TITVM_Texty_2[1]

8. Сера в топливе. Во-первых, наличие серы понижает теплоту сгорания. Во-вторых, образующиеся в результате сгорания серы сернистый и серный ангидриды, вступая в реакцию с водой (продукт сгорания водорода), образуют сернистую и серную кислоты в соответствии с реакциями

SO₂ + H₂O = H₂SO₃ ; SO₃ + H₂O = H₂SO₄ ,

которые оказывают коррозионное воздействие на детали цилиндро-поршневой группы и на элементы, расположенные по ходу газовыпуска (выпускные клапаны, коллекторы, утилизационные котлы, трубопроводы газовыпускной системы). Сера способствует также отложению нагара.

9. Вода в топливе вызывает коррозию элементов топливной аппаратуры. Недопустимо присутствие морской воды в топливе. Содержание воды в малых количествах (до 10%) повышает вязкость топлива, в больших – понижает. Снижается теплота сгорания.

Имеются сведения о положительном опыте применения на судах водотопливных эмульсий (ВТЭ), приготавливаемых на судне непосредственно перед подачей в двигатель с помощью специальной аппаратуры. При этом количество воды в топливе доходит до 10..15% (обычно 5…7%). Механизм действия ВТЭ приблизительно следующий. Распыленная ВТЭ представляет собой капли воды, покрытые оболочкой топлива. При попадании в камеру сгорания вода внутри капли топлива закипает раньше, чем испаряется топливо, и разрывает топливную оболочку, способствуя лучшему перемешиванию топлива с воздухом. Это повышает экономичность двигателя. Как показали исследования, при использовании ВТЭ снижаются также теплонапряжённость дизеля, нагарообразование на деталях ЦПГ ("моющий" эффект), дымность и токсичность отработавших газов. Вода, содержащаяся в ВТЭ, не вызывает коррозии топливной аппаратуры вследствие того, что капли воды окружены слоем топлива.

10. Механические примеси органического происхождения могут вызвать зависание плунжеров и форсуночных игл в направляющих. Кроме этого, карбены и карбоиды, попадая в цилиндры двигателя, способствуют образованию нагаров на стенках камеры сгорания, на поршне и в выпускном тракте. В силу своей незначительной твёрдости они мало влияют на изнашивание топливной аппаратуры.

Механические примеси неорганического происхождения являются абразивными частицами и могут вызвать не только зависание подвижных частей прецизионных пар, но и абразивное разрушение притёртых посадочных поверхностей клапанов, форсуночной иглы и распылителя, износ сопловых отверстий и соответствующее ухудшение характеристик впрыска.

11. Кокс. При использовании топлива с высоким содержанием кокса резко возрастает нагарообразование. Отложения кокса в канавках поршневых колец вызывают уменьшение подвижности последних вплоть до полного залегания, что грозит задиром цилиндровой втулки. Отложения кокса на выпускных трактах ДВС и лопатках газовых турбин вызывают ухудшение процессов продувки цилиндров и снижают к.п.д. газовых турбин.

12. Зола. Содержит в своём составе твёрдые частицы, которые вызывают повышенный абразивный износ трущихся деталей.

13. Алюминий и кремний. Соединения окислов алюминия и кремния (алюмосиликаты) являются весьма твёрдыми веществами, вызывающими сильнейший абразивный износ. Достаточно сказать, что абразивные круги, применяемые для заточки режущего инструмента и шлифовальных операций, содержат в своём составе алюмосиликаты.

14. Натрий и ванадий. При одновременном содержании натрия и ванадия в топливе они входят в реакцию с образованием ванадатов натрия, температура плавления которых около 625°С. Эти получившиеся вещества вызывают размягчение слоя окисла, который защищает металлическую поверхность деталей, и тем самым приводят к повышенному износу, особенно выпускных клапанов, лопаток газовых турбин, трубок пароперегревателей в паровых котлах. Содержание натрия должно быть не более 1/3 содержания ванадия.

Даже при малых содержаниях натрия образуется пятиокись ванадия, действующая подобно ванадатам, но имеющая более высокую температуру плавления (около 675°С). Для того, чтобы избежать проблем высокотемпературной коррозии, важно удалить из топлива водорастворимые соли натрия, что достигается промывкой топлива водой с последующей сепарацией.

