Технология обработки судового топлива

Топливная система судового двигателя, обеспечивающая подачу топлива в дизель, состоит из систем низкого и высокого давления.

Топливная система низкого давления судового дизеля должна обеспечивать прием топлива и его хранение на судне, его подготовку и подачу топлива к системе высокого давления. Судовые дизели могут работать на топливе различных сортов. От качества подаваемого топлива зависит эффективная работа двигателя, его управления и маневренность.

Улучшения качества топлива достигается его очисткой перед подачей к топливным насосам высокого давления и подогревом до определенной температуры.

От вязкости, поверхностного натяжения и плотности топлива зависит его распыливание. С увеличением вязкости качество распыливания топлива ухудшается. Одновременно увеличивается дальнобойность факела и количество крупных капель в нем. Попадая в зону высоких температур, эти капли сгорают с образованием кокса. Это явление сопровождается дымлением и образованием нагара на стенках камеры горения и форсунках. Нагарообразование в камере сгорания в большей степени зависит от химического и фрикционного состава топлива.

Назначение топливной системы низкого давления дизеля

Основное назначение топливной системы низкого давления дизеля – это подготовка топлива и подача его в систему высокого давления.

Эксплуатационный судовой состав в процессе подготовки топлива должен выполнить следующие операции:

• подогрев топлива;
• сепарация топлива и подача его в расходные цистерны;
• фильтрация топлива;
• гомогенизация топлива и введение присадок;
• подача топлива в дизель определенной вязкости.

На рис. 1 представлена примерная принципиальная схема топливной системы низкого давления дизельной установки, с вспомогательными элементами.

Как показано на рис. 1, топливо из отсеков и цистерн основного запаса одним из топливоперекачивающих насосов 4 подается в отстойную цистерну 5. После отстаивания оно принимается насосом центробежного сепаратора 20 и через подогреватель 22 подается на очистку в барабан сепаратора. Отсепарированное топливо, т. е. чистое топливо из сепаратора подается в расходную цистерну 6. Из расходной цистерны топливо поступает в смесительную емкость 12 и оттуда, через фильтр грубой очистки 13, топливоподкачивающим насосом 14 направляется в подогреватель топлива 11 и далее через вискозиметр 19 и фильтр тонкой очистки подается к топливным насосам высокого давления (ТНВД) двигателя.

Топливоподкачивающие и топливоперекачивающие насосы должны резервироваться для обеспечения надежности системы.

Количество топливных сепараторов также должно быть не менее двух.

Расходные цистерны выполняются сдвоенными, что позволяет попеременно включать их в работу и заполнять топливом. По той же причине отстойные цистерны также устанавливают в двойном количестве.

Методы подготовки топлива для подачи его в дизель

Подготовка топлива на судах связана с методами обработки, которые можно разделить на две основные группы:

• методы, обеспечивающие изменение физического состояния топлива;
• методы, обеспечивающие изменения физико-химического состояния топлива.

Для изменения физического состояния топлива используются следующие методы тепловой обработки:

• паровой подогрев;
• электрический;
• индукционный;
• гомогенизация топлива.

Группу методов, изменяющих физико-химический состав топлива, можно разделить на три подгруппы:

• очистка топлива от примесей;
• химическая обработка топлива;
• смешение топлив.

Методы тепловой обработки топлива используются для изменения его вязкости путем применения таких обогревающих средств, как теплообменники, паровые змеевики в расходных цистернах, паровые и электрические спутники трубопроводов.

Подгруппа методов очистки топлива от примесей составляет способы:

• отстаивание топлива в отстойной и расходной цистернах;
• сепарация топлива в сепараторах;
• фильтрация топлива в фильтрах.

Подгруппа методов химической обработки топлива составляет способы:

• жидкого ингибирования топлива (ввод жидких присадок);
• твердого ингибирования (ввод твердых присадок).

В подгруппу методов гомогенизации входят следующие способы обработки топлива:

• гидродинамический;
• вибромеханические;
• магнитный;
• электрический;
• ультразвуковой.

