Система подготовки и подачи водотопливной эмульсии энергетической установки

 

Изобретение относится к топливоподготовке, предназначено для использования в современных судовых котлах. Изобретение позволяет повысить надежность работы котлов на обводненном топливе при автоматических пусках. Система содержит емкость для обводненного топлива, встроенную в ее нижней части полость чистого топлива, гидравлически сообщающуюся верхней и нижней частями с аналогичными частями емкости, сообщенные последовательно с полостью приемный трубопровод топлива, топливный насос, эжектор, топливоподогреватель, форсунку, сообщенные с емкостью последовательно трубопровод приема воды и всасывающую часть эжектора, трубопровод рециркуляции, соединяющий нагнетательный трубопровод эжектора после топливоподогревателя с приемом воды. 1 ил.

Изобретение относится к топливоподготовке, предназначено для использования в современных судовых котлах, работающих в автоматическом безвахтенном режиме, а также может быть применено на береговых котельных установках и двигателях внутреннего сгорания.

Известна система приготовления водотопливной эмульсии, содержащая емкость для водотопливной эмульсии, емкость для воды, насос подачи топлива из мазутохранилища, насос подачи водотопливной эмульсии к форсункам, электроподогреватель, регулирующий клапан, трубопровод подачи мазута - топлива с установленным струйным смесителем, трубопроводы водотопливной эмульсии от емкости к форсункам и рециркуляции излишков эмульсии обратно от форсунок к емкости (Борщев Д. Я. Устройство и эксплуатация отопительных котельных малой мощности. Учебное пособие для проф. тех. училищ. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Стройиздат, - 1989. - 198 с.: ил. См. с. 40-41, рис. 13).

Недостатком известной системы является громоздкость и сложность исполнения, ненадежность и неэффективность использования в судовых условиях. Последние недостатки объясняются тем, что при полностью автоматизированных пусках и остановках котлов имеющееся попадание воды в топку последних существенно ухудшает первоначальное воспламенение от искры запальных электродов. Происходят частые срывы автоматических пусков и, как следствие, требуется розжиг котлов в ручном режиме на легком топливе. Кроме того, известная система требует первоначального разделения воды и топлива из образовавшейся некондиционной смеси, а затем снова производит необходимое их смешение. В судовых условиях во время качки судна отделять содержащуюся воду от обводненного топлива, чтобы потом опять смешать и сохранить длительное время теряет практический смысл из-за значительных затрат. Известная система относится к типу бесперебойной (непрерывной) подачи и подготовки водотопливной эмульсии. Последнее также снижает ее эффективность, т.к. судовые котлы часто работают в режимах пусков и остановов. В течение часа котел может несколько раз пускаться и останавливаться, и наоборот, по несколько часов не запускаться из-за отсутствия потребителей пара. Поэтому весь период простоя котла известная система должна работать на циркуляцию водотопливной смеси в емкости во избежание ее расслаивания. В связи с этим недостатком известная система в судовых котлах применения не нашла.

Известна также установка для приготовления водотопливной эмульсии для судовых дизелей, включающая расходной бак топлива, бак с водой, топливный насос, трубопроводы с клапанами и фильтрами, струйный смеситель - эжектор (Установка для приготовления водотопливной эмульсии /Сисин А.// Речной транспорт. - 1984, N 10. Cм. с. 32). Установка также относится к типу систем с непрерывной прокачкой водотопливной эмульсии. В случае ее остановки - происходит расслаивание последней. Хотя в известной системе и исключена емкость для эмульсии, тем не менее она также сложна, ненадежна и по таким же причинам не применяется в судовых котлах. Кроме того, в ней также требуется вначале разделить топливо и воду, а затем смешать.

