-обычные;

-наддувом. В обычном котле воздух подается вентилятором и в топке создается давление, равное примерно атмосферному. В топке котла с наддувом давление воздуха значительно выше атмосферного создается газотурбокомпрессором, использующим энергию продуктов сгорания;

д) типу топлива

-работающие на жидком топливе;

-твердом;

-газообразном топливе. В судовых установках применяют котлы на жидком топливе. На некоторых газовозах в топках вспомогательных котлов сжигается газ испаряющегося груза;

е) виду источника получения теплоты в котле

-котлы с непосредственным сжиганием органического топлива в топках (главные и вспомогательные котлы на жидком топливе) и утилизационные, работающие на отходящих газах главных двигателей. С целью улучшения массогабаритных показателей КУ в целом оба источника иногда конструктивно совмещают в едином корпусе комбинированного котла (водотрубного, огнетрубного или огнетруб- но-водотрубного).

Рассмотренная классификация не охватывает все признаки, по которым можно различать конструктивные особенности однотипных котлов. Так, водотрубные котлы с естественной циркуляцией, кроме обычной схемы, могут быть выполнены в виде двухконтурной компоновки. Кроме того, обычные водотрубные котлы различаются по принципу отвода дымовых газов - одно- и двухпроточные. Современные котлы имеют односторонний ход газов, т. е. являются однопроточ-ными. По расположению форсунок современные водотрубные котлы могут иметь одноили двухфронтовое отопление, а также отопление с потолочным расположением форсунок.

1.4.ТРЕБОВАНИЯ К КОТЛАМ

Общие показатели качества. Судовой котел, как и любой технический объект, обладает определенным качеством, которое проявляется в множестве свойств. Природные свойства веществ, из которых состоит объект, называют физическими (плотность, теплоемкость, твердость, текучесть и т. д.). У объектов, существование которых обусловлено потребностями общества, появляются дополнительные свойства -потребительские (безопасность, надежность, экономичность, эстетичность и т. д.). Количественные или качественные характеристики свойств называют параметрами. Те параметры, по которым оценивается полезность объекта для общества, имеют общее название -показатели качества.

В настоящее время квалиметрия (отрасль науки, занимающаяся количественной оценкой качества) выделяет несколько групп показателей качества технических объектов - показатели назначения, надежности, экономичности, технологичности, эргономичности (греческие "эргон" - груд, "номос" - закон; эргономика - отрасль знания, изучающая трудовые процессы с целью создания комфортных условий труда), эстетичности, патентоспособности, стандартизации и унификации. В зависимости от назначения и условий использования объекта определяющее значение приобретает та или иная группа показателей. Применительно к судовым котельным установкам основными показателями качества являются показатели назначения, экономичности и надежности.

Показатели назначения. К показателям назначения технического объекта относятся характеристики технического совершенства и степень их соответствия функциональному назначению. Правильный выбор показателей назначения невозможен без анализа рабочего процесса объекта.

Рабочий процесс котла можно рассматривать как состоящий из нескольких отдельных процессов превращения энергии, которые происходят в воздушно-газовом и пароводяном трактах. Носителями энергии являются материальные потоки (воды, топлива, воздуха, пара), взаимодействие которых в элементах котла образует три подпроцесса, неразрывно связанных между собой и составляющих рабочий процесс. Основным из них является сгорание топлива в топке, для реализации которого необходимы непрерывный подвод топлива и воздуха, распыление топлива и образование смеси топливо -воздух, собственно горение и отвод продуктов сгорания (дымовых газов). Процессы сгорания и отвода дымовых газов сопровождаются процессами теплообмена, т. е. передачей теплоты (излучением в топке и конвекцией в газоходе) от продуктов сгорания к нагреваемой среде (воде, пару, воздуху). Одновременно с процессами сгорания и теплопередачи протекают процессы генерации пара в парообразующих элементах, перегрева пара в пароперегревателе и нагрева воды и воздуха в экономайзере и воздухоподогревателе, т. е. те процессы, которые формируют полезный эффект котла - требуемое количество пара с заданными параметрами.

Рис.1.2. Схема материальных потоков во вспомогательном водотрубном котле.

Изложенное хорошо иллюстрируется принципиальной схемой материальных потоков во вспомогательном котле (рис. 1.2). Для любого материального потока, участвующего в рабочем процессе котла, основными параметрами являются давление р и температура t (однозначно определяющие энтальпию), а также расход вещества С, дополнительными - физические характеристики среды (плотность, теплоемкость, концентрация и т. п.).

Рабочий процесс котла формируют три внешних (входных) материальных потока - топлива, воздуха, питательной воды, в результате взаимодействия которых образуются два потока (пара и продуктов сгорания) на выходе. В соответствии с этим различают входные и выходные параметры рабочего процесса, В совокупность выходных параметров включают и параметры, характеризующие процессы взаимодействия входных потоков (скорости движения, коэффициенты теплообмена, геометрические характеристики каналов и т. п.). Эти параметры обычно выделяют в отдельную подгруппу и называют внутренними, или собственными.

Из всех параметров рабочего процесса выделяют технико-экономические, однозначно характеризующие полезный эффект, под которым подразумевается количество создаваемого в единицу времени продукта (в котле -паропроизводительность) определенного качества (в котле - давление и температура пара). Именно эти показатели дают наиболее полное представление о степени соответствия котла его функциональному назначению.

