Оценка эмиссии отработавших газов дизелей эксплуатирующихся судов смешанного (река-море) плавания

В связи с вступлением в силу в 2005г. международных и национальных требований по предотвращению загрязнения атмосферы с судов [1] и ужесточением этих требований из года в год [2], актуальной является оценка соответствия эмиссий отработавших газов (ОГ) дизелей эксплуатирующихся судов требованиям действующих нормативных документов. Вместе с тем и разработка и внедрение методов и средств снижения выброса вредных веществ (ВВ) судовыми дизелями. Экологическая безопасность двигателей оценивается нормируемыми и ненормируемыми компонентами ОГ, опасность которых общепризнанна. В зависимости от механизма воздействия судов на человека и окружающую среду они рассматриваются на местном (локальном), региональном и глобальном уровнях. Суда смешанного (река – море) плавания являются источником всех трех случаев. Поэтому двигатели этих судов должны соответствовать и требованиям Приложения VI международной конвенции МАРПОЛ 73/78 (по NOx) [3], ГОСТ Р 51249-99 (по NOx, СО, СН) [4], ГОСТ Р 51250-99 (по дымности) [5].

Цель работы – оценка соответствия эмиссий ОГ дизелей эксплуатирующихся судов требованиям нормативных документов ИМО и РФ и возможные технические мероприятия по снижению выбросов ВВ с ОГ.

Работа проводится по следующей схеме алгоритма (рис. 1)

Объект исследования – дизели, установленные в качестве главных двигателей (ГД) на судах Волго-Каспийского региона (ВКР) (суда эксплуатируются в Каспийском морском бассейне и Волжской речной системе).

В работе была разработана база данных судов ВКР, в базу данных входят 245 судов, плавающих под флагом РФ и под контролем Астраханского филиала ФГУ «Российский морской регистр судоходства» (РМРС).

При помощи выборочного метода определен минимальный объем выборки - 15 судов. Её состав 5, 3, 2, 2, 1, 1, 1 соответствует судам с ГД 6NVD48AU (485, 330), 6NVD48-2AU (515, 300), 6(8)NVDS48A2U (640(852), 375), 8NVD48AU (736, 375), Г70(883, 375), 6NVD48-2AU (567, 330), 8NVD48-2U (647, 428), которые входят в группы с максимальным выбросом ВВ (здесь указываются марки двигателей, а в скобках – номинальная мощность и частота вращения) (см. [6]).

Предлагаемая приборная база, используемая при испытаниях. Для измерения состава ОГ использовался портативный газоанализатор testo 350-MARITIME, сертифицированный Germanischer Lloyd, и дымомер testo 308 (рис. 2). Крутящий момент определяется по усредненной тензограмме при наклейке тензодатчиков на любой доступный вал валопровода с использованием тензометрического комплекса фирмы “Astech Electronics” (Англия), который одобрен и разрешен к применению «Lloyd`s Register of Shipping». Для измерения частоты вращения используются штатные приборы-тахометры или бесконтактный цифровой тахометр DM6234P+. Такие поверочные приборы входят в приборную базу «Испытательный центр “Marine technology service”» (ИЦ MTS АГТУ).

Программа испытаний. В программе испытаний дизелей судов изложены общие требования к проведению испытаний, условия проведения испытаний, параметры и места измерений, режимы испытаний, обработка экспериментальных данных и требования по технике безопасности при испытаниях. В этом разделе акцентируется внимание на точке отбора ОГ, согласно действующим стандартам [4, 5, 7, 8] точка отбора ОГ расположена на расстоянии шести диаметров прямого участка трубы от присоединительного фланца выпускного коллектора.

Результаты натурных испытаний. Натурные испытания проводились после хорошей проверки регулировки двигателя, на четырех режимах, поддерживаемых близким к стандартным значениям цикла Е₃ ИСО 8178-4 [9]. В качестве примера на рис. 3 – 6 показаны зависимости концентрации токсичных компонентов от режимов работы некоторых исследуемых двигателей по винтовой характеристике, концентрация SO₂ на всех режимах нулевая.

Испытания также проведены на судне «РК-2091» типа «Ярославец» при работе двигателя на дизельном и печном топливах.

