ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ НА СУДАХ В ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ И ПРИРОДООХРАННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
Б.В. Завгородний, директор ЦЭТ "Гидротопливо" (Одесса)

Постоянно возрастающая стоимость углеводородных топлив, принятые международными организациями и правительствами стран решения об охране экологической среды, требуют от изготовителей судовых энергетических установок и судовладельцев разрабатывать и применять технические решения для повышения эффективности сжигания топлива и сокращения эмиссии продуктов сгорания в окружающую среду.

За более чем 100 лет развития дизелестроения успех в совершенствовании двигателей оценивался по результатам эффективности использования топлива, повышения пропульсивной мощности, надежности работы. Повышение экономической эффективности двигателей достигалось, в основном, за счет интенсификации параметров рабочего процесса, конструктивных и технологических решений, позволявших сжигать более дешевое топливо, получаемое из остаточных фракций нефтепереработки. Увеличивая агрегатную мощность, повышая эффективность рабочего процесса, двигателестроители всегда стремились к ограничению роста весовых и габаритных характеристик двигателей, что приводило к необходимости подачи в ограниченный объем камеры сгорания все большего количество топлива, повышения параметров воздушного заряда, увеличения давления сгорания. Однако при этом увеличивались температура сгорания и, соответственно, эмиссия окислов азота NОх. Для снижения содержания в уходящих газах окислов углерода СО, углеводородов НС, сажи С, наоборот необходимо повысить температуру сгорания. Cодержание окислов серы SO2 в уходящих газах зависит от содержания серы в топливе, удаляемой из объема топлива на нефтеперерабатывающих предприятиях в технологическом процессе гидроочистки.

Проблема снижения эмиссии вредных примесей в уходящих газах приобрела особую актуальность с принятием Международной Морской Организацией /IMO/ в 1997 г. приложения VI к MARPOL 73/78, согласно которому выброс вредных веществ с уходящими газами после 2000 г. должен быть резко сокращен. Ведущие мировые дизелестроительные компании в конкурентной борьбе, на основании интенсивно проводимых исследований, опытных разработок, создали новые поколения двигателей с эмиссией вредных примесей, соответствующих требованиям IMO. Принципы повышения экономической эффективности и надежности работы дизелей при решении данных проблем оставались неизменными. Однако такая концепция противоречила достижению высоких показателей в снижении уровня эмиссии вредных примесей в уходящих газах, но комплексный и часто компромиссный подход к решению поставленной задачи позволил существенно улучшить экономические и экологические характекристики.

Дизелестроительные заводы для оптимизации процесса горения и сокращения эмиссии вредных веществ, применяя конструктивные решения, увеличили длительность процесса сгорания и газообмена, повысили давление топлива перед соплами форсунок, увеличили подачу воздуха в камеру сгорания и давление наддува. Это позволило улучшить смесеобразование, уменьшить время задержки воспламенения, температуру сгорания. С повышением эффективности рабочего процесса дизелей расход топлива и соответственно эмиссия вредных веществ с уходящими газами сокращались.

Однако путь дальнейшего совершенствование дизелей через повышение параметров рабочего процесса становится все более сложным и дорогостоящим, требует применения неординарных решений.

В настоящее время разрабатываются, и все более эффективно применяются технологии, позволяющие воздействовать на физико-химические свойства топлив. Для этого в топливо вводятся присадки, интенсифицирующие процесс сгорания и уменьшающие эмиссию вредных веществ в окружающую среду, осуществляется перевод двигателей на водотопливную эмульсию, перед подачей в двигатель топливо гомогенизируется, обрабатывается высокочастотными ультразвуковыми колебаниями, сопровождаемыми кавитационными явлениями.
Интенсивные исследования в данном направлении повышения эффективности использования топлива в судовых дизелях на протяжении многих лет велись многими научными коллективами, ведущими научно-исследовательскими институтами в СССР.

Наиболее эффективно результаты данных разработок начали применяться на судах в середине 80-х годов.

Например, в 1984-1985 гг. была разработана и применена на транспортном рефрижераторе "Пролив Надежды" установка УКДГ-85 для приготовления водотопливной эмульсии (ВТЭ) в топливной системе главного двигателя типа 6ДКРН 74/160-3, мощностью 10 600 э.л.с. Приготавливаемая на базе высоковязкого топлива гомогенизированная ВТЭ, при оптимальном водосодержании 17-20%, обеспечивала снижение расхода топлива в главном двигателе на 12%, температуры выпускных газов - на 8-100С. Таким образом, без применения сложных, дорогостоящих конструктивных и технологических решений экономичность двигателя практически повышалась до уровня показателей двигателей нового поколения, но при этом также снижалась и теплонапряженность деталей цилиндро-поршневой группы.

