Методы обработки топлива

Для обеспечения надежной работы топливной аппаратуры судовых дизелей топливо проходит предварительную обработку, заключающуюся в отстаивании, сепарировании, фильтрации, подогреве тяжелого топлива. Наибольшее распространение получили следующие методы:

- отстаивание в емкостях;

- обработка с помощью центрифугирующих устройств – сепараторов;

- обработка в фильтрующих элементах;

- использование гомогенизаторов, для разрушения сгущений и агломератов;

- подогрев топлива.

6.1.1 Отстаивание топлива

Отстаивание – это осаждение механических примесей и глобул воды в топливе под действием собственного веса. Процесс отстаивания дизельного топлива с вязкостью 12…20 сСт при 50 °С происходит довольно быстро, в отличии от тяжелых высоковязких топлив, имеющих высокую вязкость и требующих для ее снижения подогрева в цистерне до температуры на 10…15 °С ниже температуры вспышки. Большинство тяжелых топлив образуют с водой стойкие водотопливные эмульсии в виде глобул воды, окруженных прочной оболочкой из топлив. Удалить воду не удается даже в сепараторах. Рекомендуется в этом случае применять антиэмульгирующие присадки к топливу или оставлять воду в топливе, если ее содержание не превышает 5%, а перед подачей в дизель уменьшить размер глобул воды до 15…20 мкм перекачкой топлива насосом по замкнутому контуру.

6.1.2 Сепарирование топлива

Сепарирование топлива осуществляется в сепараторах, действие которых основано на отделении механических примесей и воды благодаря центробежным силам, возникающим из-за большой частоты вращения барабана.

Устаревшие сепараторы требуют периодической разборки и очистки вручную и поэтому малопригодны для сепарации тяжелых топлив, содержащих большое количество загрязняющих примесей. В современных сепараторах самоочищающегося типа периодическая очистка осуществляется автоматически, путем промывки горячей водой и сброса шлама в грязевую цистерну. Период между разгрузками барабана устанавливается опытным путем. Сигналом о необходимости разгрузки может служить появление водотопливной эмульсии в смотровом окне сливного патрубка, вызываемое заполнением грязевой полости барабана и вытеснением водяного затвора.

Сепараторы в зависимости от настройки могут работать в режимах кларификации (отделение механических примесей) и пурификации (разделение топлива и воды с одновременным отделением механических примесей). Последний способ при очистке тяжелых топлив благодаря его универсальности является более предпочтительным. К достоинствам пурификации относится возможность промывки топлива горячей водой, вводимой в сепаратор в количестве 3…4% (от объема топлива) при температуре, на 3…5 °С превышающей температуру топлива. Промывка улучшает отделение механических примесей и способствует удалению из топлива водорастворимых солей и золы.

Работа сепаратора с малой производительностью (не более 50% от паспортного значения) при достаточно высокой температуре подогрева топлива обеспечивает качественную очистку топлива. Верхним допустимым пределом подогрева топлива является температура кипения воды. Обычно не рекомендуется подогревать топливо выше 95 °С (для маловязкого дистиллятного топлива температура подогрева не должна превышать 35…40 °С из-за возможного выделения асфальтосмолистых соединения при сепарации).

При работе сепаратора в режиме пурификации, эффективность сепарации зависит также от положения пограничного слоя - границы раздела между топливом и водой гидрозатвора. Регулировка положения пограничного слоя осуществляется с помощью регулировочной шайбы, создающей сопротивление выходу воды из сепаратора.

Очистка топлива в сепараторе основана на разности создаваемых в нем центробежных сил, зависимых от плотности очищаемого нефтепродукта и находящихся в нем примесей и воды. Длительность нахождения топлива в барабане сепаратора влияет на качество и полноту очистки топлива.

Для обработки тяжелого топлива обычно используют два сепаратора, для дизельного – один или два. В зависимости от качества тяжелого топлива оба сепаратора включаются параллельно - работа в режиме пурификации, или последовательно – первый сепаратор работает в режиме пурификатора, а второй – кларификатора.

С утяжелением топлив и увеличением их плотности возникла серьезнейшая проблема сепарации воды от топлива. Плотность современных и перспективных топлив может достигать 990…1030 кг/м³ и более, плотность пресной воды при 20 °С равна 1000 кг/м³. С увеличением температуры плотность нефтепродуктов уменьшается быстрее, чем воды, поэтому разность их плотностей возрастает. Опыт показывает, что плотность топлива равная 991 кг/м³ при температуре подогрева 98 °С представляет собой верхний предел плотности топлива, при котором возможно еще отделение пресной воды от топлива.