Известно множество других систем для приготовления водотопливных эмульсий, в значительной степени похожих на упомянутые. Например, установка для получения водотопливной эмульсии (А. С. СССР N 1711957 МКИ⁵ B 01 F 3/08, 13/10), дооборудованная дополнительно, в отличии от описанной выше, емкостью водотопливной эмульсии, сообщенной с атмосферой. Однако и данная известная система обладает всеми описанными недостатками, непригодна для использования в судовых котлах.

Известна система подготовки и подачи водотопливной эмульсии энергетической установки (Разработка устройств и технологий для сжигания льяльных вод в судовых энергетических установках: Отчет о НИР N 667 (заключительный) / ДАЛЬРЫБВТУЗ; Руководитель А.Я. Исаков. - 120/82-85; N ГР 01820087811; ИНВ. N 02860043622. - Владивосток, - 1985. - 65 с. См. с. 63-65, рис. 3.10), являющаяся наиболее близкой к заявляемому техническому решению, содержащая цистерну обводненного топлива, приемные трубопроводы топлива и воды, вмонтированные в цистерну соответственно первый выше, а второй ниже относительно днища цистерны, и сообщающие с ней проточный кавитационный смеситель ПКС-4, трубопроводы с разобщительными и регулировочными клапанами и фильтрами, последовательно сообщенные топливный насос, проточный топливоподогреватель и форсунку, установленные перед энергетической установкой.

Забор воды и топлива осуществляется из одной и той же цистерны, но с разных уровней. Ввод смесителя в действие производится вслед за запуском парогенератора на чистом топливе.

Данная известная система характеризуется простотой конструктивного исполнения и эксплуатации, не требует больших капитальных затрат, обеспечивает надежное и качественное (за счет автоматического поддержания баланса давлений на входе смесителя) приготовление водотопливной эмульсии из обводненного топлива и отстойных нефтесодержащих вод, скапливающихся в нижней части расходной цистерны. Однако и эта известная система, также как и вышепредставленные, не отвечает требованиям автоматизации судовых вспомогательных котлов, так как из-за неизбежного расслаивания водотопливной эмульсии в трубопроводах, обусловленного отсутствием циркуляции смеси во время простоев парогенератора, обслуживающий персонал вынужден вручную переводить питание котла на чистое топливо перед каждым пуском. И только после стабилизации горения в топке, также вручную, систему переводят на режим приготовления и подачи водотопливной эмульсии.

Данный недостаток - непригодность для автоматической работы котлов, обусловлен срывами пусков из-за попадания в форсунку коагулированной порции воды.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является устранение указанного недостатка, а именно не возможности обеспечить автоматический пуск котла в условиях работы на водотопливной эмульсии, путем соответствующей организации циркуляции топлива и водотопливной эмульсии, согласованной с автоматической работой котла, и самозадержки подачи водотопливной эмульсии от момента пуска (воспламенения топлива в топке котла) и до стабилизации процесса горения.

Указанная техническая задача достигается тем, что в известной системе подготовки и подачи водотопливной эмульсии энергетической установки, содержащей емкость для обводненного топлива, форсунку, проточный топливоподогреватель, трубопроводы с установленными на них фильтрами, разобщительной и регулировочной арматурой, а также насос подачи топлива и смеситель, сообщенные с емкостью обводненного топлива приемными трубопроводами топлива и воды, причем, приемник приемного трубопровода топлива расположен выше приемника приемного трубопровода воды относительно днища топливной емкости, в отличии от нее, предлагаемая система дополнительно содержит трубопровод рециркуляции системы, сообщающий нагнетательный трубопровод смесителя с приемным трубопроводом воды, и полость чистого топлива, расположенную внутри корпуса емкости для обводненного топлива в районе ее нижней части, расширяющуюся сверху вниз и ограниченную непроницаемой боковой стенкой. Нижняя часть полости гидравлически связана с нижней частью, а верхняя - с верхней частью топливной емкости. Приемный трубопровод топлива соединяет всасывающую сторону топливного насоса с полостью чистого топлива. Смеситель выполнен - струйным, установлен между форсункой и топливным насосом, являющимся для смесителя источником гидравлической энергии - рабочий патрубок последнего соединен с топливным насосом. Своим всасывающим патрубком смеситель сообщен с приемным трубопроводом воды и через него соответственно с нижней частью емкости для обводненного топлива. Нагнетательный трубопровод смесителя сообщен с форсункой и, через трубопровод рециркуляции и установленный на нем разобщительный клапан, с приемным трубопроводом воды.