В последующие годы установка УКДГ-85, а затем более совершенная УКДГ-89 были применены для обеспечения работы на ВТЭ главных двигателей 8ДКРН 74/160-3, мощностью 13 600 э.л.с., фирмы "Зульцер" 5RD68, мощностью 6 000 э.л.с., фирмы "Пилстик" 6РС2L, мощностью 3 500 э.л.с., завода DMR, двигатель 8ZD74/48, мощностью 3 900 э.л.с. и других двигателях. На всех перечисленных типах двигателей расход топлива снижался не менее, чем на 12%. Кроме снижения расхода топлива перевод работы двигателей на ВТЭ сопровождался положительным воздействием на состояние основных деталей и узлов дизелей, снижением содержания вредных примесей в уходящих газах.

Установки снабжены комплектом гидродинамических устройств, в которых последовательно осуществляется многоступенчатое диспергирование, гомогенизация смешиваемых жидкостей на уровне высокочастотных ультразвуковых колебаний, сопровождаемых интенсивными кавитационными явлениями. Такой способ обработки жидкостей обеспечивает приготовление ВТЭ с размерным рядом частиц водной фазы 1-5 мкм, с дисперсностью частиц топливной среды 3-5 мкм. Содержание вредных примесей в уходящих газах при работе на ВТЭ значительно снижается.
Оборудование установлено на 50 судах рыбопромыслового, морского флота, в том числе 9 комплектов оборудования работали на судах Черноморского Морского Пароходства. За рубежом применение эмульгированного топлива в дизелях интенсифицировалось ведущими дизелестроительными фирмами в период подготовки IMO положения об ограничении вредных примесей в уходящих газах судовых силовых установок.

В настоящее время возможность сокращения эмиссии вредных примесей с уходящими газами за счет совершенствования характеристик рабочего процесса дизелей практически, исчерпана. Кардинальная очистка газов от NОx на 90% с помощью устанавливаемых в выпускном трубопроводе дизелей каталитических регенераторов в основном применяется на новостроящихся судах, затраты на один кВт мощности при этом составляют 40-70 долл. США, т.е. дополнительные расходы на одно судно с мощностью двигателя 10 000 кВт составляют 400-700 тыс. долл. США.
Ориентировочно такие же затраты необходимы и для изготовления применяемой фирмой "Пилстик" на двигателе РС2.6 установки, подающей в цилиндры двигателя влажный пар.
Снижение в выпускных газах NОx при этом достигает 70%.

Финской фирмой "Вяртсиля" работы по контролю эмиссии газов активно ведутся с 1990 г. Для снижения NОx в составе выпускных газов фирмой применялась технология непосредственной подачи воды в цилиндры двигателя через дополнительную форсунку в количестве 60% от подачи топлива, снижение NОx достигало 50%. Снижение же эффективности использования топлива, несмотря на большое количество впрыскиваемой воды, было незначительным. Вода к дополнительной форсунке подавалось электронасосным агрегатом с давлением 200-400 бар. В настоящее время фирма "Вяртсиля" совместно с международной корпорацией А-55, находящейся в США, начинает применять в дизелях эмульгированное топливо, приготавливаемое на базе высоковязкого мазута, содержащее до 30% водной фазы и 0,5% специальной присадки, используемой для интенсификации горения и повышения стабильности эмульсии. Таким образом, фирма "Вяртсиля", после длительных испытаний системы с непосредственной подачей воды в камеру сгорания, начинает применять ВТЭ, приготавливаемую по классической схеме массообмена смешиваемых компонентов в гидродинамических устройствах.

Корпорация MAN B&W в установленных на круизных судах среднеоборотных двигателях нового поколения 48/60IS и 58/60IS использует водотопливную эмульсию с 15%-ным водосодержанием, приготавливаемую на базе высоковязкого топлива также гидродинамическими ультразвуковыми устройствами. Содержание NОx в уходящих газах дизелей снизилось до 6,7 г/kWh, т.е. по сравнению с нормативами IMO снижено практически в два раза. Решение о применении эмульгированного топлива на пассажирских судах свидетельствует о высокой надежности работы двигателей на ВТЭ. Всего корпорация MAN B&W применила ВТЭ более, чем на 200 дизелях.

