Экспериментальное исследование и оптимизация параметров контрольного фильтроэлемента для метода динамических измерений уровня промышленной чистоты авиатоплива

Введение

Обеспечение безопасности полетов является одной из основных задач всех предприятий, осуществляющих летную эксплуатацию и наземное обслуживание воздушных судов (ВС) гражданской авиации (ГА). Топливозаправочные комплексы, обеспечивающие заправку ВС кондиционными авиаГСМ, прямо влияют на безопасность полетов [1].

Кондиционность авиатоплива в значительной степени обеспечивается отстаиванием, фильтрацией и добавлением специальных присадок. Весь этот комплекс мероприятий позволяет поддерживать концентрацию механических примесей и размер загрязняющих частиц в соответствии с нормативными требованиями. Разработка устройств, обеспечивающих измерение и индикацию загрязненности авиатоплива механическими примесями непосредственно в процессе его перекачки и заправки в ВС, является одним из актуальных направлений совершенствования процесса авиатопливообеспечения.

Согласно действующей нормативной документации контроль качества авиаГСМ проводится путем лабораторных анализов проб по установленным показателям, а также визуальным экспресс-контролем. Отбор проб авиатоплива выполняется по всему пути его движения, начиная с площадки приема от поставщика и заканчивая топливными баками ВС. Точки отбора проб приурочены к зонам наиболее вероятного скопления механических примесей и свободной воды (нижние точки трубопроводов и цистерн автотопливозаправщиков, отстойники фильтров и т. п.).

Прием, хранение, перекачка и заправка авиатоплива в ВС сопровождаются как процессами его очищения от механических примесей (фильтрованием и отстаиванием), так и процессами загрязнения частицами износа и коррозии оборудования, а также атмосферной пылью, поступающей через дыхательные устройства. Вследствие непрерывности указанных процессов точечные по времени и месту пробы имеют ограниченный предел достоверности оценки чистоты авиатоплива. В некоторых случаях это может критически повлиять на безопасность полета ВС. Особый риск имеет место при заправке ВС. Конечным очищающим устройством в этом процессе является фильтр-водоотделитель (ФВО) заправщика. В случае уменьшения фильтрующей способности ФВO количество и (или) размер мехпримесей может превысить нормативную величину. Источником неконтролируемого в процессе заправки ВС загрязнения авиатоплива могут стать поврежденные фильтроэлементы (ФЭ) ФВO, а также частицы износа рукавов, счетчика и других устройств, расположенных между ФВO и наконечником нижней заправки (ННЗ).

Основная часть

Для устранения указанной проблемы предложено несколько методов и устройств непрерывного по времени контроля механических примесей [2]. Например, счетчик частиц Parker MCM20¹ или анализатор загрязненности топлива Velcon VCA² [3], использующие лазерное сканирование потока; индикатор «Поток-РТ» в модификации «ЗОНД»³, действие которого основано на фотоэлектрическом эффекте [4]. Предложены также устройства [5][6], действие которых основано на использовании известной зависимости перепада давления на неполнопоточном контрольном фильтре от массы загрязнителя, подведенного к нему.

Применение КФ, основанное на хорошо изученных законах фильтрации [7][8], представляется надежным и достоверным методом.

Схема применения КФ в составе топливозаправщика показана на рис. 1.

Авиатопливо, в том числе в смеси с противоводокристаллизационной жидкостью (ПВКЖ), отбирается на КФ за расходомером. В точке отбора давление регулируется клапаном in-line и в зависимости от его настройки составляет, как правило, 0,35…0,38 МПа. После КФ поток направляется на вход насоса топливозаправщика, где давление близко к нулю всегда, за исключением кратких периодов пуска и останова процесса. Максимальный перепад давления на КФ достигается при его полном загрязнении и равен давлению заправки.

Если известна зависимость перепада давления на КФ от количества подведенного к нему загрязнителя, то по измеренному на определенном интервале времени перепаду давления можно вычислить количество механической примеси, поступившей на КФ за этот период. Далее, измеряя объем авиатоплива, прошедший через КФ за период измерения, можно определить концентрацию мехпримесей в нем. Указанные вычисления целесообразно поручить микропроцессору.

Для практической и экономически обоснованной реализации КФ, требуется выбор его ФЭ, обеспечивающего оптимальное соотношение грязеемкости и чувствительности к уровню загрязненности авиатоплива. Проблема такого выбора заключается в том, что производители фильтров предоставляют гидравлическую характеристику только для чистого ФЭ, снятую при испытании очищенной жидкостью, например обратноосмотической водой⁴ [9]. Поэтому получить гидравлическую характеристику частично загрязненного ФЭ можно только опытным путем.

