Путевые фильтры систем топливоподготовки

На речных судах для удаления из дизельного топлива воды в системе топливоподготовки обычно устанавливают сепараторы в режиме пурификации или путевые фильтры из пенополивинилформаля.

Эти фильтры просты по кон­струкции, дешевы по сравнению с сепараторами и доста­точно эффективно удаляют воду из дизельного топлива. Путевые фильтры состоят из корпуса и фильтрующего элемента, выполненного из технического пенополивинил­формаля марки ТПВФ-3. Технический ТПВФ-3 — высоко­пористый синтетический материал светлого цвета, жесткий в сухом состоянии и среде нефтепродуктов и эластичный во влажном, активный влагопоглотитель, способный удер­живать содержащуюся в топливе воду и механические при­меси. Основные характеристики ТПВФ-3:

Пенополивинилформаль не токсичен и биологически безвреден. Его поставляют в виде плит 400?400?15 мм или цилиндрических вставок разного диаметра длиной 200—270 мм. Фильтрующий элемент (рис. 20) набирают из отдельных фильтрующих пластин 3, изготовленных из ТПВФ-3. Между фильтрующими пластинами устанавли­вают капроновые прокладки 4, которые увеличивают по­верхность фильтрации и уплотняют пластины в случае их коробления при сушке. Фильтрующие пластины собирают на перфорированный стакан 5 и стягивают болтом с гайкой 1 и шайбами 2. Фильтры из ТПВФ-3 можно использовать не только как путевые, но и как штатные фильтры двигателей. В табл. 16 приведены характеристики фильтрующих эле­ментов, устанавливаемых на различных двигателях.

По мере насыщения фильтрующих элементов водой уве­личивается перепад давления на них с 0,01 МПа в сухом состоянии до 0,03—0,04 МПа во влажном. Рост перепада давления выше предельного служит сигналом насыщения фильтра водой и прекращения его способности удерживать воду. Для восстановления способности удерживать воду фильтрующие элементы отжимают и просушивают, а для удаления механических при­месей элементы промывают вначале в теплом мыльном растворе, затем в чистой теп­лой воде, отжимают вручную или механически и сушат при температуре 50—70 °С между решетчатыми поверх­ностями, обеспечивающими максимальный доступ возду­ха. Длительность сушки 15— 50 ч в зависимости от температуры воздуха до полного затвердения элементов. Допу­скается устанавливать в кор­пус фильтра регенерируемые фильтрующие элементы после отжатия не полностью про­сушенными. В этом случае срок эксплуатации фильтрую­щих элементов до полного водонасыщения сокращается на 25—30 %.

В последние годы на речных судах все чаще применяют тяжелые топлива, содержащие много загрязнений и воды. При использовании тяжелых топлив перед поступле­нием в двигатель для их очистки в отечественной судовой практике в системах топливоподготовки обычно уста­навливали сепараторы, работающие в режиме пурификации и кларификации, а фильтрационные установки до последнего времени применяли как вспомогательное сред­ство из-за невозможности обеспечить требуемую степень очистки топлива от механических примесей и воды или труд­ностей организовать непрерывный процесс топливоподго­товки. Однако в последние годы на судах стали использо­вать фильтрационные установки вместо сепараторов. Пре­имущества фильтрационных установок: простота конструк­ции, меньшее число или полное отсутствие подвижных частей, а следовательно, и большая надежность; возмож­ность объединить в одном аппарате процессы очистки топ­лива от механических примесей и воды; более низкая стои­мость изготовления фильтрационных установок по сравне­нию с сепараторами вследствие простоты конструкции; отсутствуют дополнительные потери топлива; нет необхо­димости постоянно следить за работой автоматизированных фильтрационных установок.

Многие зарубежные фирмы разработали и выпускают судовые автономные агрегатированные фильтрационные установки, которые полностью автоматизированы и при­способлены для работы при безвахтенной системе обслуживания. Фильтрационные установки изготавливают как с элементами поверхностного, так и объемного типа. Неко­торые из них по своим эксплуатационным характеристи­кам превосходят лучшие образцы центробежных сепара­торов.

