Основные характеристики дизельного топлива, влияющие на его качество

Топлива, применяемые на судах, подразделяются на два класса: дистиллятные и тяжелые. Ключевым фактором, влияющим на характеристики топлива, является качество нефтяного сырья, из которого его производят.

Основными характеристиками судового топлива являются: вязкость и содержание серы.

Дистиллятные топлива

Дистиллятные топлива – это дизельные сорта, выпускаемые по ГОСТ 305-82. Они не требуют подогрева и применяются в СОД и МОД на режимах маневрирования и пуска, а также для промывки системы топливоподачи перед длительной остановкой во избежание застывания в ней топлива.

В общем балансе потребления топлива на судах расход дизельного топлива составляет 6-12 %.

В зависимости от условий применения устанавливаются три марки дизельного топлива:

• Л (летнее) – рекомендуемое для эксплуатации при температуре окружающего воздуха 0 °С и выше;
• 3 (зимнее) – рекомендуемое для эксплуатации при температуре окружающего воздуха минус 20° и ниже (температура застывания топлива не ниже минус 35 °С) и минус 30 °С и ниже (температура застывания топлива не ниже минус 45 °С);
• А (арктическое) – рекомендуемое для эксплуатации при температуре окружающего воздуха минус 50 °С и ниже.

По содержанию серы дизельные топлива подразделяются на два вида:

I – массовая доля серы не более 0,2 %;

II – массовая доля серы не более 0,5 % (для марки А не более 0,4 %).

В условное обозначение топлива марки Л должны входить массовая доля серы и температура вспышки, топлива марки 3 – массовая доля серы и температура застывания, топлива марки А – массовая доля серы.

Примеры условного обозначения:

Топливо летнее с массовой долей серы до 0,2 % и температурой вспышки 40 °С:

• Топливо дизельное Л -0,2-40 ГОСТ 305-82.

Топливо зимнее с массовой долей серы до 0,2 % и температурой застывания минус 35 °С:

• Топливо дизельное 3-0,2-35 ГОСТ 305-82.

Топливо арктическое с массовой долей серы 0,4 %:

• Топливо дизельное А-0,4 ГОСТ 305-82.

По физико-химическим показателям топлива должны соответствовать требованиям и нормам, указанным в табл. 1.

К группе дистиллятных топлив относится и газотурбинное топливо, получаемое в качестве побочного продукта в процессах замедленного коксования при выработке нефтяного кокса.

Газотурбинное топливо используют в качестве заменителя дизельного топлива на судах морского и речного флота. Выпускают две марки таких топлив ТГ – обычное и ТГВК – высшей категории качества (ГОСТ 10433-75), которые отличаются высокой плотностью и вязкостью (табл. 2), но не настолько высокой, чтобы их нужно было подогревать перед использованием. Для этих топлив характерно более высокое содержание серы (1 и 2,5 % соответственно) и, на что должно быть обращено внимание, в них содержится до 25 % смолистых веществ. Это обусловливает их низкую стабильность, проявляющуюся при нагревании и смешивании с другими топливами.

Малая вязкость и низкая стоимость газотурбинного топлива позволяют использовать его вместо дизельного в МОД на маневрах и в СОД – на всех режимах.

Тяжелые топлива

Основным критерием для классификации тяжелых топлив является вязкость, в зависимости от которой топлива можно разделить на средне- и высоковязкие.

К топливам средней вязкости относятся:

• Моторное топливо ДТ (ГОСТ 1667-68), получаемое смешиванием мазута с дистиллятами вторичных процессов – каталитическим, крекинг-керосином и др.;
• Флотские мазуты Ф5 и Ф12 (ГОСТ 1667-68) обычно состоят из 60-70 % маловязкого мазута прямой перегонки, 15-20 % черного солярового масла и 20-30 % крекинг-мазута.

Более высокая вязкость и более низкое качество по сравнению с дизельным топливом требуют предварительного подогрева и более тщательной очистки моторного топлива перед подачей в цилиндры.

