2222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222

1. Эксплуатационные свойства топлив

В процессе эксплуатации судовых энергокомплексов решается ряд проблем, связанных с возможностью и экономической целесообразностью использования того или иного сорта топлива. Здесь учитываются следующие факторы:

– потребители топлива (дизели, газовые турбины, котельные установки), которые предназначены для использования топлив с определенными физико-химическими свойствами;

– структура и состав топливных систем (участки приема, хранения и перекачивания; обработки и очистки; подачи топлива к потребителям), которые обеспечивают их устойчивое функционирование при использовании конкретных сортов топлив.

Эксплуатационные свойства топлив можно разделить на две группы:

– требующие принятия решений и выполнения действий эксплуатационным персоналом в процессе использования топлив (подогрев, очистка, введение присадок);

– оказывающие независимое влияние на эксплуатационные характеристики потребителей без возможности их коррекции в условиях эксплуатации.

К первой группе относятся такие показатели качества топлив, как: плотность, вязкость, температура застывания, содержание механических примесей и воды, самовоспламенение и сгорание, стабильность, микробиологическое заражение.

К второй группе относятся такие показатели, как: фракционный состав, цетановое число, температура вспышки паров, содержание серы, содержание кокса и асфальтенов, содержание золы, содержание ванадия, совместимость топлив.

Для улучшения эксплуатационных свойств топлив в них вводятся присадки, воздействующие на физико-химические процессы, связанные с областью применения топлив.

Присадки делятся на три группы:

– повышающие стабильность топлив при хранении;

– улучшающие энергетические свойства топлив;

– уменьшающие вредные воздействия топлив на системы их применения и продуктов сгорания на окружающую среду.

Теплота сгорания

Количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1 кг топлива, называется теплотой сгорания и измеряется в кДж/кг. Различают высшую Q_в и Q_н теплоту сгорания топлива. В практике используют величину Q_н, определяемую без учета количества теплоты конденсации влаги топлива и продуктов сжигания водорода топлива. Значение Q_н определяют расчетным путем или по номограмме [1, с. 111].

Теплота сгорания нефтяных топлив находятся в пределах 39200-43300 кДж/кг и с увеличением плотности, содержания серы и золы уменьшается. Практические рекомендации по этому показателю изложены в источнике [1, с.47].

Цетановое число

Цетановое число (ЦЧ) – условная единица измерения самовоспламеняемости топлива, численно равная процентному по объему содержанию цетана C₁₆Н₃₄ в его смеси с α–метилнафталином C₁₁Н₁₀, эквивалентной по самовоспламеняемости данного топлива. Воспламеняемость цетана принята за 100 единиц, а α–метилнафталина – за нуль.

Испытания выполняются на одноцилиндровой установке ИТД-69 методом совпадения вспышек.

ЦЧ характеризует период задержки самовоспламенения, влияющего на скорость протекания рабочего процесса в цилиндре дизеля. ЦЧ дизельных дистиллятных топлив для ВОД обычно составляет 45, а ЦЧ вязких топлив для СОД и МОД лежит в пределах 25-35, т.к. фактор времени в процессе сгорания не играет здесь столь существенной роли. От ЦЧ зависит и максимальная скорость нарастания давления в цилиндре (dp/dφ), т.е. жесткость работы дизеля. Значение dp/dφ лежит в пределах 0,5-0,7 МПа на 1⁰ПКВ.

Дополнительная информация по этому вопросу изложена в источнике [2, с. 13-14].

Плотность топлива

Плотность топлива зависит от его фракционного состава и имеет размерность кг/м³. Под относительной плотностью понимается отношение массы топлива при 20 ⁰С к массе такого же объема пресной воды при 4 ⁰С ( ).

За рубежом относительная плотность задается при температурах топлива и воды 15 ⁰С ( ). Разница между и невелика.

В эксплуатационных условиях плотность следует учитывать в следующих случаях:

– при бункеровке для определения массы принятого топлива в цистерну. Так как плотность топлива зависит от температуры, а в топливном паспорте эта величина дается при 20 ⁰С (15 ⁰С), то следует учитывать конкретные температурные условия.

