Kamkin_-_Expluatatsia_sudovykh_dizeley_-_1990

ния определяющих его показателей выгодно отличают этот крите­ рий от ранее применявшихся показателей ЦЧ и ДИ.

На рис. 7.4 приведена номограмма, позволяющая не только определить CCAI, но и по зоне, в которую он попадает, дать за­ ключение о воспламеняемости топлива (например, топливо с v50 =-

— 500 сСт и = 900 кг/м3 имеет CCAI = 848). Хорошей вос­ пламеняемостью обладают топлива, у которых CCAI не превышает 835 (зона / / / ) , удовлетворительной — топлива с CCAI, лежащем в пределах 835—865 (зона //), и определенные затруднения при сго­ рании вызывают топлива с CCAI, большем 865 (зона /).

Знание ЦЧ или CCAI топлива необходимо для того, чтобы ап­ риори можно было с известной степенью приближения оценить ожидаемое при смене топлива изменение экономичности работы двигателя, изменение уровней его тепловой и механической на­ пряженности.

Более точная оценка этих показателей возможна лишь на осно­ ве анализа изменения следующих параметров рабочего процесса (см. рис. 6.4, 7.3): периода задержки самовоспламенения ср3, ско­ рости нарастания давления при сгорании Ар!А<рср, максимального давления сгорания рг, давления на линии расширения /?ехр, ори­ ентации точки г относительно ВМТ <pz, среднего индикаторного дав­ ления p i, температуры выпускных газов t T.

Перечисленные параметры могут быть получены с высокой точ­ ностью с помощью современной электронной измерительной аппа­ ратуры К-748 или НК-5, используемой в судовых диагностических комплексах.

241

Стабильность и совмести­ мость топлив. Под стабильно­ стью топлива понимают его спо­ собность противостоять образо­ ванию осадков, шламоотделению и расслаиванию при хранении и использовании (что сопряжено с перекачиванием и нагревом топ­ лива). Склонность к осадкооб­ разованию главным образом проявляют тяжелые остаточные топлива, крекинг-мазуты. Содер­ жащиеся в них асфальтены, карбены и карбоиды выполняют функцию центров коагуляции высокомолекулярных соедине­

ний. Образующиеся в результате коагуляции асфальтосмолистые сгущения выпадают в осадок, забивают фильтры, сепараторы, нарушают работу всей системы топливоподачи. Иногда центрами коагуляции могут стать кристаллы твердого парафина, выпадаю­ щего из парафинистого топлива при его охлаждении. Нарушению стабильности, росту скорости осадкообразования способствуют на­ грев, обводнение топлива (коагуляция происходит вокруг глобул воды) или смешивание с другими сортами, если они оказываются несовместимыми по отношению к данному топливу.

Смешиваемые топлива чаще являются совместимыми, в этом случае стабильность смеси топлив не нарушается и интенсивного осадкообразования не происходит. Чтобы понять сущность несов­ местимости, напомним, что нефтяные топлива представляют собой сложную органическую смесь, главным образом состоящую из па­ рафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов.

Топлива, содержащие только перечисленные углеводороды (а это в основном дистиллятные нефтепродукты), образуют стабиль­ ные смеси, близкие по растворимости к идеальным. Тяжелые топ­ лива, получаемые смешиванием остаточных продуктов с дистиллятными фракциями, помимо перечисленных групп углеводородов, со­ держат значительные количества высокомолекулярных соединений— асфальтеносмолистых веществ, состоящих из нейтральных смол, асфальтенов, карбенов и карбоидов. Эти вещества не растворяются в основной массе более легких углеводородов, поэтому остаточные топлива в отличие от дистиллятных не являются однородными, а представляют собой коллоидную систему, состоящую из однород­ ной среды 'углеводородов с относительно небольшим отношением С/Н, в которой диспергированы крупные и мелкие скопления ас­ фальтосмолистых соединений (рис. 7.5).