Физико-технические показатели моторных топлив и мазута представлены в таб. 3 и 4.

Высоковязкие топлива:

• Мазут топочный, марок 40, 40В;
• Моторное топливо марки ДМ;
• Флотский мазут, марки Ф12;
• Экспортные мазуты, марок М0,9, М1,5, М2,0.

Основным в этой группе является моторное топливо ДМ, предназначенное специально для судовых крейцкопфных и тронковых дизелей. В этой же группе рекомендован к применению мазут марок 40 и 40В в качестве топлива для дизелей СОД и МОД, оснащенных специальными системами топливоподготовки с химической обработкой (вводом присадок), гомогенизацией и комплексной очисткой топлива.

Обе марки ДТ и ДМ занимают по показателям вязкости среднее положение между дизельными топливами и мазутом 40. По таким показателям, как содержание серы, зольность и температура застывания, топливо марки ДМ существенно отличается от топочного мазута, что делает возможным его применение в СДУ с системами топливоподготовки, укомплектованными средствами очистки.

Плотность топлив ДТ и ДМ ограничена соответственно 0,92 и 0,97 г/см³ с целью обеспечения необходимой очистки в процессе отстаивания и сепарирования.

В целях мобильности бункеровки судов и расширения доли потребления наиболее экономичных марок топлив рекомендованы следующие топливные смеси: мазут марок 40 и 40В и дизельные топлива марки Л или 3 с содержанием последних не более 30 % для судов с системами топливоподготовки, обеспечивающими применение топлива ДМ или ДТ; экспортные мазуты марок МО,9; М1,5 или М2,0 и дизельные топлива марок Л, А или 3 для судов с системами топливоподготовки, обеспечивающими применение топлива ДТ.

Примечания:

1. В топливе для среднеоборотных и малооборотных дизелей, транспортировавшемся морскими или речными судами, допускается содержание воды не более 2%.
2. Допускается поставка потребителям топлива марки ДТ в период с мая по сентябрь в южных районах с температурой застывания не выше 10° С.
3. Допускается поставка топлива марки ДТ вырабатываемого из сернистых нефтей с содержанием серы не более 2 % и коксуемостью не более 4 %.
4. Допускается поставка потребителям, кроме организаций Министерства морского флота, топлива марки ДМ с температурой застывания не выше 20 °С.
5. Норма по показателю «Температура застывания» гарантируется предприятием изготовителем в течение одного месяца со дня выпуска продукта.
6. Марка топлива указывается в заказе.
7. На моторное топливо марки ДТ с государственным знаком качества примечания 2 и З не распространяются
8. При применении в дизелях моторного топлива с содержанием серы более 0,5 % одновременно должно применяться дизельное (моторное) масло с соответствующими присадками.

Использование тяжелых топлив, в том числе мазутов, целесообразно в средне- и малооборотных дизелях. В ЦНИДИ были проведены исследования по применению в дизелях тяжелых топлив. Работы выполнялись на дизелях:

• ЧН25/34,
• ЧН26/34,
• ЧН36/40,
• ЧН36/45 и др.

В частности, широкие исследования рабочего процесса проводились на одноцилиндровом отсеке среднеоборотного дизеля ЧН26/34, форсированного по среднему эффективному давлению выше 2 МПа на следующих топливах:

• дизельное ДЛ – плотность при 20 °С 0,836 г/см³ и вязкости 3-4 мм ²/с;
• моторное ДТ – плотность при 20 °С 0,895 г/см ³ и вязкости при 50 °С 17 мм²/с;
• мазут экспортный М2 – соответственно 0,992 и 47,3;
• мазут топочный 100В Здесь и далее встречаются обозначения топлив в соответствии с ранее действовавшим ГОСТом.x – соответственно 0,939 и 161,3.

Двигатель 1ЧН26/34 испытывался с предварительно доведенным рабочим процессом на дизельном топливе при неизменной комплектации и регулировках.