Обработка экспериментальных данных. Эффективная мощность каждого режима обеспечивается частотой вращения двигателя и крутящим моментом, вычисляется по формуле [10], кВт:

, где T_tg – крутящий момент, Н&#;м; n – частота вращения, об/мин.

При использовании Трубки Пито для измерения скорости потока газов объемный расход ОГ на каждом режиме определяется по формуле [11], м³/ч

После этого объемный расход ОГ, приведенный к нормальным атмосферным условиям (p_o = 101,3 кПа, Т_о = 273 К).

В некоторых испытаниях, без использования Трубки Пито, объемный расход ОГ рассчитывается по расходам топлива и воздуха, это проводится следующим образом: удельные расходы топлива выбираются согласно винтовым характеристикам двигателей (допускает РМРС). Суммарный коэффициент избытка воздуха определяется по результатам газового анализа по нижеприведенным упрощенным формулам, полученным с условием допущения, что весь углерод топлива окисляется до двухокиси углерода СО₂ (для судовых дизелей, где неполнота сгорания топлива редко достигает 1%, такое допущение вполне приемлемо)

где кмоль/кг топлива, С, Н, S, O – компоненты элементного состава топлива, кг/кг топлива, СО₂ – содержание диоксида углерода в сухих ОГ дизеля, объемные доли; на основе полученных коэффициентов избытка воздуха и удельных расходов топлива проводится расчет расхода воздуха, после этого рассчитывается объемный расход ОГ.

Согласно ГОСТ Р и руководству Регистра удельные средневзвешенные выбросы определяются по формуле [4, 7, 8, 9]:

Сопоставление теоретических и экспериментальных результатов с нормами (рис. 7, 8, 9).

Рис. 7 - Сопоставление значения технических нормативов выбросов NOx с нормами

Рис. 8 - Сопоставление значения технических нормативов выбросов CO с нормами

Рис. 9 - Сопоставление дымового числа ОГ с нормами

Рекомендации по снижению выбросов ВВ с ОГ дизелей эксплуатирующихся судов. На основе анализа исследований других авторов и автора данной работы основные средства и методы снижения вредных выбросов дизелей систематизированы и приведены на рис. 10.

Улучшение экологических показателей дизелей путем совершенствования их конструкции возможно только на стадии создания новых двигателей или их существенной модернизации. Поэтому в работе акцентируется внимание на мероприятиях, которые могут быть реализованы на эксплуатирующихся судах ВКР.

На основе анализа основных направлений, средств и методов снижения вредных ВВ с ОГ дизелей, исследований других авторов и исследований автора по этой проблеме, автором систематизированы 38 мероприятий по изменению выбросов ВВ и экономичности при применении этих мероприятий, которые представлены в табл.

Табл. – Возможные технические мероприятия по снижению ВВ с ОГ дизелей

Любая техническая неисправность двигателя увеличивает выброс ВВ с ОГ. С участием автора были проведены испытания судового дизеля 1NVD24 при неисправности топливной системы, полученные значения технических нормативов NOx и СО почти в 2 раза выше, чем при исправном состоянии. Поэтому при эксплуатации дизелей судов рекомендуется поддержание технического состояния двигателя, особенно своевременная и правильная регулировка элементов питания двигателя.

На основе обработки экспериментальных данных получены удельные выбросы ВВ с ОГ дизелей судов ВКР. В качестве примера представлена эксплуатационная винтовая характеристика зависимостей удельных выбросов ВВ, удельных расходов топлива, а также мощности главного двигателя 6NVD48AU (485, 300) судна «НРВ-21М» (двигателя правого борта) от режимов работы (рис. 11).

На основе результатов испытаний рекомендуется эксплуатация дизелей типа NVD48 судов типа река-море на режимах 88 – 97%, в общем случае 85 – 95% от номинальной чистоты вращения. На этих режимах обеспечиваются экологические показатели ниже норм, особенно максимальная экономичность (минимальные удельные расходы топлива). Такая же картина наблюдается и для остальных исследуемых дизелей.