,

где – объем цистерны, м³;

– плотность топлива при 15 ⁰С, кг/м³;

– температура топлива в цистерне, ⁰С;

– температурная поправка к плотности при повышении температуры топлива на 1 ⁰С (табл. 1).

Таблица 1.

Вязкость топлива

аимном перемещении. Различают вязкость динамическую и кинематическую.

Коэффициент динамической вязкости – μ, выражаемый в , определяется как сила в Н, необходимая для перемещения поверхности жидкости, имеющей площадь 1м², со скоростью 1 м/с параллельно другой поверхности, отделенной от нее слоем жидкости толщиной 1м.

Коэффициент кинематической вязкости – ν, выражается в м²/с или численно совпадающих единицах: мм²/с и сСт.

, где d – плотность топлива.

Кроме того, вязкость принято измерять в градусах школы условной вязкости (⁰ВУ) или равнозначных им градусах Энглера (⁰Е), представляющих собой отношение времени истечения 200 мл испытуемого продукта при требуемой температуре через калиброванное отверстие диаметром 2,8 мм к времени истечения 200 мл дистиллированной воды при температуре 20⁰С.

За рубежом вязкость оценивалась в секундах Редвуда (с Red 1, с Red 2 при 100 F⁰) или Сейболта универсального (с SU). Связь между различными единицами определяется с помощью соотношений ([1, с. 18]) или специальной номограммы вязкостно-температурных характеристик топлив ([3, с. 20]). Кроме того, удобно использовать табл. 2 для перевода единиц вязкости.

С увеличением молекулярной массы вязкость нефтепродуктов увеличивается, а с повышением температуры – уменьшается. Изменение вязкости топлива в эксплуатационных условиях вызывает отклонения в процессе смесеобразования и работе системы топливоподачи. С повышением вязкости изменяется геометрия факела распыла топлива, снижается тонкость распыла и увеличивается диаметр капель топлива, что ведет к ухудшению качества смесеобразования и, следовательно, экономичности энергоагрегата.

Повышение вязкости в системе подачи топлива к дизелю приводит к повышению давления в системе ТНВД-форсунка, что является причиной выхода из строя привода ТНВД и его корпуса, разрушения трубопроводов высокого давления. В свою очередь, с увеличением давления вязкость топлива повышается. Уже при давлении 20 МПа вязкость топлива увеличивается в 2 раза, при давлении 60 Мпа – в 4 раза, при давлении 100 Мпа – в 10 раз.

Дизелестроительные и котлостроительные фирмы, с учетом конструкции энергоагрегатов и топливоподающей аппаратуры, устанавливают ограничения вязкости в пределах 10-30 мм²/с перед потребителем.

Для снижения вязкости, перед подачей топлива к энергоагрегату, организуют его подогрев. Выбирая температуру подогрева топлива следует учитывать возможность отложений кокса на поверхности подогревателя. Обычно эта температура не превышает 140⁰С в закрытых системах.

Дополнительная информация по этому вопросу изложена в источниках [1, с. 17-22]; [2, с.15-18].

Температура вспышки паров топлива (Т_всп)

Т_всп – это низшая температура, при которой пары топлива в смеси с воздухом вспыхивают при поднесении к ним открытого пламени. Для определения Т _всп применяют открытый способ (прибор Бренкена) и закрытый способ (прибор Мартенс-Пенского).

Т_всп – зависит от фракционного состава топлива и определяет пожарную безопасность при его транспортировке, хранении и использовании. Для судовых топлив Т_всп должна быть не ниже 60⁰С. Допускается использование дистиллятных топлив с Т_всп 43⁰С для АДГ и двигателей спасательных средств при условии их хранения вне машинного отделения. Температура подогрева топлива в открытых системах должна быть ниже на 10⁰С Т_всп. Дополнительная информация по этому вопросу изложена в источнике [1, с. 23-24].

