Kamkin_-_Expluatatsia_sudovykh_dizeley_-_1990

шение		следующих			диагностиче-				p.f fifa
ских	задач.
J. Определение положения ра­
бочей точки режима						дизеля от­
носительно				теоретической				вин­
товой и ограничительной харак­
теристик. В задачу						входит оп­
ределение			положения точки ра­
бочего		режима дизеля					относи­
тельно		теоретической					винтовой
Pi т и ограничительной p t 0 гр ха­
рактеристик,				построенных в со­
ответствии с рекомендацией фир­
мы-строителя (рис. 6.5). Как из­										п, об/ман
вестно,		рекомендуется					устанав­
ливать на построенное судно та­									Рис. 6.5. Определение положения ра­
кой винт, чтобы в полном грузу									бочей точки	режима	работы
при	номинальной				частоте			вра­	двигателя	Зульцер	6RD56
щения		мощность			двигателя			со­
ставляла			85—90 %			номинальной			(точка а в зоне	С, рис.	6.5).

Однако в процессе эксплуатации двигателя эту рекомендацию выдерживать трудно, так как при сохранении заданной эксплуата­ ционной скорости судна в случае утяжеления действующей вин­ товой характеристики из-за изменения внешних условий плавания или ухудшения состояния поверхности корпуса судна рабочая точ­ ка режима двигателя уходит за пределы зоны А длительных экс­ плуатационных режимов и рекомендованной фирмой зоны С экс­ плуатации дизеля при спокойной воде, чистом корпусе и полной загрузке судна в сторону зоны В эксплуатационных режимов, огра­ ниченных во времени.

Обычно этот переход сопровождается ростом тепловых и механи­ ческих нагрузок ответственных деталей дизеля, что в свою оче­ редь требует повышенного и надежного контроля за его работой.

Система позволяет осуществлять визуальную оценку положения рабочей точки режима дизеля относительно границ зон Л и В с

помощью цветного дисплея. На дисплее	высвечиваются линии тео­
ретической винтовой характеристики p ir	и ограничительных харак­
теристик p 'ioTр и p’iovр и светящаяся	точка режима двигателя,

координаты которой определяются текущими измеренными вели­ чинами /?j ср и пср. Положение точки в позиции а соответствует до­ пустимым для длительной работы нагрузкам, в позиции b — на­ грузкам, при котбрых допускается лишь ограниченная во времени работа дизеля, в позиции с — не допустимым для эксплуатации дизел я нагр уз кам.

Представляемая информация позволяет оценить уровень на­ грузки дизеля, имеющийся резерв мощности, а также состояние пропульсивного комплекса корпус—-винт— двигатель.

221

2 . Оценка рабочего процесса двигателя в целом. Известно, что удельная работа газов в цилиндре, характеризуемая средним ин­ дикаторным давлением p iy в общем случае пропорциональна по­ даче топлива. Эта пропорциональность может нарушаться при не­ исправностях в работе систем воздухоснабжения, топливоподачи и пр. В этом случае то же значение р*ср будет достигаться лишь при увеличении подачи топлива, т. е. при увеличенном его расхо­ де. Это обстоятельство положено в основу излагаемого алгоритма диагностирования.

Связь между давлением p t и подачей топлива в цилиндры, в свою очередь определяемой положением указателя нагрузки (УН)ср или индекса топливных насосов, математически может быть пред­ ставлена в виде регрессионной зависимости p t эт = 0,968 (УН)ср + + 0,0327лср — 3,35, полученной по экспериментальным данным для двигателя 6RD56. Частота вращения лср косвенно учитывает влия­ ние на давление р* индикаторного КПД. Эталонное значение р* ЭТ сопоставляют с измеренным р* иЗМ. Отношение р* и3 J p t эт не долж­ но превышать заранее оговоренной уставки, значение которой за­ дается оператором в диапазоне 1—0,9 с шагом 0,01.

3. Контроль процессов в отдельных цилиндрах дизеля. Под­ держание равномерного распределения нагрузки по отдельным ци­ линдрам является важным условием эксплуатации дизеля, которое при прочих равных условиях наряду с уменьшением удельного рас­ хода топлива способствует увеличению срока службы ответствен­ ных деталей. Чтобы достичь равномерного распределения нагрузки по всем цилиндрам, необходимо обеспечить одинаковый характер протекающего в них рабочего процесса.

