ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

УДК 62-713.1:621.436
Н. К. Федоровская
Севастопольский государственный
университет,
студентка
К.Ю. Федоровский
Севастопольский государственный
университет, д.т.н., профессор,
заведующий кафедрой

ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Аннотация
Рассматривается механизм отрицательного воздействия систем охлаждения судовых
энергетических установок на биоресурсы морей. Представлены результаты исследований,
связанных с внедрением экологически безопасных замкнутых систем. Даются сведения о
примерах внедрении таких систем в практику.
The mechanism of the negative impact of cooling systems ship power plants on biological
resources of seas. The results of researches related with implementation of environmental friendly
closed-loop systems. Examples are given of the implementation of such systems in practice.
Ключевые слова: судовая энергетическая установка, система охлаждения, экологическое
воздействие, биоресурсы морей.
Keywords: ship power plant, cooling system, environmental impact, biological resources of
seas.

Моря и океана являются местом сосредоточения значительных биоресурсов, в
частности рыбных. Основой пищевой цепочки в различных водоемах является фито- и
зоопланктон, которые располагаются преимущественно в верхних слоях моря на глубинах до 50м. Личинки рыб – самые большие организмы в микроскопическом планктоне. Количество планктона в воде достаточно велико. Например, в Черном море в
теплое время года масса зоопланктона достигает сотен граммов на один кубический
метр прибрежной воды [1]. Ясно, что уничтожение планктона приводит к соответствующему падению рыбной продуктивности водоемов.
К сожалению, наблюдается выраженная тенденция снижения биоресурсов морей
и океанов, что определяется негативным воздействием разнообразных промышленных
объектов, в том числе, многочисленных судов. В настоящее время в практике судостроения наибольшее распространение получили разомкнутые двухконтурные системы охлаждения судовых энергетических установок (рис. 1). В таких системах циркулирующая непосредственно в охлаждаемом энергетическом оборудовании пресная

Рис.1. Принципиальная схема разомкнутой двухконтурной системы охлаждения
энергетического оборудования

вода отводит теплоту к воде, принимаемой из окружающей судно акватории. Причем,
отметим, что забор охлаждающей воды осуществляется с глубин наибольшего сосредоточения планктона.
К сожалению, вопрос воздействия систем охлаждения энергоустановок не нашел
до настоящего времени должного внимания в судостроений. Аналогичная проблема
очень актуальна и для разнообразных технических средств освоения месторождений
морского шельфа, для которых потребление морской воды может достигать нескольких тысяч кубических метров в час.
При этом следует обратить внимание на тот факт, что специалисты, занимающиеся системами охлаждения прибрежных тепловых электростанций, изучают и учитывают этот вопрос. Так в [2] в результате проведенных исследований определено, что
неспособность планктона и рыбной молоди сопротивляться силе всасывания в систему
приводит к их механическому повреждению и гибели. В [3] установлено, что в следствии механического воздействия погибает 70…90% зоопланктона, а в некоторых случаях наблюдалась даже 100% смертность (рис. 2). В результате, в районе Калининской
тепловой электростанции примерно в три раза снизились общие запасы рыбы [2] .

Рис. 2. Зоопланктон до (а) и после (б) прохождения системы

Рассмотрим механизм воздействия на биоресурсы морей широко используемых
в настоящее время разомкнутых систем охлаждения судовых энергетических установок (рис. 1). Вода из окружающей акватории всасывается и прокачивается насосом
через фильтр, теплообменник и арматуру, после чего сбрасывается обратно в акваторию. Используемые фильтры имеют размеры проходных отверстий до 4,5 мм. Планктон имеет размеры, измеряемые микронами и более. Большинство икринок имеют
размер 1…2 мм. Таким образом, все они попадают в систему охлаждения и, пройдя
перечисленные выше элементы системы, под воздействием теплового и механического факторов либо погибают, либо существенно повреждаются.
Прием забортной охлаждающей воды может быть весьма значительным. Так,
например, на морской платформе ЛСП-1 номинальное потребление морской воды составляет 1600 м3/час, а максимальное может достигать 2000…2400 м3/час.

Сотрудниками ФГБУН «Институт морских биологических исследований

им. А.О. Ковалевского РАН» выполнены соответствующие оценки для морской буровой платформы проекта 10170 с суммарной мощностью энергоустановки 5000 кВт,
потребляющей 400…800 м3/час охлаждающей морской воды.  Определено,  что в результате действия указанных выше факторов уничтожается примерно 200 т промысловых видов рыб. При этом учитывалось естественная гибель икринок и рыбной молоди.
Таким образом, системы охлаждения судов и разнообразных морских технических средство освоения морского шельфа наносят существенный экологический урон
биологическим ресурсам морей и океанов. Аналогичная ситуация имеет место и для
внутренних водоемов.

Исключить указанное отрицательное экологическое воздействие позволяют
замкнутые системы охлаждения (ЗСО), не предусматривающие необходимость приема
забортной воды. Принципиальная схема системы показана на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная схема замкнутой системы охлаждения энергетического
оборудования с СОТОА

Имеются немногочисленные примеры судов с замкнутыми системами охлаждения, которые были созданы исключительно с целью обеспечения работоспособности
судна в условиях чрезвычайно загрязненной (песком, илом и т.д.) забортной воды. В
таких условиях есть угроза прекращения циркуляции охлаждающей воды, что приведет к аварийной остановке энергоустановки и, как следствие, судна в целом.
В таких системах пресная вода, нагретая в охлаждаемом оборудовании энергоустановки, прокачивается по специальным каналам вдоль внутренней поверхности
судовой обшивки и отводит теплоту к забортной воде в, так называемых, судовых обшивочных теплообменных аппаратах (СОТОА). В общем случае СОТОА представляет
собой лабиринтный канал, образованный судовой обшивкой, элементами набора и дополнительно наваренными с внутренней стороны листами (рис. 4). Размер зазора между обшивкой и дополнительными листами обычно колеблется в пределах 12…35 мм.
Именно в этом канале и движется пресная охлаждаемая вода, передавая теплоту через
обшивку корпуса забортной воде.

