автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Использование различных сортов нефтяного топлива для маневровых тепловозов

министерство путей сообщения

Омский государственный университет путей сообщения

Милютина Лариса Владимировна

УДК 629.4.016.015

использование различных сортов нефтяного топлива для маневровых тепловозов

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор А.И. Володин

Научный консультант -кандидат технических наук, доцент е.И. Сковородников

омск 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................................................ 4

1. Технико-экономические аспекты использования различных нефтяных тошшв................................................................................................................... 8

1.1. Современные особенности производства нефтяных топлив для дизельных двигателей..................................................................................................... 8

1.1.1. Результаты использования тяжелых топлив зарубежными фирмами.... 13

1.1.2. Результаты использования тяжелых топлив отечественными фирмами.. 15

1.2. Предварительный анализ физико-химических свойств различных топлив, используемых в тепловозных дизелях...................................................... 18

1.3. Перспективные сорта топлив, вырабатываемых в АО "Омский нефтеперерабатывающий завод"..................................................................................... 26

1.4. Присадки к дизельным топливам................................................................ 29

1.5. Постановка задач исследования и последовательность их решения.......... 38

2. Исследование качества распыливания различных нефтяных топлив.... 40

2.1. Теоретические исследования процессов впрыска и распыливания топлив.................................................................................:................................. 40

2.2. Экспериментальные исследования процессов впрыска и распыливания топлива..................!.............................................................................................. 47

3. Проведение стендовых испытаний по исследованию возможности использования различных тошшв при эксплуатации дизелей.......................... 55

3.1. Постановка задач стендовых испытаний..................................................... 55

3.2.Выбор и разработка стендового оборудования для контроля экономических и экологических параметров.................................................................. 55

3.3. Планирование экспериментов, обработка и результаты экспериментальных данных.................................................................................................. 59

3.4. Выбор рационального количества присадки "В1ре1апе" к топливам ДТ

и ДТПЛФ......................................................................................................................................................................................................................107

3.5. Основные выводы..............................................................................................................................................................................123

4. Проведение эксплуатационных испытаний по исследованию возможности использования различных топлив в тепловозных дизелях ПД1М... 124

4.1. Постановка задач эксплуатационных испытаний..................................... 124

4.2. Экспериментальное оборудование............................................................ 124

4.3. Результаты эксплуатационных испытаний................................................ 126

4.4. Основные выводы..............................................................................................................................................................................153

5. Экономическая эффективность перевода тепловозных дизелей на

топливо ДТПЛФиДТс присадкой 'Т)1ре1апе"........................................................................................154

Заключение...................................................................................................................................................162

Список использованных источников................................................................................................................................165

Приложение................................................................................................................................................................................................................173

ВВЕДЕНИЕ

Железнодорожный транспорт в Российской Федерации имеет исключительно важное значение в жизнеобеспечении многоотраслевой экономики и реализации социально-значимых услуг по перевозке пассажиров. На его долю приходится более 75% грузооборота и 40% пассажирооборота, выполняемого транспортом общего пользования /1/.

На втором Всероссийском съезде железнодорожников в мае 1996 года были обсуждены пути выхода железных дорог из кризиса и принят документ "Основные направления развития и социально-экономической политики железнодорожного транспорта на период до 2005 года", который определяет важнейшие задачи отрасли по обеспечению транспортных потребностей в условиях развития реформ, улучшению его взаимодействия со всеми субъектами рынка, техническому прогрессу и росту благосостояния железнодорожников /2-4/.

Главная цель природоохранной работы отрасли - поэтапное приближение фактических выбросов предприятий к предельно допустимым нормам, строгое соблюдение лимитов на выбросы загрязняющих веществ и размещение отходов, снижение аварийности, соблюдение требований законодательства на основе совершенствования применяемых технологических процессов и перехода к экологически безопасным, ресурсосберегающим технологиям.

