CC BY
18
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 665.76_
О НЕОБХОДИМОСТИ МОНИТОРИНГА ЧИСТОТЫ СОВРЕМЕННЫХ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ ПО МАЛЫМ ЗАГРЯЗНЕНИЯМ
Е.И. Зоря, О.В. Лощенкова
О необходимости мониторинга чистоты современных моторных топлив по малым загрязнениям
УДК 523,524,551,556
MONITORING THE PURITY OF MODERN MOTOR FUELS ON SMALL DIRT
Evgeniy I. Zorya Olga V. Loshchenkova
Abstract.
Small impurities in the fuel occur throughout the process of moving the fuel to consumers from several possible sources: supply of fuel; storage of fuel (refinery tanks, oil and gas stations); internal transport systems; ne-regulamentara maintenance of technological equipment.
In order to prevent contamination of the fuel, it is recommended to clean the fuel filter after the storage tank when filling the tank truck, when pumping from one wholesale provider to another (the output from the tank inlet filter is installed before the pump to protect the pump), when issuing fuel to the consumer. This scheme helps to prevent contamination throughout the chain of movement of fuel and not to overload the automotive on-Board fuel filters.
Keywords: clean fuels, the monitoring of small impurities of the fuel, fuel filters; the process of storage and transportation of fuels to the consumer
Аннотация.
Малые загрязнения в топливе возникают на протяжении всего процесса движения топлива к потребителю из нескольких таких возможных источников: поставка топлива; пункты хранения топлива (резервуары НПЗ, нефтебаз и АЗС); внутренние транспортные системы; внерегламентное обслуживание технологического оборудования.
В целях предотвращения загрязнений топлива рекомендуется производить очистку топлива фильтрацией после резервуара хранения при наливе в автоцистерну, при перекачке от одного оптового поставщика к другому (на выходе из резервуара, на входе фильтр устанавливается перед насосом для защиты насоса), при выдаче топлива потребителю. Такая схема позволяет предотвращать загрязнения по все цепочке движения топлива и не перегружать автомобильные бортовые топливные фильтры.
Ключевые слова: чистота моторных топлив, мониторинг малых загрязнений топлив, топливные фильтры; процесс хранения и транспортировка топлив до потребителя
Еще десять лет назад в обращении и использовании массовых видов моторных топлив не существовали проблемы, с которыми мы сталкиваемся сегодня. Это связано с изменениями экологических требований к топливам и совершенствованием конструкции двигателей и, особенно, в отношении дизельных двигателей. Производители дизелей обнаружили, что ультра мелкие частицы загрязнений в топливе несовместимы с новыми инжекторами при соблюдении гарантий изготовителя двигателя. Эксплуатационная надежность современных топлив связана с чистотой топлив, как химической, так по содержанию механических примесей и воды. Эти требования не появились сегодня, но существенно ужесточились, а для дизельного топлива в значительной мере действительно новые. Таким образом, если не ужесточить требования к чистоте топлива в обороте, бортовые (автомобильные) фильтры не
смогут должным образом справляться с нагрузкой, а также потребуют более частой замены, в противном случае станут ускоренно выходить из строя собственно инжекторы, замена которых также является дорогостоящей.
Реальные показатели качества моторных топ-лив определяются и проверяются надзорными органами на соответствие требованиям стандартов и технического регламента ТР ТС 013 в России.
В странах ЕС контроль осуществляется положениями евростандартов EN 14274 Automotive fuels — Assessment of petrol and diesel quality — Fuel quality monitoring system (FQMS) и EN 14275:2013 Automotive fuels. Assessment of petrol and diesel fuel quality. Sampling from retail site pumps and commercial site fuel dispensers , позволяющий выявлять первопричины отклонений качества топлив на автоза-
правочных станциях (АЗС) от спецификаций и исходного товарного топлива, выходящего с нефтеперерабатывающего завода (НПЗ).
Чистота дизельного топлива (ДТ) нормируется требованиями, указанными в WWFC [1], EN590 и Tier 4. Документ WWFC в действующей редакции требует такие показатели 18,16,13 мг/кг по ISO 4406. Стандарт EN590 в части чистоты ограничивает до 24 мг/кг общих загрязнений, обнаруживаемый от 3 до 10, по воде - ниже 200 ppm воды, обнаруживаемый 59 до 150 (данные Donaldson). Tier 4 содержит требования до 2 мкм при давлении 30000 psi (фунтов на квадратный дюйм) системы впрыска.
