PROGRAM DO SYMULACJI EMISJI ZWIĄZKÓW TOKSYCZNYCH W SPALINACH SILNIKÓW GŁÓWNYCH STATKÓW NA PRZYKŁADZIE OBSZARU ZATOKI GDAŃSKIEJ

Transkrypt

1 Tomasz Kniaziewicz 1, Marcin Zacharewicz 2 PROGRAM DO SYMULACJI EMISJI ZWIĄZKÓW TOKSYCZNYCH W SPALINACH SILNIKÓW GŁÓWNYCH STATKÓW NA PRZYKŁADZIE OBSZARU ZATOKI GDAŃSKIEJ Wstęp Problem zanieczyszczenia powietrza w portach oraz w miejscach podejścia do portów jest o tyle istotny, że porty znajdują się W większości przypadków w pobliżu lub na terenie dużych miast, a ich ograniczony obszar powoduje dużą koncentrację jednostek na małym obszarze. Nie bez znaczenia pozostają również szeroko pojęte uwarunkowania eksploatacyjne. Do tych ostatnich zaliczyć można sposób użytkowania silników, częstość występowania i charakter przebiegu stanów ustalonych i nieustalonych oraz warunki zewnętrzne mające wpływ, na pracę silnika. Wpływ na toksyczność spalin mają również stosowane rodzaje paliwa i oleju smarowego. Czynniki determinujące emisję globalną substancji zawartych w spalinach silników okrętowych sklasyfikowano i szczegółowo opisano w [1, 2]. Proces modelowania emisji związków toksycznych (ZT) w spalinach silnika okrętowego, jest bardzo złożony i wymaga posiadania informacji, które można podzielić na cztery podstawowe grupy [9]: parametry jednostki długość, szerokość zanurzenie jednostki, stan techniczny układu napędowego, rodzaj napędu (w tym rodzaj i liczba silników), rodzaj i liczba śrub napędowych, itp.; parametry ruchu jednostki prędkość i kurs jednostki; warunki zewnętrzne siła i kierunek wiatru, temperatura powietrza i wody, ciśnienie atmosferyczne, wilgotność powietrza, stan morza; liczność jednostek z uwzględnieniem kategorii jednostek. Tworzone w Europie modele emisji ze środków transportu lądowego, ze względu na odmienność 1 dr inż. Tomasz Kniaziewicz Akademia Marynarki Wojennej 2 dr inż. Marin ZacharewicZ Akademia Marynarki Wojennej zarówno warunków hydrometeorologicznych jak i specyfikę eksploatacji jednostek pływających, nie mogą one zostać zastosowane do oceny emisji ze statków. Zaprezentowany w [3] model emisji związków toksycznych w spalinach silników okrętowych STEAM (ang. Ship Traffic Emission Assessment Model), bazuje na danych przesyłanych przez system AIS i na ich podstawie przeprowadzane są obliczenia wskaźników emisji związków szkodliwych w ich spalinach. Jednak i w tym modelu nie uniknięto założeń upraszczających, co może powodować, że wyznaczane wskaźniki emisji nie odzwierciedlą rzeczywistych wartości emisji. Teoretyczne podstawy określania oporów okrętu oraz mocy napędu głównego Aby był możliwy ruch jednostki pływającej konieczne jest dostarczenie odpowiedniej mocy śrubie napędowej przez silnik. Moc ta jest niezbędna do pokonania oporów ruchu statku, strat energetycznych pędnika, linii wałów, przekładni i sprzęgła. Ogólne równanie ruchu statku opisuje zależność 1 [4,5]. (1) gdzie: m masa statku, śrub i steru, m 11 masa wody towarzyszącej, R opór całkowity statku, T siła naporu wytworzona przez śrubę napędową, T siła ssania śruby. Opór całkowity statku R zależy od wielkości statku, jego prędkości oraz kształtu kadłuba. Poza wymienionymi czynnikami na wartość oporu wpływają również czynniki zewnętrzne, z których największy udział mają: falowanie morza, porastanie kadłuba, zmiany zanurzenia itp. 829

