Топливная система судовой дизельной установки и процесс топливообработки

Обработка топлива – это процесс подготовки топлива для использования в двигателе. Он включает в себя ряд операций, таких как очистка, фильтрация, регулирование концентрации и установку элементов управления.

Целью топливообработки является улучшение работы двигателя, снижение уровня загрязнения и увеличение эффективности расхода топлива.

Топливная система

Назначение топливной системы – обеспечивать исполнение следующих технологических процедур:

• прием и хранение топлива на судне;
• предварительная обработка топлива, включающая его подогрев, отстаивание, сепарирование и фильтрацию;
• подача топлива к дизелям и котлу.

Принципиальная схема представлена на рис. 1.

Рис. 1 Система тяжелого топлива (рекомендации CIMAC).
LA – реле уровня (H – верхнего, L – нижнего); TS – терморегулятор; Р1 – датчик давления; FM – расходомер; VC – вискозиметр

Прием топлива на судно в процессе бункеровки осуществляется через расположенный на палубе приемный патрубок, снабженный устройством для отбора пробы. Танки запаса обычно располагаются в двойном дне. Число свободных танков должно быть достаточным для того, чтобы избежать смешивания бункеруемого топлива с принятым ранее топливом и тем самым исключить возможные явления потери стабильности и несовместимости топлив.

Для хранения топлив высокой вязкости и с высокой температурой застывания желательно использовать танки, расположенные в поперечной плоскости судна, имеющие значительно меньшую поверхность соприкосновения с водой и обшивкой корпуса судна. Все танки двойного дна, предназначенные для тяжелого топлива, должны быть оборудованы змеевиками парового обогрева, который необходим для поддержания температуры топлива, по крайней мере, на 10 °С выше температуры, обеспечивающей вязкость, достаточную для перекачивания. Следует избегать поддержания в танках более высоких температур, равно как и их бросков, так как это вызывает интенсивное шламообразование, образование углеродных отложений на греющих поверхностях. Кроме того, возможен неоправданный расход энергии. Во избежание обводнения топлива следует избегать использования топливных танков под балласт. Необходимо также следить за состоянием змеевиков обогрева (отсутствием в них свищей).

Прием топлива на судно осуществляется через клапан 1. Чтобы предотвратить застывание топлива в трубопроводах, последние оборудуют паровыми или электрическими спутниками. Топливоперекачивающие насосы (5) – обычно винтового типа. Во избежание повреждения перед ними устанавливают фильтры грубой очистки с размерами ячеи 0,5…0,3 м. Клапанная коробка (6) обеспечивает возможность переключения с одного танка на другой. Насосами (5) топливо подается в отстойную цистерну (2), оборудованную змеевиком парового подогрева и датчикам и верхнего и нижнего уровней. Из отстойной цистерны топливо направляется к насосам (4), подогревателям (7) и сепаратором. Шлам из сепараторов поступает в цистерну (9), а цистерна (10) служит для сбора отходов топлива или их сжигания в инсинераторе. Очищенное топливо поступает в расходную цистерну (3), также оборудованную паровым обогревателем, спуском отстоя и датчиком нижнего уровня.

Во избежание переполнения в цистерне предусмотрена переливная труба, ведущая в отстойную цистерну. Из расходной цистерны топливо поступает к трехходовому крану (11), с помощью которого предоставляется возможность переключаться с тяжелого топлива на дизельное и наоборот. Далее топливо направляется к подкачивающим насосам (12), служащим для поднятия давления в системе до 0,4…0,5 МПа. Это необходимо, так как с ростом давления поднимается температура кипения топлива, что, в свою очередь, позволяет избежать вскипания топлива в контуре циркуляции при его нагревании перед двигателем до температуры 150 °С.

При вскипании, а оно происходит при атмосферном давлении, неизбежно интенсивное паро- и газообразование, вызывающее нарушения в работе цикруляционных насосов (14), в частности, их кавитационные повреждения. Одновременно происходит потеря, вместе с газами, легких фракций. Этим объясняется то, что на судах новой постройки, на которых предусматривается работа двигателей на топливах с вязкостью выше 180 сСт, наличие подкачивающих насосов является обязательным. От насосов (12) топливо направляется в смесительную цистерну (13), в которой, при переходе с одного вида топлива на другой, происходит их смешивание, при котором обеспечивается мягкий переход с легкого холодного топлива на горячее тяжелое и наоборот.

Нужно иметь в виду, что, если бы имел место резкий переход, то могло бы произойти заклинивание плунжерных пар топливных насосов.

За цистерной установлены циркуляционные насосы (14), подогреватель с вискозиметром (15), фильтры тонкой очистки (16) и главный двигатель (17). Возврат топлива от двигателя осуществляется в цистерну (13) или расходную цистерну (3). Наличие контура рециркуляции “смесительная цистерна – циркуляционные насосы – подогреватель – фильтр – дизель – цистерна” обеспечивает прокачку в нем горячего топлива при кратковременной остановке двигателя во избежание его застывания в трубах. Это необходимо, так как при прекращении подачи топлива к дизелю или существенном сокращении его поступления прекратится и его подогрев, а это уже приведет к росту вязкости топлива и следующим возможным последствиям:

• ухудшению пусковых свойств дизеля;
• повреждению ТНВД и их привода.

