Результат интеллектуальной деятельности: ТОПЛИВНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ВОДОИЗМЕЩАЮЩИХ КОРАБЛЕЙ

Изобретение относится к жидким углеродсодержащим топливам на основе смесей углеводородов, в частности к топливным композициям для водоизмещающих (постоянно находящихся на плаву) кораблей, но также может быть использовано на любых водоизмещающих судах, предъявляющих повышенные требования к качеству жидких углеродсодержащих топлив.

На водоизмещающих кораблях устанавливаются следующие типы энергетических установок (далее - ЭУ): дизельные и дизель-электрические, газотурбинные, котлы и котлоагрегаты, т.е. традиционные ЭУ, атомные и комбинированные (1 - www.mil.ru). Во всех перечисленных ЭУ (в том числе атомных, имеющих в качестве резервных традиционные ЭУ) в качестве горючего применяются жидкие углеродсодержащие топлива на основе смесей углеводородов (2 - ГОСТ РВ 50920. «Топлива, масла, смазки и специальные жидкости. Ограничительный перечень и порядок назначения для вооружения и военной техники»).

Основными марками топлив, применяемых для водоизмещающих кораблей, являются:

дизельные топлива Л-0,2-62 и Л-0,05-62 по ГОСТ 305 (2 - ГОСТ 305. Топливо дизельное. Технические условия);

дизельное топливо ЕВРО сорт С по ГОСТ Р 52368 с температурой вспышки, определяемой в закрытом тигле, не ниже 62°С (3 - ГОСТ Р 52368. Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия);

мазут флотский Ф5 по ГОСТ 10585 (4 - ГОСТ 10585. Топливо нефтяное. Мазут. Технические условия).

Указанные выше дизельные топлива являются основным горючим для водоизмещающих кораблей с дизельными и газотурбинными ЭУ, флотский мазут - для водоизмещающих кораблей с котлами и котлоагрегатами с наметившейся тенденцией его замещения указанными выше дизельными топливами.

Дизельные топлива марок Л-0,2-62 и Л-0,05-62 по ГОСТ 305 состоят преимущественно из гидроочищенных фракций нефти, 95 об.% которых выкипают до 360°С (ГОСТ 305). Дизельное топливо ЕВРО сорт С по ГОСТ Р 52368 с температурой вспышки, определяемой в закрытом тигле, не ниже 62°С идентично дизельным топливам Л-0,2-62 и Л-0,05-62 по ГОСТ 305, существенно отличаясь только более низкой плотностью (не более 845 кг/м³ при 15°С) и меньшим содержанием серы (до 0,001 мас.%).

Мазут флотский Ф5 представляет собой смесевое топливо, состоящее из остаточных компонентов первичной переработки нефти (мазут, гудрон) и дистиллятных компонентов как первичной переработки нефти (дизельное топливо, вакуумный газойль), так и вторичной переработки нефтяных дистиллятных фракций - легкий газойль каталитического или термического крекинга (ГОСТ 10585).

Общим недостатком дизельных топлив при их применении на водоизмещающих кораблях является ограничение их ресурсов в связи с вовлечением в их состав только фракций, выкипающих при температуре «не выше 360°С» и большой востребованностью дизельных топлив в качестве горючего для наземной техники. В качестве горючего для водоизмещающих кораблей дизельные топлива имеют необоснованный запас качества по температуре помутнения (предельная температура фильтруемости) - не выше минус 5°С и содержанию серы (до 0,001 мас.%), т.к. температура застывания воды, в которой круглогодично эксплуатируются водоизмещающие корабли, составляет «не ниже 0°С», а содержание серы в судовых топливах (в том числе для водоизмещающих кораблей) ограничено нормой «не более 0,1 мас.%» (5 - MARPOL 73/78. Приложение VI к Конвенции «Правила предотвращения загрязнения воздушной среды с судов»).

Недостатками дизельных топлив в дизельных ЭУ часто является неоптимальная эффективность их сгорания (6 - РФ патент №2577293 G01N 33/22) и затрудненность применения вместо мазута Ф5 на старых кораблях из-за их низкой плотности (от 820 кг/м³ при 15°С), вместо фактической по статистическим данным 890 кг/м³, нарушающей остойчивость корабля. Минимальная плотность топлива для этих кораблей должна составлять не менее 860 кг/м³ при 20°С или, соответственно, 863 кг/м³ при 15°С (7 - ТУ 38.401398-82 «Единое судовое топливо для энергетических установок»). Более низкая плотность дизельных топлив также снижает максимальную дальность хода корабля на одной заправке вследствие более низкой объемной теплоты сгорания.

Недостатком флотского мазута является невозможность его применения на водоизмещающих кораблях с быстроходными дизельными ЭУ (числом оборотов коленвала до 2200 мин^-1) и газотурбинными ЭУ (температура рабочего газа 1000°С и более) в связи с недопустимо высокими значениями его коксуемости (до 6%), зольности (до 0,05%), содержания механических примесей (до 0,1%), воды (до 0,3%), серы (до 1,5 мас.%), плотности (до 958,3 кг/м³ при 15°С), а также коррозионно-агрессивных металлов (ванадий и натрий), проявляющихся в высокотемпературной области - в продуктах сгорания (8 - Б.В. Лосиков и др. Топлива для стационарных и судовых газовых турбин. X., М., 1970, с. 81-92).

Недостатком флотского мазута также является ухудшение эксплуатационных характеристик водоизмещающих кораблей с котельными ЭУ в связи со снижением КПД ЭУ из-за образующихся отложений, ухудшающих теплообмен в элементах установки, и, как следствие, необходимости частых чисток поверхностей нагрева котлоагрегатов (далее - КА), во время которых они выводятся из действия, а корабль не может развить максимальную скорость. Коррозионно-агрессивные металлы в продуктах сгорания систематически приводят к выходу из строя элементов КА (в частности, парогенерирующих трубок), что также требует вывода из действия какого-либо КА, снижающего потенциал корабля на ходу.

Высокое содержание серы в мазуте вступает в противоречие с международным нормативным документом - приложение VI MARPOL 73/78, ограничивающим содержание серы значением «не более 0,1 мас.%».

Перед авторами стояла задача - разработать унифицированную топливную композицию для водоизмещающих кораблей, пригодную для круглогодичного использования, имеющую более широкий, чем дизельные топлива и прототип, выход из нефти и лучшие, чем у них, физико-химические показатели, определяющие энергетические, экологические и защитные эксплуатационные свойства.

Заявляемая топливная композиция должна быть дистиллятной и отвечать следующим основным физико-химическим показателям:

плотность при 20°С - «863-868 кг/м³»;

температура помутнения - «не выше минус 1°С»;

массовая доля серы - «не более 0,1 мас.%»;

цетановый индекс - «не менее 45 ед.»;

превышение цетанового индекса над оптимальным - «от 0 до 5 ед.»; осадок при ускоренном старении - «не более 2,5 мг/100 см³»;

коррозионные потери металлов в условиях попеременного контактирования с топливом и соленой водой - «не более 25 г/м³».

Исходя из указанных требований, известные топлива для водоизмещающих кораблей - дизельные топлива Л-0,2-62 и Л-0,05-62 по ГОСТ 305, дизельное топливо ЕВРО сорт С по ГОСТ Р 52368 с температурой вспышки, определяемой в закрытом тигле, не ниже 62°С и флотский мазут Ф5 по ГОСТ 10585 не в полной мере соответствуют предъявляемым требованиям.

При просмотре патентной и научно-технической информации авторами были выявлены технические решения, частично обеспечивающие выполнение поставленной задачи.

Известно «Судовое топливо с низким содержанием серы», в состав которого входят, мас.%:

(9 - WO 2015188096 A1, C10L 1/04).

Топливу присущи недостатки флотского мазута Ф5 по ГОСТ 10585, как следствие вовлечения в состав топливной композиции остаточного компонента переработки нефти.

Известна топливная композиция для судовых быстроходных дизелей и газовых турбин, в состав которой входят, мас.%:

(10 - патент РФ №2305126, C10L 1/18, C10L 1/24).

Недостатками композиции являются относительно высокая массовая доля серы (до 0,5 мас.%), не соответствующая требованиям приложения VI MARPOL 73/78 для районов контроля выбросов SECA, и высокая (до 7°С) температура помутнения (температура начала образования кристаллов парафинов), обусловленные наличием в ней вакуумной фракции мазута с температурой выкипания 96 об.% до 450°С.

Наиболее близкой по технической сущности, взятой за прототип, является топливная композиция для водоизмещающих кораблей, в состав которой входят, мас.%:

(11 - РФ патент №2496855 C10L 1/18, C10L 1/224, C10L 1/10, C10L 10/00).

Недостатками прототипа являются относительно низкие экологические, энергетические и защитные свойства металла в присутствии соленой (морской) воды.

Технический результат изобретения - повышение экологических, энергетических и защитных свойств топливной композиции.

Указанный технический результат достигается тем, что топливная композиция для водоизмещающих кораблей, содержащая легкий вакуумный погон мазута с температурой выкипания 96 об.% до 400°С и гидроочищенное дизельное топливо, согласно изобретению содержит гидроочищенный легкий вакуумный погон мазута западносибирской нефти с температурой выкипания 96 об.% до 400°С, гидроочищенное дизельное топливо западносибирской нефти с температурой выкипания 95 об.% до 360°С и дополнительно гидроочищенную дизельную фракцию сахалинской нефти с температурой выкипания 95 об.% до 360°С при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Техническая сущность изобретения заключается в том, что использованы гидроочищенный легкий вакуумный погон мазута, полученный из западносибирской нефти с температурой выкипания 96 об.% до 400°С в совокупности с гидроочищенным дизельным топливом, полученным из западносибирской нефти с температурой выкипания 95 об.% до 360°С, и гидроочищенной дизельной фракцией сахалинской нефти с температурой выкипания 95 об.% до 360°С.

Компоненты заявляемой топливной композиции для водоизмещающих кораблей вырабатываются из западносибирской и сахалинской нефтей. Западносибирскую и сахалинскую нефти перерабатывает ООО «РН-Комсомольский НПЗ». Характеристики нефтей представлены в таблице 1.

Гидроочищенный легкий вакуумный погон мазута западносибирской нефти с температурой выкипания 96 об.% до 400°С является фракцией мазута, выкипающей в температурных пределах от 330°С до 375-400°С, получаемой перегонкой мазута из западносибирской нефти на ректификационной колонне НПЗ, работающей при пониженном давлении (при вакууме), имеющий среднюю плотность при 20°С от 892 до 899 кг/м³, подверженной гидроочистке для снижения массовой доли серы до уровня не более 0,1%.

Гидроочищенная дизельная фракция сахалинской нефти имеет плотность при 15°С до 878,4 кг/м³ и, соответственно, при 20°С до 875,4 кг/м³. Дизельная фракция вырабатывается из сахалинской нефти на ректификационной колонне, работающей при атмосферном давлении, и имеет температурные пределы выкипания от 190-200°С до 360°С. Полученная фракция подвергается гидроочистке для снижения массовой доли серы до уровня не более 0,1%.

Гидроочищенное дизельное топливо западносибирской нефти. Получают фракцию западносибирской нефти, выкипающую в температурных пределах от 190-200°С до 360°С, при перегонке нефти на ректификационной колонне, работающей при атмосферном давлении. После чего эту фракцию подвергают гидроочистке для снижения массовой доли серы до уровня не более 0,1%.

Топливная композиция готовится путем смешения компонентов в отдельном резервуаре, подготовленном в соответствии с действующими на момент приготовления топлива на предприятии-изготовителе нормативными документами.

Значения физико-химических показателей компонентов заявляемой топливной композиции для водоизмещающих кораблей приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы, компоненты в отдельности не обеспечивают заявленным физико-химическим показателям: первый компонент имеет высокие температуру помутнения и плотность (таблица 2 - столбец 3, строки 1 и 5), второй компонент - высокую плотность и низкий ЦИ (таблица 2 - столбец 4, строки 1 и 7), третий - низкую плотность (таблица 2 - столбец 5, строка 1).

Для обоснования количественного содержания компонентов в составе топливной композиции для водоизмещающих кораблей были приготовлены опытные образцы (таблица 3).

Полученные образцы прошли лабораторные испытания в объеме требований к основным физико-химическим и эксплуатационным показателям заявляемой топливной композиции для водоизмещающих кораблей, результаты которых приведены в таблице 4.

Из данных, приведенных в таблицах 3 и 4, следует, что выход компонентов топливной композиции из заявленных пределов приводит к недопустимому снижению физико-химических и эксплуатационных показателей. Так, для образца с меньшим, чем заявлено, содержанием первого компонента недопустимо снижается плотность топлива (образец №1 - таблица 3, столбец 2 и таблица 4, столбец 4). При увеличении содержания первого компонента недопустимо повышается температура помутнения (образец №9 - таблица 3, столбец 10 и таблица 4, столбец 12). При уменьшении содержания второго компонента недопустимо снижается плотность топлива (образец №2 - таблица 3, столбец 3 и таблица 4, столбец 5). При увеличении содержания второго компонента недопустимо снижается значение показателя ЦИ и показателя «А», принимающего отрицательную величину, означающую «низкую» эффективность сгорания топлива (образец №8 - таблица 3, столбец 9 и таблица 4, столбец 11, строки 5 и 7).

Таким образом, удовлетворение заданных значений показателей качества топливной композиции для водоизмещающих кораблей достигается только при использовании компонентов в предлагаемых интервалах.

Заявляемая топливная композиция для водоизмещающих кораблей (по образцу №5 - таблица 3, столбец 6) испытана лабораторными методами в сравнении с прототипом (с. 6 описания) и базовым летним дизельным топливом. Результаты испытаний приведены в таблице 5.

Как следует из приведенных данных (таблица 5, столбец 4, строки 1, 3, 5, 7-9), заявляемая топливная композиция превосходит прототип (таблица 5, столбец 5), в том числе по содержанию серы, в 8 раз, защитным свойствам металла от коррозии в 1,5 раза и дальности хода корабля на 3%. С учетом этих показателей технический результат достигнут - обеспечены более высокие, чем у прототипа, энергетические, экологические и защитные эксплуатационные свойства.

В сравнении с базовым топливом (таблица 5, столбец 6), заявляемая топливная композиция превосходит его по содержанию серы в 3 раза, выбросам сажи (в соответствии с патентом №2577293 РФ) до 56%, дальности хода корабля до 6%, защитным свойствам (коррозионным потерям металлов в присутствии морской воды) в 2 раза, что увеличивает ресурс работы топливной аппаратуры.

Уникальность заявляемой топливной композиции заключается также в том, что кроме полученного технического результата достигается большой дополнительный эффект, а именно:

- увеличение выхода на нефть дистиллятных топлив (до 22% за счет вовлечения в состав топливной композиции легкого вакуумного погона мазута), часть из которых (с пониженной температурой помутнения) может использоваться там, где она высоко востребована - на наземной технике, а часть (утяжеленное дизельное топливо с более высокой температурой помутнения) - на водоизмещающих кораблях;

- взаимозаменяемость российских и зарубежных топлив для водоизмещающих кораблей;

- импортонезависимость, как следствие применения только отечественных компонентов и сырьевой базы;

- улучшение демаскирующих свойств водоизмещающих кораблей с котлами и котлоагрегатами за счет снижения выбросов сажи с отработавшими газами;

- унификация топлив для водоизмещающих кораблей, что, в свою очередь, сокращает потребность в средствах их хранения на берегу (за счет повышения коэффициента использования резервуарного парка) и в средствах доставки топлива в море (за счет повышения коэффициента использования емкостей танкерного флота), потребности в резервном оборудовании топливных систем кораблей (насосов, средств очистки и фильтрации), упрощении ремонта агрегатов топливных систем (путем передачи агрегатов с корабля на корабль);

- повышении маневренности располагаемого топлива путем передачи части его с больших кораблей на малые при нахождении их вдали от отечественных баз.

Таким образом, применение изобретения обеспечивает получение технического результата с одновременным получением дополнительного эффекта и будет способствовать решению одной из важнейших национальных задач, поставленных Президентом Российской Федерации по повышению боевой мощи Вооруженных сил России, в том числе за счет увеличения возможностей Военно-Морского Флота (12 - Указ Президента РФ от 31.12.2015 №683 «О Стратегии национальной безопасности Российской Федерации»).