Анализ влияния каталитических частиц на рабочие характеристики и новый стандарт по обеспечению безаварийной эксплуатации судовых дизеле

 

 

15 (19 из 40)

 

 

 
Ввиду непрерывного развития технологий центрифугирования, фактически невозможно установление изготовителями двигателей четких требований по размерам центробежных сепараторов, являющихся частью судовой  системы очистки топлива, для конкретных случаев применения.  Правильный выбор размеров центробежных сепараторов зависит от суточного расхода топлива и расчетной вязкости топлива, используемого в системе. Изготовители двигателей могут лишь выдавать рекомендации по оптимальным рабочим характеристикам двигателя, которые должны впоследствии согласовываться с изготовителями центробежных сепараторов.  См. п. «Определение требуемых размеров центробежных сепараторов»   

Отстойные и расходные цистерны 

 
Тяжелые компоненты с крупным  размером частиц, например, каталитические материалы, диспергированные в форме взвеси крупных частиц в топливе, осаждаются на дно резервуара под действием силы тяжести. Однако при сильном волнении на море может происходить взбалтывание осадка этих компонентов и их попадание в центробежные сепараторы.  Наличие тяжелых компонентов влияет на чистоту топлива после очистки системой очистки топлива.  Поэтому, важно регулярно производить опорожнение отстойных и расходных цистерн.  

Центробежные  сепараторы

 

При правильной эксплуатации, центробежный сепаратор способен обеспечить удаление почти 100 процентов всех каталитических частиц размером частиц более 10 микрон.  Однако, большая их часть, имеет размер менее пяти микрон и не будет удалена ввиду их относительно малого веса.  

Для проверки эффективности работы центробежных сепараторов, рекомендуется  производить отбор проб в линии  перед- и за центробежными сепараторами не реже одного раза каждые четыре месяца с последующим направлением проб на анализ в соответствующую уполномоченную организацию. В случае эксплуатации на топливе с содержанием каталитических частиц выше 25 ppm в состоянии «на момент бункеровки», отбор проб должен производиться более часто.

 
Гомогенизаторы

 
В некоторых системах очистки  топлива используются гомогенизаторы, обращающие всю присутствующую в топливе воду в мелкую однородную капельную взвесь.  Однако, размещение гомогенизаторов в линии до центробежных сепараторов, в настоящее время не рекомендуется.  Причиной этому служит то, что Каталитические частицы гидрофильны, что означает способность этих веществ к смачиванию водой, выражающуюся в «притягивании» любой воды присутствующей в топливе. В силу чего есть основания ожидать осложнения работы центробежных сепараторов по удалению мелких гомогенизированных капель воды, включая соленую воду и присоединенные Каталитические частицы. 

 

16 (20 из 40)

 

 

 
Фильтры

 
Фильтры устанавливаются в качестве средств дополнительной защиты в  целях предотвращения попадания  крупных частиц, типа фрагментов ржавчины, в топливную систему.  Крупные частицы материалов с низким удельным весом могут пройти через сепаратор, но будут удалены фильтрами. 

 
Износ и повреждение  двигателя в результате присутствия  каталитических частиц в топливе

 
Абразивный износ вызывается, главным образом, неспособностью центробежных сепараторов обеспечить удаление каталитических частиц из топлива. Ржавчина, песок  и пыль также относятся к числу  компонентов, удаляемых центробежными  сепараторами, однако, их влияние обычно менее опасно, и они присутствуют в топливе в значительно меньших количествах. 

 
Система впрыска  топлива

 
Топливный насос, устанавливаемый  на двигателе, является элементом, в  наибольшей степени подверженным вредному воздействию каталитических частиц.  Топливный насос создает давление в форсунках, обеспечивая подачу ими требуемого количества топлива в двигатель на различных режимах работы. 