Циркуляционные насосы (14) останавливают лишь при длительной стоянке, но тогда система топливоподачи должна быть предварительно освобождена от тяжелого топлива путем предварительного (перед остановкой) переключения на Дизельное топливо и его эксплуатационные свойствадизельное топливо. При этом, однако, надо иметь в виду, что при смешивании в циркуляционной цистерне дизельного и тяжелого топлива (а этого не избежать в первый период после переключения) возможна утрата стабильности смеси, обусловленная несовместимостью топлив. Это может вызвать лако- и нагарообразование в топливной аппаратуре, задиры прецизионных элементов, плохое сгорание топлива и загрязнение выпускного тракта.

При отсутствии смесительной цистерны и системы рециркуляции переводить дизель с одного сорта топлива на другой следует осторожно, предварительно снизив нагрузку до 75 % от полной нагрузки, по возможности сблизив температуры топлив.

Эксплуатация топливной системы должна сводиться к выполнению следующих мероприятий:

1. Поддержание требуемых температур топлива в танках запаса и в трубопроводах на всем пути следования топлива к двигателям.
2. Контроль за уровнем топлива в отстойных и расходных цистернах, периодический выпуск из них отстоя.
3. Контроль за чистотой фильтров (путем контроля перепада давления на них).
4. Контроль за работой сепараторов, предотвращающий переполнение грязевого пространства и появление воды в очищенном топливе. Выходящее из сепаратора топливо рекомендуется периодически брать на анализ.

Топливообработка

Рассмотренные ранее свойства топлив можно разделить на следующие три группы:

1. Свойства, которые оказывают существенное влияние на работу двигателя, но которые невозможно изменить путем обработки топлива на судне, это могут быть:
   • содержание коксового остатка,
   • серы и ванадия,
   • самовоспламеняемость топлива.
2. Свойства существенные для двигателя, но которые можно изменить, произведя эффективную топливообработку (контролируя наличие в топливе морской воды, наличие химических примесей, в том числе алюмосиликатов).
3. Свойства, несущественные для двигателя, но имеющие большое значение для работы системы топливообработки и топливной системы в целом:
   • вязкость,
   • плотность,
   • стабильность и совместимость,
   • температуры вспышки и застывания.

В задачи системы топливоподготовки должно входить снижение показателей, перечисленных в п. 2 до уровней, приемлимых для эксплуатации двигателя. Основываясь на опыте эксплуатации, рекомендуется содержание морской воды в топливе перед двигателем поддерживать на уровне, не превышающем 0,5 %. В этом случае отложение солей Na на лопатках газовой турбины будут не столь существенны. При таком уровне содержания воды, однако, не исключена вероятность развития коррозии прецизионных элементов топливной аппаратуры. Чтобы избежать последнего, желательно верхний предел содержания воды в топливе снизить до значения 0,3 %. Более высокие значения допустимы, если вода находится в виде мелкодисперсной эмульсии. В этом случае оболочка из асфальтосмолистых соединений топлива, образующихся вокруг глобул воды, защищает металл от непосредственного контакта с водой.

Для механических примесей неорганического происхождения, оказывающих абразивное воздействие, допустимый предел лежит на уровне 25…50 ppm. Если выделить из них алюмосиликаты, то содержание таких примесей легче всего оценить по содержанию Al. Это последнее желательно сохранить на уровне 5…10 ppm. При этом, общее содержание каталитических элементов будет выше указанного уровня. Важно также, чтобы размеры частиц не превышали 3 мкм.

Традиционные способы топливообработки состоят в очистке топлив от воды и механических примесей путем использования:

• гравитационных сил (отстаивание),
• центробежных сил (центрифугирование в сепараторах),
• полупроницаемых материалов (фильтрование).

Отстаивание топлива

На механические частицы и глобулы воды, находящиеся в топливе, действуют гравитационная сила (сила тяжести) и выталкивающая (архимедова) сила, направленная вверх – в сторону, противоположную действию силы тяжести. При превышении силы тяжести частицы выпадают в осадок, происходит отстаивание, позволяющее в известной степени очистить топливо от загрязняющих его примесей.

Если допустить, что осаждение происходит с постоянной скоростью, то ее величина может быть определена из следующего уравнения:

H=d2(cч–cж)g18м            Форм. 1

Если высота осаждения есть L, то время падения частицы от верхнего уровня до днища танка составит следующую величину:

t=LH=10Lмd2 (cч–cж)                Форм. 2

где:

• μ – динамическая вязкость;
• d – диаметр частицы;
• ρ – плотность;
• g – ускорение силы тяжести.

Из формулы 2 следует, что отстаивание топлива будет происходить тем быстрее, чем меньше вязкость топлива и чем больше размер частицы (d2), а также разность плотностей материала частицы и топлива.

Выводы:

1. Наиболее эффективно происходит отстаивание мало- и средневязких топлив.
2. Чем больше вязкость и плотность топлива, тем процесс отстаивания происходит медленнее и хуже.
3. Дать убыстрения процесса отстаивания рекомендуется понижать вязкость и плотность топлива путем повышения температуры в отстойной цистерне, по крайней мере до значений 50…55 °С, но не доходя до температуры вспышки на 15 °С.
4. Во избежание образования конвективных токов, которые способны препятствовать процессу осаждения, режим подогрева в цистерне должен быть стабильным и не сопровождаться резкими колебаниями температур.
5. Большинство тяжелых топлив содержат в значительных количествах асфальто-смолистые соединения, обладающие высоким поверхностным натяжением, способствующим образованию стойких водотопливных эмульсий. Вода в этих случаях не выпадает в осадок, и очистка топлива от воды становится весьма проблематичной. Рекомендуется прибегать к использованию антиэмульгирующих присадок или отказаться от удаления воды и сжигать эмульсию в двигателе, применяя гомогенизацию или неоднократные прокачки топлива по замкнутому контуру (с целью добиться мелкодисперсного состояния композиции: размеры глобул не должны превышать 15…20 мкм).

