Ефективність енергетичних установок з термохімічними системами для високотехнологічних суден і морських об'єктів нафтогазовидобування
Вантажиться...
Дата
2020
Автори
Чередніченко, О. К.
Cherednichenko, O. C.
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
Анотація
Чередніченко О. К. Ефективність енергетичних установок з термохімічними системами для високотехнологічних суден і морських об’єктів нафтогазовидобування. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.05.03 – двигуни та енергетичні установки (Технічні науки). – Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Міністерство освіти і науки України, Миколаїв, 2020.
Науково-прикладною проблемою, яка вирішується в дисертації, є підвищення ефективності використання паливних ресурсів та зменшення викидів токсичних компонентів шляхом раціональної організації перетворень енергії в термохімічних системах утилізації теплоти вторинних енергоресурсів енергетичних установок високотехнологічних суден і морських об’єктів нафтогазовидобування.
Необхідність виконання вимог законодавчих актів Міжнародної морської організації (IMO) щодо зниження впливу суднової енергетики на навколишнє середовище визначає запит практики, спрямований на розробку та адаптацію енергоефективних технологій в суднову енергетику шляхом комплексного впровадження новітніх установок, визначення діапазонів їх досяжних параметрів з розробкою науково обґрунтованих перспективних схемних рішень, які забезпечують підвищення ефективності використання паливних ресурсів, мінімізацію викидів CO2 та інших шкідливих речовин в навколишнє середовище. Відповідно до запиту практики сформульована мета дослідження – підвищення ефективності суднових енергетичних установок з термохімічними системами утилізації теплоти вторинних енергоресурсів для високотехнологічних суден і морських об’єктів нафтогазовидобування.
Робочою науковою гіпотезою дисертаційного дослідження є твердження, що підвищення ефективності використання енергії палива в енергетичних установках та зменшення викидів шкідливих речовин досягається паровою конверсією вуглеводневих та спиртових палив за рахунок утилізації теплоти вторинних енергоресурсів з подальшим низькоемісійним спалюванням отриманих продуктів в газотурбінних та комбінованих дизель-газотурбінних установках, а також утилізацією енергії скидної теплоти суднових малообертових дизельних двигунів термохімічним перетворенням енергії в металогідридних установках.
Для поліпшення ефективності процесів перетворень енергії при термохімічній обробці палив за рахунок підводу теплоти відпрацьованих газів пропонується використовувати ідею організації термохімічної обробки вуглеводневих та спиртових палив шляхом парової конверсії при параметрах, які узгоджено з параметрами робочих процесів енергетичних установок і вторинних енергоресурсів, а також низькоемісійним спалюванням продуктів термохімічних реакцій в газотурбінних камерах згоряння з попереднім частковим перемішуванням палива і окиснювача.
Об’єктом дослідження є процеси перетворення енергії в енергетичних установках при термохімічній утилізації вторинних енергоресурсів. Предметом дослідження є закономірності процесів термохімічних перетворень енергії, їх вплив на ефективність енергетичних установок для високотехнологічних суден і морських об’єктів нафтогазовидобування.
Задачі наукового дослідження:
1. Аналіз тенденцій світового енергоспоживання та оцінка перспективності застосування термохімічних систем утилізації теплоти вторинних енергоресурсів в судновій енергетиці на базі узагальнення та систематизації масиву значень, які описують енергетичні установки високотехнологічних суден і морських об’єктів нафтогазовидобування. 2. Виявлення шляхом математичного і фізичного моделювання діапазону ефективного застосування перспективних палив при їх термохімічній обробці шляхом утилізації вторинних енергоресурсів енергетичних установок високотехнологічних суден і морських об’єктів нафтогазовидобування.
3. Виявлення закономірностей взаємного впливу характеристик термохімічної обробки вуглеводневих і спиртових палив та параметрів робочих процесів енергетичних установок високотехнологічних суден і морських об’єктів нафтогазовидобування. 4. Розробка науково обґрунтованих нових схемних рішень газотурбінних і комбінованих дизель-газотурбінних енергетичних установок з термохімічними системами утилізації теплоти вторинних енергоресурсів та дослідження впливу їх параметрів на енергоефективність.