Паропроизводителъность D, кг/ч, является главным показателем, характеризующим нагрузку котла

(см. п. 1.1).

Давление р, МПа, и температура t, "С, характеризуют качество вырабатываемого пара с позиций его соответствия потребителям пара (см. п. 1.1).

Расход топлива В, кг/ч, являющийся линейной функцией паропроизво-дительности, также характе-

ризует нагрузку котла. Но поскольку он зависит от качества топлива, температур воды и воздуха, степени загрязнения поверхностей нагрева и т. п., то целесообразнее использовать показатель В для характеристики экономичности котла (при фиксированном значении D).

Испарительность топлива представляет собой отношение u = D/В, т. е. численно равна количеству пара, производимого при сжигании 1 кг топлива. Очевидно, что чем больше испарительность топлива, тем совершенней (конструктивно и теплотехнически) данный котел. Для современных главных котлов u = 13 - 14 кг/кг (пара/топлива), для вспомогательных - несколько ниже.

Относительное водосодержание котла определяется как отношение количества воды в парообразующих элементах GB, кг, к полной паропроизводительности D, кг/ч, т. е. ω = GВ/D, ч. Физический смысл параметра состоит в том, что он показывает, сколько потребуется времени на испарение всей воды, содержащейся в котле, если его нагрузка будет соответствовать паропроизводительности DK. При этом следует иметь в виду, что в величину GB входит лишь то количество воды, которое содержится в паросодержащих элементах (трубах, экранных коллекторах, водяном и пароводяном барабанах). В экономайзере судового котла вода не доводится до кипения, поэтому ее запас в экономайзере не включается в СВ. Водосодержание, определяющееся в основном геометрическими параметрами котла, характеризует его аккумулирующую способность и, следовательно, инерционность, от которой зависит уровень сложности автоматики. У современных водотрубных котлов ω = 0,25 - 0,4 ч, иногда 0,5-1 ч; у огнетрубных и огнетрубно-водотрубных котлов ω = 1,5 - 2,5 ч и более.

Массогабаритные показатели являются дополнительными характеристиками технического совершенства. Наиболее употребительна из них относительная масса котла - отношение массы к паропроизводительности котла при номинальной нагрузке. Для современных главных и вспомогательных водотрубных котлов с естественной циркуляцией относительная масса составляет 2,5 - 4 кг/(кг/ч), а для утилизационных котлов 10 кг/(кг/ч). Этот показатель, отнесенный только к металлу, для рассматриваемых агрегатов равен 1,5-3,6 кг/(кг/ч).

В качестве габаритного показателя можно использовать относительный объем, м3(кг/ч), котла - отношение объема, определенного по габаритным размерам, к паропроизводительности.

Для морского транспортного судна масса и габарит котла не имеют первостепенного значения и рассматриваются только в связи с конкретным типом судна, когда решаются вопросы о размерах, необходимых для размещения двигателей, котлов и обслуживающего их оборудования.

Для оценки уровня совершенства судовых котлов могут быть также использованы: удельный паросъем -отношение паропроизводительности к площади поверхности парообразующих элементов, (кг/ч)/м2; тепловое напряжение топочного объема - количество теплоты, выделяющейся в единицу времени при сгорании топлива в 1 м3 объема топки, qV, кВт/м3; нагрузка парового пространства - отношение паропроизводительности к объему парового пространства котла, (кг/ч)/м , и др.

Параметры входных потоков не могут непосредственно характеризовать качество котла. Однако последнее зависит от того, как организованы потоки воды, топлива и воздуха в системах, обслуживающих котел. Иными словами, отдельные входные параметры опосредованно характеризуют качество котла, являясь одновременно показателями качества котельной установки. Наиболее информативными являются температуры питательной воды, воздуха и топлива.

Температура питательной воды tПВ оказывающая заметное влияние на экономичность котла, определяется тепловой схемой установки. Во вспомогательных КУ подогреватели питательной воды обычно отсутствуют, и температура питательной воды равна 60 - 70ОС. При более низких значениях tПВ увеличивается растворимость кислорода воздуха в воде в теплом ящике, а при более высоких - неустойчиво работают питательные насосы (обычно центробежные). В паротурбинных установках температура питательной воды может достигать 150-225 "С в зависимости от рабочего давления и с учетом необходимого недогрева воды до кипения в экономайзере.

Температура воздуха, поступающего в топку, влияет на качество сгорания топлива, повышая экономичность и надежность котла. В современных котлах применяют воздухоподогреватели для повышения температуры воздуха, которая может достигать 200 - 250 ОС. При отсутствии воздухоподогревателей температура холодного воздуха составляет 30 - 40 ОС при заборе воздуха из верхней части машинного отделения.

Что же касается температуры топлива перед форсунками, а также собственных параметров рабочего процесса котла, то представляется целесообразным произвести сравнительную их оценку после рассмотрения основных теоретических положений процессов сгорания топлива, теплообмена, парообразования и т. п.

Показатели экономичности. Одним из основных показателей экономичности является коэффици-

ент полезного действия, представляющий собой отношение количества полезно использованной теплоты к количеству теплоты, подведенной к котлу. Это интегральный показатель, так как характеризует соотношение полезного эффекта и затрат на его получение с учетом всех тепловых потерь во время функционирования котла. Подробный анализ факторов, влияющих на КПД, будет выполнен после рассмотрения основных теоретических определений рабочего процесса.