Проточный топливоподогреватель установлен на нагнетательном трубопроводе смесителя на участке, который находится до места соединения нагнетательного трубопровода смесителя с трубопроводом рециркуляции. Причем, приемный трубопровод топлива сообщен с полостью чистого топлива.

Предлагаемая система в совокупности ограничительных и отличительных признаков позволяет повысить надежность работы котлов (энергетических установок) на обводненном топливе в автоматических (безвахтенных) режимах пусков и остановов. В свою очередь, это достигается удалением в период процесса циркуляции перед каждым автоматическим пуском котла расслоившейся водотопливной эмульсии из трубопроводов системы в нижнюю часть емкости для обводненного топлива. Это обеспечивается в общей совокупности признаков посредством трубопровода рециркуляции, сообщающего нагнетательный трубопровод струйного смесителя с приемным трубопроводом воды и через него с нижней частью емкости для обводненного топлива, посредством размещенной в ее нижней части полости чистого топлива, расширяющейся сверху вниз, гидравлически связанной своей верхней и нижней частями соответственно с верхней и нижней частями этой емкости, а также сообщением приемного трубопровода топлива с полостью чистого топлива. Удаление расслоившейся водотопливной эмульсии в этот период циркуляции достигается за счет подогрева топлива посредством проточного топливоподогревателя, установленного на нагнетательном трубопроводе струйного смесителя. Нагретая эмульсия частично расслаивается на топливо, которое всплывает и оказывается в расширяющейся сверху вниз полости чистого топлива, и воду, остающуюся на дне, т.е. нижней части цистерны, гидравлически связанной с этой полостью. Кроме того, имеет место эффект вытеснения поступившей воды из объема полости чистого топлива за счет термического расширения топлива, подогреваемого в проточном топливоподогревателе. Таким образом, во время предпусковой циркуляции, трубопроводы системы заполняются "чистым" и равномерно нагретым до необходимой температуры топливом, что способствует надежному автоматическому пуску котла. Сообщение приемного трубопровода топлива с полостью чистого топлива, помимо функции циркуляции перед пуском котла, обеспечивает в совокупности после его запуска, работу топливного насоса на расход топлива из верхней части полости чистого топлива и смешивание его в струйном смесителе с водой, забираемой последним со дна топливной цистерны, т. е. обеспечивает работу на саму подготовку и подачу водотопливной эмульсии в энергетическую установку. Это смешивание достигается посредством сообщения всасывающего патрубка струйного смесителя с приемным трубопроводом воды (и далее с нижней частью емкости). Таким образом достигается поставленная техническая задача: повышение надежности работы котлов (энергетических установок) на обводненном топливе в автоматических (безвахтенных) режимах пусков и остановов.

На чертеже изображена принципиальная схема системы подготовки и подачи водотопливной эмульсии энергетической установки на примере типового судового котельного топочного устройства типа "Монарх" с позиционным автоматическим регулированием топливосжигания.

Система содержит емкость для обводненного топлива, выполненную в виде цистерны 1, размещенную в нижней части ее корпуса, расширяющуюся сверху вниз и открытую внизу полость чистого топлива, выполненную в виде выгородки 2, ограниченной непроницаемой боковой стенкой 3, трубопровод 4, соединяющий между собой верхние части выгородки и цистерны через невозвратный клапан 5, приемный из верхней части выгородки 2 трубопровод топлива 6 с фильтром 7 и запорным клапаном 8, соединенный со всасыванием топливного форсуночного насоса 9, сообщенные с ним последовательно смеситель эжекторного типа 10, производительностью не менее 30% от производительности топливного насоса, проточный топливоподогреватель 11, подпружиненный топливный золотник 12, форсунку 13, а также трубопровод рециркуляции 14 с разобщительным электромагнитным клапаном 15, сообщающий нагнетательный трубопровод 16 смесителя с приемным трубопроводом воды 17, соединенным со всасыванием смесителя. Приемный трубопровод воды 17 сообщен с клапаном 18 и фильтром 19.