5. Визначення умов ефективного спалювання продуктів термохімічної обробки палив в газотурбінних камерах згоряння з попереднім частковим перемішуванням палива з повітрям.
6. Теоретичні дослідження процесів спалювання продуктів термохімічної обробки палива в газотурбінній камері згоряння з попереднім частковим перемішуванням палива та окиснювача. 7. Визначення параметрів ефективного перетворення енергії в металогідридних утилізаційних установках сучасних та перспективних суден-газовозів. 8. Апробація положень концепції підвищення ефективності енергетичних установок високотехнологічних суден і морських об’єктів нафтогазовидобування та впровадження результатів наукових досліджень.
У вступі дисертаційної роботи обґрунтовано актуальність теми, зазначено зв’язок роботи з науковими програми й темами, сформульовано об’єкт і предмет дослідження, мету та головні завдання, наведено методи дослідження, дано обґрунтування достовірності отриманих результатів і висновків, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, відображено повноту викладення результатів у публікаціях та ступінь апробації на конференціях.
У першому розділі розглянуто тенденції світового енергоспоживання, виявлено значний вплив світового флоту та морських об’єктів нафтогазовидобування на підвищення якості життя людства, проаналізовано законодавчі акти Міжнародної морської організації щодо енергоефективності суден; відзначено перспективність термохімічних утилізаційних технологій в судновій енергетиці, обґрунтована мета і здійснена постановка завдань дослідження. У другому розділі представлена методологія та обґрунтовані методи дослідження. Виявлена перспективність використання об'єктно-орієнтованих підходів при розв’язуванні задач теоретичних та експериментальних досліджень процесів в суднових енергетичних установках з термохімічною утилізацією. Запропоновано використовувати наступні ієрархічні рівні: модуль в цілому, підсистеми модуля, групи блоків обладнання підсистем, структурно-функціональні блоки, що моделюють одиничні ланки процесу, з поєднанням блоків зв’язками у вигляді матеріальних та енергетичних потоків. Представлена методологія експериментального дослідження, надано опис експериментального стенда для моделювання процесів термохімічної обробки палива при підвищеному тиску з визначенням впливу витрат механічної енергії на ефективність термохімічної утилізації та вимірюванням компонентного складу синтез-газу, який отримано в результаті термохімічної обробки етанолу при підвищеному тиску.
У третьому розділі наведено результати теоретичних та експериментальних досліджень ефективності процесів термохімічної обробки палива. З метою порівняння потенціалів вторинних енергоресурсів суднових теплових двигунів енергетичних установок різного складу розроблена багатовимірна класифікація схем енергетичних установок високотехнологічних суден і об’єктів нафтогазовидобування. Визначено критерії оцінки енергоефективності процесів термохімічної обробки палив та встановлено найбільш перспективні палива для термохімічної обробки шляхом утилізації вторинних енергоресурсів теплових двигунів. Визначено межі застосування існуючих підходів до оцінки ефективності процесів термохімічної обробки палив. Виявлені обмеження, які пов’язані з впливом основних параметрів процесу конверсії на доцільність застосування термохімічної обробки палив в залежності від їх властивостей. Наведено результати експериментального дослідження комплексного впливу температури, тиску та складу суміші на ефективність термохімічної обробки етанолу з визначенням витрат теплової та механічної потужностей при організації процесів обробки палива. Виявлено значний вплив витрат механічної енергії на ефективність термохімічної обробки палива.
У четвертому розділі розроблена математична модель енергетичного модуля з термохімічною утилізацією вторинних енергоресурсів теплових двигунів. Обґрунтовано підходи до створення та надані алгоритми налаштування математичних моделей енергетичних модулів та структурно-функціональних блоків з метою оптимізації процесів термохімічних перетворень енергії.