Стоимость котла как показатель качества характеризует первоначальные затраты на его изготовление. Оперировать абсолютным значением стоимости при сравнительном анализе эффективности судовых котлов, построенных в разные годы, нельзя, так как можно получить несопоставимые результаты. Поэтому чаще используют относительные показатели стоимости, базирующиеся на статистических данных о затратах на изготовление котлов с различными параметрами пара. Например, стоимость изготовления главного водотрубного котла с давлением пара 9 МПа на 40 % больше стоимости котла с рк = 4,5 МПа.

Первоначальные затраты на изготовление отечественных водотрубных котлов определяются стоимостью барабанов, коллекторов и парообразующих труб (40-50 % общей стоимости), обшивки (15-25 %), топочных и сажеобдувочных устройств (10-15 %), элементов САР и защиты (до 10 %) и арматуры (3-5 %). У котлов других типов структура стоимости может несколько отличаться от приведенной.

Затраты на техническое обслуживание (профилактику и ремонт) судовых котлов также можно отнести к показателям экономичности. Но так как они обусловлены процессами повреждений элементов котлов, то эти затраты обычно рассматривают как один из важных показателей надежности.

Из изложенного следует, что показатели качества судовых котлов не являются универсальными и могут быть правильно истолкованы только специалистами. Тем не менее они дают возможность сформулировать основные требования, предъявляемые к судовым котлам.

Паровой котел морского судна должен иметь высокую надежность; простую и удобную в обслуживании конструкцию; высокую экономичность; возможно меньшие габарит и массу; высокую готовность к немедленному действию и длительным перегрузкам. Кроме того, судовой котел должен удовлетворять требованиям эргономич-ности, эстетичности, технологичности, патентоспособности, стандартизации и унификации.

Контрольные вопросы и задания.

1.Перечислить потребители пара машинные и общесудовые.

2.Дать классификацию судовых котлов.

3.Каковы основные требования, предъявляемые к судовым котлам?

4.Назвать основные показатели судовых котлов.

5.В чем заключается сущность принципа термодинамической целесообразности, лежащего в основе выбора параметров пара?

2. ТОПЛИВО ДЛЯ СУДОВЫХ КОТЛОВ.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА

2.1. ВИДЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВА

Топлива, которые сжигаются в топках котлов, можно разделить на три основных вида: жидкое, твердое и газообразное. В судовых установках используют жидкое топливо. В главных котлах применяют мазут, а во вспомогательных - в основном топочный мазут, иногда другие сорта нефтяного топлива, а также газы, выделяющиеся при испарении жидких грузов. В настоящее время в связи с большой разницей в цене на жидкое топливо и уголь в зарубежной практике появились паротурбинные суда, установки которых оборудованы паровыми котлами на угольном отоплении.

Все виды жидких топлив получают путем фракционной перегонки сырой нефти при температуре около 300 °С. Сырая нефть представляет собой смесь различных органических соединений, причем основой ее являются предельные углеводороды (СпН2n+2, где п -число атомов углерода), а кислородо-, серо- и азотосодержащие соединения не превышают 10-20 %. Как известно, предельные углеводороды при n = 1 - 4 (метан СН4 этан C2H6, пропан C3H8 и бутан С4Н10) и нормальных условиях являются газами, при n = 5 - 16 - жидкостями, а при n > 16 - твердыми телами. Поэтому химический состав сырых иефтей образуется в основном органическими соединениями с n ≥ 5, причем содержание высокомолекулярных соединений (п > 16 - 20) относительно невелико. Кроме органических, в состав нефтей входят и минеральные соединения различных элементов (натрий, калий, кальций, ванадий, магний, сера и др.), а также вода (влага топлива) и механические примеси.

Мазуты, применяемые в судовых котлах, получают путем смешения (компаундирования) тяжелых остатков перегонки нефти или крекинга нефтепродуктов с маловязкими компонентами нефти.

Характерной особенностью мазутов является повышенное (до 10-15 %) содержание в них асфальтосмолистых веществ (асфальтенов, карбенов и карбоидов), представляющих собой продукты окисления нейтральных смол. Карбены и карбоиды содержатся а мазутах в твердом состоянии и отличаются высокой зольностью. Карбоиды часто называются коксом, так как они не растворяются ни в каких растворителях и являются основой образования сажи при сгорании топлива.

Выход золы (обозначается А) при сжигании мазутов не превышает 0,1-0,3 %. Зола мазутов представляет собой продукт преобразования (окисления) солей, перешедших в тяжелые остатки из нефти при ее перегонке. Как правило, это соли щелочных и щелочноземельных металлов, растворенные в поде, извлекаемой из пластов вместе с нефтью. Кроме того, часть золы образует металлоорганические соединения, входящие непосредственно в структуру компонентов нефти (в первую очередь в состав асфальтосмолистых веществ).

Содержание воды (влагосодержание WP) в мазутах колеблется в широких пределах: от 0,5-1 до 3-5 %. Обводнение мазутов происходит в основном в процессе транспортирования и бункеровки.

Для характеристики химического состава жидких топлив на практике обычно определяют химический элементарный состав, что позволяет рассчитывать тепловой и материальный балансы горения топлива.

