2.2.2.12.Топливная система

Функциями топливной системы СЭУ являются: прием и перекачивание топлива, его хранение и обработка (очистка от воды и механических примесей, введение присадок), подогрев и подача к двигателям.

2.2.2.12.1. Характеристики топлив.

Эксплуатационные свойства топлив оценивают показатели, характеризующие процессы подачи, смесеобразования, сгорания, а также способность вызывать нагарообразование и износ в дизелях.

Теплота сгорания(calorific value or specific energy)

Теплота сгорания - это количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива и выражается в Дж/кг, кДж/кг или мДж/кг. Одна килокалория эквивалентна 4,187 кДж. В практических расчетах используется так называемая - низшая теплота сгорания Q,,, мДж/кг. Низшая теплота сгорания — это количество тепла, выделившегося при сгорании 1 кг топлива, без учета тепла, израсходованного на испарение содержащейся в топливе воды.

Теплота сгорания нефтяных топлив в зависимости от их химического группового состава может находиться в пределах 39200...43300 кДж/кг. Наибольшим значением Q_H обладают па­рафиновые топлива, а наименьшим - топлива с высокой плотно­стью и большим содержанием ароматики.

Рекомендации:

По возможности следует избегать приобретения топлив, отличающихся высокой плотностью. Предпочтение следует от­давать топливу, имеющему высокую вязкость. Такой выбор обеспечит большую теплоту сгорания топлива и его лучшую воспламеняемость. Каждые 10 кг увеличения плотности топлива дает снижение Q_H на 0,35%.

Плотность(density)

Плотность (density) - d определяется как масса единицы объема нефтепродукта, в международной системе единиц СИ она имеет размерность кг/м³.

Удельная плотность (relative or specific gravity) - /°₄ -представляет собой отношение плотности нефтепродукта при 20°С (d₂₀) к плотности воды при 4°С и нормальном атмо­сферном давлении (d₄). За рубежом в практике продажи и по­ставки топлив используют относительную плотность rf¹⁵₁₅, за­даваемую при одинаковых температурах топлива и воды, рав­ных 15°С (60°F).

Сведения о плотности топлива обычно используют при пе­ресчетах объема в массу и наоборот. Плотность топлива зависима от температуры, поэтому это необходимо учитывать при проведении бун­керовки. Высоковязкие топлива обычно подогревают и поэтому они нередко поступают на судно, имея сравнительно малую плотность по отношению к стандартной. Увеличение плотности топ­лива свидетельствует о повышении содержания в нем тяжелых углеводородов, асфальтосмолистых составляющих, ароматиков, о которых можно судить по содержанию микро-углеродного остатка (mcr - micro-carbone residue).

Плотность должна учитываться :

а) при бункеровке для определения массы остатка топлива в цистерне, весовой вместимости цистерны, массы принятого в цистерну топлива

б) при подборе регулировочной шайбы в сепараторе.

Вязкость (viscosity)

Это мера текучести топлива, определяющее внутреннее трение между частицами жидкости при их перемещении относительно друг друга. Для оценки величины относительной силы трения в жидкости используют динамические, кинематические или условные единицы

За единицу динамической вязкости принят пуаз (П), т. е. сила сопротивления, возникающая при относительном перемещении слоев жидкости со скоростью 1 см/с, когда площадь каждого слоя 1 см² и расстояния между ними 1 см. За единицу кинематической вязкости принят Стокс (0,01Ст-1 сСт) — отношение динамической вязкости жидкости к ее плотности при той же температуре.

За единицу условной вязкости принят градус условной вязкости (° ВУ) или градус Энглера (°Е). Вязкость нефтепродуктов в ° ВУ для данной температуры равна отношению времени истечения 200 мл нефтепродукта через калиброванное отверстие стандартного вискозиметра ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды из того же вискозиметра при 20° С.

В США, Англии и некоторых других странах вязкость измеряется в секундах Редвуда (с R) или Сейболта (SU). При этом вязкость для данной температуры определяется временем истечения 50 мл нефтепродукта (по Редвуду) или 60 мл нефтепродуктов (по Сейболту) из вискозиметра.