2 Można zatem stwierdzić, że wartość zapotrzebowanej mocy zależy przede wszystkim od wielkości statku oraz prędkości chwilowej. Wartość siły naporu T wytworzonej przez śrubę napędową zależy bezpośrednio od jej średnicy, kształtu geometrycznego, jej prędkości obrotowej oraz od prędkości statku. Wytworzony przez śrubę napór musi równoważyć całkowity opór statku R oraz siłę ssania śruby T, działającej na kadłub w kierunku przeciwnym do jego ruchu. W przypadku ruchu ustalonego (dv/dt=0) równanie (1) można zapisać jako : R + T = T (2) Siła oporu całkowitego okrętu R jest sumą sił oporów: tarcia R F, kształtu R FV, falowego R W i dodatkowego R D (3) Siła ta może być przedstawiona jako funkcja Ψ: prędkości chwilowa okrętu ν, długości kadłuba L, gęstości wody ρ, kinematycznego współczynnika lepkości wody υ, wektora M, charakteryzującego bezwładność okrętu, wektora A, zwierającego informacje o zmiennych oporach ruchu okrętu, związanych z akwenem pływania (głębokość wody, szerokość akwenu (kanały), itp.), wektora G, opisującego warunki otoczenia (np. ciśnienie i temperaturę otoczenia) oraz wektora O, opisującego warunki pływania (siła i kierunek wiatru, długość i wysokość fal, itp.) [2]. Ponieważ współczynniki oporów c F, c VP = f (Rn) oraz c W, c VP = f (Fn) do celów modelowania przyjęto, że wielkościami niezbędnymi do przeprowadzenia obliczeń dla danej kategorii jednostki żeglugi nieregularnej są wygenerowane wartości długości statku L oraz prędkości chwilowej ν. Opór całkowity kadłuba jednostki pływającej przedstawia równanie (4) Oporu falowego nie daje się wyznaczyć analitycznie. Teoretyczne metody wyznaczania oporu falowego okrętu opierają się na następujących założeniach [5,7]: - wodę uważa się za ciecz nielepką, - przepływ dookoła kadłuba uważa się za potencjalny, acykliczny. Powyższe założenia prowadza do nieliniowego zagadnienia brzegowego dla równania Laplace a w trzech wymiarach. Zadanie to daje się z trudem rozwiązać przy przyjęciu dalszych uproszczeń polegających na linearyzacji warunków brzegowych. Dla obliczanej jednostki pływającej moc holowania wyniesie (5) Chwilowa moc efektywna silnika napędowego wówczas osiągnie wartość wyrażoną równaniem: (6) Do obliczeń wartości współczynników sprawności przyjęto na podstawie literatury [4,5]. Program do symulacji emisji związków toksycznych w spalinach silników głównych statków pływających po określonym akwenie W celu realizacji symulacji ruchu statków po analizowanym obszarze oraz szacowania emisji związków szkodliwych w spalinach silników głównych w określonych przedziałach czasu, opracowano obliczeniowy program komputerowy MEFSAS (Model of Emission From Ships At Sea) [2]. Na rys. 1 przedstawiono przykładowe okno parametrów wejściowych do modelu (parametry jednostek), a na rys. 2 - okno wartości emisji związków toksycznych w spalinach w poszczególne dni tygodnia dla pierwszej kategorii statków (masowców) [2]. gdzie: 830 dla i=1,2,...,n - uśredniona wartość powierzchni zwilżonej obliczona przy użyciu n zależności, wygenerowana na podstawie danych statystycznych wartość prędkości jednostki, - opór powietrza wygenerowana na podstawie danych statystycznych;

3 Rys.1. Przykładowe okno parametrów wejściowych do matematycznego modelu szacowania emisji związków szkodliwych w spalinach silników głównych statków- MEFSAS (warunki hydrometeorologiczne) [2] Rys.2. Przykładowe okno przedstawiające obliczone za pomocą matematycznego modelu szacowania emisji związków szkodliwych w spalinach silników głównych statków - MEFSAS, wartości emisji związków toksycznych w spalinach w poszczególne dni tygodnia dla pierwszej kategorii statków (masowców) [2] Program komputerowy MEFSAS poza prezentacją wyników symulacji w formie tabelarycznej umożliwia ich wizualizację za pomocą wykresów słupkowych, co w znaczący sposób ułatwia ich analizę. Podstawowe opcje prezentacji wyników symulacji obejmują: Wykresy słupkowe z podziałem na typu jednostek(rys. 2). wykresy słupkowe wartości emisji związków toksycznych dla poszczególnych typów jednostek jako funkcję czasu, przedstawiane oddzielnie dla CO, HC i NOx (rys. 3), Rys. 3. Wykres przedstawiający zależność emisji NOx dla poszczególnych