Ванадиевые соединения полностью растворимы в топливе и трудно удаляемы. Их действие может быть ослаблено включением в топливо присадок, которые вступают в реакции с ванадием в процессе сгорания, образуя соединения, температура плавления которых выше, чем у пятиокиси ванадия и ванадатов. Чаще всего для этих целей используется магний. Он добавляется в топливо в виде органического или неорганического раствора сульфата магния. В этом случае образуется ванадат магния, температура плавления которого выше 1000°С. Недостаток использования магниевых присадок в том, что при этом усиливается тенденция к образованию зольных отложений на лопатках турбин. Содержание ванадия в газотурбинных топливах по стандартам СНГ ограничивается величиной 4 ррм, тогда как многие топлива, поставляемые с американского континента, содержат ванадий в количестве 300…500 ррм (1ррм =10^-6).

15. Цетановое число (ЦЧ). Чем выше ЦЧ, тем меньше время задержки самовоспламенения топлива в цилиндре двигателя. Это означает, что к моменту самовоспламенения меньшая часть топлива из цикловой подачи окажется в цилиндре. При этом скорость нарастания давления в цилиндре будет ниже, и двигатель будет работать менее "жёстко". При малых ЦЧ жёсткость работы двигателя возрастает, приводя к повышенным нагрузкам на подшипники

деталей движения и ускоряя их износ.

Для нормальной работы малооборотного ДВС ЦЧ может быть 30…40, для среднеоборотного – 35…50, для высокооборотного – 45…60.

СТАБИЛЬНОСТЬ И СОВМЕСТИМОСТЬ ТЯЖЁЛЫХ ТОПЛИВ

Упомянутое ранее ухудшение качества судовых тяжёлых топлив связано с ростом использования остаточных продуктов крекинг-процессов. При этом значительно увеличивается доля асфальто-смолистых продуктов в тяжёлых топливах, что вызывает ряд эксплуатационных проблем при топливоподготовке и при хранении топлива. Осложнения проявляются в образовании отложений в топливных цистернах, фильтрах, подогревателях топлива, сепараторах, а также приводят к отказам в работе топливной аппаратуры.

Тяжёлое остаточное топливо является сложной дисперсной системой. Коллоидные частицы состоят из высокомолекулярных соединений типа асфальтенов и твёрдых парафинов и окружены поверхностными слоями (сольватными оболочками) низкомолекулярных соединений. Асфальтены являются твёрдыми веществами, хорошо растворимыми в ароматических углеводородах и плохо растворимыми в других компонентах нефти, и составляют наиболее тяжёлую часть топлива. В зависимости от фракционного состава топлива асфальтены либо образуют истинные растворы, либо находятся в коллоидно-диспергированном состоянии (во взвешенном виде), либо выпадают в виде твёрдой фазы (осадка).

Увеличение молекулярной массы, снижение температуры и ароматичности (содержания ароматических углеводородов) приводит к укрупнению отдельных частиц и образованию неустойчивой системы, то есть к выпадению осадка.

Топливо называется стабильным, если в течение месяца его хранения выпадение осадка не замечено.

В процессе бункеровочных операций, а также при целенаправленном смешивании топлив для достижения необходимой вязкости в судовых условиях смесь топлив может оказаться склонной к выделению осадка. Два топлива несовместимы, если их смесь нестабильна. Совершенно очевидно, что нестабильные смеси использовать не следует.

Для оценки растворяющей способности и совместимости топлив применяются критерии, разработанные Горнорудным бюро США (Bureau of Mines Correlation Index (BMCI) и фирмой Эксон. По причинам сложности эти методики непригодны для использования в судовых условиях.

Для судовых условий разработан метод капельной пробы, представляющий собой упрощённый тест на совместимость по методу АSТМ DВ2781. Этот метод использован фирмой "МАR-ТЕС" (Гамбург), разработавшей судовую экспресс-лабораторию для анализа топлив и масел (Fuel-lube Test Cabinet), в которую включён прибор "Compamar", с помощью которого проводится испытание топлив на совместимость (Compatibility Test). Ниже приводится описание испытания.

Подготовка образцов топлива.