Норвежским правительством принята программа по снижению эмиссии вредных примесей судовых дизелей. Для решения данной проблемы применяются, в основном, каталитические регенераторы, ВТЭ и установки, подающие влажный пар в камеру сгорания. Например, на ВТЭ работают дизели фирмы "Зульцер" типа RTA84M и др. типы двигателей.

Корпорация Thames Petroleum установила гомогенизаторы для приготовления ВТЭ на сухогрузе Canelo Arrow, дедвейтом 32 520 т, а затем еще на 100 судах. Гомогенизаторы, установленные компанией в системе подвода топлива из отстойного танка к сепаратору, позволили снизить выделение шлама на 85%, кроме этого, для обеспечения работы двигателей на ВТЭ, гомогенизаторы устанавливаются в системе топливоподачи.

Приведенные примеры свидетельствуют о широком применении ВТЭ на судах зарубежных компаний как в целях снижения эмиссии вредных примесей в уходящих газах, так и для повышения эффективности использования топлива.

Наконец получен ответ на вопрос, который часто задавался в начале 90-х годов техническими руководителями предприятий флота разработчикам отечественных систем гидродинамической обработки топлива и приготовления ВТЭ, не веривших в возможность получения высоких технико-экономических результатов на основе только того, что подобное оборудование в то время еще не находило широкого распространения на зарубежных судах. Ответ получен, теперь аналогичное оборудование применяется, и весьма интенсивно. В результате проведенных исследований и полученного опыта использования гомогенизированной ВТЭ в топливных системах энергетических установок была установлена зависимость получаемого технико-экономического эффекта не только от степени дисперсности и содержания водной фазы в ВТЭ, но также и от степени воздействия на физико-химическую структуру топлива и способа применения эмульсии в топливной системе дизельных двигателей и паровых котлоагрегатов.

В настоящее время качество приготовленной ВТЭ определяется на основании макропоказателей физико-химических свойств смешиваемых компонентов и степенью дисперсности их частиц. Существенное влияние на повышение эффективности рабочего процесса оказывает также и молекулярный состав топливной среды, изменяющийся под воздействием кавитационных явлений. Поэтому для получения более полных характеристик качества ВТЭ необходимо определять и молекулярный состав топливной среды конечного продукта.

2. Обработка смешиваемых жидкостей в гидродинамических устройствах
Гидродинамические устройства, устанавливаемые в топливных системах судовых дизелей, котлоагрегатов, действуют на основе энергии потока взаимодействующих жидкостей. Параметры состояния потоков жидкостей в гидродинамических устройствах трансформируются. В областях потока, где скорость изменения параметров превышает скорость релаксации жидкости, генерируются высокочастотные ультразвуковые колебания, возникают кавитационные явления, воздействующие на физико-химическую структуру топливной среды. Степень воздействия на качественные показатели топлива, в основном, зависит от: плотности энергии несущего потока в областях массообмена; температуры, вязкости, обрабатываемой среды; длительности массообменных процессов; пути и скорости трансформации потока в рабочих органах устройств; площади контакта потока с твердыми поверхностями; насыщения потока парогазовыми пузырьками и от других факторов. Структурный состав топлива в потоке с высокой плотностью энергии изменяется под воздействием массообменных процессов между слоями жидкости, вызванных критическим перепадом градиента скорости, а также ультразвуковых колебаний, сопровождаемых кавитационными явлениями. Гидродинамические устройства, применяемые для обработки топлива, приготовления водотопливной эмульсии, суспензий не трудоемкие в изготовлении, работают без отказов, технологические процессы по обработке жидкостей легко автоматизируются. Подача топлива для обработки осуществляется штатными топливоподающими насосами дизельных двигателей, котлоагрегатов или автономными насосами установки для обработки топлива.

Технологическая линия по обработке топлива для приготовления высокодисперсной водотопливной эмульсии установки УКДГ-89 содержит кавитационный смеситель, гомогенизатор-смеситель вихревой. Такая схема последовательного размещения в топливной системе гидродинамических устройств, вследствие распределения энергии рабочего потока по областям массообмена, позволяет увеличить путь, время, интенсифицировать обработку жидкостей.

