Природоохранная технология обеспечения охлаждения судовой энергетической установки

УДК 62-713.1:621.436
К. Ю. Федоровский, д. т. н., профессор;
Н. К. Федоровская, научный сотрудник;
Севастопольский государственный университет

ПРИРОДООХРАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ОХЛАЖДЕНИЯ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY SUPPORT OF COOLING SHIP
POWER PLANT

Рассматривается механизм отрицательного воздействия систем охлаждения судовых энергетических установок на биоресурсы морей.
Предлагается природоохранная технология, основанная на  внедрении
систем охлаждения, работающих по замкнутой схеме. Даются сведения о проведенных исследованиях, разработанной методике расчета таких систем и примеры их внедрении в практику.
We consider the mechanism of the negative impact of the cooling systems of
ship power plants on biological resources of the seas. Offered  environmental technology based on the implementation of the cooling systems operating in a closed circuit. Gives information of the studies, the method of
calculation of such systems and examples of them  implementation in practice.
Ключевые слова: судовая энергетическая установка, система охлаждения, теплопередача, рыбные ресурсы.
Keywords: ship power plant, cooling system, heat transfer, fish resources.

Введение.
В настоящее время наблюдается снижение биологических ресурсов
океанов, морей и многих внутренних водоемов. В основе пищевой цепочки
различных водоемов лежит фито- и зоопланктон. Личинки рыб – самые
большие организмы в микроскопическом планктоне. В зависимости от
времени года эти организмы переходят на разные глубины. Однако в
большинстве случае они располагаются в верхних слоях на глубинах до 50

метров. 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.
Снижение биопродуктивности морей, в том числе рыбных запасов,
связано, в частности, с негативным воздействием многочисленных судов и
технических средств освоения шельфа (морские буровые платформы, газоперекачивающие платформы и т.д.).
Основной текст.
В настоящее время для указанных объектов наибольшее распространение получили разомкнутые двухконтурные системы охлаждения энергетических установок (рис. 1). В таких системах циркулирующая непосредственно в охлаждаемом энергетическом оборудовании пресная вода отводит теплоту воде, принимаемой из окружающей судно акватории. Причем,
отметим, что забор этой воды осуществляется с глубин наибольшего сосредоточения планктона.

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

Количество потребляемой забортной охлаждающей воды может быть
значительным. Так, например, на морской платформе ЛСП-1 номинальное
потребление воды составляет 1600 м3/час, а максимальное может достигать
2000…2400 м3/час.

Материалы докладов 4-й Всероссийской конференции с международным
участием.19-21 октября 2010, Борок, Россия. – Акварос, 2010. Стр. 9 – 13.
7.  Федоровский К.Ю. Повышение эффективности систем охлаждения
судовых двигателей / К.Ю. Федоровский // Двигатели внутреннего сгорания. – 2007. – № 1.– С.109–113.
8. Федоровский К.Ю. , Федоровская Н.К. Высоконадежные экологически безопасные системы охлаждения энергоустановок морских технических средств// Proceedings of Azerbaijan State Marine Academy, 2015. №2.
С.159-164.

Следует отметить, что  в настоящее время специалисты, занимающиеся проектированием систем охлаждения, во многих случаях исключают из
рассмотрения отрицательные экологические последствия эксплуатации
разомкнутых систем охлаждения. В тоже время специалисты, занимающиеся системами охлаждения прибрежных тепловых электростанций, достаточно тщательно изучают  данный 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 вследствие такого
воздействия погибает 70…90% зоопланктона, а в некоторых случаях наблюдалась даже 100% смертность. По этой причине в районе Калининской
тепловой электростанции примерно в три раза снизились общие запасы
рыбы [2].
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 от 1мм  до 4,5 мм. По данным работ
[4, 5 ] в случае, если размер проходных отверстий выполняется менее 1 мм,
то эти отверстия недопустимо интенсивно засоряются планктоном, обрастателями и рыбной молодью. Как следствие, возрастает угроза прекращения циркуляции, что может привести к аварийной остановки энергетической установки.
Планктон имеет размеры, измеряемые микронами и более. Большинство икринок имеют размер 1…2 мм. Таким образом, практически все они
проходят через отверстие фильтров забортной воды, далее попадают в систему охлаждения и, пройдя ее элементы ( насосы, теплообменники, арматуру и т.д.), под воздействием теплового и механического факторов либо
погибают, либо существенно повреждаются.

Сотрудниками ФГБУН «Институт морских биологических исследова
ний  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.
Растет понимание актуальности данного вопроса. Так Государственная экологическая экспертиза РФ требует оснащение водозаборов пока
только морских поисково-разведочных буровых установок и морских нефтегазодобывающих платформ рыбозащитными устройствами (РЗУ). В [4,
5] отмечается, что для указанных объектов отсутствуют стандартные технические решения в этом аспекте. Апробированные конструкции для береговых водозаборов во многих случаях неприемлемы. Для указанных объектов существует много сложностей, связанных с техническим обслуживанием и ремонтом, надежностью и т.д. Тем не менее, практические шаги в
этом направлении делаются. Так например, для морской буровой установки “Исполин” (рис. 2.) были изготовлены пять РЗУ типа конусная сетка
(рис. 4) с рыбоотводом, которые устанавливаются перед всасывающими
коллекторами насосных агрегатов. Конструкции РЗУ типа конусная сетка
предусматривают наличие вращающихся и мелкоячеистых сетчатых частей. Наличие вращающихся частей в морской агрессивной среде требует
смазки и ухода,  а сетки -  чистки от планктона,  обрастателей и мелкого
твёрдого мусора.

