Перевод дизельных энергоустановок на рациональные виды топлив

Перевод дизельных энергоустановок на рациональные виды топлив

Принципы модернизации топливных систем дизельных судов внутреннего плавания, рыболовных, технического флота и паромов с коротким плечом перевозок

2.1. Проблематика использования ВТ на речных и специализированных судах.

Несмотря на очевидные различия в назначении этих судов у них, в контексте топливной модернизации, есть много общего.

Существо дела заключается, прежде всего, в следующем.

1. Для названных судов характерны весьма ограниченные площади и объёмы различных судовых помещений, в том числе машинно-котельных отделений (МКО), где трудно и часто затратно размещать  дополнительное оборудование подготовки ВТ, особенно жёстко агрегатированное в модули на стадии заводского производства. Следовательно, необходимо стремиться к уменьшению количества и унификации устанавливаемого оборудования, а в месте с этим – минимизировать дополнительные строительные, модернизационные и эксплуатационные расходы, связанные с установкой этого оборудования.

2. Судовой дизель с непосредственным впрыском топлива, обычно имеет минимальную границу мощности Wmin, ниже которой  во избежание потерь моторесурса должно использоваться вместо основного ВТ маневровое МВТ. Обычно значение Wmin ≤ 0,4Wном, где Wном–номинальная мощность дизеля. В условиях нестабильных нагрузок, когда в традиционных двухтопливных одноконтурных системах переходный процесс МВТ→ВТ→МВТ только в одном направлении занимает до 20 мин, команды судов, оперирующих в сложных навигационных или производственных условиях,  предпочитают работать на маневровом МВТ. В итоге, общее потребление ВТ в составе топливно-энергетических ресурсов составляет в лучшем случае порядка 50-70%, а на МВТ приходится остальное. Иными словами, значительная доля МВТ, как энергетического ресурса,  при нагрузках выше Wmin, используется не поназначению

Желаемым решением было бы увеличение потребления ВТ судами, например, до 80-90% в составе используемых топливно-энергетических ресурсов, но без ущерба для технического состояния энергетической установки и безопасности плавания. В этой связи мы можем предложить несколько апробированных на практике ресурсосберегающих технических решений.

2.2 Схема приёма, перекачки и кондиционирования ВТ в составе судовой топливной системы.
Апробированная комплектация схемы представлена на рисунке 1.

1-танк основного запаса ВТ; 2-фильтр грубой очистки; 3-перекачивающий насос ВТ с крекинг-эффектом; 4-путевой подогреватель ВТ; 5-обратный трубопровод; 6-одинарная отстойная цистерна; 7-плавучий приёмник; 8-сепаратор ВТ; 9–резервный приём подогретого ВТ – теплоносителя.
I-приём бункера ВТ; II-подача МВТ-разбавителя; III-подача ВТ в расходную цистерну; IV-отвод отстоя ВТ на котёл-инсинератор.
Рисунок 1 – Принципиальная схема приёма, перекачки и кондиционирования ВТ