Устройства содержат регулирующие органы для согласования гидродинамических характеристик устройств с характеристиками топливной системы. Это дает возможность обеспечить эффективную работу устройств в системах с производительностью топливоподающих насосов от 1 м/ч до 8 м/ч без изменения основных геометрических размеров рабочих органов гидродинамических устройств.

Режим кавитационной обработки топлива на уровне процессов "микрокрекинга", "гидроочистки", приготовления высокодисперсной водотопливной эмульсии с размерным рядом частиц водной фазы 1-5 мкм обеспечивается подводом энергии от потока топлива штатных топливоподающих насосов дизелей. Частицы карбенов, карбоидов, асфальтенов, сгустков смол на выходе из гомогенизатора также не превышают размерного ряда 3-5 мкм.

Изменения в молекулярном составе топлива, вызванные кавитационно-ультразвуковой обработкой, подтверждены исследованиями проведенными в Одесской Государственной Морской Академии. После обработки в гомогенизаторе пробы топлива исследовались методом жидкостной рефрактометрии. Проведенные замеры на рефрактометре ИРФ-22 подтвердили изменение физико-химических свойств топлива, полученные данные свидетельствовали о полном разрыве длинных молекулярных цепей, об уменьшении молекулярного веса и радиуса молекул. Использование топлива после кавитационно-ультразвуковой обработки позволило повысить экономичность работы судовых главных дизелей 5RD68 и 6ЧН 40/46 на 3-4%. С переводом рабочего процесса дизелей на водотопливную эмульсию, приготавливаемую в установке УКДГ-89 на базе высоковязких топлив, экономичность работы повышалась на 12%, расход топлива в котлоагрегах снижался на 6-8%. Годовой экономический эффект от снижения расхода топлива в главном судовом двигателе, мощностью 8 000 кВт достигает 120 тыс. долл. США. Сжигание эмульгированного топлива оказывает положительное воздействие на техническое состояние энергетических установок, экологические характеристики уходящих газов. Исследования, испытания работы гидродинамических устройств в топливных системах по распоряжению отраслевых министерств, проведены с участием ведущих научно-исследовательских институтов, проектно-конструкторских организаций, теплотехнических подразделений многих предприятий. Результаты проведенных исследований, испытаний отображены в отчетах, опубликованы в технических периодических изданиях.

3. Применение гидродинамических устройств в топливной системе дизелей
Комплект гидродинамических устройств для многоступенчатого приготовления водотопливной эмульсии /ВТЭ/, кавитационно-ультразвуковой обработки топлива содержит:

• - кавитационный смеситель, который устанавливается на всасывающей стороне насоса и является первой ступенью обработки топлива, приготовления ВТЭ;
• - гомогенизатор-смеситель вихревой, являющиеся второй ступенью приготовления ВТЭ, кавитационно-ультразвуковой обработки топлива, устанавливается на нагнетательной стороне насоса;

Вода от судовой системы подводится к кавитационному смесителю, где диспергируется до размерного ряда частиц 1-20 мкм. Предварительно приготовленная ВТЭ насосом направляется в гомогенизатор-смеситель вихревой, в котором водная фаза ВТЭ измельчается до размерного ряда частиц 1-5 мкм, а топливо в результате кавитационно-ультразвуковой обработки гомогенизируется с измельчением карбенов, карбоидов, асфальтенов до размерного ряда 3-5 мкм.
Гидродинамическая обработка топлива, приготовление ВТЭ непосредственно перед сжиганием в цилиндрах двигателей, в топках котлоагрегатов радикально воздействует на моторные свойства топлива и является одним из наиболее существенных звеньев в технологической цепи топливоподготовки. Необходимость применения гидродинимических устройств в системе топливоподготовки обусловлено свойствами применяемых высоковязких топлив. Применяемые в настоящее время в судовых двигателях высоковязкие топлива имеют повышенную вязкость, плотность, насыщены большим количеством тяжелых фракций, содержат значительное количество серы, золы, воды, механических примесей.

В портах захода суда снабжаются топливом, приготавливаемым часто непосредственно в процессе бункеровки, путем смешивания дистиллятных маловязких и остаточных топлив, содержащих продукты вторичной переработки нефти. Стабильность таких смесей не гарантируется, чрезмерное содержание в остаточных топливах асфальтенов вызывает расслоение смеси топлив. Измельчение асфальтенов в процессе кавитационной обработки в гомогенизаторах увеличивает поверхность их контакта с адсорбируемыми структурами, что способствует равномерному распределению асфальтенов в объеме топливной среды, предотвращает образование осадка, улучшает фильтруемость топлива.