typów jednostek jako funkcji dnia tygodnia [8] Wszystkie wyniki prowadzonych za pomocą programu MEFSAS symulacji mogą być zapisane do pliku tekstowego, który może zostać poddany analizie statystycznej (w zakresie nie przewidzianym w czasie pisania programu) za pomocą praktycznie dowolnego narzędzia takiego jak: Statistica, Excel itp. (rys.4). Rys. 4. Widok tabeli z danymi uzyskanymi w wyniku symulacji komputerowej programu MEFSAS Dane zapisywane do pliku to [8]: dzień pojawienia się jednostki w akwenie, minuta zdarzenia (w odniesieniu do dnia), informacja, czy jednostka jest regularna, czy nieregularna, typ jednostki, kierunek wiatru, prędkość wiatru, temperatura powietrza, temperatura wody, ciśnienie atmosferyczne, wilgotność powietrza, długość jednostki, szerokość jednostki, zanurzenie jednostki, objętość podwodnej części kadłuba, wysokość jednostki, prędkość jednostki, wiek jednostki, rodzaj zastosowanego silnika napędu głównego (silnik dwu- lub czterosuwowy), moc zapotrzebowana silników głównych, prędkość wiatru w stosunku do kadłuba jednostki, kierunek wiatru w stosunku do kadłuba jednostki, emisja jednostkowa NOx dla danego rodzaju silnika, emisja jednostkowa CO dla danego rodzaju silnika, emisja jednostkowa HC dla danego rodzaju silnika, emisja NOx dla danego rodzaju silnika, emisja CO dla danego rodzaju silnika, emisja HC dla danego rodzaju silnika, 831

4 Na rysunku 5 przedstawiono algorytm, w oparciu o który realizowane są obliczenia programu MEFSAS. mapa analizowanego akwenu, na której animowany jest ruch jednostek, panel umożliwiający zmianę prędkości upływu czasu w zakresie od prędkości rzeczywistej 1:1 od prędkości tysiąckrotnie większej 1:1000, róża wiatrów, na której przedstawiany jest aktualny kierunek wiatru (aktualizacja kierunku wiatru następuje co 24 godziny symulacji, panel meteorologiczny, na którym zobrazowane zostały: data i czas symulacji, prędkość wiatru, temperatura powietrza, temperatura wody, ciśnienie atmosferyczne, wilgotność powietrza, stan morza. Rys. 6. Widok okna Mapa obrazującego ruch jednostek po zadanym akwenie Rys. 5. Algorytm, w oparciu o który realizowane są obliczenia programu MEFSAS Ostatnią opcją zakładki Mapa jest możliwość wyświetlenia szczegółowych parametrów każdej z aktualnie animowanych jednostek takich jak: rodzaj jednostki, długość, szerokość, zanurzenie, prędkość, trasa. Realizowane jest to po najechaniu kursorem myszy na ikonę symbolizującą poruszającą się jednostkę. Widok okna Mapa został pokazany na rysunku 6, natomiast panel przedstawiający podstawowe parametry ruchu jednostki został przedstawiony na rysunku 7. Inną funkcją programu komputerowego jest zobrazowanie prognozowanego ruchu jednostek po analizowanym akwenie. Zobrazowane zrealizowane jest w formie animacji ruchu jednostek przedstawionej na mapie wytypowanego akwenu. Na ekranie programu zatytułowanym Mapa znajdują się (rys. 6): 832

5 Wnioski Rys. 7. Podstawowe parametry ruchu jednostki pokazane w zakładce Mapa Ciągły rozwój transportu morskiego, przy stale rosnących wymaganiach dotyczących ochrony środowiska, wysokie koszty oraz problemy związane z pomiarem emisji związków szkodliwych w spalinach statków będących w podróży oraz brak wystarczająco dokładnych metod pośredniego określania poziomu emisji, były główną przyczyną podjęcia badań dotyczących modelowania procesów emisji spalin okrętowych silników spalinowych napędu głównego w warunkach eksploatacji morskiej [2]. Prowadzone obecnie na całym świecie badania dotyczące zanieczyszczania powietrza atmosferycznego, spowodowanego emisją związków szkodliwych z silników statków, oparte na uproszczonych danych wejściowych, nie mogą być wykorzystane do szacowania emisji w skali np. Morza Bałtyckiego czy Zatoki