Типичный размер единичной частички загрязнений в топливе составляет 1^50 мкм. Частички представляют собой песок, волокна, пыль, ржавчину, частички металлов износа системы транспортировки и хранения. Последствиями обводнения являются коррозия, образование отложений, образование кислот и продуктов их воздействия на топливную систему двигателя и оборудование хранения и транспортировки, забивка инжектора и снижение его эксплуатационного пробега до 10 раз. Также вода способствует микробиальному росту и его последствиям.
Таким образом, термин чистое и прозрачное на практике становится некорректным и топливо требует тестирования для определения его реальной чистоты.
Наиболее используемым применительно к топливам сегодня является стандарт ISO 4406, где производственные загрязнения базируются на контроле содержания частиц 4, 6 и 14 мкм в углеводородном топливе.
Современные дизельные двигатели обеспечивают повышенную производительность и надежность, но передовая технологии требует жестких допусков в топливных системах высокого давления, таким образом, использование топлив чистотой, превышающей рекомендуемую может привести к износу. Топливные форсунки работают при высоких давлениях (30000 psi), диаметр отверстия форсунки составляет всего 2 мкм (40 мкм - предел видимости человеческого глаза), отсюда и рекомендации производителей инжекторов ISO - 12/9/6 мг/кг. Также это относится и к необходимости удаления воды с высокой эффективностью.
Примером контроля химической чистоты может служить мировая практика контроля отсутствия FAME в авиакеросине, где по эксплуатационным требованиям имеется жесткий верхний предел FAME до 50 ppm. (AVIATION FUEL QUALITY REQUIREMENTS FOR JOINTLY OPERATED SYSTEMS (AFQRJOS), последняя редакция Issue 29 - Oct 2016 (supersedes Issue 28 -Mar 2015). Такое требование является сравнительно новым, в редакции документа 2012 года еще отсутствовало.
Требования особо низкого содержания механических примесей и рекомендуемые пределы гранулометрии появились ввиду требований, возникших вследствие изменения конструкции ДВС, в
частности дизельных. Такие требования существенно жестче, предъявляемых нормативными документами, в т.ч. требованиями Всемирной Топливной Хартии.
Совершенствование конструкций двигателей потребовало определение конкретных предельных числовых значений по показателям загрязненности и обводненности топлив взамен традиционного показателя «отсутствие».
Проблемы чистоты топлива не новы, еще в 1931 году в США отмечалось, что 90% проблем дизельных двигателей связаны с наличием в топливе механических примесей и воды.
Наличие в системе хранения и транспортировки топлив различных экологических классов может влиять (при последовательном использовании оборудования хранения и перекачки) на загрязнение остаточными количествами продукта. Следы серы суммируются и топливо, выходящее с НПЗ по содержанию серы может отличаться от топлива на кране топливораздаточной колонке АЗС. Это касается как бензина, так и ДТ.
Характеристики топлива, например, по содержанию серы, меняются, когда топливо движется к конечной точке доставки, в том числе из-за остатков на стенках резервуаров, способных растворяться в топливе более высокого класса и загрязнять его.
Вода и привнесенные извне при движении топлива от производителя к потребителю загрязнения являются обыденным явлением. Их удалением требует применения приемов и техники, обеспечивающих соответствующий уровень чистоты топлива. Ужесточению требований следует перестройка в обеспечении таких требований.
Российский технический регламент ТР ТС 013 содержит требования, относящиеся к безопасности топлив. Требования к чистоте топлив в данном нормативном документе не указываются, т.к. требования к чистоте относятся к эксплуатационной надежности и определяются изготовителями собственно двигателей и элементов двигателя.
Действующий стандарт ГОСТ 32513-2013 «Бензин неэтилированный. Технические условия» [8], физико-химические и эксплуатационные показатели бензинов, в части требований к чистоте содержит только показатель: «11. Внешний вид - чистый и прозрачный», определяемый визуально. ГОСТ 32511-2013 «Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия» [7], содержит требования «9. Массовая доля воды, мг/кг» не более 200 (определяется стандарту EN ISO 12937:2000), и «10. Общее загрязнение, мг/кг», не более 24 (определяется по стандарту EN 12662:2008).
Применительно к авиакеросинам гранулометрия загрязнений указана в документе AVIATION FUEL QUALITY REQUIREMENTS FOR JOINTLY OPERATED SYSTEMS (AFQRJOS), последняя редакция Issue 29 - Oct 2016 (supersedes Issue 28 -Mar 2015). Общее содержание загрязнений 1,0 мг/л, гра-
нулометрия не ограничивается, но требуется определение количества частиц размером >4 мкм, >6 мкм, >14 мкм, >21 мкм, >25 мкм, >30 мкм.