Массу топлива в том виде, в каком оно сжигается в топках котлов, принято называть рабочей, элементарный химический состав которой выражается следующим образом, %:

C P + H P +OP + N P + SПP + AP +W P =100

(2.1)

При расчетах теплового и материального балансов используют также сухую (обезвоженную, WP = 0) и горючую (WP = 0 и АP = 0) массы. Пересчеты состава топлива с одной массы на другую достаточно просты и не вызывают затруднений. Например, пересчет с горючей массы на рабочую осуществляется умножением содержания элемента в горючей массе на коэффициент: [100-(AР+WP)]/100.

Горючими составляющими топлива являются углерод С (теплота сгорания 33,7 МДж/кг), водород Н (10,8 МДж/кг) и сера летучая Sn (9,3 МДж/кг), представляющая собой сумму органической S0 и колчеданной SK серы. Негорючая сера находится в виде сульфатов. Сульфаты (соли серной кислоты) являются предельными окислами серы, вследствие чего эта часть серы топлива не горит.

Кислород О и азот N входят в состав высокомолекулярных соединений и являются органическим балластом, так как их наличие уменьшает содержание горючих элементов в топливе. Кроме того, кислород находится в соединении с горючими элементами и поэтому уменьшает теплоту сгорания топли-

ва.

Элементарный химический состав рабочей массы топлива задается в процентах к 1 кг топлива и в

зависимости от его качества может быть следующим, %: ОP = 82 - 86; НP = 10,5 - 11,5; SPП = 0,5 - 3,5; NP = 0,2 - 0,3; ОP = 0,3 - 0,5; WP = 1 - 3; АP = 0,1 - 0,3.

Основной теплотехнической характеристикой любого топлива является теплота сгорания, равная количеству теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1 кг топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания.

Высшая теплота сгорания QPB равна количеству теплоты, выделившейся при полном сгорании 1 кг топлива при условии охлаждения продуктов сгорания до температуры конденсации содержащихся в них водяных паров.

Низшая теплота сгорания меньше высшей на значение теплоты образования водяных паров, т. е.

	QHP = QBP −b	9H P +W P	(2.2)
		100

где b = 2510 кдж/кг — теплота образования водяных паров.

Так как в паровых котлах продукты сгорания топлива покидают поверхности нагрева с температурой, большей температуры конденсации водяных паров, то в тепловых расчетах используют низшую теплоту сгорания. Для мазутов низшая теплота сгорания обычно лежит в пределах 39,4-40,7 МДж/кг (причем нижний предел для высокосернистых мазутов, верхний - для малосернистых).

К важным характеристикам жидких топлив относятся вязкость, поверхностное натяжение и температуры застывания, вспышки и воспламенения.

Вязкость - основная техническая характеристика мазутов, так как определяет качество распыления. Она положена в основу их маркировки, например мазут 40 имеет вязкость 40 °ВУ при температуре 50 °С. Единицы (градусы) условной вязкости определяются, как отношение времени истечения 200 см3 мазута при 50 °С к времени истечения того же количества дистиллированной воды при 20 ОС через калиброванное отверстие вискозиметра. Условные градусы вязкости обычно используют при выборе температуры подогрева мазутов и сравнительной характеристике их качества. Для хорошего распыления мазут должен иметь определенные температуру и давление, которые зависят от марки мазута и типа форсунки. При вязкости мазута более 5 "ВУ качество распыления резко ухудшается даже при высоком давлении. Современные судовые котлы оборудуют специальными регуляторами вязкости, поддерживающими необходимую температуру подогрева топлива.

При гидродинамических расчетах обычно используют абсолютные показатели - динамическую (Па·с) и кинематическую (м2/с) вязкость. Соотношение между единицами вязкости хорошо иллюстрируется номограммой для определения вязкости в зависимости от температуры (рис. 2.1).

Плотность мазутов определяется химическим и фракционным составами: чем выше содержание высокомолекулярных соединений и асфальтосмолистых веществ, тем больше плотность. Плотность мазутов связана также с вязкостью, что позволяет приближенно оценивать качество распыления топлива даже в том случае, когда нет сведений о вязкости.

Безопасность и надежность использования жидких топлив определяются температурами вспышки и воспламенения. При температуре вспышки, определяемой специальными приборами, выделяется количество паров легких фракций, достаточное для воспламенения при соприкосновении с открытым пламенем, но недостаточное для продолжения горения при удалении источника пламени. При температуре воспламенения выделившихся паров топлива достаточно для продолжения горения в течение не менее 5 с после удаления источника пламени.

Температура вспышки у сырых нефтей весьма низкая - до 30-50 °С. У мазутов в зависимости от метода их получения и месторождения нефти она составляет 100-200 °С. Температура воспламенения мазутов на 10-30 "С выше температуры вспышки. Допустимая температура вспышки для мазутов, сжигаемых в топках судовых котлов, должна быть не ниже 80 °С.

Условия хранения и эффективного использования мазутов на судах во многом определяются температурой застывания, при которой мазут теряет естественную текучесть. Температура застывания мазутов, сжигаемых в топках судовых котлов, должна быть не выше 5 - 10"С.

Важно выделить еще две характеристики мазутов, которые во многом влияют на процессы распыления топлив и образования горючей смеси: коэффициент поверхностного натяжения σ и температуру кипения мазута. При температуре 80-100 °С можно принягь σ = 0,03 Н/м.

