Все суда имеют дизельную топливную систему, которая предназначена для приема и подачи топлива из расходных баков в топливные системы двигателей, фильтры и сепараторы.
Топливные системы открытого и закрытого типа
Топливная система корабля должна обеспечивать прием, хранение, перекачку и подготовку топлива к сжиганию. Судовые дизели могут работать как на дизтопливе, так и на низкосортном высоковязком топливе. В зависимости от типа используемого топлива также применяются различные топливные системы.
Используются два типа топливных систем:
- открытого типа для использования топлива с вязкостью до 370 мм2/с при 50 °С;
- и закрытого типа для использования топлива с вязкостью более 370 мм2/с при 50°С.
Топливная система открытого типа (без системы подготовки топлива) показана на рис. 1.
Рис. 1 Схема открытой топливной системы низкого давления.
1 — предохранительный клапан; 2 — возврат топлива; 3 — внешний диск; 4 — подача топлива, 5 — заслонка; 6 — перепускной клапан; 7 — ТНВД; 8 — сопло; 9 — газовая аппликация; 10 — регулятор вязкости; 11 — фильтр тонкой очистки; 12 — топливный насос; 13 — предохранительный клапан; 14 — клапан переключения (обратка — расходный бак тяжелого топлива); 15 — трубка колонки возврата топлива; 16 — расходный бак с тяжелым топливом; 17 — расходный бак с дизелем; 18 — трубопроводы очищенного топлива; 19 — вентиль переключения (тяжелый — дизель); 20 — предохранительный клапан; 21 — подогреватель топлива
Топливо из каждого рабочего бака 16, 17 поступает в возвратный топливопровод 15. Из этого трубопровода с помощью одного из двух электроподкачивающих насосов 12 топливо подается через подогреватель 21, датчик регулятора вязкости 10 и FT011 к ТНВД 7 от каждого ТНВД 7 и форсунок идут возвратные топливопроводы, по которым топливо отводится в обратный топливный трубопровод 2. Обратное топливо (при работе на тяжелом топливе) поступает в обратный трубопровод 15 через переключающий клапан 14. При переходе на дизельное топливо , возвратное топливо может быть возвращено в бак 16 для тяжелого топлива через переключающий клапан 14.
Для обеспечения постоянного давления в напорном коллекторе перед ТНВД производительность и подача топливного насоса 12 превышают количество потребляемого двигателем топлива.
Для обеспечения устойчивого потока подогретого топлива через насосы и форсунки (даже при остановленном двигателе) в напорный трубопровод до и после каждого такта ТНВД встроены дроссели 9.
С помощью «замкнутой» циркуляции подогретого топлива можно поддерживать рабочую температуру ТНВД и форсунок при остановленном двигателе.
Поэтому нет необходимости переключаться на дизель при входе в гавань, если топливный насос работает.
При длительной остановке двигателя необходимо остановить подкачивающий насос, но перед этим необходимо слить тяжелое топливо из топливной системы. В этом случае рекомендуется либо заблаговременно перейти на дизельное топливо до остановки дизеля, либо выключить обогрев и откачать тяжелое топливо в расходный бак 16 через вентиль 14. В этом случае перед остановкой топливозаправочного насоса следует необходимо заменить клапан 19 на дизель, чтобы тяжелое топливо смешивалось с дизельным топливом. Демпфер 5 снижает пульсации давления в топливной системе.
При использовании высоковязкого топлива требуется высокая температура нагрева для достижения требуемой вязкости перед ТНВД. Поэтому отсечное топливо, поступающее по обратке, также имеет относительно высокую температуру. В открытой системе подготовки топлива при наличии воды происходит вскипание и вспенивание в обратке, а также отмечается кавитация на всасывании топливного насоса. Для устранения этих негативных явлений необходимо повысить давление топлива в трубопроводах.
Напорная топливная система используется при работе дизеля на топливе высокой вязкости и называется закрытой (рис. 2).
Рис. 2 Схема топливной системы низкого давления закрытого типа.