В целях обеспечения надежности эксплуатации отстойной цистерны, она должна быть оборудована:

• датчиками тревожной сигнализации по верхнему и нижнему предельным уровням,
• датчиком максимально допустимой температуры подогрева и показывающим термометром.

Сепарирование

Сепарирование топлив, также как и процедура их отстаивания, основано на использовании факта различия плотностей топлива и загрязняющих его примесей. Эффективность работы сепараторов, однако, существенно выше эффективности работы систем отстаивания, так как в них в качестве разделяющих используются центробежные силы, по величине на много порядков (в 15 тыс. раз) превышающие гравитационные.

Наибольшее распространение в настоящее время получили сепараторы дискового типа, производимые фирмами Альфа-Лаваль, Вестфалия и Мицубиси. Тенденции к сокращению ручного труда по Техническое обслуживание судового дизеляобслуживанию силовых установок судов, к максимальной автоматизации процессов управления работой судовых механизмов привели к появлению новых версий сепарационных установок, в которых рутинный и неблагодарный ручной труд, связанный с очисткой и промывкой грязевого пространства барабана и пакета дисков, полностью исключен. Разгрузка барабана такого сепаратора происходит либо автоматически, по мере его заполнения, либо через заданные интервалы времени.

В сепараторы топливо поступает из отстойной цистерны, получив предварительный нагрев в паровом или электрическом подогревателе до температур, обеспечивающих вязкость менее 40 сСт. Температура выше 98 °С недопустима, поскольку такой нагрев может привести к интенсивному испарению воды и нарушению водяного затвора сепаратора. Во избежание деградации топлива, выражающееся в образовании на греющих поверхностях углеродистых отложений, затрудняющий процесс теплоподачи, температура не должна превышать 170 °С. Подогретое топливо поступает в сепаратор сверху через патрубок 1 (рис. 2), далее оно под действием напора движется по центральному каналу в нижнюю часть барабана (10), приводимого во вращение электродвигателем посредством вала (9).

Рис. 2 Центробежный сепаратор топлива “Альфакс” фирмы Альфа-Лаваль

В барабане топливо приводится во вращение и, по мере продвижения от периферии к оси вращения по узким щелям, образованным между тарелками (6), скорость движения топлива увеличивается и приходит в соответствие с частотой вращения барабана. В щели между тарелками топливо попадает через отверстие в разделительном диске (8) и аналогичные отверстия в тарелках. В зависимости от размеров сепаратора, число тарелок составляет от 50 до 150 единиц, а зазор между ними в целях сокращения пути осаждения сокращен до 0,5…0,6 мм.

При этом на некоторую частицу загрязняющих примесей массой m, движущуюся вместе с топливом в зазоре между тарелками (рис. 3, а), действует сила увлекающего потока Q2 и центробежная сила Pц. Сумарная сила R2 вырывает частицу из потока и прижимает ее к внутренней поверхности вышерасположенной тарелки в точке 2.

Рис. 3 Силы, действующие на частицу (механическая примесь), движущуюся в потоке топлива в зазоре между тарелками сепаратора

Как видно из рис. 3 а, положение точки 2 близко к верхнему краю тарелки. Соответственно, существует опасность того, что частица будет увлечена потоком чистого топлива, движущимся между тарелками в направлении оси вращения, и покинет сепаратор вместе с ним. Чтобы повысить эффективность процесса очистки и избежать описанного выше явления, необходимо уменьшить силу потока до величины Q2, суммарная сила при этом займет положение силы R1.

Уменьшения силы потока Q можно достигнуть сокращением подачи топлива в сепаратор и снижением его вязкости – путем повышения температуры. Сокращение пропускной способности сепаратора приводит к уменьшению скорости движения топлива в сепараторе и увеличению времени его пребывания в нем, что также благоприятно отражается на качестве очистки.

Частица загрязнения, вырванная из потока топлива, прижимается к внутренней поверхности вышерасположенной тарелки. Здесь (положение 1) на нее продолжает действовать центробежная сила Pц (рис. 3, б), которая может быть разложена на силу P1 прижимающую частицу к тарелке, и силу P2, под действием которой частица скользит по внутренней поверхности тарелки в сторону грязевого барабана. Скольжению частиц примесей и самоочистке тарелок способствует также степень гладкости их поверхностей. Чтобы избежать коррозии тарелки современных сепараторов изготавливают из нержавеющей стали, в сепараторах старых выпусков они были просто стальными с луженой поверхностью, что, конечно, снижало их долговечность.

Топливо, прошедшее сепарацию, поднимается вверх внутри пакета тарелок и выходит из сепаратора через патрубок (2) (рис. 2). При работе сепаратора в режиме пурификации (очистка от воды и механических примесей) отсепарированная вода отбрасывается к периферии барабана, где создает водяной затвор (7), а излишнее ее количество поднимается вверх над пакетом тарелок и, минуя напорный (4) и гравитационный (5) диски, выходит из сепаратора через патрубок (3).