Вязкость является определяющим фактором при: перекачке топлива насосами; сепарации; работе топливных насосов (оказывает влияния на закон подачи и на условия смазки плунжерных пар); впрыске и смесеобразовании (от нее зависит тонкость и однородность распыла).

Цетановое число (ЦЧ)

ЦЧ характеризует воспламеняемость топлива, т. е. процентное содержание цетана (С_1бН_з4) в такой его смеси с aметил нафталином (С₁₁Н₁₀), которая имеет тот же период задержки воспламенения, что и испытуемое топливо.Топливо, имеющее высокое цетановое число, обладает более коротким периодом задержки воспламенения. ЦЧ оказывает существенное влияние на пусковые качества топлива, жесткость работы двигателя, его экономичность.

Температура застывания (pour point)

Это температура, при которой топливо теряет свою текучесть, т. е. будучи налитым, в стандартную пробирку, остается неподвижным в течение 1 мин после наклона пробирки под углом 45°.

Застывание топлива связано с кристаллизацией растворенного в нем парафина. Поэтому температура застывания зависит от химического состава топлива.

В эксплуатации температуру застывания учитывают при хранении топлива, выборе режима подогрева, перекачке топлива.

Во избежание застывания топлива в системе, его темпе­ратура с помощью подогревателей должна поддерживаться на уровне, по крайней мере, на 10°С превышающем температуру застывания.

При отсутствии подогревателей или при недостаточной их мощности следует прибегать к смешиванию имеющегося то­плива с другим топливом, имеющим более низкую температуру застывания (например, смешивать его с керосином).

Допустимо использование присадок (wax crystal modifiers), способствующих улучшению текучести топлива за счет некото­рого уменьшения размеров кристаллов парафина. Подготовлен­ное таким образом топливо не забивает фильтры и беспрепятст­венно поступает к топливным насосам высокого давления. Причем введение присадки не изменяет величину температуры застывания - меняется лишь структура и размер кристаллов.

Температура вспышки (flash point)

Температура вспышки (flash point) - t_вс„ - низшая тем­пература, при которой пары топлива в смеси с воздухом вспы­хивают при поднесении к ним открытого пламени. (При этом жидкая масса топлива не загорается)

Температура вспышки зависит от температуры кипения, испаряемости и уп­ругости паров топлива и определяется фракционным составом топлива. Какого-то влияния на самовоспламенение и сгора­ние топлива в дизеле этот показатель не оказывает. Но он, 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 tecn.

В целях предотвращения опасности воспламенения паров топлива рекомендуется:

Температурный режим во всех открытых (сообщающих­ся с атмосферой) элементах топливной системы должен поддер­живаться на уровне, не превышающем разности 10—15°С.

Вентиляционные трубы танков всегда должны быть чис­тыми. Это условие обеспечит хорошую вентиляцию верхнего незаполненного пространства. Пламегасящие ловушки и сетки должны быть исправными, источники возможного воспламене­ния любого вида не должны размещаться в непосредственной близости от вентиляционных труб.

Во избежание местного перегрева топлива, поступающе­го при бункеровке, и создания в связи с этим пожароопасной атмосферы в танке, паровые змеевики подогрева при бункеровке должны быть отключены. Паровые змеевики также должны отключаться при падении уровня топлива в танках до низких значений.

Температура самовоспламенения

Температура самовоспламенения—это температура, при которой топливо воспламеняется без воздействия постороннего источника тепла. Эта величина зависит от фракционного состава топлива и от давления воздуха, при повышении которого температура самовоспламенения понижается.

Если топливо самовоспламеняется не своевременно, а с запаздыванием, то это приводит к жесткой работе двигателя. При жесткой работе детали двигателя работают с перегрузкой, что приводит к ускоренному их износу и даже поломкам, перерасходу топлива, дымному выхлопу и снижению мощности .

Коксуемость (carbon residue)

Это свойство топлива образовывать на деталях ЦПГ твердый углеродистый осадок (нагар) при нагреве без доступа воздуха. Коксуемость оценивается процентным содержанием кокса, получившегося в результате сгорания топлива. Ее следует учитывать при выборе антинагарных присадок.

