Основные показатели судового топлива и их основные эксплуатационные свойства Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

РАЗДЕЛ I. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 665.75.035:629.5

Н.П. Демидова1, А.А. Марченко2, О.А. Онищенко1

'Одесская национальная морская академия, Украина, Одесса, 65029 2Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail:Marchencko29@mail. ru

ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ СУДОВОГО ТОПЛИВА И ИХ ОСНОВНЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

Целью данной статьи является анализ различных физико-химических показателей судового топлива и их влияния на эксплуатационные характеристики и свойства всей топливной системы судна. В статье приведены все основные физико-химические свойства судовых тяжелых и легких топлив, которые необходимы для экономически и технологически обоснованного выбора типа и марки топлива в конкретных условиях бункеровки, заказа топлива.

Ключевые слова: судовое топливо, вязкость, плотность, механические примеси, износ цилиндров.

N.P. Demidova1, A.A. Marchenko2, O.A Onishchenko1 ^Odessa National Maritime Academy, Ukraina, Odessa, 65029; ^Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003) Basic indexes of ship fuel and their basic operating properties

The aim of this article is in the analysis of different physical and chemical indexes of ship fuel and their influence on operating descriptions and properties of all ship's fuel system. All basic physical and chemical properties of ship heavy and easy fuels, needed for economically and technologically reasonable selection of type and brand of fuel in the certain terms of bunkering, fuel order , are given in the article.

Key words: ship fuel, viscidity, density, mechanical admixtures, wear of cylinders.

В01: 10.17217/2079-0333-2015-32-6-11

В последние годы на мировом бункерном рынке наметилась устойчивая тенденция снижения качества топлива, которая связана с более глубокой переработкой нефти и увеличением в топливе доли тяжелых остаточных фракций. Это вызвало необходимость разработки новой классификации и стандартов на судовое топливо, потребовало решения ряда эксплуатационных проблем, связанных с работой ДВС на остаточных топливах [1]. На судах возникли проблемы в связи с высоким содержанием в топливе асфальтосмолистых веществ, высоким значением коксового остатка, нестабильностью топлив, приводящей к образованию осадков в танках и топливной системе. Ухудшился процесс сгорания топлив, повысилась опасность отложений в камере сгорания и выхлопном тракте. Кроме того, во многих случаях для эффективного использования тяжелых топлив требуется применение специальных присадок [2].

Таким образом, крайне важно специалисту по эксплуатации судовых дизелей, старшему (главному) механику, понимать особенности и нюансы физико-химических различий разных сортов, марок и типов топлива. Представляемый материал актуален, так как позволяет при заказе бункера принимать экономически и технологически обоснованные решения.

Целью статьи является анализ различных физико-химических показателей судового топлива и их влияния на эксплуатационные характеристики и свойства всей топливной системы судна.

Вязкость - одна из основных характеристик котельных и тяжелых топлив, от нее зависят процессы сгорания топлива, надежность работы и долговечность топливной аппаратуры и возможность использования топлива при низких температурах.

В процессе подготовки топлива необходимая вязкость обеспечивается его подогревом, именно от этого параметра зависит качество распыления топлива и эффективность его сгорания в цилиндре дизеля. Пределы величины вязкости впрыскиваемого топлива регламентируются инструкциями по обслуживанию двигателя. Температуру подогрева топлива определяют по номограммам, например, как представлено на рис. 1.

Рис. 1. Номограмма зависимости вязкости топлива от температуры

От вязкости в значительной мере зависят скорость осаждения механических примесей, а также способность топлива отстаиваться от воды. Например, при увеличении вязкости топлива в 2 раза при всех прочих равных условиях время осаждения частиц возрастает также в 2 раза.