Так, в 1963/64 г. французская фирма «Софранс» испытала на судах полностью автоматизированные фильтрационные установки объемного типа марки 7036, предназначенные для очистки тяжелых топлив от механических примесей и воды. Успешные испытания обу­словили быстрое и широкое распространение установок па судах зарубежного флота. В настоящее время установки марки 7036 про­изводят по лицензиям в четырех странах. Основные характеристики фильтрационных установок фирмы «Софранс» марки 7036:

Фильтрационная установка (рис. 21) состоит из двух гори­зонтальных фильтров 2, смонтированных на отстойной цистерне 3, насоса, системы программного автоматического управления 1 и комплекта автоматических клапа­нов, одного внешнего и двух встроенных подогревателей. В ка­честве фильтрующих элементов использованы тефлоновые линзо­образные диски с двухслойной сетчатой поверхностью, набран­ные на центральный стержень в пакет. Размер ячейки внутренней сетки примерно 50 мкм, наруж­ной — 3—10 мкм. Механические примеси оседают на наружной поверхности фильтрующих эле­ментов, а очищенное топливо вы­ходит через центральный стер­жень. Фильтрующая сетка вы­полнена из нержавеющей сталь­ной проволоки диаметром 50 мкм. Пакет фильтрующих элементов установлен горизонтально в ци­линдрическом корпусе, в кото­ром, кроме того, размещены:

обтекатель, выполненный из стального листа в виде полуци­линдра, предназначенный исклю­чать непосредственный контакт поступающего топлива с филь­трующими элементами и стабилизировать скорость внутри кор­пуса;

датчик устройства обнаружения воды, подающий импульс на открытие дренажного клапана, при достижении предельного уров­ня отстоявшейся в корпусе воды или при предельной ее концентра­ции в топливе;

электроподогреватель с термостатом, который поддерживает тем­пературу внутри корпуса в пределах 40—50 °С, в зависимости от марки фильтруемого топлива.

Фильтрующие элементы установлены эксцентрично по отноше­нию к корпусу для предотвращения контакта кромок дисков, на­ходящихся в нижней части корпуса, с отстоявшейся водой. Отстой­ная цистерна для сбора и отстоя продуктов очистки топлива служит одновременно и фундаментом фильтрационной установки.

В отстойной цистерне установлены электроподогреватель с тер­мостатом, поддерживающим температуру топлива 40—50 °С, и ре­гулятор воды, датчик которого подает импульс па открытие дренаж­ного клапана цистерны. Часть отстойной цистерны отгорожена пер­форированной перегородкой, образующей переливную цистерну, откуда отстоявшееся топливо поступает обратно на очистку. На электрощите программного автоматического управления, установ­ленном непосредственно на корпусах фильтров, смонтированы при­боры контроля, приборы световой и звуковой сигнализации, предо­хранительные реле автоматических клапанов, программирующее устройство. Последнее обеспечивает требуемую последовательность процессов, происходящих в установке при фильтрации и очистке, а также для их регулирования. Дренажные и выпускные клапаны установки—пневматические, рабочее давление воздуха 0,4—0,8 МПа. Предохранитель в системе управления предназначен для выключе­ния установки при падении давления воздуха ниже предельного.

Топливный насос агрегата устанавливают либо на корпусе от­стойной цистерны, либо отдельно, по условиям монтажа на судне. С целью предотвращения образования стойких водотопливных эмульсий применен насос ротационио-объемного типа с небольшой частотой вращения без байпасного клапана. При повышении дав­ления в нагнетательном трубопроводе выше допустимого насос от­ключается и включается вновь при падении давления до 0,2 МПа. Внешний подогреватель топлива — паровой, давление пара 0,3— 0,5 МПа. Встроенные подогреватели — электрические, мощностью 1,5—2,5 кВт.