  (1) В танках основного запаса 1 не предусматривается устройство стационарного подогрева ВТ (IFO 100–180). Перекачка неподогретого ВТ возможна при вязкости до 3000 сСт насосами соответствующих типов, то есть при температурах 0 °С (IFO ≤ 100) и до 10-12 °С (IFO 180).
В случае необходимости используются:
• циркуляционный или проточный горячеструйный подогрев ВТ с помощью путевого подогревателя 4;
• подача строго ограниченного количества МВТ-разбавителя к храповику приёмного трубопровода в танке 
  (2) Путевой подогрев ВТ применяется и перед его подачей в одинарную отстойную цистерну 6 с целью интенсификации подогрева и отстоя. Для дополнительного повышения эффективности отстоя и, тем самым – снижения нагрузки на фильтры и сепараторы, в цистерне 6 устанавливается плавучий приёмник отстоявшегося ВТ непосредственно из-под поверхности топлива. При наличии в энергоустановке второй отопительной цистерны, ее возможно более рационально использовать в целях топливной модернизации объекта.
  (3) Обычно функцией участка кондиционирования топлива является удаление из балластных компонентов воды и механических примесей с абразивными свойствами. В традиционной топливоподготовке - отстое, фильтрации и сепарации удаляют, кроме отмеченного баласта, тяжелые, трудносгораемые в дизелях углеводородные топлива. Во избежание потерь горючей массы топлива с отходами и повышения эффективности сжигания топлива в двигателях в состав средств кондиционирования ВТ целесообразно вводить устройства, преобразующие молекулярную структуру топлива в направлении улучшения его горючих свойств, например, снижения коксового числа за счет уменьшения содержания в составе ВТ тяжелых углеводородных соединений путем их трансформации в легкие углеводороды. Задача решается обычно использованием средств механического крекинга (гомогенизаторов).
  Из литературы 60-70-х годов ХХ века известны примеры полного отказа от сепарации ВТ и замены ее гомогенизацией на мощных буксирах - толкачах, оперировавших на р. Миссисипи. Однако, в случае значительного обводнения ВТ представляет интерес метод, позволяющий совместить в одном виде оборудования и без обезвоживание и гомогенизацию ВТ. В этом варианте вместо отстойной цистерны и сепаратора-пурификатора используется струйно-вакуумная аппаратура, в которой ВТ проходит обезвоживание и деструктивную обработку. Затем обработанное и профильтрованное топливо направляется непосредственно в расходную цистерну. В этом случае отпадает необходимость не только в сепараторе-пурификаторе, но и в утилизации образующихся при сепарации отходов. Подробнее: см раздел I сайта. 
  Итак, в предлагаемой схеме отсутствуют затраты на устройство, функционирование и последующее техническое обслуживание донного подогрева, исключается вторая отстойная цистерна, причём, без ущерба для качества топливоподготовки, а сам её процесс активизируется, в том числе за счёт применения топливоперекачивающего насоса с крекинг-эффектом Последний позволяет минимизировать потери тяжёлых углеводородов с отстоем и фугатами при сепарации, если она выбрана как основное средство удаления балласта из ВТ.

 
2.3 Конечный участок судовой топливной системы.

Принципиальная схема основы этого участка комбинированной двутопливной двухконтурной системы дизельной энергоустановки представлена на рисунке 2.

 


Рисунок 2 – Принципиальная схема комбинированной двухтопливной двухконтурной системы 
Узел – трубопроводы с запорной и регулирующей арматурой, навешенные на двигатель: 1.1 и 1.2 – коллекторы линии охлаждения форсунок; 1.3 – коллекторы насосов высокого давления; 1.4 – байпасный трубопровод ВТ; 1.5 – патрубки подачи МВТ и ВТ; 1.6 – патрубки отвода избытков МВТ и ВТ с регулируемым дросселем; 1.7 – отвод МВТ из линии охлаждения форсунок с регулируемым дросселем. Узел – модуль конечной подготовки и подачи топлив (МВТ и ВТ) к двигателю (двигателям): 2.1 – циркуляционно-подкачивающий насос МВТ с частотно-управляемым электроприводом; 2.2 – охладитель-подогреватель МВТ; 2.3 – фильтр тонкой очистки МВТ; 2.4 – фильтр грубой очистки на приёме МВТ; 2.5 – блок измерения прямого и циркуляционного расходов МВТ; 2.6 – перемычка между контурами; 2.7 – циркуляционно-подкачивающий насос ВТ с частотно-управляемым электроприводом; 2.8 –подогреватель ВТ; 2.9 – самоочищающейся фильтр тонкой очистки ВТ; 2.10 – фильтр грубой очистки ВТ; 2.11 – блок измерения прямого и циркуляционного расходов ВТ. Узел – закрытые деаэраторы МВТ– 3.1 и ВТ – 3.2; 3.3 и 3.4 – клапаны, поддерживающие постоянство давления МВТ и ВТ «до себя». Узел – расходные цистерны МВТ – 4.1 и ВТ– 4.2; 4.3 и 4.4 – потоко-распределительные устройства МВТ и ВТ. Узел – вариант устройства аварийного питания двигателя (-ей) речного судна при обесточивании энергетической установки: 5.1 – пневмогидроаккумулятор с аварийным запасом МВТ; 5.2 – дистанционный, автоматически управляемый напорно-разгрузочный клапан. 
I / II – подвод / отвод избытков топлив для случая многомашинной энергоустановки 
 

Система в общем случае состоит из двух закрытых автономных циркуляционных контуров с подогретыми ВТ и МВТ. К контурам по коллекторной схеме подключены  патрубки подачи ВТ-МВТ к насосам высокого давления одного или нескольких дизелей, работающих на ВТ одного вида, а также входы-выходы линий охлаждения форсунок МВТ.
Конструктивные и функциональные особенности комбинированной двухтопливной двухконтурной системы (КДТС) заключатся в следующем: 

1. Двигатель (двигатели) работают на топливе, адекватном фактической нагрузке двигателя, поскольку смена топлив происходит в минимальном объёме трубопроводов, навешенных на двигатель, то есть менее чем за 10-15 с, а заданная разница температур подогрева обоих видов топлив: (обычно ΔТ≤40-70 °С)  обуславливает безотказный быстротекущий переходный процесс смены топлив. Последнее особенно важно в многомашинных дизель-электрических установках с нестабильными, парциальными режимами нагружения двигателей. 

