9.2 Показатели качества топлива

Плотность топлива

Плотность топлива является косвенной характеристикой его химических свойств и фракционного состава. Под плотностью понимается отношение массы топлива, при 20⁰С к массе такого же объема пресной воды при 4⁰С (ρ₄²⁰).

За рубежом плотность задается при температурах топлива и воды 15 ⁰С (ρ₁₅¹⁵). Разница между ρ₄²⁰и ρ ₁₅¹⁵невелика.

В эксплуатационных условиях плотность должна учитываться в следующих случаях:

а) При бункеровке для определения массы остатка топлива в цистерне, массовой вместимости принятого в цистерну топлива. Так как плотность топлива зависит от температуры, а в топливном паспорте эта величина даётся при 20 ⁰С, то, производя бункеровку при различных температурных условиях и определяя количество топлива, следует уточнить его плотность для данных условий:

(9.1)

где – температура, при которой определяется плотность;

– плотности нефтепродукта при соответствующих температурах;

– температурная поправка к плотности при изменении температуры топлива на 1°С.

б) при подборе регулировочной шайбы в сепараторе;

в) при замене, рекомендованной для данного двигателя марки топлива другой, т.к. плотность влияет на дальнобойность топливного факела и её изменение может отрицательно повлиять на условия смесеобразования и сгорания.

Высококачественные парафинистые прямогонные дистилляты типа GasOil(дизельные Л) имеют плотность 830-860 кг/м³, в то время как плотность ароматических дистиллятных топлив 880-980 кг/м³. Крекинг – дистилляты имеют ещё более высокую плотность, а если они получены из ароматических нефтей, то их плотность может достигать 1000 кг/м³. Плотность остаточных прямогонных топлив из парафинистых нефтей составляет 870-930 кг/м³, при высоком содержании асфальтосмолистых, составляющих плотность тяжёлых остаточных топлив, возрастает до 950-970 кг/м³, крекинг – остатки могут иметь плотность 980-1030 кг/м³.

Высокая плотность является свидетельством присутствия в топливе высокоароматизированных тяжелых асфальтосмолистых углеводородов, ухудшающих самовоспламеняемость топлив, увеличивающих продолжительность и неполноту сгорания, усиление нагорообразования. При плотности более 991 кг/м³, затрудняется сепарирование топлива.

Вязкость – внутреннее трение, возникающее при взаимном перемещении слоёв жидкости.

Различают абсолютную вязкость и условную вязкость. Абсолютная вязкость подразделяется на динамическую и кинематическую.

Вязкость топлива оценивается коэффициентом кинематической вязкости, который показывает величину внутреннего трения частиц жидкости, возникающего при их взаимном перемещении и определяется с помощью U– образных вискозиметров по формуле:

(9.2)

где – постоянная вискозиметра;

– время истечения жидкости через капилляр.

Вязкость измеряется в Стоксах. Стоке характеризуется вязкость жидкости, плотность которой равна 1 г/см³. 1 СТ=10^-4 м²/с; а также численно совпадающих единицах мм²/с и сСТ.

Кинематическая вязкость равна отношению коэффициента динамической вязкости к плотности вещества

ν=μ/ρ (9.3)

1 сСТ=10^-6м²/с или мм²/с.

Динамическую вязкость (η) измеряют в (Па·с) или пуазах (П);1П=0,1Па·с.

За условную вязкость принимают отношение времени истечения 200 мл испытуемой жидкости при температуре t(⁰С) из вискозиметра типа ВУ ко времени истечения такого же объема дистиллированной воды при 20⁰С. Численное значение этого отношения характеризует условную вязкость (в условных градусах) данной жидкости при температуреt(⁰С).

Для перехода от условной вязкости к кинематической применяют формулу:

(9.4)

За рубежом вязкость оценивается все секундахРедвуда или Сейболта.

