СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И МАШИННО-ДВИЖИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ
УДК 621.436
И. А. Апкаров, А. Ф. Дорохов, А. А. Музаев
ГАЗОДИЗЕЛЬНЫЙ ЦИКЛ КАК ОСНОВА МОТОРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ МАЛОГО И СРЕДНЕГО ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРЕДПРИНИМАТЕЛЬСТВА В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ И РЫБОЛОВСТВЕ
Интенсификация развития производства продуктов питания для населения и сырьевой базы для перерабатывающей промышленности невозможна без значительного прироста производительности труда в сельском хозяйстве и рыболовстве, основной объём производства в которых приходится на долю малого и среднего производственного предпринимательства. Однако рост производительности сдерживается недостатком энергообеспечения, отчасти ввиду удалённости стационарных энергоисточников (линий электропередач), большей же частью ввиду дороговизны электроэнергии, как магистральной, так и вырабатываемой дизель-электрическими установками (в структуре стоимости конечной продукции затраты на электроэнергию или топливо составляют 40 % и выше). Однако альтернативы электроэнергии в проблеме высокопроизводительного производства нет и необходимо находить пути её решения. Одним из таких путей, для условий малого и среднего предпринимательства, с нашей точки зрения, может быть насыщение производств моторными энергоустановками, высокоэффективные приводы которых должны работать на сравнительно дешёвых и экологически безопасных видах топлива. Наиболее подходящими для этого являются дизельные двигатели, обладающие наивысшими значениями эффективного КПД из всех ДВС, рабочий процесс которых организован по газодизельному циклу. Имея в качестве источников энергии установки, основным топливом для которых является природный газ или биогаз, можно снизить издержки на энергию в структуре стоимости конечной продукции до 25^30 % [1]. Так, дизели типов Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11 (в 2-, 4-и 6-цилиндровом исполнении), широко использующиеся в качестве главных и вспомогательных двигателей на малых рыбопромысловых судах и как приводы стационарных и передвижных электроэнергетических установок, являются перспективными объектами для перевода их на газодизельный рабочий процесс с целью снижения производственных издержек в прибрежном морском и речном рыболовстве и сельском хозяйстве. Для того чтобы определить степень сложности конвертирования серийных дизелей в газодизели, необходимо рассмотреть основные проблемы, стоящие перед исследователями и производственниками, а также накопленный отечественный и зарубежный опыт.
При реализации федеральной целевой программы «Топливо и энергия» и Концепции энергетической политики России интенсивное использование газообразного углеводородного топлива (ГУТ) в стационарных и транспортных дизельных установках становится необходимым. Обоснованием такому утверждению служат выявленные исследованиями и эксплуатацией особенности ГУТ:
— значительно меньшие (до 50 %) по сравнению с дизельным топливом затраты на эквивалентное количество газа;
— значительно меньшая токсичность выпускных газов дизелей при работе на газе, чем при работе на дизельном топливе (ДТ);
— обеспечение устойчивого топливоснабжения в перспективе с учетом динамики добычи.
Положительные перспективы использования углеводородных газов в качестве моторного
топлива недостижимы без преодоления отрицательных проявлений при его технической реализации. Особенно рельефно сложности применения ГУТ проявляются в двигателях с самовоспламенением топливно-воздушной смеси — в дизелях. В газодизельных двигателях самовоспламенение газовоздушной смеси осуществить невозможно из-за высокой энергии активации газовых молекул, поэтому в смесь, тем или иным способом, вводятся более легко воспламеняемое ДТ или спе-
циальные присадки. Наиболее распространенный вариант технической реализации этого принципа — подача жидкого («запального») топлива дизельной аппаратурой впрыска. Такой подход не только упрощает конвертацию обычного дизеля в газодизельный, но и позволяет конвертированному двигателю работать как в газодизельном режиме при сравнительно высокой степени сжатия, так и в чисто дизельных режимах. Для перехода с газодизельного режима на дизельный достаточно прекратить подачу газа.
Актуальность проблемы использования ГУТ в дизелях широко и объемно подчеркивалась и подчеркивается в публикациях ряда исследователей [1-5]. Доминирующее направление исследовательских и конструкторских работ в решении этой проблемы ориентировано на возможность конвертирования дизеля с ДТ на ГУТ и наоборот. Сравнительную оценку такой возможности необходимо проводить по следующим основным позициям: экономическая целесообразность; уровень токсичности; способы хранения; технические решения применения ГУТ в дизелях.