Топлива с целью снижения вязкости подогревались до температуры 90-95 °С, поэтому их реальная вязкость в исследованиях составляла:

• ДЛ – 1,5 мм²/с, ДТ – 8 мм²/с;
• М2 – 15 мм²/с и 100В – 32 мм²/с.

Результаты испытания двигателя по винтовой характеристике приведены на рис. 1, из которого следует сравнительное изменение показателей рабочего процесса при использовании тяжелых топлив (повышаются удельный расход топлива и температура отработанных газов, снижаются средняя скорость нарастания давления и максимальное давление сгорания).

Различия в показателях возрастают с увеличением вязкости топлива. Исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Подтверждена принципиальная возможность применения в российских среднеоборотных дизелях с частотой вращения до 10-12,5 с^-1 и форсированных по среднему эффективному давлению до 2 МПа тяжелых топлив с вязкостью до 160-180 мм²/с и выше. Отрицательное влияние свойств тяжелого топлива на показатели рабочего процесса двигателя усугубляется по мере увеличения его вязкости.
2. При использовании в дизелях типа ЧН26/34 мазута 100В с вязкозтью 161 мм²/с вместо дизельного топлива (при неизменных регулировках) максимальное давление впрыска увеличивается на 10-15 %, продолжительность – на 9 %, удельный расход топлива – на 8 %, температура отработанных газов – на 40-60 °С.

Работа дизеля на термообработанном мазуте

Испытания по выбору режима термообработки тяжелых топлив проводились на мазутах 100В и М-2 с автоматическим поддерживанием заданных условий. В процессе исследования осуществлялся анализ группового и фракционного состава топлива, определяли его вязкость и температуру застывания. Параметры, характеризующие режимы термообработки топлива, изменялись в следующих пределах:

• температура 350-420 °С,
• продолжительность не более часа и давление не выше 4 МПа.

Выбор рационального режима термообработки топлив с вязкостью до 160-180 мм²/с осуществляется из условий максимального снижения их вязкости при отсутствии коксообразования.

Опытная партия термообработанного мазута для проведения испытаний на двигателе 1ЧН26/34 была получена при температуре нагрева 410 °С в течение 30 мин при давлении не выше 0,5 МПа. Анализ его свойств свидетельствует, что температура начала его кипения уменьшилась до 105 °С. При этом образовалось 8 % бензиновых фракций, а в целом количество фракций с температурой кипения ниже 300 °С увеличилось на 25 %, что снизило вязкость мазута в пять раз. Оценивая склонность топлива к воспламенению по величине цетанового числа, следует отметить, что ЦЧ мазута 100ВТ на 10 % больше по сравнению с исходным – 100В.

Увеличение содержания в мазутах с вязкостью 160-180 мм²/с бензиновых и керосиновых фракций и снижение температуры начала их кипения до 100-110 °С приводит к существенному улучшению их распыливания и испаряемости, что обеспечивает снижение удельного расхода мазута в дизеле.

На рис. 2 приведены характеристики двигателя 1ЧН26/34 на четырех видах топлива (ДЛ – дизельное, 100В – мазут, 100ВС – мазут с добавлением дизельного топлива и бензина, 100ВТ – термообработанный мазут).

При работе на мазуте 100 Вт отмечается значительное снижение удельного расхода топлива (220-205 Г/(кВт·ч)) на режиме P_me = 2,0 МПа.

Затраты на термообработку не превышают 1,5-2 % от удельного расхода топлива и могут быть снижены.

Рекомендации по выбору тяжелого топлива для МОД и СОД

На основании опыта эксплуатации МОД и СОД фирма MAN-B&W по закупке топлива рекомендует ссылаться на ISO 8217, В56843 и на рекомендации СIМАС, касающиеся требований к тяжелому топливу для дизелей, издание 1990 г. Из них следует, что максимально приемлемые марки – КМ1155 и К55.

Упомянутые стандарты ISO и ВS заменяют ВSМА 100, в котором указан предел М9. В табл. 5 приведены данные из соответствующих стандартов и спецификаций.