Традиционный метод контроля за рабочим процессом в отдель­ ных цилиндрах состоит в определении размера и знака отклонения контролируемых параметров от средних по двигателю значений. Допустимые отклонения параметров назначают исходя из требо­ ваний Правил технической эксплуатации с учетом возможностей предполагаемой аппаратурной реализации.

В качестве контролируемых параметров для оценки характера рабочего процесса в каждом цилиндре в рассматриваемой системе приняты средние за 1 0 0 последовательных измерений значения среднего индикаторного давления р;, максимального давления сго­ рания р2, давления сжатия рс и температуры выпускных газов / г, измеренные в одном сечении времени. Причем измеренную темпера­ туру газов t r следует корректировать с учетом особенностей компо­ новки выпускного тракта.

Оценка качества протекания рабочего процесса, поиск неис­ правностей осуществляют с использованием таблицы функции не­ исправностей (см. табл. 6 .1 ), в которой типичные неисправности представлены в закодированном виде. Знак плюс (+ ) присвоен положительному отклонению диагностического параметра от его

222

эталонного значения, знак минус (—) — отрицательному откло­ нению, нуль — отсутствию отклонения, т. е. если это отклонение не выходит за пределы зоны погрешности, задаваемой удвоенным значением средней квадратичной ошибки 2а. В качестве такого эта­ лона принимают меняющиеся вместе с режимом работы средние по

двигателю значения			p t ср, pz ср, рс ср, t r ср, подсчитываемые		по
выражению		(6.5)*	В таблице представлены шесть	воз­
можных ситуаций,			различающихся сочетаниями значения		и
знака	отклонений диагностических параметров.
4.	Оценка состояния компрессора турбонагнетателя. Произво­
дительность		турбокомпрессора Gs или пропорциональный ей пере­

пад давления (Д/?к) 1/2 в канале конфузора компрессора, связанные уравнением Gs = k (Арк ) 1 /2> при определенном техническом со­ стоянии зависят от частоты вращения ротора пгк и степени повыше» ния давления я к = р к/р0. В целях упрощения л к заменяют изме­ ряемым системой давлением psy возникающая при этом ошибка на решении задачи практически не отражается.

Состояние компрессора оценивают путем сравнения измерен­

ного расхода (Арк*)ср2 с его эталонным значением (Арк/)эт2, рас­ считанным по модели для исправного состояния компрессора с ис­ пользованием отношения (ApKi) ^ 2 /(ApKi)cp, значение которого

должно увеличиваться по мере ухудшения состояния компрессора. Так, например, модель, составленная для компрессора № 2 дви­

гателя Зульцер	P6RD-56	имеет вид(Дрк 1 ) ^ 2 --6,23+ 18,27pscp +
+ 0,000293яткср.	Сигнал	о нарушении состояния компрессора

поступает, когда отношение (Арк 1 ) ! ; 2 (Дрк1) 1/2 выходит			за уставку
	3Т*	О	^
1,05. Это соответствует погрешности 4 %.
5. Оценка состояния	газовоздушного	тракта. При	установив­
шемся расходе воздуха	G* через двигатель давление		наддува рн

зависит от гидравлического сопротивления газовоздушного тракта, которое в свою очередь зависит от состояния (чистоты) отдельных элементов тракта (продувочных и выпускных окон, защитной ре­ шетки перед турбиной и т. п.) и частоты вращения двигателя, вли­ яющей на величину время —сечение впускных и выпускных орга­ нов. Учитывая это обстоятельство, предлагается оценку состояния тракта выполнять с учетом отклонения измеренной величины ps нзм от эталонной ps эт, рассчитанной по математической модели с ис­ пользованием текущих (измеренных) значений расхода G в нашем случае — пропорциональной ему величины (А/7к) 1/2и частоты вра-

щения	п	двигателя.
Для		рассматриваемого	объекта — двигателя Зульцер	6RD-56
модель	эталона имеет вид р5ЭТ = 0,032^* [ V А рк1- ) ср—0,00058пср —
— 0,355,		куда входят средние за 100 последовательных измерений
значения		контролируемых	параметров (iK— количество	ГТК).