В процессе очистки топлива грязь и шлам скапливаются внутри барабана, и по мере его заполнения во избежание нарушения сепарации барабан следует очищать. В современных сепараторах очистка осуществляется автоматически с периодичностью 2…4 ч при сепарации топлива вязкостью 12…380 сСт. Для более вязких топлив (600 сСт при 50 °С) промежуток между разгрузками не более 1…2 ч.

В режиме кларификации сепаратор работает без водяного затвора, выход воды из сепаратора перекрывается, и топливо очищается лишь от механических примесей. Обычно кларификатор, устанавливаемый последовательно с пурификатором, служит второй ступенью очистки.

Опыт показывает, что при последовательной работе сепараторов основная часть отделяемых примесей (до 70%) приходится на пурификатор и лишь 10% в кларификаторе. Таким образом, роль кларификатора сводится к удалению из топлива оставшихся в нем более мелких частиц механических примесей и роли «сторожа» на случай прорыва механических загрязнений через пурификатор. При работе на тяжелых низкосортных топливах сепарацию рекомендуется осуществлять в режиме, включающем два параллельно работающих на малой производительности пурификатора с последовательно включенным кларификатором. Эффективность очистки при такой конфигурации достигает 80…90%, в варианте пурификатор – кларификатор не более 70%.

Центробежные сепараторы обеспечивают удаление примесей неорганического происхождения с размерами частиц 5 мкм и менее и органического 7 мкм и менее, а также воды. Потери горючей части топлива вместе с отсепарированной водой и с осадком при удалении не превышает 1% при очистке остаточных мазутов – 3%.

Вязкость топлива при сепарации должна быть 12…16 сСт для двухтактных дизелей и 9…14 сСт для четырехтактных. Фирма «Альфа-Лаваль» рекомендует соблюдать следующие оптимальные соотношения производительности сепаратора и температуры сепарации в зависимости от вязкости.

Таблица 6.1 – Рекомендуемые соотношения параметров сепаратора

6.1.3 Фильтрация топлива

Износ прецизионных пар топливоподкачивающей аппаратуры зависит как от абразивных свойств механических примесей топлива, так и от размеров частиц. Исследования показывают, что наибольший износ вызывают частицы загрязнений размером 6…12 мкм. Более крупные частицы не могут сразу пройти в зазоры и оказывают меньшее абразивное действие. Следовательно, основным техническим требованием к фильтрам тонкой очистки является обеспечение отсева частиц не крупнее указанных наиболее опасных размеров. Поэтому помимо сепарации входит процесс фильтрования топлива с использованием фильтров грубой и тонкой очистки. Фильтры грубой очистки устанавливают перед всеми насосами (топливоподкачивающими, бустерными и циркуляционными) в целях предупреждения их повреждения при попадании крупных частиц. Фильтры тонкой очистки устанавливают непосредственно перед дизелями для защиты прецизионных элементов топливной аппаратуры от частиц механических примесей, не задержанных в сепараторе.

Принцип действия фильтра основан на отделении от нефтепродукта загрязняющих примесей при его пропускании через фильтрующую перегородку, размеры ячеек которой меньше размеров отфильтровываемых частичек.

На судах применяют фильтры и самоочищающиеся фильтрационные установки. В зависимости от принципа действия фильтрующие элементы делятся на поверхностные и объемные (емкостные). В поверхностном фильтре топливо очищается путем осаждения примесей на поверхности элементов, кромках ячеек или щелей. В объемном фильтре нефтепродукт пропускается через фильтрующий материал, содержащий множество каналов и пор, в которых и откладываются загрязняющие примеси. Наибольшую тонкость отсева обеспечивает бумага, которая может задерживать частицы загрязнений размером от 10…13 до 2…3 мкм. Магнитные фильтры широко применяют для очистки от ферромагнитных частиц с размерами 0,5…5 мкм и более.

На основании опыта рекомендуется для средне- и высоковязких топлив следующая последовательность средств очистки: ФГО, центробежный сепаратор, ФТО.