Несмотря на жесткий режим контроля за использованием дефицитного дизельного топлива, доля его потребления непрерывно увеличивается в связи с дальнейшей дизелизацией, прежде всего автомобильного транспорта. Поэтому проблема рационального топливоиспользования дизельных транспортных средств различного назначения, в том числе тепловозов в последние годы существенно усложнилась /5/.

В настоящее время по проблеме рационального топливоиспользования в дизельных энергетических установках сформировались два направления развития, которые тесно переплетаются между собой. В соответствии с этими направлениями изменяются требования к качеству топлив. Так в ближайшие 5-10 лет должна быть повышена эксплуатационная экономичность дизельных топ-ливно-экономических установок по топливу, что обеспечивается повышением его качества. Второе направление, связанное с вынужденным снижением требований к качеству топлив с целью увеличения его ресурсов, должно быть компенсировано совершенствованием и оптимизацией рабочего процесса дизелей различного назначения, использующих разносортные топлива.

Таким образом, повышение эффективности использования жидких топлив для транспортных средств, рациональное их расходование, сокращение потерь

на стадии производства, транспортирования, хранения и особенно экономии приобрели большое общегосударственное значение /6-8/.

В марте 1996 года во ВНИИНП - головной организации по экологии моторных топлив Минтопэнерго РФ состоялось первое заседание комитета по то-пливам и смазочным маслам, где были рассмотрены проблемы и перспективы производства экологически чистых моторных топлив - автомобильных бензинов и дизельных топлив. В ухудшение экологической обстановки, особенно в городах, значительный вклад вносит и транспорт, работающий на дизельном топливе. В отработавших газах дизелей содержатся десятки токсичных компонентов. Среди них наряду с оксидами углерода, соединениями серы особое место занимает сажа /1/.

Эксплуатируемый на территории РФ транспорт сжигает ежегодно примерно 110 - 115 млн. т топлива и 12 - 15 млн. т смазочного масла. При этом в атмосферу выбрасывается около 30 млн. т вредных веществ, в том числе до 15

млн. т окиси углерода (СО), 12 млн. т окислов азота (NOx), 2 млн. т углеводоро-

10

дов (СН), 1 млн. т сажи и 2-10 МДж тепловой энергии, что эквивалентно сжиганию примерно 50 млн. т условного топлива. В связи с тем, что тепловозные дизели имеют значительную агрегатную мощность (1,0 - 4,0 МВт), а поток отработавших газов, достигающий расхода 2-8 кг/с, выбрасывается с высоты всего 4,5 м, в зоне рассеивания потока создается чрезвычайно высокий уровень локального загрязнения воздуха, превышающий предельно-допустимую концентрацию (ПДК) в 10 - 19 раз. В выбросах тепловозных дизелей доминируют окислы азота (NOx), доля которых в суммарном индексе токсичности достигает 95% у новых дизелей, а затем снижается до 60% за счет износа дизеля и повышения выхода продуктов неполного сгорания топлива и масла (СО, СН, С).

Обобщенные данные по содержанию токсичных компонентов в отработавших газах тепловозов, полученные на основании обследования парка в 23 депо, с учетом результатов стендовых испытаний тепловозных дизелей на дизе-лестроительных заводах приведены в табл.1 /3/.

Сокращение затрат на топливо на ж. д. транспорте может быть осуществлено за счет снижения его удельного расхода, за счет применения различных топливных присадок или применения менее дефицитных тяжелых сортов, имеющих значительно меньшую стоимость, чем дизельное топливо. Первый путь снижения затрат на топливо связан с совершенствованием силовых установок. Второй путь требует тщательного экономического анализа эффективности применения присадок с экономической и экологической сравнительной оценкой. Третий путь получил широкое распространение сравнительно недавно и является перспективным /5/.