1 — предохранительный клапан; 2 — возврат топлива; 3 — внешний диск; 4 — подача топлива; 5 — демпфер; 6 — перепускной клапан; 7 — ТНВД; 8 — сопло; 9 — газовая аппликация; 10 — подогреватель топлива; 11 — регулятор вязкости; 12 — фильтр тонкой очистки; 13, 14 — предохранительный клапан; 15 — клапан переключения (вентиляционный бачок — система тяжелого расхода топлива); 16 — вентиляционный бак для возвратного топлива; 17 — автоматический выпускной клапан; 18 — смотровое окно; 19 — расходный бак для дизеля; 20 — расходный бак с тяжелым топливом; 21 — клапан переключения топлива (тяжелый — дизель); 22 — от сепараторов; 23, 25 — предохранительный клапан; 24, 26 — бустерный и бустерный насосы
Для работы дизеля на топливе вязкостью более 370 мм2/с при 50 °С топливная система оборудована дополнительными насосами 24 для поддержания давления в обратном трубопроводе 0,4-0,5 МПа, что предотвращает закипание и образование паров и газов в топливе при температуре 130-150 °С, необходимой для обеспечения необходимой вязкости современного некачественного тяжелого топлива, а обратка через вентиль 17 соединяется с расходным баком 20.
Подогрев топлива на всем пути от основных резервных баков до топливных насосов высокого давления является завершающим этапом подготовки тяжелого топлива. В служебных баках рекомендуется поддерживать температуру топлива в пределах 50-60 °С.
Температура нагрева топлива определяется допустимой вязкостью топлива перед ТНВД, которая в зависимости от типа дизеля не должна превышать 10-15 мм2/с (сСт) после подогревателя. MAN-B&W допускает предел вязкости 20 MAN-B&W. Во избежание быстрого засорения подогревателя температура подогрева топлива не должна быть выше:
- 135 °С в открытой системе;
- 150 °C в закрытой системе.
В зависимости от требуемой вязкости топлива после нагрева и индекса вязкости топлива температуру нагрева можно определить по диаграмме (см рис. 1.4). При этом температура нагрева не должна превышать 150 °С. При нахождении судна в порту для циркуляции подогретого топлива не требуется низкая вязкость, поэтому температура нагрева снижается на 20 °С, что обеспечивает вязкость 30 мм2/с.
В связи с ухудшением качества тяжелого топлива, используемого в судовых дизелях (вязкость от 380 до 600 мм2/с при 50°С или 3500-6000 с R1 при 100°F), производители дизелей разработали специальные топливные препараты закрытого типа системы (рис. 3а).
Рис. 3 Схема системы подачи топлива закрытого (а) и обычного (б) типа АВ IMO (Швеция).
1 — трехходовой смесительный клапан; 2 — топливные насосы; 3 — клапан регулировки давления; 4 — расходомер; 5 — газоотделитель; 6 — регулятор поплавкового типа; 7 — разгрузочный клапан; 8 — смеситель.
А — смесительный бак; Б — топливопровод; С — бустерный блок; Д — ТНВД; Е — узел подачи топлива.
I, II — расходные баки для дизельного и тяжелого топлива соответственно
В обычных (открытых) системах подготовки топлива за счет отвара легких фракций при 100-150°С и нормальном атмосферном давлении испаряется около 1-2% топлива (иногда может быть даже 7% по массе). Испытания проводились на топливе вязкостью 700 мм2/с при 50°С, нагретом до 160°С. По мере поступления топлива от узла смешения к подпорным насосам увеличивается барботирование в клапанах, всасывающих фильтрах, расходомерах из-за постоянного перепада давления, что способствует возникновению кавитации в насосах и трубопроводах. В случае избыточного газообразования подкачивающие насосы не обеспечивают постоянного давления, что может нарушить работу ТНВД и форсунок, а значит и дизеля.
