Анализ способов борьбы с осадкообразованием при эксплуатации энергоустановок на жидких углеводородных горючих

В. А. Алтунин, К. В. Алтунин, Ф. М. Галимов,

Ю. Ф. Гортышов, Ф. Н. Дресвянников, М. Л. Яновская

АНАЛИЗ СПОСОБОВ БОРЬБЫ С ОСАДКООБРАЗОВАНИЕМ

ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГОУСТАНОВОК

НА ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГОРЮЧИХ

Ключевые слова: осадкообразование, энергоустановка многоразового использования (ЭУ-МИ), жидкое углеводородное горючее (УВГ), жидкий углеводородный охладитель (УВО), способы борьбы с осадкообразованием, электростатические поля, термоакустические

автоколебания давления.

В статье рассмотрены, классифицированы и проанализированы различные способы борьбы с осадкообразованием в энергоустановках многоразового использования на жидких углеводородных горючих и охладителях. Сделан вывод о том, что с негативным процессом осадкообразования необходимо бороться уже на начальной стадии проектирования и создания энергоустановок и химико-технологических систем.

Keywords: deposit formation, reusable power plant (RPP), liquid hydrocarbon fuel, liquid hydrocarbon coolant, ways offight against deposit formation, electrostatic fields, thermal acoustic

self-excited oscillations of pressure.

The various ways of fight against deposit formation at reusable power plants on liquid hydrocarbon fuels and coolants are discussed, classified and analyzed in the paper. There is a conclusion concerning the necessity of fight against deposit formation during initial stage of working out and creation of power plants and chemical-technological systems.

В предыдущей статье авторов [1] говорилось, что процесс осадкообразования в энергоустановках (ЭУ) многоразового использования (ЭУМИ) на жидких углеводородных горючих (УВГ) и охладителях (УВО) является очень сложным и опасным явлением, приводящим: к выходу из строя форсунок, фильтров, распылителей и других топливоподающих каналов; к несанкционированному, неожиданному и быстрому перегреву и прогару стенок каналов рубашек охлаждения; к заеданию подвижных деталей с дальнейшей неуправляемостью и разносом ЭУ и ЭУМИ; к повышению скорости коррозионных процессов и др. Поэтому с осадкообразованием необходимо организовывать всестороннюю и комплексную борьбу уже на начальной стадии проектирования и создания новых ЭУМИ.

На основе анализа научно-технической литературы и экспериментальных исследований авторами впервые проведён полный анализ и разработана общая классификация способов и методов борьбы с процессом образования углеродистых отложений в топливоподающих и охлаждающих каналах ЭУМИ и химико-технологических систем на жидких УВГ (УВО) [1-13].

Все известные способы борьбы с осадкообразованием можно разделить (табл. 1) на два больших класса: 1. существующие; 2. перспективные. В свою очередь, данные способы

Таблица 1

Виды борьбы с Методы и способы борьбы с процессом осадкообразования в ЭУМИ на УВГ и УВО

осадкообразованием Существующие Перспективные

Удаление осадка Физико-механические (различные виды механической очистки); Физико-химические (различные виды промывок); Химико-термические (различные виды сжигания осадка в богатом пламени метана и других газов). Применение каналов из металлов с «памятью формы»; Применение гофрированных подвижных каналов; Применение в каналах и форсунках внутренних соосных игл с кольцевым ножом; Применение конструкций с возможностью замены деталей в автоматическом, полуавтоматическом, ручном режимах; Применение термоакустических автоколебаний (ТААК) давления.

Уменьшение и ограничение роста осадка Уменьшение контакта УВГ с окружающим воздухом; Удаление кислорода из топливных и охлаждающих систем; Заполнение свободного пространства над УВГ инертными газами; Выбор материала стенки; Создание полированной поверхности; Обеспечение минимального давления при запуске и остановке ЭУМИ; Выбор вида УВГ. Использование топливно-охлаждающих каналов с искусственными интенсификаторами теплоотдачи в виде конической резьбы.