Температура кипения характеризует процесс устойчивого образования паров на поверхности капли

топлива и, следовательно, определяет интенсивность перемешивания паров топлива и воздуха. Так, для

дизельных топлив tКИП = 270 - 360 °С, для мазутов tКИП > > 360 °С. При этом, однако, следует иметь в виду, что в мазутах содержится некоторое количество легких фракций нефтепродуктов, которые начи-

нают испаряться при значительно более низких температурах: у бензинов 40 - 180 "С, у керосинов 180 - 270 "С.

Рис.2.1. Соотношения между единицами вязкости в зависимости от температуры топлив, применяемых для главных и вспомогательных котлов.

1 – дизельное топливо ДЛ, ДС; 2 – солярное масло; 3 – топливо для локомотивных газотурбинных двигателей; 4,7 – моторные топлива ДТ и ДМ; 5,6 – мазуты флотские Ф5 и Ф12; 8 – мазут топочный 40; А – экономически оправданный придел вязкости топлив при их перекачивании; Б – обычный диапазон вязкости топлив при использовании механических распылителей.

2.2. ПРИЕМ, ХРАНЕНИЕ И РАСХОДОВАНИЕ ТОПЛИВА НА СУДНЕ

Прием топлива на судно производится либо непосредственно с береговой установки (нефтебазы), либо с помощью специального судна - бункеровщика. Качество жидкого топлива зависит от условий хранения его на нефтебазе, транспортировки и бункеровки на судно.

Качество принимаемого на судно топлива подтверждается соответствующим документом (сертификатом, паспортом). Количество топлива определяют замером, для чего приемные цистерны (бункеры) должны быть оборудованы мерными трубами. Кроме того, вся топливная система должна полностью удовлетворять требованиям Правил Регистра (ч. VII Системы и трубопроводы). Необходимо иметь в виду, что в современных условиях предъявляются строгие требования к процессу бункеровки, исключающему перелив и потерю топлива за борт, так как это может вызвать загрязнение акватории нефтепродуктами.

Уровень топлива в танках должен соответствовать требованиям, определяемым остойчивостью судна. При этом должно исключаться заполнение вентиляционных и мерных труб.

В табл. 2.1 приведены основные характеристики жидких органических топлив, поставляемых отечественной промышленностью и используемых в судовых котлах. Важно отметить, что содержание асфальтосмолистых веществ в мазутах марок Ml00, М40, М40В, Ф12 и Ф5 стандартом не нормируется.

При использовании таких топлив на судах, когда происходит смешение принимаемого на борт топлива с оставшимся в цистернах, возможны интенсивное осадкообразование смолистых компонентов и расслоение смешанных топлив, что резко ухудшает качество их распыления и сжигания.

Таблица 2.1

Показатель	М100	М40	М40В	Ф12	Ф5	СВЛ	СВТ	СВС
Плотность при 20 0С, кг/м3 ,(не	1015	970	945	-	-	965	995	1015
более)
Вязкость , мм2 /с (не более)
при температуре, 0С							260	650
50	650	260	170	89	36,2	37
80	118	59	43,8	-	-	14	60	120
Механические примеси % (не							0,3	0,6
более)	1,5	0,8	0,07	0,12	0,1	0,1
Содержание воды , % (не бо-							1,0	1,0
лее)	1,5	1,5	0,3	0,3	0,3	0,5
Содержание серы, % (не бо-						1-2,5	2-3,5	5,0
лее)	0,5-3,5	0,5-3,5	0,5-2,0	0,6	2,0
Зольность , % (не более)	0,14	0,12	0,04	0,1	0,05	0,05	0,15	0,15
Температура, 0С						65	90	100
вспышки (не ниже)	110	90	90	90	80
застывания (не выше)	+25	+10	+10	-8	-5	+5	+15	+25
Коксуемость, % (не более)	-	-	-	-	-	7	15	22

Разработаны технические условия ТУ 38 1011314-90 на поставку унифицированных судовых высоковязких топлив, по своим физико-химическим свойствам близких стандартным мазутам. По техническим условиям их подразделяют на топлива марок СВЛ (судовое высоковязкое легкое), СВТ (тяжелое), СВС (сверхтяжелое), соответствующие мазутам традиционных марок Ф5, Ф12, М40 и Ml00. Унифицированные судовые высоковязкие топлива СВЛ, СВТ и СВС поставляются и используются на судах морского, речного и рыбопромыслового флотов наряду со стандартными мазутами. При бункеровке судов за рубежом следует иметь в виду, что по Международному стандарту 8217 топлива классов РМА10, РМВ-10 и РМС-10 по своим физико-химическим показателям примерно соответствуют отечественному топливу марки СВЛ, а классов РМ-15, РМЕ-25 и РМГ-25 - топливу марки СВТ.

Для хранения принятого топлива применяют специальные танки (бункеры), которые на судне размещают в междудонном пространстве и по бортам. Топливные бункеры могут быть предусмотрены в носу, корме и в средней части судна в зависимости от его назначения и общего расположения энергетической установки. Некоторые топливные танки для удобства эксплуатации имеют увеличенный размер по высоте, поэтому их называют глубокими или диптанками.

Наиболее удобно использовать для хранения топлива междудонные отсеки, которые малопригодны для других целей. Однако хранить весь запас топлива в междудонных танках не допускается из-за опасности потери топлива и загрязнения моря в случае аварийной посадки на мель или выброса его на камни. В связи с этим около половины запаса топлива, принимаемого на судно, должно храниться в диптанках. Запрещено хранение топлива в танках, расположенных под котлами.

