» » » Как повысить эффективность судовых энергоустановок

Как повысить эффективность судовых энергоустановок

Инновации

Стремление к сокращению затрат заставляет судовладельцев и изготовителей энергетических установок использовать наиболее дешевые высоковязкие сорта углеводородных видов топлива, искать технические решения по снижению его расхода. В судовых дизельных двигателях используются смеси дистиллятных видов топлива с высоковязкими крекинг-остатками. В основном применяются топливные смеси вязкостью от 180 сСт до 700 сСт. Однако с повышением вязкости доля дистиллятного топлива в смеси уменьшается и соответственно увеличивается доля мазута, что приводит к ухудшению качества топлива.

В мазуте, как конечном продукте нефтепереработки, сосредотачивается балластанегорючая часть, состоящая из минеральной массы и воды. В процессах нефтекрекинга легкие углеводородные фракции, бензин, керосин, дизельное топливо насыщаются содержащимся в нефти водородом в большей степени, поэтому в мазуте содержание водорода по сравнению с сырой нефтью уменьшается, что приводит к снижению его теплотворной способности.

Снижение теплотворной способности обуславливается также и повышенным содержанием в его составе серы, азота, кислорода, смол, асфальтенов, золы, механических примесей. В минеральной массе мазута присутствует значительное количество металлов, в том числе и ванадия. Окислы ванадия вызывают как низкотемпературную, так и высокотемпературную, при 600‑700 oС, коррозию металлов, приводящую к разрушению поверхностей нагрева, уплотняющих поверхностей выпускных клапанов и лопаток газовых турбин.

Согласно международным стандартам минеральная масса, содержащаяся в мазуте, не должна превышать 0,1‑0,3%, но, несмотря на малое ее содержание, образующаяся при сжигании мазута зола, отлагаясь на поверхностях нагрева котлоагрегатов, значительно уменьшает передачу тепла от продуктов сгорания. Отложения золы на поверхностях деталей дизелей вызывают ускоренный износ трущихся поверхностей, затрудняют отвод тепла к охлаждающим средам.

Состав мазута, кроме того, изменяется при транспортировке и хранении его в емкостях. В результате постоянного окисления, полимеризации, химических реакций углеводороды мазута превращаются в твердые продукты, выпадающие в осадок. В холодную погоду во время разогрева железнодорожных цистерн острым паром содержание воды в мазуте может достигать 10‑15%. Причем во время дальнейшего хранения мазут дополнительно обводняется атмосферной влагой. Анализы качества мазута, хранящегося в емкостях на одной из нефтебаз, показали, что содержание воды в пробах, отобранных на уровне 4‑5 м от днища, достигает 5%, а в придонных слоях – 12%.

Все это в итоге влияет на способность топлива к воспламенению и к аварийному загрязнению продуктами сгорания цилиндро-поршневой группы, выпускных клапанов, газотурбонагнетателей.

Для предотвращения негативных последствий судовая система топливоподготовки должна быть снабжена эффективными техническими средствами, позволяющими до сжигания мазута улучшать его качественные характеристики. Это, например, гидродинамическое оборудование, которое успешно применяется в топливных системах судовых энергетических установок для гомогенизации топлива и приготовления высокодисперсной водотопливной эмульсии.

Гидродинамические устройства в системе топливоподготовки

Если на судне установлено эффективное смесительное оборудование и имеется система для подогрева мазута, то смешивание топлива для корректировки вязкости мазута целесообразно производить на судне. В этом случае исключается риск использования большого объема нестабильного топлива, предотвращаются последствия его негативного воздействия на состояние энергетических установок, появляется возможность использования более дешевых сортов мазута.

Смешивание топлива на судне с одновременным улучшением качественных характеристик производится по мере уменьшения его объема в отстойных расходных емкостях, из которых топливо подается к судовым энергетическим установкам. Сокращение времени между гидродинамической обработкой топлива в смесительных устройствах и его сжиганием в энергетических установках не позволяет активным углеводородным радикалам возвратиться в исходное состояние, что и является одним из факторов повышения эффективности использования топлива.

Подготовка к процессу смешивания топлива начинается с заполнения отстойных мазутных танков и соответственно отстойных танков дизельного топлива. Мазут в отстойных танках подогревается до температуры, при которой содержащаяся в нем вода осаждается в нижних горизонтах цистерны и затем через дренажный трубопровод удаляется. Аналогично, после отстаивания, удаляется и вода из цистерн дизельного топлива.

Дизельное топливо на входе в кавитационный смеситель вводится в несущий поток мазута, предварительно подогретого до необходимой температуры. Топливная смесь из кавитационного смесителя поступает в вихревой гомогенизатор‑смеситель, в котором вследствие трансформации параметров состояния многокомпонентного потока возникают интенсивные акустические колебания в ультразвуковом спектре частот, создающие в объеме потока кавитационные разрывы.