Предотвращение осадка Улучшение технологии получения УВГ; Улучшение технологии очистки УВГ; Добавка различных антиосадкообразующих присадок в УВГ. Обеспечение охлаждения стенки до 1 < 373К; Создание теплозащиты; Размещение высоконагретых частей ЭУМИ в областях невысоких температур; Использование каналов с электроизолирующим покрытием; Использование электростатических полей.

включают: 1) технологические; 2) конструкторские; 3) конструкторско-эксплуатационные; 4) эксплуатационные; 5) предотвращающие и (или) уменьшающие осадок; 6) удаляющие осадок.

К существующим технологическим методам по предотвращению и уменьшению осадка можно отнести:

а) улучшение технологии получения УВГ с применением гидрокрекинга;

б) улучшение технологии очистки УВГ на нефтеперерабатывающем заводе (НПЗ) (обработка высококонцентрированной серной кислотой или сернистым ангидридом; экстракция с помощью водных растворов серной кислоты; перколяция через активированные адсорбенты; гидроочистка);

в) добавку в УВГ эффективных антиосадкообразующих присадок (алифатических высокомолекулярных вторичных аминов, сополимеров эфиров метакриловой кислоты, смешанных сополимерных присадок с алифатическими аминами). Известно, что благодаря применению данных присадок можно повысить термическую стабильность реактивных топлив. При введении их в топливо в количестве до 0,1 % термическая стабильность увеличивается до 473К. Однако большинство антиосадкообразующих присадок не влияют на возникновение и рост углеродистых отложений при больших значениях температур (выше 473К); г) предварительную тонкую фильтрацию УВГ.

К перспективным технологическим методам по предотвращению и уменьшению осадка можно отнести:

а) разработку новых термостойких (синтетических) УВГ;

б) разработку новых антиосадкообразующих присадок, способствующих повышению термостойкости УВГ и УВО (до температуры 473К и выше).

К существующим конструкторским и конструкторско-эксплуатационным методам по предотвращению и уменьшению осадка можно отнести:

а) выбор материала стенки (но осадок с различной скоростью всё-таки будет появляться на любых металлических поверхностях, самая высокая скорость осадкообразования зафиксирована на медных поверхностях экспериментальных пластин и каналов);

б) выбор вида УВГ (УВО) с наименьшими склонностями к осадкообразованию;

в) создание полированной поверхности (способствует замедлению скорости процесса осадкообразования, но в результате работы ЭУМИ (через несколько десятков циклов) осадок всё-таки будет появляться и расти, как и на поверхностях с обычной шероховатостью). Согласно теории академика Г.Ф. Большакова [2] процесс осадкообразования носит электрический характер: при температуре 313К в жидких УВГ и УВО появляются заряженные частички (жидкость становится электропроводной), а при нагреве до 373К и более - появляются диполи, которые притягиваются к противоположным зарядам на микронеровностях любой (даже полированной) поверхности (согласно теории Шоттки и Френкеля) и способствуют началу осадкообразования, что подтверждено экспериментально и всесторонне (с применением оптической установки Теплера) [3, 4, 5].

К перспективным конструкторским и конструкторско-эксплуатационным методам по предотвращению и уменьшению осадка можно отнести:

а) обеспечение расчётного необходимого охлаждения стенки до температуры менее 373К. С целью повышения эффективности охлаждения здесь можно широко использовать теплофизические свойства (ТФС) жидких УВГ и УВО в зоне критических давлений, электростатические поля, термоакустические автоколебания давления (ТААК), дополнительные рубашки охлаждения и др., а также конструктивные решения;

б) использование каналов топливно-охлаждающих систем с электроизолирующим покрытием;

в) использование каналов с искусственными интенсификаторами теплоотдачи в виде конусной резьбы, поперечных (наклонных или продольных) накаток - это способ ограничения роста осадка. Экспериментально обнаружено [3, 5], что конусная резьба с высотой зубьев 1-5 мм способствует ограничению роста твёрдого углеродистого осадка на уровне высоты этих зубьев. Этот факт можно считать способом ограничения роста осадка в ЭУМИ, в топливно-охлаждающих каналах, на поверхностях и днищах различных выемок - интенсифи-каторов теплоотдачи в виде полусферических лунок, квадратов, прямоугольников;

