Сепараторы.

В настоящее время на судах мирового флота наиболее распространены судовые дизельные установки, работающие на тяжелых сортах топлива (мазутах).

В процессе хранения топлива на судне оно обводняется и загрязняется механическими примесями (частицы песка, пыли, железной окалины) и в силу этого ухудшаются его характеристики.

Использование топлива с большим содержанием меха­нических примесей приводит к загрязнению форсунок, большому износу плунжерных пар топливных насосов, износу цилиндро - поршневой группы.

Для безаварийной и эффективной работы судовых дизелей при использовании тяжелых сортов топлива (мазута вязкос­тью до 700 сСт.) необходимо особое внимание к его очистке.

На судне используются три способа очистки тяжёлого топлива.

Первый способ - отстой в отстойной цистерне втечение 20-22 часов. За это время тяжёлые частицы и вода оседают на дне отстойной цистерны с последующим удалением че­рез спускной кран.

Второй способ (наиболее эффективный) - сепарирова­ние топлива с помощью центробежного сепаратора, где про­исходит отделение посторонних частиц и воды от топлива и их удаление за счёт разности плотностей компонентов, содержащихся в топливе, с помощью центробежных сил.

Третий способ - фильтрация. Отсепарированное топли­во из расходной цистерны топливоподкачивающим насо­сом под давлением (0,4-0,6) МПа пропускается через топ­ливный фильтр и после него подаётся к топливным насо­сам дизеля.

Рассмотрим работу сепаратора тарельчатого типа. На рис. 1.1 приведена схема барабана - кларификатора и стрелками показано движение топлива. Неочищенное топливо по цен­тральному каналу 3 непрерывно подаётся во вращающийся барабан 7. Далее оно поступает к периферии барабана, протекает между тарелками 1 и отводится через кольце­вой канал кларификаторной насадки 2, как показано стрел­ками. Загрязняющие топливо примеси под действием цен­тробежной силы осаждаются на внутренних стенках бара­бана 7 и на концевых поверхностях тарелок 1.

Е сли в сепарируемом топливе имеется вода, то она, вы­деляясь вместе с механическими примесями, заполнит весь грязевой объём 8 барабана, образовав гидравлический зат­вор, который перекроет путь поступления топлива в меж тарелочное пространство. По этой причине неочищенное топливо заполнит канал 3 в тарелкодержателе 4 и начнет выливаться из патрубка переполнения. Процесс сепариро­вания прекращается.

Поэтому при сепарировании обводненных сортов топ­лива необходимо обеспечить непрерывный отвод из бара­бана выделяющейся воды.

С этой целью стандартный барабан собирают как пурификатор, схема которого представлена на рис. 1.2.

При такой сборке заменяют верхнюю защитную тарел­ку 5 и кларификаторную насадку 2 (см.рис. 1.1) на регули­ровочную шайбу 2 и разделительную тарелку 7 (см. рис.1.2.). Также меняют нижнюю сплошную тарелку 9 без отверстий (рис. 1.1) на тарелку 10 (см. рис. 1.2), которая имеет отверстия по окружности.

В период пуска сепаратора (для предупреждения выхо­да неочищенного топлива через отверстие 6 регулировоч­ной шайбы 2 во вращающийся барабан предварительно заливают воду для образования гидравлического затвора. Только после этого можно подавать топливо, которое через тарелкодержатель 3 поступит в каналы 10, имеющиеся в нижней и других тарелках 8, и будет распределяться по межтарелочным пространствам.

Под действием центробежных сил вода, как более тя­жёлая составляющая, отбрасывается к периферии бараба­на 9, смешивается с водой гидравлического затвора и отво­дится через кольцевое отверстие 6 регулировочной шайбы 2 (по стрелке Б), а топливо, как более лёгкая часть, оттесняется к центру барабана и отводится через патрубок 5 разделительной тарелки 7 по стрелке А.