Подгруппу методов смешивания топлив составляют следующие способы:

• механического смешивания с помощью электроприводного устройства;
• кавитационный;
• ультразвуковой.

Подогрев топлива

Для подогрева топлива в судовых условиях используют теплообменники (паровые, электрические и индуктивные), паровые змеевики (для подогрева топлива в отстойной и расходной цистернах), паровые и электрические спутники (для подогрева топлива в трубопроводах на пути его следования к дизелю).

Теплообменные аппараты различной конструкции применяют в системах топливоподготовки для подогрева топлива перед его очисткой (сепарацией и фильтрацией), а также перед его подачей ТНВД дизеля.

В отстойных и расходных цистернах паровые змеевики применяют для лучшего отстаивания топлива, т. е. их используют в качестве дополнительного подогрева перед подачей топлива к теплообменнику сепаратора или дизеля.

Паровые и электрические спутники устанавливают на пути следования топлива от расходных цистерн до топливных Основные конструкции топливных насосов и форсунокнасосов высокого давления и далее до форсунок. Топливный трубопровод вместе с паровым спутником покрывают теплоизоляционным материалом. На судах с дизельной установкой, двигатели которые работают на тяжелых сортах топлива, обходятся без паровых спутников. Для нормальной эксплуатации достаточно наличия на топливных трубопроводах, в том числе и на форсуночных, теплоизоляции.

На судах нашли применение электрические спутники, представляющие собой гибкие нагревательные элементы для подогрева нефтепродуктов в трубопроводах. Они выполнены в виде токоведущих и нагревательных проводов, изолированных друг от друга стеклонитью и оплечены оплеткой в единую тканую полоску. Стеклопроволочная тканая лента снаружи покрыта кремнийорганической резиновой оболочкой, защищающей элемент от влаги и обеспечивающей необходимую электрическую и тепловую изоляцию.

Для подключения к электрической сети и соединения элементов между собой предусмотрены специальные штепсельные устройства. Элементы выдерживают температуру до 180 °С.

Гравитационное отстаивание топлива

Метод отстаивания топлива основан на естественном процессе влияния гравитационных сил на твердые тела, жидкие среды и их смеси.

Механические примеси присутствуют в топливе в виде твердых частиц органического и неорганического происхождения, кода в виде глобул размером от нескольких микрон до 2-3 мм. Плотность механических примесей больше, чем плотность топлива. Осаждение этих частиц в топливе подчиняется закону падения тела под действием собственной массы. Критерием оценки эффективности осаждения механических примесей и воды в данном объеме отстойной цистерны за определенный промежуток времени.

На рис. 2. показано семейство кривых, выражающих зависимость содержания механических примесей по высоте цистерны от времени отстаивания.

В момент заполнения цистерны топливом содержание примесей в нем одинаково в любой точке по высоте цистерны. Через два часа в верхней части цистерны содержание примесей уменьшается.

В первые часы осаждаются более тяжелые частицы, затем менее тяжелые.

Значительное влияние на скорость осаждения примесей оказывает вязкость топлива. Например, при увеличении вязкости топлива в два раза время осаждения частиц, при прочих равных условиях, возрастает также в два раза. Как известно, вязкость топлива может меняться в широком диапазоне и является тем показателем, на который можно влиять в процессе эксплуатации. Поэтому зависимость осаждения частиц примесей в топливе от вязкости позволяет оценить эффективность процесса отстаивания.

Читайте также: Топливная система судовой дизельной установки и процесс топливообработки

Вязкость топлива в цистерне меняют путем его подогрева. Для открытых систем (какой является отстойная цистерна) действуют требования Правила Квалификационного Морского Регистра, согласно которому нагревать топливо в цистерне можно до температуры не менее, чем на 15 °С ниже его температуры вспышки и не выше 90 °С.