Работа фильтрационной установки осуществляется следующим образом. Топливо, подлежащее очистке, самотеком поступает к насо­су, а через паровой подогреватель к одному из фильтров. При этом насос автоматически включается только после того, как температу­ра внутри корпуса фильтра достигает 40 °С, что обеспечивают пред­варительно включенные электроподогреватели. Затем топливо в кор­пусе фильтра проходит через фильтрующую поверхность и поступа­ет в расходную цистерну. Механические примеси оседают на наруж­ной поверхности фильтра. Частички воды, находящиеся во взвешен­ном состоянии в топливе, благодаря малой скорости потока и коалесцирующему эффекту скапливаются на поверхности фильтрующих дисков. По мере укрупнения капельки воды стекают с кромок дис­ков и собираются в нижней части корпуса фильтра и периодически удаляются вместе с твердыми отложениями в отстойную цистерну через пневматический дренажный клапан, который открывается на 4—5 с по импульсу от датчика регулятора воды.

Техническое обслуживание фильтрационной установки типа 7036 сводится к периодическим осмотрам и очистке внутренних по­лостей и емкостей в соответствующие сроки, рекомендуемые фир­мой. Фильтрующие элементы в сборе через 3—6 мес промывают в чистом топливе либо в специальном моющем растворе фирмы «Гамлен» (Франция) в течение 0,5 ч. Отстойную цистерну очищают один раз в год. Повседневное обслуживание заключается во внешнем ос- смотре установки и проверке положения ее органов управления. В табл. 17 приведены результаты испытания установки типа 7036 при работе ее на тяжелых топливах.

Как видно из таблицы, доля воды в очищенном топливе практи­чески не зависит от степени обводнения его перед фильтром. Общая доля механических примесей (размер частиц более 3 мкм) сокраща­ется в среднем в 4 раза. Испытания также показали на некоторое снижение доли серы в очищенном топливе, что можно объяснить ча­стичным ее удалением со шламом и водой.

У фильтрационных установок фирмы «Софранс» высокая сте­пень надежности, для них практически не требуется повседневное обслуживание. Их усовершенствование фирма ведет по пути повыше­ния качества очистки топлива благодаря применению фильтрую­щих сеток с ячейками 1—2 мкм и гидрофобных покрытий, например теофена.

В последние годы стали применять на судах автоматизи­рованные фильтрационные установки поверхностного типа для очистки дизельного и тяжелого топлив от механичес­ких примесей и воды, Западногерманской фирмы «Болл». Одна из установок этой фирмы типа 8.10 установлена на ледоколах финской постройки типа «Капитан Чечкин». Принципиальная схема фильтрационной установки приве­дена на рис. 22, а. Основными элементами установки явля­ются: водоотделитель 1, с автоматическим отводом воды, защитный фильтр насоса 2, насос 3, самоочищающееся фильтрационное устройство 4, отстойная цистерна 6, куда сбрасывается грязное топливо. Неочищенное топливо по­ступает в водоотделитель 1, внутри которого расположен набор сепарационных пластин. При вязкости топлив более 40 мм²/с, включается подогреватель топлив, змеевик кото­рого расположен в нижней части водоотделителя. При мед­ленном протекании топлива между наклонными сепарационными пластинами частицы воды под действием сил тя­жести опускаются на пластины и далее стекают по наклон­ной образующей на дно водоотделителя. При достижении отделенной водой определенного уровня срабатывает дат­чик, подающий импульс к дренажному клапану, который открывается, и вода вытекает в отстойную цистерну. Од­новременно с водой удаляются и крупные механические примеси.