Таблица 1

Характеристика вредных составляющих отработавших газов

тепловозных дизелей

Наименование Содержание в отрабо- Предельно- Индекс ток-

компонента тавших газах допустимая концен- сичности для

трация (ПДК) атмосферы

а/ПДК

Концент- Удельная В атмос- В воздухе

рация, эмиссия, фере, раб.зоны,

мг/м3 г/кВт-ч мг/м3 мг/м3

Окислы азота, 4500- 29-11 0,085 2 53000-17000

сумма по (КОг) 1500

Сажа (С) 50-500 0,35-3,5 0,15 4 300-3000

Окислы серы, 500 2,5 0,50 10 1000

сумма по (БОг)

Окись углерода 500-2000 2,5-10 5,0 20 100-400

(СО)

Углеводороды 25 0,25-2,5 5,0 — 5-50

(СН) 1

Примечание: Для всех компонентов, кроме БОг, первая цифра характеризует новые дизели, вторая - после 10 лет эксплуатации._

В Российской Федерации и других странах СНГ объем производства дизельного топлива составляет около 70 млн.т/год, из них до 40 млн.т/год - с содержанием серы 0,2% (масс), остальное количество — с 0,5% серы. Повышение экологических требований к дизельным топливам выражается в снижении содержания в них серы и ароматических углеводородов, а также в оптимизации фракционного, компонентного и углеводородного составов, регламентации це-танового числа, плотности и вязкости. Начиная с 1995 года в странах ЮС 25% выпускаемых товарных дизельных топлив должны содержать не более 0,05% серы.

Реальная оценка экономической ситуации (неплатежеспособность предприятий ж. д. транспорта) и изношенность действующего парка тепловозов затрудняет осуществление и делает малоэффективной глубокую модернизацию находящихся в эксплуатации дизелей. В данном случае целесообразно применять новые технологии регулировки топливной аппаратуры и фаз газораспределения дизеля по показателям Ж)х, СО и СН или компенсировать применением различных антидымных присадок к топливу /8/.

Для решения проблем рационального топливоиспользования и сокращения вредных выбросов отработавших газов возникла необходимость исследования работы тепловозных дизелей на топливах, отличных от стандартного дизельного топлива и топливах с добавлением топливных присадок, улучшающих эксплуатационные свойства топлив.

1. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ НЕФТЯНЫХ ТОПЛИВ

1.1. Современные особенности производства нефтяных топлив д ля дизельных двигателей

Применяемые в транспортной энергетике отечественные углеводородные топлива по мере утяжеления фракционного состава и повышения вязкости условно подразделяются на четыре группы:

- маловязкие - прямогонные и смешанные дистилляты;

- средневязкие - смесь дистиллятов и остаточных топлив;

- вязкие - остаточные топлива;

- высоковязкие - топочные мазуты.

Отсутствие установившейся терминологии и классификации качества топлив в России и за рубежом вызывает затруднения при рассмотрении проблем, связанных с использованием низкосортных топлив. Поэтому на основе анализа современных отечественных и зарубежных нормативных и технических материалов принята следующая классификация топлив: по способу производства -дистиллятные, остаточные (компаундированные); по вязкости - маловязкие (до 30 мм2/с при 50°С), средневязкие (30-240 мм2/с при 50°С), вязкие (240-460 мм2/с при 50°С), высоковязкие (460-700 мм2/с); по плотности - легкие (до 920 кг/м3), тяжелые (921-991 кг/м3), сверхтяжелые (992-1010 кг/м3) /27,28,29/.

В зависимости от типа энергетических установок применяются различные сорта топлив. Быстроходные дизели и газотурбинные установки чувствительны к качеству топлив, поэтому в них используются дистиллятные топлива -дизельные и газотурбинные /4,11,12/.

Дизельные топлива вырабатываются из гидроочшценных дистиллятов прямой перегонки нефти при температуре до 380°С с добавлением небольшого количества легкого газойля каталитического крекинга. В таких топливах не допускается наличие механических примесей, воды, сероводорода, водорастворимых кислот и щелочей. Например, компонентный состав дизельного топлива марки "Л" состоит из продуктов, получающихся в результате первичных процессов переработки нефти - прямогонных дистиллятов (до 80%) и продукта вторичной обработки дистиллятов - каталитического газойля (до 20%).