Производители, поставщики и потребители в основном имеют представление о механических примесях и источниках их появления, воде и бипо-ражении топлива и его последствиях. Также имеется достаточное количество оборудования для борьбы с этими явлениями.
Новым является то, что контроль содержание частичек в топливе уже не позволяет обходиться понятиями отсутствие или простыми числами количественного содержания мехпримесей. Имеющиеся подходы обеспечения удаления нежелательных загрязнений должны обеспечивать требуемый конечный результат.
До последнего времени как поставщики, так и потребители редко задавались вопросом достаточности чистоты топлива. Исследования, проводимые в 1970-х годах в СССР показывали следующее: в автоцистерне с НПЗ в ДТ содержалось порядка 40 г/т загрязнений, складские загрязнения добавляли
В настоящее время для топливораздаточных колонок на российском рынке предлагаются фильтр элементы грубой очистки 60 мкм и тонкой очистки 20, 25, 30 мкм. Согласно эксплуатационным паспортам замена фильтра производится в случае падения производительности топливораздаточ-ной колонки.
Все изменилось с появлением новых требований.
Существующие в настоящее время в мире ре-зервуарные парки исправно служили в течение длительного периода, но они не разрабатывались, чтобы удовлетворить возросшие требования к чистоте топлив Tier 4 (начиная приблизительно с 2010-2011 г.). Так многие традиционные наливные системы открыты к окружающей их атмосфере. Практически везде в резервуарах имеется некоторый объем свободной воды, появляющейся как в результате дыхания резервуаров, так и проникшей в топливо уже на НПЗ, а также в период его транспортировки. Но что еще более важно конструктивные несовершенства резервуаров часто делают полное удаление всей свободной воды практически невозможным, а замена резервуара дорогостоящее мероприятие. Свободная вода в дизельном топливе ускоряет коррозию аппаратуры и деградацию топлива. Она также может создать идеальные условия
порядка 90 г/т, отстой и очистка удаляли до 68 г/т н и в топливе из раздаточного крана содержалось около 68 г/т.
Бензин был немного чище: в ж/д цистерне с НПЗ определялось порядка 26 г/т; загрязнения на нефтебазе добавляли 8 г/т; отстой составлял 25 г/т; в автоцистерне обнаруживалось около 9 г/т; транспортные и складские загрязнения добавляли еще 30 г/т; отстой и очистка удаляли 35 г/т и бензин на раздаточном кране содержал около 3,2 г/т.
В профильной литературе имеется достаточное количество публикаций, посвященных проблеме пригодности топлива требованиям Tier 4 (таблица 1). Примером могут служить следующие цифры:
1) « чистое и прозрачное» топливо может содержать 2^4 млн dirt particles >4 мкм.
2) 10000 галлонов « типичного» ДТ (ISO 22/21/18), содержат 700 г загрязнителей, при том, что граница содержания загрязнителей не более 0,7 г соответствует требованиям по чистоте согласно Tier 4.
для роста микробиальных загрязнений. Имеются данные, что при благоприятных условиях в теплом климате количество бактерий может удваиваться каждые 20 мин. Например бактерии в количестве 8 миллиардов на галлон не вызывают влияния визуальное состояние топлива. В то время как визуальное помутнение вызывает сравнительное малое, измеряемое в ppm (не в % ), количество воды.
Также имеется информация из данных мониторинга загрязнений в дизельном топливе, показывающая, что каждый раз, когда дизельное топливо переходит из одного места хранения к другому, уровень чистоты, как правила, поднимется на один код ИСО 4406. Этот рост кода обычно означает удвоение уровней загрязнения [6].
По данным исследователей наличие в топливе 2^4 млн. частичек на практике означает около 7 г на 400 л топлива, соответственно 70г на 4000л и 700 г на 40000 л [5]. Такое малок количество визуально определяется, требуется лабораторный анализ с применением соответствующих счетчиков частиц.
Производители фильтрационной аппаратуры, считают необходимым на уровне bulk diesel filters (оптовые партии) предлагать фильтры, обеспечивающие эффективность очистки за один проход
Таблица 1. Tier 4 Fuel требования качества
Требования ISO 4406 Вода
Bosch 11/8/6 at Injector <200 ррт
CAT 18/16/13 at storage 200 ррт
CUMMINS 18/16/13 at storage 15/13/10 at vehicle tank 12/9/6 at injector <200 ррт
Worldwide Fuel Charter 18/16/13 Отсутствие свободной или эмульгированной, растворенной воды , <200 ррт
99,5% с тонкостью фильтрации 1 мкм, как требуется для современного инжектора.