Для нефтяных топлив класса дистиллятных вязкость определяют при 20 ⁰С (отечественный стандарт) и 40⁰С (зарубежный стандартISO), для тяжелых топлив – 50⁰С.

Содержание алюмомосиликатов

Содержание алюмосиликатов возможно в топливах, полученных методом каталитического крекинга. В этом процессе в качестве катализаторов используют соединения алюминия и кремния Al₂O₃иSiO, попадающие в небольших количествах в крекинг-остатки при изготовлении тяжёлых топлив. Технология процесса каталитического крекинга не исключает возможность прорыва катализатора в остаточной продукт, применяемый при изготовлении тяжёлых топлив. В топливо попадает катализаторная пыль, частицы которой имеют размеры 10 мкм и менее. Плотность этих частиц соизмерима с плотностью топлива, что затрудняет их удаление из топлива путём отстаивания или центробежной сепарации. Каталитическая пыль обладает абразивными свойствами, и попадание её в двигатель вызывает катастрофический износ топливной аппаратуры, втулок, цилиндров, поршня и колец. Скорость изнашивания увеличивается в 100 раз и более. Контроль катализаторной пыли в топливе-проверка содержания в топливе алюминия и кремния, которое недолжно превышать 80 мг/кг.

Соли натрия и окислы ванадия

Присутствие в золе отдельных сортов тяжёлых топлив соединения окислов ванадия (V₂O₅) и солей натрия (Na₂SO₄,NaCl) являются наиболее агрессивными составляющими – они приводят к «горячей» коррозии деталей ЦПГ, турбокомпрессора и выпускных клапанов. Эти составляющие обладают низкой температурой плавления (600⁰С) и при попадании на металлические поверхности с температурой выше 550-600⁰С прилипают к ним, вызывая закоксование клапанов, растрескивание их седел и прогорание клапана и седла. Высокотемпературная коррозия клапанов происходит тем интенсивнее, чем больше в топливе содержание ванадия и серы.

Существенную роль играют соли натрия попадающие в топливо обычно при его обводнении морской водой. Сепарирование топлива с одновременной промывкой горячей водой позволяет в значительной мере снизить содержание натрия и тем самым уменьшить образование натрий-ванадиевой золы с низкими температурами плавления.

Другим фактором, повышающим срок службы клапанов, является понижение их рабочей температуры до 450-500 ⁰С, что достигается конструктивными мероприятиями.

Положительную роль играют присадки к топливам, базовую основу которых составляют соединения магния и кальция, повышающие температуру плавления натрий-ванадиевой золы до 700-900 ⁰С, тем самым уменьшая отложения золы на клапанах.

Теплота сгорания

Количество теплоты, которая выделяется при полном сгорании 1 кг или 1 м³топлива, называется теплотой сгорания. За единицу количества теплоты принят джоуль (Дж). Различают высшую и низшую теплоту сгорания. При определении низшей теплоты сгоранияQ_н, не учитывается теплота, возвращаемая при конденсации влаги топлива и влаги, полученной при сжигании водорода топлива. В практических расчётах используется низшая теплота сгорания. Удобной для практических целей является эмпирическая формула определенияQ_н:

Q_н=(46,7-8,8·10^-6ρ²₁₅+3,17·10^-3·ρ₁₅)·[1-(x+y+S)]+9.42·S-2,45·x(9.5)

где ρ₁₅– плотность топлива при 15⁰С, кг/м³;

x,y,S– массовые содержания воды, золы, серы, %/100

Величина Q_нможет быть установлена так же по номограмме. Теплота сгорания нефтяных топлив, в пределах 39200-43300 кДж/кг и с увеличением плотности, содержание воды, серы, и золы уменьшается. Наибольшим значениеQ_нобладают парафиновые углеводороды, а наименьшим – ароматические, поэтому парафиновые топлива характеризуются высокими значениямиQ_н, а топлива с высокой плотностью и большим содержанием ароматики имеют низкие её значения.

