Технико-экономическая эффективность опреснения и выбор типа опреснительной установки на судне

Опреснительная установка на судне необходима для получения пресной воды за счет опреснения морской и целесообразность ее использования не вызывает никаких сомнений. Опреснители устанавливаются на судах любых типов. Однако далеко не всегда опреснительные установки оказываются подобранными наилучшим образом. Они либо недостаточно экономичны, а на судне в то же время не используются низкопотенциальные источники тепла, либо наоборот, неоправданно усложнены ради незначительной экономии в расходе топлива. Объясняется это в основном недостаточностью сведений по экономике опреснения в различных условиях эксплуатации судна и отсутствием единой методики определения экономичности.

Существующее положение наглядно характеризуется следующими крайними точками зрения. Одни авторы и организации, например ЦНИИМФ, считают необходимым добиваться предельно малых затрат тепла и топлива на опреснение, мало считаясь при этом со стоимостью самой опреснительной установки и ее эксплуатационными характеристиками (см. описание опреснительной установки с испарителями ИКВ-З9). Другие полагают, что коль скоро опреснение воды обходится значительно дешевле, чем ее транспортировка на борту судна, то различие в стоимости опреснения, определяемое типом опреснительной установки, существенного значения иметь не может, и потому можно выбирать опреснитель наиболее компактный и дешевый, хотя и не самый экономичный и не самый удобный в эксплуатации. Примером служит эксплуатация и продолжающаяся постройка испарителей ИВС-ЗК. Третьи, исходя из тех же предпосылок, считают важнейшим требованием обеспечение надежности и удобства в обслуживании.

Не меньшие различия и в подходе к назначению основных проектных характеристик опреснительных установок – числа опреснителей и их производительности. Не говоря даже о различии требований к нормам расхода опресненной воды, одни проектировщики считают достаточной такую производительность, при которой суточный расход воды покрывается за счет непрерывной работы опреснителя. Другие полагают, что опреснитель должен покрывать суточный расход воды за 8-12 ч своей работы. При этом он должен не только удовлетворять нормальную (текущую) потребность в воде, но и создавать необходимый запас на время стоянки в порту, а также иметь резерв производительности на случай повышенных утечек воды. Третьи считают, что в порту можно довольствоваться береговой водой, если она обходится дешевле опресненной.

Еще более сложные вопросы приходится решать в связи с проблемой водоснабжения рыбных промыслов, для которых характерны большая удаленность от портов, длительная работа судов без захода в порт и многообразие типов судов. Здесь встречаются и доставка воды танкерами, и опреснение непосредственно на промысловых судах (где условия для работы опреснителей отнюдь не всегда благоприятны), и снабжение промысловых судов водой, опресненной на обслуживающих их крупных плавбазах, и даже проекты специальных судов-опреснителей. Между тем на снабжение водой только промыслового флота затрачиваются сотни миллионов рублей ежегодно. Поэтому вопросы экономики опреснения заслуживают подробного рассмотрения. В соответствии с этим ниже излагается методика определения оптимальных экономических показателей опреснительных установок. Вопросы рационального назначения их технических характеристик изложены в п. «Выбор основных характеристик и типа опреснительной установки в зависимости от типа судна» ниже.

Методика определения оптимальных экономических показателей судовых водоопреснительныx установок

Для судовых опреснителей наиболее характерны две основные их особенности, определяющие экономические показатели:

• весьма высокая рентабельность при малых первоначальных затратах;
• относительно малая доля амортизационных отчислений в общей сумме затрат на эксплуатацию опреснителей (исключая утилизационные опреснители).

Уровень рентабельности опреснителей, отнесенный к их стоимости, на судах с рейсами от 3 до 10 тыс. миль составляет 300-900 %, тогда как для других видов внедряемого оборудования нормальной считается величина этого показателя 20-40 %.

Приведем в качестве примера данные по эксплуатации опреснительных установок на танкере типа «Варшава» и на промысловом судне типа БМРТ. Данные по этим типам судов достаточно показательны, и между ними находится диапазон остальных случаев использования опреснителей. Расчеты по определению экономических показателей приведены в табл. 1.

 
Таблица иллюстрирует два разных подхода к выбору типа опреснительной установки. На примере танкера «София» можно видеть, насколько велика разница между уровнем рентабельности, отнесенным к эксплуатационным затратам (2 500 % !), и этим же показателем, отнесенным к стоимости опреснительной установки.

Эта разница является прямым следствием того, что ради достижения возможно малых эксплуатационных расходов установка значительно усложнена. Идя по этому пути, можно добиться еще меньших эксплуатационных затрат и меньшей себестоимости, например, за счет применения компрессорного испарителя с малой степенью сжатия и приводом от дизеля, или многоступенчатого адиабатного испарителя, питающегося паром из отбора низкого давления. Первоначальные затраты при этом, естественно, возрастут.

Для опреснительной установки БМРТ в рассматриваемом примере характерно обратное соотношение. Здесь при относительно больших эксплуатационных затратах стоимость опреснительной установки мала. И тем не менее даже такой сравнительно неэкономичный и несовершенный опреснитель позволяет получить огромную прибыль.

Невольно возникает вопрос – какому из двух подходов следует отдать предпочтение? Что лучше – снижение эксплуатационных затрат и себестоимости, чего можно добиться только за счет увеличения первоначальных затрат Ввиду сравнительно большой доли затрат на топливо в себестоимости опресненной воды минимум этого показателя достигается лишь при весьма большой стоимости усложненной опреснительной установки (например, при 20-30 ступенях), что для судов нехарактерно.x, или получение наибольшей прибыли на каждый рубль капиталовложений?

Значение последней цели особенно возросло, однако это не исключает и стремления к снижению себестоимости, и противопоставлять эти цели неправомерно.