Повышенная плотность высоковязких топлив осложняет удаление водной фазы в процессе отстаивания и сепарации, особенно после прохождения через рабочие органы топливоперекачивающих насосов, насосов сепараторов, где водная фаза эмульгируется до крупнодисперсного состояния. Не удаленная сепараторами водная фаза в крупнодисперсном состоянии поступает в расходные цистерны, в которых после процесса коагуляции осаждается в придонных слоях, и, поступая в топливную систему дизелей, нарушает работу прецизионных пар топливной аппаратуры. Гидродинамические устройства, устанавливаемые в топливной системе перед фильтрами тонкой очистки, измельчают водную фазу до размерного ряда частиц 1-5 мкм, которые удерживают на своей поверхности наиболее плотные фракции топливной среды и свободно проходят через фильтрующие элементы и прецизионные пары топливной аппаратуры, не вызывая нарушений в их работе.

Необходимость включения в систему топливоподготовки гидродинамических устройств, позволяющих произвести обработку топлива, приготовление ВТЭ на уровне процессов ультразвуковой кавитации, обосновано проведенными исследованиями, результатами длительной эксплуатации дизелей на ВТЭ. Устройства, входящие в состав установки УКДГ-89, применяются в составе топливных систем судовых дизелей и котлоагрегатов с 1985 г. Многие из судов, снабженных оборудованием для приготовления ВТЭ, в период эксплуатации находились под наблюдением сотрудников научно-исследовательских институтов, бассейновых ЦПКБ, технических подразделений судовладельцев. Сбор данных о технико-экономической эффективности, о воздействии ВТЭ, гидродинамической кавитационно-ультразвуковой обработки топлива на показатели рабочего процесса дизелей, об износах цилиндро-поршневой группы дизелей, топливной аппаратуры, элементов газовыпускного тракта, позволил провести системный анализ, сделать положительные выводы о перспективах дальнейшего применения гидродинамического оборудования в судовых энергетических установках.

Воздействие ВТЭ и кавитационно-ультразвуковой обработки топлива на процесс сгорания топлива в энергетических установках.

Применение эмульгированного топлива качественно изменяет процессы смесеобразования и горения в цилиндрах дизелей. Эффективность процесса горения находится в прямой зависимости от степени измельчения и скорости движения частиц топлива в камере сгорания в период формирования предпламенного процесса. Впрыскиваемая через отверстие сопла форсунки струя топлива, встречая сопротивление воздушного заряда, распадается на капли. Степень измельчения топлива в камере сгорания зависит от параметров взаимодействующих систем воздушного заряда и топлива.

Наиболее активно струя топлива распадается на капли в периферийной и фронтальной области. Центральная же зона струи, в которой сосредоточено до 80% топлива, внешними слоями изолируется от контакта с воздушным зарядом, вследствие этого ее прогрев и окисление замедляется. Наиболее интенсивное испарение и смесеобразование происходит в непосредственной близости от сопловых отверстий форсунки, в этой зоне струи, частицы топлива имеют высокую дисперсность, быстро прогреваются, окисляются, поэтому в данной зоне начинается горение. Средний же размер частиц высоковязкого топлива в камере сгорания находится в пределах размерного ряда 40-80 мкм. Крупные частицы медленнее прогреваются, испаряются, имеют меньшую поверхность контакта с кислородом воздушного заряда, их сгорание замедляется, переходит на линию расширения, что снижает эффективность использования топлива.

Динамика предпламенных процессов и процесс горения эмульгированного топлива качественно отличается. Высокодисперсные частицы водной фазы, содержащиеся в объеме частиц топлива, прогреваясь, преобразуются в паровые пузырьки, которые с высокой скоростью прорывают оболочку топливной частицы. При этом от объема топливной частицы в окружающее пространство выбрасывается мельчайшая частица топлива, ориентировочно равная объему парового пузырька. В объеме топливной частицы диаметром 40 мкм при водосодержании ВТЭ 15% содержатся 80 частиц водной фазы с размерным рядом частиц 5 мкм. Следовательно, частицы топлива диаметром 40 мкм последовательно распадаются на 80 частиц, с преобладающим размером 5 мкм, которые затем в результате "микровзрыва" распределятся в виде мельчайших частиц топлива в объеме камеры сгорания. Такие частицы быстрее прогреваются, испаряются, сгорают. Но объяснить получение всего комплекса качественных изменений в теплотехнических характеристиках рабочего процесса, в составе уходящих газов только улучшением процесса смесеобразования при использовании ВТЭ не представляется возможным.