Целью работы являлось экспериментальное определение зависимости перепада давления на ФЭ от массы загрязнителя, подведенного к единице его площади, и выбор оптимальных параметров ФЭ с использованием полученной характеристики. Наилучшим может считаться ФЭ, имеющий максимальный ресурс при достаточной чувствительности к предельно допустимому уровню мехпримесей.

Под ресурсом в данной работе понимается объем авиатоплива, заправленного топливозаправщиком в ВС, за время использования КФ.

Чувствительность КФ определим как время, требуемое для достоверного определения браковочного уровня мехпримесей 2 г/т⁵ [10].

Параметры, выбираемые для КФ: номинальная тонкость фильтрации, площадь, расход авиатоплива через него, диаметр подводящего трубопровода, точность датчика дифференциального давления.

При выборе ФЭ и планировании эксперимента, были приняты во внимание следующие соображения.

1. ФЭ объемной фильтрации обладает, как правило, большей грязеемкостью по сравнению с ФЭ поверхностной фильтрации (при одинаковой номинальной тонкости фильтрации и эффективной фильтрующей площади). Однако он может отличаться большей зависимостью гидравлической характеристики, снимаемой на загрязненной жидкости, от гранулометрического состава загрязнителя.
2. Применение ФЭ с максимальным перепадом давления, несколько превышающим давление при заправке, позволяет безопасно использовать его полную грязеемкость.
3. Чем более полога гидравлическая характеристика чистого ФЭ, тем больше диапазон располагаемой потери давления и, соответственно, больше ресурс КФ.
4. Номинальная тонкость фильтрации КФ должна быть равна или меньше номинальной тонкости фильтрации контролируемого ФВО.
5. ФЭ должен обладать совместимостью с топливами для реактивных двигателей и ПВКЖ.
6. ФЭ должен производиться в Российской Федерации.

С учетом возможности использования результатов испытаний в топливозаправщиках с производительностью от 500 до 2 500 л/мин при номинальной тонкости фильтрации 3 мкм и давлением заправки 0,35–0,38 МПа в результате анализа возможных вариантов для эксперимента были выбраны гофрированные ФЭ на основе полипропилена (рис. 2).

Схема экспериментальной установки показана на рис. 3.

Для измерения перепада давления использовался датчик ЗОНД-20Exi-ДД-К4И-78-(0…250)-кПа-42-0,15-(+5…+25)-СВМ-Фл-0,5МПа-ТС-1 ГОСТ 10227-2013 (−25…+35 °С) (рис. 4).

Из условий пожарной безопасности испытания ФЭ проводились водой. При средней температуре воды в эксперименте 20 °С динамическая вязкость топлива ТС-1, вычисленная по ГОСТ 10227-2013⁶ [11], и воды [11] различаются не более чем на 4 %. Поскольку динамическая вязкость – единственная физическая характеристика жидкости, входящая в уравнение фильтрации (закон Дарси) [8], то такая замена тестовой жидкости представляется допустимой. Кроме того, сравнительные испытания фильтрующей способности тестируемых ФЭ водой и топливом ТС-1, выполненные изготовителем ФЭ по нашей просьбе на своей установке, показали одинаковые результаты.

Приготовление воды для испытаний производилось методом двукратной фильтрации через трехступенчатый фильтр с номинальной тонкостью фильтрации первой ступени – 10 мкм, второй ступени – 2 мкм, третьей ступени – 0,5 мкм (рис. 5).

В работах авторов [1][12][13] описаны источники и химический состав механических частиц, обнаруживаемых в авиатопливе на разных этапах его транспортировки, хранения, подготовки и выдачи на заправку. Данные о загрязнителях сведены в табл. 2.

В испытаниях ФЭ использовался каолин⁷ с плотностью 2,58 г/см³, являющийся распространенным загрязнителем авиатоплива и поступающий в него с атмосферным воздухом через дыхательные устройства.

При номинальной тонкости фильтрации ФВО 3 мкм в потоке топлива после неповрежденного фильтра могут находиться частицы размером 3 мкм и менее. В случае повреждения ФВО возможно наличие частиц размером более 3 мкм. В эксперименте загрязнителем служила смесь, состоящая (по массе) из 30 % каолина деламинированного с номинальным размером частиц 3 мкм⁸ и 70 % каолина микронизированного с номинальным размером частиц 2 мкм⁹. Исходя из данных производителя о гранулометрическом составе каолинов, расчетный гранулометрический состав тестового загрязнителя представлен на рис. 6.