Температура застывания топлива (Т_заст)

Т_заст – это температура, при которой топливо теряет подвижность (в наклонной по углом 45⁰ пробирке уровень топлива остается неподвижным в течение 1 мин). Т_заст различных сортов судового топлива лежит в пределах от –10⁰С до +35⁰С. Застывание топлива связано с началом кристаллизации парафинистых углеводородов при температуре ниже +39⁰С. В эксплуатационных условиях рекомендуется поддерживать температуру подогрева вязких топлив в цистернах не ниже + 40⁰С. Это исключает появление осадков и обеспечивает перекачивание топлив с вязкостью до 380 мм²/с.

Дополнительная информация по этому вопросу изложена в источнике [1, с. 24-25].

Фактические смолы

Фактические смолы – продукты окисления, полимеризации и конденсации углеводородов, содержащихся в топливе. Их количество в мг на 100 мл определяется взвешенным остатком при выпаривании топлива в струе горячего воздуха.

Присутствие смол способствует увеличению отложений в системах хранения и обработки топлив, а также уровня нагароотложений на деталях ЦПГ дизелей и поверхностях нагрева котлов.

Количество смол при хранении топлив возрастает вследствие воздействия кислорода воздуха, температуры и каталитического воздействия металлов. Норма для топлива марки «Л» ГОСТ 305-83 составляет 40 мг на 100 мл.

Содержание серы

В топливе содержатся (до 4,5%) активные и неактивные сернистые соединения. Активные соединения (элементарная сера S, сероводород H₂S, меркаптаны RHS) вызывают коррозию систем хранения и перекачивания топлива, а также прецизионных элементов топливной аппаратуры. Неактивные соединения (сульфиды R-S-R, дисульфиды R-S-S-R, полисульфиды R-S_n-R) при сгорании топлива образуют сернистый SO₂ и сернистый SO₃ ангидриды, вызывающие газовую, химическую и электрохимическую коррозии. При этом прогорают выпускные клапаны, увеличиваются скорости изнашивания деталей ЦПГ дизелей и концевых поверхностей нагрева котлов. Кроме того, возрастает твердость нагаров на деталях ЦПГ дизелей, что приводит к их интенсивному абразивному изнашиванию.

В процессе эксплуатации невозможно отделить серу от топлива. Для сохранения ресурсных показателей энергоагрегатов применяются передовые конструктивные и технологические решения, в том числе дизельные масла с высокими нейтрализующими свойствами.

Дополнительная информация по этому вопросу изложена в источниках [1, с. 26-32]; [2, с. 24-26].

Содержание кокса и асфальтенов

Содержание кокса задается по значению коксового числа, определяемого в аппарате Конрадсона по сухому остатку в пробе при ее нагревании до высоких температур без доступа воздуха. Коксовое число дистиллятных топлив не превышает 0,1%, а для вязких топлив может достигать значения 20%. С увеличением коксового числа возрастают нагарообразования на соплах форсунок, выпускных клапанах и окнах, при этом нарушается распределение тепловых потоков, возрастает теплонапряженность в отдельных зонах ЦПГ дизеля, ухудшаются условия работы масляной пленки на зеркале цилиндра. Накопление нагаров приводит к потере подвижности поршневых колец, увеличению скорости изнашивания деталей ЦПГ, попаданию нагаров в циркуляционное масло тронковых дизелей и изнашиванию подшипников коленчатого вала.

Асфальтены – высокомолекулярные соединения с плотностью до 1160 кг/м³ и температурой плавления 2000⁰С. Содержание асфальтенов в вязких топливах колеблется от 3% до 12% от массы топлива и приводит к шламо- и осадкообразованию в цистернах, а также влияет на нестабильность и несовместимость топлив.

Асфальтены увеличивают период задержки самовоспламенения, длину факела пламени и продолжительность процесса сгорания. В процессе сгорания асфальтены переходят в твердые вещества - карбены и карбоиды, составляющие основу кокса и нагаров.

Дополнительная информация изложена в источнике [1, с. 39-41].

