Эффективное топливное использование в судовых дизельных установках

Введение
В современных рыночных условиях морские и речные судоходные компании, основную материальную базу которых составляет транспортный флот, испытывают серьёзные экономические и финансовые трудности в конкурентной борьбе на мировом рынке транспортных услуг. Большинство транспортных судов эксплуатируются 10-20 лет судоходными компаниями.
Для сохранения своего присутствия на рынке судовладельцы вынуждены искать пути существенного сокращения собственных затрат с тем, чтобы не только конкурировать с другими судовладельцами, но и обеспечить уровень доходов, который бы создавал условия для расширенного воспроизводства. Судоходные компании реализуют сокращения собственных финансовых затрат различными путями, например, снижением заработных плат экипажу, сокращением количества экипажа на судне, снижение основных эксплуатационные затрат за счет перехода на дешевые сорта высоковязких топлив вязкостью выше 380 мм²/с. Один из перспективных методов снижения финансовых затрат является переход на путь оптимизирования энергопотребления и повышения энергоэффективности судов.
С 1 января 2013 года в соответствии с положениями Резолюции ИМО MEPC.203(62) вступили в силу новые правила Конвенции МАРПОЛ, направленные на повышение энергоэффективности судов. На все новые суда, построенные после 1 января 2013 года, распространяются требование по расчету Конструктивного коэффициента энергоэффективности судна (EEDI), а для судов, находящихся в эксплуатации, с этой даты вводится требование по наличию на борту Судового плана управления энергетической эффективностью судна (SEEMP).
Цель работы - определить, сколько затрачивается непрерывно энергии на доподготовку высоковязкого топлив RMG 380 в топливной системе малооборотного двигателя внутреннего сгорания MAN B&W 7S70MC, мощностью 21163 кВт, контейнеровоза E. R. Hamburg дедвейтом 26125 т, с часовым расходом топлива 2,108 м3/с при 46% нагрузки главного двигателя от номинальной. Минимизировать энергетические затраты на доподготовку высоковязкого топлив RMG 380 в топливной системе главного двигателя. Этим и обусловлена актуальность данного исследования.
ЭФФЕКТИВНОЕ ТОПЛИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В СУДОВЫХ ДИЗЕЛЬ УСТАНОВКАХ
На первом этапе исследований, был проведен анализ функционирования топливоподготовки, контейнеровоза E.R. Hamburg который показал, что на судне используется общепринятая система топивоподготовки двигателя, рекомендованная международным советом по двигателям внутреннего сгорания (CIMAC) [1]. Данная система заключает в себе все предыдущие топливные системы, поэтому может быть рассмотрена как одна общепринятая система топливоподготовки, используемая в мировом судоходстве. Она состоит из последовательно включенных активных и пассивных элементов с двукратным резервированием, управляющие реологическими характеристиками топлив.
Основные процессы, которые в ней протекают: отстой; фильтрация; сепарация; нагрев; распыливание топлива; дозирование подачи и синхронизация с движением поршня. В настоящее время, при эксплуатации этой системы нет общепринятой концепции номинирования параметров работы ее элементов. Документы, регламентирующие подготовку топлива на судне, обычно состоят из нормативных документов классификационных обществ, инструкций завода строителя двигателя, изготовителя элементов топливной системы (насосов, фильтров, подогревателей и т.п.), анализов топлива, а также рекомендаций по поддержанию температуры топлива в танках запаса и перед ТНВД.
Высоковязкие топлива, которые используются в СЭУ, могут быть описаны несколькими моделями поведения жидкости - это ньютоновское поведение жидкости и неньютоновское поведение жидкости. Неньютоновское поведения жидкости, делится еще на ряд моделей - модель Шведова, Бингама и т.д. Графические зависимости ньютоновской и неньютоновской жидкости можно увидеть на графике рис. 1. 

Рис. 1. Реологические зависимости «ньютоновской» и «неньютоновской» жидкости
В научно-технической литературе, процессы, протекающие в высоковязких топливах в системах топливоподготовки СДВС, обычно для упрощения считаются имеющие линейную зависимость, т.е. описаны при помощи ньютоновской модели поведения. Хотя в области линейной зависимости работает небольшое число элементов топливной аппаратуры, например, плунжер ТНВД. Все остальные элементы топливной системы в процессе ламинарного сдвигового течения обнаруживают нелинейное вязкопластичное течение.
Пространственное размещение молекул в кристалле «упаковка» тяжелого топлива должна следовать термодинамическому закону, выражающему стремление системы к минимуму свободной энергии [2]. Плотнейшая упаковка молекул должна достигаться при таких условиях, когда «выступы» конфигурации данной молекулы наилучшим образом заполняют «выемки» конфигурацией ее соседей (рис