При установившемся процессе сепарирования в бара­бане создаётся так называемый "нейтральный слой" - ус­ловная цилиндрическая поверхность раздела фаз топлива и воды. Обычно диаметр этой поверхности должен быть примерно равен диаметру Д_ох расположенных отверстий 10 в дисках 8, однако он может быть и меньше, и больше Д_от, т.е. "нейтральный слой" может смещаться или к центру барабана 9, или к его периферии.

В обоих случаях возможны отрицательные последствия. В первом - уменьшается сепарирующая поверхность таре­лок барабана (снижается эффективность работы) и увели­чивается содержание воды в чистом топливе. Во втором случае возможна потеря топлива, т.е. его попадание в отсепарированную воду.

Положение "нейтрального слоя" зависит от гидродина­мического равновесия трёх потоков: поступающего топли­ва и выходящих потоков чистого топлива и воды. Необхо­димое равновесие достигается регулированием одного по­тока - отсепарированной воды - с помощью подбора регу­лировочной сменной шайбы 2. К сепаратору прилагается комплект таких шайб. Они отличаются разными диамет­рами выходных отверстий Д_ш.

В качестве иллюстраций к сказанному на рис. 1.3 по­казана схема расположения "нейтрального слоя" при пра­вильно подобранной регулировочной шайбе. "Нейтральный слой" располагается вблизи цилиндрической поверхности с диаметром отверстий, т.е. Д_нс=Д_от.

Н а рис. 1.4 приведена схема расположения "нейтраль­ного слоя" при малом диаметре Д_ш регулировочной шайбы. При этом Д_нс<Д_от , т.е. "нейтральный слой" сместился к оси вращения. Вода заполнила часть сепарирующей поверхно­сти тарелок и она частично попадает в чистое топливо. Этот отрицательный эффект определяет в эксплуатации по за­потеванию смотрового стекла. В таком случае необходима остановка сепаратора и замена регулировочной шайбы на больший размер.

Н а рис. 1.5 показана схема расположения "нейтрально­го слоя" при излишне большом диаметре регулировочной шайбы. "Нейтральный слой" сместился к периферии бара­бана. Его диаметр Д_нс оказался равным наружному диа­метру Д_от разделительной тарелки. Поэтому происходит перелив топлива вместе с отсепарированной водой. Это яв­ление замечают в эксплуатации через смотровое окно сбор­ника сепаратора. В таком случае необходимо остановить сепаратор и заменить регулировочную шайбу на меньший размер.

Подбор регулировочных шайб в эксплуатации осуществ­ляют по таблицам и графикам в зависимости от ряда пара­метров: плотности сепарируемого продукта, наличия в нём воды и температуры сепарирования.

На рис. (1.3 - 1.5) показаны напорные диски 4 и 5 (см. рис. 1.3). Они служат для откачки отсепарированной воды и чисто­го топлива.

Принцип действия напорного диска заключается в сле­дующем: направляющий аппарат неподвижен, а жидкость кольцевым слоем вращается вокруг него вместе с бара­баном. Энергия движения вращающей жидкости преоб­разуется в напорном диске в давление, которое будет со­ответствовать требуемому противодавлению, например подъёму на высоту. Характерно, что жидкость движется в напорном диске от внешней его поверхности к центру, т.е. диск работает, как центростремительный насос в отличие от центробежного насоса, в котором жидкость движется от центра к наружной поверхности вращающе­гося колеса. Напорные диски могут создавать давление до 0,25 МПа в зависимости от размеров и числа оборотов барабана.

На рис. 1.6 показана кинематическая схема, которая является общей для большого количества тарельчатых се­параторов.

К орпус сепаратора и электродвигатель находятся на об­щем фундаменте. От электродвигателя 7 через фрикцион­ную муфту 6 вращение передаётся горизонтальному валу 5, который закреплен в двух подшипниках 12 в станине 4 се­паратора.

На горизонтальном валу находится червячная шестерня, которая входит в зацепление с червяком вертикального вала, образуя червячно-винтовую пару 9, посредством которой осу­ществляется передача вращения вертикальному валу 13. Он заключен в двух опорах - верхней 3 и нижней 8. Верхняя опора имеет радиальный шарикоподшипник и шесть пру­жинных амортизаторов, а в нижней опоре размещены ради­ально-упорные подшипники.