Gdańskiej, gdyż prowadzą do znacznego niedoszacowania wskaźników emisji, głównie z powodu niedostatecznego uszczegółowienia charakterystyk ruchu statków. Poza tym, znane modele emisji związków szkodliwych w spalinach silników okrętowych, służące przede wszystkim wspieraniu lokalnych i regionalnych badań modelowych dotyczących jakości powietrza, są modelami deterministycznymi, o różnym stopniu dokładności, który zależy od rozdzielczości przestrzennej alokacji emisji w określonym miejscu i czasie. Ponadto dokładność modelu zależy również w dużej mierze od ilości i jakości danych wejściowych, zdeterminowanej środkami finansowymi przeznaczonymi na utworzenie, realizację i kalibrację modelu [2]. Zaproponowany w pracy [2] matematyczny model emisji związków toksycznych, oparty o procesy stochastyczne, z wykorzystaniem Monte Carlo, pozwala na szybką analizę ruchu statków w określonym rejonie oraz obliczenie ze znaczną dokładnością natężenia emisji poszczególnych związków szkodliwych oraz ich masy w odniesieniu zarówno do jednej jednostki, jak i jednostek przebywających w rejonie przez określony okres czasu. Co więcej opracowany model, jako pierwszy, jest w pełni modelem predykcyjnym, a opracowany komputerowy program symulacyjny pozwala na analizę ruchu statków i natężenia emisji spalin w wybranym punkcie czasu, z uwzględnieniem odpowiadających temu punktowi warunków hydrometeorologicznych. Na podstawie modelu matematycznego opracowano program komputerowy pozwalający na rozwiązywanie jego równań. Wyniki pracy programu mogą zostać zapisane do postaci pliku zgodnego z programem Microsoft Excel, co pozwala na ich analizę niezależnym od opracowanego modelu oprogramowaniem. Ponadto możliwa jest wizualizacja wyników symulacji w postaci czytelnych wykresów przedstawiających: ilość jednostek znajdujących się na analizowanym akwenie w ciągu doby, z opcją podziału na typy jednostek, emisję poszczególnych związków toksycznych z podziałem na dni oraz na typy jednostek, sumaryczną emisję poszczególnych związków z wszystkich jednostek w każdym z dni symulacji. Inną funkcją programu jest zobrazowanie ruchu symulowanych jednostek na obszarze analizowanego akwenu w oparciu o wyniki przeprowadzonej symulacji. Funkcja ta bazuje na animacji ruchu jednostek naniesionych na mapę akwenu. Opracowany program symulacyjny jest otwarty na wszelkie modyfikacje związane ze specyfiką analizowanego zagadnienia, a poza tym jego uniwersalność pozwala bardzo szybko, po wprowadzeniu nowych danych wejściowych, zaimplementować go do dowolnego rejonu pływania statków. Streszczenie Prowadzone obecnie na całym świecie badania dotyczące zanieczyszczania atmosfery spowodowanej emisją związków szkodliwych z silników statków oparta jest na uproszczonych danych wejściowych. Istniejące bazy danych emisji związków szkodliwych w spalinach statków pływających w różnych rejonach świata, nie mogą być jednak wykorzystanie do szacowania emisji w mezo i mikroskali, np. Morza Bałtyckiego czy Zatoki Gdańskiej, gdyż prowadzą do nadmiernego uogólnienia wskaźników emisji, głównie z powodu braku wymaganego uszczegółowienia charakterystyk ruchu statków. Pierwszym zagadnieniem realizowanym w ramach projektu, którego jednym z efektów jest stworzenie narzędzia badawczego w postaci programu do symulacji emisji związków toksycznych w spalinach silników głównych statków pływających po określonym akwenie, było stwo- 833