2. Исключено поступление ВТ в контур МВТ за счёт раздельного программируемого управления положениями клапанов подвода и отвода избытков обоих видов топлив. 

3. Параллельное, а не последовательное подключение коллектора насосов высокого давления и линии охлаждения форсунок, согласно рисунку 2, исключает влияние всасывающего эффекта насосов высокого давления на заданный проектом режим охлаждения форсунок и поэтому является предпочтительным. 

4. Минимизирована, практически независимо от количества подключённых двигателей, комплектация КДТС насосным и теплообменным оборудованием. За счёт оптимальной компоновки, в том числе блочного фрагментирования этого оборудования, удаётся сформировать наиболее рациональный интерьер МКО. без демонтажа перегородки и переноса штатного оборудования на новые места.

5. В автономных контурах могут быть достигнуты оптимальные, с позиций рабочего процесса и КПД двигателя, параметры подвода к насосам высокого давления каждого вида топлив (вязкость, давление подкачки и кратность циркуляции). Решению этой задачи способствует установка расходомеров (F), контролирующих с переключением прямые и циркуляционные расходы топлив. 

6. Постоянство параметров топлив в циркуляционных контурах КДТС, обуславливает простоту подключения к рассматриваемой системе, например, вспомогательных двигателей и котлов, использующих компаундированные топлива, получаемые смешением ВТ и МВТ непосредственно перед этими топливопотребителями. 

7. Использование топливоподкачивающих насосов с крекинг - эффектом улучшает горючие свойства ВТ. Тем самым снижаются удельные расходы топлива, значения Wmin и требования к интенсивности охлаждения форсунок. 

Опыт показывает, что в ряде случаев охлаждение форсунок водой введено не обоснованно и может быть заменено охлаждением топливом. Во всяком случае, если стремится к разумному упрощению комплектации энергоустановки оборудованием, то факторы, влияющие на выбор среды охлаждения форсунок,  возможности улучшения качества ВТ и рабочего процесса двигателя, за счёт топливоподготовки должны быть внимательно проанализированы. 

 
КДТС может быть преобразована в двутопливную двухконтурную систему (ДТС), если двигатели, например, не имеют принудительно охлаждаемых форсунок или это охлаждение всё-таки осуществляется не топливом, а другими видами сред. 

 
КДТС (ДТС) имеет ряд функциональных особенностей, которые следует принимать во внимание проектировщикам и работникам флота: 

 
(1) Работа двигателя на подогретом МВТ в диапазоне маневровых нагрузок Wmin ≤ 0,4 Wном обычно позволяет заметно (на 2-4%) снижать удельные расходы этого топлива за счёт улучшения качества смесеобразования. Важно, чтобы этот эффект проявлялся у двигателей с высокими давлениями непосредственного впрыска топлива, когда повышенная сжимаемость подогретого топлива в трубопроводах  высокого давления может негативно сказываться на фазы топливоподачи.

"Полновесному" и идентичному наполнению насосов высокого давления однородной средой, - подогретыми МВТ и ВТ  с весьма различными реологическими свойствами - способствует модернизация топливных трубопроводов (см. следующий  IV раздел сайта) 

 
(2) Необходимо знать минимально допускаемое рабочее значение вязкости подогретого МВТ, обеспечивающее смазывающий эффект прецизионных пар топливной аппаратуры.

 
(3) Объединение в КДТС трубопроводов подачи МВТ с линией охлаждения форсунок этим топливом обуславливает выход в коллекторы охлаждения форсунок волнового процесса, инициируемого в линии питания отсечками топливных насосов высокого давления. Здесь, в принципе, нет ничего необычного, так как хорошо известны многочисленные примеры из практики дизелестроения, когда эти трубопроводы объединялись в рамках одной топливной системы (MAN, SKL, "Русский дизель" и др).  Если не принимать мер к блокированию волнового процесса в линии питания насосов высокого давления, то надёжности разъёмных соединений коллектора охлаждения форсунок следует уделить дополнительное внимание.
.

