CC BY
77Авиационное сконденсированное топливо и его преимущества
В.П. Зайцев,
генеральный директор ОАО «Интеравиагаз»,
Л.С. Яновский,
профессор, начальник отдела ФГУП «ЦИАМ», д.т.н.
В статье приведены основные отличия АСКТ и авиакеросина марки ТС-1.
Ключевые слова: авиагаз, АСКТ, газолет, нефтяной газ, ПНГ, альтернативное топливо, Ми-8ТГ
Aviation condensed (gas) fuel and its benefits
V.P. Zaytsev, L.S. Yanovskiy
The paper represents the main differences of АСКТ and aviation kerosene TG1.
Keywords: aviagas, aviation condensed (gas) fuel A^T, gazolet, oil gas, petroleum gas, LPG, alternative fuel, Mi-8TG.
В последние десятилетия в связи с ростом цен на топлива, производимые из нефти, исследования по поиску приемлемой им альтернативы начали проводиться и в авиации. В частности, анализ зарубежного опыта свидетельствует об активных исследованиях в этом направлении, проводимых в различных странах мира (США, Франция, Германия, Япония, Китай, Катар, Объединенные Арабские Эмираты, Иран, Египет и др.). В России был разработан опытно-промышленный экземпляр двухтопливного вертолета Ми-8ТГ, двигатели которого могут работать как на смеси высококипящих углеводородных газов, состоящей в основном из пропана и бутана, так и на авиакеросине ТС-1, а также на их смеси в любой пропорции.
Авиационное сконденсированное топливо (АСКТ)- это авиационное
топливо, которое вполне может конкурировать с традиционными авиа-топливами. Рассмотрим, в чем же состоит отличие АСКТ, например, от авиакеросина ТС-1.
Авиакеросин ТС-1 является массовым реактивным топливом для до- и сверхзвуковой (с ограниченной продолжительностью сверхзвукового полета) авиации. Оно бывает прямогонным и смесевым. В последнем случае в прямогонную фракцию нефти добавляется гид-роочищенный компонент. По физико-химическим свойствам топливо
Групповой углеводородный
ТС-1 должно удовлетворять требованиям ГОСТ 10227-62.
АСКТ представляет собой смесь парафиновых углеводородов от пропана (С3) до гексана (с доминированием бутана) с небольшой примесью более тяжелых парафиновых углеводородов (вплоть до С10). В технических условиях на АСКТ (ТУ 39-1547-91) предусмотрено ограничение на содержание пропана - мольная доля не более 7,2 %, так как он в основном и определяет давление насыщенных паров в топливном баке при плюсовых температурах. Содержание других компонентов не регламентируется. Основным сырьем (табл. 1) для получения АСКТ является попутный нефтяной газ (ПНГ).
Известно, что по склонности к дымообразованию углеводороды располагаются следующим образом: парафиновые < олефиновые < нафтеновые < ароматические.
Парафиновые углеводороды, из которых состоит АСКТ, характеризуются не только самым малым фактором дымности, но и наименьшей склонностью к образованию нагара. Этим и определяется существенно меньшая дымность АСКТ (она примерно на уровне легкого бензина Б-70) по сравнению с авиакеросинами (табл. 2).
Давление насыщенных паров. С ростом температур окружающей среды давление в топливных баках с АСКТ повышается. Это обусловлено, в основном, испаряемостью пропана. Поэтому баки с АСКТ будут
Таблица 1
состав топлив ТС-1 и АСКТ
Углеводороды Массовая доля, %
ТС-1 АСКТ
Парафиновые 42...32 100
Олефиновые 1,1...2,0 0
Нафтеновые 30.49 0
Ароматические 11.21 0
) Л
«Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (29) октябрь 2012 г.
несколько тяжелее баков с ТС-1, так как баки для АСКТ, рассчитанные на повышенное давление, должны иметь большую прочность, а значит и большую толщину стенок.
Энергетическая эффективность. Чем больше теплота сгорания топлива, эффективнее преобразование химической энергии в тепловую, меньше расход энергии на перевод жидкого топлива в парообразное и т.п., тем выше его энергетические возможности.
По удельной теплоте сгорания АСКТ превосходит реактивное топливо ТС-1 на ~5,0 %, что позволяет иметь на эту величину меньший запас топлива (по массе) при неизменной дальности полета.