Н а верхнюю конусную часть вертикального вала насажен барабан 2, закрытый сборником 7, который служит для подвода и отвода сепарируемой жидкости. Он имеет смотровые окошки для наблюдения за процессом сепарирования.

От горизонтального вала 5 через эластичную муфту 11 вращение передается на шестеренные насосы 10. Они слу­жат для подачи жидкости на сепарирование и ее отвода.

На судах мирового флота наиболее распространены сепа­раторы фирм Альфа-Лаваль, Титан, Вестфалия и Шар плес.

Рассмотрим пример работы топливного сепаратора фирмы Альфа-Лаваль.

Работа сепаратора происходит следующим образом. При закрытом барабане топливо подаётся в барабан по цент­ральному неподвижному патрубку (по стрелке "В") и, про­ходя через каналы нижней тарелки, поступает на сепара­цию в пакет тарелок 7. Здесь происходит очистка топлива. Вода и шлам, как более тяжёлые фракции, под действием центробежных сил перемещаются к периферии барабана в шламовую камеру, а чистое топливо движется к центру барабана и откачивается неподвижным напорным диском 3 (насажен на центральный патрубок) в выходной патру­бок (по стрелке "Б"). Отсепарированная вода из шламовой камеры поступает через регулировочную шайбу 2 в камеру неподвижного водяного напорного диска 1 (насажен на центральный патрубок), откуда откачивается в выходной патрубок по стрелке "Г".

Регулировочная шайба 2 выбирается из имеющегося комплекта с таким выходным отверстием, чтобы "нейтраль­ный слой" Д_нс в барабане поддерживался на уровне внеш­него диаметра пакета тарелок, который меньше внешнего диаметра верхней тарелки 6.

Рассмотрим процесс частичной выгрузки барабана. Он полностью автоматизирован и его начало определено зало­женной программой.

Первый этап - подготовка к выгрузке. Клапан на вы­пускной трубе отсепарированной воды (стрелка "Г" на рис. 4,2) закрывается и небольшое ко­личество воды через патрубок 20 по стрелке "А" (см. рис.4.2) подаётся в камеру напорного диска 1 и далее под регули­ровочную шайбу 2 по кольцевому водяному каналу непос­редственно в грязевую камеру. При этом диаметр Д_нс "ней­трального слоя" уменьшается, т.е. топливо смещается к центру. Создаётся таким образом в грязевой камере запас воды перед выгрузкой.

Второй этап - открытие барабана. Это происходит с помо­щью подвижного дна 9, которое может опускаться вниз (от­крытие барабана) или подниматься вверх (закрытие бараба­на) под действием специальной гидравлической системы.

В верхнем (закрытом) положении подвижное дно 9 под­держивается давлением "закрывающей" воды, которая по­ступает по трубопроводу 15 в полость под ним.

О пускание подвижного дна 9 происходит следующим образом. По трубопроводу 14 подаётся "открывающая" вода в полость над управляющим кольцом 11, которое под давлением опускается вниз, преодолевая усилие пружин 12. При этом открываются сливные каналы 18 и вода из камеры под дном выходит через эти каналы и сопла 77 наружу. Дно быстро опускается под давлением собственного веса и центробежных сил вращающейся внутри барабана массы. Разгрузочные отверстия 19 открываются и порция шлама и грязной воды резко выбрасывается под действием центробежной силы.

При этом диаметр "нейтрального слоя" Д_нс резко увеличива­ется, но он не должен превысить наружный диаметр верхней тарелки 6 во избежание попадания топлива в грязевую камеру.