Граница раздела водяного затвора с топливом (11) должна располагаться у внешней кромки тарелок и ни в коем случае не проходить по распределительным отверстиям или правее от них. В первом случае будет наблюдаться торможение потока топлива на входе в тарелки, что приводит к резкому ухудшению сепарации, а во втором – в зону очищенного топлива будет поступать вода.

Эффективность сепарации повышается, если поверхность раздела отодвигается влево от отверстий, так как при этом увеличивается эффективная поверхность тарелок. Однако, в этом случае растет опасность исчезновения (разрыва) водяного затвора и, как следствие, утечка топлива к водоотводному патрубку (3). Для создания водяного затвора в сепаратор по каналу (12) подводят воду, которая служит также для промывки барабана при его разгрузке. Обычно водяной затвор пополняется за счет воды, сепарируемой из топлива. Для поддержания равновесного положения между количествами воды, отбираемой из топлива (поступающей в зону гидравлического затвора) и уходящей из него, на выходе установлен гравитационный диск (5). Поскольку давление на границе раздела топлива с водой, а, значит, и положение границы зависят от плотности топлива, размеры диска подбирают в соответствии с ней.

Неправильно подобранный диск может вызвать смещение поверхности раздела “топливо – вода” и нарушение эффективности сепарации.

Необходимость регулирования положения водяного затвора путем подбора гравитационного диска в новых моделях сепараторов “Алькап” (фирма Альфа-Лаваль) и “Секутрол” (Вестфалия) полностью исключена, так как в них осуществлен полный контроль за выходящим из сепаратора топливом и при появлении в нем воды в количестве более 0,2 % автоматически увеличивается проходное сечение клапана, уменьшается также сопротивление на выходе воды из барабана. Расход воды из сепаратора возрастает, граница раздела смещается к стенке барабана (рис. 2) влево, захват воды топливом прекращается, и клапан приходит в исходное положение.

С утяжелением топлив и увеличением их плотности возникла серьезная технологическая проблема: как следует организовать сепарацию воды от топлива, если разность их плотностей сводится до нуля или даже становится отрицательной?

Как известно, плотность современных и перспективных топлив может достигать величин 990…1 000 кг/м3 и более. Плотность пресной воды при 20 °С составляет 1 000 кг/м3 и лишь плотность морской воды лежит в пределах 1 000…1 013 кг/м3. С увеличением температуры плотность нефтепродуктов уменьшается быстрее, чем это происходит с плотностью воды, поэтому соответствующая разность только возрастает. Опыт свидетельствует о том, что при сепарации вода активно отделяется от топлива, если упомянутая выше разность достигает по крайней мере значения 30 кг/м3. Этот необходимый минимум обеспечивается для всех топлив, плотность которых лежит ниже 991 кг/м3. Таким образом, d = 991 кг/м3 представляет собой верхний предел плотности топлива, при которой еще возможно отделение пресной воды. Сепарация морской воды возможна и от более тяжелых топлив.

В процессе очистки топлива грязь и шлам скапливаются внутри барабана, и по мере его заполнения (во избежание нарушения сепарации) барабан следует очищать. В современных сепараторах очистка осуществляется автоматически, с периодичностью 2…4 часа при сепарации топлива вязкостью 120…380 мм2/с. Для более вязких топлив, содержащих большое количество механических примесей, интервал времени между разгрузками не должен превышать 1…2 ч. В противном случае переполнение барабана может привести к прекращению очистки топлива, и неочищенное топливо пойдет в расходную цистерну.

Иногда барабан переполняется даже при достаточно кратких интервалах между разгрузками. Это происходит при сепарации обводненного топлива, образующего с водой стойкую эмульсию содержание которой в шламе, скапливающемся в барабане, может достигать 80 %. В этой ситуации надо стремиться избегать “перемалывания” топлива насосами и обеспечить наиболее эффективное его отстаивание в отстойных цистернах.

В режиме кларификации сепаратор работает без водяного затвора, выход воды из сепаратора перекрывается, и топливо очищается лишь от механических примесей. Обычно кларификатор, устанавливаемый последовательно с пурификатором, служит второй ступенью очистки.

Опыт показывает, что при последовательной работе сепараторов основная очистка осуществляется в пурификаторе (до 70 % примесей отбирается в нем) и до 10 % приходится на долю кларификатора. Таким образом, роль кларификатора сводится к удалению из топлива оставшихся в нем более мелких частиц механических примесей и роли “сторожа” на случай прорыва механических загрязнений через пурификатор.

При работе на тяжелых остаточных топливах, получаемых компаундированием остатков каталитического крекинга и висбрекинга с керосино-газойлевыми фракциями, сепарацию рекомендуется проводить в следующем режиме: два параллельно работающих на малой производительности пурификатора с последовательно включенным кларификатором.

Эффективность очистки в этом варианте достигает 80-90 %, в то время как в варианте “пурификатор-кларификатор” она составляет только 70 %.