Проведенными исследованиями и экспериментами в процессе сгорания ВТЭ выявлены также и закономерности химической кинетики взаимодействия углеводородов и их радикалов с молекулами и продуктами диссоциации водной фазы. При испарении и горении топлива, насыщенного частицами воды, молекулы углеводородов и их радикалы перемешиваются с парами воды. Распад молекул углеводородов при температуре 1 500оК осуществляется мгновенно, таким образом скорость сгорания топлива зависит от скорости его окисления.

Под действием высокой температуры возможна термическая диссоциация молекул водяного пара 2Н2О > 2Н2 + О2, а также их диссоциация на водород и гидроксил

2Н2О > Н2 + 2НО.

В начальный момент окисление углеводородов молекулами от диссоциации паров воды более возможно, чем от взаимодействия с кислородом воздуха. Образующийся избыток атомов водорода быстро диффундирует в область с избытком кислорода, где их реакция компенсирует затраты энергии на диссоциацию воды. Участие в реакции горения дополнительного количества водорода приводит к увеличению коэффициента молекулярного изменения смеси µ0, которым обозначается отношение количества продуктов сгорания µ2 к количеству горючей смеси до сгорания µ1.

µ0 = µ2 / µ1;

При сжигании водорода образуется водяной пар, объем которого в 2 раза больше объема кислорода, необходимого для сжигания водорода, следовательно, объем продуктов сгорания увеличивается на Н/4 кмоль.

Возрастание объема продуктов сгорания при сжигании топлива является положительным фактором, так как в результате расширения продуктов сгорания работа газов в цилиндрах дизеля возрастает. Предварительное окисление углеводородов резко интенсифицирует скорость и полноту сгорания топлива. Из общего количества атомов кислорода, поступивших с водной фазой ВТЭ, 60% используются в окислительном процессе топлива. При этом кислород, поступивший с ВТЭ, в предпламенном процессе окисляет топливо в областях камеры сгорания, недоступных для взаимодействия с кислородом воздушного заряда. Все это позволяет сделать заключение о том, что ВТЭ является особым видом топлива, качественно и количественно изменяющее процессы горения.

Изменения в процессе горения в цилиндрах двигателей прослеживаются на индикаторных диаграммах, так, при работе на ВТЭ, линия расширения продуктов сгорания отстоит от линии сжатия на большем расстоянии, давление газов на выходе из цилиндров увеличивается. Процесс горения завершается раньше на 30° п.к.в. Температура уходящих газов, по сравнению с работой на обезвоженном мазуте, снижается на 6-8oС. Соответственно, снижается и теплонапряженность деталей цилиндро-поршневой группы. Масляная пленка на зеркале цилиндра насыщается продуктами неполного сгорания топлива меньше, работает в более комфортном температурном режиме,что позволяет резко повысить надежность работы поршневых колец, снизить абразивный износ цилиндровых втулок. Во время испытаний работы дизеля 6ДКРН 74/160-3 на ВТЭ осуществлялся контроль за износами деталей цилиндро-поршневой группы. Установленная перед началом испытаний новая цилиндровая втулка после работы на ВТЭ в течение 2 500 часов сохранила на своей поверхности следы обработки от хонинговального камня. Нагар на головках поршней толщиной 2-3 мм с переводом работы на ВТЭ, вследствие газификации, разрыхлялся, а затем практически полностью через 200 часов удалялся с их поверхности. Поршневые кольца всегда оставались подвижными, их поверхность не имела рисок, лакообразований, следов пропуска газов.

Уплотняющая поверхность выпускных клапанов в связи с резким уменьшением в составе уходящих газов продуктов неполного сгорания топлива, снижением температуры уходящих газов не подвергалась интенсивному воздействию газовой коррозии, отложения нагара на тарелке, штоке клапана практически отсутствовали. Это позволило в два раза увеличить срок работы клапанов между очередными техуходами. Полное сгорание топлива и постоянная газификация поверхности газовыпускного тракта при использовании ВТЭ повысили надежность работы газовых турбин, их лопатки, проточная часть оставались чистыми. Впускные окна цилиндровых втулок также не имели существенных отложений нагара. Поверхности нагрева утилизационных котлов также быстро освобождались от нагара, что существенно повышало производительность их работы.