Сигнал оператору об ухудшении состояния газовыпускного тракта будет поступать только в том случае, если отношение

223

					Ps ср и зм IPs		эт,	принятое			ДЛЯ
					контроля за состоянием тракта,
					будет превышать			заранее задан­
					ное. Для данного двигателя с
					учетом	погрешностей				модели и
					измерений		она	принята			рав­
				1	ной 1,15.
	1				Перечисленные				задачи		ре­
					шаются комплексом в соответст­
-J			---------- — у -		вии с	программой,			заложенной
J 1__ Г~\	_		Г		в ЭВМ, и на основе информации,
					получаемой		ею	от	измеритель­
					ных каналов через аналого-циф­
					ровой преобразователь в автома­
Рис. 6 .6 . Оценка состояния				поршне-	тическом режиме в одном						сече­
вых колец					нии времени или по запросу
					оператора.
Более простое решение состоит в использовании персональной
ЭВМ в варианте ручной				загрузки	данных	измерений			или	последо­
вательного		опроса датчиков через			интерфейс. Программа для						пер­

сональной ЭВМ в ЛВИМУ разработана и внедряется на суда. Прибор К-766. Основная функция поршневых колец — уплот­ нение рабочей полости цилиндра. От состояния колец зависят ка­ чество протекания рабочего процесса двигателя, его мощность,

экономичность и надежность работы ЦПГ.

Характерные и наиболее часто встречающиеся неисправности поршневых колец — это снижение упругости и подвижности, пол­ ное залегание, поломка. Дефекты в работе комплекта колец устра­ няют при очередной моточистке цилиндра.

Оперативная информация о возникновении нарушений в порш­ невых кольцах, о потере ими упругости вследствие износа и ухуд­ шении прилегания их к поверхности цилиндра позволяет оператору своевременно принять решение о замене колец.

Для контроля состояния поршневых колец широко используют диагностические системы, в состав которых входит индуктивный датчик, выдающий в измерительную электрическую схему сигнал, обратно пропорциональный значению зазора между кольцами и зеркалом цилиндровой втулки (датчиком). О состоянии колец су­ дят по текущему сигналу. Для решения этой задачи в каждую втул­ ку цилиндра над продувочными окнами устанавливают один или два индуктивных датчика (рис. 6 .6 ), сигнал от которых поступает на электронно-лучевой осциллограф (4 — цифровой дисплей). Ког­ да поршневые кольца проходят мимо датчиков /, индуцируемая в них ЭДС на экране осциллографа 3 воспроизводится в виде импуль­ сов, пропорциональных расстоянию между кольцами и поверхно­ стью втулки (датчика) и коэффициенту усиления усилителя. По­ скольку обе величины неизвестны, то, полагая, что одно из ком­

224

плекта кольцо работает хорошо, т. е. прижато к втулке, обеспечи­ вая тем самым надлежащее уплотнение, индуцируемый им в дат­ чике и воспроизводимый на экране импульс (а он в этом случае должен быть самым высоким) принимаем за эталон. Состояние ос­ тальных колец оценивают путем сравнения вырабатываемых ими импульсов с эталонным (2 — блок сравнения и подсчета импуль­ сов). Этот метод по сравнению с методом прямого измерения позво­ ляет избежать необходимости тарировки каждого датчика и сопря­ женных с ним электронных схем как при монтаже на двигателе, так и в дальнейшем по мере изнашивания втулки и датчиков.

Датчики расположены в нижней части втулки цилиндра, в по­ ясе, где кольца уже почти разгружены от сил действия газов и при­ жимаются к втулке в основном под действием сил внутренней упру­ гости материала. Поэтому если высота импульса // , стабильно получаемого на экране осциллографа в течение нескольких наблю­

дений, менее	70—50 % максимального /, то это свидетельствует
о частичной	потере кольцом упругости (кольцо а) вследствие изно­

са, изменения упругих свойств металла от перегрева или снижения подвижности из-за загрязнения канавки нагароотложениями. Кольцо, полностью потерявшее подвижность, обычно вдавливается

в	канавку заподлицо с поверхностью поршня,		поэтому индуциро­
ванный импульс будет равен		нулю (кольцо b).	с)
	Наличие отрицательного	импульса (кольцо		свидетельствует
о	поломке кольца. В этом случае датчик как бы			рисует канавку

поршня. Отрицательный импульс острой формы, обычно чередую­ щийся с положительным, возникает при прохождении мимо датчи­ ка замка (кольцо d).