Проблемы

1. Проблемы сепарации. У топлив с плотностью, приближающейся к 990 кг/м3, возникают проблемы с сепарацией воды. Причина их – исчезновение технологически потребной разности плотностей топлива и воды.
2. Забивание грязевого пространства сепараторов. Образование стойких водо-топливных эмульсий в тяжелых крекинг-топливах приводит к забиванию грязевого пространства сепараторов и большому шламообразованию.
3. Абразивный износ. Ввиду малости размеров катализаторной мелочи в топливе (алюмосиликатов калибром менее 10 мкм), ее остаток после сепарации составляет не менее 1/3, что может вызвать в двигателе серьезные износы. Любопытно, что при этом мелкие абразивные частицы вызывают больший износ, чем крупные, так как эти последние инициируют скорее менее опасные полосы задиров, чем масштабное поверхностное изнашивание.

Рекомендации

1. Некоторые судовладельцы считают, что дизельные топлива отличаются особой чистотой и не нуждаются в сепарации на судне. Это принципиально неверно, так как при транспортировках, перекачках и хранении даже такого топлива неизбежно его загрязнение и поэтому сепарирование любого дистиллатного топлива совершенно необходимо.
2. Для повышения эффективности сепарации тяжелых топлив ее нужно производить при как можно более низкой вязкости топлива (не более 40 сСт). Для этого его необходимо предварительно нагревать до возможно более высоких температур, не превышающих, однако 98 °С. Важно также, чтобы топливо как можно дольше находилось в барабане сепаратора, что достигается работой сепараторов с пониженной пропускной способностью. Рекомендации по выбору скорости подачи и температуры подогрева приведены на рис. 4.
   

   Рис. 4 Зависимость скорости подачи сепаратора V и температуры подогрева топлива t от вязкости n (рекомендуемые пределы)

3. Во избежание разрушения водяного затвора или попадения воды в очищенное топливо, нужно следить за соответствием технических параметров гравитационного диска плотности сепарируемого топлива.
4. Наилучших результатов очистки можно достигнуть, если сепарацию топлива осуществлять в двух параллельно работающих на малой подаче сепараторах, настроенных на режим пурификации, и, последовательно с ними – кларификатора. Такая схема работы особенно полезна при сепарации топлив, содержащих алюмосиликаты. Схема включения сепараторов в топливную систему показана на рис. 1.

Гомогенизация, водотопливные эмульсии

На использование гомогенизаторов в процессе обработки топлив на судах обратили внимание, когда на суда стали поступать крекинг-топлива с высоким содержанием асфальтосмолистых составляющих, которые в больших количествах уходили в шлам сепарации. Задержка внимания на этом факте была связана с тем, что основная масса шлама состоит из углеводородных соединений, которые могли бы сжигаться как в топках котлов, так и в цилиндрах дизелей.

Чтобы уменьшить потери горючей массы с шламом, решили прибегнуть к обработке топлив путем гомогенизации, так как было известно, что обработка топлива в гомогенизаторе способствует измельчению структуры его органической части, уменьшению размеров агломератов смол и асфальтенов до масштаба 3…5 мкм Гомогенизатор представляет собой мельницу в которой топливо, попадающее между конической формы трущимися поверхностями подвергается действию гидродинамического давления, усилиям сдвига и истирания. Разрыву частиц способствуют также резкие изменения ускорений, сопровождаемые высокочастотными волнами скоростей и давлений.x. Но при этом дробятся также различные минеральные примеси и капли воды. Вода с топливом переходят в состояние водотполивной эмульсии, состоящей из микрокапель воды, окруженных оболочкой из тяжелых составляющих топлива. При нагревании в топке котла или в камере сгорания дизеля происходят микровзрывы, сопровождающиеся еще большим дроблением эмульсии и, как следствие – существенным улучшением смесеобразования, улучшением подготовки топлива для последующего его эффективного сгорания.

В котлах это дает возможность уменьшить избыток воздуха и тем самым поднять их КПД. В дизелях также достигается увеличение экономичности:

• в малооборотных двигателях – на 1…2 % и;
• в среднеоборотных двигателях – на 3…4 %.

При использовании Водотопливная эмульсия и ее преимущества при использовании в дизельных двигателяхводотопливных эмульсий температура в камере сгорания понижается и это способствует уменьшению образования твердых углистых частиц сажи. Особенно важно, что при этом уменьшается содержание в выхлопных газах чрезвычайно вредных окислов азота. Опыт показал, что уменьшаются и отложения смолистых составляющих, а также отложения коррозийно-активных соединений натрия и ванадия в выхлопных трактах и на лопатках газовых турбин.

К сожалению, гомогенизация приводит и к отрицательным последствиям: в 1,5 и более раз увеличивается износ топливной аппаратуры и цилиндро-поршневой группы. Это связано с тем, что если при сепарации топлива большая часть механических абразивных включений из него удаляются, то при гомогенизации они все в топливе остаются и лишь дробятся до размеров в 3…5 мкм. Ввиду столь малых размеров механических включений при последующей сепарации они из топлива не удаляются.

В силу этого обстоятельства большинство производителей дизелей и топлив сегодня отрицательно относятся к применению гомогенизации топлива до его сепарации. Износ жизненно важных элементов дизелей обходится дороже, чем потеря шлама. Для того, чтобы реализовать остальные преимущества гомогенизации, рекомендуется включать гомогенизатор после сепаратора, предварительно очистив топливо в сепараторе от механических загрязнений и забортной воды.

Если есть необходимость использовать в двигателях водотопливную эмульсию, а это рекомендуется для снижения эмиссии C и NOx, в топливо перед гомогенизатором добавляют пресную воду в количестве 6…15 %. Гомогенизаторы используются также в качестве смесителей при введении в топливо присадок.

