CC BY
85
ВЛИЯНИЕ СЕРНИСТЫХ ТОПЛИВ НА КОРРОЗИОННЫЙ ИЗНОС ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ РАБОТЫ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Солодовников Валерий Григорьевич
старший преподаватель кафедры технической эксплуатации флота Одесской национальной морской академии, Украина, г. Одесса
E-mail: saginsergey@mail. ru
THE INFLUENCE SULFUR FUELS ON THE CORROSIVE WEAR OF THE CYLINDER GROUP AND ECOLOGICAL PARAMETERS OF MARINE
DIESEL ENGINES
Solodovnikov Valerii
senior Lecturer of technical operation of the fleet department of Odessa National
Maritime Academy, Ukraine, Odessa
АННОТАЦИЯ
Рассмотрены особенности работы судовых среднеоборотных дизелей на высоковязких топливах. Приведены результаты экспериментальных исследований по определению влияния содержания серы в топливе на износ цилиндропоршневой группы судового двигателя внутреннего сгорания, а также на экологические параметры его работы
ABSTRACT
The features of the ship's diesel engines of medium to high viscosity fuels. The results of experimental studies to determine the effect of fuel sulfur content on the wear of the cylinder group of marine internal combustion engine, as well as environmental performance of its work.
Ключевые слова: топливо для судовых среднеоборотных дизелей; содержание серы в топливе; коррозионный износ цилиндровой группы; содержание оксидов серы в выпускных газах.
Keywords: fuel for marine medium-speed diesels; fuel sulfur content; the corrosive wear cylinder group; the content of sulfur oxides in the exhaust gases.
В последние годы на морских транспортных судах для судовых среднеоборотных дизелей (СОД) все шире применяются тяжелые сорта топлива
высокой вязкости, имеющие более низкую стоимость [1]. Так например, сорта тяжелого топлива HFO (Heavy Fuel Oil) 380 с вязкостью 380 мм /с на мировом топливном рынке имеют стоимость 750...780 $/тонна. В то время, как стоимость легких сортов топлива достигает 900 $/тонна. При этом нужно учитывать, что мощность главных и вспомогательных двигателей судовых энергетических установок (СЭУ) лежит в диапазоне от нескольких сотен до десятков тысяч киловатт. При среднем удельном эффективном расходе топлива 180.185 г/(кВтчас) суточный расход топлива главным двигателем может составлять 200.250 тонн/сутки, а вспомогательными, количество которых на современных судах до 4-х, а число параллельно работающих до 3-х, 10.12 тонн/сутки. Таким образом, затраты на топливо для мощных СЭУ достигают 200.250 тыс.$И8Л/сутки, а для СЭУ средней мощности 18.20 тыс.$И8Л/сутки. Приведенные данные еще раз подчеркивают важность решения задач по минимизации эксплуатационных расходов на топливоиспользование в СЭУ.
Перспективы развития транспортного судостроения с применением СОД в мировой практике тесно связано с использованием тяжелых сортов топлива. При этом следует отметить, что подобные топлива используются для работы СОД, выполняющих функции как главных, так и вспомогательных двигателей. Кроме того, в судовой практике отчетливо прослеживается тенденция использования высоковязких сортов топлива не только для современных моделей СОД, но и перевода СОД предшествующих моделей (спроектированных с условием работы на легких сортах топлива) на эксплуатацию с использованием топлива повышенной вязкости.
Стоимость топлива также напрямую связана с количеством находящейся в нем серы. Сера в топливе находится в составе неорганических соединений. Сернистые соединения, входящие в состав топлива, принято подразделять на активные и неактивные. Активные сернистые соединения (свободная сера, сероводород, меркаптаны) при контакте с металлом вызывают коррозию. Неактивные сернистые соединения (сульфиды, дисульфиды и др.) при обычных
условиях не вызывают коррозии металлов. Однако, действие как активных, так и неактивных сернистых соединений в условиях протекания рабочего процесса в камере сгорания двигателей внутреннего сгорания (ДВС) изменяется. Обе категории примесей переходят в разряд активных компонентов. Это происходит в следствии того, что при сгорании серы образуется сернистый газ SO2 и серный ангидрид SO3, которые, вступая в реакцию с сконденсировавшейся водой. Образуют сернистую H2SO3 и серную H2SO4 кислоту. Эти кислоты вызывают сильную коррозию деталей цилиндропоршневой группы дизеля. Помимо этого, вследствие низкой теплоты сгорания присутствие серы уменьшает теплоту сгорания топлива. Поэтому сера является вредной и нежелательной примесью топлива.