Расходование топлива на судне происходит из отстойнорасходных цистерн. На судне обычно предусматриваются две отстойнорасходные цистерны, вместимость которых в зависимости от назначения судна равна примерно расходу топлива за 12-24 ч. В этих цистернах благодаря подогреву мазута, снижающего его плотность, производятся отстой и удаление воды и других примесей.

Подогревают топливо паром, давление которого в змеевиках по Правилам Регистра не должно превышать 0,7 МПа, а максимальная температура в цистернах должна быть не менее чем на 10 °С ниже температуры вспышки топлива. Цистерны должны иметь устройства для измерения уровня (мерные стекла, поплавковые или другие специальные приборы).

Особое значение имеет выполнение всех требований пожарной безопасности в процессе приема топлива на судно. Принципиальная схема топливной системы судовой КУ приведена на рис. 1.1.

2.3. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА И ЭНТАЛЬПИЯ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ.

Материальный баланс процесса горения топлива. Горение представляет собой химический процесс окисления органических соединений топлива, в котором окислителем является кислород воздуха. При этом участвующие в горении вещества должны находиться в активированном состоянии (в виде атомов, радикалов, окислов и перекисей), когда они лишены части защитной поверхностной электронной оболочки, т. е. имеют свободные валентности. В связи с этим до начала горения молекулы органических соединений топлива и окислителя должны пройти определенную подготовку, когда вследствие подвода к ним энергии происходят разрушение высокомолекулярных соединений на более простые (вплоть до атомарного состояния) и протекание элементарных реакций с окислителем. Сложность протекающих при этом реакций и их высокие скорости сильно затрудняют изучение данного периода.

Процесс горения органического топлива можно рассматривать состоящим из отдельных элементарных актов горения углерода С, водорода Н и серы SЛ. При расчетах теплового эффекта используют стехиометрические уравнения горения, в которых реагирующие вещества измеряются в киломолях (кмоль - это такое количество вещества, масса которого, выраженная в килограммах, численно равна молекулярной массе). Сгорание топлива считается полным, если образуются соединения СО2, Н20, SО2 при сгорании соответственно С, Н2, S.

Стехиометрия (от греческих слов "стехио" - элемент и "метрия" - измеряю) - это область термохимии, к которой отнесены законы количественных соотношений между реагирующими веществами и вывод уравнений химических реакций. Основной закон термохимии, согласно которому тепловой эффект реакции не зависит от промежуточных стадий, а определяется лишь начальным и конечным состоянием системы, был открыт в 1840 г. русским химиком акад. Г. И. Гессом. Таким образом, для оценки теплового эффекта, связанного с рассмотрением сложного процесса сжигания топлива в топке котла, нет необходимости знать, какие химические реакции и в какой последовательности происходят. Согласно закону Гесса, требуется лишь знать начальное состояние системы топливо - воздух и конечное состояние ее - продукты сгорания. Образующиеся газообразные вещества (продукты сгорания) рассчитывают в кубических единицах (м3), приведенных к нормальным (стандартным) условиям, которые соответствуют температуре О "С, давлению 0,101 МПа (760 мм рт. ст.) и влажности 0 %.

Вначале из стехиометрических соотношений определяют объем кислорода, требуемый для сжигания соответственно С, Н и S, а затем их суммируют и, вычитая кислород, который содержится в топливе, получают объемную долю кислорода, необходимую для сжигания 1 кг топлива. Это позволяет подсчитать теоретическое количество воздуха, который подводится для сжигания топлива Таким образом, использование стехиометрических соотношений позволяет составить следующие зависимости для сгорания углерода:

С +O2 = CO2 +QC	(2.3)
1мольС +1мольО2 =1мольСО2	(2.4)

Согласно закону Авогадро, при нормальных условиях 1 кмоль имеет объем 22,4 м3, а С02 - 22,29 м3, поэтому уравнения (2.4) можно записать в виде

12кгС + 22,4м3О2 = 22,29 м3СО2	(2,5)
При сгорании 1 кг углерода:
1кгС +1,866 м3О2 =1,866 м3СО2 +35700кДж	(2,6)

В 1 кг рабочей массы топлива согласно уравнению (2.1) содержится СР/100 кг углерода, поэтому из уравнения (2.6) можно определить объемное количество кислорода, необходимого для сгорания углерода в 1 кг топлива, а также образовавшегося при этом углекислого газа, м3/кг:

V CP =1,866		CP	(2,7)
O2	100

VCO2

=1,866

C P

(2,8)

При сгорании серы

100

S +O2

= SO2 +QS

(2,9)

Применяя здесь те же рассуждения и учитывая, что объем 1 кмоля сернистого ангидрида S02 равен

21,89 м3, получим:

При сгорании 1 кг серы

32кгС +22,4О2 = 21,89SO2

(2,10)

1кгS +0,7m3O = 0,685SO

2

+9220кДж

(2,11)

2

По аналогии с уравнениями (2.7) и (2.8) получим:

SЛP

SЛP

(2,12)

VO2 = 0,7

100

V

= 0,685

SЛP

(2,13)

SO2

100

При сгорании водорода:

(2,14)

2H2 +O2

= 2H2O +QH

4кгH2 +22,4O2 = 36кгH2O

(2,15)

При сгорании 1 кг водорода:

143000кДж

1кгH

2

+5,61m3O

= 9кгH

2

O +

(2,16)

