Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/306/1501806.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 22 (306) ноябрь 2016 года

Несколько распространенных заблуждений относительно традиционных топливных систем

Энергетика: наука К. т. н. Евгений ДУБРОВИН, к. т. н. Игорь ДУБРОВИН

Развитие современной цивилизации, как известно, невозможно без постоянного потребления различных природных ресурсов, в том числе и невозобновляемых, причем количество потребляемых ресурсов из года в год неуклонно растет.

Это приводит, с одной стороны, к быстрому истощению полезных ископаемых нашей планеты, а с другой – к увеличению антропогенного загрязнения окружающей природной среды.

Сегодня как никогда остро и весьма актуально стоят вопросы рационального расходования природных ресурсов и защиты окружающей природной среды от антропогенного загрязнения. Не последняя роль в решении этих сложных вопросов современности отводится топливным системам котлов, двигателей и других топливосжигающих установок.

Назначением топливной системы, как известно, являются прием, хранение, обработка, подготовка / приготовление и подача топлива на горение в топливосжигающую установку, именно поэтому в процессе своей работы топливная система оказывает непосредственное влияние на экономичность и экологичность функционирования любой топливосжигающей установки. В то же время вид используемого топлива определяет стоимость топливосжигающей установки в целом и расходы на ее эксплуатацию в течение всего жизненного цикла.

Недавние громкие скандалы, связанные со всемирно известными автопроизводителями, наглядно показывают, что причиной возникновения целого ряда проблем является в том числе несовершенство топливных систем автомобильных двигателей. Становится очевидным, что настало время задуматься о замене используемых топливных систем на новые, функционирование которых не только устранит, но и не допустит в дальнейшем возникновения причин различных эксплуатационных проблем. Однако у многих людей и даже специалистов все еще имеют место некоторые заблуждения насчет применяемых в настоящее время топливных систем. Эти заблуждения, в свою очередь, являются непреодолимым препятствием, тормозящим разработку, а главное, внедрение принципиально новых топливных систем.

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные, по мнению авторов, заблуждения насчет традиционных топливных систем.



Топливные системы морально не устаревают

Постоянная модернизация и совершенствование топливных систем вызывают иллюзию у многих специалистов в том, что используемые в настоящее время топливные системы полностью соответствуют современным требованиям, а значит, морально не стареют. В то же время анализ исторического развития конструкций и состава топливных систем котлов и двигателей и их эксплуатация показывают, что используемые сегодня топливные системы разрабатывались первоначально для жидкотопливных котлов в период научно-технической революции на стыке XIX‑XX веков. Несколько позднее были разработаны и внедрены топливные системы для двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин, причем их прототипом явились топливные системы котельных установок.

К сожалению, постоянное совершенствование и модернизация топливных систем различных топливосжигающих установок в течение всего XX века так и не привели к их принципиальным изменениям. Состав топливных систем постоянно дополнялся различными новыми элементами, сами элементы технически усложнялись, однако основа топливных систем – системообразующие элементы – во всех топливосжигающих установках оставались практически неизменными, что дало право считать и называть их сегодня традиционными топливными системами. Традиционные топливные системы по‑прежнему находятся в эксплуатации, несмотря на то что на дворе уже XXI век.

Не секрет, что бесконечная модернизация и совершенствование имеют свой технический и технологический предел, который для топливных систем в настоящее время уже достигнут, именно поэтому разработанные в позапрошлом столетии топливные системы сегодня морально устарели и требуют замены на новые, инновационные.


Топливные системы обеспечивают высокую экономичность работы двигателя

Недавно разразившийся скандал, связанный с повышенным расходом топлива на автомобилях японского концерна Mitsubishi, еще раз подтверждает, что работа двигателей, оснащенных традиционными топливными системами, хотим мы этого или нет, всегда сопровождается перерасходом горючего. Перерасход топлива наблюдается при работе всех топливосжигающих установок независимо от их вида и типа и в среднем оценивается в 15 процентов и более.