Кроме того, использование сернистых топлив напрямую связано с выполнением экологических требований, предъявляемым к судовым ДВС. Так, Приложением IV международной конвенции MARPOL73/78 определены специальные районы, в которых возможно использование лишь топлива, содержащим не более 0,1 % серы. Эксплуатация судовых ДВС (как главных, так и вспомогательных) в таких районах возможна только на дистиллатных топливах, например DMX, DMA, DMZ (Marine Gas Oil — MGO) или DMB (Marine Diesel Oil — MDO). При этом следует учитывать, что нефтеперерабатывающая промышленность в настоящее время еще не готова к производству топлив с подобным содержанием серы, а на рынок поступает топлива, содержащие до 3 % серы.
Применение топлива подобного состава ухудшает качество процесса сгорания, что, в том числе, приводит к повышенному износу деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ), цилиндровых крышек, выпускных клапанов, а также прогоранию лопаток газотурбонагнетателей и элементов газовыпускного тракта.
Повышенный износ деталей ЦПГ при работе двигателя на сернистом топливе обусловлен главным образом электрохимической кислотной коррозией. Пары серной кислоты конденсируются на зеркале втулки цилиндра
в процессе расширения в цилиндре, образуя вместе с конденсатами водяных паров растворы серной кислоты. Интенсивность кислотной коррозии возрастает при обводнении топлива и нарушении режимов охлаждения цилиндров и наддувочного воздуха. Кроме того, тяжелые сорта топлива характеризуются наличием нефтяной золы, в состав которой входят натрий, ванадий, никель, кальций, железо, алюминий. Пятиокись ванадия V2O5, также как окись железа Fe2O3, является сильным катализатором окисления SO2 и SO3, поэтому их присутствие в топливе усиливает коррозионный износ деталей ЦПГ.
Для судовых малооборотных дизелей, имеющих отдельную систему цилиндрового смазывания, нейтрализация образующихся в цилиндре серной и сернистой кислоты происходит за счет использования щелочных присадок. Судовые СОД используют для смазывания деталей ЦПГ масло циркуляционной системы, в функциональные характеристики которого не заложена задача нейтрализации кислотной среды в цилиндре и поэтому более подвержены коррозионному износу. Кроме того, аэродисперсное смазывание ЦПГ СОД способствует попаданию сернистых соединений топлива в картерное пространство дизеля и ухудшению качества смазочного масла.
Учитывая изложенное, основной целью работы являлось определение влияния содержания серы в топливе на износ цилиндропоршневой группы судового СОД, а также на экологические параметры его работы.
Исследования выполнялись на судовых СОД 6Г74 фирмы «Русский дизель», имеющих следующие основные характеристики: номинальная эффективная мощность N = 1150 кВт, частота вращения вала п = 500 об/мин, удельный эффективный расход топлива Ье = 0,196 кг/(кВтч) и входящих в состав главной дизель энергетической установки морского теплохода.
В состав судовой энергетической установки входили два подобных дизеля. Двигатели имели разделенную друг относительно друга систему топливоподачи, что допускало эксплуатацию каждого дизеля на «своем» сорте топлива. Учитывая эту возможность, один из дизелей эксплуатировался на топливе, содержащем 1,3 % серы, а второй — 0,8 % серы. Условия
эксплуатации позволяли перед началом эксперимента произвести полную замену втулок, поршней, поршневых колец, а также основных элементов топливной аппаратуры (плунжеров топливных насосов высокого давления и форсунок) на обоих дизелях. Время работы дизелей во время эксперимента, а также среднестатистические нагрузки на дизели не превышали 4 %.