Рекомендуется к прочтению: Судовые водоопреснительные установки, виды и особенности эксплуатации

Но как найти разумное соотношение между себестоимостью (или эксплуатационными затратами) и капиталовложениями? Для рассматриваемого вида оборудования, играющего на судне вспомогательную роль, является единственно правильным установить это соотношение таким же, какое принято для энергетической установки в целом. В самом деле, было бы наивным добиваться всемерного снижения расхода топлива на опреснитель ценой его усложнения и удорожания, если в общем расходе топлива на энергетическую установку доля опреснителя не составляет и 0,5 %.

На танкерах типа «София» эта доля составляет лишь 0,2 %. И не менее наивно стремиться к максимальной прибыли на каждый рубль капиталовложений за счет опреснителя и добиваться уровня его рентабельности 900 %, если судно в целом, стоимость которого в двести раз больше, имеет уровень рентабельности не более 50 %. В этом случае, очевидно, есть смысл несколько усложнить опреснительные установки и повысить их экономичность, тем более, что pacxoд топлива на них составляет сейчас почти 25 % от pacxoдa на главный двигатель.

Таким образом, сформулируем отправные положения для предлагаемой методики.

Любые вспомогательные потребители тепла и топлива в составе энергетической установки целесообразно совершенствовать ради повышения их экономичности до тех пор, пока их стоимость, отнесенная к эксплуатационным затратам, не достигнет уровня, принятого для основного потребителя топлива (главного двигателя).

Данные по стоимости некоторых энергетических установок и величине годовых эксплуатационных paсходов приведены в табл. 2.

 
Содержание обслуживающего персонала для простоты не учитывается. На основании этих данных можно считать, что оправдана такая стоимость опреснительной установки и оборудования, снабжающего ее паром (теплом), которая превышает годовые эксплуатационные затраты не более чем в 5,5 ÷ 6 раз. И наоборот, достаточной можно считать такую экономичность опреснителя, при которой доля затрат на топливо не превышает 70 %, от общей суммы эксплуатационных затрат. При этой оценке к стоимости опреснительной установки должна быть отнесена и часть стоимости котла, пропорциональная доле потребляемого ею пара.

С этой точки зрения небезынтересно проанализировать тенденции в выборе типа опреснителя и схемы его включения на паротурбинных грузовых судах, характерные для 50-х и 60-х годов. В 50-х годах на этих судах широко применялись одноступенчатые вакуумные испарители, питающиеся паром из отбора низкого давления. Для удобства эксплуатации и удешевления установки утилизация вторичного пара не предусматривалась. При такой схеме (см. «Расчет потребления энергии на судовые опреснительные установкиОпределение расхода топлива на опреснительную установку») выход дистиллята на 1 т топлива составляет в среднем 40 т.

Примем для примера производительность такой установки также 40 т/сутки. Опреснитель в этом случае должен иметь суммарную поверхность испарителя и конденсатора, равную 41 м² (см. описание опреснителя «Скам» в «Конструкции судовых опреснителей и характеристики опреснительных установокВакуумные испарители паротурбинных судов»). Ориентировочная стоимость такого опреснителя составляет 10 тыс. руб.

 
Таким образом, эта схема обеспечивала экономичность меньше оптимальной: доля затрат на топливо в общей сумме эксплуатационных расходов составляла 82 % вместо оптимальных 45-70 %. Поэтому в 60-х годах на таких судах стали применять более экономичные двух- или трехступенчатые опреснители, включенные по той же схеме. На 1 т топлива достигается выход дистиллята около 60 т. Для этого случая в аналогичных условиях имеем:

 
Здесь доля расходов на топливо в общей сумме эксплуатационных затрат составляет 67 %, что является оптимальным значением для паротурбинных судов и позволяет добиться меньшей себестоимости опресненной воды.

Более подробно вопрос о числе ступеней адиабатного опреснителя и требуемой экономичности можно рассмотреть, только располагая данными по стоимости опреснителей.

Стоимость опреснителей

Определение стоимости опреснителей – одна из наиболее сложных проблем. До сих пор в литературе этот вопрос сколько-нибудь подробно не рассматривался. Между тем без данных о стоимости, точнее, о закономерностях изменения ее в зависимости от производительности, поверхности нагрева, числа ступеней, расхода тепла и других факторов, никакой экономический анализ невозможен. Была предпринята попытка систематизировать отдельные довольно скудные сведения и установить зависимость стоимости от важнейших показателей, характеризующих опреснитель.

Основной показатель, наиболее точно определяющий трудоемкость изготовления и расход материалов, а следовательно, и стоимость опреснителя, – величина его теплообменной поверхности. По данным Картера и Крейбилла, И. М. Миркиса и других стоимость теплообменников в составе опреснительной установки составляет 50-60 % от ее общей стоимости. Попытки оценить стоимость опреснителей по их весу приводят к весьма значительным расхождениям (в четыре раза и более), и потому такая оценка не может быть принята. Отнесенная к поверхности нагрева стоимость опреснителей одного и того же типа, изготовленных различными фирмами, различается не более чем на 25-40 %. Ожидать лучшего совпадения и не приходится, так как опреснители различных фирм различаются по:

• конструкции;
• составу;
• характеристикам насосов и приборов;
• использованным материалам и т. д.

Кроме того, большую роль играют масштабы и организация производства, технологичность конструкции, рыночная и социальная конъюнктура и некоторые другие факторы.

Более или менее систематизированные данные удается собрать лишь по утилизационным одноступенчатым опреснителям кипящего типа, поскольку они применяются достаточно широко.

Стоимость их, отнесенная к поверхности испарителя, приведена на рис. 1.

Строго говоря, стоимость опреснителя следует относить к суммарной поверхности испарителя и конденсатора, но данные по величине последней встречаются крайне редко, и, кроме того, в зависимости от расчетной температуры забортной воды заметно различаются.