г) использование электростатических полей. Экспериментально обнаружено [4, 14], что электростатические поля в УВГ (УВО):

- интенсифицируют теплоотдачу до 650%;

- предотвращают процесс осадкообразования;

- способствуют полной предтопливной подготовке (смешению и гомогенизации двух и более УВГ с образованием нового УВГ с новыми характеристиками), ионизации, повышению качества и полноты распыла, улучшению экологии при сжигании;

- повышению антикоррозионных свойств УВГ;

- эффективно обеспечивают электророзжиг и ионизационный контроль процесса горения в ЭУМИ и других техносистемах;

- способствуют электрораспылу УВГ без насосной (или пневматической) системы подачи УВГ (УВО), что очень важно, например, в условиях космоса (при отказе основной системы топливоподачи) или в других (наземных, воздушных, космических) ситуациях.

Авторами [3, 4, 15] разработаны методики расчёта и создан экспериментальный банк данных: по возможностям электростатических полей в жидких (и газообразных) УВГ и УВО; по увеличению коэффициента теплоотдачи в 2-3 раза к жидким УВГ и УВО в зоне критических давлений (за счёт ТФС); по взаимному влиянию электростатических полей и ТФС на интенсификацию теплоотдачи к жидким УВГ и УВО; по влиянию электростатических полей на уничтожение ТААК давления и др. Эти результаты могут широко использоваться при создании новых ЭУМИ и техносистем, где ведётся комплексная и многогранная борьба с осадкообразованием без электростатических полей, с полями или совместно (гибридно).

К существующим эксплуатационным методам по предотвращению и уменьшению осадка относятся:

а) уменьшение контакта УВГ и УВО с окружающим воздухом;

б) обеспечение продувки ЭУМИ после останова;

в) обеспечение минимального давления при запуске и останове ЭУМИ;

г) обеспечение различных степеней фильтрации УВГ и УВО при заправке и эксплуатации ЭУМИ.

К перспективным эксплуатационным методам по предотвращению и уменьшению осадка можно отнести:

а) удаление кислорода из топливных и охлаждающих систем;

б) заполнение парового пространства над УВГ и УВО инертными газами.

К существующим методам и способам удаления осадка относятся:

а) физико-механический метод, связанный с разборкой ЭУМИ и состоящий из различных видов очистки: ручными инструментами (скребками, щетками и др.); пескоструйным способом (сухим или влажным); пневматическим методом с применением косточковой крошкой; при помощи дисковых проволочных щёток; с помощью промывки моющими средствами с ультразвуковым или термоакустическим воздействием и др. Однако эти по-

следние способы являются неэффективными из-за слабой очистки трубопроводов сложной формы, из-за опасности разрушения тонкостенных деталей и их сварных швов, а также из-за невозможности очистки каналов топливных распылителей форсунок;

б) физико-химические методы, основанные на удалении осадка посредством щелочных соединений, поверхностно-активных веществ (ПАВ), синтетических моющих средств (СМС) и растворяюще-эмульгирующих средств (РЭС). Наиболее эффективными являются СМС и РЭС, причём степень очистки при использовании РЭС более чем в 2 раза выше по сравнению с СМС. В качестве СМС применяются следующие составы:

1) сода кальцинированная (50%), синтанол ДС-10 (3,5%), триполифосфат натрия (30%), метасиликат натрия (16,5%);

2) сода кальцинированная (50%), синтанол ДТ-7 (8%), триполифосфат натрия (30%), метасиликат натрия (10%), алкилсульфат (2%).

В качестве РЭС используются следующие составы:

1) ксилол (72%), ализариновое масло (26%), ПАВ ОС-20 (2%);

2) топливо дизельное (48%), ПАВ ОП-4 (10%), ПАВ ОП-1 (1%), уайт-спирит (35%), вода (1,85%), сульфонат (паста) (0,15%);

3) ксилол (91-93%), оксифос (5%), ализариновое масло (2-4%).