. 2). На рис. 2 показана схема упаковки молекул парафина в высовязких топливах.
Рис. 2. Схема плотнейшей упаковки молекул в кристалле
Целенаправленное регулирование молекулярной структуры высоковязких топлив, полярности, а также количества дефектов дисперсной фазы путем воздействия внешними параметрами, такими, как температура, давление, ультразвуковые и электрические поля, позволяют в ряде случаев добиться таких реологических свойств топлив, которые наиболее благоприятны для их сжигания в дизелях.
Подготовка высоковязких топлив в топливной системе, требует затраты энергии для перестройки ее структуры и получения однородных дефектов с линейным размером 20 мкм перед форсункой двигателя [3]. Размер дефекта структуры топлива в 20 мкм-он, обеспечивает формирование капли с линейным размером приблизительно 20 мкм, при выходе их сопла форсунки имеет скорость 200-300 м/с, и обеспечивает полное сгорание высоковязких топлив в дизелях.
Для определения непрерывно затрачиваемой энергии на доподготовку высоковязкого топлива RMG 380 в топливной системе главного малооборотного двигателя внутреннего сгорания, данная топливная система CIMAC была условно разделена на шесть последовательно включенных блоков [4], связанных короткими трубопроводами. Каждый блок состоит из последовательно включенных активных и пассивных элементов с двукратным резервированием, объединённых по принципу реализации одной из функций топливоподготовки, в пределах данного блока. Все параметры в пределах данного блока считаются сосредоточенными, и подчинены общему закона Бернулли.
Таким образом, процессы, протекающие в каждом из блоков топливной системы, могут быть описаны известными физическими уравнениями:
- уравнение неразрывности (сплошности) потока:
57721511430 cons
(1)
24384030861000- уравнение Бернулли:
(2)
(3)
853440261620
Где
(4)
634365311150 - уравнение Дарси (потери напора по длине трубопровода);
(5)

- закон Джоуля, определяющий количество электрической энергии, подведенное к элементам участка:
- уравнение, определяющее количество тепла, подведенного топливу на участке:
-суммарные энергетические затраты на подготовку топлива состоят из затрат энергии подведённой к электродвигателю насосов или сепаратора тяжелого топлива и количества тепла, подведенного к топливу в i-ом блоке:
(6)
-суммарные энергетические затраты системы топливоподготовки МОДВС вычисляются по формуле
(7)
Гидравлические потери напора по длине трубопровода hf в системе топливоподготовки, рассчитываются согласно классическим уравнениям гидромеханики для трубопровода с диаметром трубы от 0,1 м до 0,254 м и длиной до 100 м. Они известны из справочников гидромеханики [5] и составляют 3%. Расчет энергозатрат системы топливоподготовки был произведен с учетом этих гидравлических потерь.
Реологические свойства топлив могут быть описаны в рамках жидкокристаллического состояния [6], [7]. Экспериментальные исследования структуры в судовых топливах были осуществлены методом диэлектрической спектроскопии в диапазоне частот 100Гц- 30МГц [8], и подтверждают предположение, что тяжелые судовые топлива ведут себя как жидкокристаллические вещества [8].
На следующем этапе были проведены экспериментальные исследования рабочих параметров системы топливоподготовки. Экспериментальное исследование рабочих параметров системы топливоподготовки, проводились согласно разработанной методики [9] для определения энергетических затрат на топливоподготовку тяжелого топлива МОДВС на судне E.R. Hamburg дедвейтом 26125 т, с главной силовой установкой MAN B&W 7S70MC, мощностью 21163 кВт, при 46% нагрузки главного двигателя от номинального и секундного расхода топлива 0,0005856 м³/с.
Основные параметры топливной системы температуры и давления тяжелого топлива RMG 380 относительно длины трубопровода, снимались в реальном времени на судне. Для этого система топливоподготовки была оборудована дополнительными контрольно-измерительными приборами - манометрами и термометрами. Дополнительные измерительные приборы были установлены в максимально приближенных местах к рассматриваемым сечениях.
В первом блоке системы топливоподготовки, реализуется преобразование структуры тяжелого топлива из твердого состояния в смектическую фазу Sc, с образованием дефектов структуры. Во втором блоке реализуется преобразование структуры тяжелого топлива из состояния смектической фазы Sc в смектическую фазу SA, а также формирование дефектов структуры. В третьем и четвертом блоках реализуется преобразование структуры тяжелого топлива в пределах нематической фазы N, с формированием дефектов структуры в высоковязких топливах