Во времена неопределенности, как судовладельцы и операторы флотов выбирают техническое оснащение своих будущих судов? Средний срок строительства среднего тоннажа судна - 5 лет.
⚗️ВВЕДЕНИЕ
Работа главного двигателя на сжиженном природном газе (далее СПГ), несомненно, имеет ряд преимуществ. Про двигатели МАН, работающие на газу, впрыскиваемом в сжиженном виде под высоким давлением я уже писал.
Но есть один существенный недостаток, касающийся как традиционных жидких видов топлива, так и, тем более, СПГ. Выброс метана. Дело в том, что метану нужно больше времени на воспламенение и горение, поэтому часть этого полезного газа оказывается в выпускном коллекторе, не совершив работу. Если в случае рабты на мазуте с этим можно смириться, то при работе на СПГ, в котором метан занимает значительную долю, нет. В ЭТОЙ статье я писал про использование летучих органических соединений в качестве топлива, и для повышения их детонационной устойчивости используется именно СПГ. Значит, СПГ горит медленнее... это нужно учитывать, подумали разработчики из WinGD.
Посмотрим, что приготовили нам разработчики из WinGD, ведь, они обещают снижение выброса метана на 50%.
⚗️БАЗА
Технология использования СПГ низкого давления в качестве основнго топлива в судовых ДВС прошла долгий и трудный путь с 2011-го года и зарекомендовала себя как надежная, эффективная и недорогая (в сравнении с таковыми, но высокого давления). Первые ДВС на СПГ низкого давления были зарегистрированы как класс в 2015-м году, а первый агрегат из серии был введен в эксплуатацию в 2016-м. К 2020-му году мировой флот пополнился шестьюдесятью судами с такими главными двигателями, а компания WinGD получила заказ на производство еще 315-ти двигателей. Ну и самое главное - судовладельцы для своих новых газовозов часто заказывают именно эти двигатели.
LP-DF - ДВС, работающий на СПГ по циклу Отто (работа на СПГ низкого давления); HP-DF - ДВС, работающий на СПГ по циклу Дизеля (работа на СПГ высокого давления); Diesel/VLSFO RM - традиционный дизельный двигатель, работающий на флотском мазуте с содержанием серы не более 0,5%.
Взгляни на Рисунок 2. На нем приведены данные по вредоносным выбросам для разных двигателей: для классического жидкотопливного, работающего на СПГ высокого давления и, работающего на СПГ низкого давления. Наверное, сравнивать движок, работающий на мазуте с газовым собратом вообще неправильно, но если сравнить два газовых, но работающих по разным циклам... Сразу бросается в глаза разница в выбросах NOx, что говорит о том, что для соответствия Tier III такому двигателю не нужно дополнительное обрудование (SCR реактор). По выбросам твердых частиц ДВС на СПГ низкого давления тоже лидирует. Похоже, что это просто идеальный вариант для входа в новую эпоху дизелестроения... Но и для этого двигателя уже имеется поле для модернизации:
- повышение геометрической степени сжатия и, как следствие, повышение термодинамической эффективности
- снижение выбросов несгоревшего метана
Снижение выбросов несгоревшего метана..., как? Разработчики из WinGD предлагают рециркуляцию выпускных газов, но не с целью снижения выбросов NOx, а с целью повышения полноты сгорания, что экономически целесообразно.
⚗️ТЕХНОЛОГИЯ
На сегодняшний день доступно всего две технологии двухтопливности судовых ДВС: работа по циклу Отто и работа по циклу Дизеля. Смотри Рисунок 3.
Цикл Дизеля хорош и прост, но все проблемы в нем упираются именно в непосредственный впрыск. В случае с газом топливная система усложняется в разы. Под высоким давлением нужно подать сжиженный газ и рядом подать струю дизельного запального топлива. Горение при этом "дизельное" диффузионное, то есть без предварительной подготовки. Именно поэтому дизель остается дизелем, мощный, приемистый, но в самом пучке распыливаемого топлива практически нет воздуха. Как бы мы не оптимизировали процесс впрыска - неполнота сгорания будет выше, чем в ДВС, работающему по циклу Отто. Но если подавать газ во время такта "сжатие", то у него будет время как следует смешаться с воздухом, а потом смесь воспламенится запальной порцией дизельного топлива. Но тут тоже есть нюанс...
Если сравнивать ДВС, работающие по циклу Отто и Дизеля, то различие в степенях сжатия довольно быстро бросится в глаза. Отто двигатель не может позволить себе Дизельные степени сжатия так как смесь в цилиндре воспламенится еще до достижения угла опережения "зажигания" (впрыска запального топлива). Степень сжатия непосредственно влияет на температуру заряда в конце сжатия. Именно поэтому при подаче газа на такте "сжатие" стоит очень скрупулезно рассчитать пропорцию смешения газа с воздухом во избежание преждевременного воспламенения смеси. Взгляни на Рисунок 4.