Теплота сгорания топлива является важным фактором, и её нужно учитывать при заказе топлива (для определения Q_ниспользуют вышеприведенную формулу).

Температура помутнения– максимальная температура, при которой в топливе появляется фазовая неоднородность, топливо начинает мутнеть вследствие выделения микроскопических капелек воды, микрокристаллов льда или углеводородов. Применять топливо можно только до его помутнения.

Температура застывания– температура, при которой топливо в стандартных условиях теряет подвижность (в наклонной под углом 45° пробирке уровень топлива остается неподвижным в течение 1 мин). Застывание топлива связано с кристаллизацией растворенного в нем парафина. Поэтому температура застывания зависит от химического состава.

В эксплуатации температуру застывания учитывают при хранении топлива, выборе режима подогрева и перекачки топлива. Температура застывания отечественных топлив лежит в пределах от (- 5 до -10°С), отдельные тяжелые топлива с высоким содержанием парафинов могут достигать 30°С.

Температурой начала кристаллизацииназывают максимальную температуру, при которой в топливе невооруженным глазом обнаруживают кристаллы углеводородов или льда.

Механические примесив топливах состоят из частиц органического и неорганического происхождения, находящихся в топливе в виде осадков или во взвешенном состоянии. Они засоряют фильтры, увеличивают износ деталей топливной аппаратуры и ЦПГ, поэтому механические примеси в дизельных топливах не допускаются, а в тяжелых топливах не должны превышать 0,1-0,2%, однако в действительности в бункерном топливе они могут быть в большем количестве. Эти примеси попадают из нефти в процессе ее переработки, а также при транспортировке и хранении топлива. Важно ограничить не только содержание примесей, но и размер их частиц, чтобы по возможности не выходили за пределы зазора в прецизионных элементах ТНВД и форсунок (4-7мкм). Это требование необходимо учитывать при очистке топлив в системах топливоподготовки.

Содержание воды.Для дистиллятных топлив допускаются следы воды, для тяжелых топлив – до 0,3%. Зарубежные тяжелые топлива обычно содержат около 0,5% воды, международные стандарты допускают воду в количестве 1%, а отечественные – до 2%. Вода обычно попадает в топливо в процессах транспортирования и бункеровки. Поэтому необходимо отбирать пробу топлива в течение всей бункеровки и проверять ее на содержание воды сразу же по окончании бункеровки. На судне вода в топливо может попадать в значительных количествах при приеме топлива в танки, которые ранее использовались для балласта, чего следует избегать.

Источниками воды могут являться также протекающие змеевики парового подогрева топлива и конденсат, образующийся в цистернах при больших колебаниях температуры. Вода является крайне нежелательным компонентом топлива, так как глобулы воды коагулируют вокруг себя асфальтосмолистые соединения топлива, способствуя их выпаданию в шлам. Наличие воды вызывает коррозию прецизионных пар ТНВД и форсунок, ухудшает распыливание топлива, понижает теплоту его сгорания. Вода относительно легко отделяется от дистиллятных топлив и уходит в отстой. Процесс очистки тяжелых топлив от воды протекает значительно сложнее, как в силу меньшей разности их плотностей и большой вязкости, так и вследствие того, что часто тяжелые топлива образуют с водой стойкие эмульсии.

Для ускорения и улучшения отстаивания рекомендуется в отстойных цистернах поддерживать температуру 60-70°С, а сепарирование осуществлять в режиме пурификации при возможно меньшей подаче. В случае, если эмульсия очень стойкая и доступными мерами ее разрушить не удается, можно рекомендовать прогнать топливо насосами 2-3 раза по замкнутому контуру с тем, чтобы обеспечить более равномерный состав эмульсии с малыми размерами глобул воды, и использовать ее в качестве топлива для двигателя.

Наиболее опасным является попадание в топливо морской воды, при наличии которой растет интенсивность электрохимической коррозии деталей топливной аппаратуры.