Нагревать топливо выше 90 °С не допускается, так как в этом случае легко можно достичь температуры кипения воды. Вскипание воды, находящейся в нижней части цистерны, может привести к выбросу топлива из цистерны. Также если температура подогрева слишком высока, некоторые из более легких компонентов топлива могут испариться, что приведет к увеличению вязкости топлива.

Частицы механических примесей и воды с достаточной эффективностью осаждаются только в маловязких топливах.

Для топлив с повышенными плотностью и вязкостью время и температура отстоя имеют более важное значение. Для удовлетворительного отстаивания топлив с вязкостью 280 сСт при 50 °С и более, цистерны должны иметь возможность удерживать его при температуре 60 °С в течение четырех суток.

Конструкция отстойных цистерн часто представляет собой компромиссное решение в отношении пространства и других ограничений в связи с особенностями конструкции судна. Отстойные и расходные топливные цистерны, как правило, не должны размещаться над трапами, ГД, котлами, электрическим оборудованием и постами управления.

Топливные отстойные и расходные цистерны должны быть отдалены от цистерн котельной воды коффердамами.

Вместимость каждой цистерны должна быть достаточной для 8-часовой работы ГД и ГВ котлов на максимальной эксплуатационной нагрузке.

Надлежащим образом спроектированные цистерны имеют нижние поверхности, расположенные под достаточным углом, для обеспечения качественного отстоя при всех условиях статического крена и качки на волнении. Поскольку время отстоя зависит от глубины слоя топлива, а также вязкости и плотности, высота цистерн должны быть настолько небольшими, насколько это практически возможно.

Наполнительные трубопроводы топливных цистерн должны присоединяться к верхним частям цистерн (или иметь невозвратные клапана на цистернах).

Приемные Цистерны, трубопроводы и электрооборудование судовтрубопроводы топлива от цистерн должны быть снабжены запорными клапанами, установленными непосредственно на цистернах, с дистанционными закрытиями из всегда доступных мест вне этого помещения.

На расходных цистернах устанавливается БЗК (Быстрозапорный клапан). Для подогрева жидкого топлива могут применяться пар, горячая вода, органические теплоносители и электронагревательные устройства.

Змеевики и элементы электронагревателей для подогрева топлива должны располагаться в наиболее низких частях цистерн. Концы приемных топливных труб в расходных и отстойных цистернах должны располагаться над подогревателями так, чтобы змеевики и элементы не оголялись.

Химическая обработка топлива с помощью присадок

Для улучшения эксплуатационных свойств топлив применяют композиции присадок. Введение присадок в топливо изменяется его физико-химический состав.

Значительные потери топлив происходят в виде отложений в танках, отстойных и расходных цистернах, в виде отходов сепарации и фильтрации. Устранить эти потери можно только предотвращением процессов полимеризации, поддержанием асфальтосмолистых веществ в тонкодисперсном состоянии. Это сказывается благоприятно и на работе топливной аппаратуры, в первую очередь на надежности работы прецизионных пар форсунок и топливных насосов, поскольку исключается вероятность зависания форсуночных игл и плунжеров топливных насосов в их направляющих.

Будет интересно: Методы нефтепереработки и их влияние на свойства топлив

Не менее важна проблема защиты топливной аппаратуры от коррозии. Защиту рабочих поверхностей от коррозии по существу выполняют тяжелые компоненты топлива (смолы), обладающие высокой поверхностной активностью. Но при высоких температурах это свойство тяжелых компонентов топлива, с другой стороны, приводит к образованию на рабочих поверхностях лаковых пленок. Для обеспечения нормальной работы прецизионных пар топливной аппаратуры требуется защита этих деталей от коррозии и образования лаковых пленок.

Проблема неполного сгорания топлив в цилиндрах дизеля особенно актуальна для среднеоборотных высокофорсированных дизелей при их работе на высоковязких тяжелых остаточных топлив.