Центрами скоплений (мицелл) являются асфальтены — слож­ ные соединения, обладающие высокой молекулярной массой, боль­

242

шим отношением С/Н, составляющих их углеводородов. В них мо­ гут входить также в небольших количествах сера, кислород, азот. Молекулы асфальтенов благодаря своей полярности образуют ассоциаты — ядра 1 мицелл, состоящие из трех^пяти молекул и ок­ руженные оболочками 2, 3 из растворенных в топливе смол, харак­ теризующихся меньшим отношением С/Н. Наружный слой 4 пред­ ставляют ароматические углеводороды, обладающие поверхност­ ной активностью, поэтому легко адсорбирующиеся на мицеллах; их отношение С/Н близко к С/Н однородной фазы. Образующиеся вокруг асфальтенов сольватные оболочки предотвращают слипание и объединение мицелл и выпадение их в осадок. Более того, бла­ годаря полярным силам ароматики способствуют появлению рас­ клинивающего эффекта, отбрасывающего мицеллы друг от друга и тем самым удерживающего коллоидную систему в мелкодисперсном состоянии. Смешивание с высокоароматизированными топливами не нарушает стабильности смеси, более того отмечаемое увеличение толщины сольватных оболочек делает смесь более устойчивой, пре­ дотвращая шламообразование. Подобная смесь топлив является сов­ местимой .

Когда же остаточное топливо смешивается с топливом, содер­ жащим парафиновые соединения с малой молекулярной массой (низким отношением С/Н), которые играют роль растворителя, за­ щитные кольца растворяются, происходят объединение и укруп­ нение асфальтеновых ассоциатов, и они выпадают в осадок, пред­ ставляющий собой мазеподобное вещество черного или коричнево­ го цвета. В этом случае принято говорить, что смешиваемые топ­ лива несовместимы. Отмеченное падение стабильности смеси про­ исходит вследствие уменьшения отношения С/Н окружающей ми­ целлы однородной фазы, результатом чего является нарушение рав­ новесного состояния между наружной оболочкой мицелл и окру­ жающей их фазой. Явление несовместимости может быть предот­ вращено, если при смешивании уменьшить долю маловязкого парафинистого компонента.

Нарушение равновесия смеси может быть также вызвано на­ гревом, способствующим растворению смол. Отрицательно влияет на стабильность рост количества асфальтенов, которое особенно интенсивно происходит при нагреве топлива до 300—350 °С (на­ пример, в электроподогревателях при контакте топлива с греющи­ ми элементами температура последних не должна превышать

180°С).

Об щ е е п р а в и л о — в целях исключения отрицательных

явлений несовместимости топлив при их смешивании на борту судна рекомендуется не допускать смешивания остаточных топлив (с вы­ соким содержанием асфальтенов) с более легкими парафиносодер­ жащими сортами, а также между собой, если они имеют различное происхождение (относятся к различным бункеровкам). Перед сме­ шиванием желательна проверка топлив на совместимость.

243

7.3. Сорта топлив, мх использование

Общие сведения. Применяемые на судах нефтяные топлива в за­ висимости от метода их получения подразделяют на два вида — дистиллятные и тяжелые. Дистиллятные топлива состоят из легких фракций, получаемых дистилляцией в установках по переработке нефти, характеризуются малой вязкостью v = 3 -f- 6 мм*/с, по­ этому не нуждаются в подогреве перед подачей к двигателям или котлам. Тяжелые топлива представляют собой смеси, состоящие из остаточных продуктов переработки нефти и дистиллятов.

В зависимости от соотношения легких и тяжелых компонентов вязкость тяжелых топлив, как и другие их показатели, варьируется

фирм-поставщиков Британской (BS 2869 : 1967) и Американской (А5>ТМ-Д975 и Д396-67). Начавшийся в 70-х годах и все более распространяемый процесс вовлечения в производство топлив про­ дуктов вторичной переработки нефти потребовал пересмотра дейст­ вующих стандартов и спецификаций, расширения предельных зна­ чений показателей качества и привлечения дополнительных пока­ зателей (таких, как содержание алюминия, стабильность и совме­ стимость топлив и др.).

Дистиллятные топлива. В силу ограниченности ресурсов и вы­ сокой стоимости дистиллятов цена относящихся к классу дистил­ лятов дизельных топлив в СССР ориентировочно в 1,7 раза пре­ вышает стоимость тяжелых топлив (рис. 7.6). Потребление дизель­ ного топлива на судах морского флота составляет всего 6— 12 %

то

%90

Рис. 7.6. Соотношение стоимости и объема продажи топлив для морских судов (данные 1984 г.)