6.1.4 Гомогенизация (однородность) топлива

Гомогенизация топлива заключается в гидродинамическом возмущении среды с возникновением кавитационных зон. Захлопывание кавитационных каверн сопровождается локальными гидравлическими ударами высокой мощности, разрушающими не только желеобразные сгущения, но и твердые агломераты, находящиеся в топливе. В результате топливо становится гомогенным, смолы равномерно распределяются в топливной среде, твердые частицы освобождаются от «смолистой шубы», а глобулы воды диспергируются.

Такое топливо сепарируется и фильтруется с минимальными потерями горючей части. Гомогенизированное топливо обладает повышенной абразивностью и требует его фильтрации через ФТО.

6.1.5 Подогрев топлива

Подогрев топлива необходим для хорошего распыливания при впрыске в дизель. Выбор температуры подогрева зависит от вязкости применяемого топлива. Вязкость дизельных топлив достаточна и без подогрева. Тяжелые топлива предварительно подогреваются в паровых или электрических подогревателях. Влияние вязкости и сжимаемости на характеристику впрыска в зависимости от конструкции топливной аппаратуры различно, но во всех случаях оно в той или иной мере отражается на качестве распыливания и последующего сгорания топлива. Вязкость, определяемая силами внутреннего сцепления топлива, и силы его поверхностного натяжения оказывают непосредственное влияние на распад вытекающей из форсунки струи топлива. Эти силы стремятся удлинить сплошную часть струи и тем самым сохранить ее целостность, поэтому с их увеличением (а это возможно при снижении температуры топлива) длина сплошной части струи растет, а тонкость распыливания снижается.

Опытным путем установлено, что оптимум вязкости топлив для дизелей лежит в пределах 12…20 сСт (Правилами технической эксплуатации рекомендуется 9…15 сСт). Это значение вязкости и должно быть обеспечено соответствующим подогревом топлива перед его использованием. Подачей пара в подогреватель управляет автоматический регулятор вязкости – вискозиметр. Он встроен в систему подачи топлива и контролирует необходимую вязкость. За ним устанавливают фильтры тонкой очистки с тонкостью отсева 6…15 мкм.

Чтобы предотвратить остывание топлива в системе топливоподачи, все трубы изолируются и снабжаются паровыми спутниками или обвиваются электронагревательными элементами, а смесительная цистерна снабжается паровым змеевиком. Кроме того, при кратковременной остановке двигателя циркуляционные насосы должны продолжать работать, поддерживая циркуляцию горячего топлива в замкнутом контуре.

Опыт эксплуатации показывает, что температура подогрева топлива не должна превышать 150 °С, а вязкость топлива перед ТНВД не является строго определенным параметром и поэтому допускаемая величина вязкости может быть до 20 сСт за подогревателем.

В случае если топливные трубопроводы имеют подогреваемые участки, следует остерегаться перегрева труб при переходе на дизельное топливо и при работе на дизельном топливе. В этих условиях слишком интенсивный подогрев трубопроводов может настолько снизить вязкость топлива, что появится опасность перегрева топливных насосов и последующего заедания плунжера и повреждения уплотнений в системе.

Во время стоянки двигателя для циркуляции подогретого тяжелого топлива не требуется такой низкой вязкости, которая рекомендована для впрыска. Поэтому для экономии энергии температуру подогрева можно снизить примерно на 20 °С, чтобы обеспечить вязкость топлива около 30 сСт.

Если двигатель был остановлен на тяжелом топливе, и если тяжелое топливо прокачивалось при пониженной температуре во время стоянки, подогрев и регулировка вязкости должны быть выполнены приблизительно за один час до запуска двигателя, чтобы получить требуемую вязкость.

Перевод дизеля с топлива одного сорта на другой следует производить при снижении нагрузки до 75%. Переход с дизельного топлива на тяжелое производится постепенно, со скоростью 2 °С/мин с подогревом до 60…80 °С. При этом во избежание заклинивания прецизионных элементов топливовпрыскивающей аппаратуры вязкость топлива не должна упасть ниже 2 сСт. Температура тяжелого топлива в расходной цистерне должна снижаться, и к моменту переключения она не должна быть выше температуры дизельного топлива более чем на 25 °С (60…80 °С). При переходе с тяжелого топлива на дизельное необходимо перекрыть пар на подогреватель и, когда температура топлива в нем упадет до значения, превышающего температуру дизельного топлива в расходной цистерне на 25 °С, переключить клапан на подачу и систему дизельного топлива. Если температура дизельного топлива была ниже 50 °С, его необходимо предварительно подогреть. При наличии рециркуляционной цистерны нагрузка дизеля при смене топлива может не снижаться.