Процесс преобразования химической энергии в тепловую у ТС-1, в отличие от АСКТ, в значительной степени зависит от режимных параметров камеры сгорания. Кроме того, полнота сгорания у авиакеросина ТС-1 тесно связана с температурой окружающей среды и значительно снижается в области низких отрицательных температур вследствие увеличения вязкости и ухудшения его испарения. АСКТ, температура кипения которого составляет -10 °С, при отрицательных температурах имеет в несколько раз меньшую вязкость и испаряется значительно легче. Меньшая вязкость АСКТ при отрицательных температурах позволит понизить разрешительный порог эксплуатации авиационной техники с -40 до -50 °С и ниже, а возможность двигателя работать на смеси АСКТ и керосина позволит варьировать величиной этого порога.
Гетероатомные соединения. В топливе ТС-1 имеются гетероатом-ные (меркаптаны, сульфиды, дисульфиды и др.), кислородсодержащие (нафтеновые кислоты, фенолы,
гидропероксиды, смолистые продукты), азотистые соединения (гомологи хинолина, пиридина и др.) и смолы (сложная смесь высокомолекулярных продуктов окислительного уплотнения сернистых, азотистых и кислородсодержащих соединений), а также продукты их взаимодействия.
Наличие в топливах гетероатом-ных соединений крайне нежелательно. Они, как правило, ухудшают эксплуатационные свойства топлива
- понижают термостабильность, вызывают коррозию конструкционных материалов, повышают склонность топлива к дымлению и отложению нагара в камерах сгорания, ухудшают экологические показатели.
Массовая доля гетероатомных соединений в топливе ТС-1 может достигать 2 %. В АСКТ гетероатом-ные соединения практически отсутствуют.
Механические примеси. Топливо, заправляемое в летательный
Таблица 2
Физико-химические свойства топлив ТС-1 и АСКТ
Показатель ТС-1 АСКТ
Молекулярная масса 140 62,4.62,6
Плотность при t = 20 °С, кг/м3 780 585.629
Давление насыщенных паров при t = 45 °С, МПа - < 0,5
Температура начала кипения при давлении 0,1 МПа, °С ~140 -10
Критические параметры температура, °С давление, МПа плотность, кг/м3 362 2,44 248 170 3,9.4,0
Кинематическая вязкость при t = -20 °С, мм2/с 2,95 0,40.0,49
Относительная диэлектрическая проницаемость при температуре 20 °С 40 °С 2,088 2,182 1,80 1,362
Удельная теплота сгорания (низшая) при t = 20 °С, кДж/кг 43287 45217.45845
Теплота испарения при t = - 20 °С, кДж/кг 375 399
Стехиометрический коэффициент, кг возд./кг топл. 14,7 15,40.15,45
Жаропроизводительность, °С 2160 2080
Температура, °С вспышки самовоспламенения > 28 210...220 -76... -83 400
Максимальная нормальная скорость распространения пламени при t = 20 °С, см/с ~39 38.39
Концентрационные пределы распространения пламени при t = 20 °С, % (об.) нижний верхний 1,2 7,1 1,5.1,6 9,5.8,0
Минимальная энергия электрического разряда, необходимая для воспламенения топливо-воздушной смеси оптимального состава при t = 20°С, 10-3 Дж ~0,30 0,25
Класс опасности 4 4
Предельно допустимая концентрация паров топлива в воздухе рабочей зоны, мг/м3 300 300
«Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (29) октябрь 2012 г.
.....ттигятп,.,
аппарат, должно соответствовать восьмому классу чистоты (ГОСТ 17216-71) при массовой доле механических примесей не более 0,0002 %. Механические примеси в реактивных топливах состоят из частиц пыли, песка, продуктов износа и коррозии металлов и их сплавов, твердофазных продуктов окисления топлива и технологических примесей. В АСКТ механические примеси отсутствуют. Это гарантируется специфической, изолированной от атмосферы, технологией его получения, хранения и транспортировки. Газовая топливная система летательного аппарата и двигателя также герметична по всем своим элементам.