Экономическая целесообразность. Этот параметр подтверждается соотношением существующих и прогнозируемых цен на газ и ДТ и эксплуатационных затрат при их использовании:
— теплотворная способность ГУТ, приходящаяся на один рубль затрат, с учетом расходов на транспортировку, хранение и распределение, более чем в 2 раза выше соответствующей теплотворной способности ДТ;
— расход ГУТ двигателей ведущих дизелестроительных фирм (Берген, Пилстик, Аякс и др.) в 9^10,5 МДж/(кВт • ч) аналогичен уровням удельных расходов ДТ (200^230 г/(кВт • ч)) современных средне- и высокооборотных дизелей, следовательно, снижение расходов на топливо практически пропорционально соотношению цен;
— применение ГУТ снижает расходы на обслуживание и ремонт;
— сравнительно недорогое, при серийном выпуске, газосмесительное оборудование.
Эти факторы, с учетом существенной статьи расходов на оборудование для хранения запаса газового топлива, в экономических расчетах, проводившихся в разное время и различными авторами, неизменно показывали, что экономия средств при использовании ГУТ может составить от 17 до 25 %.
Снижение токсичности. Большое преимущество работы дизелей на ГУТ выявили результаты испытаний на дымность и токсичность отработавших газов. Дымность отработавших газов снижается почти в 10 раз. Отмечается снижение содержания окиси углерода и выбросов окислов азота. Для всех видов транспорта (наземный, водный и воздушный) нормы токсичности регламентируются действующими международными экологическими стандартами. В США действующие нормы для озерного судоходства BSO устанавливают предел выброса окислов азота для двигателей мощностью свыше 100 кВт не выше 10 г/(кВт • ч). Международная судоходная организация ИМО предлагает ввести пределы для окислов азота от 17 до 10 г/(кВт • ч) в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя (максимум — для малооборотных двигателей с частотой вращения до 130 мин-1, минимум — для частоты вращения свыше 2 000 мин-1). Выполнение таких жестких норм обычными дизелями без применения специальных мероприятий вызывает зачастую непреодолимые технические и финансовые затруднения. На современных судовых дизелях серии S35 конструкции MAN-B&W достигнутый уровень выброса окислов азота составляет 15 г/(кВт • ч), что укладывается только в действующие, но не в перспективные нормы. У лучших образцов газовых двигателей выброс окислов азота составляет 2-3 и даже 1 г/(кВт • ч). Газодизели фирмы Cooper без специальных мероприятий дают выброс окислов азота 5,4—8,0 г/(кВт • ч), а со специальной системой сжигания бедных смесей — менее 1,3 г/(кВт • ч).
Способы хранения газа. Сравнительная оценка возможности использования ГУТ в дизелях требует взвешенного решения вопроса о способах хранения ГУТ на объекте применения. Особенная тщательность такого решения необходима на водном транспорте. При современном уровне технологий практическое значение могут иметь три способа хранения ГУТ, предназначенного для питания дизельного двигателя: сжатый газ в баллонах под давлением; сжиженный газ под давлением; сжиженный газ при атмосферном давлении и низкой температуре. Повышение давления в баллонах увеличивает удельные показатели по объему, но не по массе, поскольку одновременно увеличивается толщина стенок баллона. Повышение прочностных свойств материала улучшает массовый показатель, но не влияет на удельный объем. По сравнению с жидким топливом масса хранения при одинаковом запасе хода увеличивается в 6-10 раз, объем ем-
костей для хранения — в 4-5 раз. Достоинством баллонного способа хранения являются сравнительно небольшие энергозатраты. Массовые показатели могут быть улучшены применением облегченных высокопрочных материалов (армированный пластик, композитные материалы).
Важным показателем топлива для двигателей является низшая теплотворность, обусловливающая необходимый запас газа. Наиболее перспективным в этом смысле является сжиженный пропан-бутановый газ, низшая теплотворность которого значительно превышает низшую теплотворность природного газа, состоящего в основном из метана. Весовая теплотворность сжиженного газа также несколько превышает теплотворность ДТ. Другим важным показателем сжиженных газов является высокая упругость паров, позволяющая хранить их в относительно легких цистернах и баллонах, рассчитанных на рабочее давление около 16 бар. Затраты металла при этом, по сравнению с хранением ДТ, увеличиваются незначительно. Криогенный способ хранения сжиженных газов в 3-4 раза превосходит баллонный по массовому показателю и в 1,5-2,5 раза по объемному, уступая жидкому топливу в 2 раза по массе и в 2,8 раза по объему. Этот способ представляется наиболее перспективным, по крайней мере для судов с большой автономностью. Однако значительные энергозатраты на сжижение, проблема потерь газа в стояночном режиме и потребность в специальных изотермических емкостях создают определенные трудности.