Для обеспечения того, чтобы все фракции топлива находились в жидком состоянии при всех рабочих температурах (130-150°С), давление поддерживается на уровне 0,4-0,5 МПа с помощью клапана регулирования давления. Газоотделитель 5 работает по циклонному принципу и предназначен для лучшего перемешивания топлива и удаления избыточного газа, образующегося при движении топлива через выпускной клапан 7 в бак тяжелого топлива. На панели управления имеется индикатор работы выпускного клапана, управляемый поплавком. Статический смеситель 8 обеспечивает однородное перемешивание топлива, подаваемого в бустерный блок.
Топливные системы жидкого топлива малооборотных дизелей
Принципиальная схема системы (рис. 4) включает накопительные баки 1, клапанную коробку 2, фильтр грубой очистки 3, топливоперекачивающие насосы 4 для перекачки топлива из одного бака в другой, а также подачи его в отстойники 5.
Рис. 4 Схема топливной системы
Для возможности использования дешевого тяжелого топлива с высокой вязкостью и высокой температурой застывания резервуары-накопители оборудуются паровыми спиралями с общим или местным подогревом, а топливопроводы изолируются и оснащаются паровыми спутниками.
Из отстойников или непосредственно из баков сепараторные насосы подают топливо к подогревателям 22 и далее к сепараторам 20.
Дизельное топливо не требует подогрева, поэтому сепаратор дизельного топлива 21 не снабжен подогревателем. Разделенный
тяжелое топливо подается вторым насосом-сепаратором в расходные баки 6 для тяжелого топлива, где вторично отстаивается.
Из расходных баков топливо самотеком через смесительную емкость 12 и фильтр грубой очистки 13 поступает к топливозаправочным насосам 14, которые подают топливо через подогреватели 11 и фильтр тонкой очистки 18 к топливным насосам 16 к дизелю 17. Излишки топлива от насосов высокого давления 16 передаются в смесительную емкость 12, воздуховод которой снабжен газоуловителем 7.
Высокое давление (0,25-0,4 МПа) в магистрали за ТНВД, поддерживаемое клапаном постоянного давления 15, и наличие рециркуляции предотвращает образование газовоздушных пузырей на подсосе ТНВД. Постоянная циркуляция топлива и наличие смесительной емкости 12 также предотвращает возможность застывания топлива в трубах в случае внезапной остановки дизеля.
Для измерения подачи топлива к дизелю в топливопровод за расходными баками встроен расходомер 10. Автоматический регулятор вязкости 19 служит для поддержания заданной вязкости топлива перед дизелем. Привод управляет подачей пара к нагревателям 11.
Параллельно бакам 6 в систему входят баки для дизельного топлива 8, из которых топливо расходуется на вспомогательные дизели, а при смене пробкового клапана может подаваться в бак смешения 12 и далее к топливным насосам основного дизель.
Дизель используется при запуске дизеля и при маневрировании. Перевод дизельного двигателя с дизельного топлива на топливо средней или высокой вязкости следует производить медленно, чтобы обеспечить постепенный прогрев топливных насосов во избежание заклинивания поршня. Постепенный переход с одного вида топлива на другой, плавное изменение температуры топлива, подаваемого в дизель, значительно облегчается наличием в системе смесительного бака и рециркуляции.
Чтобы промыть систему и заправить более легким топливом в период предстоящей длительной стоянки, необходимо заблаговременно, за 20-30 минут до прихода судна в порт, перейти на дизельное топливо.
Как правило, топливная система морских МОД является общей для основных и вспомогательных (ВД) двигателей. Главный двигатель может работать как на дизельном, так и на тяжелом топливе, а ВД может работать как на тяжелом, так и на дизельном топливе, независимо от основного двигателя.
В топливной системе, рекомендованной MAN-B&W для дизельных двигателей и четырехтактных дизель-генераторных установок (рис. 5), топливо перекачивается из бункерных баков в отстойники, откуда через сепараторы 1 поступает в расходные баки дизеля 2 или тяжелые топливо 3. Для обеспечения эффективной предварительной обработки топливо перед сепарацией нагревают до 95-98 °С.
Рис. 5 Схема топливной системы.