Основными причинами перерасхода горючего, по мнению авторов, являются использование нерасчетного топлива (главная причина), умышленное завышение (иногда очень значительное, например, при турбинном наддуве воздуха в зону горения) коэффициента избытков воздуха и удаление остатков недогоревшего топлива в процессе продувания / вентиляции зоны горения. Не секрет, что ни на одном из режимов работы топливосжигающей установки традиционные топливные системы не способны обеспечить приготовление высококачественной однородной гомогенной горючей смеси, именно это обстоятельство и приводит к перерасходу топлива. Как правило, топливо, подаваемое сверх нормы, в процессе сгорания участия не принимает, его углеводородные соединения в зоне горения в отсутствие кислорода подвергаются лишь термической трансформации (пиролизу), формируя при этом продукты неполного сгорания топлива. Основными продуктами реакции пиролиза, как известно, являются сажа (С) и бенз(а)пирен (С20Н12). При правильной организации процесса горения меньшая часть (около 2,0 процентов) сажи и бенз(а)пирена отлагается на внешних поверхностях нагрева и внутренних поверхностях газовыхлопного тракта любой топливосжигающей установки, изменяя при этом газодинамику газохода и увеличивая сопротивление движению продуктов сгорания в нем, а большая часть (около 98 процентов) – в составе уходящих дымовых газов выбрасываются в атмосферу, вызывая антропогенное загрязнение окружающей природной среды. При неправильной организации процесса горения количество отложений сажи и бенз(а)пирена в дымовой трубе значительно возрастает.

Очевидно, что одним из визуальных признаков перерасхода топлива является наличие в выходном газовом тракте отложений сажи и бенз(а)пирена, причем чем толщина этих отложений больше, тем выше перерасход топлива.

Таким образом, топливные системы топливосжигающих установок, эксплуатация которых сопровождается постоянным перерасходом горючего, приводящего к возникновению экономического ущерба, требуют своей замены на более экономные топливные системы, функционирование которых способно устранить причины возникновения экономического ущерба.



Топливные системы обеспечивают требуемые нормы выбросов в атмосферу при работе двигателя

Затянувшийся в США скандал с газовыми выбросами автомобилей немецкого концерна Volkswagen убедительно свидетельствует, что конструктивное исполнение и состав традиционных топливных систем играют не последнюю роль в загрязнении природной среды в процессе эксплуатации. Повышенная концентрация вредных компонентов в сбрасываемых в атмосферу газов при работе практически всех топливосжигающих установок также напрямую связана с перерасходами топлива и завышенным количеством воздуха, поступающими в зону горения.

Заметим, что перерасход топлива приводит к повышенному выбросу в атмосферу экологически опасных химических элементов, веществ и соединений в продуктах сгорания, которые легко определяются визуально по черному цвету дымовых газов. В то же время превышение расхода воздуха на горение, приводящее к увеличению азотсодержащих и других экологически опасных соединений в продуктах сгорания, визуально определить невозможно, поскольку дымовые газы, сбрасываемые в атмосферу, бесцветны.

Однако эти дымовые газы, насыщенные продуктами термической трансформации, в том числе атмосферного и топливного азота, не становятся от этого безопаснее. Например, азот, содержащийся как в атмосферном воздухе, так и в подаваемом на горение топливе, проходя зону высоких температур, самым активным образом участвует в различных реакциях, а затем сбрасывается в составе дымовых газов в виде различных азотсодержащих соединений (оксидов, диоксидов, кислот и т. п.), являющихся высокотоксичными экологически опасными загрязнителями.

Очевидно, что использование традиционных топливных систем вносит свою «посильную» лепту в экологический ущерб, вызванный, например, газовым и тепловым загрязнениями воздушного бассейна, сопровождающими процесс эксплуатации топливосжигающих установок.



Наличие топливной и воздушной систем двигателя обязательно и технически обосновано

Практически все существующие в настоящее время топливосжигающие установки для приготовления горючей смеси оснащены двумя отдельными специальными системами: топливной и воздушной. Эти системы работают одновременно и автономно друг от друга, подготавливая и подавая в зону горения отдельно горючее и отдельно окислитель, которые, смешиваясь, образуют топливо-воздушную смесь.
При этом изменение качественно-количественных показателей приготавливаемой горючей смеси осуществляется исключительно за счет количественного регулирования топлива, поскольку в современных установках именно топливо является первичной средой для приготовления горючей смеси.

Раздельная подача сначала топлива в зону горения, а затем с некоторой задержкой и воздуха приводит к выбросу в атмосферу недогоревших углеводородов и сажи, особенно в процессе ввода тепловой машины или установки в действие и на режимах набора нагрузки.

Очевидно, что объединение топливной и воздушной систем в единую воздушно-топливную систему является, по мнению авторов, одним из перспективных направлений дальнейшего развития топливных систем топливосжигающих установок, обеспечивающих приготовление горючей смеси и ее подачу в зону горения.