Для оценки стоимости опреснительной установки можно принять поверхность испарителя на 1 т суточной производительности равной 0,85 ÷ 1 м² для Характеристики судовых глубоковакуумных вертикально-трубных испарителей морской водыглубоковакуумных опреснителей, а для опреснителей с умеренным вакуумом, соответствующим температуре испарения 50-70 °С, при паровом обогреве – около 0,35 ÷ 0,4 м².

Таким образом, глубоковакуумные опреснители в 2-2,5 раза более дорогие, чем опреснители с умеренным вакуумом той же производительности. Характер изменения стоимости в зависимости от величины поверхности нагрева для всех опреснителей рассматриваемого типа (одноступенчатых, кипящих) одинаковый. На основе этих данных с достаточной точностью можно считать, что стоимость одноступенчатых опреснителей одного и того же типа связана с их производительностью следующей зависимостью:

где:

• C₀ – стоимость опреснителя с поверхностью нагрева H₀ и производительностью W₀;
• C – искомая стоимость опреснителя производительностью W с поверхностью H.

Распределение стоимости по основным узлам опреснительной установки, иллюстрируется данными по утилизационным опреснителям «Брэби» в табл. 3.

 
Как видно из таблицы, даже при самой малой производительности (0,9 т/сутки) стоимость насосов, приборов и автоматики не превышает 37 % от стоимости всей установки. С увеличением производительности доля стоимости этого оборудования, естественно, уменьшается и при 20-30 т/сутки она составляет 12-15 %. Это подтверждает правомерность определения стоимости опреснителей по размерам их поверхности нагрева.

Сложнее определить стоимость многоступенчатых адиабатных опреснителей, так как публикации о них весьма немногочисленны. Однако учитывая, что основу стоимости этих опреснителей также составляют теплообменники типа конденсаторов, охлаждаемых морской водой, можно определить стоимость, отнесенную к поверхности, по аналогии с этими теплообменниками. На рис. 2 приведены данные по удельной стоимости теплообменников в соответствии с прейскурантами № 20-02 «Оптовые цены на судовые механизмы и оборудование» (1967 г.) и № 19-05 «Оптовые цены на котельно-турбинное вспомогательное оборудование» (1967 г.).

Все теплообменники, указанные в подписи к рис. 2, имеют трубки либо латунные, либо из сплава МНЖ-5. Как видно из графика, удельная стоимость этих теплообменников хорошо согласуется с общим законом ее изменения в зависимости от размера поверхности (линия I-I). В диапазоне от 2 до 200 м², представляющем наибольший интерес, она может быть выражена следующей формулой:

Однако так как конденсаторы опреснительных установок из соображений гигиены и долговечности должны иметь трубки из мельхиора, то удельную стоимость конденсаторов следует увеличивать в среднем на 20 руб/м² (линия II-II). С достаточной точностью в рассматриваемом диапазоне она может быть оценена из выражения:

Отсюда стоимость теплообменника с поверхностью H:

Принимая во внимание, что теплообменники составляют 50 % стоимости опреснительной установки, определим стоимость каждой ее ступени с поверхностью H₁:

Удельная стоимость ступеней опреснителя на рис. 2 дана линией III-III.

Для опреснителя с числом ступеней z получим полную его стоимость:

Членом z + 1 здесь учтено наличие подогревателя, поверхность которого для простоты принята равной поверхности конденсатора. Если конденсаторы различных ступеней неодинаковы по размерам, то в формулу подставляют среднее значение H₁. Величину поверхности каждой ступени H, можно найти по графику (рис. 3), где дана удельная поверхность (в м²) на 1 т/час производительности опреснителя в зависимости от числа ступеней и требуемого удельного расхода тепла.

График составлен для случая работы опреснителей с температурой воды перед первой ступенью 75-80 °С, обычной для судовых опреснителей рассматриваемого типа. Принято, что поверхности нагрева образованы трубками с наружным диаметром 16 мм, скорость воды в трубках 1,5 м/сек. Методика определения поверхности нагрева изложена в «Примеры расчета опреснительных установок на суднеРасчет многоступенчатого адиабатного опреснителя».

Определим для примера стоимость четырехступенчатого адиабатного опреснителя производительностью 50 т/сутки с удельным расходом тепла на 1 кг дистиллята 230 ккал.

По графику на рис. 3 находим, что удельная поверхность, соответствующая этому удельному расходу тепла, составляет 38 м² на 1 т часовой производительности.

Полная поверхность:

Поверхность каждого конденсатора:

Удельная стоимость такого конденсатора (по линии II-II, рис. 2) составляет:

Стоимость всего опреснителя:

Заметим, что в получаемую таким образом стоимость опреснительной установки не включены средства автоматизации. Их стоимость зависит прежде всего от уровня автоматизации и в значительно меньшей степени определяется производительностью и экономичностью опреснителя, которые в данном случае представляют наибольший интерес. Поэтому все последующие определения стоимости относятся к неавтоматизированным опреснителям.

При необходимости стоимость автоматики может быть найдена по прейскурантам и добавлена к расчетной стоимости опреснителя В опреснителях с автоматизированным поддержанием рабочего режима, но без автоматического пуска и остановки стоимость автоматики и приборов колеблется от 2 000-2 500 руб. при производительности 5-16 т/сутки до 5 000-6 000 руб. при производительности 250-300 т/сутки.x.

Предлагаемая методика приближенного определения стоимости предназначается только для сравнительной оценки опреснителей одного типа, но с разной экономичностью и при разной производительности, чтобы можно было проанализировать влияние требований к экономичности на величину амортизационных расходов.

Применительно к многоступенчатым опреснителям, в частности, к судовым опреснителям фирмы Вир и фирмы Бакли и Тэйлор, стоимость, определенная по этой методике, весьма близка к назначенной цене.