В целях автоматизации контроля за состоянием колец в при­ боре К-766, разработанном ЛВИМУ и ВНИИЭП, использован ве­ роятностный принцип оценки, при котором автоматически по вы­ бору оператора измеряется высота импульсов от колец при каждом нисходящем движении поршня контролируемого цилиндра. Цикл измерений составляет 128 ходов поршня; если хотя бы одно коль­ цо на одном ходе поршня создало импульс, высота которого ниже уровня сравнения, то на приборе загорается лампа желтого цвета, свидетельствующая о ненормальной работе проверяемого комплекта колец. Уровень сравнения задается оператором и принимается равным 60, 70, 80 или 90 % максимальной высоты импульса из импульсов, создаваемых любым из колец при прохождении ими мимо датчика. Если на протяжении следующего цикла импульсы всех колец больше уровня сравнения, значит состояние колец вос­ становилось, и лампа гаснет.

Контроль за состоянием колец не ограничивается временем одного цикла, а может по выбору оператора продолжаться на про­ тяжении от 16 до 128 циклов,. т. е. прибор будет отслеживать высоту создаваемых кольцами импульсов на протяжении 128 ходов X X 16 циклов = 2048 ходов или 128 ходов X 128 циклов = 16 384

8 Зак. 2646

225

хода поршня, составляющих интервал наблюдения. Если на про­ тяжении заданного интервала наберется хотя бы 16 дефектных цик­ лов, то проверяемый комплект колец признается неисправным и за­ горается красная лампа Alarm.

Контрольные вопросы

1. Что представляют собой структурные и диагностические параметры?

2.Каковы назначение и структура матрицы неисправностей?

3.Что представляет собой эталонное значение параметра и как его нахо­

дят?	4.	Какие параметры могут быть использованы для	диагностики	рабо­
чего	процесса?
	5.	Каковы алгоритмы диагностирования ГТК и газовоздушного тракта?
	6.	Как осуществляется диагностирование состояния	поршневых	колец?

Г л а в а 7

ТОПЛИВА И ТОПЛИВОИСПОЛЬЗОВАНИЕ

7.1. Получение топлив

Топлива для дизелей получают из сырой нефти. При перера­ ботке нефть обезвоживают, выщелачивают, затем следует собст­ венно переработка и химическая очистка полученных продуктов. Процесс переработки (рис. 7.1) состоит из атмосферной и вакуум­ ной дистилляции, термического и каталитического крекинга.

Атмосферная дистилляция (/), или процесс прямой перегонки нефти, — первичная ее переработка, заключающаяся в нагреве нефти в трубчатой печи до температуры 320—330 °С, где она пере­ ходит в газообразное состояние. Продукты испарения поступают в ректификационную (дистилляционную) колонну, где нефть разде­ ляется при атмосферном давлении на фракции (погоны) с различ­ ными пределами температуры кипения. Причем каждая фракция содержит присущие ей группы углеводородов, отличающихся как химической структурой, так и молекулярной массой. В верхней

части ректификационной колонны температура	держится на уров­
не 90 °С, по мере опускания температурный	градиент увеличива­

ется, соответственно растут и температурные пределы отбираемых

фракций. В случае прямой	перегонки нефти из	ректификационной
колонны при 30—200 °С отбираются газ, химическое сырье,			бензин,
при 120—250 °С — горючее	для реактивных	двигателей,	150—

315 °С — керосин, 150—360 °С — дизельные топлива, легкий и тя­ желый газойли. Неиспарившаяся часть нефти собирается в ниж­ ней части колонны, образуя остаток, который используется либо для приготовления тяжелых топлив, либо поступает в вакуумную установку для последующей переработки.

Дистилляция при вакууме позволяет понизить температурные пределы кипения фракций, что способствует дополнительному их выделению.

В процессе вакуумной дистилляции (2) в диапазоне температур 350—490 °С отбираются фракции, идущие на приготовление ба­ зовых компонентов смазочных масел. Отбираемый из вакуумной колонны погон с наиболее низким пределом кипения представляет собой тяжелый газойль, который может быть использован в каче­ стве основного компонента при производстве тяжелых топлив (ма­ зутов) либо направляется на вторичную, более глубокую обработ­ ку, в установки каталитического или термического крекинга, кок­ сования, висбрейкинга.

В крекинг-процессах тяжелые углеводороды, содержащиеся в тяжелом газойле или остатке, под действием высоких давлений

8*

227

Рис. 7.1. Классический (а ) и современный (б ) процессы переработки нефти (светлые стрелки — дистилляты, темные — остаточные компоненты)

(до 10 МПа) и катализаторов — каталитический крекинг 4 либо высоких температур (450—700 °С) — термический крекинг 3 подвер­ гаются химическим изменениям, сопровождающимся дроблением молекул с образованием легких углеводородов. В результате выход светлых нефтепродуктов увеличивается.

Об эффективности вторичных процессов наглядно свидетель­ ствует табл. 7 .1 , из которой видно, что выход бензинов увеличи­ вается на 30 %, дизельного топлива — на 8 %, а количество остаточ­ ных нефтепродуктов, используемых для приготовления тяжелых топлив, сокращается с 38 до 6 %.

В общем балансе тяжелых нефтяных топлив доля топлив, полу­ чаемых из остаточных продуктов вторичных процессов, непрерыв­ но растет. При этом в силу того, что остатки вторичных процессов есть результат трехкратной обработки (атмосферной, вакуумной и, наконец, крекинга), а также благодаря чрезвычайно жестким усло­ виям протекания процессов крекинга и висбрекинга (Vicebreaking) их остаточный продукт приобретает вязкость около 700 мма/с и в нем сосредоточиваются тяжелые углеводороды со сложной цикли­ ческой структурой, непредельные углеводороды, склонные к поли-

Т а б л и ц а 7.1

Изменения в	вых оде нефтепродукта
в	рез},гльтате

Нефтепродукт

дистилляции и дистилляции, % вторичных

процессов, %

Газовые продукты	2	3
Бензины	18	48
Керосины	7
Дизельные топлива	24	32
Моторные (тяжелые) топлива	38	6
Другие нефтепродукты	11	И

228

меризации и образованию асфальтосмолистых соединений, а также значительные количества серы и ванадия.

Совершенно очевидно, что тяжелые топлива, приготовляемые пу­ тем смешивания этих остатков с керосино-газойлевыми фракция­ ми в целях понижения вязкости, по сравнению с существующими тя­ желыми топливами (классическими мазутами), получаемыми из остатков в атмосферной или вакуумной установке, будут иметь зна­ чительно худшие показатели.

7.2. Эксплуатационные свойства топлив

Общие сведения. В практике эксплуатации судовых энергетиче­ ских установок (СЭУ) часто приходится решать вопросы, связанные с оценкой допустимости и экономической эффективности применения того или иного топлива в двигателях и котлах, выбором способа его обработки, подбором необходимых по качеству масел и пр. Для этого необходимо располагать информацией о свойствах топлива, к числу которых в первую очередь относятся:* вязкость v, плотность р, температура вспышки /всп, застывания / з а с т , содержание компо­ нентов (серы S, ванадия V и натрия Na, воды), кокса по Конрадсону, асфальтосмолистых веществ, механических примесей, золы, алюминия, теплота сгорания QH.

Для оценки качества современных тяжелых топлив, получае­ мых из продуктов вторичной переработки нефти, перечисленных по­ казателей недостаточно. В частности, увеличение содержания в кре- кинг-остатках ароматических соединений, асфальтенов ухудшает их способность к воспламенению и сгоранию. При смешивании та­ ких топлив отмечаются случаи нарушения их стабильности, обу­ словленного высоким содержанием асфальтосмолистых соединений. В продукты каталитического крекинга попадает катализаторная пыль, состоящая из алюмосиликатов, вызывающих интенсивное абразивное изнашивание цилиндров.