1 Приблизительные значения вязкости (только для информации):

• Кинематическая вязкость (сСт) при 100 °С: 6, 10, 15, 25, 35, 45, 55;
• Кинематическая вязкость (сСт) при 50 °С: 22, 40, 80, 180, 380, 500, 700;
• Сек. Редвуд I при 100 °С Фаренгейта: 165, 300, 600, 1 500, 3 500, 5 000, 7 000.

2 1 сСт = 1 мм²/c.

3 Применительно к региону и ко времени года, в которых топливо бункеруется и используется (верхнее значение – зима, нижнее-лето).

4 Рекомендуемое значение. Может быть ниже при меньшей вязкости.

4 Характеристики сгорания
Используемые данные анализа для топлива, а также спецификации и стандарты обычно не содержат прямых характеристик сгорания. Хотя этот параметр не является особенно важным для мало – и среднеоборотных двигателей с высокой степенью сжатия, характеристики сгорания в какой-то степени могут быть определены на основе вязкости и плотности с использованием расчетных формул, даваемых, изготовителями топлива (ССАI фирмы Shell или CM фирмы ВР). Высокая плотность в сочетании с малой вязкостью может являться указанием на плохие характеристики сгорания.

На основе опыта эксплуатации и в качестве дополнения к вышеуказанным стандартам фирма представляет руководящую спецификацию топлива (табл. 6).

В табл. 5 и 6 данные относятся к топливу в том виде, в котором оно поставляется на судно, т. е. до очистки на борту. Эти топлива были использованы с удовлетворительными результатами в двухтактных крейцкопфных малооборотных дизелях и в четырехтактных дизелях Ноlеbу.

Если характеристики по результатам анализа превышают указанные значения (табл. 6), особенно это касается вязкости и удельной плотности, следует связаться с изготовителем двигателя для консультации по возможному изменению системы.

Топливные смеси

При смешении двух топлив различной вязкости сначала необходимо определить вязкость смеси и изменение при нагреве. Предположим, что нужно получить смесь, вязкостью 50 мм²/с (200 с R1).

На рис. 3 проведем горизонтальную линию на уровне данного значения. Она пересечет две наклонные линии, одна из которых (7) соответствует смеси морского дизельного (легкого) топлива вязкостью 5,6 мм²/с (40 с R1) и тяжелого вязкостью 900 мм²/с (3 500 с R1), а другая (II) – смеси морского дизельного топлива вязкостью 3,4 мм²/с (34 с R1) и тяжелого вязкостью 380 мм²/с (1 500 с R1).

Вертикали, проведенные из точек пересечения названных линий, укажут на нижней горизонтальной шкале нужные соотношения компонентов. Вязкость в этом случае в соответствии со стандартом Редвуда отнесена к температуре 38 °С (100 °F). Зависимость вязкости смеси от температуры устанавливается по верхней горизонтальной шкале и штриховым линиям, каждая из которых соответствует определенной вязкости смеси при стандартной температуре 38 °С.

Соотношение компонентов (концентрация) смеси при заданном значении ее вязкости и при известной вязкости каждого компонента можно определить по номограмме (рис. 4) следующим образом.

Точку 0 правой шкалы соединяют прямой линией с точкой, соответствующей вязкости менее вязкого компонента, на левой шкале.

Точку 100 правой шкалы соединяют прямой линией, соответствующей вязкости более вязкого компонента на левой шкале.

Через точку пересечения этих линий и отмеченную точку на левой шкале, соответствующую заданной вязкости топливной смеси, проводят прямую линию до пересечения с правой шкалой. Эта точка дает значение искомой концентрации.

Все исходные значения вязкости должны быть заданы при одинаковой температуре. В случае невыполнения этого условия вязкость компонентов определяется при температуре, при которой задана вязкость топливнои смеси (обычно при 50 °С).

Топливные смеси надо обязательно проверять на стабильность (например, методами микроскопии или пятна). При хранении более 30 суток топливную смесь полагается перемешивать (например, перекачиванием или рециркуляцией) в течение не менее 6 ч.