Износ топливной аппаратуры (в англоязычной литературе используется термин - Fuel Injection Equipment (FIE)) может привести к уменьшению срока службы двигателя и серьезным повреждениям других частей двигателя. Использующиеся High Pressure Common Rail (HPCR) systems (общая топливная магистрали высокого давления, HPCR, система) также имеют более жесткие допуски движущихся частей.
Практика мониторинга чистоты топлив настолько нова и недостаточно изучена, что на настоящий момент не имеется отдельного стандарта и в мировой практике используется стандарт ИСО 4406, временно заимствованный из практики контроля чистоты гидравлических жидкостей.
Формулировка отсутствие воды и мех. примесей превращается в конкретные цифры.
Необходимо также определиться с проблемами проникновения загрязнений в топлива при хранении и транспортировке и разработать перечень превентивных мер и системы удаления таких загрязнений в процессе оборота топлива. В противном случае не исключена ситуация, когда фильтры будут захлебываться загрязнениями, и будут не способны противостоять проникновению загрязнений в бортовой резервуар и забивать бортовые фильтры и форсунки транспортного средства. Ресурс фильтр элементов также должен иметь разумные значения. Для правильного подбора системы фильтрации требуются реальные показатели по загрязнению топлива.
Конкретные требования к чистоте топлива как ISO 4406 [2], не указываются в нормативных документах и паспортах качества на товарное топливо. Такие требования указываются производителями двигателей и инжекционных устройств.
Рекомендации производителей применительно к системе топливообеспечения являются индикативом при подборе фильтрационного оборудования для обеспечения текущих показателей по чистоте условиях нефтебазы и АЗС. Это важный момент в аппаратурном оформлении объектов топ-ливообеспечения. Сливной фильтр, имеющий тонкость фильтрации 200 мкм обеспечивает защиту насоса, но недостаточен для обеспечения более жестких требований к чистоте собственно топлив.
Переход к ультранизкосернистому ДТ, ULSD (Tier 3 в США, Канаде и Европе после 2012 года) а также ДТ, содержащему биодизель FAME требует пересмотра в части эффективности оборудования, используемого до сих пор для очистки традиционного топлива. Добавление биодизеля вследствие его свойств приводит к снижению сепарируемости воды коалесцирующими фильтрами. Коалесцирую-щий фильтр, который в недавнем прошлом обеспечивал эффективность >90% в традиционных дизельных топливах, сейчас может обеспечивать только 66-68% эффективности в удалении воды в новом ULSD топливе.
Российское топливо отличается от среднестатистического мирового отсутствием такого компонента как биодизель FAME и присутствием взамен его цетанповышающих и смазывающих присадок. Мировая практика не может быть полностью заимствована и поэтому требуется проведение полномасштабных исследований. Кроме того, в РФ традиционно редко применяются биоциды и не достаточно информации о бактериальном загрязнении дизельного топлива. В современных ДТ широко используются присадки, часть из которых изначально находится в твердом состоянии и при введении в топливо требует растворения, таким образом, появляется риск, что если твердая фаза недостаточно хорошо растворена, то при фильтрации может быть выделена и количество присадки станет недостаточным. Такой же риск присутствует и для присадок высокой вязкости.
Размер аппаратуры системы очистки также может быть принципиальным, т.к. установка системы в товарном парке НПЗ, на НБ и АЗС должны иметь свои ограничения.
Как известно, удаление серы из ULSD лишает топливо присущих ему естественных смазывающих компонентов. В свою очередь, смазывающая способность является критичным показателем, т.к. смазывающая способность топлива является зоной защиты системы впрыска от катастрофического износа. Биодизель улучшает смазывающую способность ULSD, поэтому его применение в малых количествах (2%), обеспечивающих восстановление смазывающей способности обессеренного дизельного топлива уже повсеместно используется в мире. Введение биодизеля FAME заместило в мировой практике использование таких присадок как улучшители смазываемости и противоизносные.