Продукты вторичной переработки существенно отличаются от прямогонных по химическому составу и характеризуются повышенным содержанием ароматических и непредельных углеводородов. Отличительной характеристикой вторичных дистиллятов является температура кипения в пределах 410 -

430°С, что обеспечивает полное испарение топлива в процессе сгорания (по сравнению с мазутами), т. е. процесс выгорания топлива аналогичен процессу сгорания прямогонных дистиллятов /12/.

Отечественные дистиллятные топлива по качеству превосходят топлива других стран и имеют значительный резерв по предельным показателям. Особенностями отечественных дистиллятных топлив являются легкий фракционный состав и низкое содержание серы /13/.

Наряду с дистиллятными топливами для средне- и малооборотных дизелей широко используют остаточные топлива. К остаточным топливам относятся топлива, содержащие остаточные продукты прямой перегонки, каталитического и термического крекинга, а также продукты процессов вторичной переработки нефтепродуктов. Все остаточные топлива - компаундированные продукты, отличающиеся меньшей стабильностью по сравнению с составляющими продуктами. Остаточные топлива содержат значительное количество непредельных углеводородов и характеризуются повышенными вязкостью, плотностью, содержанием асфальтосмолистых веществ, серы, ванадия. В состав отечественных остаточных топлив добавляют 30 - 70% дизельных фракций, что снижает фактическую вязкость остаточных топлив. В табл. 1.1 представлены виды отечественных и зарубежных топлив с допускаемыми пределами вязкости /9,28/.

Таблица 1.1

Аналоги отечественных и зарубежных топлив_

Класс Вязкость Марки отече- Марки зарубежных то-

Вид топлива топлива при 50°С, ственных плив по классификации

мм2/с топлив

ISO BSI CIMAC

Дистиллятные Прямогон. маловязк. <10 Дизельные: 3 Л DMX DMA М1 М1 -

Смешан. 10-30 Газотурбин-

маловяз. ные

ТГВК DMB М2 1

ТГ DMC МЗ 1

Смесь дистил. Мотор. 30 -100 Моторные: ДТ, RMA10 М4 2

и ост.продукг. средневяз. ДМ

За рубежом применяют различные классификации топлив. Практика показала, что вязкость топлива является очень важным, но далеко не единствен-

ным показателем, характеризующим целесообразность применения определенной марки топлива в той или иной энергетической установке. Учитывая это, а также сокращение добычи нефти, ухудшение качества нефтепродуктов за счет более глубокой нефтепереработки и четырехкратное повышение цен на нефть в странах ОПЕК было принято решение заменить стандарт BS2869 новым BSMA100: 1982 (BSI), разработанный Британским институтом стандартов. По этому стандарту топливо делится на классы в зависимости от вязкости топлива, но с разными пределами изменения других физико-химических показателей.

Впервые в топливе устанавливалось процентное содержание примесей металлов, таких как ванадий, алюминий. Однако этот стандарт имел серьезные недостатки. В настоящее время за рубежом действуют следующие стандарты: стандарт крупных нефтяных компаний, разработанный фирмой "Шелл" (Англия), BSI (British Standart Institute - BSMA100: 1982), CIMAC (International Cjuncil on Combustion Engines), ISO (biternational Organisanion for Standartisation -IS08217).

Стандарт фирмы "Шелл" имеет 10 групп и 24 класса топлив. Основой этого стандарта является принцип различной вязкости с одинаковыми пределами изменения показателей качества топлива. В январе 1983 года введен в действие стандарт BSI для контроля качества перспективных топлив по 18 физико -химическим показателям. В стандарте BSI сделана попытка учесть и согласовать интересы нефтяных и дизелестроительных фирм, а также специалистов, эксплуатирующих двигатели. В 1983 году был принят стандарт CIMAC, который содержит классификацию 12 сортов топлив, разделенных на вязкостные группы. Три сорта топлив - CIMAC3, CIMAC6, CIMAC12 - представляют собой типичные композиции дизельных топлив хорошего, среднего и низкого качества. В марках топлив буквы DM и RM обозначают соответственно дистиллятные и остаточ