ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Система управления и оптимизации состава водотопливной эмульсии для дизельных энергетических установок».

Рекомендуемая область пременения

Проектируемые и эксплуатирующиеся системы непрерывной подготовки водотопливной эмульсии, в сфере использования жидких углеводородных топлив. Транспорт, теплоэнергетика, ЖКХ.
Основными объектами внедрения технологии водотопливных эмульсий в настоящее время являются судовые дизельные установки речного и морского транспорта, котельные установки.

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта – повышение эффективности использования систем подготовки водотопливной эмульсии (ВТЭ). Достижение предельно достижимых преимуществ технологии – экономических и экологических преимуществ.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Наиболее эффективным методом одновременного повышения экономических и экологических показателей является перевод питания дизельных энергетических установок (ДЭУ) на водотопливную эмульсию (ВТЭ). Эта технология получила широкое распространение на объектах, работающих большую часть времени в установившихся режимах, например, судовая энергетика и котельные установки.

Надежную работу дизелей на ВТЭ без использования дорогостоящих эмульгаторов, повышающих устойчивость эмульсий, можно обеспечить лишь в системах непрерывного действия, в которых время промежуточного хранения обводненного топлива минимально и эмульсия готовится непосредственно перед подачей к дизельной установке.

В настоящее время существуют устройства получения эмульсии, которые могут быть встроены в линию подачи топлива с возможностью изменения состава эмульсии в процессе работы системы, без изменения конструкции дизельной установки. Такие системы обеспечивают непрерывность действия и позволяют изменять состав водотопливной эмульсии в процессе работы. В то же время, существующие системы подготовки эмульсий не содержат контура оптимизации состава по показателям работы дизелей. Кроме того, зачастую отсутствует и контур стабилизации концентрации воды от внешних возмущений.

Указанные недостатки не позволяют получить максимальную эффективность использования водотопливной эмульсии, т.к. оптимальный состав эмульсии определяется режимом работы и условиями эксплуатации энергетической установки, более того несоответствие концентрации воды оптимальным значениям может привести к ухудшению показателей работы дизеля, что снижает надежность всей системы.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Система подготовки ВТЭ судовых котельных агрегатов КВА 1,0/5 танкера типа "Волганефть" разработана, испытана и запущена в эксплуатацию. Упрощенная схема системы приведена на рисунке 1. На рисунке 2 представлена компоновка блока подготовки ВТЭ.

Рисунок 1 – Схема системы подготовки ВТЭ судовых котельных агрегатов КВА 1,0/5танкера типа "Волганефть"

Рисунок 2 – Компоновка блока подготовки ВТЭ судовых котельных агрегатов КВА 1,0/5танкера типа "Волганефть" и его размещение на объекте

В состав системы входят: 1, 2 – расходные цистерна топлива и воды; 3, 5 – перепускные клапаны; 4, 6 – фильтры; 7, 8 – датчики расхода воды и топлива; 9 - клапан, регулирующий подачу воды; 10 – устройство подготовки ВТЭ; 11 – насос; 12 – система подогрева ВТЭ; 13 – клапан, регулирующий подачу ВТЭ к котлу по давлению пара.

Алгоритмы управления выполняются цифровой системой управления, реализованной электронным блоком АСУ. Используются следующие сигналы о состоянии объекта управления: Сигналы с датчиков расхода воды и топлива, сигналы с датчиков гашения пламени, давления и температуры пара, NOx и CO.

Требования к системе подготовки ВТЭ, работающей в составе системы непрерывной оптимизации включают соответствие реального значения концентрации воды в ВТЭ заданному значению в моменты определения оптимальной концентрации. Требование надежности оговаривает допустимое значение перерегулирования при работе системы стабилизации концентрации воды в ВТЭ.

Повысить надежность работы системы оптимизации и точность установления концентрации при работе системы подготовки ВТЭ можно за счет использования промежуточных емкостей для накопления и расходования эмульсии к дизелю при этом исключаются периоды работы дизеля на эмульсии с концентрацией воды, определяемой переходными режимами системы подготовки ВТЭ при установлении новых значений концентрации воды.