1. При вязкости испытуемого топлива менее 75 сСт при 50°С оно используется в неразбавленном виде.

2. При вязкости испытуемой смеси двух топлив менее 75 сСт при 50°С берётся 50% каждого компонента, а всего 40 мл.

3. При вязкости топлива более 75 сСт при 50°С к 40 мл топлива добавляется 20 мл растворителя (реагент А).

4. При вязкости смеси более 75 сСт к 20 мл каждого сорта топлива добавляют 20 мл реагента А.

Проведение испытаний.

Испытуемый образец топлива или смеси наливают в градуированный цилиндр, закрывают, встряхивают и помещают в ячейку термостата, заполненную 30 мл воды. Нагревают до 65°С, контролируя термометром. Через 10 минут вынимают цилиндр и энергично встряхивают. Снова помещают в термостат и доводят температуру до 65°С.

Помещают хроматографическую бумагу на чашку Петри или на подставку, чтобы бумага опиралась только по краям. При помощи термометра наносят одну каплю нефтепродукта на хроматографическую бумагу. Вынимают цилиндр из бани. Помещают хроматографическую бумагу с каплей нефтепродукта на ячейку термостата для высушивания образовавшегося из капли пятна.

Различия в яркости, цвете, размере пятен, их наружных кромок не имеет значения, принимается во внимание только интенсивность очертания центральной зоны пятна (ядра).

Полученное пятно сравнивают с прилагаемыми эталонами (табл.1).

Таблица 1. Описание эталонных пятен

Номер этал. пятна	Характерные особенности	Характеристика совместимости
1	Однородное пятно, внутреннего кольца нет	Очень хорошая совместимость
2	Неотчётливое или плохо обозначенное внутреннее кольцо	Хорошая совместимость
3	Хорошо обозначенное тонкое внутреннее кольцо слегка темнее фона	На пределе совместимости
4	Хорошо обозначенное внутреннее кольцо толще, чем в эталонном пятне № 3 и несколько темнее фона	Несовместимы
5	Очень тёмное плотное ядро или скопление плотных частиц в центре пятна. Центральная часть пятна намного темнее фона.	Несовместимы

При смешивании топлив могут быть предложены следующие рекомендации.

1. Не смешивать крекированное и некрекированное тяжёлые топлива, но в случае необходимости смешивания таких топлив избегать равных или близких пропорций.

2. Учитывать, что повышение содержания дистиллятов в смеси с остаточными топливами приводит к потере стабильности. Не рекомендуется содержание дистиллята более 40%, если его происхождение одинаково с происхождением остаточного компонента, и не более 20%, если одинаковость происхождения обоих компонентов не гарантирована.

3. Не смешивать тяжёлое крекированное топливо с лёгким некрекированным.

4. Если известна только плотность топлива, то следует избегать смешивания топлив с разной плотностью или смешивать так, чтобы один из компонентов смеси был минимальным.

5. Смесь двух топлив с одинаковыми вязкостями и плотностями обычно устойчива.

Для повышения стабильности тяжёлых топлив рекомендуются специальные присадки, например, присадка "Бункерсол Д" фирмы Амероид, присадка 10804Х фирмы Эксон и другие.

ЗАДАЧА О СМЕШИВАНИИ ТОПЛИВ

На практике приходится сталкиваться со смешиванием тяжёлого и лёгкого топлив с целью получения смеси нужной вязкости. Разумеется, если система подогрева топлива позволяет получить необходимую вязкость, следует использовать именно этот способ во избежание возможной несовместимости. Однако не всегда такой способ имеется в распоряжении механика. Тогда приходится прибегать к смешиванию.

Задача о смешивании формулируется следующим образом.

- имеется тяжёлое топливо с вязкостью ν_т при температуре Т_т;

- имеется лёгкое топливо с вязкостью ν_л при температуре Т_л;

- известна температура, при которой будет происходить смешивание Т_см;

- задана рабочая вязкость смеси ν_р при рабочей температуре Т_р.

Определить процентное содержание тяжёлой %Т и лёгкой %Л составляющих.

Задача решается в 2 этапа. 1 этап – использование диаграммы температурно-вязкостной зависимости (рис.2).