Результаты проведённых исследований показывают, что посредством СМС и РЭС удаляются, в основном, смолообразные вещества, образованные при температурах поверхности ниже 400 0С. СМС и РЭС малоэффективны при очистке от асфальтено-смолистых и коксообразных веществ, образованных при температурах выше 673К. Для удаления осадка при помощи расплавов используют: едкий натр (65-70%), азотнокислый натрий (селитра) (25-30%) и хлористый натрий (5%) при температуре 673-723К. Степень удаления отложений в щёлочно-селитровой композиции зависит от состава и температуры расплава. Этот метод является весьма энергоёмким, при его использовании возможны деформации и коробления деталей топливопроводов;

в) химико-термические методы, связанные с химическим разрушением и сгоранием осадка. Т.е., удаление осадка производится либо посредством расплавов солей и щелочей, либо путем выжигания в богатом пламени метана. Весьма успешно себя зарекомендовал метод выжигания, осуществляющийся при высоких температурах (1073-1223К) водяным паром, воздухом, кислородом, углекислым газом и метаном. При этом происходит полное сгорание осадка с образованием Н20 и СО2. Эти методы не полностью удаляют осадок из сложных топливных каналов, а кроме того, часто возникают коробление и растрескивание металлических стенок.

К перспективным методам и способам удаления осадка авторы статьи отнесли конструкторские и конструкторско-эксплуатационные методы и способы, которые можно использовать без снятия и разборки ЭУМИ в период профилактических работ (в период молчания ЭУМИ) или при функционировании ЭУМИ (в полёте, на стоянке, в наземной установке по добыче тяжёлых нефтей, в наземных (стационарных, мобильных) электростанциях, в установках по прокачке и транспортировке природного газа - метана и др. УВГ):

а) применение (по возможности) каналов из металлов с «памятью формы» в виде гофр. При наличии осадка нарушится расчётный тепловой режим, из-за чего такой канал самостоятельно начнёт разжиматься (или сжиматься), разрушая и удаляя при этом твёрдый углеродистый слой осадка. Возможно применение подвижных гофрированных каналов с различными видами механических и управляемых приводов сжатия-разжатия;

б) применение в топливной аппаратуре (например, в форсунках) центральных осевых игл, которые могут выполнять роль контролирующих датчиков степени закоксовыва-

ния выходного канала распылителя, роль пробойника (если снабдить жало иглы кольцевым ножом), роль отдающей иглы при электрораспыле, роль регулятора расхода УВГ и отсечного клапана и др.;

в) применение в топливной аппаратуре сменных элементов и деталей, которые можно заменять вручную, полуавтоматически или автоматически;

г) использование ТААК давления в каналах с УВГ и УВО (без снятия ЭУМИ). На сегодняшний день разработаны и созданы [3, 15]: банк экспериментальных данных об областях существования и поддержания ТААК давления в жидких УВГ и УВО со всеми позитивными и негативными свойствами; новые методики расчёта позитивных и негативных особенностей ТААК давления в жидких УВГ и УВО, включая расчёт уточнённых координат и количества локальных зон перегревов; новые способы управления (регулирования, подавления) ТААК давления; новый способ всестороннего использования всех свойств ТААК давления и методов их регулирования в ЭУМИ различного назначения и базирования (включая способ удаления твёрдого углеродистого осадка без снятия ЭУМИ для ремонта, непосредственно во время работы ЭУМИ); новый способ и датчик контроля роста и удаления твёрдых углеродистых отложений в ЭУМИ с подачей сигнала от ТААК давления на включение далее по потоку экономичных систем фильтрации и очистки, что очень важно особенно в условиях космоса [16];

д) использование специальных датчиков и систем контроля за особенностями теплоотдачи к УВГ и УВО, функции которых не совмещены или совмещены с функциями устройств по удалению осадка. Авторами разработаны и запатентованы датчики и системы контроля за осадкообразованием в ЭУМИ, где в реальном времени вся информация об осадкообразовании поступает в систему и на пульт автоматического управления, в наземный и бортовой компьютер, а также выводится на табло наземного оператора, лётчика, космонавта. Данные системы являются необходимыми, т.к. позволяют заранее обнаружить осадок и вести эффективную борьбу по его уменьшению, удалению и предотвращению

[15, 16, 17].

Таким образом, существующие и перспективные способы борьбы с осадкообразованием в ЭУМИ на жидких УВГ (УВО) имеют различные назначения и конкретные сферы применения. Однако большинство существующих способов - экономически невыгодны, создают большие сложности, связанные с простоем ЭУМИ, долговременными ремонтными работами (как на стоянке, так и в заводских условиях) с заменой многих деталей на новые, с промывкой и очисткой агрессивными жидкостями и проблемами по их утилизации, что представляет экологическую угрозу для окружающей среды. Поэтому внедрение новых перспективных способов борьбы с осадкообразованием является одной из главных задач, стоящих перед учёными, разработчиками, инженерами химико-технологических отраслей и создателями новых ЭУМИ на жидких УВГ и УВО.

В существующих учебниках, учебных пособиях и технической литературе по проектированию, созданию и эксплуатации ЭУМИ и химико-технологических систем очень мало уделяется внимания негативному и опасному процессу осадкообразования и способам борьбы с ним или не уделяется вообще, что невозможно при проектировании, создании и эксплуатации перспективных ЭУМИ и химико-технологических систем XXI века [3,

11, 15, 16].

Проведённый анализ способов борьбы с осадкообразованием в ЭУМИ и техносистемах (в том числе и химико-технологических) позволит проектировать, создавать и эксплуатировать новую и перспективную технику с повышенными характеристиками по ресурсу, надёжности, безопасности, эффективности, экономичности и экологичности [1, 16,

18]. Данная статья является второй статьёй целого цикла публикаций авторов об осадкообразовании и способах борьбы с этим опасным явлением. Предполагается опубликование

третьей статьи, в которой будут раскрыты запатентованные конструктивные схемы форсунок, топливно-охлаждающих каналов, систем контроля и управления ЭУМИ.

Литература

1. Алтунин, В.А. Проблема осадкообразования в энергетических установках многоразового использования на жидких углеводородных горючих и охладителях/ В.А. Алтунин, К.В. Алтунин, Ф.М. Галимов, Ю.Ф. Гортышов, Ф.Н. Дресвянников, Л.С. Яновский // Вестник Казанского тех-нол. ун-та, 2010. №5. - С. 96-102.

2. Большаков, Г. Ф. Физико-химические основы образования осадков в реактивных топливах / Г.Ф. Большаков. - Л.: Химия, 1972. - 232 с.

3. Алтунин, В.А. Исследование особенностей теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям в энергетических установках многоразового использования / В.А. Алтунин. Книга первая.

- Казань: Казанский госуд. ун-т им. В.И. Ульянова-Ленина, 2005. - 272 с.

4. Алтунин, В.А. Исследование влияния электростатических и магнитных полей на особенности теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям / В.А. Алтунин. Книга вторая. - Казань: Казанский госуд. ун-т им. В.И. Ульянова-Ленина, 2006. - 230 с.

5. Алтунин, К.В. Эффективный способ ограничения процесса осадкообразования при использовании жидких углеводородных горючих / К.В. Алтунин // Матер. докл. XXII Всеросс. Межвуз. научно - техн. конф. «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». Секция №6: «Внутрикамерные процессы в наземных и аэрокосмических энергоустановках многоразового использования». - Казань: Отечество, часть 2, 2010. -С. 44-45.

6. Гортышов, Ю.Ф. Охлаждение и термостабилизация деформируемых элементов конструкций/ Ю.Ф. Гортышов. - М.: Машиностроение, 1992. - 256 с.

7. Гортышов, Ю.Ф. Теория и техника теплофизического эксперимента/ Ю.Ф. Гортышов, Ф.Н. Дресвянников, Н.С. Идиатуллин. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - С. 20-99.

8. Гортышов, Ю.Ф. Теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом / Ю.Ф. Гортышов, В.В. Олимпиев. - Казань: Казанский госуд. технич. ун-тет им. А.Н. Туполева, 1999. - 176 с.

9. Дубовкин, Н.Ф. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив / Н.Ф. Дубовкин, В.Г. Маланичева В.Г. и др. Справочник. - М.: Химия, 1985. - 240 с.

10.Дубовкин, Н.Ф. Инженерные методы определения физико-химических и эксплуатационных свойств топлив/ Н.Ф. Дубовкин, Л.С. Яновский, Т.Н. Шигабиев, Ф.М. Галимов. и др. - Казань:

Мастер Лайн, 2000. - 378 с.

11. Косточкин, В.В. Надежность авиационных двигателей и силовых установок/ В.В. Косточкин. -М.: Машиностроение, 1988. - 272 с.

12. Чертков Я.Б. Современные и перспективные углеводородные реактивные и дизельные топлива/ Я.Б. Чертков. - М.: Химия, 1968. - 356 с.

13. Яновский, Л.С. Коксоотложения в авиационных и ракетных двигателях/ Л.С Яновский, В.Ф. Иванов, Ф.М. Галимов и др. - Казань: Абак, 1999. - 284 с.

14. Алтунин, К.В. Применение электростатических полей с целью предотвращения осадкообразования при эксплуатации газотурбинных установок на жидком углеводородном горючем / К.В. Алтунин // Матер. докл. V Междунар. молодежной научной конф. «Тинчуринские чтения»; под общ. ред. д-ра физ. - мат. наук, проф. Ю.Я. Петрушенко. Т. 3. - Казань: Казанский госуд. энергетический ун-т, 2010. - С. 141-142.

15. Алтунин, В.А. Методика учёта тепловых процессов в углеводородных горючих и охладителях при проектировании и создании перспективных силовых установок и систем контроля для гипер-звуковых и воздушно-космических летательных аппаратов / В.А. Алтунин, К.В. Алтунин,

Ф.М. Галимов, Ю.Ф. Гортышов, Ф.Н. Дресвянников, Л.С. Яновский // Труды XXXIV Академических чтений по космонавтике. Секция 15: Комбинированные силовые установки для гиперзвуко-вых и воздушно-космических летательных аппаратов. - М.: Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства, 2010. - С. 452.

16. Алтунин, В.А. Разработка способов увеличения ресурса и надёжности ВРД на жидких углеводородных горючих / В.А. Алтунин, К.В. Алтунин, Ф.М. Галимов, Ю.Ф. Гортышов, Ф.Н. Дресвянников // Труды XXXIV Академических чтений по космонавтике. Секция 15: Комбинированные силовые установки для гиперзвуковых и воздушно-космических летательных аппаратов. -М.: Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства, 2010. - С. 453.

17. Алтунин, В.А. Разработка систем контроля и управления с учётом особенностей теплоотдачи к жидким углеводородным горючим и охладителям в наземных, воздушных, аэрокосмических и космических энергоустановках многоразового использования / В.А. Алтунин // Матер. Между-нар. научно-практ. конф. «Авиакосмические технологии и оборудование». - Казань: Казанский госуд. технич. ун-т им. А.Н. Туполева, 2006. - С. 174-176.

18. Алтунин, В.А. Оценка эффективности применения результатов исследований особенностей теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям при создании и эксплуатации перспективных аэрокосмических и космических энергоустановок и техносистем многоразового использования / В.А. Алтунин // Матер. 42-ых Научных Чтений памяти К.Э. Циолковского: «К.Э. Циолковский и современность». Секция: «Проблемы ракетной и космической техники». РАН. ИИЕТ РАН. РАКЦ. - Калуга: Эйдос, 2007. - С.62.

© В. А. Алтунин - канд. техн. наук, доцент каф. материаловедения, сварки и структурообразующих материалов КГТУ им. А.Н. Туполева; К. В. Алтунин - асп. каф. теоретических основ теплотехники (ТОТ) КГТУ им. А.Н. Туполева, altkonst88l@yandex.ru; Ф. М. Галимов - д-р. техн. наук, проф., зав. каф. стандартизации, сертификации и технологического менеджмента КГТУ им. А.Н. Туполева; Ю. Ф. Гортышов - д-р тех. наук, проф. каф. ТОТ, ректор КГТУ им. А.Н. Туполева; Ф. Н. Дресвянников - канд. техн. наук, проф. каф. ТОТ КГТУ им. А.Н. Туполева; М. Л. Яновская -асп. ФГУП «Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И.Баранова», г. Москва.