Вязкость топлива в отстойной цистерне снижают путем его подогрева. Для открытых систем, какой является отстойная цистерна, действует требование Правил Регистра, согласно которому нагревать топливо в цистерне можно до температуры не менее чем на 15°С ниже его температуры вспышки и не выше 90°С. Нагрев выше 90°С не допускается, так как в этом случае легко можно достичь температуры кипения воды. Вскипание воды, находящейся в нижней части цистерны, может привести к выбросу топлива из цистерны [3].

Осаждение воды в отстойных цистернах происходит только в том случае, если она не образует с топливом стойкой эмульсии. В этом случае даже при низкой вязкости топлива осаждение воды не происходит. Необходимо отметить, что эмульсионная вода влияет на величину вязкости. При содержании 10% эмульсионной воды вязкость может увеличиться на 15-20%.

Плотность характеризует фракционный состав, испаряемость топлива и его химические свойства. Высокая плотность означает относительно более высокое соотношение «углерод-водород» С/Н. Плотность имеет большое значение при очистке топлива путем сепарации. Если плотность топлива приближается к плотности воды, то это создает дополнительные трудности, так как отделение воды от топлива основано на разности их плотностей.

В центробежном топливном сепараторе тяжелой фазой является вода. Для получения устойчивой поверхности раздела между топливом и пресной водой плотность топлива не должна превышать 0,992 г/см3. Чем выше плотность топлива, тем более сложным становится регулирование сепаратора. Незначительные изменения вязкости, температуры или плотности топлива приводят к потерям топлива с водой или к ухудшению очистки топлива.

Вода содержится в топливе в виде взвеси или эмульсии. В зависимости от количества и дисперсности вода оказывает различное влияние на сгорание топлива. Наличие в топливе воды

до 1... 2% не оказывает заметного влияния на работу двигателя при условии ее равномерного распределения в массе топлива. При большем содержании воды в топливе могут возникнуть трудности при его сжигании в двигателе, особенно при образовании отстойной воды в момент поступления топлива в двигатель. В этом случае неизбежны пропуски вспышки в отдельных цилиндрах, а при продолжительном использовании обводненного топлива возможна и остановка двигателя.

Международный стандарт ISO 8217:2010 допускает содержание воды в топливах марки DMB до 0,3 Volume%, однако в топливах, прошедших морские перевозки, допускается более высокое содержание воды, а именно: в RMB - RMK до 0,5 Volume %.

Морская вода оказывает особенно неблагоприятное воздействие на характеристики топлива. Содержащийся в ней натрий вступает во взаимодействие с ванадием, присутствующим в топливе, и образует при сгорании продукты, способствующие резкому усилению температурной коррозии, а иногда и увеличению нагарообразования.

Водотопливная эмульсия. Присутствие в топливе мельчайших частиц пресной воды обеспечивает дополнительное распыливание топлива в камере сгорания и улучшает смесеобразование за счет микровзрывов частиц воды. На этом основано применение водотопливных эмульсий. При работе на водотопливных эмульсиях процесс задержки воспламенения сокращается, в результате чего сгорание топлива происходит с большей эффективностью. Применение водотопливных эмульсий требует установки дополнительного оборудования: смесителя или гомогенизатора для обеспечения устойчивых эмульсий с заданным содержанием воды и размерами частиц воды [4]. Обычно содержание эмульсионной воды в водотопливных эмульсиях составляет 4-7%.

Механические примеси в топливе имеют неорганическое и органическое происхождение. К неорганическим примесям относятся ржавчина Fe2O3 и песок, которые могут попадать в топливо извне. К органическим примесям - карбены и карбоиды - твердые частицы, образующиеся в топливе в процессе переработки нефти.

Механические примеси неорганического происхождения по своей природе являются абразивными частицами и поэтому могут вызвать не только зависание подвижных деталей прецизионных пар, но и абразивное разрушение трущихся поверхностей, притертых поверхностей клапанов, форсуночной иглы и распылителя, а также сопловых отверстий. Особенно опасно наличие в топливе частиц размером более 6 мкм. Обычно эти частицы из топлива можно полностью удалить путем сепарации.

Механические примеси органического происхождения могут вызвать зависание плунжеров и форсуночных игл. Попадая в момент посадки клапанов или форсуночной иглы на седло, кар-бены и карбоиды прилипают к притертой поверхности, что также приводит к нарушению их работы. Кроме того, карбены и карбоиды, попадая в цилиндры дизеля, способствуют образованию нагаров на стенках камеры сгорания поршня и в выпускном тракте. В силу своей незначительной твердости механические примеси органического происхождения мало влияют на изнашивание деталей топливной аппаратуры.

Зарубежным стандартом ISO 8217:2010 содержание механических примесей в топливе не нормируется.

Коксовый остаток - массовая доля углекислого остатка (в %), образующегося после сжигания в стандартном приборе испытуемого горючего или его 10%-ного остатка. Величина коксового остатка характеризует неполное сгорание топлива и образование нагара. Для остаточных топлив величина коксового остатка определяется методом Конрадсона. Величина коксового остатка по Конрадсону обычно пропорциональна концентрации высококипящих тяжелых молекул в топливе, содержанию асфальтенов и, следовательно, плотности топлива. Поэтому, чем выше кокс по Конрадсону, тем, как правило, хуже топливо.

Коксовый остаток большинства судовых топлив, вырабатываемых в России и Украине, достигает 10%. В импортных топливах допускается содержание кокса до 20% (ISO 10370).

Обычно при использовании топлива с высоким содержанием кокса резко возрастает нагаро-образование. Поэтому при сжигании тяжелого топлива необходимо особо тщательно следить за техническим состоянием форсунок и топливных насосов, а также за распределением нагрузки по цилиндрам.

Температура вспышки зависит от количества легких фракций в топливе и характеризует нижний предел воспламенения испытуемого горючего в смеси с воздухом. Для большинства то-плив температуру вспышки определяют путем нагрева топлива в закрытом тигле (кроме мазутов

топочных 40 и 100). Важность этой характеристики топлива связана с его огнеопасностью, а не с пригодностью его для дизельных двигателей или котлов. В соответствии с Правилами Регистра на судах можно использовать лишь топливо с температурой вспышки не ниже 61 °С.

Топлива с высокой вязкостью, как правило, имеют температуру вспышки намного выше этого предела. Однако следует обратить внимание на отсутствие коррекции между вязкостью и температурой вспышки, а также на тот факт, что попадание даже незначительного количества топлива с низкой температурой вспышки в тяжелое топливо резко снижает температуру вспышки. Известны случаи взрывов и пожаров при попадании сырой нефти в тяжелое топливо, при этом температура вспышки снижалась до 25 °С.

Температура застывания. От температуры застывания зависит возможность транспортировки топлива по трубопроводам без его подогрева. Топлива, которые хранятся при температуре ниже точки застывания, превращаются в твердую массу [5]. При хранении топлива при температуре, близкой к точке застывания, возможна частичная кристаллизация. Результатом такого хранения могут быть отложения в танках, засорение фильтров и трубопроводов, невозможность перекачки топлива.

В международных стандартах ISO и CIMAC на дистиллятное топливо установлена величина температуры застывания от 0 до минус 6°С для зимних топлив, от 0 до 6°С - для летних, на остаточное топливо - от 0 до 30°С зимой и от 6 до 30°С летом.

Топлива с высокими точками застывания часто имеют хорошие характеристики сгорания, что вызвано хорошим качеством сгорания парафинов.

Щелочные присадки. Для предотвращения коррозии цилиндровых втулок крейцкопфных двигателей, работающих на тяжелом топливе, цилиндровые масла должны содержать щелочные присадки. Мерой щелочности масла или его способности нейтрализовать кислоты является «общая щелочность» (щелочное число TBN).