1. По заданным ν_т и Т_т находим точку тяжёлого топлива и проводим линию этого топлива Т – Т как параллельную имеющейся на диаграмме линии какого-нибудь другого топлива, например, Д – Д.

2. Выполняем аналогичное построение для лёгкого топлива (линия Л – Л).

3. Выполняем аналогичное построение для смеси (линия С – С).

4. Проводим линию температуры смешивания как перпендикуляр к оси температур в точке Т_см.

5. На пересечениях этой линии с тремя построенными ранее считываем значения вязкостей, ν´_т ,ν´_л , ν´_р .

Рис.2. Первый этап решения задачи смешивания.

Второй этап (рис.3). Строится диаграмма, ось абсцисс которой разбивается на равные части, а оси ординат по обе стороны от оси абсцисс представляют собой оси вязкости. Пусть левая из них соответствует лёгкому топливу, а правая – тяжёлому.

Рис.3. Второй этап. Определение процентного

содержания компонентов в смеси.

На осях ординат откладываем соответственно ν´_л и ν´_т , эти точки соединяем прямой. На одной из осей откладываем ν´_р и через полученную точку проводим горизонталь до пересечения с полученной прямой. Из полученной теперь точки опускаем перпендикуляр на ось абсцисс и считываем процентное содержание тяжёлого и лёгкого компонентов.

Возможна другая формулировка задачи: смешиваемые компоненты поступают на смешивание каждый при своей определённой температуре, например, лёгкое топливо поступает при температуре Т_смл , а тяжёлое – при температуре Т_смт. В этом случае по первой диаграмме определяют вязкости будущей смеси ν_смл и ν_смт при температурах Т_смл и Т_смт , затем на второй диаграмме вертикальные шкалы наносят так, чтобы ν_смл на левой шкале и ν_смт на правой оказались на одной горизонтали. После этого полученной диаграммой пользуются, как в первом варианте.

Задача о смешивании топлив может быть решена и с помощью номограммы Виноградова (рис.4).

Рис.4. Использование номограммы Виноградова.

На шкале вязкости отмечаются вязкости лёгкого и тяжёлого компонентов при одинаковых температурах. Правая шкала строится с указанием процентного содержания тяжёлого компонента. Для бóльшей точности желательно так выполнять построения, чтобы крайние точки шкал образовывали квадрат. Проводятся прямые через точки ν_л и 0, а также через ν_т и 100 и получают точку М. Теперь линия, проведенная из точки с определённым содержанием тяжёлого компонента %Т через точку М, пересечет шкалу вязкости в точке, соответствующей вязкости смеси при этой температуре.

СИСТЕМЫ СМЕШИВАНИЯ

Из распространённых систем смешивания топлив назовём следующие.

1. Система динамического смешивания топлива фирмы "Додвелл" (Япония) типа VV-А2Н2. Производительность 1,5 м³/ч, мощность электропривода 2,25 кВт, габариты 1,12м0,715м1,185м, масса 420 кг.

2. Система динамического смешивания топлива BLEND-TEC типа MK-II фирмы MAR-TEC (Германия). Производительность 1 – 2,5 м³/ч, мощность электропривода 3 – 8 кВт, габариты 1,1м1,0м1,46м.

3. Установка со смесителем статического типа фирмы IMO Marine (Швеция). Производительность 1,1 – 4,5 м³/ч, мощность электропривода 3,0 кВт, габариты 1,0м0,85м1,8м.

4. Смеситель топлива НLC 1022 фирмы G EKO (Швеция). Производительность 3 – 9 м³/ч, мощность электропривода 7,4 кВт, габариты 2,0м1,0м1,5м.

5. Топливосмесительная установка прямой подачи МСМ фирмы IMO Marine (Швеция). Производительность 0,8 – 1,8 м³/ч, мощность электропривода 4,5 кВт, габариты 1,4м1,0м2,05м, масса 840 кг.

Из систем, разработанных ещё в ЦНИИМФ, можно указать на такие.

6. Сопловой смеситель-диспергатор эжекционного типа ССТ-1,4. Производительность 1,4 м³/ч, мощность электропривода 1,5 кВт, габариты 0,585м0,35м0,275м, масса 65 кг.

7. Гомогенизатор роторного типа ДРС. Производительность 7,5 м³/ч, мощность электропривода 5,5 кВт, габариты 0,95м0,44м0,58м, масса 100 кг.