Анализируя стоимость адиабатных опреснителей, нельзя не обратить внимание на то, что она определяется не столько числом ступеней, сколько требуемым удельным расходом тепла. Последний зависит не только от числа ступеней, но и почти в той же степени от разности температур между паром и охлаждающей водой ∆t (см. рис. «Расчет потребления энергии на судовые опреснительные установкиУдельный расход тепла и выход дистиллята в многоступенчатых опреснительных установках»), которая в свою очередь определяется величиной удельной поверхности.

Удельный расход тепла, например 200 ккал/кг, достигается при восьми ступенях с общей удельной поверхностью 28 м²/(т·ч) и при 16 ступенях с поверхностью 22,5 м²/(т·ч) (см. рис. 3). Сказать заранее, при каком числе ступеней опреснитель будет дешевле, нельзя, так как при большом числе ступеней поверхность каждой ступени значительно уменьшается, а с уменьшением поверхности растет ее удельная стоимость. Например, при восьми ступенях поверхность первой ступени составляет 3,1 м², удельная стоимость поверхности 505 руб/м², а полная стоимость опреснителя:

При 16 ступенях поверхность каждой ступени составляет 1,32 м², удельная стоимость такой поверхности 750 руб/м², а полная стоимость опреснителя:

Этот результат связан с малой производительностью, при которой дробление поверхности нагрева на множество ступеней приводит к резкому увеличению их удельной стоимости. При большой производительности, когда поверхность каждой ступени достаточно велика, влияние дробления поверхности на ее стоимость менее заметно и поэтому при большем числе ступеней можно получить более дешевый опреснитель.

В судовых условиях, где производительность ограничена, наименьшая стоимость опреснителя получается при сравнительно малом числе ступеней. В качестве примера на рис. 4 приведена расчетная стоимость опреснителей с часовой производительностью 10 т, определенная по изложенной методике.

Как видно из рисунка, стоимость многоступенчатых опреснителей значительно зависит от требуемого удельного расхода тепла q, причем для каждого значения q можно указать следующее оптимальное число ступеней, при котором достигается наименьшая стоимость опреснителя:

 
При более высоких производительности и экономичности наивыгоднейшим может оказаться и большее число ступеней. Не случайно в опреснителе производительностью 600 т/сутки на п/х «Нозэрн Стар» с удельным расходом тепла около 100 ккал/кг принято 20 ступеней. Что касается стоимости котлов и вспомогательного котельного оборудования, которая должна быть отнесена к опреснительной установке, то она определяется без большой погрешности из расчета 3 000-3 500 руб. за 1 т часовой паропроизводительности (см. прейскурант № 20-02) для главных котлов и 4 000-4 500 руб. для вспомогательных судовых котлов производительностью от 2 до 15 т/ч.

Для малоэкономичных опреснителей, потребляющих относительно большое количество пара, учет стоимости котла заметно повышает первоначальные затраты, хотя и мало сказывается на себестоимости опресненной воды. Например, широко применяемая на судах советской постройки опреснительная установка с испарителем ИВС-3 стоит в соответствии с прейскурантом № 19-05 1965 г. приблизительно 3 300 руб. Паром она снабжается обычно от котлов KBC-30/1 или КВВА-2,5. В первом случае 1 т часовой производительности по прейскуранту № 20-02 1967 г. составляет 4 450 руб., во втором – 4 620 руб. Расход пара на испаритель ИВС-3 равен 540 кг/ч. Значит к стоимости опреснительной установки следует отнести часть стоимости котла, пропорциональную расходу пара, т. е. 0,54 · 4 450 = 2 400 руб. в первом случае и 2 480 руб. во втором. Таким образом, стоимость всего оборудования, необходимого для опреснения, составляет уже не 3 300, а 5 700 руб., т. е. увеличивается на 70-75 %. Себестоимость опресненной воды повышается в этом случае на 10 коп.

Если на опреснитель расходуется пар из отбора от турбины, к стоимости опреснителя должна быть отнесена доля стоимости котла, пропорциональная не видимому расходу пара на опреснитель, а приведенному с учетом редукционного коэффициента φ (методику определения φ см. «Расчет потребления энергии на судовые опреснительные установкиОпределение расхода топлива на опреснительную установку»).

В общем случае стоимость котла, отнесенная к опреснителю, выражается следующей зависимостью:

где:

• C_к и D_к – полная стоимость и паропроизводительность котла;
• D_опр – расход пара из отбора от турбины на опреснитель.

Учет стоимости котла в составе водоопреснительного оборудования принципиально важен для правильного выбора тепла опреснителя. Например, серьезным препятствием к широкому внедрению многоступенчатых адиабатных опреснителей считается более высокая их стоимость по сравнению с одноступенчатыми вакуумными. Однако если учитывать, что для последних необходим котел большей производительности и, следовательно, более дорогостоящий, нетрудно обнаружить, что на многоступенчатый опреснитель с котлом первоначальные затраты меньше, чем на одноступенчатый опреснитель с относящейся к нему стоимостью котла. Более детально этот вопрос рассмотрен в следующем пункте.

Размер амортизационных отчислений на опреснители устанавливается по обычным для судов нормативам, так как за все время службы судна (20 лет) опреснители замене не подлежат. В соответствии с действующими нормативами Госплана СССР, изданными в 1961 г., амортизационные отчисления на полное восстановление и капитальный ремонт должны составлять (в %):

• для морских сухогрузных судов 6,4;
• для морских танкеров 7,8;
• для рыбопромысловых судов 7,1.