Современные цилиндровые масла обычно имеют щелочное число в пределах 70-100 мг КОН на 1 грамм масла. В тронковых двигателях, где смазка цилиндров обеспечивается разбрызгиванием и более интенсивна, при работе на тяжелых топливах используют масла со щелочным числом 20-50.

Для правильного выбора величины общего щелочного числа цилиндровых масел в зависимости от содержания серы в топливе на рис. 2 представлен график, предложенный датской фирмой «MAN Burmeister&Wain».

Минимальный износ цилиндров достигается при выборе щелочности цилиндрового масла в заштрихованной области (рис. 2). При выборе цилиндровых масел следует иметь в виду, что избыточная щелочность при использовании топлив с низким содержанием серы обычно не вызывает проблем при правильно установленной дозировке цилиндрового масла.

Щелочное число цилиндрового масла

60

50

40

30

20

10

Содержание серы в топливе, %

Рис. 2. Рекомендуемая щелочность цилиндровых масел для двигателей с цилиндрами больших диаметров: 1 - газойль; 2 - дизельное топливо; 3 - средневязкое топливо; 4 - тяжелое топливо

0

2

3

Сера присутствует в топливе в основном в составе органических соединений. При сгорании сера образует сернистый SO2 и серный SO3 ангидриды, которые при соединении с водой образуют сернистую H2SO3 и серную H2SO4 кислоты, вызывающие сильную коррозию поверхностей, на которых они могут конденсироваться. Следует иметь в виду, что коррозионные проблемы возникают также из-за слишком низких температур охлаждающей воды и продувочного воздуха, что вызывает конденсацию паров серной кислоты на холодных поверхностях.

В топливах, производимых в России и Украине, содержание серы ограничивается 3,5 mass % (у мазутов), а в импортных - для дистиллятных топлив DMX - DMB от 1 до 2 mass %, для остаточных топлив RMA - RMK не нормируется.

Содержание золы является мерой содержания неорганических несгораемых примесей в топливе. Эти примеси частично являются естественными компонентами сырой нефти, частично выносятся в процессе ее переработки (например, при каталитическом крекинге), а также при хранении, обработке, транспортировке [5].

Золообразующие материалы существуют в виде твердых составляющих, механических примесей и растворенных в топливе веществ.

Нерастворимые в воде вещества, такие как соединения никеля или ванадия, не могут быть удалены в системах подготовки топлива на борту судна. Водорастворимые (например, соединения натрия) удаляются путем промывки водой и центрифугирования. Промывка водой для удаления соединений натрия используется только при подготовке топлива для газовых турбин.

Твердые примеси - песок, пыль, остатки каталитического крекинга - можно удалить механическими средствами: путем фильтрования и центрифугирования. Эффективность удаления зависит от принятой системы очистки, размеров частиц, плотности материалов по сравнению с плотностью топлива.

Обычно максимальное содержание золы в дистиллятных топливах не должно превышать 0,010 mass % (ISO 6245), однако новые стандарты допускают 0,04 и 0,15 mass % для наиболее тяжелых сортов топлив (RMA - 0,04%; RMB - RME - 0,07%; RMG - 0,1%; RMK - 0,15%).

Присутствие в топливе ванадия и натрия имеет большое значение, является причиной высокотемпературной коррозии на наиболее горячих металлических поверхностях, таких как поверхности выхлопных клапанов в дизельных двигателях и трубки пароперегревателей в котлах.

При одновременном содержании ванадия и натрия в топливе образуются ванадаты натрия NaVO3 с температурой плавления приблизительно 630 °С и поэтому опасны по условиям шлакования и коррозии. Эти вещества вызывают размягчение слоя окисла, который обычно защищает металлическую поверхность, что вызывает разрушения границ зерен и коррозионное повреждение большинства металлов, поэтому содержание натрия должно быть меньше % содержания ванадия. Если содержание натрия в топливе незначительно, то образуется пяти-окись ванадия V2O5, действующая подобно ванадату, хотя она имеет более высокую температуру плавления (675 °С).