 
Методы блокирования и модификации волновых процессов рассмотрены далее в разделе IV сайта.

2.4 О маслоподготовке 

Работа двигателя на сернистом ВТ, как известно, ускоряет «старение» моторного масла по показателям, характеризующим накопление в нём механических примесей и ухудшение моющих свойств масла. Кроме того, при снижении качества распыливания и сгорания топлива создаются условия для попадания топлива в масло и снижения смазочных свойств последнего, а при дефектах теплообменников–охладиителей неизбежно обводнение и эмульгирование масел. 

 
В основе эффективной маслоподготовки совершенствования маслоподготовки лежат известные мероприятия, позволяющие полностью компенсировать факторы, приводящие к преждевременной смене масел, то есть: 

1) использование масел, адекватных используемому топливу;
2) оптимальная  организация долива для восполнения угара масла;
3) наличие и эффективное функционирование традиционных средств регенерации: фильтров и сепараторов.;
4) байпасное диспергирование масла с использованием напора циркуляционных масляных насосов.

 
Однако, перечисленных мероприятий иногда  оказывается недостаточно, так как бывает необходимо повысить  щелочное число, исключить появление кислот, удалить топливо и эмульгированную воду, причём без потери присадок при центрифугировании. Эти задачи, включая повышение диспергирующей способности масла,  решает дисперсионная и вакуум-термическая обработка масла в струйно-вакуумной аппаратуре в сочетании с добавлением различного рода присадок и тонкой объёмной и/или щелевой фильтрацией. Таким образом, принципиально один и тот же вид струйно-вакуумной аппаратуры  может быть использован для топливо - и маслоподготовки. (см. раздел I сайта) 

2.5 Принцип объединения в едином блоке всех компонентов схемы управления судовой топливной системой

Обычно практикуется установка индивидуальных блоков управления для каждого участка судовой топливной системы, поскольку при модернизации часто используются, как указывалось, готовые топливные модули. Характерным примером являются типовые модули топливоподготовки, поставляемые зарубежными производителями, с индивидуальной схемой управления каждым модулем. Это увеличивает и удорожает, в целом, общую схему управления топливной системой объекта.

 
Нам представляется более оправданным комплектовать модернизируемую топливную систему отдельными сборочными единицами, устанавливаемыми на свободных местах машинных отделений, с выделением блока управления в отдельный вид комплектации всех участков топливной системы. 

 
Для того, чтобы персоналу эффективно управлять процессом топливоиспользования, например, на судне, желательно  знать значения входящих параметров ВТ, то есть стандартную вязкость и содержание воды, а так же характер изменения значений этих параметров в процессе движения топлива по системе в направлении к энергетическому оборудованию. В таком случае, недорогие датчики, связанные с единым контроллером топливной системы, устанавливаются: 

• вязкости – на приёмном трубопроводе, выходе из смесителя топлив (если он предусмотрен), на линиях подачи ВТ в двигатели, котлы;
• содержания воды – на приёмном трубопроводе, после отстоя и сепарации, на входе в двигатели.
Это, разумеется, не исключает принцип модулирования самой топливной системы, но делает его, на нашем примере, более гибким и независимым от различных брендов.

Примеры реализации рекомендуемых технических решений

На сегодня КДТС опробована или может быть установлена на следующих двигателях:

SKL-NVD 36 и 48; NDV48AU и 2AU; VDS26/20; VDS 48/42; Sulzer: TD48 и ВАH22; завод «Двигатель Революции»: 6ЧН36/45; DMR: 8ZD72/48; MAK: М452; М601АК; Skoda 6L525 и др.
Вариант комбинированной двухтопливной двухконтурной системы, представленный на рисунке 2, в настоящее время адаптируется к отечественным двигателям 6ЧН36/45 их заводом-изготовителем ().

3.2 Примеры реализации двухтопливных систем на судах звезда» ( г. г.)