Все элементы топливной аппаратуры с переводом на ВТЭ работали надежно, прекратилось коксование на соплах форсунок, поверхности игл распылителей оставались чистыми, без отложения смол, сульфидов.

Состояние плунжерных пар топливных насосов высокого давления было аналогичным.
Изменения в процессе горения топлива визуально можно наблюдать при работе на ВТЭ котлоагрегатов. Факел горящего топлива сокращается в объеме на 1/3, становится прозрачным, компактным. Эмульсия сгорает в топках котлоагрегатов при минимальном избытке воздуха. Температура уходящих газов, по сравнению с горением обезвоженного мазута, уменьшается на 8-10%, таким образом, эффективность использования топлива и, соответственно, КПД. котлоагрегатов повышается. Проведенные инструментальные замеры уходящих газов показали значительное сокращение выбросов NOx на 30-37%, SO2 - на 50%, H2S и несгоревших углеводородов - в несколько раз. Также установлено, что ввод влаги в топочное пространство в составе эмульсии при последующей диссоциации молекул воды на ионы Н+ и ОН- значительно снижает концентрацию высокомолекулярного углеводорода С20Н12 (бензапирен), являющегося наиболее опасным канцерогенным веществом.

Следовательно, при использовании ВТЭ, кроме повышения эффективности использования топлива, решаются экологические проблемы.

Испытания работы дизельных двигателей и котлоагрегатов на ВТЭ, приготавливаемой в гиродинамических устройствах ЦЭТ "Гидротопливо", проводились с различным водосодержанием. В эксплуатационных условиях судовые главные двигатели для определения эффективности использования топлива, воздействия ВТЭ на основные узлы и детали испытывались с концентрацией водной фазы от 5% до 30%, на всех режимах топливная аппаратура работала надежно, без отказов. В соответствии с характеристиками высоковязкого топлива наибольшее снижение расхода топлива достигалось при концентрации водной фазы в диапазоне 17-25%. Наибольший расход водной фазы для приготовления ВТЭ с подводом энергии к гидродинамическим устройствам от штатных насосов топливной системы дизелей с производительностью 3,6-6 м3/ч достигал 500 л/ч.

Дисперсность 98% частиц водной фазы находилась в пределах размерного ряда 1-5%, максимальный размер частиц на выходе из гидродинамических устройств не превышал 20 мкм, дисперсность остаточных фракций топливной среды составляла 5 мкм.

Один комплект гидродинамических устройств данного типоразмера обеспечивал надежную работу главных двигателей мощностью до 10 000 кВт. На основе разработанных гидродинамических устройств изготавливаются в модульном исполнении установки комплексного диспергирования типа УКДГ-89, содержащие: электронасосный агрегат производительностью 6,3 м3/ч, клапанную арматуру, приборы контроля, средства автоматизации, сигнализации.

4. Об износах деталей цилиндро-поршневой группы дизелей, работающих на ВТЭ
Контроль за износом деталей цилиндро-поршневой группы осуществлялся во время проведения испытаний на ВТЭ судового главного двигателя 6 ДКРН 74/160-3. Перед началом испытаний с участием специалистов КО "Гипрорыбфлот" в процессе очередного технического ухода были произведены обмеры всех цилиндровых втулок дизеля, поршней, поршневых колец дизеля с составлением карты обмеров; произведена ревизия состояния топливной аппаратуры с заменой изношенных элементов; газовая турбина, выпускной коллектор были очищены от нагара. В процессе проведения испытаний периодически визуально осматривались поверхности цилиндровых втулок, поршней, производились замеры зазоров в канавках поршней. Регулировка главного двигателя осуществлялась на основании инструкции завода изготовителя.

Во время работы на ВТЭ, в отличие от работы на обезвоженном высоковязком топливе, зеркало цилиндровых втулок не имело лаковых отложений, следов прорыва газов, глубоких рисок, имело равномерный матовый блеск; поршневые кольца всегда оставались подвижными, не имели натиров, уплотняющая поверхность колец не имела рисок от абразивного износа, в канавках поршней нагар отсутствовал, головки поршней практически работали без нагара.