При оценке склонности топлива к нагарообразованию следует учитывать, что не только коксуемость, но и наличие в топливе элементов, образующих смолы, способствуют отложению нагара.  Коксуемость дистиллятных топлив обычно не превы­шает 0,5 %, тяжелых топлив - 10 %. 

Зольность

Характеризуется размером твердого остатка, образую­щегося после сгорания топлива. Зола способствует абразивному из­нашиванию деталей ЦПГ, а соединения ванадия и натрия, содержащие­ся в золе, способствуют коррозии деталей ЦПГ, выпускных клапанов, соплового и лопаточного аппаратов турбокомпрессора.  При температуре деталей, не превышающей 550 СС, зола, которая образуется при сгорании топлива, уносится с отработавшими газами. Однако при более высоких температурах соединения ванадия и натрия приобретают пластичное состояние и прилипают к на­гретым поверхностям деталей. Особенно нежелательны такие отло­жения на посадочных поясах выпускных клапанов и лопатках газовых турбин. Через образующиеся неплотности клапана происходят прорыв газов, местный перегрев металла и его окисление, что приводит к про­горанию тарелки клапана и седла. Для предотвращения таких явле­ний в некоторых конструкциях среднеоборотных четырехтактных дизе­лей, приспособленных для работы на тяжелых топливах, применяют охлаждение посадочного седла клапана и обеспечивают вращение кла­пана во время работы двигателя с помощью специального механизма. 

Кислотность

Кислотность характеризует содержание в топливе органических кислот, образующихся в результате окисления топлива кислородом воздуха. Наличие в топливе органических кислот в допустимых пределах не представляет большой опасности, поэтому такие кислоты принято называть слабыми. Однако повышенная кислотность способствует коррозии элементов топливной аппаратуры и деталей ЦПГ. Кислотность характеризуется косвенным показателем — количеством щелочи, необходимой для нейтрализации содержащейся в топливе кислоты.

Кислотность дизельных топлив не должна превышать 5 мг КОН на 100 мл топлива. В тяжелых сортах топлива кислотность не регламентируется.

Сернистость (sulphur content)

Сернистость топлива является следствием использования высокосернистой нефти с содержанием серы до 3—4%. При переработке нефти значительная часть серы остается в топливе, так как удаление ее — сложный процесс, значительно повышающий стоимость топлива.

Сера является вредной примесью, так как ее соединения в определенных условиях способствуют коррозии деталей топливной аппаратуры, ЦПГ и газо-выпускного тракта, а также увеличению нагарообразования в цилиндрах и повышенному износу трущихся деталей.

При сгорании топлива сернистые соединения превращаются в кислотные окислы. В дальнейшем в процессе конденсации водяных паров, образующихся из содержащейся в топливе влаги, и соединения с ними окислов SOi и S0з получается сернистая H2SO3 и серная Н2S04 кислоты. Все продукты сгорания серы являются коррозионно-агрессивными соединениями и поэтому могут вызывать газовую и кислотную коррозию.

После 1 янва­ря 2010 года максимальное содержание серы в топливе, исполь­зуемом в портах стран ЕС, не должно превышать 0,1%. Это требова­ние повлияет на объем танков, план трубопроводов, работу дви­гателей и котлов в порту и должно будет приниматься во вни­мание на стадии разработки проектов новых судов.

Аналогичное требование введено правительством США в районе «Калифорнийской зоны».