Приготовляя топливную смесь на судне, необходимо иметь кроме паспортов на ее компоненты справку о стабильности их смесей в соотношении, обеспечивающем заданную вязкость. Справка выдается нефтебазой при бункеровке судна. Это же требуется и при бункеровке судна непосредственно топливной смесью.

Тяжелые и дизельные топлива в отдельности приобретаются в любом порту мира. Их однородные смеси вязкостью 50-150 мм²/с (200-600 с R1) при 50 °С можно успешно применять для любого дизеля. Если рабочая смесь готовится на борту, то требуется достаточное количество цистерн.

Смесь обычно готовят в отстойной или суточной цистерне. Однако в судовых условиях трудно добиться однородности смешанного топлива. Поэтому применяются автоматические смесительные установки, например, шведская смесительная установка типа «Дудвелл», расположенная в судовой станции бункеровки, или смесительная установка типа «Бункермастер» марок ВМК-150, ВМР-200, ВМР-300 (рис. 5).

Они состоят из смесителя с насосами и необходимой контрольно-измерительной аппаратуры, скомпонованной на одной панели.

Процесс смешения включает следующие операции: установление требуемой пропорции смешения топлив с помощью диаграмм смешения и контроль требуемого соотношения в специальном устройстве. Смешение происходит автоматически с помощью двух редукционных клапанов, соединенных специальным трехходовым смесительным клапаном. Положение золотника в трехходовом клапане указывает смесительное соотношение, которое можно установить вручную регулировочным рычагом.

Обе стороны диафрагмы соединены с соответствующими сторонами смесительного клапана (оба ее входа оборудованы контрольными клапанами). Имеется только одна топливная емкость. При одинаковом давлении входящих жидкостей поток будет пропорционален площади открытия клапанов.

Установка топливоподготовки GЕКО (Япония) обеспечивает поддержание в автоматическом режиме необходимой вязкости и температуры используемого в дизелях топлива. Установка скомпонована на одной панели (рис. 6).

Температура и окончательная вязкость регулируются паровым контрольным клапаном автоматически (или вручную). Основные технические характеристики установки GЕКО следующие: производительность 60-130 л/мин смешанного топлива, диапазон вязкости 3-750 мм²/с (30-3 000 с R1) при рабочей температуре, смесительное соотношение 5/95 – 95/5 % по объему, точность +1 % по объему, допускаемое давление топлива 1 МПа, максимальное выходное давление топлива 0,5 МПа, диаметр впускного и выпускного фланцев 32 мм, приблизительная масса 300 кг, напряжение трехфазного тока 220,380 В, частота 50 Гц, мощность 1,5-1,8 кВт, частота вращения вала насоса 2 900, 3 500 мин^-1.

В установках «Дудвелл» насос дизельного топлива должен работать с давлением на 0,15-0,2 МПа выше, чем насос, подающий тяжелое топливо. Установка обеспечивает изменение пропорционального соотношения при любом расходе топлива.

Указанные установки обеспечивают получение смеси вязкостью 180 мм²/с при 50 °С (1 500 сRl при 100 °F) и подогрев ее до соответствующей температуры. Критерием для выбора пропорции смешения могут быть требования к вязкости и к содержанию ванадиевых окислов и углеродистых и зольных остатков.

Чтобы обеспечить качественный выпуск, смесительная установка должна поддерживать вязкость топлива в допустимых пределах при температуре ±20 °С. При нагрузке менее 30 % дизель автоматически переводится полностью на дизельное топливо. Переход с тяжелого топлива на дизельное и наоборот происходит по программе. Система автоматически снижает или увеличивает содержание дизельного топлива в тяжелом в зависимости от нагрузки дизеля и вязкости используемого тяжелого сорта топлива (рис. 7).

Полностью дизель переходит на дизельное топливо (100 %) при снижении нагрузки до 30 %.

Программа разработана для тяжелых топлив вязкостью 1 500, 780, 600, 370 мм²/С (6 000, 3 500, 2 500, 1 500 с R1).