Золность, содержание ванадия и натрия

Золность топлива – это процентное содержание несгораемого остатка при сжигании испытуемого топлива. Для дизельных дистиллятных топлив зольность не превышает 0,01%, для вязких топлив это значение достигает 0,2%. В золе вязких топлив присутствуют соединения окислов ванадия (V₂O₄, V₂O₅) и солей натрия (Na₂SO₄, NaCl), которые способствуют низкотемпературной коррозии деталей ЦПГ дизелей (за счет интенсификации образования SO₂, высокотемпературной коррозии выпускных клапанов и лопаток газовых турбин. Эти соединения с температурой плавления 600⁰С прилипают к фаскам выпускных клапанов и лопаткам газовых турбин. Протекающая межкристаллическая коррозия приводит к растрескиванию и прогоранию клапанов, особенно интенсивно в присутствии серы.

В вязких топливах содержание ванадия может достигать 0,08% и его нельзя удалить в условиях эксплуатации.

Соли натрия попадают в топливо при обводнении его морской водой и могут быть удалены в процессе сепарации и промывке топлива горячей пресной водой.

Дополнительная информация по этому вопросу изложена в источнике [1, с. 34-39].

Содержание алюмосиликатов

В процессе каталитического крекинга нефтепродуктов в топливные фракции попадают окись алюминия Al₂O₃ и двуокись кремния SiO₂. Их количество достигает 80 мг/кг вязкого топлива. Эти соединения имеют размеры до 20 мкм и являются причиной интенсивного износа прецизионных пар топливной аппаратуры и деталей ЦПГ дизелей.

Удаление алюмосиликатов в процессе эксплуатации осуществляется путем многократной сепарации топлива.

Дополнительная информация по этому вопросу изложена в источнике [1, с. 41-44].

Содержание механических примесей

Механические примеси в топливах состоят из частиц органического и неорганического происхождения, находящихся в топливе во взвешенном состоянии или в виде осадка. Количество мехпримесей в дизельных топливах допускается до 0,02%, а для вязких – до 0,1%. Они засоряют фильтры, увеличивают износ деталей топливной аппаратуры и деталей ЦПГ.

Удаление мехпримесей в процессе эксплуатации осуществляется путем сепарации и фильтрации топлива.

Дополнительная информация по этому вопросу изложена в источнике [1, с. 44-45].

Содержание воды

Количество воды в дизельном дистиллятном топливе не должно превышать 0,3%, а в вязком – 1%. Вода попадает в топливо в процессе транспортировки, бункеровки, за счет конденсации водяных паров в цистернах, неплотности змеевиков парового обогрева и в виде остатков балласта в цистернах переменного назначения. Вода способствует коррозии систем хранения и перекачивания, прецизионных пар топливной аппаратуры. Коагулируют и выпадают в шлам асфальтосмолистые соединения, образуется стойкая водотопливная эмульсия.

Присутствие воды инициирует процесс микробиологического заражения топлива, который характеризуется появлением резкого запаха, слизистыми отложениями, коррозией цистерн, загрязнением фильтров.

Удаление воды осуществляется путем отстаивания и сепарирования. Чем больше плотность топлива, тем выше должна быть температура его подогрева (на 10⁰С ниже температуры вспышки паров топлива) и производительность сепаратора ограничивается 35% от номинальной. Для разрушения стойкой водотопливной эмульсии используются деэмульгаторные присадки и многократное перекачивание топлива насосами по замкнутому контуру.

Дополнительная информация по данному вопросу изложена в источниках [1, с. 45-46], [2, с. 21-22].

Стабильность и совместимость топлив

Стабильность топлива характеризуется сохранением его свойств при хранении и нагреве, отсутствием расслоения, шламообразования и осадков.

Совместимость смешиваемых топлив определяется их групповым и фракционным составами. Даже топлива одной марки могут быть несовместимы, что приводит к потере стабильности составляющих смеси. В условиях эксплуатации не рекомендуется смешивать топлива разных бункеровок.

Для оценки совместимости топлив используется метод «пятна» [1, с.51].

Дополнительная информация изложена в источниках [1, с. 50-51], [2, с. 32-33].