REMARKS UPON ADEQUACY OF CONDITIONS OF ISO 8178 EMISSION TESTS WITH REGARDS TO REAL OPERATION CONDITIONS OF MARINE ENGINES

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 15, No REMARKS UPON ADEQUACY OF CONDITIONS OF ISO 8178 EMISSION TESTS WITH REGARDS TO REAL OPERATION CONDITIONS OF MARINE ENGINES Andrzej Balcerski Politechnika Gdaska, Wydzia Mechaniczny ul. Narutowicza 11/12, Gdask tel.: , fax.: jkropiwn@pg.gda.pl Jacek Kropiwnicki Gdask University of Technology, Mechanical Engineering Faculty Narutowicza Street 11/12, Gdask tel.: , fax.: jkropiwn@pg.gda.pl Abstract General characterisation of NO x research tests of vessel units has been presented in this paper. Estimation of difficulties of research cycles realization for main engines, which drive fixed pitch propellers during sea acceptance trials have been presented, as well as remarks upon adequacy of loads recommended by specific tests for loads, which occur during operation of different type ships. These opinions refer to the two issues: the possibility of the performance of the tests of installed engines on the ship, the conformability of the loads of engines, enforced by tests cycles with the loads of engines in the different applications, occurring during a real exploitation. The main and auxiliary engines with various design, size and the character of work are subjected to tests for the non automobile engines, defined within the framework of general of 11. a phase test carrying out on the engine test stands and defined by the rule ISO For each cycle of tests the rule defines the position of the performance points in the relative values coordinate system: the engine load (rotary torque or power on shaft) and rotational speed. In each of these points the measurements of emission in the conditions of established performance are carried out. For the calculation of total emission, the weight coefficients (scales) given for these points are taken into consideration. Among 14. tests defined by the ISO 8178 rule, with respect to the engines working on the floating units 7 tests can be applied, from what till 5 (E1-E5) to the main engines. Next, the rules of the International Marine Organization (IMO) and Polish Ships Register refer to the CI ship's engines, power above 13 kw and they encompass signified tests C1, D2, E2, E3. Keywords: NO x research tests, marine engines, operation conditions UWAGI O ADEKWATNOCI WARUNKÓW TESTÓW EMISYJNYCH ISO 8178 W ODNIESIENIU DO RZECZYWISTYCH WARUNKÓW EKSPLOATACJI SILNIKÓW OKRTOWYCH Streszczenie W referacie przedstawiono ogóln charakterystyk testów badawczych NO x silników jednostek pywajcych, ocen trudnoci realizacji cykli badawczych silników gównych napdzajcych rub o skoku ustalonym podczas morskich prób zdawczych a take uwagi i ocen adekwatnoci obcie zalecanych poszczególnymi testami w stosunku do obcie wystpujcych podczas eksploatacji statków rónych typów. Oceny te odnosz si do dwóch zagadnie: moliwoci przeprowadzenia testów silników zainstalowanych na statku, zgodnoci obcie silników, narzuconych cyklami prób z obcieniami silników o rónych zastosowaniach, wystpujcymi podczas rzeczywistej eksploatacji. Silniki gówne i pomocnicze o zrónicowanej budowie, wielkoci i charakterze pracy podlegaj testom dla silników nie-samochodowych, okrelonym w ramach ogólnego 11. fazowego testu przeprowadzanego na hamowniach i podanego norm ISO Dla kadego cyklu prób norma okrela pooenie punktów pracy w ukadzie wartoci