У п’ятому розділі наведені результати теоретичних досліджень параметрів суднових енергетичних модулів з використанням термохімічних технологій утилізації. Доведена ефективність використання на високотехнологічних суднах та морських об'єктах нафтогазовидобування газотурбінних та комбінованих енергетичних модулів з термохімічною обробкою базового палива та утилізацією теплоти відпрацьованих газів ГТД. Встановлено, що утилізація вторинних енергоресурсів шляхом термохімічної обробки вуглеводневих та спиртових палив забезпечує зменшення питомої витрати палива у порівнянні з традиційними схемами та підвищення ККД до 4 %. Підтверджено підвищення ефективності використання енергії палива на 5 6 % в пропульсивних комплексах сучасних та перспективних суден-газовозів шляхом використання термохімічного перетворення енергії в металогідридних утилізаційних установках. Доведено, що застосування запропонованих термохімічних технологій більш ніж в 1,5 рази зменшує викиди діоксиду вуглецю при експлуатації суднової енергетичної установки високотехнологічного судна або морського об'єкту нафтогазовидобування.
У шостому розділі розроблено математичну модель низькоемісійної газотурбінної камери згоряння, що працює на продуктах термохімічної конверсії, та наведені результати дослідження характеристик робочого процесу при роботі на продуктах термохімічної конверсії попутного газу. Доведена можливість ефективного використання продуктів термохімічної конверсії попутного газу в якості основного палива. Встановлена стабільність процесу горіння в камері згоряння з попереднім частковим перемішуванням палива и окиснювача. Підтверджено, що викиди основних токсичних компонентів (NOx і CO) відповідають сучасним європейським стандартам на викиди газотурбінних двигунів.
У сьомому розділі наведено результати реалізації комплексу запропонованих технічних рішень при проектуванні енергетичних установок високотехнологічних суден та морських об'єктів нафтогазовидобування, визначено перспективи подальшого застосування отриманих наукових і практичних положень.
За результатами виконаних наукових досліджень розроблено концепцію підвищення ефективності суднових енергетичних установок високотехнологічних суден і морських об’єктів нафтогазовидобування шляхом термохімічної обробки вуглеводневих та спиртових палив за рахунок підводу теплоти відпрацьованих газів газотурбінних та комбінованих дизель-газотурбінних енергетичних установок, а також використанням потенціалу вторинних енергоресурсів малообертових дизельних двигунів термохімічним перетворенням енергії в утилізаційних металогідридних установках.
Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:
1. Вперше визначено діапазон ефективного застосування низки вуглеводневих та спиртових палив для термохімічної обробки шляхом утилізації вторинних енергоресурсів енергетичних установок, при цьому виявлено: а) потенціал вторинних енергоресурсів установок на базі газотурбінних двигунів забезпечує ефективну обробку метанолу та етанолу з максимальним приростом теплоти згоряння палива 18–22 %, а також помірну ефективність обробки природного газу, попутного газу та їх головних складових при максимальному прирості 8–12 %; б) потенціал вторинних енергоресурсів установок на базі чотирьохтактних дизельних двигунів забезпечує ефективну обробку метанолу та етанолу з приростом теплоти згоряння до 20–22 і 15–16 % відповідно; в) температурний потенціал скидної теплоти установок на базі двохтактних дизельних двигунів достатній для ефективних перетворень енергії в металогідридних утилізаційних установках.
2. Вперше доведено, що на відміну від існуючих суднових енергетичних установок без термохімічної обробки палива, термохімічна обробка вищевказаних спиртових та вуглеводневих палив за рахунок утилізації вторинних енергоресурсів енергетичних установок високотехнологічних суден приводить до покращення співвідношення величин викидів CO2 на одиницю транспортної роботи судна та, відповідно, до зменшення індексу EEDI на:
25–40 % для газовозів LNG з єдиною електроенергетичною установкою; на
30–42 % для газовозів LPG порівняно з енергокомплексами, які працюють на нафтових паливах, та на 22–24 % порівняно з енергокомплексами, які працюють на LPG; на 15–25 % для круїзних суден відносно енергокомплексів, які працюють на нафтових паливах, та на 10–15 % відносно енергокомплексів, які працюють на LNG; на 5–15 % для суден Ro-pax в залежності від особливостей судна, схемних рішень та характеристик енергетичної установки, компонентного складу палива, характеристик термохімічної обробки та робочих процесів теплових двигунів.