Что касается расходов на текущий ремонт, то из-за отсутствия достаточных данных непосредственно по опреснителям в качестве временной ориентировочной величины можно принять 2 %. Эта рекомендация основана на том, что для паротурбинных установок, где характер ремонтных работ близок к таковому для опреснителей, ежегодные затраты на ремонт составляют 1,5 % от первоначальной стоимости энергетической установки.

Для дизельных установок, характеризующихся более быстрым износом основных рабочих узлов, расходы на ремонт принимают равными 3 % от первоначальной стоимости.

В среднем для всех типов судов амортизационные отчисления и затраты на ремонт можно принять 9,4 ÷ 9,5 % от начальной стоимости опреснительной установки и относящейся к ней стоимости котла.

Затраты на обслуживающий персонал для установок производительностью менее 200-300 т/сутки не учитываются, так как специального персонала для опреснителей не требуется и, если они не автоматизированы, то обслуживаются тем же вахтенным персоналом, который обслуживает главный двигатель или котельную установку.

Выбор основных характеристик и типа опреснительной установки в зависимости от типа судна

К числу основных характеристик опреснительной установки, выбираемых при проектировании судна или судовой энергетической установки, относятся:

• производительность;
• качество дистиллята;
• источник тепла;
• удельный расход тепла.

Остальные характеристики – вес, занимаемый объем, стоимость и другие – являются производными и определяются для принятого типа опреснителя на основании предыдущих данных.

Особого внимания требует выбор производительности опреснительной установки. В практике судостроения известно немало случаев, когда из-за неправильно назначенной производительности опреснителей судовладельцам приходилось нести значительные дополнительные расходы. Так, вследствие недостаточной производительности опреснителей на промысловых судах ежегодные расходы Министерства рыбного хозяйства на доставку воды в районы промысла превышают 10 млн. руб.

Производительность опреснительной установки назначают исходя из суточного расхода пресной воды. Как правило, она должна в 1,5-2 раза превышать суточный расход. Выбор величины этого превышения определяется следующими соображениями. Почти на всех судах за время нахождения судна в море опреснители должны создать запас воды, необходимый для стоянки в порту. Это обусловлено тем, что почти все опреснительные установки при правильном выборе их типа и источников тепла позволяют получать воду, себестоимость которой меньше или равна цене на водопроводную воду в портах. Во всяком случае себестоимость опресненной воды меньше, чем валютные затраты на покупку воды в иностранных портах (0,2 ÷ 1 доллар за 1 т воды).

Напомним, что себестоимость дистиллята от утилизационных опреснителей, которая определяется только размером амортизационных отчислений, не превышает 30 коп/т, так что дистиллят оказывается дешевле даже водопроводной воды.

На судах с паротурбинными установками себестоимость дистиллята правильно выбранных опреснителей (60-70 коп/т) также не превышает стоимости воды, принимаемой с портовых плавсредств (85 коп/т).

Эксплуатация опреснителей в пределах портовых акваторий нежелательна как по экономическим соображениям (в стояночном режиме себестоимость дистиллята доходит до 2,5 руб/т), так и по санитарным (в портах не гарантируется стерильность дистиллята, полученного в вакуумных опреснителях). Кроме того, портовые воды обычно загрязнены нефтепродуктами, канализационными стоками и, как правило, отличаются от морских повышенной жесткостью.

В некоторых странах, например в Англии, санитарные правила не разрешают эксплуатацию опреснителей в пределах 50-мильной прибрежной зоны. Использование опресненной воды имеет еще и то преимущество, что она отличается постоянством качества, в то время как береговая, особенно в южных портах, имеет высокую жесткость и состав ее сильно колеблется. Наконец, для котлов питательная вода во всяком случае должна быть дистиллированной.

Расход воды

По мере повышения уровня комфорта расход мытьевой воды быстро растет, так что расход, который считается достаточным сейчас, через 10 лет может не удовлетворить требованиям комфорта. Для иллюстрации этой тенденции приведена табл. 4 норм расхода мытьевой воды в военном и торговом флоте США в различные периоды.

 
Аналогично менялись и нормы расхода мытьевой воды на советских морских судах.

Для оценки уровня комфорта на судах приведем в качестве примера французский углерудовоз «Цетра Колумбия» дедвейтом 87 000 т, построенный в 1967 г. Каждый из 27 членов экипажа этого судна занимает просторную отдельную каюту с санузлом, ванной и душем. На судне имеется плавательный бассейн с подогревом воды, спортивный зал с душем и зимний сад. Высокий уровень комфорта предусмотрен также на советских танкерах типа «София». В этих условиях расход пресной воды на каждого члена экипажа составляет около 250 л/сутки. Естественно, подобный уровень комфорта достижим далеко не на всех судах. Там, где на каждого члена экипажа приходится один душ, а ванны только в каютах комсостава, как на судах постройки 50-х годов, расход воды составляет 150-200 л/чел. Нa судах постройки 40-х годов, где команда размещается в общих каютах по два-три человека, причем в каютах нет ни умывальников, ни душа, а предусмотрен лишь общий душ для команды и индивидуальный – для старшего комсостава, суточный расход составляет 100-120 л/чел в сутки.

В связи с этим при проектировании опреснительной установки должен непременно учитываться достижимый на судне уровень комфорта. Принимается во внимание также расход воды на энергетическую установку. На паротурбинных судах он должен составлять 1 ÷ 1,2 % от паропроизводительности котлов с паромеханическими форсунками и 0,35 ÷ 0,5 % при механических форсунках.

Для вспомогательных котлов, обслуживающих общесудовые системы, требования к размеру потерь пара и конденсата менее строги: нормальным считается расход добавочной воды на их подпитку, составляющий 2-3 % от паропроизводительности.

Отнесенный к мощности главных турбин расход добавочной воды на главные котлы составляет приблизительно 1 т на 1 000 л. с. в сутки. В нормальных условиях утечки несколько меньше, но производительность приходится назначать с учетом вероятности повышенного расхода питательной воды.