Технические проблемы перевода действующих дизелей на ГУТ. Наиболее распространенный способ решения задач перевода действующих двигателей на ГУТ основан на организации процессов с внешним смесеобразованием по газу и внутренним — по запальному ДТ, так называемых газодизельных процессов. Полностью сохраняя базовую конструкцию, такая схема обеспечивает возможность быстрого перехода с одного топлива на другое, замену газом до 10-50 % ДТ, резкое снижение дымности отработавших газов, повышение ресурса двигателя и т. д. Реализация такого способа конвертации дизеля возможна путем, например, принятия следующих конструкторских решений: организация работы дизеля по газодизельному процессу с подачей запальной порции ДТ серийным топливным насосом высокого давления (ТНВД); применение охлаждаемых форсунок, оптимизированных по длине топливных трубок высокого давления для стабилизации подачи запальной порции ДТ; привод газовых клапанов от коромысла впускного клапана дизеля; подача газа во впускные каналы крышек цилиндров.
Неоспоримость указанных преимуществ ГУТ многократно подтверждена научными исследованиями и технической эксплуатацией дизелей. Однако, как и в любой сложной технической системе, фактический результат использования далеко не в полной мере соответствует желаемому, и, соответственно, возникает необходимость комплексной оценки эффективности использования ГУТ. Проблема использования ГУТ в дизелях заключена в технических решениях задач перевода действующих двигателей на газовое топливо. Комплекс условий, в которых эта проблема существует, в настоящее время благополучно обходится или четко намечены пути такого обхода, в частности с использованием возможностей улучшения процесса горения ГУТ.
Особенности организации рабочего процесса. В любом газожидкостном цикле дизеля процесс сгорания ГУТ по интенсивности, по началу и продолжительности отличен от чисто дизельного цикла, соответственно и значения температуры участков камеры сгорания, контактирующих с рабочим телом, в этих циклах будут различны. Для получения характеристики тепловыделения требуется специальная обработка индикаторной диаграммы, основанная на ряде допущений. Нередко ограничиваются анализом фаз сгорания по индикаторной диаграмме. Значения длительности фаз тепловыделения и сгорания по индикаторной диаграмме не совпадают, т. к. на длительность фаз сгорания по индикаторной диаграмме влияет движение поршня (изменение объема заряда).
В газодизеле мощность источника зажигания значительно больше, чем в двигателе с искровым зажиганием, кроме того, рабочая смесь поджигается не в одной точке у холодной стенки, а в центре заряда. Благодаря этому, одной из важных особенностей газодизельного процесса является расширение границ возможного обеднения рабочей смеси. Однако при уменьшении нагрузки резко снижается эффективность процесса, значительно уменьшается полнота сгорания и наблюдается большое недогорание топлива. Анализ показал, что на характер газодизельного процесса существенное влияние оказывает доля тепла, вводимого с запальной дозой топлива, а также способ смесеобразования и угол опережения впрыска. Как правило, для газодизельного цикла характерно два пика скорости тепловыделения. Первый пик соответствует неуправляемому процессу
сгорания запальной дозы жидкого топлива, второй — горению газового. По мере снижения дозы жидкого топлива и увеличения дозы газа первый пик уменьшается, а второй возрастает, и при достижении определенного соотношения доз первый пик может практически исчезнуть [6].
Влияние на тепловое состояние газодизелей сложных процессов тепловыделения и сгорания ввиду их быстротечности, цикличности, одновременности физических и химических процессов требует более глубокого изучения и соответствующего анализа. На выполнение такого изучения и анализа направлены теоретические и экспериментальные исследования. При работе в газодизельном режиме ДВС теряет до 6 % своей мощности, но постоянный рост стоимости жидкого топлива и ужесточение нормативов по токсичности отработавших газов вынуждают производителей дизельных двигателей для наземного и водного вида транспорта искать возможности по совершенствованию рабочего процесса ДВС. Дополнительная сложность при конвертировании дизелей типов Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11 — относительно малые размеры цилиндров, в ограниченном объёме которых необходимо организовать качественную газовоздушную смесь и поджечь её при помощи минимальной цикловой подачи «запальной» дозы ДТ, сохраняя при этом приемлемые показатели рабочего цикла при работе не только в номинальном, но и в долевых режимах. Необходимо теоретически и экспериментально исследовать показатели рабочего процесса данных двигателей с разделённой, полуразделённой (серийные варианты) и открытой камерами сгорания. На рисунке показан общий вид испытательного стенда с двигателем 4Ч 8,5/11, переоборудованным для работы по газодизельному циклу.