Фильтрация

Наряду с сепарацией, в комплекс топливообработки входит фильтрование топлива с применением фильтров грубой и тонкой очистки.

Фильтры грубой очистки устанавливают перед всеми насосами (топливоперекачивающими насосами, подключающими насосами сепараторов, бустерными и циркуляционными насосами) в целях предупреждения их повреждения при попадании в топливо крупных частиц. Фильтры тонкой очистки устанавливают непосредственно перед дизелями для защиты прецизионных элементов топливной аппаратуры от частиц механических примесей, не задержанных в сепараторе.

Принцип действия фильтра основан на отделении от нефтепродукта загрязняющих примесей при его пропускании через фильтрующую перегородку, размеры ячеек которой меньше размеров отфильтровываемых частиц. Наибольший размер частиц загрязнений, пропускаемых фильтром, определяет так называемую тонкость отсева. По этому показателю определяют три группы фильтров очистки топлива:

• предварительную – для предохранения топливной системы от попадения случайных крупных загрязнений (фильтры перед топливоперекачивающими насосами);
• глубокую – для удаления из топлива частиц размером более 40 мкм;
• тонкую – для удаления примесей размером более 6…15 мкм (с применением бумажных элементов – более 4…5 мкм).

Фильтр характеризуется также коэффициентом очистки и степенью фильтрации, которая представляет собой отношение массы удаленных примесей к ее исходному значению:

Кф=G0–GостG0

где:

• Gост – масса примесей, оставшихся в продукте, прошедшем фильтрацию;
• G0 – масса примесей в ее исходном значении.

На судах применяют фильтры и самоочищающиеся фильтрационные установки. В зависимости от принципа действия фильтрующие элементы могут быть либо поверхностными, либо объемными (емкостными).

В поверхностном фильтре топливо подвергают очистке с осаждением примесей на поверхностях элементов, кромках ячеек или щелей. В качестве фильтрующего материала используют:

• сетку,
• листовую бумагу (фильтры ТФ),
• ткань.

Иногда фильтрующий материал образуется пластинками, витками проволоки или ленты (щелевые фильтры).

В объемном фильтре нефтепродукт пропускают через фильтрующий материал, содержащий множество каналов и пор, в которых и откладываются загрязняющие примеси. Для изготовления объемных фильтрующих элементов используют:

• фетр,
• древесно-волокнистые материалы,
• металлокерамику,
• пористую бронзу.

Объемные фильтры, в отличие от поверхностных, способны удерживать большое количество грязи, они имеют более высокий коэффициент фильтрации и не способны засоряться внезапно.

Широко применяют фильтрующие материалы следующих видов:

• поверхностного удаления механических примесей из топлива (металлические сетчатые материалы с ячейками 10…2 000 мкм и более, тканные – из синтетических и хлопчатобумажных тканей, бумажные) и;
• объемного удаления (пористые синтетические и пористые металлические материалы – пористая бронза, например).

Степень использования фильтрующих материалов связана со сроком их службы и регенерации (очистки) от образовавшихся на них отложений. Фильтрующие элементы в процессе работы постепенно загрязняются, их пропускная способность уменьшается. Этот факт контролирует, замеряя перепад давления в топливе до и после фильтра.

При достижении предельного значения этого перепада фильтрующие элементы очищают от осадка с применением химических средств. Металлические (пористая бронза) или керамические фильтрующие элементы освобождают от осадка путем его выжигания.

Малый срок службы любых фильтрующих элементов из-за забивания их асфальтосмолистыми соединениями при фильтрации тяжелых топлив, невозможность отделения воды, потребность в ручной очистке – послужили серьезным препятствием к использованию подобных фильтров на современных судах. На смену им пришли самоочищающиеся фильтрационные установки, имеющие, по сравнению с сепараторами, существенные достоинства:

• малые энерго- и трудозатраты по их обслуживанию;
• возможность автоматизации;
• простоту конструкции и более высокую надежность в работе;
• независимость процесса очистки от разности плотностей топлива и удаляемых из него частиц механических примесей;
• меньшие потери горючей массы.

В некоторых конструкциях фильтрационных установок предпринята попытка отделять воду от топлива путем применения фильтрующих материалов с водоотталкивающей пропиткой. Опыт показал, однако, что по мере загрязнения фильтра его водоотталкивающая способность ухудшается. На судах распространены фильтрационные установки с постоянными фильтрующими элементами поверхностного типа (сетчатыми, щелевыми) с периодической автоматической самоочисткой методом противотока.

Создатели самоочищающихся фильтрационных установок, стремясь достигнуть высокой тонкости отсева частиц загрязняющих примесей (до 5…10 мкм), сталкиваются с проблемами быстрого загрязнения фильтрующих поверхностей асфальтенами (находящимися в топливе в коллоидном растворе), размер мицелл которых близок к упомянутой выше тонкости отсева. Это вызывает необходимость частой промывки с использованием противотока, что, в свою очередь, сопряжено с ростом потерь топлива, уходящего вместе со шламом. Отмеченное обстоятельство является существенным недостатком фильтрационных установок, по этой причине они не могут еще конкурировать с современными автоматизированными сепараторами.

Фирма “Альфа-Лаваль” разработала и внедрила фильтр тонкой очистки, используемый не вместо сепараторов, а в дополнение к ним – см. рис. 5.