— дизельное топливо; — тяжелое топливо; —трубопроводы с тепло- и теплоизоляцией.
а — трубопроводы с максимальной температурой топлива 150 °С; б — обратные трубопроводы, обогреваемые водой из системы охлаждения основного двигателя.
1 — трубопровод от сепараторов; 2 — дизельный бак; 3 — бак тяжелого топлива; 4 — подкачивающие насосы; 5 — перепускной клапан; 6 — циркуляционные насосы; 7 — подогреватель; 8 — ВОМ; 9 — трубопровод возврата топлива от ТНВД и форсунок; 10 — деаэрационный бак; 11 — автоматический клапан; 12 — перепускной клапан; 13 — перепускные клапаны циркуляционных насосов; 14 — кран переключения вида топлива; 15 — подкачивающий насос; 16 — кран переключения топлива на ДУ; 17 — система отвода дренажа; 18 — трубопровод к насосу пресной воды
Топливо подается из одного из расходных баков с помощью подкачивающих насосов 4 под давлением ок. 0,4 МПа в топливную систему низкого давления. Перепускной клапан 5 необходимо отрегулировать на давление чуть выше 0,4 МПа.
Затем топливо подается на один из двух циркуляционных насосов 6 с электроприводом, а от него через подогреватель 7 и полнопоточный ПТО 8 на ТНВД. После нагревателя устанавливается датчик с прибором, настроенным на 10-15 сСт, и регулятором вязкости, вырабатывающим импульс на перепускной клапан пара нагревателя, либо может использоваться регулятор температуры. Датчик отбора мощности и контроля вязкости монтируется как можно ближе к двигателю, а сетка отбора мощности должна иметь размер ячейки 50 микрон.
Возвратное топливо от форсунок и ТНВД отводится по трубопроводу 9, деаэрационному баку 10 с автоматическим клапаном 11 на всасывающую сторону циркуляционных насосов. Для поддержания постоянного давления на входе в ТНВД производительность циркуляционного насоса должна превышать максимальный расход топлива двигателем. Кроме того, устроен пружинный перепускной клапан 12, выполняющий функции перепуска между подачей топлива ТНВД и обраткой, что также обеспечивает постоянное давление топлива на входе в двигатель 0,7-0,8 МПа. Для обеспечения этого давления пружинные перепускные клапаны 13 циркуляционных насосов отрегулированы на давление открытия 1,0 МПа.
При работе двигателя на тяжелом топливе подводящие трубопроводы снабжены обечайками, через которые пропускается пар (паровые сателлиты), а топливный и сливной трубопроводы обогреваются горячей водой из системы охлаждения двигателя.
При всех нагрузках двигателя, включая остановки, через ТНВД и форсунки подается поток подогретого топлива. Благодаря такой циркуляции детали топливной аппаратуры поддерживаются при рабочей температуре. Таким образом, нет необходимости переключаться на дизельное топливо при входе в порт, если циркуляционный насос и перекачка топлива работают постоянно.
Если при длительной остановке необходимо остановить циркуляционный насос или отопление, в первую очередь необходимо опорожнить систему от тяжелого топлива.
При работе на дизеле может возникнуть необходимость переключения с тяжелого топлива на дизельное. Для защиты топливной аппаратуры от резких перепадов температуры, которые могут привести к блокировке ТНВД, форсунок и всасывающих клапанов, переход необходимо осуществлять следующим образом:
- подогреть, по возможности, дизельное топливо в расходном баке до прибл. 50 °С;
- перекрыть подачу пара к нагревателю и пароспутникам;
- снизить нагрузку на двигатель до 75% от максимальной продолжительной мощности (МДМ);
- перейти на дизельное топливо, изменив положение клапана 14 вида топлива (см рис. 5) так, чтобы дизельное топливо поступало на подкачивающие насосы.
Переход следует осуществлять, когда температура тяжелого топлива в подогревателе снизится примерно на 25 °С, но не ниже 75 °С и выше температуры дизельного топлива в расходном баке.