3. Вперше обґрунтовано ефективність термохімічної обробки палива при параметрах процесів, які відповідають параметрам робочих процесів енергетичних установок, при цьому встановлено, що утилізація вторинних енергоресурсів газотурбінних суднових енергетичних установок шляхом термохімічної обробки вуглеводневих та спиртових палив забезпечує збільшення ККД установки до 4 % відносно контактних газо-паротурбінних установок при умові, що при термохімічній обробці допустиме масове співвідношення витрат пара/паливо складає 6–7 для вуглеводневих палив та 0,6–0,9 для спиртових палив.
4. Вперше доведено, що поліпшення паливної економічності комбінованої дизель-газотурбінної енергетичної установки до 4 % забезпечується термохімічною обробкою палива шляхом утилізації теплоти відпрацьованих газів газотурбінного двигуна за умови проведення термохімічної обробки окремо для ГТД при високому тиску (відповідно до тиску підведення палива до ГТД 1,0–2,5 МПа) та окремо для ДВЗ при низькому тиску (0,6–0,7 МПа) з подальшим сумісним використанням продуктів обробки в якості палива в газотурбінному та дизельному(их) двигуні(ах).
5. Вперше визначено, що на відміну від існуючих підходів до організації ефективного спалювання синтез-газу в камерах згоряння ГТД, використання термохімічної утилізації теплоти відхідних газів дає змогу отримувати продукти термохімічної обробки стійкого складу незалежно від вмісту метану у базовому паливі та забезпечує стабільність процесу горіння в низькоемісійній газотурбінній камері згоряння з попереднім частковим перемішуванням палива з повітрям.
6. Отримав подальший розвиток метод тривимірного моделювання процесів горіння вуглеводневих та спиртових палив, на базі якого створена континуальна модель робочих процесів в низькоемісійних камерах згоряння ГТД, працюючих на продуктах термохімічної конверсії, яка дозволяє виявити особливості аеродинамічної структури реагуючих потоків в умовах турбулентної взаємодії, а також здійснити вибір раціональних геометричних параметрів для забезпечення сучасних екологічних показників енергетичних установок високотехнологічних суден та об’єктів нафтогазовидобування.
7. Вдосконалено підхід до створення багатофакторних параметричних моделей суднових енергетичних установок, які враховують обмеження допустимих значень параметрів та дозволяють оцінити вплив схемних рішень і параметрів процесів на показники ефективності енергетичних комплексів з утилізацією енергії скидної теплоти шляхом термохімічної обробки палива та термохімічним перетворенням енергії в металогідридних установках.
8. На основі об'єктно-орієнтованого підходу вдосконалено багаторівневу класифікацію структурних схем енергетичних установок високотехнологічних суден і морських об’єктів нафтогазовидобування, яка відрізняється комплексним описом їх складу та головних характеристик, що надало можливість оцінювати доцільність використання традиційних та інноваційних технологій.
На основі отриманих наукових результатів сформульовано наукові положення:
1. Підвищення ефективності термохімічної утилізації вторинних енергоресурсів енергетичних установок високотехнологічних суден і морських об’єктів нафтогазовидобування досягається узгодженням параметрів робочих процесів термохімічної обробки палива та теплових двигунів і забезпечує зростання ККД установок до 4 %.
2. Термохімічна обробка вуглеводневих та спиртових палив з низькоемісійним спалюванням отриманих газоподібних продуктів та утилізацією вторинних енергоресурсів газотурбінних та комбінованих дизель-газотурбінних енергетичних установок, а також використання енергії вторинної теплоти малообертових дизельних двигунів в утилізаційних металогідридних установках забезпечує зменшення викидів діоксиду вуглецю на одиницю транспортної роботи високотехнологічних суден.