244

общего количества сжигаемого топлива. Его в основном исполь­ зуют во вспомогательных средне- и высокооборотных дизелях, которые либо по своей конструкции, либо из-за неприспособлен­ ности системы топливоподготовки (отсутствие подогрева) не могут быть переведены на более тяжелые сорта. В главных двигателях морских судов дизельное топливо применяют исключительно во время маневров и для промывки топливной системы, перед останов­ кой. Отечественная промышленность выпускает дизельные топли­ ва в соответствии с ГОСТ 305—82 путем смешивания фракций пря­ мой перегонки сернистых нефтей, прошедших гидроочистку и депарафинизацию, с каталитическим газойлем. Присутствие катали­ тического газойля снижает эксплуатационные свойства топлива, в частности усиливается его склонность к отложениям. Топлива выпускают четырех марок: Л, 3, ЗС, А, которые по содержа­ нию серы делят на две подгруппы: с S < 0,2 %, с S = 0,21 -f- 0,5 %.

дукта в процессах замедленного коксования при выработке нефтя­ ного кокса, необходимого металлургической промышленности. Га­ зотурбинные топлива ТГ и ТГВК отличаются более высокой плот­ ностью и вязкостью, 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 особо, в них содержится до 25 % смолистых веществ. Это обусловливает их низкую стабиль­ ность, проявляющуюся при нагревании и смешивании с другими топливами.

Начиная с 1988 г. нефтяная промышленность начала поставлять на флот судовое маловязкое топливо, лредназначенное для замены дизельного и газотурбинного топлив. Это топливо вырабатывают путем смешивания дистиллятов вторичных процессов (коксова­ ния, термического и каталитического крекинга) с дизельными фракциями с повышенным концом кипения, взятыми из атмосфер­ ной и вакуумной колонн. По сравнению с дизельным топливом к нему предъявляют менее жесткие требования (допускается вдвое большая вязкость— 11 мм2/с, содержание серы до 1,5%", более низкое ЦЧ — не менее 40).

Тяжелые топлива. Тяжелые топлива представляют собой смеси прямогонных, а в последние годы — крекинг-остатков с дистилля­ тами. По вязкости топлива подразделяют на два вида — средне­ вязкие (vjq до 35 мм2/с) и высоковязкие (v50 > 35 мм2/с). Из оте­ чественных топлив к средневязким принято относить моторное топливо ДТ (ГОСТ 1667—68) и флотский мазут Ф-5 (ГОСТ 10585—75), хотя верхний предел их вязкости и выходит за 35 мм2/с. Топливо

245

ДТ представляет собой смесь мазута с дистиллятами вторичных процессов — каталитическим газойлем, крекинг-керосином, количество которых достигает 50—60 %. Флотский мазут Ф-5 обычно состоит из маловязкого мазута прямой перегонки (60—70 %), чер­ ного солярового масла (16—20 %) и крекинг-мазута (20—30 %). От топлива ДТ он отличается меньшим содержанием дистиллятных фракций и большим — серы и золы.

Средневязкие топлива можно применять не только в главных мало- и среднеоборотных двигателях, но и в двигателях вспомога­ тельных дизель-генераторов. При этом необходимы подогрев топ­

(ГОСТ 10585—75) представляет собой компаундированное прямогонное топливо вязкости до 170 мм2/с при 50 °С. Он обладает вы­ сокой температурой застывания (до 25 °С) и высокой зольностью (до 0,12 %). Мазут марки 40 является основным видом топлива для малооборотных дизелей при условии, что их система топливоподготовки оснащена эффективными средствами очистки и подогрева. Заменителем топочного мазута служит моторное топливо ДМ вяз­ костью не более 150 мм2/с, содержание серы не более 1,5 %, но зольность может достигать 0,15 %.

Технологическое экспортное топливо марок Э-4 и Э-5 является смесью прямогонных остатков с дистиллятами. Вязкость его до­

15 °С.

Предусматривается поставка новых судовых средне- и высоко­

ароматиков, смол, асфальтенов, а также серы, золы и механических примесей (см. табл. 7.3). Худшие показатели высоковязких топ­ лив предопределяют необходимость их качественной очистки и бо­ лее высокого подогрева по пути от танков запаса до двигателя.

Зарубежные топлива. Зарубежными спецификациями преду­ сматривается значительно более широкий ассортимент поставляе­ мых на суда топлив. По современной классификации (Shell Marine Fuel Specifications, 1986) тяжелые топлива условно подразделяют на две группы: остаточные высоковязкие топлива вязкостью 420— 700 мм2/с при 50 °С (Marine Fuel Oil или Residuel Fuel) и топлива, представляющие собой смеси, вязкость которых лежит в диапазоне 420— 30 мм2/с (Thin Fuel Oil или Intermediate Fuel Oil).