Расход воды на систему охлаждения судовых двигателей внутреннего сгорания (главных и вспомогательных) колеблется, в довольно широких пределах в зависимости от состояния холодильников. Ориентировочно он может быть назначен 0,2 т/сутки на 1 000 л. с.

Читайте также: Теория работы и типы опреснительных установок на судне

На некоторых судах появилась еще одна статья расхода опресненной воды – на санитарную систему. Насчитывается около двух десятков судов, где в санитарных системах используется пресная вода. С каждым годом число этих судов увеличивается. Благодаря применению пресной воды на все бытовые нужды исключается необходимость использования специальной системы забортной воды для санитарных нужд, которая требует применения дорогостоящих коррозионностойких материалов и арматуры, и изнашивается в большей мере, чем система пресной воды.

Упрощением систем и уменьшением количества трубопроводов, насосов и пневмоцистерн, достигаемым за счет использования опресненной воды в санузлах, с избытком компенсируется некоторое увеличение стоимости опреснителей, производительностью которых в этом случае увеличивается из расчета дополнительного расхода воды в количестве 30-50 л на человека в сутки.

Для грузовых теплоходов с утилизационными опреснителями экономическая целесообразность применения опресненной воды на все санитарные нужды очевидна, так как на опреснение воды топливо практически не затрачивается, а экономия на стоимости санитарной системы мытьевой воды вдвое превышает стоимость опреснителя, который вырабатывал бы дополнительное количество опресненной воды.

Для паротурбинных и иных судов, где нет отбросного тепла, подобное решение оправдывается только, когда опреснительная установка достаточно экономична и выход дистиллята составляет минимум 60-70 т на 1 т топлива. Поскольку на паротурбинных судах подобные опреснители стали основным типом, то и в этом случае нет препятствий к отказу от забортной воды для санитарных систем.

Первые суда с системами пресной воды на все санитарные нужды появились:

• в 1963 г. – американский паротурбинный танкер «Синклер Тексас»;
• в 1964 г. в Дании с подобной системой был построен сухогрузный теплоход «Андорра»;
• в 1965 г. в ФРГ – сухогрузный теплоход «Табора»;
• в 1965 г. в CША – серия из двенадцати сухогрузных паротурбинных судов типа «Луиза Лайкс» и др.

Характеристики этих судов и их опреснительных установок приведены в табл. 5.

 
На основании данных таблицы можно сделать вывод, что применение опресненной воды для всех санитарных нужд на сухогрузных судах и танкерах позволяет упростить эксплуатацию и снизить стоимость систем. Для пассажирских и рыбопромысловых судов с относительно большим расходом воды на санитарные нужды подобное решение потребовало бы слишком большой производительности опреснителей, и потому до сих пор ни на одном из судов этих двух классов не используется пресная вода в санитарных системах.

Для рыбопромысловых и рыбообрабатывающих судов должен быть учтен также расход пресной воды на технологические нужды. Конкретная его величина зависит от характера операций и особенностей используемого оборудования, и поэтому общих рекомендаций здесь привести невозможно. Для иллюстрации порядка величины укажем, что такая наиболее широко распространенная операция, как замораживание рыбы, требует расхода воды на глазирование брикетов и последующее их извлечение до 10 % от веса замораживаемой рыбы. Для судов типа БМРТ эта величина составляет 3-4 т в сутки.

Производительность опреснителей и их число

Зная суточный расход воды и наиболее вероятный тип опреснительной установки, ее производительность можно выбрать с учетом статистических данных. Проще всего этот вопрос решается для судов, где все потребности в опресненной воде можно удовлетворить за счет работы утилизационных опреснителей. Таковы все дизельные сухогрузные суда, углерудовозы, рефрижераторы и танкеры.

С учетом необходимости создания запаса воды на период стоянки в портах, нецелесообразности круглосуточной работы опреснителей (особенно в ночное время, когда на многих новых судах машинное отделение остается без вахтенного надзора) и отмеченной ранее тенденции к росту потребления опресненной воды, запас производительности опреснителя принимают 1,5 ÷ 2. В тех сравнительно редких случаях, когда производительность располагаемой модели опреснителя близка к ожидаемому суточному расходу воды, принимают два опреснителя.

В остальных случаях, как правило, ограничиваются одним, так как надежность опреснителей достаточно высока. Даже если опреснитель выйдет из строя, имеющийся на судне запас воды, рассчитанный на время пребывания в порту, достаточен для того, чтобы при ограниченном потреблении воды судно могло закончить рейс. Кроме того, почти на каждом судне имеется котел, так что при выходе из строя насосов опреснительной установки последнюю можно эксплуатировать с ограниченной нагрузкой в безвакуумном режиме. По этим соображениям установка двух утилизационных опреснителей на судах рассматриваемого типа – явление все более редкое. Примеры выбора производительности утилизационных опреснителей для дизельных сухогрузных судов и танкеров приведены в табл. 6.

 
Для паротурбинных сухогрузных судов и танкеров с учетом необходимости бесперебойного обеспечения котлов высококачественным дистиллятом обычно устанавливают два опреснителя, один из которых резервный. Однако, паротурбинные суда с одним опреснителем встречаются почти столь же часто, как и суда с двумя опреснителями (табл. 7).

 
Это свидетельствует о достаточно высокой надежности опреснителей, используемых на этих судах (обычно это двухступенчатые адиабатные опреснители).

Коэффициент загрузки работающего опреснителя близок к 0,5. Наибольшее его значение в таблице составляет 0,7. Двукратный (а при двух опреснителях четырехкратный) запас производительности здесь необходим для создания запаса дистиллята на период стоянки в порту и в случае повышенных утечек пара и конденсата – в цикле установки.