В тоже время выяснилось, что традиционно используемая коммерческая сепарационная техника не в состоянии удалить 40-100% имеющейся в ULSD воды. К сожалению, сепараторы в отличие от фильтров, имеющих индикаторы загрязненности, не имеют возможности блокировки, если топливо недостаточно отсепарировано от воды. Кроме того, первопричиной сбоя работы сепаратора топливо/вода служит увеличение уровня содержание сурфактантов в ULSD-биодизельной смеси
Зарубежная практика показывает, что большинство владельцев резервуаров для хранения ДТ, технического персонала и компании-закупщики не знают этих руководящих принципов. В тоже время бортовой фильтр двигателя уже не может быть единственным решением обеспечения требуемой чистоты топлива, основную массу загрязнений следует убирать до заливки топлива в бак автомобиля, а также пересматривать общую схему обеспечения требуемой чистоты (таблица 2) при движении топлива от производителя к потребителю. Решение таких проблем требует как изучения зарубежной практики, так и разработки новой фильтрационно-сепарационной технике. Уже выпускаемая зарубежная техника (Fuel ReGen system, Cummins Filtration Inc.) [4], позволяет очищать топливо до следующих показателей:
- 99% эмульсионной воды удаляется (SAE - 95% частиц 4 микрон удаляется ( ISO 19438 J1488 ); );
- 99% свободной воды удаляется free ( SAE - 99% частиц 6 микрон удаляется ( ISO 19438). J1839 );
Таблица 2. ISO 4406 определение количества частиц [3, 4]
Статус топлива ISO Code 4406 Количество частиц, в мл топливной пробы Примечание
Нежелательное поставляемое топливо 22 20 18 До 40000 частиц > 4дт До 10,000 частиц > 6дт до 2,500 частиц > 14дт Типичный уровень для коммерческого топ-лива(первичный источник загрязнения топлива)
Фильтр резервуара , допустимый уровень 18 16 13 До 2,500 частиц > 4дт До 2,500 частиц > 6дт До 80 частиц > 14дт Максимальный уровень, рекомендуемый производителями двигателей (второй ведущий источник загразне-ний) Maximum level recommended by engine manufacturer (Second leading source of contamination)
Бортовая фильтрация, разрешенный уровень 15 13 10 До 320 частиц > 4дт До 80 частиц > 6дт До 10 частиц > 14 дт Предпочтение производителей двигателей Preferred by engine manufacturer
High Pressure Common Rail (HPCR) , разрешенный уровень 12 9 6 До 40 частиц > 4дт до 5 частиц > 6дт до .64 частиц > 14дт Предпочтение производителей топливных инжекторов Preferred by fuel injector manufacturer
Из таблицы 2 следует, что рекомендуемая чистота топлива в резервуаре должна составлять ISO 18/16/13 или лучше. Если топливо будет уходить с завода худшего качества, то основная нагрузка будет возложена на очистку в условиях хранения на нефтебазе.
Загрязнения в топливе могут возникать на протяжении всего процесса движения топлива к потребителю, в т.ч. из нескольких таких возможных источников:
- поставка топлива;
- пункты хранения топлива;
- внутренние транспортные системы;
- плохо обслуживаемое оборудование.
Рекомендуемые комплексные решения поддержания требуемой чистоты при движении от производителя к потребителю предлагают следующее.
В целях предотвращения загрязнений топлива рекомендуется производить очистку топлива фильтрацией после резервуара хранения при заливе в автоцистерну, при перекачке от одного оптового поставщика к другому (на выходе из резервуара, на входе фильтр устанавливается перед насосом для защиты насоса), при выдаче топлива потребителю. Такая схема позволяет предотвращать загрязнения по все цепочке движения топлива и не перегружать автомобильные бортовые топливные фильтры.
Литература
1. Worldwide Fuel Charter, 5-е издание, 2013 г.
2. Международный стандарт ISO 4406 «Приводы гидравлические-жидкости-метод кодирования уровня загрязнения твердыми частицами»
3. Advanced Fluid Conditioning Solutions® L-2889 | 2015, Schroeder Industries
4. Fuel ReGen System .Cleaner Fuel for Today's High Horsepower Diesel Engines, LT36265NA, 2012 Cummins Filtration Inc.,
5. Fuel System Contaminants Organic/Inorganic-What are they and where do they come from? Howard Chesneau, President Fuel Quality Services, Inc, CONEXPO 2014
6. Электронный ресурс https://www.perfect-fuel.ca/understanding-clean-green-fuel/
7. ГОСТ 32511-2013 «Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия»
8. ГОСТ 32513-2013 «Топлива моторные. Бензин неэтилированный. Технические условия»
Коротко об авторах:
Евгений Иванович Зоря - доцент РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина; 119991, г. Москва, Ленинский просп., 65; Тел.: 8 (499) 507-8867
Evgeniy I. Zorya - senior lecturer Gubkin Russian State University of Oil and Gas; 119991, Moscow, Leninsky pr., D. 65; Tel.: 8 (499) 507-8867
Лощенкова Ольга Валентиновна, руководитель проекта ЗАО Камойл Green Technology
Olga V. Loshchenkova, JSC Kamoil Green Technology, project Manager