Третий этап - закрытие барабана. После выхода воды из камеры 77 управляющее кольцо 77 под действием сжатых пружин 72 поднимается вверх и перекрывает выходные ка­налы 18. "Закрывающая" вода по трубопроводу 75 и внут­ренним каналам поступает в замкнутую полость под под­вижным дном и поднимает его до плотного закрытия бара­бана. Плотность обеспечивается уплотнительным кольцом. По каналу 20 поступает вода до создания нормального гид­равлического затвора Дн_С, после чего её подача отключается и открывается выпускной патрубок "Г".

На этом цикл частичной выгрузки завершён. Он длит­ся не более 1,0 секунды. Втечение всех этапов цикла не прекращалась подача топлива в барабан и продолжался процесс его сепарирования и отвода по каналу Б.

Система электронного управления ЕРС состоит из программ­ного блока ЕРС30 и ряда исполнительных устройств. Система обеспечивает автоматическую работу сепаратора в соответствии с выбранной программой, которая учитывает тип и размеры сепаратора, режим работы (пурификация или кларификация),

время между выгрузками, интервалы между различными опе­рациями в процессе выгрузки, пуска и остановки сепаратора.

В системе предусмотрены операции контроля разных пара­метров (температуры, давления), аварийной сигнализации и пре­дупреждения ложных аварийных сигналов.

Каждый сепаратор оборудуется своей системой ЕРС. Воз­можна совместная работа двух и трех сепараторов путём сты­ковки систем ЕРС.

На рис. 4.3. показана схема автоматической системы АЛЬФАКС. Обозначения позиций соответствуют следую­щим узлам и деталям: 1-водяной бак (располагается на 3,0 м выше сепаратора); 2-блок программного управления; 3- соленоидный клапан подачи "открывающей" воды; 4-соле- ноидный клапан подачи "закрывающей воды"; 5-соленоидный клапан подачи воды для гидравлического затвора и разгрузки; 6-соленоидный клапан управления запорным клапаном 17 на выходе отсепарированной воды; 7-солено- идный клапан управления трёхходовым клапаном 16 по­дачи нефтепродукта в барабан; 8-сжатый воздух для уп­равления клапанами 16 и 17; 9-выход отсепарированной воды; 10-выход чистого топлива; 11-подогреватель; 12-вход пара; 13-выход конденсата; 14-вход нефтепродукта в подо­греватель от насоса; 15-отвод нефтепродукта на рециркуляцию; 16-трехходовой клапан; 17-запорный клапан; "А "- пополнение бака 1 пресной водой; "Б"- удаление шлама.

Принцип работы системы сепарирования АЛЬФАКС до­статочно понятен из приведенной схемы. Тем не менее по­ясним некоторые факторы. Соленоидные клапаны 3,4,5,6 управляют всеми этапами частичной выгрузки по назна­ченной программе. Соленоидный клапан 7 управляет трех­ходовым клапаном 16с помощью энергии сжатого воздуха. Возможен частичный сброс подогретого топлива на ре­циркуляцию по трубопроводу 15, а также полное прекра­щение подачи топлива к сепаратору.

Эффективность работы сепаратора существенно зависит от правильного выбора регулировочной шайбы 2 (см. рис. 4.2). Ее выходное отверстие обеспечивает необходимое положение "нейтрального слоя", диаметр которого Д_нс должен быть примерно равным наружному диаметру пакета тарелок 7, но не более н аружного диаметра верхней тарел­ки 6 во избежание прорыва топлива в кольцевой канал отсепарированной воды.

Уменьшение Д_нС также нежелательно, т.к. при этом умень­шается сепарирующая поверхность тарелок. И возможен вы­ход топлива с водой. Регулировочная шайба с нужным выход­ным отверстием подбирается в зависимости от плотности и вязкости сепарируемого нефтепродукта, но также нужно учи­тывать и скорость его потока.

Поэтому фирма Альфа - Лаваль разработала регулятор скорости потока. Необходимая скорость потока устанавли­вается ручным вентилем, а далее она поддерживается по­стоянной с помощью пневматического клапана постоянно­го давления, перепускающего часть потока нефтепродук­та. Постоянный перепад давлений обеспечивает постоян­ную скорость потока.