Экономичность, достигаемая при двухступенчатых опреснителях, питаемых паром из отбора низкого давления, вполне достаточна (см. п. «Методика определения оптимальных экономических показателей судовых водоопреснительныx установок» выше). Случаи применения трех- или четырехступенчатых опреснителей на судах рассматриваемых типов не отмечены. Не менее широко распространена и традиционная для паротурбинных судов схема утилизации вторичного пара одноступенчатых опреснителей в подогревателях главного конденсата. Она оправдана, однако, лишь при эффективных мерах борьбы с накипью, в частности, при использовании противонакипных присадок. При температуре испарения около 60 °С, необходимой для этих опреснителей по условиям утилизации вторичного пара, эффективны многие коллоидные и поверхностноактивные присадки, в частности, на основе конденсированных фосфатов, лигносульфонатов и дубителей.

Для работы в порту или на рейде предусматривается резервный опреснитель той же конструкции, охлаждаемый забортной водой.

Ввиду необходимости такого резервирования капитальные затраты оказываются не меньше, чем для одного многоступенчатого опреснителя, работающего без утилизации тепла вторичного пара и с меньшей скоростью образования накипи. Стоимость установки на первый взгляд могла бы быть снижена применением одного испарителя и двух конденсаторов, из которых один охлаждался бы главным конденсатом. Однако необходимость разветвления трубопровода вторичного пара и раздельное исполнение испарителя и конденсаторов приводят к тому, что не удается использовать наиболее дешевые и распространенные моноблочные опреснители. Между тем случаи применения дешевых утилизационных опреснителей, используемых при повышенных температурах испарения, на турбинных судах нередки. Таковы, в частности, известные опреснители «Атлас», конденсаторы которых на турбинных судах прокачиваются главным конденсатом.

Другой вариант упрощения опреснительной установки – применение моноблочного испарителя с конденсатором, охлаждаемым в зависимости от нагрузки турбины либо главным конденсатом, либо забортной водой. Основное препятствие к использованию этой схемы – большая вероятность засоления конденсата из-за пропусков арматуры и невозможность автоматической смены режима охлаждения. По первой из указанных причин эта схема практически нереальна.

Интересный путь упрощения схемы предложен и реализован фирмой Вир. В ее вакуумных моноблочных опреснителях, которые в основном варианте выполняются как утилизационные, верхняя крышка над конденсатором снабжена фланцем с заглушкой. Установив опреснитель на турбинное судно, присоединяют к фланцу паропровод к подогревателю главного конденсата и эксплуатируют один и тот же опреснитель без существенного усложнения в любом из двух режимов. Сравнительно малая распространенность этой схемы объясняется только тем, что случаи применения одного опреснителя для турбинной установки вообще редки, поскольку не считается оправданным риск засоления главных котлов.

Будет интересно: Расчет потребления энергии на судовые опреснительные установки

Для опреснителей турбинных судов, которые в большинстве случаев работают с заметным образованием накипи и непрерывно нарастающим тепловым сопротивлением, необходима регламентация понятия «номинальная производительность». Очевидно, что та производительность, которая достигается при чистых трубках и поминальных параметрах греющего пара и охлаждающей воды, не дает достаточного представления о том, обеспечит или не обеспечит опреснитель расход воды, необходимый в любой период эксплуатации судна на наиболее характерном режиме. Поэтому в ряде стран принято указывать на фирменной табличке в качестве номинальной ту производительность, которая при номинальных параметрах еще достижима к концу определенного достаточно большого периода работы опреснителя. Например, для опреснителей ВМФ США принято считать номинальной ту производительность, которую поставщик гарантирует в течение 90 суток непрерывной работы опреснителя без какой бы то ни было очистки.

При чистых трубках производительность оказывается значительно большей (в 1,5 ÷ 2 раза) и обычно ограничивается не условиями теплопередачи, а условиями сохранения чистоты вторичного пара и производительностью дистиллятного и рассольного насосов. Она сохраняет некоторое значение лишь постольку, поскольку может быть воспроизведена на стенде без длительных испытаний.

Для пассажирских судов выбор оптимальных характеристик опреснительной установки – достаточно серьезная задача, так как ее стоимость велика и она потребляет относительно большое количество топлива. Возможность утилизации тепла главных двигателей здесь ограничена, и поэтому основное количество воды вырабатывается многоступенчатыми адиабатными опреснителями, потребляющими свежий редуцированный пар или отбираемый от постоянно действующего парового турбогенератора, а на переходе – от главных турбин.

В отличие от предыдущих типов судов запас производительности здесь невелик, так как нет нужды создавать запас воды на период стоянки в порту: экономичность работы опреснителей почти не зависит от режима работы главных двигателей или турбин, кроме того, расход воды на стоянке в порту резко падает.

Эксплуатируются опреснители круглосуточно, а операции по их обслуживанию и очистке, требующие остановки, производятся во время стоянки в порту. Поэтому нет необходимости допускать низкий коэффициент загрузки (обычная его величина 0,75 ÷ 0,85).

Характеристики опреснительных установок на пассажирских судах приведены в табл. 8.

 
В связи с тем, что солесодержание воды, расходуемой на бытовые нужды, может быть сравнительно высоким (до 80 мг/л), а на котлы, требующие высококачественного дистиллята, расходуется относительно малое количество воды, на многих судах для этих целей предусмотрены разные опреснители. Благодаря этому удается упростить сепарационные устройства основных опреснителей, вырабатывающих мытьевую воду, и уменьшить габариты опреснителей.

Для дизельных пассажирских судов характерно сочетание утилизационных опреснителей, вырабатывающих до 40 % от общего количества воды, с многоступенчатыми, питающимися паром от вспомогательных котлов. Количество первых равно числу главных двигателей, количество вторых определяется ожидаемым расходом мытьевой воды и производительностью предложенных к установке опреснителей. Как правило, опреснители большой производительности являются уникальным или малосерийным оборудованием, и поэтому в некоторых случаях дешевле приобрести несколько готовых опреснителей малой производительности, чем заказывать один новый.