Содержание коксазадается по значению коксового числа, определяемого в аппарате Конрадсона по сухому остатку (кокса) в пробе при ее нагревании до высоких температур без доступа воздуха.

Коксовое число дистиллятных топлив обычно небольшое (не превышает 0,05%). Если оно выходит за 0,1%, это свидетельствует о присутствии в топливе остаточных фракций, поскольку последние имеют более высокое содержание углерода.

Тяжелые топлива прямогонные и с парафиновой основой имеют коксовое число около 5%, а полученные из асфальтоароматических нефтей – 10%. В тяжелых крекинг-топливах, в которых в остаточной фракции концентрируются углеводороды с высоким отношением С/Н, коксовое число может достигать 18-20%. При сжигании подобных топлив отмечается большое нагарообразование на поршнях в зоне поршневых колец и в выпускных окнах, особенно это относится к высокофорсированным двигателям. Одновременно наблюдается дымный выпуск.

Асфальтены. В топливе асфальтены нерастворимы и содержатся в виде коллоидного раствора. Их плотность достигает 1160 кг/м³, температура плавления составляет 200°С. При сгорании они переходят в еще более высокомолекулярные насыщенные углеродом твердые вещества – карбены и карбоиды, составляющие основу нагаров.

Содержание асфальтенов в прямогонных остаточных парафиновых топливах невелико (3…6%), в топливах из асфальтосмолистых нефтей – несколько больше (около 10%), а в крекинг-топливах – до 12%. Асфальтены являются нежелательной составляющей топлива, прежде всего в связи с их отрицательным влиянием на процесс сгорания. Они увеличивают период задержки самовоспламенения, медленно горят, затягивая процесс сгорания на линию расширения даже за нее, что влечет за собой рост температуры выпускных газов, рост отложений в выхлопном тракте и в газовых турбинах, и снижение экономичности двигателя.

Золапредставляет собой несгораемые механические примеси неорганического происхождения, присутствующих в топливе. Общее количество золы образуется из разных источников.

Одна часть формируется из элементов содержащихся в сырой нефти, а другая попадает в топливо при процессах перегонки нефти, при хранении и транспортировке нефти и нефтепродуктов.

В сырой нефти содержатся некоторые количества элементов, формирующих состав золы, такие как : ванадий, натрий, кальций, магний, цинк, свинец, железо, никель. Дистиллятные топлива должны иметь незначительные количества компонентов, которые входят в состав золы. В остаточных топливах содержатся большее количество золы, так как формирующие ее компоненты концентрируются в остаточных продуктах прямой дистилляции нефти, которые являются исходным сырьем для процессов получения тяжелых сортов топлив – крекинга и висбрейкинга. Несгораемая часть получается при сжигании содержащихся в топливе солей. Из минеральных солей наиболее неблагоприятно воздействуют окислы ванадия и натрия. Их влияние сказывается в первую очередь на снижение работоспособности выхлопных клапанов (коррозия и прогорание), на коррозии сопел и рабочих лопаток турбокомпрессоров, а также других металлических поверхностей двигателей котлов.

Содержание серы.Характеризуется наличием свободной серы или сернистых соединений. Сера способствует конденсации водяных паров продуктов сгорания, если их температура близка к точке росы. При сгорании топлива сернистые соединения превращаются в кислотные окислы:

S+O₂=SO₂(9.6)

Часть образовавшейся двуокиси переходит в серный ангидрид:

2SO₂+O₂=2SO₃(9.7)

С увеличением коэффициента избытка воздуха, общего содержания в топливе серы и с повышением давления в цилиндре двигателя интенсивность образования SO₃возрастает. Реакция окисленияSO₂иSO₃значительно ускоряется в присутствии активных соединений, как окись железа (Fe₂O₃) или пятиокись ванадия (V₂O₅). Газообразный сернистый ангидрид соединяясь с парами воды, присутствующей в цилиндре, образует пары агрессивной серной кислоты.