Взвешивание загрязнителя производилось на электронных весах с погрешностью 0,01 г.

Введение загрязнителя в тестовую жидкость проводилось с учетом рекомендаций ГОСТ 14146-88¹⁰.

Расход жидкости в эксперименте был выбран из условия равенства скоростей фильтрации в опыте и на предполагаемом КФ.

Ресурс КФ обратно пропорционален расходу контрольного потока через него. Поэтому поток целесообразно снижать до предела, ограниченного репрезентативностью содержания частиц мехпримеси в единице объема.

Скорость потока в точке отбора (рис. 1) не может превышать 5 м/с. Практически для разных топливозаправщиков она составляет от 4,1 до 4,8 м/с, что соответствует числам Re в диапазоне (170 000…400 000) >> 4 000. Следовательно, имеет место развитое турбулентное течение [11] с интенсивным перемещением частиц жидкости поперек потока. При этом скоростной напор составляет более 13 кПа. По ГОСТ 17216-2001¹¹ и максимальный размер частиц в жидкостях 4–8-го классов чистоты, соответствующих загрязненности авиатоплива от 0,2 мг/л до 2 г/т, не должен превышать 200 мкм. Исследование [1] сепарирующих элементов ФВО топливозаправщика показало максимальный размер частиц 62 мкм. Гидродинамическая сила при скоростном напоре 13 кПа, действующая на частицу диаметром 200 мкм, составляет ~ 0,05 Н. Сила тяжести, действующая на такую частицу, при ее плотности 1,20…7,85 г/см³ примерно равна 0,0002…0,0007 Н, то есть не менее чем в 70 раз меньше. Следовательно, даже при горизонтальном расположении трубопровода будет происходить турбулентное перемещение частиц мехпримеси, и их концентрация будет приблизительно одинакова во всех точках сечения трубопровода.

В соответствии с регламентом IATA¹² предупредительный уровень загрязнения авиатоплива мехпримесями равен 0,2 мг/л. Это соответствует 4–5-му классу чистоты по ГОСТ 17216-2001 пересчетом по гранулометрическому составу загрязнителя плотностью 7,85–2,60 г/см³. Таким образом, при предупредительном уровне загрязнения количество частиц размером 5 мкм и более, находящихся в 100 см³ топлива, будет составлять не менее 390…780 шт., а их общее число – на два порядка больше. Соответственно, среднее расстояние между частицами размером 5 мкм и более составит не более 6,3 мм, а для всех частиц ~ 0,1…0,2 мм. Следовательно, отбор потока на КФ трубкой с внутренним диаметром 8…12 мм должен обеспечить идентичность гранулометрического состава контрольного потока заправляемому топливу.

Минимальную скорость потока в контрольной трубке рационально ограничить числом Re = 4 000 – границей турбулентного характера потока [11], минимизирующего осаждение частиц на стенках трубки. Для диаметров 8–12 мм соответствующая скорость составит 0,6…0,4 м/c, а расход – 2…3 л/мин. Для обеспечения высокой чувствительности КФ предполагается использование ФЭ площадью 0,2 м² и менее. При этом скорость фильтрации через КФ составит не более 0,40 мм/c. В эксперименте расход жидкости находился в интервале 3,5…4,7 л/мин (рис. 7), а площадь фильтрации составляла 0,21…0,45 м², что обеспечило ту же скорость фильтрации 0,15…0,40 мм/c, а следовательно, и гидродинамическое подобие потока взвеси в ФЭ.

Методика эксперимента заключалась в перекачивании через ФЭ тестовой жидкости известной загрязненности порциями по 170…175 л. Перекачивание заканчивалось при достижении перепада давления 4,5 кг/см². Первично измеряемыми величинами были:

• перепад давления (Pf, кг/см²) на ФЭ в функции времени (t, с) – Pf(t);
• объем (V, л) жидкости, перекаченной через ФЭ в функции времени – V(t).

Далее вычислялась масса загрязнителя, подведенная к 1 м² поверхности ФЭ (mf, г/м²) в функции времени – mf(t):

mf(t) = V(t) ‧ mv/ Sf,

где mv – концентрация загрязнителя, г/л; Sf – паспортная эффективная площадь ФЭ, м.

Затем строилась искомая характеристика ФЭ: масса загрязнителя, подведенная к 1 м² поверхности в функции перепада давления: mf(Pf).

Дополнительно дифференцированием функции V(t) методом двухсторонней разности вычислялся расход (Q, л/мин) через ФЭ.

Расшифровка измерений и расчеты выполнялись с периодом 30 с.