Содержание свободной и растворенной воды в топливе. При изменении температуры, давления и влажности воздуха содержание воды в топливе ТС-1 постоянно меняется. При нагревании влага из надтоплив-ного пространства, сообщающегося с атмосферой, переходит в топливо, растворяясь в нем. Если топливо охлаждается быстро, то растворенная вода за время охлаждения, не успевая перейти из топлива в воздух, конденсируется в виде второй жидкой фазы, образуя микроэмульсии или водный отстой. При отрицательной температуре топлива в процессе его охлаждения, в том числе при длительном полете, растворенная вода переходит в свободное состояние и замерзает, образуя мельчайшие кристаллы льда, способные забить топливные фильтры.
При эксплуатации авиационной техники общая массовая доля воды в реактивных топливах может достигать 0,008...0,010 %, в том числе растворенной - в пределах 0,002.0,007 %. Норма на массовое содержание свободной воды в заправляемом топливе составляет < 0,003 %.
В АСКТ имеется только незначительное количество растворенной воды. Свободной воды в АСКТ быть не может, так как технологии его производства, хранения и транспортировки гарантируют от контактов с парами воды, а топливная система вертолета не сообщается с атмосферой (нет дренажной системы).
Термоокислительная стабильность топлива. Для топлива ТС-1 максимальная эксплуатационная температура по термоокислительной стабильности допускается в пределах 100.120 °С. АСКТ состоит из легких парафиновых углеводородов, что однозначно определяет его более высокую термоокислительную стабильность.
Противоизносные свойства. По этому показателю АСКТ уступает топливу ТС-1. Это обусловлено прежде всего тем, что вязкость АСКТ примерно на порядок меньше вязкости топлива ТС-1. Проти-воизносные свойства АСКТ можно улучшить с помощью специальных присадок, подобных вводимым в гидроочищенные авиационные топлива (например, в топливо РТ). С другой стороны, низкая вязкость АСКТ улучшает по сравнению с ТС-1 работу двигателей при низких температурах, что создает определенные эксплуатационные преимущества для авиатехники, работающей на севере.
Склонность к дымлению, излучению и отложению нагара. АСКТ благодаря углеводородному составу потенциально обладает существенно меньшей склонностью к дымлению, излучению и отложению нагара, чем авиакеросин. Это положение получило полное подтверждение в процессе стендовых испытаний двигателя ТВ2-117ТГ и летных испытаний экспериментального вертолета
Ми-8ТГ на бутановом топливе. Меньшая склонность к отложению нагара на стенках камеры сгорания и лопатках турбины обусловливает возможность значительного увеличения ресурса двигателей при использовании АСКТ.
Пожароопасные свойства. Топливо ТС-1 и АСКТ относятся к легковоспламеняющимся продуктам. Они характеризуются высокой жа-ропроизводительностью (>2000 °С) и легко образуют с воздухом горючие смеси. При их горении выделяется большое количество продуктов сгорания. Однако, в отличие от АСКТ, продукты сгорания топлива ТС-1 обладают повышенной излучательной способностью пламени из-за наличия в них конденсированных частиц (сажа, капли, мехпримеси). Поэтому разлитое реактивное топливо будет гореть дольше и с более интенсивным излучением пламени, чем АСКТ.
Воспламенение паров ТС-1 и АСКТ может произойти от открытого пламени, искры, а также от любого нагретого тела, если его температура выше температуры самовоспламенения паровоздушной смеси. При выполнении различных технологических операций с этими топлива-ми необходимо строго соблюдать правила пожарной безопасности, которые оговорены в технических условиях на топливо.
Топливо ТС-1 при хранении на борту летательного аппарата и на складе ГСМ, а также при некоторых вариантах перекачки и заправки находится в постоянном контакте с воздухом. Это повышает вероятность возникновения пожара. При проливе реактивных топлив происходит пропитка поверхностного слоя земли и смачивание конструкционных элементов, а при повторяющихся проливах - накопление его
ЙИИИИР ШШД ЛЪаъ ¡ЯД уо «Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (29) октябрь 2012 г.
в грунте, что создает определенные проблемы в экологическом и пожарном отношении.
Визуально обнаружить утечку АСКТ затруднительно. Поэтому на объектах его хранения и применения необходимо иметь специальную аппаратуру. Датчики утечек должны фиксировать паровоздушную смесь с объемным содержанием паров топлива на уровне не более 10...20 % нижнего предела воспламеняемого содержания и выдавать на пульт управления сигнал предупреждения.