В самоочищающемся фильтрационном устройстве 4, состоящем из двух фильтров, удаляются мельчайшие твер­дые частицы и остатки воды. По мере загрязнения фильт­рующих элементов в фильтрах постепенно повышается дав­ление. Когда перепад давления в одном из фильтров дости­гает 0,06 МПа, автоматическое устройство включает в ра­боту другую параллельно расположенную чистую пару фильтрующих элементов. В загрязненные фильтроэлементы противотоком поступает воздух под давлением 0,4—1 МПа, очищающий их от механических примесей и воды. Смесь оставшегося топлива, твердых частиц и воды воздух пере­гоняет в буферное отделение отстойной цистерны. Защитные перегородки в этом отделении снижают скорости посту­пающего потока смеси, и это обеспечивает ее медленное стекание в отстойную цистерну. Используемый для очистки поверхностей элементов сжатый воздух удаляется по тру­бе из верхней части цистерны. Отстоявшееся чистое топли­во из отстойной цистерны выходит по трубе 5. Осадок, со­стоящий из твердых частиц и воды, собирается в нижней части цистерны, его периодически удаляют путем продув­ки. Расположенный в нижней части цистерны подогрева­тель включается при работе установки на вязких тяжелых топливах.

Самоочищающееся фильтрационное устройство (рис. 22, б) состоит из приемного патрубка 7, корпуса 8, фильтров 9, механизма 11 для автоматического переключе­ния потока топлива с одной пары фильтрующих элементов на другую и воздушной системы очистки фильтрующих элементов.

Фильтрующие элементы представляют собой стаканы 10, внутри которых расположены фильтрующие цилиндры 9, изготовленные из стальной сетки с хромо-никелевым по­крытием, обеспечивающей отсев твердых частиц с размером более 10 мкм. Оставшаяся после водоотделителя вода отде­ляется на поверхностях фильтрующих элементов благода­ря разнице в поверхностных натяжениях топлива и воды. Фирма рекомендует на судах с двухтопливной системой устанавливать 2 фильтрационные установки: одну для ра­боты на дизельном топливе, вторую — на тяжелом. Долж­но быть предусмотрено устройство переключения устано­вок для очистки топлив обоих видов.

В связи с тем что на речном флоте фильтрационные уста­новки появились впервые, были проведены исследования их эффективности. При этом оценку проводили по двум основным параметрам: тонкости отсева и эффективности очистки топлива от воды. Пробы топлива отбирали до и после фильтрационной установки. Тонкость отсева опреде­ляли методом микроскопии. Дисперсный состав механи­ческих примесей в отобранных пробах исследовали с по­мощью микроскопа МБИ-3. Частицы подсчитывали по микрофотографиям, а результаты обрабатывали методами математической статистики. Опыты проводили на мазуте Ф5, характеристики которого приведены в табл. 18.

В соответствии с данными микроанализа максимальный размер части механических примесей в исходном топливе достигал 120—140 мкм, а после очистки в топливе не было частиц размером более 10 мкм.

Эффективность очистки топлива от воды определяли по изменению ее доли до и после установки. Анализ получен­ных данных показал, что доля воды в топливе после про­хождения установки изменяется менее чем в 2 раза, особенно при сильно обводненном топливе (более 1 %). Для ука­занных исходных топлив (см. табл. 18) было соответствен­но получено на выходе 0,3 и 1,1 % воды в топливе.

Таким образом, тонкость отсева фильтрационной уста­новки фирмы «Болл» соответствует тонкости, гарантиро­ванной фирмой, и не превышает 10 мкм. Однако эффектив­ность очистки топлива от воды недостаточна и в этом отно­шении данная установка уступает установке фирмы «Соф­ранс» и тем более центробежным сепараторам. В то же вре­мя, как показывают результаты испытаний, при очистке примерно одинаковых по качеству топлив потери их в фильтрационных установках в 2—3 раза меньше, чем в сепараторах.

Для работы в судовых условиях выпускают и другие типы фильтрационных установок поверхностного типа, на­пример фильтрационная установка Скаматик (Франция) типа С, производительностью 0,5—3,0 т/ч, при вязкости топлива примерно 370 мм²/с. Установка обеспечивает тон­кость очистки 3—5 мкм при максимальном перепаде дав­ления 0,02 МПа.