248

дукты на мировом рынке возросла в 10 раз и более, затем произошел некоторый спад, но, несмотря на это, стоимость топлив продолжает оставаться высокой, и, учитывая ограниченность мировых ресур­ сов нефти, нет оснований ожидать падения цен в будущем. Общая тенденция сводится к увеличению цен, так как технология извле­ чения нефти из недр становится все более дорогостоящей. Особенно

однако разрыв в ценах на тяжелые и дистиллятные топлива, как и за рубежом, увеличился. Так, если до 1973 г. по ценам Запад­ ного рынка он был минимален, то в настоящее время стоимость мазута IFO-240 (v = 240 мм2/с) составляет 78 % стоимости топли­ ва Marine Diesel Oil (MDO). Стоимость мазута марки 40 составляет 58 % стоимости дизельного топлива марки Л. Столь значительную разницу в ценах нельзя не учитывать при выборе сорта топлива для судов. Если исходить из экономических соображений, то предпочте­ ние следует отдавать более дешевым сортам топлив, которые, одна­ ко, обладают худшими эксплуатационными свойствами. Поэтому при выборе сорта топлива соображения технического характера являются не менее важными, а иногда и решающими. Надежность работы двигателя, его ресурс находятся в прямой зависимости от

Использование топлив. При использовании тяжелых низко­ сортных топлив особенно важно обеспечить их эффективную очист­ ку и подогрев. Выпускные клапаны должны иметь жаростойкую на­ плавку и интенсивное охлаждение. Охлаждение необходимо также для распылителей форсунок, в противном случае не исключено интенсивное закоксовывание сопловых отверстий. С переводом дизеля на работу на тяжелом топливе рекомендуется заменить рас­ пылители на распылители с большим диаметром сопловых отвер­ стий и большим зазором между иглой и направляющей. Ж ела­ тельно также во избежание заклиниваний перейти на плунжерные пары с большим зазором. Качество и стоимость топлива находятся в прямой зависимости, и перевод двигателя на работу на более дешевом топливе не может не отразиться на ухудшении его состоя­ ния и вызванном этим увеличении расходов на техническое об­ служивание, запасные части, ремонт и пр. Поэтому при подсчете суммарного экономического эффекта следует исходить из разности между выигрышем в стоимости израсходованного за определенный промежуток времени топлива и потерями в эксплуатационных расходах. Экономический эффект равен экономии в стоимости топ­ лива минус потери на техническое обслуживание, ремонт и пр.

Рост эксплуатационных расходов при переводе двигателей на более тяжелые топлива складывается в результате: увеличения

249

ках запаса и в системе топливоподготовки; увеличения затрат на смазочные масла в связи с тем, что с ухудшением качества топ­ лив, как правило, требуются более дорогие (качественные) масла и в больших количествах, так как их приходится чаще менять.

Иллюстрацией служат данные, приведенные на рис. 7.7. Здесь за ориентир принято тяжелое топливо вязкостью 350 мм2/с. Как видно, изменение вязкости приводит к изменению расходов по экс­ плуатации двигателя в диапазоне 10— 15 %. Для другого двигателя этот диапазон может быть иным, так как изменение эксплуатацион­ ных расходов находится в зависимости от того, в какой степени двигатель и система топливоподготовки приспособлены к работе на тяжелых низкокачественных топливах. Судовые двигатели вы­ пуска 60—70-х гг. допускали использование тяжелых топлив, вяз­ кость которых не превышала 350 мм2/с. При этом предел вязкости для среднеоборотных двигателей был еще ниже, в четырехтактных мощных двигателях не рекомендовалось выходить за пределы вяз­ кости 180 мм2/с. В конструкцию двигателей 1980-х гг. были внесе­ ны усовершенствования, позволяющие использовать топлива вяз­ костью до 400—500 мм2/с.

7.4. Топливные системы

Функции и классификация топливных систем. В задачи судо­ вой системы входят: прием топлива и выдача его на берег или на другие суда; хранение топлива в танках запаса, располагающихся в двойном дне либо в диптанках; обработка топлива (химическая — введение присадок, динамическая в целях получения более равно­ мерной структуры и исключения потерь горючей массы, дисперги-

250