 
Топливный насос состоит из плунжера, совершающего возвратно-поступательное движение во втулке топливного насоса.  Зазоры между деталями относительно малы.  Любые каталитические частицы, имеющие размер частиц, примерно равный величине этих зазоров, попадают в  плунжерную пару   и могут врезаться в материал плунжерной пары  (Рис. 7).  

 

 

Рис. 7. Направляющая шпинделя топливного насоса со следами истирания и чрезмерного износа.

 

 

 

 

 

17 (21 из 40)

 

 

Чрезмерный износ плунжерной пары  оказывает влияние на величину давления впрыска и, таким образом, на рабочие  характеристики двигателя. В случае значительного абразивного износа топливного насоса обеспечение требуемого давления подачи топлива невозможно. 

 
Каталитические частицы, способные  пройти через топливный насос, попадают в топливные форсунки, где чрезмерный износ может вызвать изменение  размера и формы отверстий форсунок.  Любое изменение размера и формы отверстий форсунок вызывает изменение формы распыла топлива, что в свою очередь может вызвать снижение полноты сгорания.  Изменение формы распыла топлива приводит также к засорению деталей камеры сгорания и увеличивают количество невыгорающих углеводородов (HC), выбрасываемых с выхлопным газом. 

 
Камера сгорания

 
При воспламенении топлива, частицы  каталитических частиц попадают в зазоры между различными рабочими деталями камеры сгорания, т.е. между поршневым  кольцом и кольцевой канавкой или между поршневым кольцом и втулкой цилиндра.  Это создает в камере сгорания потенциально опасную ситуацию.  Каталитические частицы, не удаляемые с выхлопным газом или стекающие в основание блока цилиндров, могут врезаться в более мягкий материал поршневых колец.  Это приводит к быстрому износу поверхностей как втулки цилиндра, так и хромированного поршневого кольца или канавок поршневого кольца (Рис. 8). 

 

 

Рис. 8  Каталитические частицы, врезавшиеся  в поверхность поршневого кольца.

 

 

 

 

 

 

 

18 (22 из 40)

 

 

Анализ конкретных примеров: Береговая электростанция

 
Качество топлива, поставляемого  на электростанции, варьируется в  широких пределах по уровню содержания каталитических частиц. По результатам  измерений, проведенных на различных топливах в разное время, содержание каталитических частиц в топливах составило 125 ppm. 

 
Кроме того, качество топлива после  очистки оказалось неприемлемым вследствие осложнений, связанных с  работой оборудования систем очистки. Надлежащее техническое обслуживание является важнейшим фактором обеспечения правильной эксплуатации вспомогательного оборудования; при отсутствии надлежащего обслуживания двигателей и системы очистки топлива, а также при несоблюдении технических требований по топливам, прогнозирование средней наработки между капитальными ремонтами (MTBO) является практически нереальной задачей для разработчиков двигателей.

 
Высокий уровень содержания каталитических частиц приводит к серьезному износу и истиранию на втулках цилиндров  и поршнях.  Частицы каталитических частиц врезаются в поверхность поршневых колец, вызывая чрезмерный износ поверхности цилиндра (см. Рис. 8 и 9). 

 
Прежде чем было установлено, что  первопричиной выхода из строя двигателя  явились Каталитические частицы, были проведены исследования ряда возможных причин чрезмерного износа. 

 
Возникновения сложившейся на этой электростанции ситуации, можно было бы избежать, если бы топливо соответствовало  требованиям ISO 8217 и рекомендаций CIMAC, а система очистки топлива правильно эксплуатировалась.

 

 

Рис. 9.  Износ на втулке цилиндра.

 

 

19 (23 из 40)

 

 

Системы очистки топлива

 
Как было упомянуто ранее, эффективная  очистка тяжелого топлива является обязательным условием для обеспечения  надежной работы и экономической  эффективности эксплуатации судовых дизелей.