Реверсивный переход при работе дизеля по указанным выше причинам также выполняется с пониженной мощностью до 75 % от МДМ. Прежде всего, убедитесь, что температура мазута в сервисном баке правильная. Затем с помощью клапана управления паром с вискозиметром обеспечить нагрев дизельного топлива не более чем до (60-80)°С со скоростью 2°С в минуту. Вязкость дизельного топлива не должна опускаться ниже 2 сСт, так как возможно заедание и равномерное заедание деталей из-за потери смазывающих свойств топлива. При переходе температура тяжелого топлива в расходном баке не должна превышать температуру подогретого дизельного топлива более чем на 25 °С. При соблюдении температурных требований осуществляется переход на тяжелое топливо путем поворота топливного переключателя. Затем следует повысить температуру тяжелого топлива со скоростью ок. 2 °C в минуту, пока не будет достигнута требуемая вязкость.
Вспомогательные дизели (ВД) могут работать как на дизельном, так и на тяжелом топливе (см рис. 5). При работе на дизеле он питается подкачивающим насосом 15, а подача тяжелого топлива перекрывается на кране 16. Если ТН может работать на тяжелом топливе, то оно поступает от питающей магистрали к основному двигателю после подогревателя.
Топливные системы среднеоборотных и высокооборотных дизелей
В настоящее время среднеоборотные дизели успешно эксплуатируются на тяжелых видах топлива. Топлива высокой вязкости, вплоть до мазута, могут применяться в двигателях с диаметром цилиндра более 250 мм при условии обеспечения времени, необходимого для сгорания, и необходимости прогрева для обеспечения нормальной работы системы подачи топлива.
С точки зрения рабочего процесса дизеля, при обеспечении подогрева топлива перевод среднеоборотных двигателей на высоковязкое топливо не вызывает особых препятствий, за исключением того, что силовая установка должна быть дополнительно оборудована подходящей системой подготовки топлива. (рис. 6) и необходимость иметь дополнительный дизельный стол для периодической прокачки топливной системы и, в некоторых случаях, для запуска и маневрирования.
Рис. 6 Типовой план подготовки топлива для силовой установки со среднеоборотными двигателями.
1 — дизельный бак; 2 — топливный насос; 3 — автономные насосы-сепараторы; 4 — дизельный сепаратор; 5 — сепаратор высоковязкого топлива; 6 — расходный бак с дизелем; 7 — расходный бак с высоковязким топливом; 8 – охладитель дизеля; 9 — двойной фильтр тонкой очистки; 10 — вспомогательный двигатель; 11 – насос охлаждения форсунки; 12 — маршевый двигатель; 13 – электрический дизельный подогреватель; 14 — запасной насос охлаждения форсунок; 15 — расходомер; 16 — фильтр; 17 — вискозиметр; 18 — регулятор вязкости; 19 — счетверенный фильтр тонкой очистки; 20 — отработанный бак главного и вспомогательного двигателей; 21 — подогреватель высоковязкого топлива; 22 — подогреватель топлива, использующий тепло охлаждающей воды; 23 — топливный насос; 24 — смесительный бак; 25 — теплообменник; 26 – электроподогреватель топлива перед сепарацией; 27 – разделительный бак отходов; 28 — подогреватель паров топлива перед сепаратором; 29 — бак высоковязкого топлива
Главный двигатель и вспомогательный дизель-генератор могут работать на дизеле одновременно, используя единую топливную систему. При работе маршевого двигателя на высоковязком топливе используется вторая часть системы подготовки топлива, обязательными элементами которой являются:
- обогреватели;
- сепараторы;
- деаэратор;
- смесительная батарея (при работе на смешанном топливе);
- разделительный резервуар для отходов
- регулятор вязкости и др.
Дизельная и высоковязкая топливные системы сочетаются с элементами резервирования и возможностью переключения работы основного двигателя с одного вида топлива на другой. Принцип работы систем подачи топлива и переключения на другое топливо типичен для подобных систем.