Общий вид экспериментальной моторной установки с дизелем 4Ч 8,5/11
Из последних российских разработок по газодизелям можно отметить работу [6], в которой исследования проводились на двигателе ЯМЗ-236 (6Ч 13/14) — ближайшем (по размерениям цилиндра) прототипе рассматриваемых дизелей. Данная работа показала возможность получения высоких эксплуатационных характеристик конвертированного двигателя как по показателям рабочего цикла, так и по уровню содержания токсичных составляющих в отработавших газах.
При использовании конвертированных дизелей Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11 в судовом варианте, в качестве главных и вспомогательных двигателей на малых рыбопромысловых судах возникает производственно-техническая и организационная задача — хранение запаса топлива на борту судна и использование газа как топлива в замкнутых пространствах судовых машинных отделений. Решение этой задачи должно предусматривать безусловное обеспечение безопасности экипажа в рейсе в соответствии с требованиями надзорных органов (Государственной инспекции по маломерным судам (ГИМС)).
С точки зрения использования газодизелей в сельскохозяйственном производстве возникает ещё один аспект проблемы — работа двигателя на биогазе. Но сельские производители не смогут собственными силами изготовить биогазовый конвертер, а приобретать конвертер отдельно от двигателя невыгодно, т. к. производительность конвертера не обязательно совпадёт с производительностью двигателя, что будет означать потерю части газа или недогрузку двигателя. Следовательно, производителю данных типов дизелей, ОАО «Завод «Дагдизель», было бы рационально изготавливать и поставлять готовые электроэнергетические комплексы для работы на биогазе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Галышев Ю. В., Магидович Л. Е. Перспективы применения газовых топлив в ДВС // Двигателестроение. -2001. — № 3. — С. 31-35.
2. Перспективы и опыт применения газового топлива на мало- и среднетоннажных судах СевероЗападного пароходства / Ю. В. Галышев, Н. А. Корешенков, Н. Н. Свистунов, Н. Н. Фомин / ВНИИ-
газ: сб. науч. тр., 1995. — С. 5-8.
3. Лапушкин Н. А., Савенков А. М. Форсунка для впрыска смесевого топлива в цилиндр газодизельного
двигателя внутреннего сгорания // Г азификация. Природный газ в качестве моторного топлива. Подготовка, переработка и использование газа / ИРЦ «Газпром», 1998. Вып. 9-10. — С. 11-20.
4. Мамедова М. Д. Сжиженный газ как топливо для двигателей внутреннего сгорания и перспективы применения его на судах Каспнефтефлота / АзИНТИ. — Баку, 1967. — 88 с.
5. Гречуха М. П., Фомин Н. Н. Первое в Российской Федерации пассажирское судно-газоход // Наука и техника на речном транспорте: инф. сб. № 7. — М., 1998. — С. 21-27.
6. Лисицын Е. Б. Повышение эффективности использования газового топлива в газодизельных двигателях: дис. … канд. техн. наук. — М., 2010. — 155 с.
Статья поступила в редакцию 28.07.2010
GAS-DIESEL MOTOR ENERGY CYCLE AS THE BASIS FOR SMALL AND MEDIUM-SIZED MANUFACTURING BUSINESSES IN THE AGRICULTURE AND FISHERIES
I. A. Apkarov, A. F. Dorokhov, A. A. Muzaev
The aspects of transfer of 8.5/11 and 9.5/11 diesel engines to gas-diesel such as economic efficiency, toxic decrease, the ways of gas storage, technical problems of transfer of the operating engines to gaseous hydrocarbon fuel, peculiarities of working process organization are considered. The engines are supposed to be used as a drive in electric power plants, as well as main and auxiliary engines on small fishing vessels.
Key words: diesel, gas diesel, gaseous hydrocarbon fuel, ecological safety, fuel economy, biogas, converting