Рис. 4. Схема отвода теплоты с помощью судового обшивочного теплообменного

аппарата с лабиринтным каналом:

а – размещение аппарата на судовой обшивке; б – лабиринтное течение вдоль обшивки

судна; в – поперечное сечение канала аппарата; 1 – обшивочный теплообменник;

2 – подвод и отвод пресной воды; 3 – судовая обшивка;

4 – элементы набора корпуса судна; 5 –дополнительно наваренные листы;

6 – канал прохода пресной воды

Сечение канала определяется расходом пресной воды и требуемой скоростью ее
движения. Обычно эта скорость не превышает 0,3…0,5 м/с. Теплоотдача от наружной
поверхности судовой обшивки к забортной воде может происходить при вынужденной
конвекции (движение судна) и свободной конвекции (судно неподвижно относительно
воды). Последний случай является наиболее неблагоприятным, поскольку достигае

мые при этом значения коэффициента теплоотдачи, а, следовательно, и коэффициента
теплопередачи, в несколько раз ниже по сравнению со случаем движения судна.
Именно стоянка судна является основным расчетным режимом СОТОА и в целом
замкнутой системы охлаждения.
Детальный анализ конструкции СОТОА и режимов работы показал, что с теплотехнической точки зрения имеется ряд особенностей, которые не позволяют использовать для расчета таких аппаратов хорошо известные зависимости, например, для изотермических поверхностей. Было проведено исследование особенностей характера
движения жидкости в лабиринтном канале (рис. 5). Выявлено, что на наружной поверхности судовой обшивки формируется сложная неизотермическая поверхность,
которая создает специфические условия теплоотдачи забортной воде.

Рис. 5. Визуализация течения охлаждаемой пресной воды
в лабиринтном канале СОТОА

Потребовалось проведение специальных теплотехнических исследований, для
чего была создана экспериментальная установка, включающая модель СОТОА размером 1х1м, размещенную в емкости объемом около 17 м3 с неподвижной морской водой. В результате определено, что на коэффициент теплоотдачи забортной воде α существенное влияние оказывает температурный напор между наружной поверхностью
судовой обшивки и забортной водой (рис. 6). Увеличение Δt приводит к ощутимому
росту коэффициента α. Из рисунка также видно, что α существенно зависит от угла
наклона поверхности судовой обшивки φ, в районе расположения СОТОА. При переходе от вертикального бортового положения аппарата (φ=0) до горизонтального днищевого положения (φ=-90°) значение α резко уменьшается, причем, чем больше температурный напор Δt, тем сильнее эта разница [4].

Рис. 6. Зависимость коэффициента теплоотдачи обшивки корпуса судна
забортной воде α от угла наклона поверхности судовой обшивки j и температурного
напора Δt (Δt1> Δt2> Δt3)

Кроме того, было выявлено, что значение коэффициента теплоотдачи α при
днищевом горизонтальном расположении СОТОА (φ=-90°) существенно зависит от
размеров поверхности, уменьшаясь с увеличением размера аппарата (площади теплопередающей части судовой обшивки).
Исследовано влияние покраски корпуса судна и обрастания. Разработана соответствующая методика расчета таких теплообменных аппаратов.
Результаты выполненных исследований и разработанные методики успешно
применены при создании замкнутой системы охлаждения самоходных плавкранов
проекта 15201 грузоподъемностью 500т. Положительные отзывы, полученные в отношении спроектированного в ЦКБ «Коралл» и построенного Севастопольским морским
заводом первого такого плавкрана, позволили уверенно применить такую систему при
строительстве следующих плавкранов. Отметим, что изготовление такой системы и
СОТОА не потребовало применения специальных технологий и оборудования.
Выполненные технико-экономические оценки с использованием интегрального
показателя, охватывающего достаточно широкий спектр частных показателей, показали, что при рассмотрении различных вариантов систем охлаждения экологический
фактор является весьма весомым и существенным образом влияет на обоснованный
выбор в пользу замкнутых систем.

Литература

1.
Мир животных. Зоопланктон Черного моря: [электронный ресурс]. URL:
http://www.zooeco.com/strany/str-01-10-21.html (Дата обращения: 06.12.15 г.).
2.
Предварительные материалы по оценке воздействия на окружающую среду
эксплуатации энергоблока 2 и 3 Калининской АЭС на мощности реакторной установки 104% от номинальной. – ООО «Гидротехпроект» Тверь, 2013г. – 333с.
3.
Звягинцев А.Ю. Морские техноэкосистемы энергетических станций / А.Ю.
Звягинцев, А.В. Мощенко. – Владивосток: Дальнаука, 2010. – 343 с.
4.
Федоровский К.Ю. Повышение эффективности систем охлаждения судовых
двигателей / К.Ю. Федоровский // Двигатели внутреннего сгорания. – 2007. – № 1.–
С.109–113.