Немалое значение для пассажирского судна имеет и возможность размещения опреснителей в помещениях, которые не могут быть использованы по основному назначению судна. Обычно это помещения в нижней части судна, где крупный опреснитель разместить не удается. Поэтому даже на больших пассажирских судах производительность в одном агрегате редко превышает 300-340 т/сутки. Случаи установки опреснителей большей производительности единичны (на п/х «Нозэрн Стар» и «Ахилле Лауро» по 600 т/сутки).

Даже на крупных военных кораблях, где из-за большой численности экипажа (авианосец «Джон Кеннеди» – 5 222 человека) расход воды достигает 1 700 т/сутки, устанавливают по четыре-пять многоступенчатых опреснителей, каждый производительностью по 300-340 т/сутки. Принципы выбора типа опреснителей для пассажирских судов в полной мере применимы к китобазам и рыбопромысловым судам, т. е. к крупным судам, ведущим переработку рыбы (примером может служить рыбобаза «Восток») и к плавбазам, обслуживающим промысловые суда. Для таких судов также характерны ограниченная возможность утилизировать тепло главного двигателя и относительно большой расход воды на собственные и второстепенные нужды. Производительность опреснительных установок на этих судах находится в диапазоне от 100 т/сутки (транспортные рефрижераторы типа «Прибой») до 480 т/сутки (рыбобаза «Восток»). В этом диапазоне наиболее эффективно применение многоступенчатых адиабатных опреснителей.

Предлагается к прочтению: Конструкции судовых опреснителей и характеристики опреснительных установок

Ввиду многообразия факторов, которые должны быть учтены при выборе оптимального варианта сочетания опреснительной установки с циклом всей энергетической установки, этот вопрос является предметом самостоятельного исследования.

Методика же определения оптимальных характеристик – общая для опреснителей на любых судах. Проиллюстрируем ее на следующем примере. Предположим, что нужно подобрать опреснитель для судна с двигателем мощностью 6 000 л. с., где суточный расход воды составляет 260 т. Путем утилизации тепла главного двигателя можно получить 60 т воды в сутки. Недостающие 200 т придется восполнять за счет работы многоступенчатого опреснителя. Его производительность с учетом непостоянной работы утилизационного опреснителя примем с некоторым запасом 240 т/сутки. Пар на этот опреснитель можно использовать либо от вспомогательного котла, либо из отбора от вспомогательного турбогенератора, если таковой имеется на судне.

На транспортных дизельных судах турбогенераторы с отбором, как правило, не используются, и поэтому второй вариант можно рассматривать только применительно к рыбопромысловому судну или китобазе. Рассмотрим в связи с этим вариант питания опреснителя паром от вспомогательного котла. Каким же должен быть удельный расход тепла или пара на рассматриваемый опреснитель, чтобы получить достаточно низкую себестоимость при умеренных капитальных затратах?

Пользуясь методикой определения оптимальной себестоимости, изложенной в предыдущем пункте, найдем долю затрат на топливо в общей сумме эксплуатационных расходов. Расчет приведен в табл. 9 для случая работы опреснителя в течение 250 суток в году.

 
Как видно из таблицы, с увеличением числа ступеней и снижением удельного расхода тепла себестоимость опресненной воды снижается сравнительно медленно. Оптимальным для этих условий оказывается удельный расход тепла 120 ккал/кг, который достигается при 10-11 ступенях. Дальнейшее уменьшение удельного расхода тепла заметного снижения себестоимости не дает, но в то же время требует значительного увеличения первоначальных затрат.

Очевидно, что чем дешевле топливо или тепло, тем меньшее число ступеней и меньший удельный расход тепла могут быть оптимальными. Пример определения q_опт в случае, когда для опреснителя используется пар из отбора от турбогенератора, приведен в табл. 10.

 
Параметры пара перед турбогенератором приняты:

• p₀ = 40 ата;
• t₀ = 450 °C.

Давление в конденсаторе 0,08 ата. При давлении в точке отбора 1,5 ата получаем коэффициент качества отбора φ = 0,65 и редукционный коэффициент φ = 0,35. В соответствии с этим расходы на топливо и стоимость котла, отнесенные к опреснителю, должны быть уменьшены в:

Из этих данных можно заключить, что q_опт близко к 200 ккал/кг, соответствующее число ступеней z_опт, которое обеспечивает наименьшую стоимость опреснителя, при этом равно 6, а оптимальная себестоимость воды составляет около 37 коп/т.

Аналогичные расчеты при φ = 0,5, что соответствует отбору пара при рассматриваемом давлении с начальными параметрами около 15 ата и 350 °С, дают q_опт = 185 ккал/кг и z_опт = 7.

Очевидно также, что себестоимость и оптимальный удельный расход тепла должны увеличиваться по мере уменьшения числа рабочих дней в году. В табл. 11 приведен расчет оптимальной себестоимости для случая, когда тот же опреснитель, потребляющий пар из отбора при φ = 0,35, работает 150 дней в году и вырабатывает 36 000 т воды.

 
Здесь оптимальное соотношение между расходами на топливо и амортизацию достигается при q_опт = 250 ккал/кг и z_опт = 5.

Это позволяет заключить, что экономические характеристики пятиступенчатого опреснителя для рыбобазы «Восток» (см. «Конструкции судовых опреснителей и характеристики опреснительных установокВакуумные испарители паротурбинных судов»), рассчитанного на питание паром из отбора от турбогенератора, достаточно близки к оптимальным.

Аналогично можно подобрать наилучшие экономические характеристики для любого опреснителя.