Соотношение воздух-топливо должно быть близко к идеальному. Смесь должна быть и не слишком богатой и не слишком бедной, практически совершенной. Смеси, что лежат в желтой зоне будут нестабильны и склонны к самовоспламенению. Смеси из темно синей зоны в правом нижнем углу будут содержать слишком мало газа, что черевато пропусками вспышек и нестабильной работой ДВС. В зоне ограничения по давлению наддува не сможет стабильно работать ни один двигатель... да, воздуха тоже может быть слишком много. Было бы хорошо - работать аккуратненько по зеленой линии.
Зачем трястись над коэффициентами, если можно сделать смесь стабильнее? В этом и заключается подход WinGD. Для повышения стабильности смеси можно разбавить заряд свежего воздуха выпускными газами. Меняя пропорции воздуха и выпускных газов можно регулировать устойчивость смеси к самовоспламенению, горение при подмешивании газов более плавное и стабильное, а максимальная температура сгорания ниже. Система подмешивания выпускных газов в свежий заряд работает на базе большого количества датчиков, таких как: датчик давления в цилиндре (нужно отслеживать пропуски вспышек и степень нарастания давления), газоанализаторы, и называется Интеллектуальной Системой Рециркуляции (ИСР). Что с рабочим диапазоном соотношения воздух=топливо? Смотри на Рисунок 5.
Рабочий диапазон стал шире, следовательно, маневренные качества ДВС повысились.
⚗️ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
Химический состав свежего заряда, несомненно, меняется по мере подмешивания в него выпускных газов. По мере увечиления количества рециркулируемых газов в цилиндре кислород замещается двуокисью углерода пропорционально. Также растет и содержание азота в свежем заряде. Углекислый газ обладает большей теплоемкостью, чем кислород, поэтому при одном и том-же объёме цилиндра максимальная температура сгорания будет ниже для смеси свежего воздуха с выпускными газами, чем для чистого воздуха. Сниженное содержание кислорода в продувочном ресивере снижает способность смеси к самовоспламенению и снижает скорость её горения. Посмотри на Рисунок 6.
Лямбда... По мере повышения количества выпускных газов в продувочном ресивере, концентрация кислорода в нем падает и отслеживанием этого параметра занимается Лямбда датчик. Параметры, передаваемые им, в режиме реального времени поступают в систему управления и доступны оператору. Сам параметр концентрации кислорода в смеси и называется "Лямбда".
Что касается выбросов метана, то их количество обратно пропорционально степени рециркуляции. Если 50% выпускных газов направить на рециркуляцию, то 50% несгоревшего метана дожигается уже повторно. В этом случае хорошо всем: меньше метана в выбросах - довольны лица, лоббирующие зеленую повестку, меньше метана выбрасывается не сделав свою работу в цилиндре - довольны судовладельцы, операторы, чартеры.
⚗️ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА РЕЦИРКУЛЯЦИИ (ИСР)
ИСР отводит часть выпускных газов обратно в продувочный ресивер через холодильник. Принципиальное отличие от системы рециркуляции МАН заключается в том, что газы отводятся при низком давлении, что позволяет не урезать производительность турбокомпрессора. Выпускные газы берутся после турбокомпрессора, охлаждаются, смешиваются с воздухом; после чего смесь попадает в компрессорную часть турбокомпрессора. Смотри Рисунок 9.
Установка ИСР выполнена отдельно от двигателя, но расположена близко к нему. Смотри Рисунок 1. Охладитель газов состоит из двух частей - предварительного охладителя и основного охладителя. Охлаждение осуществляется распыливанием воды и непосредственным ее контактом с горячими газами.
Система охлаждения газов снижает их температуру примерно до 40 градусов по шкале Цельсия, что ниже точки росы. При таком условии влага из газов интенсивно конденсируется, поэтому уровень в циркуляционном танке (смотри Рисунок 10) постоянно растет и его нужно контролировать. Для этого нужно немного усложнить систему, но при этом не нужно бороться с ростом кислотности воды в циркуляционном контуре. Вода в системе цируляции охлаждается забортной водой, а её излишки удаляются. Качество сбрасываемой воды контролируется специальной аппаратурой.
⚗️УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛА
Горячие газы перед рециркуляцией нужно охлаждать, делается это пресной водой. Но можно использовать и небольшой экономайзер, что поставляется как дополнительная опция. Пар из него может быть сразу направлен в систему хозяйственно-бытовых нужд. Температура газов на выходе из экономайзера может быть даже ниже 160 градусов, так как опасений появления низкотемпературной коррозии нет, газ же.
Все мои проекты по ОДНОЙ ССЫЛКЕ.
Подпишись и читай технические интересности.
ОРИГИНАЛ СТАТЬИ на сайте WinGD.