Во избежание проблем, вызванных высокотемпературной коррозией, важно удалять вод о-растворимые соли натрия, что достигается путем промывки топлива водой и эффективного центрифугирования.

Важно также избегать условий, при которых увеличивается термическая нагрузка, например, соблюдать правила эксплуатации и регулировки двигателя, избегать его перегрузки.

Ванадиевые соединения в топливе полностью растворимы и трудноудаляемы. Их воздействие может быть ослаблено путем включения в топливо присадок, которые вступают в реакцию с ванадием в процессе сгорания, образуя соединения, температура плавления которых выше, чем у пентаксида ванадия V2O5. Чаще всего для этих целей используется магний. Он может добавляться в топливо в виде органического или неорганического раствора сульфата магния MgSO4. В этом случае образуется ванадат магния Mg3(VO4)3, температура плавления которого выше 1000°С. Недостаток использования магниевой присадки заключается в том, что при этом усиливается тенденция к образованию зольных отложений на лопатках турбин.

Как правило, ванадий содержится в асфальтосмолистой части топлива. При зарубежных бункеровках содержание ванадия в тяжелом топливе может колебаться в значительных пределах в зависимости от происхождения и технологии переработки используемых в топливе компонентов. Например, некоторые порты США регулярно поставляют топливо с содержанием ванадия от 300 до 500 ррт, Саудовской Аравии - от 30 до 40 ppm, Нидерландов - от 60 до 130 ррт.

Содержание ванадия в легких топливах (газойль и топлива типа MarineDiesel) незначительно. Стандарты России и Украины на моторные топлива и мазуты не ограничивают содержание ванадия, за исключением газотурбинного топлива, в котором содержание ванадия не должно превышать 4 ррт.

Остатки процесса каталитического крекинга в сжиженном слое могут содержать высокопористые алюмосиликатные соединения, которые могут вызвать тяжелые абразивные повреждения элементов топливных систем, а также поршней, поршневых колец и втулок цилиндров. Пористость частиц сильно затрудняет их удаление путем осаждения и центрифугирования. При правильной работе центробежных сепараторов представляется возможным удалять около 75% частиц силикатов при одноступенчатом центрифугировании и 85% - при двухступенчатом.

Содержание алюминия и кремния отечественными стандартами не ограничено, но так как за границей тяжелые топлива получают путем каталитического крекинга, то эти показатели введены в стандарт ISO 8217:2010.

Выводы

Приведены все основные физико-химические свойства судовых тяжелых и легких топлив, которые необходимы для экономически и технологически обоснованного выбора типа и марки топлива в конкретных условиях бункеровки, заказа топлива.

Оценено основное влияние вязкости, плотности, содержания воды, серы, примесей и прочих свойств и показателей топлива на работу аппаратуры судового дизельного двигателя, что по сути является свернутой инструкцией по анализу конкретного топлива и позволяет производить его комплексную качественную оценку.

Литературы

1. Калугин В.Н. Характеристики и свойства морских сортов топлива, особенности топливо-использования: учеб. пособие. - Одесса: ОГМА, 2000. - 51 с.

2. Эксплуатация судовых дизельных энергетических установок / С.В. Камкин, И.В. Возни-цкий и др. - М.: Транспорт, 1996. - 432 с.

3. Калугин В.Н., Логишев И.В. Использование морских топлив на судах: учеб. пособие. -Одесса: ОНМА,2010. - 191с.

4. Логишев 1.В., Голжов О.О., Зав'ялов О.А. Технологи використання палив у суднових енергетичних установках: навчальний пошбник. - Одесса: ОНМА, 2011. - 135 с.

5. Топливо и топливные системы судовых дизелей / Ю.А. Пахомов, Ю.П. Коробков и др. -М.: РКонсульт, 2004. - 496 с.