Закрытие кавитационных разрывов сопровождается концентрацией энергии, позволяющей в локальном объеме топлива повысить температуру до 1500‑1800 оС, давление до 200 кг/см2, что значительно превышает параметры крекинг-процесса при переработке нефти.

Исследования, проведенные после гомогенизации, подтвердили глубокие структурные изменения в молекулярном составе углеводородов. Длинные молекулярные цепи преобразовывались в легкие углеводородные радикалы газовых, дистиллятных топливных фракций. При этом вязкость мазута уменьшалась на 20%, плотность – на 2,5%. Измельчение остаточных фракций способствовало сокращению потерь горючей части топлива на 85%.

Почему топливо горит быстрее?

Гомогенизация топлива непосредственно перед процессом сгорания, перевод рабочего процесса судовых дизелей на высокодисперсную водотопливную эмульсию применяются для повышения эффективности использования топлива и предотвращения загрязнения окружающей среды вредными примесями уходящих газов.

Водотопливная эмульсия является особым видом топлива, качественно и количественно изменяющего процесс горения. Содержащиеся в топливе высокодисперсные частицы водной фазы при прогреве в цилиндре превращаются в паровые пузырьки, мгновенно дробящие топливные капли на мельчайшие частицы, которые быстрее прогреваются и интенсивнее взаимодействуют с кислородом, образующимся в результате диссоциации воды, воспламеняются и, перемешиваясь с кислородом воздуха, ускоренно сгорают. Находящаяся в составе эмульгированного топлива водная фаза может быть диссоциирована частично, в ходе окисления топлива в предпламенных процессах. Затем, по мере повышения температуры в фазе активного сгорания, реакция диссоциации воды ускоряется. Образующийся при диссоциации избыток атомов водорода быстро диффундирует в область с избытком кислорода, где их реакция компенсирует затраты энергии на диссоциацию воды. При этом участие в реакции горения дополнительного количества водорода приводит к увеличению количества продуктов сгорания.

В ходе экспериментальных исследований установлено, что добавление к топливу 5‑10% воды ускоряет процесс сгорания в 5‑6 раз. Благодаря более полному и ускоренному сгоранию топлива, постоянной газификации отложений углерода детали цилиндро-поршневой группы и газовыпускного тракта не загрязняются продуктами сгорания, меньше подвержены абразивному износу.

Вода бережет топливо

Разработанные технологии смешивания, обработки топлива в поле ультразвуковой кавитации и приготовления высокодисперсных водотопливных эмульсий применимы не только в топливных системах судовых дизелей, но и в котлоагрегатах промышленных предприятий, на нефтебазах.

С переводом рабочего процесса судовых дизелей на водотопливную эмульсию с водосодержанием 17‑20% расход топлива сокращается на 12%, эмиссия окислов азота NOx – на 30‑37%, сернистого ангидрида SO2 – на 50%, сероводородов H2S – на 50%, несгоревшие углеводороды отсутствуют. С повышением эффективности использования топлива температура уходящих газов снижается на 8‑10 оС, соответственно уменьшается теплонапряженность деталей цилиндро-поршневой группы. При работе установок в режиме гомогенизации расход высоковязкого обезвоженного топлива уменьшается на 5%.

С переводом работы котлоагрегатов на гомогенизированную, высокодисперсную эмульсию с водосодержанием 12‑15% расход топлива сокращается на 6‑8%, содержание вредных выбросов уменьшается: NOx на 40%, SO2 на 50%, H2S и несгоревших углеводородов – в несколько раз.

Таким образом, вода, которая находится в нижних слоях емкостей и могла бы вызывать срыв процесса горения в котлоагрегатах, после эмульгирования повышает эффективность использования мазута. В производственной деятельности имели место случаи, когда при переводе снабжения котлоагрегатов на топливо из новой емкости вследствие большого количества влаги, выпавшей в осадок, эмульсия, поступающая к форсункам, имела в своем составе до 65% водной фазы. И только благодаря высокодисперсному эмульгированию горение в топках котлоагрегатов оставалось стабильным, без срыва факела.

Центр энергосберегающих технологий «Гидротопливо», Б. В. ЗАВГОРОДНИЙ

22 июня 2007 /
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Полужирный Наклонный текст Подчеркнутый текст Зачеркнутый текст | Выравнивание по левому краю По центру Выравнивание по правому краю | Вставка смайликов Вставка ссылкиВставка защищенной ссылки Выбор цвета | Скрытый текст Вставка цитаты Преобразовать выбранный текст из транслитерации в кириллицу Вставка спойлера
Введите код: