Сепараторы, схемы их включения и автоматического управления

В сепараторах используется принцип расслоения жидкостей различ­ных плотностей или жидкости и взвешенных в ней частиц под действием центробежных сил, возникающих при вращении барабана. Для создания центробежного поля при очистке жидкости применяют аппараты двух ти­пов: неподвижный - гидроциклон, в котором поток жидкости вращается в неподвижном корпусе цилиндрической, цилиндроконической или ко­нической формы, и вращающийся- центрифуга, ротор которой вращает­ся вместе с жидкостью. Центрифугу, имеющую ротор с пакетом коничес­ких тарелок, обычно называют тарельчатым центробежным сепаратором. Подобные устройства наиболее широко распространены на морском флоте для очистки топлив и масел.

В тарельчатой центрифуге жидкость, введенная в ротор по централь­ной внутренней трубе, движется к периферии пакета конических тарелок, которые делят поток в роторе на ряд тонких слоев. В результате путь осаждения механических частиц и глобул воды становится короче и про­цесс осаждения ускоряется.

Эффективность очистки жидкости в тарельчатой центрифуге повы­шается с увеличением максимального радиуса тарелок. Однако увеличе­ние r_max ограничено диаметральным размером ротора, так как при r_max равном внутреннему радиусу ротора, на его стенках не остается места для сбора шлама, и грязеемкость центрифуги в этом случае будет очень ма­ленькой. В тарельчатой центрифуге существует предел разделения сус­пензии, который определяется минимальным критическим размером ча­стиц, выделяемых в осадок.

Очистка высоковязких топлив в сепараторах может осуществляться в режиме пурификации или кларификации в зависимости от содержания в топливе воды. Режим пурификации обеспечивает непрерывное удаление из топлива воды и постепенное накопление в барабане сепаратора меха­нических примесей, выброс которых в грязевую емкость производится периодически. Режим кларификации предусматривает после очистки вы­соковязкого топлива сепаратором в режиме пурификации дополнитель­ную очистку от оставшихся механических примесей, которые скапливают­ся в барабане и по мере заполнения его грязевой полости выбрасывают­ся в грязевую цистерну.

Обычно для очистки топлива используется, по меньшей мере, два се­паратора, устанавливаемых последовательно (рис. 2.32, а) и параллель­но (рис. 2.32, б). При сепарации остаточных сортов топлива в случае до­статочной производительности каждого сепаратора самая эффективная очистка обеспечивается при последовательном расположении сепарато­ров, работающих в режиме пурификации и кларификации.

Каждый сепаратор по своей производительности должен быть спо­собен очищать все количество топлива, потребляемого двигателем, не превышая величины потока, рекомендуемой заводом-изготовителем.

Если производительность установленного сепаратора низкая (для данной вязкости используемого топлива) и ес­ли устанавливается более од­ного сепаратора, то для обес­печения меньшей скорости по­тока рекомендуется парал­лельная работа. Производи­тельность, при которой за ус­тановленное время будет се­парироваться из топлива мак­симальное количество приме­сей, является оптимальной. Она определяется по формуле:

Ge = 24geNe/(tkp),

где gе - удельный расход топлива, кг/(кВтч);

t - время работы основ­ного очистителя в течение су­ток (при наличии резервного очистителя - от 8 до 20 ч, при отсутствии - не более 8 ч);

k, р - вязкостный коэффи­циент и плотность топлива со­ответственно (для дизельного топлива k = 1, р = 840 кг/м3;

для моторного топлива ДТ и мазута Ф5 k = 0,56, р = 903 кг/м3; для мазу­та флотского Ф12 k =0,44, р = 918 кг/м3); Ne - эффективная мощность ЭУ.кВт.

По принципу очистки барабана от грязи сепараторы делятся на две группы: несамоочищающиеся, из которых накопившуюся в барабане грязь удаляют вручную, для чего требуется остановка и разборка сепара­тора, и самоочищающиеся, из которых грязь удаляется автоматически под действием центробежных сил на ходу сепаратора во время открытия барабана.

Процесс очистки топлива в барабане сепаратора представлен на рис. 2.33, на котором барабан показан в сборе.

Условно левая часть чертежа показывает настройку сепаратора на пу-рификацию, а правая - на кларификацию. При пурификации топливо по­ступает во внутреннюю вертикальную полость тарелкодержателя и через отверстия в его коническом основании попадает в распределительные от­верстия конических тарелок. В результате непрерывной подачи грязное топливо по каналу А через распределительные отверстия в тарелкодержателе заполняет межтарелочное пространство.

Здесь, при вращении бара­бана 2 топливо очищается, бла­годаря разности центробежных сил, действующих на частицы топлива, воды и механических примесей.

Вследствие наклона таре­лок, образующих пакет, части­цы воды и механические при­меси, как более тяжелые, идут вниз, к периферии тарелок по их нижним поверхностям, а очищенное топливо - вверх, по верхним поверхностям тарелок к центру барабана. Достигнув наружной поверхности вертикальной части тарелокодержателя, топливо перемещается вверх и по кольцевому зазо­ру между тарелкодержателем и водяной горловиной попадает в среднюю камеру Б крышки - сборника 1 сепаратора. Отсюда его забирает насос и направляет в систему.

Механические примеси, будучи тяжелее воды и топлива, отбрасыва­ются на стенки корпуса барабана. Вода, отброшенная к стенкам барабана, перемещается по ним вверх и через зазор между водяной горловиной и регулировочной шайбой попадает в нижнюю камеру крышки-сборника.

Принцип действия автоматизированного сепаратора с периодичес­кой очисткой барабана состоит в следующем.

При пуске сепаратора вначале через электромагнитный клапан 2 (рис. 2.34) подводится вода для запирания барабана сепаратора порш­нем-затвором 3, который, поднимаясь в верхнее положение, входит в полость 14 и запирает разгрузочные окна 5, расположенные по окружно­сти барабана. Примерно через четыре минуты работы сепаратора откры­вается электропневматический клапан 12, подводящий сжатый воздух в сервомотор топливного клапана 13, который, открываясь, пропускает по­догретое топливо в барабан сепаратора. Топливо подается насосом 18 че­рез подогреватель 16.

Производительность сепаратора устанавливают дроссельным клапа­ном 19, регулируя разность давлений перед и за этим клапаном. Очищен­ное топливо из полости 6 сепаратора откачивается насосом 17.

По сигналу на пульте управления «Барабан засорен», который подается датчиком 7, производится очистка барабана. Это происходит следующим образом. Топливный клапан 13 перекрывает поток топлива в сепаратор. Электромагнитный кла­пан 1 открывает доступ воды в полость 4, в результате че­го поршень-затвор опуска­ется вниз и открывает раз­грузочные окна 5 барабана для удаления шлама. Через 15 с клапан 1 закрывается, и вода из полости 4 отводится по отверстию 15 в барабане. Клапан водяного затвора 10 открывается через 100 с по­сле включения программы очистки и остается откры­тым примерно 35 с.

Сепарирование пре­кращается включением про­грамм остановки. Электро­двигатель при этом продол­жает работать еще около 70 с, что является достаточ­ным для полной очистки ба­рабана сепаратора. При включении тока закрывают­ся все электромагнитные клапаны. Таким образом, барабан остается опорож­ненным, и все клапаны за­крытыми.

Работа сепаратора обеспечивается холодной пресной водой, подводи­мой в бак по трубопроводу 8, и теплой пресной водой, которая подается к сепаратору по трубопро­воду 9. К клапану 12 подводится сжатый воздух по трубопроводу 11.

На рис. 2.35 в последовательности, соответствующей порядку сбор­ки, показаны детали барабана: порядок сборки на режим пурификации (рис. 2.35, а) и на режим кларификации (рис. 2.35, б}.

Отличием при настройке на пурификацию является установка над комплектом тарелок 5 на тарелкодержателе 3 водяной горловины б и за­крепление на крышке барабана 9 регулировочной шайбы 12 с помощью кольцевой гайки 14.

При настройке на кларификацию водяную горловину, регулировоч­ную шайбу и нижнюю тарелку из комплекта удаляют, а вместо них устанавливают нижнюю тарелку 4 без выпускных отверстий, верх­нюю тарелку 7 с высокими реб­рами и на крышку барабана вместо регулировочной шайбы закрепляют грязевую горлови­ну 13. На рисунке показаны кольцо 2, резиновые кольца 8 и 11 и кольцевая гайка 10.

Для нормального процесса сепарации большое значение имеет правильный выбор раз­мера регулировочной шайбы. В комплект барабана входят не­сколько шайб с различными внутренними диаметрами. Ис­пользование той или иной шайбы зависит от разности плотности сепарируемого топ­лива и воды и от процентного содержания воды в топливе. Чем больше разница плотности и чем больше содержание воды в топливе, тем больше должен быть внутренний диаметр регу­лировочной шайбы. Это объяс­няется следующим. В процессе сепарации между топливом и водой в барабане устанавлива­ется граница раздела, при которой вода не должна выходить из сепара­тора с очищенным топливом, а топливо не должно выходить из барабана вместе с отсепарированной водой через зазор, создаваемый регулиро­вочной шайбой Если зазор слишком велик (рис. 2.36, а), то сопротивле­ние канала, по которому вода выходит из барабана, уменьшается и гра­ница раздела приближается к стенкам барабана, в результате чего часть топлива уходит с водой.

Если зазор меньше требуемого (рис. 2.36, б), то сопротивление вы­ходного канала для воды возрастает и граница раздела приближается к центру барабана, из-за чего часть воды может уйти с очищенным топ­ливом. И только при правильно подобранной регулировочной шайбе (рис. 2.36, в) вода полностью отделяется от сепарируемого топлива, а по­тери топлива с удаляемой из барабана водой незначительны.

При выборе регулировочной шайбы следует учитывать следующее. Чем больше плотность топлива, тем ближе к периферии будет приближаться граница раздела. Чтобы не допустить этого, необходимо устанав­ливать регулировочную шайбу с меньшим внутренним диаметром. И, на­оборот, при сепарации легких топлив выбирают шайбу с большим внут­ренним диаметром.

При кларификации, как и при пурификации, неочищенное топливо подается во внутреннюю полость тарелкодержателя. Однако, благодаря наличию нижней сплошной тарелки, топливо входит в межтарелочные зазоры с периферии, что делает его путь длиннее, увеличивает время на­хождения в барабане и обеспечивает более тонкую очистку.

Отделяемые частицы механических примесей центробежной силой прижимаются к нижним поверхностям тарелок, собираются в более круп­ные соединения и сбрасываются с нижних кромок в грязевую камеру к стенкам барабана.

Скорость движения топлива в межтарелочных зазорах определяет качество очистки. При высокой скорости мелкие частицы пройдут вместе с топливом весь зазор, так и не успев отсепарироваться. Поэтому на каче­ство очистки влияет подача сепаратора, в связи с чем предусмотрено ее регулирование.

Для обеспечения удовлетворительной сепарации в обычных сепара­торах плотность тяжелых топлив не должна превышать 0,99 кг/л при 15°С. Максимальная разница в плотностях топлива и воды находится в диапа­зоне 80-90^оС. Вязкость топлива при сепарации должна быть 12-16 сСт (двухтактные дизели) и 9,5~14 сСт (четырехтактные дизели). Фирма «Альфа-Лаваль» рекомендует соблюдать следующие оптимальные соотношения производительности сепаратора и температуры сепарации в за­висимости от вязкости:

Топливо, прошедшее подогреватель, поступает в сепаратор сверху через патрубок 1 (рис. 2.37) и далее по центральному каналу движется в нижнюю часть барабана, приводимого во вращение электродвигателем посредством вала. При поступлении в барабан топливо приходит во вра­щение вместе с ним, и по мере продвижения по узким щелям, образован­ным между тарелками, в направлении оси вращения, скорость топлива увеличивается и приходит в соответствие с частотой вращения барабана. В щели между тарелками топливо попадает через отверстие в распреде­лительном диске и аналогичные отверстия в тарелках. В зависимости от размеров сепаратора число тарелок составляет 15~50. В целях повышения эффективности очистки, зазор между тарелками в современных сепара­торах уменьшен до 0,5-0,6 мм.

Одновременно с вращением, топливо под действием напора, созда­ваемого на входе сепаратора, движется между тарелками, где происхо­дит его очистка, и далее направляется к выходному патрубку 2.

При работе в режиме пурификации в барабане сепаратора поддер­живается водяной затвор (см. рис. 2.37). Граница раздела воды с топли­вом должна располагаться у внешней кромки распределительных отвер­стий и ни в коем случае не проходить по отверстиям или правее них. В пер­вом случае будет наблюдаться торможение потока топлива на входе в та­релки, что приведет к резкому ухудшению сепарации, а во втором - в зо­ну очищенного топлива будет поступать вода.

Эффективность сепарации повышается, когда поверхность раздела отодвигается влево от отверстий, так как увеличивается эффективная по­верхность тарелок. Но в этом случае растет опасность исчезновения (раз­рыва) водяного затвора и, как следствие, утечка топлива к водоотводно­му патрубку 3. Для создания водяного затвора в сепаратор по каналу 12 подводится вода, которая служит и для промывки барабана при его раз­грузке.

Обычно водяной затвор пополняется за счет воды, сепарируемой из топлива. Для поддержания равновесного положения между количества­ми воды, отбираемой из топлива (поступающей в зону гидравлического затвора) и уходящей из него, на выходе установлен гравитационный диск. Поскольку давление на границе раздела топлива с водой, а значит, и положение границы зависят от плотности топлива, размеры диска под­бирают в соответствии с ней. Неправильно подобранный диск приведет к смещению поверхности раздела и нарушению эффективности сепарации.

Необходимость в регулировании водяного затвора путем подбора гра­витационного диска в новых моделях сепараторов АЛКАЛ («Альфа-Ла­валь») и Секутрол («Вестфалия») полностью исключена, так как в них осу­ществлен непрерывный контроль за выходящим из сепаратора топливом и при появлении в нем воды автоматически увеличивается проходное се­чение клапана, осуществляющего разгрузку барабана от воды. Вода отво­дится непрерывно с помощью напорного диска по каналу 3.

Наиболее распространенными и эффективными являются сепарато­ры фирмы «Альфа-Лаваль» (рис. 2.38). Сепаратор может работать как кларификатор (отделение твердых частиц из топлива) или как пурификатор (сепарация воды и отстоя, причем вода непрерывно удаляется из ба­рабана). При работе в режиме пурификатора вода и очищенное топливо покидают сепаратор через свой выход.

Выход более тяжелой фазы воды расположен на несколько большем радиусе, чем выход более легкой жидкости.

Степень достигаемой сепарации зависит от положения поверхности раздела, которая определяется диаметром гравитационной тарелки. Раз­делительная поверхность пурификатора должна располагаться как мож­но ближе к периферии барабана, однако она не должна находиться вне наружного диаметра верхней тарелки, иначе топливо будет выходить че­рез выход воды. Для предотвращения этого барабан заполнен до края разделительной поверхности уплотняющей водой, образующей жидкост­ное кольцо, внутренняя сторона которого служит жидкостным затвором для топлива. При работе сепаратора в режиме кларификатора тяжелый выход воды с примесями должен быть заблокирован, что достигается пу­тем установки наименьшей гравитационной тарелки. Кларификатор име­ет лишь один выход (для топлива), а отстой, твердые включения и вода удаляются через отстойное отверстие при автоматической очистке.

Во время работы сепаратора поверхность раздела может смеситься к центру (при снижении плотности, вязкости, расхода топлива или при по­вышении температуры), что ухудшает качество сепарирования, или к пе­риферии (при повышении плотности, вязкости и расхода топлива или при понижении температуры), что приводит к разрушению водяного за­твора и поступлению топлива в водоотводящую полость. Влияние изме­нения вязкости, температуры и расхода на смещение поверхности разде­ла обусловливается изменениями перепада давления, возникающего на наборе тарелок в барабане. В связи с этим очень важно выбрать правиль­ную гравитационную тарелку (самая большая тарелка, не вызывающая разрушения водяного затвора, будет правильной) и работать при посто­янном расходе топлива с постоянной температурой сепарирования.

Следует избегать дросселирования и рециркуляции топлива перед сепарацией. Вместо встроенных в сепаратор насосов фирма «Альфа-Ла­валь» предлагает применять отдельные нагнетательные насосы, работа­ющие с одинаковой производительностью, причем рекомендуются два насоса (один - рабочий, другой - резервный) при последовательной ра­боте сепараторов. Оба насоса работают, когда сепараторы действуют па­раллельно. Насосы должны устанавливаться как можно ближе к месту выхода из отстойного бака, причем величина подачи топлива насосами не должна превышать максимального расхода топлива на дизель более чем на 10%. В связи с этим необходимо предусмотреть перелив чистого топлива из расходной суточной цистерны в отстойный бак.

Наиболее простым и надежным режимом при обработке низкосортного тяжелого топлива является последовательный (пурификатор за кларификатором). Это служит также за­щитной мерой в случае смещения поверхности раздела в предшествую­щем пурификаторе, хотя с теоретических позиций па­раллельная работа обеспе­чивает большую произво­дительность сепаратора при условии правильного положения поверхности раздела.

Сепараторы МАРХ-205TGT (типоразмеры 207, 209, 210, 213) фирмы «Альфа-Лаваль» применя­ются для дизелей мощнос­тью от 4000 до 27000 кВт при использовании топлива вязкостью 780 мм2/с при 50°С (3500 cRI). Схема включения сепараторов (рис. 2.39) обеспечивает их последовательную (и па­раллельную) работу в авто­матическом режиме с по­мощью программного обо­рудования опорожнения МАСЕ-25. Фирма «Альфа-Лаваль» рекомендует вы­бирать диаметр отверстий

регулирующих шайб по специальным номограммам. Например при плотности масла 0,96 кг/дм3 при 15°С и температуре сепара­ции 70°С необходим диаметр шайбы 90 мм (линия 1); при плотности топ­лива (масла) 0,87 кг/дм3 при 25°С и температуре сепарации 60°С диаметр шайбы равен 114 мм (линия II). На рис. 2.41 для сепаратора МАРХ-210 при топливе с вязкостью 80 мм2/с при 50° С производительность составляет 7000 л/ч.