Содержание механических примесей

Все остаточные топлива - в пределах «нормы» - помимо твердых механических частиц содержат определенные количе­ства осадков или шлама (total sediment), которые могут пред­ставлять собой мелкие частицы агломератов асфальтенов, кокса и посторонних включений минерального происхождения. Как те, так и другие вызывают абразивный износ топливной аппара­туры и деталей ЦПГ. Содержание асфальто-смолистых агломе­ратов и механических примесей в тяжелых топливах оценивает­ся на основе метода TSP (Total Sediment Potential). Для оценки содержания механических примесей в дистиллатных топливах используется аналогичный способ, но без искусственного ста­рения - без нагревания пробы топлива. Этот метод именуется TSE (Total Sediment Existent). Оба способа дают возможность оценить общее содержание механических примесей без под­разделения их на примеси органического и минерального про­исхождения. Международными стандартами содержание примесей такого рода ограничивается для дизельных топлив величинами диапазона 0,01...0,02%, а для тяжелых - величина­ми порядка 0,1%. Исключение составляют топлива DMC , для которых TSE допускается до 0,1 %.Отечественные стандарты, к сожалению, для ряда тяжелых топлив допускают присутствие механических примесей в 0,25%.

Если при анализе топлива методом горячей фильтрации (TSP) установлено, что общий осадок превышает норму 0,1%, это свидетельствует и о нестабильности топлива. Уменьшение содержания механических примесей в топливе обеспечивается его фильтрацией и сепарированием, характеризует наличие в топливе механических частиц металла, глины, кокса и т. д. Эти включения попадают в топливо из нефти в процессе ее переработки, а также при транспортировке и хранении топ­лива.

Механические примеси способствуют загрязнению емкостей, износу деталей топливной аппаратуры и ЦПГ.

В эксплуатации содержание механических примесей учитывают при назначении режима очистки топлива.

Содержание воды (water content)

Содержание воды в топливе (в процентах) обусловливается технологией переработки нефти. На содержание воды влияют условия хранения и подогрева топлива. Вода ухудшает условия работы топливной аппаратуры и способствует коррозии ее деталей, отрицательно влияет на режим горения и снижает теплоту сгорания топлива.

Новые международные требования на морские топлива (CIMAC, BSI, ISO - 2005г.) дополнены требованиями по сле­дующим показателям:

содержание алюминия и силикатов (кремния)- алюмосиликатов

стабильность и совместимость.

Содержание алюмосиликатов (aluminium/silicon content)

Содержание алюмосиликатов введено в сертификат на морские топлива ISO-F в 1996 г. в свя­зи с участившимися случаями интенсивных износов топливной аппаратуры и ЦПГ дизелей, которые были обусловлены присутствием в топливах соединений алюминия и кремния.

Сертификатом IMO установлено требование, согласно которому содержание Л1 и Si в топливе не должно превы­шать 80 ррm.

Превышение содержа­ния в топливе алюмосиликатов сверх уровня 80 ррm приводит к увеличению абразивного износа топливной аппаратуры и де­талей ЦПГ.

Поэтому не рекомендуется допускать к использованию в дви­гателях топливо, содержащее более 80 ррm Л1 и Si.

При наличии в топливе алюмосиликатов следует уде­лять повышенное внимание его очистке, используя для этой цели оба имеющихся сепаратора, включенные в параллель и работающие на пониженных производительностях. Желательна двукратная сепарация.

В такой ситуации лучше сдать топливо в ближайшем порту, предъявив претензию о несоответствии показателей топлива Международному Стандарту ISO 8217:2005.

Стабильность (stability)

Химическая стабильность - это способность топлива в те­чение длительного времени сохранять свои свойства, противо­стоять образованию осадков, шламоотделению и расслаиванию при хранении, перекачках и нагревании. Химические изменения в топливе, происходящие в условиях транспортирования или хранения, связаны с окислением входящих в его состав углеводородов. Следовательно, химическая стабильность топлива определяется скоростью реакций окисления, которая зависит от условий процесса и строения окисляемых углеводородов.. Накопление в топливе продуктов окисления резко ухудшает его эксплуатационные свойства. Смолянистые вещества могут выпадать из топлива, образуя отложения в резервуарах, трубопроводах и др. .

Совместимость (compatibility)

Совместимость топлив находит свое вы­ражение в сохранении стабильности смеси после смешивания компонентов (не возникает последующего осадкообразования).

Несовместимость (incompatability) топлив- это характеристика или свойство топлив, в связи с которым топлива до смешивания были ста­бильными, а после смешивания потеряли свойства стабильности.