На кафедре «Эксплуатация водного транспорта» АГТУ проводились экспериментальные исследования работы дизеля 1Ч17,5/24 при использовании диметилового эфира (ДМЭ) в качестве присадки к воздуху. Результаты показали значительные улучшения технико-экономических и экологических показателей работы дизеля. При процентном содержании ДМЭ от 1,78 до 3,56% в качестве присадки к воздуху NOx уменьшается, особенно отсутствуют эмиссии NOx и сажи при работе дизеля на холостом ходу на чистом ДМЭ. Рекомендуется использование ДМЭ в качестве присадки к воздуху и в качестве топлива для снижения выбросов ВВ с ОГ дизелей эксплуатирующихся судов.

Для снижения эмиссий NOx, СО и сажи рекомендуется использовать комплекс «сажевый фильтр-каталитическое окисление-каталитическое восстановление». Для исследуемых дизелей температура ОГ Т_ОГ в пределах 300 – 400 ^оС можно установить SCR-селективное каталитическое восстановление после газотурбины на газоходной трубе, это уменьшает затраты на установку. При этом NOx уменьшается на 97%, СО – на 90%, С – на 90%, и суда соответствуют самым жестким требованиям (Tier-3).

Заключение. В работе получены следующие результаты:

1. Большинство судов ВКР соответствуют требованиям Приложения VI МАРПОЛ 73/78 по состоянию 2005 г.; не соответствуют требованиям пересмотренного этого приложения (состояние 2011г.) и все суда не соответствуют нормам СО и дымности ГОСТ Р 51249-99 и ГОСТ Р 51250-99.

2. Для снижения выбросов ВВ с ОГ дизелей эксплуатирующихся судов ВКР рекомендуются: поддержание технического состояния двигателя, особенно своевременная и правильная регулировка элементов питания двигателя; эксплуатация дизелей типа NVD48 на режимах 85 – 95% от номинальной частоты вращения; использование диметилового эфира в качестве присадки к воздуху и в качестве топлива; использование комплекса «сажевый фильтр-каталитическое окисление-каталитическое восстановление».

Литература:

1. Евенко В., Гришкин В. «Правила предотвращения загрязнения атмосферы с судов» и их применение // Морской флот. – 2005. – № 5. – С. 54–61.

2. Мельник Г. В. Новая редакция Приложения VI к МАРПОЛ 73/78 // Двигателестроение. – 2008. – № 4. – С. 51–52.

3. Приложение VI – Инструкция по предотвращению загрязнения атмосферы с судов: Международная Конвенция МАРПОЛ 73/78, книга III. – СПб.: ЗАО ЦНИИМФ, – 2005. – 200 c. – С. 1 – 81.

4. ГОСТ Р 51249-99. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения (с изменением №1). – М.: Стандартинформ, –2005. –36с.

5. ГОСТ Р 51250-99. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Дымность отработавших газов. Нормы и методы определения (с изменением №1). –М.: Стандартинформ, –2005. –38с.

6. Покусаев М. Н., Нгуен Ха Хиеп, Теренин О. И. Статистическое наблюдение судов Каспийского морского бассейна и Волжской речной системы для оценки эмиссии выхлопных газов двигателей // Вестник Астраханского гос. тех. университета. Серия: морская техника и технология. – 2010. – № 1. – С. 153–158.

7. Руководство по техническому наблюдению за соблюдением технических нормативов выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух при изготовлении и эксплуатации судовых энергетических установок. – СПб.: Российский морской Регистр судоходства. – 2010. –97с.

8. ГОСТ Р 52408–2005 (ИСО 8178–2:1996). Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Часть 2. Измерения в условиях эксплуатации. – М.: Стандартинформ, – 2006. –23с.

9. ГОСТ 30574-98 (ИСО 8178-4). Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ и дымность отработавших газов. Циклы испытаний. – Минск: Стандартинформ, –1999. –15с.

10. ГОСТ 21792-89. Установки судовые. Приемка и методы испытаний на судне. –М.: Издательство стандартов, –1990. –28с.

11. ГОСТ 8.361-79. Государственная система обеспечения единства измерений. Расход жидкости и газа. Методика выполнения измерений по скорости в одной точке сечения трубы