Структурная схема, поясняющая принцип работы такой системы показана на рисунке 3. На схеме: 1 – регулятор расхода воды; 2 – датчик расхода топлива; 3 – датчик расхода воды; 4 – диспергатор-смеситель; 5, 7, 8, 10 – клапан; 6, 9 – емкость с уровнемером; 11 – датчик частоты вращения вала; 12 – датчик крутящего момента; 13 – датчик дымности; 14 – датчик NO; 15 – датчик CO; 16 – дизель; 17 – клапан переключения на штатную линию подачи топлива, системы управления; 18 – регулятор расхода воды;  19 – система управления, 20 –, 21 – клапаны регулирующие возврат эмульсии из наполненных емкостей на вход диспергатора. Для упрощения на схеме не показаны элементы осуществляющие перевод избытка ВТЭ с выхода топливной аппаратуры ДЭУ на вход диспергатора, насос создающий давление топливо-водной смеси на диспергатор и смеситель топлива и воды. Емкости промежуточного хранения эмульсии снабжены встроенными датчиками – сигнализаторами уровня – «наполнено – опустошено».

Рисунок 3 – Устройство подготовки водотопливной эмульсии и подачи ее к дизелю

Алгоритм работы предлагаемой системы предполагает противофазное наполнение – опустошение промежуточных емкостей и описан ниже.

1 До момента включения в работу СПВТЭ, ДЭУ работает на чистом топливе, поступающем по штатной линии – клапан 17 открыт, все остальные закрыты.

2 В момент включения СПВТЭ выполняют приготовление эмульсии – наполняют емкость 6 через открытый клапан 5. Регулирование концентрации осуществляется с помощью клапанов 1 и 18 и расходомеров 2 и 3.

3 В момент наполнения емкости 6 одновременно открываются клапан 7 подачи ВТЭ к ДЭУ из емкости 6 и клапан 8 наполнения ВТЭ емкости 9 и закрываются клапаны 5 наполнения ВТЭ емкости 6 и клапан 17 подачи топлива в штатную линию.

4 В момент наполнения емкости 9 клапаны 1 и 18 закрываются и открывается клапан 21 на циркуляцию эмульсии по замкнутому контуру из емкости 9 к диспергатору. Эта операция выполняется для предотвращения расслоения эмульсии за время расходования ВТЭ из другой емкости и для обеспечения непрерывности работы диспергатора.

5 В момент опустошения емкости 6 клапаны 10 и 5 одновременно открываются, а клапаны 7, 8 и 21 одновременно закрываются. Клапанами 18 и 1 осуществляется стабилизация концентрации эмульсии, наполняемой емкость 6 по показаниям датчиков расхода 2 и 3. В это время ДЭУ питается эмульсией из емкости 9, система автоматической оптимизации определяет обновленное значение концентрации воды в ВТЭ по показаниям датчиков 11, 12, 13, 14, 15 для следующего шага управления – наполнения емкости 6.

6 В момент наполнения емкости 6 клапаны 1 и 18 закрываются и открывается клапан 20 на циркуляцию эмульсии по замкнутому контуру из емкости 6 на вход диспергатора.

7 В момент опустошения емкости 9 клапаны 7 и 8 одновременно открываются, а клапаны 10, 5 и 20 одновременно закрываются. Клапанами 18 и 1 осуществляется стабилизация концентрации эмульсии, наполняемой емкость 9 по показаниям датчиков расхода 2 и 3. В это время ДЭУ питается эмульсией из емкости 6, система автоматической оптимизации определяет обновленное значение концентрации воды в ВТЭ для следующего шага управления – наполнения емкости 9.

8 Далее процесс повторяется с шага 4.

Временная диаграмма работы рассматриваемой системы при пошаговом увеличении концентрации показана на рисунке 4.