При хранении, транспортировке и применении АСКТ необходимо та к-же соблюдать требования безопасности в газовом хозяйстве, а также требования, содержащиеся в разделе II «Правил эксплуатации кустовых баз и газонаполнительных станций сжиженных углеводородных газов».
К положительным эксплуатационным особенностям АСКТ, отличающим его от ТС-1, относится отсутствие его контакта с воздухом на всем пути от производства до двигателя. Это практически сводит пожароо-пасность АСКТ к нулю. Она может возникнуть лишь в аварийных случаях, если будет нарушена герметичность емкостей и топливопроводов, то есть в нештатных ситуациях.
При аварийной разгерметизации емкостей и трубопроводов с АСКТ при плюсовых температурах окружающей среды газ будет испаряться и разноситься по ветру, при отрицательных температурах - разливаться, как и ТС-1, но при повышении температуры он испарится. Таким образом, смачивания грунта не произойдет. Следует заметить, что АСКТ, будучи тяжелее воздуха, может накапливаться в низменных местах. Это требуется учитывать и при безветрии применять повышенные меры предосторожности.
Таким образом, пожароопасность АСКТ не выше, чем ТС-1, а в ряде ситуаций даже ниже.
Экологические показатели. В продуктах сгорания реактивных то п-лив практически всегда присутствует группа полиароматических углеводородов (ПАУ) и продукты их химического взаимодействия с оксидами азота (нитроПАУ). Следует отметить, что этим веществам в определенных условиях присущи канцерогенные и мутагенные свойства по отношению к человеку и животным.
Продукты сгорания АСКТ экологически более чистые по сравнению с продуктами сгорания ТС-1. Это обусловлено тем, что в АСКТ отсутствуют ароматические и непредельные углеводороды, смолистые вещества, а также существенно меньше сернистых соединений. В продуктах сгорания АСКТ меньше конденсированных частиц и продуктов термического разложения исходных углеводородов.
По токсичности АСКТ относится к четвертому классу малоопасных веществ. Углеводороды, входящие в АСКТ, обладают легкими наркотическими свойствами. Вдыхание воздуха, содержащего пары АСКТ в концентрациях выше ПДК (более 300 мг/м3), вызывает наркотическое действие - ощущение головной боли, головокружение, раздражение глаз и верхних дыхательных путей. Однако вследствие ничтожной растворимости в крови легких парафиновых углеводородов, которые входят в состав АСКТ, возможность реального отравления парами АСКТ даже при существенном превышении ПДК маловероятна. Таким образом, АСКТ и продукты его сгорания по экологическим показателям значительно лучше ТС-1.
Производство. Производство реактивноготоплива ТС-1 основано на использовании дорогостоящего химико-технологического процесса. Это связано с необходимостью обеспечить на выходе высокое качество сложного по своему химическому составу результирующего продукта, параметры которого должны удовлетворять почти 20 показателям, предусмотренным в ГОСТ. Причем, для контроля этих параметров обычно требуются многочисленные и зачастую весьма трудоемкие оборудование и методики.
АСКТ находится в попутном нефтяном газе (ПНГ) в естественном виде в смеси с другими газами. Поэтому его выделение не представляет особых трудностей, производится посредством обычных физических процессов (сжатие и охлаждение газа) и не требует использования сложного технологического оборудования. При этом по ТУ 39-1547-91 регламентируется содержание только одного компонента - пропана (не более 7,2 %). Поэтому это топливо можно получать даже на малогабаритной установке, основные агрегаты которой можно изготавливать на заводе и доставлять на место дислокации на вертолетах.
Себестоимость производства авиационного сконденсированного топлива значительно ниже, чем реактивного топлива - авиакеросина - и близка к себестоимости автопропана - ПБА или СПБТ.
Таким образом, АСКТ имеет ряд существенных преимуществ (особенно, для авиации) по сравнению с топливом ТС-1, которые в значительной мере компенсируют его несколько меньшую плотность и более высокое давление насыщенных паров.
«Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (29) октябрь 2012 г.
11^ АН| ИШГ I мтШ| Т1Р1Г тгп п°1"ПТГПТГИШШИШ