2

120000кДж

В правой части уравнения (2.16) в числителе количество теплоты, если H2O - вода, а в знаменателе,

если H2O -пар. Из уравнения (2.16), используя соображения к формуле (2.6), получим, м3/кг:

V H P

= 5,61

H P

(2,17)

O2

100

9H P

1

H P

V H P

=

=11,2

(2,18)

H2O

100

0,804

100

где 0,804кг/м3 – плотность водяных паров Следует отметить, что для упрощения расчетных преобразований при рассмотрении стехиометриче-

ских уравнений принято округлять значения в уравнениях (2.5), (2.10) и (2.15): для углерода 12 кг вместо 12,01, для серы 32 кг вместо 32,06, для водорода 1 кг вместо 1,008 и для воды 36 кг вместо 36,032. Принятые допущения не изменили, конечно, значений обычно принятых величин в окончательных расчетных формулах. Полученные зависимости (2.7), (2.12) и (2.17), а также известное количество кислорода в топливе согласно формуле (2.1) ОР/100 кг/кг позволяют получить суммарный теоретический объем кислорода, необходимый для полного сгорания 1 кг топлива,

V O =1,866		C P			S P			H P		OP
			+0,7		Л	+5,6			−
										(2,19)
O2	100			100			100
										100PO2 '

где PO2 =1,44 кг/м3

Для горения топлива подводится воздух, в котором содержится кислорода по объему около 21 %, поэтому теоретически необходимое количество воздуха после несложных преобразований в формуле (2.19) может быть определено по уравнению

		V 0
		O2		= 0,0889(CP +0,375SЛP ) +0,265H P −0,0333OP					(2,20)
	0,21
	Здесь один из членов правой части содержит сумму СP + 0,375SPЛ которую обозначают KP и обычно
	называют приведенным углеродом, %:								(2,21)
				K	P	= C	P	P
								+ 0,375SЛ

Эта зависимость удобна при выполнении расчетов в связи с тем, что при полном сгорании углерода и серы образуются трехатомные газы С02 и S02, объемы которых определяют по уравнениям (2.8) и (2.13), а сумму их часто обозначают VRO2 м3/кг

VRO2 =VCO2 +VSO2	(2,22)
Суммарный объем VRO рассчитывают по формуле (2.8), в которой величину Ср заменяют на Kр, т. е.

	VRO2 =	1,866K P
			(2,23)
		100

С учетом принятого обозначения (2.21) расчетное уравнение (2.20) для теоретического объема воз-

духа, мэ/кг, необходимого для сгорания 1 кг топлива, примет вид					(2,24)
V 0 = 0,0889K P +0,265H P −0,0333OP
Величина V0 может быть оценена с достаточной для практических расчетов точностью по эмпири-
ческой формуле			0,262QHP
V	0	=			(2,25)
			1000

Действительное количество воздуха VД, необходимого для сжигания 1 кг топлива, всегда больше V0, так как практически невозможно создать идеальные условия окисления каждой молекулы горючих элементов топлива

Отношение α = VД/V° > 1 называется коэффициентом избытка воздуха и является одной из важных теплотехнических характеристик котла. Он зависит от вида топлива, качества его распыления, технического совершенства топочных устройств, нагрузки котла, температуры воздуха и т. п. Для вспомога-

тельных котлов α = 1,15 - 1,3 на номинальных нагрузках, для современных главных α = 1,03 - 1,1
Если известна величина α, то можно определить объем продуктов полного сгорания 1 кг топлива, в
состав которых входят продукты сгорания углерода VCO	2	и серы VSO	азот топлива VNT и азот, находя-
		2	2
щийся в теоретически необходимом количестве воздуха V 0 , водяной пар (состоящий из пара, обра-
		N2

зующегося при испарении влаги топлива V W P	и в результате полного сгорания водорода топлива V H P			,
H2O			H2O
пара, вносимого в топку влажным воздухом V α		и на распыление мазута V M	), а также избыточно по-
	H2O	H2O
0		изб
данный в топку воздух (α = 1)V и находящийся в нем водяной пар VH2O .

Отсюда следует, что объем продуктов полного сгорания Vг равен сумме объемов сухих газов VСГ. и водяных паров VH2O . Так как в действительности сгорание никогда не бывает полным и всегда имеются

продукты неполного сгорания углерода СО (предполагается, что водород, метан и другие горючие газы сгорают полностью), то объем сухих газов будет, ,м3/кг,

		V =V +V		+V +V 0 +(α −1)V 0 +V CO		(2,26)
где: V	и V CO	СГ	CO2	SO2 CO N2	O2
		- соответственно объемы окиси углерода и кислорода, необходимого для ее дожига-
CO	O
	2

ния Аналогично уравнениям (2.3) - (2.8) можно показать, что на дожигание 1м3 СО требуется 0,5 м3 02,

т. е. V CO = 0,5 VС0.