Рисунок 4 – Временная диаграмма работы СПВТЭ с двумя промежуточными емкостями

При проектировании двухемкостной системы подготовки ВТЭ, обеспечивающей дискретное изменение концентрации воды необходимо определить значения объемы промежуточных емкостей. Исходными данными при проектировании являются минимальная производительность диспергатора для его нормальной работы, время установления концентрации, минимальный расход топлива к потребителю 0,1 л/с, максимальный расход топлива к потребителю 0,3 л/с.

При работе системы выполняются следующие соотношения:

- время полного расходования эмульсии из наполненной емкости к потребителю должно быть меньше времени расслоения эмульсии на минимальных расходах;

- время наполнения пустой емкости должно быть больше времени установления концентрации;

- время одного цикла наполнения – расходования должно быть возможно минимальным для повышения быстродествия системы оптимизации, следовательно, объем промежуточной емкости должен быть как можно меньше;

- время расходования ВТЭ при максимальной производительности ДЭУ должно быть больше времени наполнения.

Объемы промежуточных емкостей составляют 18 л.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Экономический эффект складывается из экономии топлива и снижения содержания токсичных компонентов в продуктах сгорания ниже ПДК (связанные с этим штрафные санкции, простой оборудования из-за запрета использования контролирующих органов).

Экономия топлива при эксплуатации системы на главных судовых котлах в процессе подконтрольной эксплуатации составила около 10%. Расход топлива в сутки - 1000 л. Экономия топлива в сутки 100л. За навигацию экономия топлива при питании котлоагрегатов для одного судна составляет 180 000 литров. Количество эксплуатируемых пароходством судов более 80.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

- повышение экологической безопасности в сфере использования жидких углеводородных топлив. Внедрение системы обеспечивает максимально возможное снижение концентраций токсичных компонентов в продуктах сгорания при использовании ВТЭ для каждого объекта и режима  эксплуатации.

- повышение экономической эффективности использования ВТЭ. Внедрение системы позволяет обеспечить максимально возможное снижение удельного расхода топлива.

При проведении работ по внедрению систем подготовки ВТЭ на котельных агрегатах КВА 1/0,5, установленных на танкерах «Волгонефть» и «Нефтерудовоз» пароходства «Волготанкер», проводимых НТЦ «Надежность» СамГТУ были получены значения общей экономии топлива в два периода (весна, осень) подконтрольной эксплуатации – 9,48% и 7,66%.

Отсутствие системы оптимизации состава ВТЭ может привести к повышению содержания NO, CO, сажи и удельного расхода топлива на неноминальных и переходных режимах работы объектов применения.

Новые потребительские свойства продукции

- повышение точности и надежности систем подготовки ВТЭ. В данной системе измерения концентрации воды в ВТЭ осуществляются после наполнения эмульсией промежуточных емкостей. При этом исключаются ошибки расчета требуемого расхода воды, вызванные измеренными значениями концентрации в переходных процессах.
- расширение областей применения водотопливных эмульсий. Предлагаемая система позволяет распространить технологию применения ВТЭ на объекты, работающие длительное время в неустановившихся режимах, когда несоответствие фиксированных значений концентрации воды в ВТЭ оптимальным может приводить к останову энергетических установок.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам

Стадия и уровень разработки

Система подготовки ВТЭ с системой управления составом ВТЭ прошла этап экспериментального освоения и подконтрольной эксплуатации на котельных агрегатах танкеров «Волгонефть» и «Нефтерудовоз» пароходства Волготанкер (12 комплексов подготовки ВТЭ).

Предлагаемые инвестиции

5 млн. руб.

Рынки сбыта

В сферу объектов модернизации данной системой НТЦ «Надежность» СамГТУ попадали, в основном, котельные установки, работающие на дизельном топливе и используемые для подогрева нефтепродуктов. К ним относятся судовые котлы нефтеналивных танкеров, котельные установки для подогрева нефти на хранилищах Юго-Западтранснефтепродукт в селе Никольское. Котельные установки для нужд предприятия текстильной фабрики в городе Панагюрище (Болгария).

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология и оборудование для ее реализации не имеет аналогов на мировом рынке аналогичной продукции и услуг.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

23.07.2007