива, подаваемого в цилиндр) ухудшает процесс сгорания, снижает максимальную температуру в цилиндре и уменьшает количество оксидов азота, образующихся при сгорании жидкого топлива. Уровень эмиссии NO_X находится в обратной зависимости от степени рециркуляции системы EGR. При увеличении степени рециркуляции в диапазоне значений 0…18,8 % происходит 38,0…53,5 %-е снижение концентрации NO_X в выпускных газах.

Обеспечение экологических показателей работы дизеля связано с энергетическими и экономическими параметрами его работы. Благоприятное влияние системы EGR на эмиссию NO_X одновременно способствует снижению эффективной мощности дизеля N_e и увеличению удельного эффективного расхода топлива b_e.

Снижение мощности дизеля N_e связано с увеличением количества выпускных газов, поступающим в цилиндр дизеля (через систему рециркуляции). Это приводит к понижению коэффициента наполнения цилиндра свежим воздухом, величина которого прямо-пропорционально влияет на эффективную мощность. Снижение эффективной мощности при использовании системы EGR на режимах близких к номинальной частоте коленчатого вала n_реж=0,975n_ном (что соответствует эксплуатационной нагрузке N_ереж=0,93N_еном) составляет 0,36…1,2 % (при соответственном изменении уровня EGR 18,8…4,7 %) и при качественной технической эксплуатации дизеля не оказывает существенного влияния на скоростные характеристики судна. При эксплуатации дизеля на скоростных режимах n_реж=0,91n_ном (когда N_ереж=0,77N_еном), n_реж=0,79n_ном (когда N_ереж=0,5N_еном), n_реж=0,67n_ном (когда N_ереж= 0,3N_еном) снижение эффективной мощности может достигать 2,48…3,43 %. Этому, на наш взгляд, способствует ухудшение процесса газообмена в цилиндре и повышение интенсивности отвода тепла от воздушно-газовой смеси в стенки цилиндра при пониженных частотах вращения коленчатого вала.

Увеличение количества выпускных газов, поступающих в цилиндр дизеля при повышении степени рециркуляции EGR, и ухудшение процесса газообмена в цилиндре также являются основной причиной роста удельного эффективного расхода топлива при использовании системы EGR. Повышение этого значения достигает 1,8…4,3 % (в зависимости от режима работы дизеля). По нашему мнению, причиной этого является изменение стехиометрического соотношения, а также увеличением потери теплоты от неполноты сгорания топлива. Наибольшее увеличение удельного эффективного расхода топлива соответствует режимам работы дизеля с минимальной частотой вращения коленчатого вала.

Список литературы:
1. Горб С. И., Горб А. С. Программное обеспечение для управления активами на судах // Автоматизация судовых технических средств: науч.-техн. сб. – 2018. – Вып. 24. – Одесса : НУ «ОМА». – С. 34-48.
2. Куропятник А. А., Сагин С. В. Управление выпускными газами судовых дизелей для обеспечения экологических показателей // Автоматизация судовых технических средств: наук.-техн. сборник. – 2018. – Вып. 24. – С. 72-80.
3. Куропятнік О. А. Зниження емісії оксидів азоту суднових дизелів методом перепуску випускних газів // Вісник Одеськ. нац. мор. ун-ту, 2018. – Вип. 4(57). – С. 98-108.
4. Поповский А. Ю., Сагин С. В. Комплексная оценка эксплуатационных характеристик смазочных углеводородных жидкостей // Автоматизация судовых технических средств : науч.-техн. сборник. – 2014. – Вып. 20. – С. 74-83.
5. Поповский А. Ю., Сагин С. В. Оценка эксплуатационных свойств смазочно-охлаждающих жидкостей судовых технических средств // Автоматизация судовых технических средств: науч.-техн. сборник. – 2016. – Вып. 22. – С. 66-74.
6. Сагин С. В., Куропятник А. А. Оптимизация режимов работы системы перепуска выпускных газов судовых среднеоборотных дизелей // Автоматизация судовых технических средств : науч. -техн. сб. – 2019. – Вып. 25. – Одесса : НУ «ОМА». – С. 79-89. DOI: 10.316553/ 1819-3293-2019-25-79-89.
7. Сагин С. В., Мацкевич Д. В. Оптические характеристики граничных смазочных слоев масел, применяемых в циркуляционных системах судовых дизелей // Судовые энергетические установки : науч.-техн. сб. – 2011. – № 26. – Одесса : ОНМА. – С.116-125.
8. Kuropyatnyk O. A., Sagin S. V. Exhaust Gas Recirculation as a Major Technique Designed to Reduce NOх Emissions from Marine Diesel Engines // OUR SEA : International Journal of Maritime Science & Technology. – 2019. – Vol. 66. – Iss. 1. – Р. 1-9. doi.org/10.17818/ NM/2019/1.1
9. Sagin S. V., Kuropyatnyk О. А. The Use of Exhaust Gas Recirculation for Ensuring the Environmental Performance of Marine Diesel Engines // OUR SEA : International Journal of Maritime Science & Technology. – June 2018. – Vol. 65. – № 2. – Р. 78-86. doi.org/10.17818/NM/ 2018/2.3
10. Sagin S. V., Solodovnikov V. G. Estimation of Operational Properties of Lubricant Coolant Liquids by Optical Methods // International Journal of Applied Engineering Research. – 2017. – Vol. 12. – Num. 19. – Р. 8380-8391.
11. Zablotsky Yu. V., Sagin S. V. Enhancing Fuel Efficiency and Environmental Specifications of a Marine Diesel When using Fuel Additives // Indian Journal of Science and Technology. – December 2016. – Vol. 9. – Iss. 46. – P. 353-362. DOI: 10.17485/ijst/2016/v9i46/107516.