3. Комплексне використання термохімічної обробки палива та організація низькоемісійного процесу горіння в газотурбінній камері згоряння з попереднім частковим перемішуванням палива з повітрям забезпечують відповідність викидів основних токсичних компонентів енергетичних установок високотехнологічних суден і морських об’єктів нафтогазовидобування сучасним європейським стандартам.
Наукове значення роботи полягає в розширенні уявлень про фізико-хімічні процеси термохімічної утилізації вторинних енергоресурсів, обробки палив та процесів горіння продуктів їх конверсії, що є науковим підґрунтям для реалізації концепції підвищення ефективності суднових енергетичних установок високотехнологічних суден і морських об’єктів нафтогазовидобування.
Практичне значення отриманих результатів
Обґрунтування діапазону ефективного застосування перспективних вуглеводневих та спиртових палив та отримані регресійні залежності, які описують закономірності впливу параметрів робочих процесів теплових двигунів на компонентний склад та енергетичні характеристики продуктів термохімічної обробки, дозволило розробити алгоритми та методики розрахунку, створити прикладне програмне забезпечення, яке апробоване при виконанні проєктних проробок енергетичного обладнання. Схемні рішення та практичні рекомендації з використання систем термохімічної утилізації в складі газотурбінних та комбінованих установок надали можливість розробити концептуальні проєкти газовозів LNG, LPG, круїзних лайнерів, а також суден Ro-pax, що задовольняють перспективним вимогам IMO з енергоефективності.
Результати впровадження роботи
Результати дисертаційного дослідження впроваджено при розробці проекту енергетичного комплексу потужністю 10-15 МВт з термохімічною обробкою попутного нафтового газу для морської платформи (ДП «Дослідно-проектний центр кораблебудування» державного концерну «Укроборонпром», м. Миколаїв); при розробці концептуальних проектів газовозів LNG, LPG, круїзних лайнерів, суден Ro-pax з низькоемісійними енергетичними установками («Zaliv Ship Design», «Сі-Джоб Миколаїв» та ДП «ПКБ Чорноморсуднопроєкт», м. Миколаїв); в технічній документації з модернізації енергетичного обладнання та питань адаптування термохімічних технологій утилізації до існуючого енергетичного обладнання (Херсонська верф «Smart Meritime Group», м. Херсон; ТОВ «Енерготехнологія», Миколаївська обл.); при проведенні досліджень характеристик суднових гібридних енергетичних установок з використанням технології SOFC-GT («Jiangsu University of Science and Techology», КНР); при проведенні досліджень характеристик газотурбінних енергетичних установок морського виконання («Georgian Veritas» LTD, Грузія), а також в навчальному процесі при підготовці здобувачів вищої освіти ступеня «Бакалавр» за спеціальністю 271 «Річковий та морський транспорт» в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова (м. Миколаїв), ступенів «Бакалавр» та «Магістр» за спеціальністю 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» в Кременчуцькому національному університеті імені Михайла Остроградського (м. Кременчуг), ступенів «Бакалавр» та «Магістр» за спеціальністю 144 «Теплоенергетика» в Вінницькому національному технічному університеті (м. Вінниця), ступенів «Бакалавр» та «Магістр» за спеціальністю 271 «Річковий та морський транспорт» в Національному університеті «Одеська Морська Академія» (м. Одеса) та Одеському національному морському університеті (м. Одеса). Впровадження результатів дисертаційної роботи підтверджується відповідними актами про використання результатів дослідження.
Опис
Чередніченко, О. К. Ефективність енергетичних установок з термохімічними системами для високотехнологічних суден і морських об'єктів нафтогазовидобування : дис. ... д-ра техн. наук : 05.05.03 / О. К. Чередніченко ; наук. консультант С. І. Сербін ; НУК. – Миколаїв, 2020. – 382 с.
Ключові слова
суднова енергетична установка, конверсія палива, термохімічна утилізація теплоти, газотурбінний двигун, синтез-газ, 05.05.03 – "Двигуни та енергетичні установки", ship power plant, fuel conversion, thermochemical heat recovery, gas turbine engine, syngas