Рис. 5 Схема включения фильтра тонкой очистки топлива

Фильтр устанавливается непосредственно перед двигателем за бустерной цистерной, дежурным насосом и подогревателем. Задача фильтра не пропустить прорвавшиеся через сепаратор механические примеси, которые могут вызвать крайне нежелательные риски и износы в прецизионных элементах топливной аппаратуры дизеля. Таким образом, его функция, как и функция обычных фильтров тонкой очистки, устанавливаемых перед двигателем, в защите на случай потенциальной угрозы. Фильтр (см. рис. 6) состоит из двух полостей – нижняя полость полнопоточной очистки с непрерывной очисткой противотоком и верхняя – очистка топлива, которое использовалось в качестве противотока и вобрало в себя грязь, отложившуюся на фильтрующих сетках.

Рис. 6 Фильтр тонкой очистки топлива фирмы “Альфа Лаваль”

Наличие функции повторной очистки топлива, использованного для противотока, позволило практически полностью сохранить всю массу проходящего через фильтр топлива без его потерь вместе с шламом.

Приготовление топливных смесей

Смеси дизельных и вязких остаточных топлив могут быть приготовлены как на бункерных базах с помощью специальных смесительных устройств, так и непосредственно на судне. Для получения смеси используют простейшие средства в виде завихряющего конуса или струйного смесителя с последующим многократным прокачиванием ее по замкнутому контуру “насос-цистерна-насос”.

Приготовленная смесь должна иметь мелкодисперсную гомогенную структуру и быть стабильной, т. е. сохранять свою структуру в течение достаточно длительного времени ее хранения до момента использования ее в дизеле. Потеря стабильности выражается в образовании и выпадении на дно цистерн асфальтеновых конгломератов, ухудшающих распыливание и сгорание смеси в цилиндрах, интенсивно загрязняющих фильтры тонкой очистки, что в конечном счете может привести к остановке дизеля.

Основная причина потери стабильности – несовместимость смешиваемых компонентов топлив, поэтому крайне важно перед смешиванием проверить смесь на совместимость (в судовых условиях доступным средством проверки является “метод пятна” (см. раздел Методы нефтепереработки и их влияние на свойства топлив“Стабильность и совместимость топлив”).

Вторая причина – структура и продолжительность хранения смеси. Существенно улучшить структуру можно, используя специальные смесители статического или динамического типа.

В статическом смесителе потоки смешиваемых топлив делятся на отдельные струи, перемешивание которых происходит при изменении направления их движения. Ввиду существования вероятности последующей потери стабильности смеси, рекомендуется смешивание с использованием статического смесителя осуществлять непосредственно перед двигателем.

Действие динамического смесителя основано на турбулизации потоков и использовании кавитационных явлений, возникающих вследствие создаваемой смесителем высокочастотной пульсации струй смешиваемых топлив. Динамические смесители обеспечивают более высокую гомогенность и меньшую вероятность потери стабильности.

Химическая обработка – присадки

Химическая обработка топлива заключается в вводе в топливо присадок или их композиций, в функции которых входит:

• уменьшение шламообразования,
• дестабилизация водо-топливных эмульсий,
• снижение высокотемпературной коррозии выпускных клапанов, лопаток газовых турбин и др.

Борьба с осадко- и шламообразованием. Как уже отмечалось, тяжелым топливам присуща склонность к образованию отложений в танках запаса, фильтрах, подогревателях и других элементах топливной системы, в том числе и в сепараторах. Природа явлений такого рода связана с присутствием в топливах тяжелых углеводородов (смол, асфальтенов). Обладая повышенной поверхностной активностью, тяжелые углеводороды группируются вокруг загрязняющих топливо примесей, глобул воды, образуя достаточно сложные структуры, размеры которых постоянно нарастают; со временем эти структуры начинают выпадать в осадок в виде шлама на днище танка; они же осаждаются на рабочих поверхностях топливной системы.

Один из путей борьбы со шламообразованием, с отложениями в подсистемах хранения и переработки топлива состоит в введении в топливо химических присадок, содержащих мощные диспергаторы. Поверхностная активность последних существенно повышает поверхностную активность содержащихся в топливе асфальтосмолистых соединений, выступающих в роли естественных коагуляторов и эмульгаторов. Благодаря отмеченному свойству, вещества присадок притягивают к себе смолы, обволакивающие структурные системы тяжелых углеводородов, и частично замещают их.

Возникающее вследствие этого ослабление поверхностного натяжения тяжелых углеводородов, а также расклинивающее действие введенных с присадкой диспергаторов приводит к разрыву этих структурных систем, их диспергированию и, благодаря этому, к предотвращению шламообразования.

В роли поверхностно-активных веществ (ПАВ) – диспергаторов обычно используют растворимые в топливе органометаллические соединения, вводимые в хорошо зарекомендовавшие себя присадки Vecom FOT-NW, Bunkersol-D, Perolin 622-DE и др. Неплохие результаты показала опытная присадка ЛЗ-ЦНИИИМФ-6. Важное свойство ПАВ-присадок состоит также в защите металлических поверхностей от коррозии и образования на горячих поверхностях лаковых пленок.