По истечении определенного времени работы, определяемого как показателями среднестатистической наработки на износ, так и возможностью временного вывода дизелей из эксплуатации, производилось определение износа цилиндровой втулки и верхнего поршневого кольца дизеля.
Влияние содержания серы в топливе на коррозионный износ деталей ЦПГ (втулок и поршневых колец) изложено в [2] и может быть продемонстрировано зависимостями, показанными на рис. 1.
О 200 400 600 800 1000 Г, ч 0 200 400 600 800 1000 Г, ч
а) б)
Рисунок 1. Износ цилиндровых втулок (а) и поршневых колец (б) судового ДВС 6Г74 при работе на топлив с различным содержанием серы: 1 — 5 =
1,3 % по массе; 2 — 5 = 0,8 % по массе
Определение линейного износа I\ выполнялось с помощью микрометрического обмера втулки цилиндра, а массового 1т — путем взвешивания поршневого кольца на аналитических весах в судовой лаборатории.
Измерения количества оксидов серы 5Ох в выпускных газах проводилось для отдельно взятого дизеля 6Г74, последовательно работающего на топливе с различным содержанием серы. При этом, использовались топлива, содержащие
следующее количество серы: 2,1; 1,6; 1,3; 0,8 % по массе. Результаты исследований приведены на рис. 2.
S0X
кВт-ч 20
10
15
0
5
0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 S, %
Рисунок 2. Зависимость содержания SOx в выпускных газов судового дизеля 6Г74 при его работе на топливе с различным содержанием серы
Зависимость SOx от содержания серы в топливе S не имеет строгой графической зависимости и может быть аппроксимирована полиномом сложной степени, однако очевидно, что снижения массовой доли серы в топливе способствует улучшению экологических параметров работы дизеля.
Современные требования судовладельцев и фрахтователей судов вынуждают судовой экипаж минимизировать расходы на топливо. Одним из вариантов решения данной задачи является эксплуатация судового пропульсвиного комплекса на режимах экономичного хода ECR (Economy Continuous Rating). При этом мощность экономичного хода определяется из интервала Ыеэх = (0,5...0,7)Меном. Данные режимы, безусловно, позволяют существенно снизить затраты на топливо, однако способствуют ухудшению экологических параметров работы дизеля. В связи с этим во время эксперимента также определялось изменение уровня выбросов SOx в функции от нагрузки дизеля при его работе на топливе с различным содержанием серы. Полученные зависимости приведены на рис. 3.
г \
кВт • ч
30 -
20 -
10 - * 1 1 1 1 1 | | |
0 1111 -►
_|_I_I_I_I__►
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 А/е/А/е
Рисунок 3. Области изменения содержания БОх в выпускных газов судового дизеля 6Г74 при его работе на топливе с различным содержанием серы: 1 —
5 = 2,1 %; 2 — Б = 1,6 %; 3 — Б = 1,3
Из приведенных результатов возможно сделать следующие краткие выводы.
Применение топлив с повышенным содержанием серы способствует увеличению коррозионного износа деталей ЦПГ. Минимизация этого явления особенно актуальна для судовых СОД, имеющих общую для всего двигателя циркуляционную систему смазывания, масла которой не содержат щелочных присадок для нейтрализации сернокислотной среды в цилиндре дизеля.
Кроме увеличения коррозионного износа деталей ЦПГ наличие серы в топливе приводит к ухудшению экологических параметров работы дизеля и, в частности, повышению концентрации оксидов серы в выпускных газах.
Список литературы:
1. Пахомов Ю.А., Коробков Ю.П., Дмитриевский Е.В. Топливо и топливные системы судовых дизелей. М.: Транслит, 2007. — 496 с.
2. Сагин С.В., Солодовников В.Г. Применение ультразвуковой обработки топлива для снижения сернистого износа деталей двигателя / «Технические науки — от теории к практике» // Сб. ст. по материалам XXXV междунар. науч.-практ. конф. № 6 (31). Новосибирск: СибАК, 2014. — С. 42—49.