Наряду с фильтрационными установками поверхност­ного типа ряд иностранных фирм выпускают установки объемного типа. На судах распространены установки с объемными элементами разового действия фирм «Винслоу» и «Филтерс» (Англия).

Конструкция фильтрационных установок этих фирм принципи­ально сходная. Фильтр фирмы «Винслоу» (рис. 23, а) состоит из корпуса 7 и крышки 5, внутри которых размещены фильтрующие элементы 3, одетые на перфорированные трубы 2. Для прижатия фильтрующих элементов предназначено прижимное устройство 6. Загрязненное топливо входит через патрубок 4, а очищенное топли­во выходит через патрубок 10. Для спуска отстоя из грязевой камеры 9 предусмотрена труба 8.

Фильтрующий элемент объемного типа (рис. 23, б) по форме напоминает цилиндр, внутри которого находятся перфорированная трубка 2, а снаружи ее набивка 11 — фильтрующий материал из хлопчатобумажных нитей и древесных стружек. Набивку удержи­вает на трубке тонкая двухслойная водоотталкивающая ткань 12. Топливо к элементам поступает снаружи и после очистки выходит по трубке вниз. Размер пор в массе фильтрующего материала умень­шается от периферии к центру, благодаря чему элемент равномер­но загрязняется. Производительность таких фильтрационных уста­новок достигает 5 м³/ч при тонкости очистки до 5 мкм. Начальный перепад давления 0,015—0,03 МПа, предельный 0,3—0,5 МПа. Установки оборудованы сигнализирующей аппаратурой предель­ного перепада давления. При вязкости топлива более 86 мм²/с кор­пус фильтрационной установки оборудован паровым подогревате­лем 1 (см. рис. 23, а).

Повседневное обслуживание фильтрационной установки сво­дится к периодическому выпуску отстоя в отстойную цистерну. Срок службы фильтрующих элементов, по данным фирм, не менее 3000 ч, после чего их заменяют.

В табл. 19 приведены результаты 8-часовых сравнитель­ных испытаний фильтрационных установок с объемными и поверхностными элементами. Как видно из таблицы, эф­фективность очистки первых, при равной скорости загряз­нения, значительно выше.

Для более глубокой очистки топлива применяют мно­гоступенчатые установки, в которых несколько ступеней фильтрации. Так, в настоящее время в эксплуатации на­ходятся автоматизированные многоступенчатые установки для очистки топлив с вязкостью до 860 мм²/с. Такая уста­новка состоит из первичного отстойника, трехступенчатого фильтра, подогревателей, насосов и системы авторегули­рования. В этой установке основная часть топлива цирку­лирует по замкнутому циклу через фильтры I и II ступени, вследствие чего непрерывно повышается его качество, и только часть топлива подается на окончательную очистку. При этом обеспечивается тонкость очистки топлива 3— 5 мкм.

С 1970 г. американская фирма Марине Хойстурс Контрол вы­пускает агрегатированиые фильтрационные установки, работающие по принципу коалесценции. Очистка тяжелого топлива в них двух­ступенчатая. В первой ступени установки, представляющей собой фильтрационное устройство разового действия объемного типа, уда­ляются механические примеси размером более 3 мкм и отделяется свободная вода. Во второй ступени установки, выполненной в виде ряда перегородок из гидрофобного материала, полностью отделяет­ся эмульгированная вода (до 95 %). Обе ступени размещены в одном корпусе. Производительность установки 0,15—1,5 м³/ч, предельный перепад давления 0,35 МПа, задерживающая способность первой ступени 420 г.

В конструкции установки предусмотрена быстрая замена филь­трующих элементов первой ступени, элементы второй ступени за­менять не требуется. Низкая начальная стоимость, простота кон­струкции и легкость обслуживания обеспечили широкое их приме­нение на судах зарубежного флота.