Перепад давления на ФЭ измерялся датчиком типа ЗОНД-20 с основной относительной погрешностью 0,15 % и диапазоном измерения 0…250 кПа. Для осуществления измерений в диапазоне 250…450 кПа и уменьшения погрешности измерения проводились по следующей схеме:

• в диапазоне (0…~230) кПа измерения производились при открытых кранах Кр2, Кр4 и закрытом Кр3 (рис. 3), то есть минусовая полость датчика была соединена с выходом ФЭ;
• при достижении перепада давления ~230 кПа Кр4 закрывался, а Кр3 открывался. В минусовую полость подавалось давление ~230 кПа, которое становилось «опорным» и запиралось закрытием Кр3 и Кр4;
• в диапазоне (230…450) кПа измерение велось при открытом кране Кр2 и закрытых Кр3, Кр4.

С целью определения потери давления на участке коммуникации между точками подсоединения датчика дифференциального давления был измерен перепад давления в отсутствие ФЭ в фильтродержателе при расходе тестовой жидкости 4,5 л/мин. Он составил (0,40 ± 0,12) кПа, что учитывалось в последующих расчетах и построении графиков.

Были испытаны ФЭ, указанные в табл. 1. Испытания ФЭ проводились при концентрациях загрязнителя (0,2; 1,0; 1,6; 50,0) г/м³. Концентрация 50 г/м³ использовалась для ускоренного построения отдельных участков характеристики mf(Pf). При этом испытания других ФЭ на данных участках проводились и с концентрациями (0,2; 1,0; 1,6) г/м³.

На рис. 8 представлена зависимость удельной грязеемкости ФЭ от эффективной площади фильтрации (далее для краткости под удельной грязеемкостью понимается масса загрязнителя, подведенная к 1 м² ФЭ).

В исследованном диапазоне площадей фильтрации удельная грязеемкость ФЭ (mf, г/м²) постоянна. Влияния концентрации загрязнителя, партии фильтрующего материала и жесткости отводящего слоя ФЭ на удельную грязеемкость не выявлено.

На рис. 9 представлена зависимость удельной грязеемкости ФЭ от перепада давления.

Для безопасного применения КФ максимальное давление ФЭ должно быть несколько больше максимального давления заправки. В эксперименте использовались ФЭ с максимальным давлением 0,5 МПа.

На графике рис. 9 выделяются четыре характерные зоны:

зона I – участок линейной зависимости перепада давления и загрязненности ФЭ, по-видимому, соответствующий фильтрации с постепенным закупориванием пор ФЭ частицами примеси [8][9];

зоны II, III и IV – нелинейный участок, соответствующий фильтрации через частично закупоренные поры и осадок.

Для зон III и IV характерна большая и близкая к постоянной скорость увеличения перепада давления при загрязнении ФЭ. Зоны I–III составляют рабочую часть характеристики КФ.

Загрязнение к концу линейной зоны I составляет по результатам проведенных экспериментов 34–38 % от грязеемкости испытуемых ФЭ. Использование только линейной зоны при применении КФ, ограничивает ресурс его применения по грязеемкости в 2,5–3,0 раза.

Полученная зависимость (рис. 9) аналогична результатам, приведенным в [14].

Среднеквадратичные погрешности измерений перепада давления и объема тестовой жидкости, вычисленные по методике авторов [15], приведены в табл. 3.

Инструментальные погрешности измерений, определенные по методике авторов¹³, показаны в табл. 4.

Ошибки вычислений удельной грязеемкости и расхода, определенные по [16], показаны в табл. 5.

Обозначим:

ρ – плотность топлива, кг/м³;

Sf – площадь КФ, м²;

mf – удельную грязеемкость КФ, г/м²;

Mf – грязеемкость КФ, г;

mv – среднюю концентрацию мехпримесей в топливе, г/м³;

Q – средний расход топлива через КФ, м³/с;

Q1 – среднюю скорость заправки ВС, м³/с;

T – ресурс КФ, ч;

R – ресурс КФ, тыс. тонн топлива, заправленного в ВС.

Грязеемкость КФ может быть выражена следующими отношениями:

Mf = mf ∙ Sf = mv ∙ Q ∙ T ∙ 3 600,

из которых можно определить ресурс КФ:

T =  (1)

и

R = 0,0036 ∙ Q1 ∙ ρ ∙ T. (2)

Из (1) и (2) следует, что на увеличение ресурса КФ можно влиять увеличением его площади и уменьшением расхода через него.