После работы на ВТЭ в течение 5 000 часов цилиндро-поршневая группа в процессе разборки двигателя была осмотрена, обмерена с участием представителей завода, КО "Гипрорыбфлот и судовых специалистов. В результате проведенных замеров было установлено, что скорость износа цилиндровых втулок составила 0,06 мм на 1 000 часов работы, скорость износа первого поршневого кольца по ширине составила 0,75 мм на 1 000 часов работы, по толщине - 0,05 мм на 1000 часов работы; скорость износа второго поршневого кольца по ширине также составила 0,75 мм на 1 000 часов работы, по толщине - 0,02 мм на 1 000 часов работы. Все кольца оставались легко подвижными. Средняя скорость изнашивания поршневых канавок составила: первое кольцо - 0,14 мм на 1 000 часов; второе кольцо - 0,06 мм на 1 000 часов; третье кольцо - 0,06 мм на 1 000 часов работы. Проведенные замеры позволяют сделать вывод о том, что скорость износа основных деталей цилиндро-поршневой группы при работе двигателя на ВТЭ не превышает скорость износа при работе на обезвоженном мазуте.

Осмотр газовыпускного тракта подтвердил резкое снижение нагарообразования при использовании ВТЭ, так в выпускных каналах, предохранительных решетках газотурбонагнетателя имелись только легко удаляемые, отложения рыхлого нагара толщиной 0,1-0,2 мм, лопатки газовой турбины оставались чистыми без следов нагара, выпускные клапаны не имели следов газовой коррозии на уплотняющих поясках, на тарелке клапана наблюдались лишь незначительной толщины сажистые отложения.

Прецизионные пары форсунок, топливных насосов имели чистую, блестящую поверхность без следов отложения смол, были легкоподвижными.

Основные выводы

1. Применение водотопливной эмульсии позволяет значительно повысить эффективность использования углеводородных топлив, уменьшить выброс вредных веществ в окружающую среду.

2. Гидродинамические устройства, используемые для гомогенизации высоковязкого топлива, приготовления водотопливной эмульсии в топливных системах судовых энергетических установок должны обладать способностью:

• - приготавливать ВТЭ с размерным рядом частиц водной фазы 1-5 мкм, измельчать частицы остаточных фракций топлива до 3-10 мкм;
• - обрабатывать топливную среду ВТЭ высокочастотными ультразвуковыми колебаниями, возбуждающими в объеме потока режим кавитационного течения с параметрами на уровне процессов "микрокрекинга", "гидроочистки";
• - эффективно действовать на участках топливной системы с повышенным давлением (до 7 кгс/см2);
• - обеспечивать производительность по диспергируемому компоненту, достаточную для приготовления ВТЭ с оптимальным водосодержанием на режиме полной нагрузки энергетической установки;
• - одновременно с приготовлением ВТЭ компаундировать в топливо присадки, приготавливать суспензии;
• - изменять параметры гидродинамических характеристик устройств в соответствии с параметрами состояния топливной системы;
• - действовать на расчетных параметрах от энергии потока штатных насосов топливной системы, обладать прочностными характеристиками не ниже прочности оборудования, находящегося в составе топливной системы;
• - регулировать подачу диспергируемых компонентов в зависимости от изменения нагрузки энергетической установки;
• - обладать повышенной надежностью, простотой конструктивных решений, не быть трудоемкими в изготовлении, обслуживании, действовать при незначительных энергетических затратах;

3. Экономический эффект от использования ВТЭ, приготавливаемой по непрерывному циклу с непосредственной подачей к топливным насосам высокого давления дизеля, возрастает. Такая схема приготовления эмульсии обеспечивает равномерное распределение водной фазы в объеме топливной среды, упрощает поддержание оптимального водосодержания в ВТЭ. При этом возврат ВТЭ от дизеля в расходные топливные цистерны не производится.

4. С переводом рабочего процесса дизелей на ВТЭ уменьшается нагарообразование, повышается надежность работы цилиндро-поршневой группы, газовыпускного тракта, топливной аппаратуры, увеличивается срок между очистками топливных фильтров.

5. С уменьшением температуры выпускных газов снижаются теплонапряженность деталей цилиндро-поршневой группы, скорость загрязнения смазочного масла.

6. Скорость износов основных деталей и узлов дизелей при работе на ВТЭ не возрастает.

7. Гидродинамические ультразвуковые гомогенизаторы могут быть установлены на системе подвода топлива от отстойного топливного танка к сепаратору. Обработка топлива ультразвуковыми колебаниями позволяет уменьшить объем горючих веществ в удаляемом шламе на 80%.

8. Уровень автоматизации технологического процесса для приготовления гомогенизированной ВТЭ должен соответствовать классу автоматизации энергетического комплекса.