Быстроходные двигатели устанавливаются на судах в качестве главного двигателя и в качестве дизель-генераторов для снабжения корабля электроэнергией. Как правило, высокооборотные двигатели работают на легких сортах топлива, поэтому система подготовки топлива в этом случае упрощается (рис. 7).
Рис. 7 Схема топливной системы.
1 — редукционный клапан; 2 — топливный насос; 3, 7, 9, 11, 12, 14, 15, 17, 18 — трубы; 4 — топливный фильтр; 5 — топливный насос; 6 — сопло; 8 — ниппель; 10 — главная дорога; 13 — разгрузочный клапан; 16 — кожух защитный; 19 — регулятор температуры топлива; 20 — охладитель топлива;
I — из топливного бака; II — краны для сбора утечек; III — к датчику
Топливо из расходного бака подается топливозаправочным насосом 2 по трубопроводу 3 через двухсекционный равномерный фильтр 4 под давлением к редукционному клапану 1 и в магистраль 10. Из магистрального трубопровода топливо подается по трубопроводам. 9 для топливных насосов высокого давления 5.
При заполнении системы топливом воздух удаляется через пробки топливных насосов и через штуцер 8 для подключения манометра «Давление топлива».
Топливная система оборудована системой сигнализации, предупреждающей о разрывах топливопроводов высокого давления. Топливные магистрали 7 высокого давления заключены в защитный кожух 16. Внутренняя полость в защитных вкладышах соединена патрубком 15 с патрубком 14, подведенным к датчику давления. На патрубке 14 установлен предохранительный клапан 13.
При разрыве одной из топливных трубок высокого давления во внутренних полостях защитных рукавов 16, а затем и в трубках 15 и 14 создается давление топлива, которое воздействует на датчик давления.
При давлении топлива в системе сигнализации 0,06 МПа датчик давления дает сигнал на срабатывание световой или звуковой сигнализации, при давлении топлива 0,15 МПа срабатывает предохранительный клапан 13, и избыток топлива по трубопроводу 12 поступает в полка для сбора утечек.
Топливо по трубопроводу 3 через топливный фильтр 4 по трубопроводу 17 поступает к форсункам охлаждения форсунок. После охлаждения форсунок топливо поступает по сливному патрубку 18 к регулятору температуры топлива 19, который в зависимости от температуры топлива направляет его на выход топливозаправочного насоса 2 или в охладитель 20 и далее в топливный топливный насос.
Утечки топлива из форсунок по трубопроводам 11 поступают в полку сбора утечек.
В практике судового дизелестроения существует универсальная система подготовки топлива как для основных МОД и ДОД, так и для ТН, использующая в качестве методов подготовки химико-динамическую обработку и комплексную очистку топлива.
Рис. 8 Универсальная система подготовки топлива для судовых дизельных установок.
1 — бак маловязкого топлива; 2, 24 — топливоперекачивающие насосы; 3 — сепаратор; 4, 18 — расходные баки с маловязким топливом; 5 — секционное перемешивающее устройство; 6, 13, 23 — подогреватели, 7, 12 — контрольные фильтры; 8 — регуляторы вязкости; 9 — топливопровод к ТНВД вспомогательного дизеля; 10 — подающий трубопровод от ТНВД; 11 — трубопровод к топливному насосу высокого давления; 14, 17 — топливные насосы; 15 — смесительная колонна (емкость); 16 — трехходовой клапан; 19 — расходный бак с высоковязким топливом; 20 — фильтрующий узел; 21 — ротаметр; 22 — гомогенизатор; 25 — дозатор; 26 — емкость с многофункциональными присадками, 27 — бак высоковязкого топлива
Система (рис. 8) состоит из двух линий:
- один — для переработки маловязкого топлива;
- другой предназначен для обработки высоковязкого топлива.
Технология обработки высоковязкого топлива включает две стадии:
- первый – химико-динамическая обработка с использованием многофункциональной добавки, контейнера 26 и дозатора 25;
- другой — обработка, проводимая непосредственно перед подачей дизельного топлива в сервисный бак.