O2

Сумма V 0 + (α −1)V 0 + 0,5V	CO	равна сумме общего количества азота и кислорода, содержащегося в
N2

избыточном воздухе, т. е. VN2 +VO2 . Так как в воздухе содержится 79 % азота к 21 % кислорода, то, пре-

небрегая азотом топлива, так как он составляет менее 0,05 % общего количества N2, можно записать:

V

N

+V

= 0,79αV 0 + 0,21(α −1)V 0 = (α −0,21)V 0 . Так как V

+V

SO

+V

CO

=

1,866K P

то,

O

CO

100

2

2

2

2

VСГ

=

1,866K P

+(α −0,21)V 0

(2,27)

100

Выразив составляющие продуктов сгорания в процентах от объема сухих газов, т. е. RO2 = 100VRO2

VСГ

CO =

100VCO

, можно записать:

VСГ

VСГ

=1,866

K

P

(2,28)

RO2

+CO

Общий объем водяных паров при V M

= 0 будет V

H

2O

=V H P

+V W P +V α

, или

H2O

H2O H2O H2O

V

H2O

=

1

9H P

+

1

W P

+

1,293αV 0d

0,804

100

0,804 100

0,804

где 0,804 и 1,293 – плотность соответственно водяных паров и воздуха, кг/м3; d=10 г/кг = 0,01 кг влаги/кг воздуха – содержание влаги в воздухе.

Таким образом, полный объем водяных паров, образующихся при сгорании 1 кг топлива,

VH2O = 0,0124(9H P +W P ) +0,0161αV 0	(2,29)
Полное объемное количество продуктов сгорания, мэ/кг,
VГ =VСГ +VH 2O	(2,30)

Масса продуктов сгорания Сг, кг/кг, равна сумме обезвоженной массы топлива и воздуха, подавае-

	мого для горения,			AP
	GГ =1−						+1,306αV 0			(2,31)
			100
	Парциальное давление RO2 и Н20:					VRO2
	pRO2	= p							= prRO2
						VГ
	pH 2O	= p			VH 2O				= prH2O
						Vr

где : rRO2 и rH2O - объемные доли трехатомных газов и воды

Коэффициент избытка воздуха, характеризующий совершенство топочного процесса, во многом определяет экономичность и надежность судовых котлов, поэтому при теплотехнических испытаниях котлов обязательно определение численных значений коэффициента избытка воздуха на различных нагрузках котла. Для этого производят химический анализ дымовых газов с помощью различных приборов. До настоящего времени при теплотехнических испытаниях широко применяют газоанализатор типа Орса, позволяющий достаточно точно определять процентное содержание R02 и 02 в дымовых газах. Содержание окиси углерода СО при этом рассчитывают по формулам, так как измерение его сильно затруднено.

В основе химического анализа газов лежит положение о том, что избыток воздуха полностью определяется содержанием кислорода в дымовых газах (не вступившим в реакцию с горючими элементами топлива), т. е.

	O =	VOn	100 = 21(α −1)	V 0	+0,5CO
		2
		V		V
	2
		СГ		СГ

Поскольку второй составляющей воздуха является азот N2 = 79αV 0 то, решив совместно два по-

VСГ

следних уравнения относительно α, получим:

	α =			21N2	(2,32)
			21N2 −79(O2 +0.5CO)
	Из изложенного следует, что N2 = 100 - (R02 + 02 + СО), и выражение (2.32) преобразуется к виду
	α =			1		(2,33)
			1	−3,76(O −0,5CO)
				2

100 −(RO2 +O2 ) −CO

Это - основное расчетное уравнение для определения коэффициента избытка воздуха по данным химического анализа дымовых газов с помощью газоанализатора типа Орса. Однако для использования выражения (2.33) необходимо предварительно рассчитать содержание СО:

CO =	(21	− βRO2 ) −(RO2	+O2 )
		β + 0,605		(2,34)

где β — характеристика топлива, равная для большинства жидких топлив 0,28—0,32 (нижний предел для высокосернистых тяжелых мазутов, верхний - для флотских мазутов и дизельных топлив).

Как следует из выражения (2.34), при СО = 0 (т. е. полном сгорании содержание трехатомных газов

	(при α > >1)	21	−O2
	RO2 =					(2,35)
		1+ β
	Если бы удалось осуществить идеальный процесс сжигания (при α = 1), то 02 = 0 и содержание R02
	стремилось бы к максимально возможному для данного топлива значению:
	(RO2 )max =		21			(2,36)
			1+ β

Так как содержание кислорода в дымовых газах при полном сгорании определяется только избыт-

ком воздуха , то очевидно, что приближенно можно принимать
α =	(RO2 )max		(2,37)
	RO2

Отметим, что выражение (2,37) дает достаточно точное значение α при СО ≤ 0,2 – 0,3 % . если в формулу (2,37) подставить значение α и (RO2)max из (2,35) и (2,36) , то получим еще одну приближенную формулу позволяющую оценивать коэффициент избытка воздуха по содержанию кисло рода в дымовых

	газах.	21
	α =
		(2,38)
		21 −О2

Энтальпия дымовых газов. Составление материального баланса процесса сгорания жидкого топлива и определение коэффициента избытка воздуха необходимы для расчета энтальпии дымовых газов - количества теплоты, которое получают продукты сгорания топлива при постоянном давлении I г, кДж/кг. Энтальпия газов при заданной температуре

			IГ = IГ0 +(α −1)IB0 + IHα	2O	(2,39)
где I Г0	, IB0 — теоретические (при α = 1) энтальпии соответственно дымовых газов и воздуха;
I α		~ энтальпия водяных паров, содержащихся в избыточном воздухе (при влажности d = 10 г/кг).
H2O
Величины правой части уравнения (2.39) рассчитывают по формулам:
		0	0		(2,40)
		IГ	=VRO2 (ct)CO2 +VN2 (ct)N2 +VH2O (ct)H2O