Обозначим:

ΔP – абсолютную погрешность измерения перепада давления на КФ, кПа;

Δm – количество мехпримеси, подведенной на 1 м² КФ, г/м² при изменении перепада давления на нем на величину ΔP (рис. 9);

Δt – интервал времени, с, за который происходят изменения ΔP и Δm;

mv1 – браковочный предел загрязненности авиатоплива, г/м³;

 = Dmp – производную кривой mf(Pf) (рис. 9);

ΔM – количество мехпримеси, подведенной к КФ, г при изменении перепада давления на нем на величину ΔP (рис. 9).

Количество мехпримеси, подведенной к КФ за время Δt, может быть выражено следующими отношениями:

ΔM = Dmp ∙ ΔP ∙ Sf = Q ∙ Δt ∙ mv1, (3)

откуда может быть определена чувствительность КФ:

Δt =  (4)

Чувствительность КФ тем лучше, чем меньше время Δt. В соответствии с (4) чем меньше погрешность датчика дифференциального давления, меньше площадь фильтрации и больше расход через КФ, тем выше чувствительность. Следует отметить, что площадь фильтрации и расход влияют на ресурс (1) и чувствительность (4) КФ противоположно.

С использованием экспериментальной зависимости mf(Pf) (рис. 9) и формул (1), (2), (4) было проведено параметрическое исследование по выбору наилучших параметров КФ. На рис. 10 приведена зависимость чувствительности и ресурса КФ с использованием исследованных ФЭ. Для наглядности ресурс выражен в количестве заправок ВС объемом по 15 м³. Вычисления для графиков рис. 10 и 11 выполнены для среднего расхода через КФ, равного 4 л/мин; скорости заправки 1 200 л/мин; браковочного уровня 2 г/т и датчика давления ЗОНД-20 код 73 со шкалой 2,5 кПа, основной погрешностью 0,15 %, для температуры топлива −40…+40 °С.

На малозагрязненном ФЭ (зона I, рис. 9) перепад давления изменяется при поступлении на него мехпримеси относительно медленно. По мере загрязнения ФЭ (зона II, рис. 9) скорость изменения перепада давления возрастает, достигая в зоне III максимальных значений. Соответственно, время реакции КФ на предельный уровень загрязненности уменьшается с возрастанием засорения ФЭ.

Для исследованных ФЭ оптимальная площадь фильтрации составляет 0,05…0,10 м², что находится в пределах существующего производства. При этом ресурс КФ составит 200…400 заправок ВС объемом по 15 м³ (2,35…4,70) тыс. тонн, а время реакции на предельный уровень мехпримесей – не более 25,0…12,5 с, в среднем – 5…10 с.

На рис. 11 показано изменение важного для выбора КФ параметра – количества переключений клапанов Кр2, Кр3, Кр4 (рис. 3) за одну «типовую» заправку объемом 15 м³. Для исследованного ФЭ переключение клапанов потребуются не более 1 раза за заправку. Этот процесс желательно автоматизировать.

Экспериментальное изучение зависимости потери давления на ФЭ от количества мехпримеси, поданного на него, и расчеты, выполненные с использованием полученной связи, показали возможность практического применения КФ для непрерывного мониторинга уровня мехпримесей в авиатопливе. Определены оптимальные размеры КФ и измерительных приборов для непрерывного контроля чистоты авиатоплива по критерию ресурс – чувствительность.

Заключение

1. Доказана эффективность применения неполнопоточного контрольного фильтра для непрерывного мониторинга чистоты авиационного топлива в процессе заправки воздушных судов.

2. Установлена зависимость между перепадом давления на фильтрующем элементе и массой накопленных механических примесей.

3. Определена оптимальная площадь фильтрующей поверхности контрольного фильтра, составляющая 0,05–0,10 м².

4. Установлено, что предложенная конструкция контрольного фильтра обеспечивает:

– продолжительный ресурс работы до 200–400 заправок;

– высокую чувствительность – время обнаружения загрязнения составляет 5–10 с.

5. Подтверждена практическая возможность создания системы оперативного контроля чистоты авиатоплива с использованием контрольного фильтра.

6. Полученные результаты могут быть использованы при создании новых экспресс- методов измерений показателей промышленной чистоты авиатоплива и модернизации существующих, а также послужить основой создания новых датчиков (сенсоров) и разработки систем динамического мониторинга (непрерывной оценки) чистоты авиатоплива в цепи технологических процессов его подготовки и заправки в ВС.

7. Внедрение разработанного решения и интеграция в существующие автоматизированные системы управления технологическими процессами позволит повысить степень автоматизации технологических процессов топливозаправочного комплекса и, как следствие, уровень безопасности полетов за счет предотвращения заправки воздушных судов некондиционным топливом.