Все указанные устройства в бóльшей или меньшей степени автоматизированы.

КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПЛИВ ПО ВЯЗКОСТИ

При общих оценках вязкости топлива классифицируются на три группы:

- маловязкие, с вязкостью ν < 1,5°Е при 50°С. Их плотность до 860 кг/м³ при 20°С, содержание серы до 1 %. К ним относятся дизельные топлива, область применения которых в настоящее время ограничивается высокооборотными ДВС.

- средневязкие, 1,5°Е ≤ ν < 5°Е при 50°С. Плотность от 860 до 935 кг/м³ при 20°С. К ним относятся газотурбинные топлива, моторные топлива ДТ высшей категории, ДТ и некоторые мазуты. Применяются в газотурбинных установках и в среднеоборотных ДВС.

- высоковязкие, ν ≥ 5°Е при 50°С. Плотность от 935 до 1015 кг/м³ при 20°С. В эту группу входят некоторые моторные топлива, флотские и топочные мазуты. Применяются в среднеоборотных и малооборотных ДВС.

ПОДГОТОВКА ТОПЛИВА К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ НА СУДНЕ

При подготовке топлива к сжиганию в судовых условиях оно проходит следующие этапы.

1. Отстаивание. При этом определённая часть воды и механических примесей оседает на дно отстойных цистерн и периодически сбрасывается оттуда через самозапорные клапаны в сточную цистерну.

2. Фильтрация. На всём пути прохождения топлива от цистерн основного запаса до потребителя топливо подвергается многократной фильтрации в фильтрах грубой и тонкой очистки.

3. Сепарация и (возможно) гомогенизация. Сепараторы могут быть настроены для работы в одном из двух режимов: пурификация, когда происходит отделение воды и частично механических примесей, и кларификация, то есть окончательное отделение механических примесей. В случае последовательного включения сепараторов первым является пурификатор. Работа сепаратора считается качественной, если содержание топлива в отделяемых массах не превышает 1%. Аппараты, называемые гомогенизаторами, предназначены для создания максимально однородной топливной массы путём дробления различных крупных частиц и перемешивания всей массы топлива.

4. Подогрев до температуры, при которой достигается необходимая вязкость. Эта процедура обычно автоматизирована, причём могут использоваться регуляторы температуры либо вязкости. Практика показывет, что применение регуляторов вязкости может обеспечить экономию топлива в 3…4% по сравнению с применением регуляторов температуры. Это связано с различием в свойствах топлив даже одинаковых марок в различных местах бункеровки, а также изменением свойств топлив в процессе их хранения на борту судна (расслаивание), что при использовании регуляторов температуры в конечном счёте не позволяет обеспечить оптимальную вязкость.

Упрощённые схемы судовых систем топливоподготовки

В настоящее время имеются два следующих варианта таких схем.

1. Схема с необходимостью при изменении условий работы (обычно при переходе к маневрам) перевода двигателя с работы на тяжёлом топливе на работу на лёгком. Один из её вариантов показан на рис. 5.

2. Схема, обеспечивающая работу двигателя только на тяжёлом топливе независимо от условий работы (рис.6).

На рис. 5 с бóльшей полнотой показана система тяжёлого топлива. Система дизельного топлива имеет от цистерны основного запаса до насоса 9 элементы, аналогичные тем, что указаны под номерами 1 – 7 (иногда за исключением элемента 5). Отстой из цистерн 4, 7 и 11 периодически сбрасывается в сточную цистерну.

Топливные системы такой конфигурации до настоящего времени широко распространены на флоте и обеспечивают работу двигателя на постоянном режиме на тяжёлом топливе. При остановке двигателя вследствие изменения параметров тяжёлого топлива в магистрали от регулятора вязкости к форсунке появляется опасность загустения топлива и прекращения работы элементов топливной аппаратуры и соответственно опасность отказа пуска двигателя. Поэтому для повышения надёжности пуска двигателя при маневрах требуется переход на лёгкое топливо.