	Фото 1 Монтаж на судовом трубопроводе приема-выдачи топлива автоматического дозатора присадок, корректирующих качество принимаемого топлива. Устройство особенно важно при отсутствии возможности выбора топлив, доставляемых, например, в отдаленные районы морских промыслов.
	Фото 2 Размещённый на подволоке машинного отделения подогреватель ВТ для горячеструйного разогрева топлива в танках основного запаса в сочетании с установкой одного топливоперекачивающего насоса, способного перекачивать топливо с вязкостью до сСт. Этот технологический тандем исключил устройство стационарного подогрева ВТ в танках основного запаса топлива траулера проекта 333, работающего за полярным кругом.
	Фото 3 Монтаж плавучего приемника топлива в одинарной отстойной цистерне крупнотоннажного траулера проекта 1288 постройки 80-х годов. Приёмник снизил функциональную нагрузку штатных сепараторов ВТ и позволил отказаться от их замены новыми моделями. Отстой топлива после дисперсионной обработки без остатка утилизируется в штатном паровом котле судна.
	Фото 4 Блок оборудования конечной подготовки и подачи ВТ к главным, вспомогательным двигателям и паровому котлу траулера проекта 333, изготовленный силами судовладельца из отдельных узлов, поставленных фирмой «Альфа-Лаваль». Блок размещён на свободных площадях машинного отделения и не включает отдельно установленные закрытые деаэраторы МВТ и ВТ, так же изготовленные силами судовладельца из-за отказа в их отдельной поставке той же фирмой; резервный электроподогреватель, насосы и др. В результате всё необходимое оборудование удалось разместить на судне без переделки интерьера машинного отделения.
	Фото 5 Монтаж линии охлаждения форсунок двигателя SKL VD 26/20 маловязким топливом в составе КДТЕ на траулере проекта 333. Линия подключена к автономному контуру МВТ комбинированной двухтопливной двухконтурной системы. Линия изготовлена судовладельцем из-за отказа фирмы SKL (ФРГ) поставлять оригинальные изделия по доступным ценам, предназначенные, к тому же, для охлаждения форсунок маслом от громоздкой автономной системы.
	Фото 6 Рассредоточенная установка на свободных площадях машинного отделения траулера проекта 488 оборудования топливоподготовки (в том числе показанных на фото парового и электрического подогревателей ВТ) позволила избежать практиковавшегося некоторыми судовладельцами демонтажа помещения судовой лаборатории нефтепродуктов-воды. Но роль последней возрастала после перевода главной энергетической установки траулера и парового котла с IFO30 на IFO180, а вспомогательных двигателей с МВТ на IFO30.
	Фото 7 Автоматизированный узел смешивания вязкого IFO180 и маловязкого топлив непосредственно перед вспомогательными двигателями VD26/20, изготовлен судовладельцем и встроен в двухтопливную двухконтурную систему дизельной энергетической установки крупнотоннажного траулера проекта 488. Узел размещен на свободной площади борта машинного отделения; доступен для настройки и контроля с платформы дизельгенераторов и обеспечивает хорошее качество компаундированного топлива IFO30.
	Фото 8 Размещение моторных кранов быстрого переключения вязкого и маловязкого видов топлива непосредственно на линии подачи топлив в двигатель, в составе комбинированной двухтопливной двухконтурной системы, общей для главного и вспомогательных двигателей супертраулера типа "Прометей".
	Фото 9 Новый щит автоматического управления штатным топливным сепаратором, достроенный отдельным блоком контроля содержания воды после сепаратора. Оптимизация таким образом работы сепаратора в режиме пурификации в сочетании с использованием плавучего приёмника (фото 3) исключила замену имеющихся штатных исправных сепараторов постройки 80-х годов на инновационные дорогие модели.
	Фото 10 Пульт управления всеми участками модернизированной топливной системой траулера, встроенный в штатную панель ЦПУ.

Заключение

4.1 Реализация содержащихся здесь предложений позволяет при минимуме модернизационных затрат довести потребление на рассмотренных судах ВТ вместо МВТ до 80-90% от общего расхода ТЭР, поскольку разработанные нами технические решения удовлетворяют главному критерию успешной модернизации – минимальной сумме модернизационных расходов и последующих эксплуатационных затрат. Таким образом, решается проблематика (1), (2), (3), отмеченная в части 1 данного раздела сайта.

4.2 Модернизация судовых и стационарных дизельных энергетических установок на базе рассмотренных и апробированных нами технических решений мотивирует продолжение эксплуатации технически исправных судов постройки 70-90-х годов за счёт более эффективного использования топливно-энергетических и материальных ресурсов.

Для предприятий малого и среднего бизнеса реализация наших предложений означает возможность накопления оборотных средств для инновационного обновления основных фондов судового состава.

4.3 Задачи энергосбережения на флоте следует, по нашему мнению, решать комплексно и в контексте ресурсосбережения в целом. Попытка иллюстрации именно такого, ресурсосберегающего подхода предпринята в данном и следующем IV разделе сайта.

4.4 Рассмотренные выше технологии топливомаслоподготовки и основанные на них технические решения могут быть использованы и на строящихся объектах.