2 A. Balcerski, J. Kropiwnicki wzgldnych: obcienie silnika (moment obrotowy lub moc na wale) i prdko obrotowa. W kadym z tych punktów wykonuje si pomiary emisji w warunkach pracy ustalonej. Celem obliczenia emisji cakowitej uwzgldnia si podane dla tych punktów wspóczynniki wagowe (wagi). Sporód 14. testów okrelonych norm ISO 8178, w odniesieniu do silników pracujcych na jednostkach pywajcych moe by stosowanych 7 testów, z czego a 5 (E1-E5) do silników gównych. Z kolei przepisy Midzynarodowej Organizacji Morskiej (IMO) oraz Polskiego Rejestru Statków odnosz si do silników okrtowych ZS, mocy powyej 13 kw i obejmuj testy oznaczone C1, D2, E2, E3 Sowa kluczowe: cykle badawcze NO x, silniki okrtowe, warunki eksploatacji 1. Wprowadzenie W referacie zawarto prób oceny wymaga okrelajcych cykle prób (testy emisyjne NO x ) silników stosowanych na statkach z uwzgldnieniem rzeczywistych warunków eksploatacji jednostek pywajcych. Oceny te odnosz si do dwóch zagadnie: - moliwoci przeprowadzenia testów silników zainstalowanych na statku, - zgodnoci obcie silników, narzuconych cyklami prób z obcieniami silników o rónych zastosowaniach, wystpujcymi podczas rzeczywistej eksploatacji. Silniki gówne i pomocnicze o zrónicowanej budowie, wielkoci i charakterze pracy podlegaj testom dla silników niesamochodowych, okrelonym w ramach ogólnego 11. fazowego testu przeprowadzanego na hamowniach i podanego norm ISO 8178 [3-4]. Dla kadego cyklu prób norma okrela pooenie punktów pracy w ukadzie wartoci wzgldnych: obcienie silnika (moment obrotowy lub moc na wale) i prdko obrotowa. W kadym z tych punktów wykonuje si pomiary emisji w warunkach pracy ustalonej. Celem obliczenia emisji cakowitej uwzgldnia si podane dla tych punktów wspóczynniki wagowe (wagi). Sporód 14. testów okrelonych norm ISO 8178, w odniesieniu do silników pracujcych na jednostkach pywajcych moe by stosowanych 7 testów, z czego a 5 (E1-E5) do silników gównych. Z kolei przepisy Midzynarodowej Organizacji Morskiej (IMO) oraz Polskiego Rejestru Statków odnosz si do silników okrtowych ZS, mocy powyej 13 kw i obejmuj testy oznaczone C1, D2, E2, E3 [4-6]. Charakterystyki wymienionych testów zawarto w Tab Omawiane testy s w zalenoci od rodzaju silnika i jego zastosowania zalecane: - cykl prób C1 - dla silników pomocniczych pracujcych przy n = var, np. silników napdzajcych oddzielne pompy, - cykl prób D2 - dla silników pomocniczych pracujcych przy n = idem, np. silników napdzajcych prdnice prdu przemiennego, - cykl prób E1 - dla silników ZS pracujcych przy n = var, na statkach o dugoci < 24 m, z wyczeniem holowników i pchaczy, - cykl prób E2 - dla silników ZS, przeznaczonych do napdu gównego statków pracujcych przy n = idem, obejmujcych ukady napdowe spalinowo-elektryczne oraz ukady ze rub o skoku nastawnym, - cykl prób E3 - dla silników ZS pracujcych na statkach po krzywej rubowej, gównych i pomocniczych, - cykl prób E4 - dla silników ZI na jednostkach pywajcych (odziach rekreacyjnych), o dugoci < 24 m, pracujcych po krzywej rubowej, - cykl prób E5 - dla silników ZS, pracujcych na statkach o dugoci < 24 m, z wyczeniem holowników i pchaczy, cykl ten moe by stosowany równorzdnie z cyklem E1. 2. Uwagi o moliwociach przeprowadzenia bada emisyjnych okrtowych silników napdu gównego zainstalowanych na statkach W ogólnym przypadku norma ISO 8178 dopuszcza badania silników zarówno na stanowiskach prób (hamowniach) jak i w miejscach ich zainstalowania. Ogranicza si to do takich zastosowa silników, dla których moliwa jest praca z takimi samymi cyklami badawczymi jak na stanowiskach. W przypadku silników okrtowych napdu gównego, szczególnie wolnoobrotowych, pracujcych 24

3 Remarks Upon Adequacy of Conditions of ISO 8178 Emission Tests with Regards to Real Operation Conditions... w ukadach napdowych ze rub o skoku ustalonym, istnieje szczególna sytuacja. Ukady takie wystpuj na ok. 7% eksploatowanych i budowanych statkach towarowych. Szczegóowe ucilenie zalece i warunków odbywania prób silników okrtowych, podane w Kodeksie Technicznym NO x [5] i przepisowej publikacji PRS [6] okrelaj, e pomiary emisji NO x mog by przeprowadzone: - na stanowisku prób w ramach przegldu wstpnego. W uzasadnionych przypadkach przegld ten moe by przeprowadzony po zamontowaniu silnika na statku, ale przed rozpoczciem jego eksploatacji, - na statku w ramach poczonego przegldu wstpnego i zasadniczego zgodnego z wymaganiami prób zdawczych, - w ramach uproszczonej metody pomiaru na statku przy okresowych przegldach, - przez bezporedni pomiar na statku przez Armatora. Tab. 1 Parametry pracy i wartoci wspóczynników wagowych dla cykli prób, w których obcienie silników o zastosowaniach okrtowych okrela moment obrotowy [4-6] Tab. 1 Operation parameters and weight factors for trials, when marine engine loads are defined by torque [4-6] Oznaczenie cyklu Faza Charakt Moment obrot. % Prdko obrot. Nominalna Porednia Biegu luzem C1 Pojazdy pozadrogowe,15,15,15,1,1,1,1,15 D2 Praca przy n=idem,5,25,3,3,1 E1,8,11,19,32,3 Zastosowania morskie E2,2,5,15,15 Tab. 2 Parametry pracy i wartoci wspóczynników wagowych dla cykli prób, w których obcienie silników napdu gównego w zastosowaniach morskich okrela moc zmieniana po krzywej rubowej [5-6] Tab. 2 Operation parameters and weight factors for trials, when loads of marine main engines are defined by power depended on propeller curve [5-6] Oznaczenie cyklu Charakt. Faza Moc % E3 Prdko obrot. % Wsp. wagowy,2,5,15,15 Moc % E4 Prdko obrot. % 1 71,6 46,5 25,3 Biegu luzem Wsp. wagowy,6,14,15,25,4 Moc % E5 Prdko obrot. % Biegu luzem Wsp. wagowy,8,13,17,32,3 25

4 A. Balcerski, J. Kropiwnicki Istotnym problemem, wystpujcym w odniesieniu do omawianych silników zamontowanych na statkach, jest moliwo prawidowej realizacji cyklu badawczego E3 w sensie usytuowania wymaganych punktów pomiarów. Podczas eksploatacji statku pywajcego z adunkiem w rónych warunkach pogodowych, punkty pracy rozkadaj si w taki sposób, i ich cz sytuuje si na krzywej rubowej przechodzcej przez punkt parametrów nominalnych (MCR). Umoliwia to dokonywanie pomiarów emisyjnych zgodnie z zaoonym cyklem, cho mog wystpi trudnoci przy maych obcieniach silnika (Rys. 1). 9 8 MCR 7 6 N [kw] n [obr/min] Rys. 1. Parametry pracy silnika gównego Sulzer 5RTA58 o mocy 795 kw na kontenerowcu,,nordisle zgodnie z zapisem automatycznego rejestratora [2] Fig. 1. Operation parameters of main engine Sulzer 5RTA58, power 795 kw on containership,,nordisle due to automatic registration [2] Odmiennie wyglda sytuacja w przypadkach koniecznoci przeprowadzenia bada silnika na statku przed rozpoczciem jego eksploatacji. W takich przypadkach odpowiednie pomiary mog by przeprowadzone tylko podczas morskich prób zdawczych. Statek bez adunku pywa wówczas przy stosunkowo niewielkim zanurzeniu z zapenionymi zbiornikami balastowymi. Wynikaj z tego okrelone konsekwencje (Rys. 2). 1 MCR N % ~18% n % Rys. 2. Krzywe rubowe przy rónych warunkach zewntrznych pywania: 1-przechodzca przez punkt parametrów nominalnych, podana w cyklu pomiarowym E3, 2-pywanie pod balastem podczas prób morskich, 3-cikie warunki Fig. 2. Propeller curves for different exterior driving conditions: 1-MCR point included, given in measuring cycle E3, 2-ship in ballast, during sea acceptance trial, 3-heavy conditions 26

5 Remarks Upon Adequacy of Conditions of ISO 8178 Emission Tests with Regards to Real Operation Conditions... Krzywa rubowa: N k, (1) 3 n okrela teoretyczn zaleno mocy zapotrzebowanej przez rub i pokrywanej przez silnik gówny (N ) od prdkoci obrotowej (n ). Parametr k ujmuje wpyw warunków pywania: lekkich (krzywa 2) i cikich (krzywa 3). Ksztat krzywej 2 wynika z koniecznoci wykazania moliwoci pracy silnika gównego z moc nominaln w czasie prób zdawczych. Zwizane to jest wówczas z dopuszczeniem przez producentów silników wolnoobrotowych pracy z prdkoci obrotow n ~ 18 %. Z rysunku wyranie wida, e pooenie punktów pomiarowych na krzywej 2 musiaoby odbiega od pokazanych zgodnie z cyklem na krzywej 1. Norma ISO 8178 i publikacje PRS nie mówi o konsekwencjach tej sytuacji. 3. Uwagi o zgodnoci rozkadów obcie silników, zalecanych cyklami prób a rozkadami wystpujcymi podczas eksploatacji Porównania warunków pracy silników okrelonych danymi cykli prób z warunkami wystpujcymi podczas eksploatacji mona dokona przez zestawienie parametrów odpowiednich rozkadów. W przypadku najwaniejszych cykli E2 i E3, zalecany nimi rozkad odpowiednich obcie i wspóczynników wagowych (odpowiadajcych prawdopodobiestwu ich zaistnienia), pokazano na Rys p [-] N SN Rys. 3. Histogram rozkadów obcie silników gównych jednostek pywajcych pracujcych w cikich warunkach E2 (przy n idem ) i E3 (po krzywej rubowej) [4-6] Fig. 3. Histogram of distribution of marine main engine loads for heavy conditions E2 (upon n idem ) and E3 (due to propeller curve) [4-6] Na Rys. 4 pokazano przykadowe histogramy rozkadu obcie silnika gównego na rónych typach statków i przy rónych stanach eksploatacji [1-3]. Dla celów porównawczych okrelano parametry charakteryzujce rozkady: r r N - rednie wzgldne obcienie silnika: N nom N (2) - wspóczynnik zmiennoci rozkadu obcie silnika gównego: r N gdzie: nom N, - obcienie silnika gównego odpowiednio: rednie i nominalne, r N - odchylenie standardowe rozkadu obcie. 27

6 A. Balcerski, J. Kropiwnicki Odpowiednie dane porównawcze przedstawiono w Tab. 3. a).6 b).3.5 Czsto.2.1 Czsto N N c) d).2 2 Czsto.1 Liczba obserwacji N Moc gównych zespoów prdotwórczych [kw] Rys. 4 Histogramy rozkadu obcie silników gównych [1-3]: a) kontenerowiec Nordisle, pywanie swobodne, b) trawler-przetwórnia B-414 Pollux, pywanie swobodne, c) baza rybacka Rybackaja Slava,praca na owisku, d) pogbiarka In. St. gowski, prace pogbiarskie Fig. 4 Histograms of distribution of main engine loads [1-3]: a) container Nordisle, without restraints driving, b) trawler- processing plant B-414 Pollux, without restraints driving, c) fishing base Rybackaja Slava, running on a sea fishery, d) deepener-ship In. St. gowski, deepening running Tab. 3 Parametry rozkadów obcie silników gównych na jednostakch pywajcych i cykli badawczych [1-3] Tab. 3 Parameters of distribution of marine main engine loads and research cycles [1-3] Typ statku Liczba statków Rodzaj ukadu napdowego Stan eksploatacji Parametry rozkadu r N Drobnicowce 7 bezporedni, n = var pywanie swobodne,838,129 Masowce 8 bezporedni, n = var pywanie swobodne,824,79 Promy i con-ro 3 bezporedni i przekadniowe pywanie swobodne,775,216 Kontenerowce 7 bezp, i przekadniowe z prdnic zawieszon pywanie swobodne,81,13 Trawlery bezp,, przekadniowe, pywanie swobodne,63 -,88,7 -,15 17 przetwórnie spal, - elektryczne praca na owisku,6 -,68,14 -,25 Bazy rybackie 6 bezporedni, n = var pywanie swobodne,812,165 praca na owisku,465,637 Pogbiarki 5 spalinowo - elektryczne, przekadniowe mech, prace pogbiarskie,376,25 Cykle prób E2 i E3 bez okrelenia,688,342 28