Сформулированы технико-эксплуатационные требования к композиции присадок для судовых топлив:

• улучшение прокачиваемости топлива;
• обеспечение диспергирования асфальтосмолистых веществ и их стабилизация в топливной среде, что предотвращает их выпадение в осадок;
• предотвращение образования лаковых пленок на рабочих поверхностях прецизионных пар и клапанов топливной аппаратуры с обеспечением при этом защиты этих поверхностей от коррозии;
• обеспечение наибольшей полноты сгорания топлива.

Нет универсальных композиций присадок, удовлетворяющих всем перечисленным требованиям. Но по отдельным пунктам этих требований созданы присадки, улучшающие эксплуатационные свойства топлив (табл. 1).

 
В таблице 1, приведенной выше, представлены результаты использования тяжелых топлив в дизелях с признаками отрицательных явлений, причины и способы их устранения с применением рекомендованных присадок.

Присадка FUELCARE

Присадка Fuelcare – это полная обработка тяжелого топлива. Получающееся в результате «чистое топливо» улучшает процесс предпламенных превращений и тем самым облегчающих воспламенение.

Fuelcare препятствует образованию осадка, растворяет их и приостанавливает расслаивание топлива в танках, разрушает водотопливную эмульсию и способствует удалению воды и отложении из топлива. Стабилизирует топливные смеси, устраняя проблемы по совместимости, т. е. подготавливает более однородное топливо для сгорания. Топливные системы при этом остаются чистыми уменьшается или прекращается засорение фильтров. Нейтрализует кислоты в топливе. Отделение воды и примесей производится более эффективно и элементы топливной системы становятся чище.

Эффективный ингибитор коррозии вместе с нейтрализаторами кислот обеспечивает минимальную коррозию. Ингибитор коррозии покрывает все элементы топливной системы, водоотталкивающей пленкой, в то время, как кислотные нейтрализаторы сдерживают действие кислоты. Это обеспечивает двойную защиту элементов топливной системы.

Рекомендации по применению и дозировки присадки.

В оптимальном варианте присадка Fuelcare должна вводиться непосредственно в топливный танк перед бункеровкой. Однако присадка может быть введена в отстойную цистерну или во время перекачки из танка запаса. Наилучший способ определения дозировки – по результатам анализа, т. е. по осадку горячей фильтрации или модифицированному тесту совместимости по Пятну, которое легко выполняется на борту судна с помощью лаборатории или по таблице 2.

 
Если отсутствуют результаты анализа, то рекомендуется первоначальная дозировка 1:3000, которая по мере необходимости корректируется.

Полностью совместимые смеси с менее, чем 0,65 %, не требуют обработки против несовместимости. Предельное число пятен 1 может быть причиной образования осадков, если топливоподготовка была не очень тщательная, особенно, если обнаружены дополнительные отрицательные явления, такие как наличие воды и коррозии.

Присадка GAMABREAK – разделитель водотопливной эмульсии

Gamabreak разделяет водотопливные эмульсии во всех сортах топлива уменьшением поверхностного натяжения между двумя фазами. Он способствует отделению воды в отстойных цистернах и топливных сепараторах. Он не растворяется в воде и сохраняет эффективность даже после удаления воды.

Сильнодействующие диспергаторы борются против находящихся в топливе шламовых образований во время гомогенизации топлива, чтобы предотвратить появление новых шламовых образований. Центробежное отделение катализаторных мелких частиц существенно улучшается, снижая вероятность механического повреждения поверхности вследствие трения.

Гомогенизирующая воздействие препарата Gamabreak поддерживает мельчайшие частицы тяжелого топлива во взвешенном состоянии, следовательно, топливные фильтры забиваются меньше, цистерны и трубопроводы остаются более чистыми, в результате этого большая часть подаваемого топлива пригодна для сгорания.

Рекомендации по применению и дозировки присадки Gamabreak

Присадку необходимо вводить в топливные танки до или во время бункеровки, дав ему хорошо перемешиваться с топливом. Если имеется анализ топлива, то дозировка должна основываться на содержании воды согласно таблицы 3.

 
Если нет ни лабораторного, ни сделанного с помощью прибора для определения воды в топливе анализа, то принимается первоначальная дозировка 1:4000, впоследствии регулируемая в соответствии с полученными результатами.