В связи с этими обстоятельствами новые международные стандар­ ты на морские топлива (CIMAC, BSI, ISO) дополнены следующими показателями: содержание асфальтенов (взамен содержания асфаль­ тосмолистых веществ), способность к самовоспламенению, стабиль­ ность и совместимость; содержание алюминия.

Вязкость. Одна из важнейших физических характеристик топли­ ва, обусловливающая сопротивление его течению по трубопрово­ дам,—вязкость. В международной системе единицей вязкости кинема­

тической является м2/с или		мм2/с (последняя численно совпадает
с единицей	в сантистоксах,	часто используемой в технических до­
кументах).	Вязкость дистиллятных топлив обычно задается при

20 °С, а тяжелых — при 50 или 80 °С. До введения международной системы единиц вязкость топлив выражалась в градусах условной шкалы (° ВУ) или равнозначных им градусах Энглера (° Е). Для

229

пересчета можно воспользоваться соотношением 1 °Е = 0,132 сСт. За рубежом широко использовались единицы вязкости, выражае­ мые в секундах Редвуда (Red 1) или Сейболта Универсального (SU) при 37,8 °С. Используя номограмму рис. 7.2, можно перевести вязкость из одной системы единиц в другую. На рисунке указаны рекомендуемые пределы вязкости топлив перед ТНВД двигателей малооборотных (линия /), средне- и высокооборотных (2 ); точка а—

топлива перекачиваются		с трудом.
Вязкость нефтяных топлив в зависимости от способа получения
лежит	в очень широких	пределах: от 2 — 1 0 мм2/с (дистиллятные
сорта)	до 400—700 мм2/с	(остатки дистилляции и вторичных про­

цессов нефтепереработки). В зависимости от вязкости топлива подразделяют на маловязкие — вязкостью до 12 мм2/с при 20 °С (2° ВУ); средневязкие — вязкостью от 12 мм2/с при 20 °С до 35 мм2/с при 50 °С (5° ВУ); высоковязкие — вязкостью более 35 мм2/с при 50 °С.

Вязкость нефтепродуктов в большой мере зависит от темпера­ туры, и это обстоятельство широко используют в практике экс­ плуатации для достижения необходимой вязкости путем подогрева топлив. В частности, тяжелые высоковязкие топлива подогревают в танках запаса для обеспечения их текучести при перекачивании, что в свою очередь может быть обеспечено, если вязкость у приемно­ го патрубка не превышает 1000 мм2/с. Подогрев необходим в отстой­ ных и расходных цистернах, перед сепарацией и непосредственно перед ТНВД дизеля или форсунками котла. Используя номограм­ му рис. 7.2, можно выбрать необходимую температуру подогрева топлива, если известны заданная и начальная вязкость.

Вязкость лишь косвенно отражает качество топлив, на миро­ вом рынке вязкость используют в качестве критерия при заказе

топлив и определении			цены на	них, она также				входит в марки­
ровку топлив. Например, IFO-180 означает промежуточное топли­
во вязкостью 180 мм2/с.				р 1°
	Плотность.	Под плотностью			понимается			отношение массы
топлива при +		20 °С к массе воды при + 4 °С, занимающей тот же
объем. За рубежом плотность принято оценивать								при	15 °С. Плот­
ность, заданную при стандартной температуре								20 °С,	пересчиты­
вают к плотности при			температуре		t по формуле
			р, = р |° .— /с ( / — 20),						(7. 1)
где	коэффициент	k следует	принимать: k ~			0,7 при	р‘|°	= 0,82^-0,889; k =
=	0,6 при р2*> =	0 ,8 9 - 0 ,9 6 9 ; k =		0,5	при	р |° =	0 ,9 7 -1 ,0 0 0 .

Плотность, так же как и вязкость, является косвенной харак­ теристикой качества топлив. Топлива большей плотности содер­ жат большее количество углеводородов с более высоким соотноше­ нием С/Н, поэтому для них характерны большие значения коксово­ го числа и содержания асфальтенов. Маловязкие дистиллятные топлива имеют плотность 830—890 кг/м3, плотность средне- и вы­

230