6 rzenie bazy danych o ruchu statków w wybranym regionie morskim (np. Zatoka Gdańska). Dane pozyskano z systemu automatycznej identyfikacji statków (AIS). W stworzonej bazie, oprócz parametrów ruchu statków w analizowanym regionie morza, zebrano dostępne dane konstrukcyjno-eksploatacyjne tych statków taki jak: wymiary, wyporność, moc nominalna silników napędu głównego itp. Dane te, po odpowiedniej obróbce pozwoliły uzyskać tzw. uogólnione charakterystyki oporowe tych statków które stały się podstawą do określania mocy zapotrzebowanej przez śrubę w danych warunkach pływania. Informacja o mocy napędowej (chwilowej) jest niezbędna do określania charakterystyk emisji związków szkodliwych spalin. W rezultacie tak zakrojonych badań opracowano oryginalny program komputerowy MEFSAS (Model of Emissjion From Ships At Sea) pozwalające wyznaczać wartości mocy silników napędu śrubowego (a na ich podstawie charakterystyki emisji) zależnie od zmiennych ww. warunków pływania w stanach statycznychi dynamicznych. Abstract The conducted worldwide researches on air pollution caused by the emission of toxic substances from ship s engines are based on a simplified input parameters. Existing databases of emissions of toxic compounds in the exhaust vessels gases from different parts of the world, cannot be used to estimate emissions in meso and micro scale, eg. The Baltic Sea or the Gulf of Gdansk. Such procedure leads to excessive generalization of emission, primarily due to lack of the required detail characteristics of ship s traffic. The first issue carried out during the project realization, which one of final effects was to create a research tool in the form of a program to simulate the emission of toxic fumes generated by main engines of ships, was to create a database of vessel traffic in selected marine region (eg. The Gulf of Gdansk). The data was obtained from the Automatic Identification System (AIS). The created database, not only the parameters of vessel traffic in the analyzed region of the sea was collected, but also the available construction and operating data such as the size, displacement, nominal power for main engines, etc. These data, after appropriate treatment has produced so called thrust characteristics, which became the base for determining the requested power by the propeller including different shipping conditions. Information about the instantaneous requested power was necessary to determine the characteristics of emissions of toxic exhaust gases. As a result of researches the original computer program MEFSAS (Model of Emission From Ships At Sea) had been developed. Program allows to set the engine power in classic propeller driving unit (and on the basis of it the emission characteristics) depending on the different shipping conditions in the static and dynamic states. Literatura 1. Kniaziewicz, T., Piaseczny, L., Merkisz, J., Stochastic models of emission of toxic compounds in marine engines exhaust, Journal of POLISH CIMAC. Vol. 3, No. 1, p , Gdańsk, Kniaziewicz T., Modelowanie procesów emisji spalin okrętowych tłokowych silników spalinowych napędu głównego w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Zeszyty Naukowe AMW, 2013, nr 193A 3. Jalkanen J. P., Brink A., Kalli J., Pettersson H, Kukkonen J., Stipa T.: A modelling system for the exhaust emissions of marine traffic and its application in the Baltic Sea area, Atmospheric Chemistry and Physics, No.9, pp , Dec Chachulski K., Podstawy napędu okrętowego. Wydawnictwo Morskie, Gdańsk, Dudziak J., Teoria okrętu. Fundacja Promocji Przemysłu Okrętowego i Gospodarki Morskiej, Gdańsk, Report of Performance Committee, 15 th ITTC, Haga Pawłowski M., Raport techniczny nr 58, Opór okrętu, PRS, Gdańsk Piaseczny L. i inni., Metody wyznaczania statycznych i dynamicznych charakterystyk emisji związków toksycznych z silników spalinowych statków morskich. Sprawozdanie z projektu badawczego N , Gdynia Kniaziewicz T., Piaseczny L., Model symulacyjny emisji NO x podczas ruchu promu pasażerskosamochodowego. Postępy Nauki i Techniki Nr 15/2012, Lublin,