 
Очистка необходима для удаления из топлива посторонних включений, например, воды и каталитических частиц. По мере повышения уровня содержания каталитических частиц в топливе  тогда, важно обеспечить соответствующее увеличение уровня очистки топлива. Как устанавливается стандартом ISO 8217 и рекомендациями по топливам GIMAC, в случае превышения в топливе максимального уровня содержания посторонних включений в 80 промиль (ppm), при обращении с топливом требуется проявлять особую осторожность. 

 
Из резервуара для хранения топливо  подается в отстойную цистерну судна, где сила тяжести вызывает осаждение  загрязняющих примесей (воды и твердых  частиц крупных размеров) на дно  цистерны. Однако, для достижения полного  отделения загрязняющих примесей от топлива необходима его очистка.  
Типичная схема систем очистки топлива, применяемых в судостроении и судоходстве, включает отстойную и/или расходную цистерну, центробежные сепараторы и топливные фильтры.

 
Центробежная сепарация широко применяется в качестве наиболее эффективного способа очистки тяжелых топлив перед впрыском в дизельные двигатели. Правильное определение размерных характеристик систем очистки топлива гарантирует снижение содержания каталитических частиц в топливе до приемлемого уровня, соответствующего техническим условиям впрыска в двигатель и эффективной эксплуатации двигателя.

 
Современный подход

 
Начиная с 1980-х, стандартным техническим  решением для систем очистки топлив являлось применение центробежных сепараторов без гравитационных дисков. До сих пор, было фактически невозможно сравнить рабочие характеристики центробежных сепараторов, поскольку предоставляемые их изготовителями таблицы Максимальной рекомендуемой производительности (MRC) были единственным способом оценки рабочих характеристик.

 
Однако, новый Стандарт на рабочие  характеристики сепарационных систем CWA 15375, который был установлен в августе 2005 года, на сегодняшний день позволяет покупателям при заданном уровне рабочих характеристик сепарации, сравнивать соотношение производительности и цены различных центробежных сепараторов перед принятием решения об их покупке. Объяснение сути этого современного подхода дает «Новый стандарт на рабочие характеристики судовых сепарационных систем».  

 

20 (24 из 40)

 

 

Закон Стокса

 
Основу принципа работы систем центробежной сепарации составляет закон Стокса.  

Общая формула закона Стокса:

 
V = gd² (r_p–r₁) / 18m

 

V	=	скорость осаждения (м/с)
g	=	ускорение центробежных сил (м/с2)
d	=	диаметр частицы (м)
rp	=	плотность материала частиц (кг/м3)
r1	=	плотность рабочей среды (кг/м3)
m	=	вязкость рабочей среды (кг/м, с)

 
Скорость осаждения «V» для  заданной производительности определяется по закону Стокса. В этом выражении  учитывается величина частиц, разность между плотностью частиц и рабочей среды, которой в данном случае является топливо, и вязкостью среды.

 
Плотность и вязкость являются важными  параметрами, определяющими эффективность  сепарации. Чем больше разность в  плотности между материалом частиц и рабочей среды, тем выше эффективность сепарации. Скорость осаждения увеличивается обратно пропорционально вязкости. Однако, поскольку как плотность, так и вязкость изменяются с температурой, критическим рабочим параметром является температура сепарации.

 
Другим важным фактором является размер частиц.  С ростом размера частиц скорость осаждения быстро увеличивается. Это означает, что чем мельче частицы, тем более сложной задачей  является сепарация. Применительно  к описанию процессов в центробежном сепараторе термин «g» служит для обозначения центробежной силы, которая в несколько тысяч раз превышает величину ускорения свободного падения под действием силы тяжести. Центробежная сила обеспечивает эффективное разделение частиц, размер которых составляет лишь несколько микрон.

 
Эксплуатационные параметры 

 
На эффективность сепарации  влияют различные эксплуатационные параметры. К ним относится температура, определяющая вязкость и плотность  топлива, а также расход и уровень  технического обслуживания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21 (25 из 40)

 

 

Производительность, обеспечивающая постоянную эффективность  сепарации (%)
	сСт при 50 °C