SO₃+H₂O=H₂SO₄(9.8)

Пары серной кислоты, соприкасаясь с относительно холодными стенками цилиндра, конденсируются на них, вслед за чем, при дальнейшем падении температуры, происходит конденсация на них и паров воды, которая в смеси с серной кислотой образует на поверхностях цилиндра слабый раствор электролита.

Температура конденсации H₂SO₄увеличивается с ростом содержания серы в топливе и приS=3% достигает 170-180°С, в то время как при 1-1,5%Sона составляет 120-130°С.

Конденсация серной кислоты и воды вызывает коррозионный износ рабочих поверхностей цилиндров и поршневых колец, который при прочих неблагоприятных условиях может возрастать до десятикратных размеров.

Интенсивность коррозии определятся:

1. Концентрацией паров серного ангидрида SO₃, в большой степени зависящий от процентного содержания серы в топливе;

2. Локальными значениями температур на поверхности цилиндра со стороны газов, опускающими ниже температуры точки росы (температуры, при которой происходит конденсация паров на поверхностях втулки цилиндра;

3. Количество серной кислоты и воды, скапливающимися на зеркале цилиндра;

4. Толщиной масляной пленки защищающей зеркало цилиндра, и нейтрализующей способностью масла (его щелочным числом).

Фракционный состав выражает зависимость между температурой и количеством перегоняемого (при этой температуре) топлива. Фракционный состав является характеристикой испаряемости топлива. Фракционный состав показывает процентное содержание в топливе различных фракций, выкипающих при определенных температурах, а так же оказывает влияние на распыление топлива, полноту сгорания, дымность выхлопа, нагароотложения и разжижение циркуляционного масла.

Температура вспышки – низшая температура, при которой пары топлива в смеси с воздухом вспыхивают при поднесении к ним открытого пламени.

Она зависит от температуры кипения, испаряемости и упругости паров топлива и определяется фракционным составом топлива. Температура вспышки характеризует пожароопасность топлива. Международный стандарт (ISO 8217) и Правила классификационных обществ требуют, чтобы температура вспышки принимаемого на борт судна топлива не была ниже 60°С. Тяжелые топлива имеют более высокие температуры вспышки (75-85°С) и, поскольку их приходится подогревать, температура подогрева в открытых емкостях в целях пожаробезопасности должна быть на 10-15°С ниже температуры вспышки. Для судов ограниченного или портового плавания по согласованию с Регистром допускается использовать топливо с более низкой температурой вспышки.

Цетановое число характеризует воспламеняемость топлива и численно равна объемной доле (в процентах) цетана и смеси с α-метилнафталином.

Цетановое число определяет эффективность сгорания топлива. Выбор топлива во многом зависит от температуры, при которой оно будет использоваться. Нормальный запуск и плановая работа дизеля обеспечиваются в летний период при цетановом числе 40-45, в зимний период необходимо его увеличение до 50-55. У моторных топлив и мазутов цетановое число находится в пределах 30-35, у дизельных – 40-52.

Фактическими смолами называют сложные продукты окисления, полимеризации и конденсации углеводородов и гетероорганических соединений, содержащиеся в топливе и образующиеся в нем в условиях испытания. Содержание фактических смол выражают в миллиграммах на 100мл испытуемого топлива или в процентах по массе.

В тяжелом топливе определяют смолистые вещества, включая в их состав смолы, асфальтены, полициклические и другие высокомолекулярные соединения.

Фактические смолы характеризуют стабильность топлива при длительном хранении.

Водорастворимые кислоты и щелочи определяют методом извлечения их из топлива водой и водным раствором спирта с последующим установлением величины рН водной вытяжки или реакции среды с помощью индикаторов. При использовании индикаторов топливо считается не содержащим водорастворимых кислот и щелочей, если вытяжка не окрашивается.

Кислотность оценивает содержание в топливе органических кислот. Кислотность выражают в мг КОН потребного для нейтрализации органических кислот, содержащихся в 100 мл.