7 Remarks Upon Adequacy of Conditions of ISO 8178 Emission Tests with Regards to Real Operation Conditions... Zamieszczone wyej dane wskazuj, e obcienia zalecane cyklami E2 i E3 mog by dobrym urednieniem wartoci obcie osiganych przez silniki na jednostakch rónych typów, pywajcych w rónych stanach eksploatacji. W odniesieniu do dyklu D2 stsowanego w przypadku siników pomocniczych, napdzajcych prdnice prdu przemiennego i tworzcych elektrowni okrtow, odpowiadnie histogramy rozkadu obcie ( N SP ) pokazano na Rys p [-].2.1 N SP Rys. 5 Histogram rozkadu obcie silników pomocniczych pracujcych przy n SP = idem [4-6] Fig. 5 Histogram of distribution of auxiliary engine loads upon n SP = idem [4-6] Obliczone dla tego rozkadu (analogicznie jak z zal. 2) parametry wynosz: N SP, 472 SP,528 Elektrownie okrtowe projektowane s przy wykorzystaniu prognozy zapotrzebowania na energi elektryczn, stwarzanego przez wszystkie odbiorniki (kilkaset szt.), pracujce w danym stanie eksplotacji. Zapotrzegowanie to pokrywaj zespoy prdotwórcze, dobierane w taki sposób (jeden lub kilka, jednakowe bd róne) aby w najwaniejszych stanach eksploatacji ich silniki pracoway ze rednim obcieniem w przedziale N SP,6, 85. Obcienia nisze ni,6 s niekorzystne ze wzgldu na wzrost jednoskowego zuycia paliwa, za wysze ni,85 mog przy nagym wzrocie obcienia doprowadzi do przecienia i zatrzymamia silnika. Nietrafno doboru elektrowni, gównie wielkoci zespoów (~1% projektów), a take nie przestrzeganie zasad eksplotacji, skutkuj w pewnych przypadkach dugotrwa prac przy nie zalecanych obcieniach. Takim typowym przypadkiem jest dugotrway stan gdy silnik jednego zespou pracuje z obcieniem N SP ~, 95, które po uruchomieniu drugiego identycznego spada do N SP ~,47. Uwzgldniajc powysze wywody mona stwierdzi, e dla zdecydowanej wikszoci zespoów prdotwórczych, prawidowo dobranych i eksploatowanych na komercyjnych jednostkach pywajcych, rozkad obcie podany cyklem D2 charakteryzuj: zbyt niskie rednie obcienie i zbyt duy wspóczynnik zmiennoci. Cykle prób E1, E4 i E5 okrelaj odpowiednie rozkady obcie, których histogramy pokazano na Rys. 6. Cykle te przewidziane dla silników gównych mniejszych jednostek rekreacyjnych, turystycznych, obsugowych i in. charakteryzuj si malejcymi wspóczynnikami wagowymi przy wzrocie obcie. Oznacza to dugie okresy czasu pywania ze zmniejszonymi prdkociami. Jedyn wtpliwo budz bardzo due udziay pracy silników przy biegu jaowym. Jest to sprzeczne z ogóln zasad, e statek przynosi dochód wtedy gdy pynie. Praca silnika z N wymagaaby instalowania sprzgie rozcznych, poniewa kada obracajca si ruba napdowa wymaga dostarczania pewnej mocy. ruba o skoku ustalonym ma zapotrzebowanie r 29

8 A. Balcerski, J. Kropiwnicki moc zgodne z krzyw rubow, za o skoku nastawnym, pracujca przy n=idem i ustawiona na nom skok zerowego naporu zapotrzebowuje ~,25 N. p [-] p [-] p [-].4 E1.4 E4.4 E N N N Rys. 6. Histogramy rozkadu obcie silników pracujcych przy cyklach prób: E1, E4 i E5 [4-6] Fig. 6. Histograms of distribution of engine loads upon tests: E1, E4 i E5 [4-6] Literatura [1] Balcerski, A., (kier. proj.), Raport: Badania identyfikacyjne rzeczywistych warunków pracy maszyn i urzdze siowni rónych typów morskich jednostek pywajcych. Proj. KBN 9S64697, Politechnika Gdaska Wydzia Mechaniczny, Gdask [2] Balcerski, A., Modele probabilistyczne w teorii projektowania i eksploatacji siowni okrtowych. Fundacja Promocji Przemysu Okrtowego i Gospodarki Morskiej, Gdask 27. [3] Bocheski, D., (kier. proj.), Baza danych Draga. Badania identyfikacyjne energochonnoci i parametrów urabiania oraz transportu urobku na wybranych typach pogbiarek i refulerów. Proj. KBN 9T12C1718, Politechnika Gdaska Wydzia Oceanotechniki i Okrtownictwa, Gdask 2. [4] Norma ISO [5] Zacznik do VI Konwencji Marpol 73/78. Przepisy o zapobieganiu zanieczyszczaniu powietrza przez statki oraz Kodeks Techniczny NO x. IMO, Polski Rejestr Statków, Gdask 2. [6] Okrtowe silniki spalinowe, Kontrola emisji tlenków azotu. 26. Przepisy Polski Rejestr Statków publ. Nr 69/P, Gdask 26. 3