Указанный переход должен начинаться заблаговременно и происходить медленно с целью недопущения заклинки прецизионных пар топливной аппаратуры в случае быстрых изменений температур их деталей. Температура топлива в смесительной цистерне регулируется автоматическим программным устройством путём изменения соотношения поступающих в неё тяжёлого и лёгкого компонентов трёхходовым клапаном. Скорость изменения температуры в смесительной цистерне не должна превышать 2 градусов в минуту.

Рис. 5. Схема системы подготовки топлива с переходом с тяжёлого на лёгкое и наоборот. 1 – цистерна основного запаса. 2 – фильтр грубой очистки. 3 – топливоперекачивающий насос. 4 – отстойная цистерна тяжёлого топлива. 5 – подогреватель топлива. 6 – сепаратор. 7 – расходная цистерна тяжёлого топлива. 8 – топливоподкачивающий насос тяжёлого топлива. 9 – топливоподкачивающий насос дизельного топлива. 10 – трёхходовой автоматический клапан. 11 – смесительная цистерна. 12 – подкачивающий насос. 13 – регулятор вязкости или температуры. 14 – фильтр тонкой очистки. 15 – потребитель – ДВС. 16 – сточная цистерна. 17 – самозапорные клапаны.

С переходом на использование тяжёлых топлив с плотностями, близкими к плотности воды, отстаивание топлива становится малоэффективным. Имеется мнение о том, что от отстойных цистерн в этом случае имеет смысл отказаться. При этом роль топливоперекачивающего насоса переходит к приёмному насосу сепаратора, который может быть конструктивно отделён от последнего и должен располагаться возможно ближе к цистерне основного запаса с целью уменьшения разрежения на всасывании и снижения вероятности срыва всасывания вследствие испарения топлива, уже подогретого в цистерне основного запаса. Конструкции современных фильтров позволяют очищать топлива как от механических примесей, так и от воды.

Применение контура циркуляции в системе тяжёлого топлива

Конструкция многих из современных ТНВД и форсунок предусматривает циркуляцию тяжёлого топлива через них при остановленном двигателе. Соответствующая часть топливной системы упрощённо показана на рис. 6.

Все указанные трубопроводы снабжены подогревающими спутниками и теплоизолированы. Давление после ТПН составляет 0,4 МПа, после ЦН – 0,8 МПа. Подача ЦН в 3 – 4 раза больше подачи ТПН.

Рис. 6. Схема рециркуляции тяжёлого топлива.

РЦ – расходная цистерна; ТПН – топливоподкачивающий насос; РМ – расходомер; ЦН – циркуляционный насос; ППТ – предварительный подогреватель топлива; РВ – регулятор вязкости; ЦОГ – цистерна отделения газов, иногда не вполне правильно именуемая деаэрационной цистерной; АКУГ – автоматический клапан удаления газов (паров топлива и воздуха).

Основные функции, выполняемые системой:

- автоматическое поддержание рабочей вязкости топлива перед двигателем как в работе, так и после остановки;

- обеспечение возможности работы двигателя на переменных режимах (в том числе и после продолжительной стоянки) только на тяжёлом топливе.

- предотвращение выделения паров топлива на магистралях к топливной аппаратуре двигателя (температура в контуре рециркуляции высока);

- предотвращение кавитационных явлений на входе в топливный насос высокого давления.

При остановке двигателя на продолжительное время ТПН останавливают.

После остановки двигателя фирма МАН-Бурмейстер и Вайн гарантирует нормальный пуск спустя не менее 5 суток.

Система дизельного топлива при этом нужна только на случаи, связанные с опорожнением топливной системы (судно в доке, промывка системы и т. д.).

МАРКИРОВКА И ОБОЗНАЧЕНИЕ ТОПЛИВ

По стандартам СНГ. Плотность для всех топлив указывается при 20°С, вязкость для дистиллятных указывается в сСт при 20°С, для прочих топлив – в сСт при 50°С (для газотурбинных – в градусах Энглера).

Дистиллятные топлива:

1. Топливо дизельное летнее, предназначено для применения при температуре окружающей среды 0°С и выше. По содержанию серы имеет две разновидности (ГОСТ 305 – 82):

• топливо дизельное Л – 0,2 – 65;

• топливо дизельное Л – 0,5 – 61.

Первое число обозначает содержание серы в процентах, не более, второе – температуру вспышки (последняя величина не является фиксированной).