Вводимые в топлива присадки-диспергаторы способствуют не только борьбе со шламообразованием. Измельчая структуру находящихся в топливе тяжелых углеводородов, они способствуют более полному их сгоранию в цилиндрах. Происходящее при наличии присадок замещение откладывающихся на нагретых поверхностях смол изолирует, в частности, поверхности прецизионных элементов от них и тем самым препятствует лакообразованию, часто приводящему к заклиниванию игл форсунок и плунжерных пар ТНВД.

Борьба с высокотемпературной коррозией. Проблемы борьбы с явлениями высокотемпературной коррозии, вызываемой продуктами сгорания топлива, наиболее тесно связана с проблемой обеспечения работоспособности выпускных клапанов дизеля и рабочего аппарата газовой турбины. Срок службы выпускного клапана до переборки в современных двигателях составляет 6…8 тыс. часов, что в 2…3 раза меньше ресурса даже такого нагруженного элемента как поршневое кольцо. Основная причина прогорания клапанов заключается в их высокотемпературной коррозии, протекающей под воздействием Na-V соединений топлива (механизм протекания этого явления рассматривался выше).

Главными коррозионными и абразивными составляющими золы, образующейся в цилиндрах двигателя при сгорании тяжелых топлив, являются:

• пятиокись ванадия,
• сульфат натрия и некоторые другие сложные соединения.

Относительно низкая температура плавления большинства таких соединений определяет их коррозионную агрессивность. Установлено, что они наиболее агрессивны по отношению к металлам именно в жидком состоянии. Это не исключает, однако, возможности развития коррозии и в газовой фазе. Помимо ванадия, в топливе содержатся сера и натрий (в виде NaCl). Последнее соединение присутствует также и в капельках морской воды, поступающих с засасыванием двигателем воздуха. В больших количествах NaCl может попадать в топливо при его обводнении морской водой.

В топливо также заносится сульфат натрия Na2SO4. В значительно больших количествах сульфат натрия с температурой плавления tпл = 885 °С образуется в процессе сгорания топлива при взаимодействии NaCl, SO2, кислорода и паров воды. Реакция взаимодействия тех же NaCl и SO2 может происходить не только в цилиндрах дизеля, но и на лопатках газовых турбин, подвергающихся сульфидно-кислой коррозии. Температура плавления при взаимодействии ванадиевых соединений и натрия понижается. Наиболее низких значений она достигает при образовании ванадия-ванадата натрия N2O – V2O4, -5V2O5 (tпл = 625 °С) и пента натрий-ванадата 5N2O – V2O4 – 11V2O5 (tпл = 535 °С (см. рис. Методы нефтепереработки и их влияние на свойства топлив“Ориентировочные значения температур плавления смеси соединений”).

Процесс коррозии (окисления) протекает следующим образом. Образовавшиеся в ходе реакции сгорания топлива соединения натрия и ванадия, а также сульфаты Na2SO4 и пиросульфаты Na2S2O7 (температура плавления последних – всего 400 °С) вместе с продуктами сгорания движутся к выпускному клапану. Если температура тарелки клапана и седла окажется ниже температуры плавления этих соединений, то они минуют клапан и уходят из двигателя. Если же клапан и особенно его рабочая фаска (и седло) имеют высокую температуру (более 520 °С), то эти соединения при соприкосновении с элементами клапана плавятся и прилипают к ним. Находясь в жидком состоянии, они вступают в реакцию с окисными пленками, защищающими клапан и его седло, разрушают их и окисляют металл.

Образующиеся на рабочем поле клапана рыхлые окисные структуры бомбардируются частицами сажи и золы, летящими с большой скоростью мимо клапана в общем потоке с продуктами сгорания. Их удары о клапан, в дополнение к коррозии, вызывают эрозию. В результате этого, на рабочих фасках и седлах клапана возникают раковины, бороздки по которым прорываются горячие продукты сгорания. Это, в свою очередь, приводит к росту температуры металла, активизации коррозионно-эрозионных процессов и к местному выгоранию металла.

Для того, чтобы избежать коррозии или уменьшить ее масштаб, необходимо, путем интенсивного охлаждения, понижать температуру клапана и его седла.

Следует иметь в виду, что переохлаждение клапанов (а такое часто происходит со стержнем клапана при работе на пониженных нагрузках) приводит к конденсации на нем серной кислоты, результатом чего становится возникновение типичных для кислотной коррозии язвин.

В целях снижения эффекта прогорания клапанов и связанной с этим потери их плотности, а также для увеличения моторесурса, в топливо вводят металлоорганические присадки на базе магния (см. таблицу Методы нефтепереработки и их влияние на свойства топлив“Государственные Стандарты на топлива (Россия)”).

К числу таких присадок относятся:

• Vecom FOT-SA;
• FOT-DA;
• Mark-IV;
• Perolin 687-SD и ;
• Amergize 2.

Эти присадки препятствуют образованию агрессивных отложений натрий-ванадиевых соединений на рабочих фасках клапанов, головках поршней и лопатках турбонагнетателей, тем самым уменьшая их коррозию и последующее прогорание. Входящий в присадку магний образует окись магния:

Mg+O→MgO,

температура плавления которой составляет 2 800 °С.

Продукты взаимодействия окиси магния с пятиокисью ванадия имеют более низкие температуры плавления, но более высокие чем для натрий-ванадиевых соединений. Это позволяет большей части соединений ванадия в сухом виде покидать дизель вместе с продуктами сгорания, а не прилипать к клапану и другим элементам, как это происходит при более низких температурах плавления.