Систему используют следующим образом.

Цистерну 1 наполняют обводненным топливом (не показано), вытесняющим воздух из выгородки 2 по трубопроводу 4 с невозвратным клапаном 5. Постепенно более тяжелая вода скапливается в нижней части цистерны. Автоматический пуск котла (не показано) начинают с его вентиляции (не показано), запуска форсуночного насоса 9 и циркуляции жидкости по контуру, содержащему выгородку 2, трубопровод 6, форсуночный насос 9, смеситель - эжектор 10, проточный подогреватель 11, трубопровод рециркуляции 14, его открытый электромагнитный клапан 15, трубопровод 17 и нижнюю часть цистерны 1. По мере циркуляции оставшаяся в трубопроводах 6, 16, 14 и 17 системы после предыдущей работы котла расслоенная водотопливная смесь нагревается, разделяется гравитационным способом в расходной цистерне 1 и замещается "чистым" топливом. При этом, более горячее и легкое топливо заполняет объем выгородки 2, а вода концентрируется в нижней части топливной цистерны 1. По окончании вентиляции котла электромагнитный клапан 15 автоматически закрывается и топливо под давлением поступает через золотник 12 к форсунке 13, далее воспламеняясь в топке котла от искры электродов (не показано). Количества "чистого" топлива, заполнившего трубопроводы системы во время вентиляции, достаточно для стабилизации горения в топке котла. С запаздыванием (самозадержкой), обусловленным временем расходования "чистого" топлива, находящегося в трубопроводах системы с окончанием вентиляции и необходимого для стабилизации процесса горения в топке котла (не показано), к форсунке подают водотопливную эмульсию, которая готовится в эжекторе 10 из топлива, забираемого насосом 9 из выгородки 2 по трубопроводу 6, и отстоявшейся воды, подсасываемой эжектором из нижней части цистерны 1 по трубопроводу 17.

Формула изобретения

Система подготовки и подачи водотопливной эмульсии энергетической установки, содержащая емкость для обводненного топлива, форсунку, проточный топливоподогреватель, трубопроводы с установленными на них фильтрами, разобщительной и регулировочной арматурой, а также насос подачи топлива в форсунку и смеситель, сообщенные с емкостью обводненного топлива приемными трубопроводами топлива и воды, причем приемник приемного трубопровода топлива расположен выше приемника приемного трубопровода воды относительно днища емкости, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит трубопровод рециркуляции системы, сообщающий нагнетательный трубопровод смесителя с приемным трубопроводом воды, и полость чистого топлива, расположенную внутри корпуса емкости для обводненного топлива в районе ее нижней части, расширяющуюся сверху вниз и ограниченную непроницаемой боковой стенкой, смеситель выполнен струйным, установлен между форсункой и топливным насосом, его рабочий патрубок сообщен с топливным насосом, всасывающий - с приемным трубопроводом воды, а нагнетательный трубопровод смесителя сообщен с форсункой и через трубопровод рециркуляции системы и установленный на нем разобщительный клапан - с приемным трубопроводом воды, причем проточный топливоподогреватель установлен на нагнетательном трубопроводе смесителя до места соединения этого трубопровода с трубопроводом рециркуляции, приемный трубопровод топлива сообщен с полостью чистого топлива, а сама полость чистого топлива имеет гидравлическое сообщение своей нижней части с нижней, а верхней части - с верхней частью емкости для обводненного топлива.

РИСУНКИ

Рисунок 1