Регулирование качества горючей смеси количеством подаваемого топлива – единственно правильное решение

В современных двигателях набор мощности двигателем или котлом, то есть переход на более высокую нагрузку производится исключительно путем увеличения количества / расхода топлива. Таким образом, как было уже сказано, топливо выступает в качестве первичной среды для приготовления горючей смеси. При наборе мощности посредством увеличения расхода топлива сначала увеличивается нагрузка топливосжигающей установки по топливу, что приводит к подаче в зону горения большего количества углеводородного горючего, а затем через определенное время и к росту количества подаваемого воздуха, поступающего в двигатель на приготовление смеси. Таким образом, на режиме запуска и режимах повышения нагрузки в зону горения поступает богатая горючая смесь, что приводит к переизбытку (перерасходу) топлива и недостатку потребного на организацию качественного процесса его горения воздуха и, в конечном итоге, к образованию и выбросу экологически опасных дымовых черного цвета газов из трубы.

Для устранения подобного явления целесообразно использовать такую топливную систему, в которой первичной средой для формирования горючей смеси должен быть атмосферный воздух. При работе такой топливной системы сначала будет возрастать количество воздуха, подаваемого на приготовление горючей смеси, а затем уже – увеличиваться и расход топлива.



Высокое давление топлива в системе и его дальнейшее повышение необходимо для нормальной работы двигателя

Разработчики топливосжигающих установок считают, что для обеспечения качественного распыла топлива, а значит, для повышения эффективности процесса горения топлива в любой топливосжигающей установке необходимо создание и поддержание давления топлива в ее топливной системе, значительно превышающее атмосферное давление.

Так, для функционирования автомобильного дизельного двигателя сегодня максимальное давление топлива перед его форсунками достигает уже 2000 кг / см2. Заметим, что увеличение давления топлива перед форсунками в конечном итоге приводит только к физическому дроблению (уменьшению размеров) топливных капель в получаемой распыленной струе, между тем химическая структура содержащихся в топливе углеводородных молекул, их число и вес остаются неизменными. Топливные молекулы распыляемого форсункой горючего по‑прежнему представлены различными по своей химической структуре, числу молекул и молекулярному весу алкановыми, циклановыми, ненасыщенными и ароматическими углеводородами, обладающими различной теплотой сгорания и требующими на организацию реакции своего окисления различное количество кислорода, то есть умышленного завышения коэффициента избытка воздуха.

Кроме того, использование высоких давлений топлива и его дальнейшее повышение непременно влечет за собой применение прочных и высокопрочных и, как правило, дорогостоящих конструкционных материалов, способных удовлетворить требованиям по надежности, безопасности и обеспечению взрывопожаробезопасности.

В действительности для получения тонкого и качественного распыла топлива вовсе не обязательно создание высоких и сверхвысоких давлений топлива, достаточно вместо традиционной топливной аппаратуры использовать технические устройства, работающие на других физических принципах, позволяющих одновременно подвергать топливные молекулы дроблению, гомогенизации, структурным изменениям и производить мелкодисперсный распыл топлива в зону горения.

Становится очевидным, что сегодня необходимы топливные системы, способные при относительно малом давлении топлива, в идеальном случае не превышающем атмосферное, приготавливать и распылять высококачественную мелкодисперсную однородную горючую смесь с оптимальным соотношением компонентов, что значительно удешевит топливосжигающие установки, снизит их взрывопожароопасность, повысит надежность и безопасность.



Без насосов и форсунок в топливной системе не обойтись

Системообразующим элементом любой традиционной топливной системы, как известно, являются топливные насосы. Без преувеличения можно сказать, что топливные насосы – это самые сложные по конструкции и дорогостоящие в изготовлении элементы любой топливной системы. Другими, не менее важными, сложными и относительно дорогостоящими элементами топливной системы являются топливные форсунки. Топливные насосы и форсунки наряду с другими элементами, как известно, составляют топливную аппаратуру любой топливосжигающей установки. Не секрет, что каждому виду топлива и типу установки сегодня соответствует своя топливная аппаратура.

Для своего нормального функционирования топливная аппаратура требует периодической регулировки в заводских условиях или в условиях специализированной мастерской.

Необходимо напомнить, что с увеличением времени эксплуатации топливной аппаратуры повышается и вероятность увеличения в ней протечек топлива. Очевидно, что поломка топливного насоса топливной системы или неисправность форсунок в большинстве случаев приводит к отказу и выходу из строя всей топливосжигающей установки. Кроме того, известно, что коэффициент полезной работы топливосжигающей установки определяется в том числе и к.п.д. соответствующих составных элементов ее топливной системы. Если часть элементов в топливной системе заменить или вообще отказаться от их использования, то суммарный к.п.д. установки в целом можно увеличить.

Отказ от использования традиционной топливной аппаратуры и замена ее системообразующих элементов на более простые по конструкции и дешевые в изготовлении устройства приведет, с одной стороны, к снижению стоимости производства и упрощению эксплуатации топливосжигающей установки в целом, а с другой – к повышению ее к.п.д.