Выводы.
1. Широко используемые в настоящее время разомкнутые системы
охлаждения энергетических установок судов и морских платформ наносят
существенный ущерб рыбным ресурсам морей и внутренних водоемов.
2. Решение проблемы снижения отрицательного экологического воздействия может обеспечить широкое внедрения в практику судостроения
замкнутых систем охлаждения, исключающих потребление забортной воды. На этом пути необходима разработка новых конструкций устройств
теплоотвода систем, отличающихся меньшими габаритами и массой, по
сравнению с существующими.
3.  При технико-экономическом обосновании выбора варианта системы охлаждения энергоустановки, необходимо учитывать экологический
фактор, влияние которого оказывается весьма существенным.

Список литературы
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. Гарбаренко О. К., Каплин И. В. Оснащение водозаборов морских
нефгазодобывающих 
платформ 
рыбозащитными 
устройствами.
http://helion-ltd.ru/s-m-part-2/3713-2009-10-14-18-33-05/  31 янв. 2016г.
5.  Гарбаренко О. К., Каплин И. В. Технические решения рыбоохранных мероприятий ОАО «ЦКБ «Коралл» /Нефть и газ арктического шельфа
– 2008: Материалы международной конференции. Мурманск, 12-14 ноября.
Мурманск: ММБИ КНЦ РАН, 2008. С 82-87.
6.  Ващинников А.Е., Васильев А.А., Илюшин К.В., Шульгин В.Д. /
Новые направления в разработке сетчатых рыбозащитных /Поведение рыб.

Рис. 6. Зависимость коэффициента теплоотдачи α от угла наклона
поверхности СОТОА φ и температурного напора ∆t:
1 - ∆t=45°С; 2 - 23°С; 3 - 7°С.

На этой основе разработана методика теплотехнического расчета
СОТОА ЗСО, которая позволила создать такую систему для морских плавкранов проекта 15201 грузоподъемностью 500т (рис. 7). Суммарная площадь СОТОА, расположенного на днище плавкрана (см. рис.5), составила
100 м2. Проведенные теплотехнические испытания этого аппарата показали, что значение коэффициентов теплопередачи Ккр отличается от расчетных не более чем на 10…15%.

Рис. 7. Самоходный морской плавкран проекта 15201
грузоподъемностью 500т и результаты испытаний его СОТОА

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
экологически безопасной  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.

(а)
(б)
Рис. 2. Морская буровая установка “Исполин” (а) и используемое
рыбозащитное устройство типа конусная сетка (б)

Тем не менее, проведенные исследования [6] показали, что сетчатые
устройства оказываются эффективными (70% и более) лишь для рыб размером более 8..15 мм (рис. 3). С учетом указанных ранее размеров планктона и рыбной молоди,  ясно,  что данные рыбозащитные устройства для
них неэффективны.

Рис. 3. Эффективность сетчатых рыбозащитных устройств [6]

Полностью исключить указанное отрицательное экологическое воздействие позволяют замкнутые системы охлаждения (ЗСО), не предусматривающие прием забортной воды. Имеются сравнительно немногочисленные примеры судов (землечерпалка "Ludwig Franzius", плавкраны типа
"Magnus", паром «Skeena Queen»  и др.) с такими системами охлаждения,
которые были созданы преимущественно с целью обеспечения работоспособности судна в условиях загрязненной забортной воды. При этом есть
угроза прекращения циркуляции охлаждающей воды, что может привести
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 (рис. 4) и отводит теплоту в забортную
воду в, так называемых, обшивочных теплообменных аппаратах (СОТОА)
[7, 8].

Рис. 4. Принципиальная схема замкнутой системы охлаждения
энергетического оборудования с СОТОА

Наиболее часто  СОТОА представляет собой лабиринтный канал, образованный судовой обшивкой 1, элементами набора 2 и дополнительно
наваренными с внутренней стороны листами 3 (рис. 5). Обычно высота
образовавшегося канала составляет 15…30мм. На этом же рисунке показано фото такого аппарата, сделанное во время постройки морского самоходного плавкрана проекта 15201 грузоподъемностью 500т.

(а)
(б)
Рис.5. Схема (а) и фото (б) судового обшивочного теплообменного
аппарата. 1 – судовая обшивка, 2 – элементы набора корпуса,
3 –дополнительные листы

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 достигаемые 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 замкнутой системы охлаждения в целом.
В результате проведенных исследований определено, что теплопередача через судовую обшивку осуществляется в специфических тепловых
условиях, связанных с наличием неизотермичности теплопередающей поверхности. Для определения показателей, характеризующих теплопередачу
в СОТОА, были проведены экспериментальные исследования на модели
такого аппарата, размером 1х1м. Модель размещалась в емкости объемом
около 17 м3 с неподвижной морской водой, в результате чего моделировались наихудшие условия теплопередачи. В ходе проведенных исследований определено влияние различных параметров работы такого теплообменника, в частности: скорости пресной охлаждаемой воды, температурного напора ∆t и ориентации поверхности φ (Рис. 6), влияние покраски и обрастания.