Модификатор золы топлива – VALVECARE

Препарат Valvecare специально разработан для обработки и уменьшения коррозионных отложений, образующихся на седлах клапанов и деталях турбонагнетателя.

Valvecare – физически видоизменяет золу в топливе, вызывая шлак и повышает температуру плавления золы натрия-ванадия, выше обычных температур в двигателе, также уменьшает высокотемпературную коррозию и протечки.

Модифицированные частицы золы твердые, маленькие и невязкие выбрасываются с выхлопными газами. Гнезда клапанов становятся чище, т. к. снижается вероятность уплотнения золы.

Потери от компрессии и протечек сводятся к минимуму, увеличивается Устройство и принцип действия топливной аппаратуры дизелей на судахсрок службы клапанов и седел при обычном техническом уходе и интервалы между ревизиями и очистками повышаются.

Загрязнение выхлопного тракта и турбонагнетателей контролируется, т. к. частицы золы в потоке выхлопного газа менее вязкие.

Применение Valvecare — это снижение кислотности. Ванадий в топливе оказывает каталитическое воздействие на серу, ускоряя превращение сернистого ангидрита в трехокись серы во время сгорания. Затем трехокись серы вступает в реакцию с потоком газов в выхлопном тракте, повышая точку росы для образования серной кислоты.

Препарат Valvecare содержит совокупность ванадиевых и натриевых составных частей золы в твердом, нерасплавленном состоянии, сдерживая солевую коррозию.

Таким образом, препарат Valvecare специально разработан и создан для ликвидации явлений прогорания и эрозии выхлопных клапанов, связанными с натриевым и ванадиевым загрязнением тяжелых остаточных топлив плохого качества.

Рекомендации по применению и дозировке препарата.

Препарат Valvecare необходимо вводить непосредственно в расходную цистерну или непосредственно автоматическим дозировочным насосом на всасывающую сторону топливоподкачивающего насоса (табл. 4).

 
Обычно диапазоны дозирования лежат в пределах между 1:1000 и 1:5000. Для определения оптимальной дозировки необходимо пользоваться таблицей 4, приведенной выше.

Катализатор сгорания топлива – DUAL PURPOSE PLUS

Dual purpose plus – это концентрированная присадка для улучшения сгорания высоковязких топлив. Она также оказывает влияние на состав топлива, содействует улучшению сгорания. Повышает использование мощности дизеля при работе на высоковязких сортах топлив.

Катализаторы в Dual purpose plus вступают в реакцию с частицами тяжелого топлива во время процесса сгорания. Температура воспламенения снижается, в результате чего повышается эффективность сгорания и уменьшается содержание углерода, а также количество отложений углерода/золы, и следовательно сажеобразование и дымность. Сводит к минимуму низкотемпературную коррозию выхлопных трактов, дымоходов, цилиндровых втулок, штоков выпускных клапанов и т. д. Двигатель и выхлопной тракт становится чище.

Противополимеризационные агенты препятствуют образованию шлама, в то время, как воздействие диспергатора и растворителя стабилизирует топливо. В результате этого уменьшается вероятность загрязнения топливной системы и улучшается истечение топлива, делая лучше распыл топлива и повышая эффективность горения.

Сернистая коррозия, вызываемая конденсацией выхлопных газов, может проявляться на любых охлаждаемых поверхностях двигателя. Типичные поверхности – это втулки цилиндров (коррозия, имеющая форму «клеверного листа»), тарелки выпускных клапанов и дымоходы.

Присадка Dual purpose plus каталитически препятствует образованию кислотных газов и, таким образом, снижает количество присутствующей кислоты, тем самым уменьшая кислотную коррозию (табл. 5).

При наличии на судне лаборатории на анализ топлива на коксуемость по Конрадсону (CCR) дозировка производится в соответствии с выше приведенной таблицей 5.

Меры предосторожности при обращении с химическим продуктом присадок