Весь запас топлива используется по назначению

Применяемые сегодня топливные системы во внутренних объемах и полостях своих элементов, как известно, содержат так называемые «мертвый» (в топливных цистернах и баках) и неснижаемый (в других элементах топливной системы) запасы горючего, которые невозможно израсходовать по прямому назначению. Именно поэтому, например, в эксплуатационной документации отмечаются сухой (без запасов) и рабочий (с запасами) массы двигателя. Так, исключив вес масла и вес охлаждающей жидкости из рабочего веса двигателя, можно легко определить количество запланированного не используемого по прямому назначению неснижаемого запаса топлива, которое соответствует разнице рабочего (но без масла и воды) веса и сухого веса двигателя.

По расчетам суммарный запас горючего, который невозможно использовать по прямому назначению (то есть для получения энергии), в современных топливосжигающих установках может достигать 20‑25 процентов от полного запаса расходного топлива. При этом хорошо известно, что любой ресурс, не используемый по прямому назначению, рано или поздно превращается в отходы и попадает в окружающую природную среду, но уже в виде загрязнителя. Действительно, при ремонте двигателя и элементов его топливной системы неиспользуемые запасы топлива сливаются и, как правило, больше в двигателях не используются.

Очевидно, что традиционные топливные системы, конструктивное исполнение которых практически на четверть снижает время работы двигателя или котла, должны быть заменены более совершенными по конструкции топливными системами, способными обеспечить расход (использование по прямому назначению) всего имеющегося полного запаса топлива.



Системы многотопливные

Топливосжигающие установки, как правило, работают на одном виде топлива, в некоторых случаях – на двух и более видах топлива.

Так, например, судовые дизели «Pielstick» способны работать на дизельном топливе и флотском мазуте Ф-5. Дизельная установка использует два вида топлива, поскольку, во‑первых, флотский мазут Ф-5 на 70 процентов состоит из дизельного топлива и, во‑вторых, мазут специально разогревается до температуры, при которой показатели его вязкости и плотности соизмеримы с аналогичными показателями дизтоплива. Однако эти виды топлива поступают к дизелю по двум отдельным, не связанных между собой топливным системам. Это означает, что битопливной, или двухтопливной является сама дизельная установка, но никак не ее топливная система.

Функционирование, например, котлоагрегатов большой мощности ТЭС «Eggborough» (Великобритания) предусмотрено на пяти различных видах горючего: тяжелом топливе, природном газе, угле, жидких углеводородных отходах и биологическом топливе. Каждый вид указанного топлива имеет свою отдельную топливную систему с разным количеством и различными по назначению и конструкции элементами, поэтому топливную систему котлоагрегатов указанной ТЭС также нельзя назвать единой и многотопливной.

Известно, что элементы применяемых в настоящее время топливных систем рассчитаны на подготовку и подачу на горение только одного (расчетного) вида топлива. Для того чтобы обрабатывать и подавать на сжигание другой (даже второй расчетный) вид топлива по той же системе, требуется замена насосов, форсунок и других элементов или разработка и установка второй, отличной от первой топливной системы. Это значит, что используемые сегодня в топливосжигающих установках традиционные топливные системы не могут быть многотопливными. Внедрение топливной системы, способной работать на двух и более видах топлива без замены ее элементов, позволит устранить этот недостаток эксплуатируемых в настоящее время установок.



Вместо выводов

Несмотря на более чем столетнюю эксплуатацию и бесконечную модернизацию разработанных в позапрошлом веке топливных систем, в настоящее время топливосжигающие установки, оборудованные ими, уже не способны удовлетворять предъявляемым к ним XXI веком значительно ужесточенным требованиям, в частности по экономичности, экологичности, стоимости и безопасности. Эксплуатация топливосжигающих установок, оснащенных традиционными топливными системами, постоянно дорожает, а их антропогенное воздействие на природную среду возрастает. Взамен традиционных топливных систем целесообразно создавать и внедрять новые, которые могли бы удовлетворять постоянно повышающимся требованиям нового века.

Говоря о топливных системах, было бы уместно сказать о современных разработках в этой области, например об активном проведении работ по созданию топливной системы, способной из углеводородного горючего выделять молекулярный водород (Н), который далее может быть использован в качестве топлива для работы дизеля, например, на находящейся под водой подводной лодке.

Одну из инновационных топливных систем, способную за счет приготовления при атмосферном давлении топлива высококачественной мелкодисперсной воздушно-топливной горючей смеси оптимального состава экономить не менее 15 процентов используемого горючего, создали и авторы. Эта система уже прошла апробацию и находится в эксплуатации более шести лет.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 22 (306) ноябрь 2016 года: