АВИАЦИОННОЕ СКОНДЕНСИРОВАННОЕ ТОПЛИВО Российский патент 1995 года по МПК C10L1/04 

Изобретение относится к моторным топливам, преимущественно авиационным, используемым в газотурбинных двигателях, в частности вертолетах.

Известно авиационное топливо ТС-1, получаемое из нефти по ГОСТ 10227-62, в состав которого входят парафиновые углеводороды в количестве 42-52% нафтеновые 30-49% ароматические 11-21% и олефиновые 1-2% Топливо ТС-1 является основным прямогонным топливом для гражданской авиационной техники и широко применяется в настоящее время.

Однако из-за сокращения добычи нефти потребности народного хозяйства в авиационном топливе не удовлетворяются. В дальнейшем положение с топливом будет еще больше осложняться.

Проблема с топливом особенно остро стоит в районах Западной Сибири и Крайнего Севера в связи с непрерывным увеличением объема работ, выполняемых вертолетами, и трудностями поставки в эти районы авиационного топлива из центральных областей России. Расходы на транспортировку топлива сопоставимы с исходной его стоимостью. Все это привело к необходимости поиска дополнительных ресурсов сырья для получения моторного топлива в этих районах. С другой стороны, экологическая обстановка в районе аэропортов и крупных населенных пунктов далеко не соответствует санитарным нормам, что обусловлено прежде всего дымлением авиационных газотурбинных двигателей и двигателей наземного транспорта, работающих на традиционных топливах, получаемых из нефти. Важным фактором является также ресурс газотурбинных двигателей, определяемый в значительной мере тепловым состоянием горячего тракта двигателя, в том числе стенок жаровой трубы камеры сгорания. Тепловое состояние камеры сгорания зависит от излучающей способности пламени, которое определяется температурой и степенью черноты излучающего пламени, связанной с химической природой углеводородов. Минимальная излучающая способность наблюдается у парафиновых углеводородов, максимальная у ароматических. В условиях Крайнего Севера и при низких температурах окружающего воздуха немаловажное значение имеет и возможность запуска газотурбинного двигателя, определяемая возможностью легкого образования горючей паровоздушной смеси в камере сгорания на режиме запуска. Это качество топлива характеризуется температурой вспышки и температурой выкипания 10% топлива по кривой разгонки.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является авиационное сконденсированное топливо для газотурбинных двигателей на основе смеси парафиновых углеводородов общей формулы C_nH_2n+2-Н-деканов и Н-додеканов в количестве не менее 45 мас. ароматических углеводородов общей формулы С_nH_2n-6 в количестве 12-16 мас. олефиновых углеводородов общей формулы C_nH_2n остальное.

Недостатком известного топлива является высокая температура застывания (от -29 до -45^оС), затрудняющая его использование в районах Крайнего Севера, значительная склонность к дымлению, увеличивающая содержание токсичных веществ в отработавших продуктах сгорания, а также ограниченные ресурсы для получения этого топлива.

Задачей изобретения является расширение сырьевой базы для получения авиационных топлив, улучшение экологической обстановки путем снижения содержания токсичных веществ в отработавших газах, а также повышение надежности и ресурса авиационных газотурбинных двигателей.

Эта задача решается тем, что в авиационном сконденсированном топливе на основе смеси парафиновых углеводородов общей формулы С_nH_2n+2 в качестве парафиновых углеводородов оно содержит парафиновую фракцию С₃-С₈ при следующем соотношении компонентов, мас. Пропан С₃Н₈ 6-10 Нормальный бутан С₄Н₁₀ 13-22 Изобутан С₄Н₁₀ 34-48 Нормальный пентан С₅Н₁₂ 10-12 Изопентан С₅Н₁₂ 10-15 Гексаны С₆Н₁₄ 5-11 Гептаны С₇Н₁₆ 0,8-5 Октаны С₈Н₁₈ +высшие 0,4-2,1
Легкие парафиновые углеводороды, входящие в состав авиационного сконденсированного топлива, обладают низкой излучающей способностью продуктов сгорания, экологически более чистые, обладают хорошими пусковыми свойствами в условиях низких температур.

Авиационное топливо предлагаемого состава получают из широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), вырабатываемой на всех газоперерабатывающих заводах одним из известных способов при переработке нефтяных газов различного углеводородного состава от С₁ до С₁₀.

ШФЛУ представляет собой смесь углеводородов при следующем их массовом содержании (по ТУ-38.101524-83), мас. Метан этан СН₄-С₂Н₆ 3-5 Пропан С₃Н₈ Не менее 15 Бутаны С₄Н₁₀ + пентаны Не менее 35 гексаны С₆Н₁₄ Не более 11, остальное приходится на углеводороды С₇-С₁₀.

По прогнозам ассоциации "Нефтегазпереработка" перспективы производства ШФЛУ только в Западной Сибири в 2000 г составят 13,6 млн.т. При этом нераспределенные (свободные) объемы составят 5,1 млн.т. Из этого количества можно произвести дополнительно примерно 2,5 млн.т. авиационного сконденсированного топлива (АСКТ). Таким образом, использование нефтяного газа только одного нефтедобывающего региона страны позволит примерно на 10-15% увеличить ресурсы авиационного топлива для гражданской авиации. Для получения предлагаемого топлива ШФЛУ подвергают ректификации на установке, схема которой представлена на чертеже.

Установка ректификации содержит ректификационную колонну 1 трубопровод 2 подачи ШФЛУ, воздушный холодильник 3, рефлюксную емкость 4, насос 5, трубопровод 6 для отвода пропано-бутановой фракции (автомобильное топливо), воздушный холодильник 7, трубопровод 8 для отвода авиационного сконденсированного топлива, ребойлер 9, трубопровод 10 орошения ректификационной колонны 1. В процессе производства сырье для получения топлива ШФЛУ, получаемое на газоперерабатывающем заводе, например, способом низкотемпературной ректификации под давлением 30-35 кгс/см², дросселируют до давления 17 кгс/см² и при температуре 78-80^оС подают в середину ректификационной колонны 1. Верхний продукт из ректификационной колонны 1 охлаждают в воздушном холодильнике 3 до температуры 35^оС и направляют в рефлюксную емкость 4, из которой часть продукта пропан-бутановую фракцию ПБФ, насосом 5 подают на орошение колонны 1, а другую часть отбирают в качестве автомобильного топлива, бытового сжиженного газа или сырья для нефтехимии или закачивают в основную массу ШФЛУ, не подвергающуюся перегонке. Нижний продукт авиационное топливо через воздушный холодильник 7 со снижением температуры с 93 до 35^оС подают в товарный парк как готовый продукт (АСКТ). Подогрев низа колонны 1 осуществляют с помощью ребойлера 9.

Сравнительные данные предлагаемого топлива (АСКТ), стандартного авиационного топлива ТС-1 и близких по свойствам к АСКТ пропано-бутанового автомобильного топлива (ПБА), стабильного газового бензина (СГБ) и широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) представлены в табл. 1.

Из данных табл. 1 видно, что предлагаемое топливо (АСКТ) превосходит топливо ТС-1 по теплоте сгорания, обладает существенно меньшей склонностью к отложениям нагара в камере сгорания, дымлению и излучению пламени, не содержит ароматических углеводородов.

ШФЛУ обладает повышенным давлением насыщенных паров из-за наличия в нем метана и этана. Это ограничивает возможность использования его в качестве авиационного топлива. Автомобильное топливо (ПБА), выпускаемое по ГОСТ 25578-87, в состав которого входят: пропан 50 ± 10 мас. непредельные углеводороды не более 6% содержание метана, этана и углеводородов С_4+в не нормируется, не может использоваться в авиационной технике из-за высокого давления насыщенных паров (16 кгс/см² при 45^оС). Стабильный газовый бензин (СГБ) выпускается по ТУ 39-1340-89. СГБ существенно уступает АСКТ по теплоте сгорания и более склонен к отложению нагара.

Таким образом, предлагаемое топливо по сравнению с выпускаемыми промышленностью обладает рядом преимуществ по эксплуатационным свойствам.

В табл. 2 приведены данные по физико-химическим свойствам АСКТ с различным процентным содержанием компонентов фракции С₃-С₈. Определяющим фактором по теплоте сгорания, давлению насыщенных паров и плотности является содержание пропана С₃Н₈. Образец 1 содержит максимальное количество пропана 10 мас. образец 2 содержит 7 мас. пропана и образец 3 минимальное количество пропана 6 мас. Содержание остальных компонентов указано в табл. 2.

Увеличение количества пропана сверх 10 мас. приводит к резкому увеличению давления насыщенных паров, например при содержании пропана 12 мас. давление насыщенных паров при 40^оС составляет более 5 кгс/см², что требует введения существенных конструктивных изменений в систему подачи топлива в ГТД и систему регулирования, а уменьшение количества пропана ниже 6 мас. приводит к снижению теплоты сгорания, а это связано с падением экономичности ГТД, т. е. с увеличением удельных расходов топлива. При этом ухудшаются показатели топлива по дымлению и излучению из-за увеличения содержания в нем более тяжелых углеводородов. Таким образом, предлагаемый состав АСКТ является оптимальным.

В ОКБ с участием ЦИАМ, ЦАГИ и ВНИПИгазпереработки были успешно проведены испытания авиационного сконденсированного топлива на основе парафиновых углеводородов С₃-С₈ на двигателе ТВ2-117ТГ и вертолете Ми-8ТГ в стендовых и летных условиях. Были получены следующие результаты. Запуск двигателя на предлагаемом топливе обеспечивается в широком диапазоне температур, в том числе и отрицательных, с первой попытки, а время приемистости от малого газа до максимального режима сокращается на 3-4 с. Степень неравномерности поля температур газа на выходе из камеры сгорания (перед турбиной) при работе на предлагаемом топливе соответствует степени неравномерности поля температур при работе на штатном топливе. Температура стенок жаровой трубы камеры сгорания при работе на предлагаемом топливе была в среднем на 40^оС ниже, чем на штатном топливе, что объясняется низкой излучающей способностью продуктов сгорания. Продукты сгорания на выходе из двигателя при работе на предлагаемом топливе были прозрачными (без дымления), а экономичность двигателя возросла примерно на 4% Визуальный осмотр газового тракта двигателя после окончания испытаний не выявил каких-либо дефектов (трещин и короблений стенок) и отложений нагара. На основании изложенного можно сделать вывод, что предлагаемое топливо превосходит штатное авиационное топливо (керосин) по характеристикам горения, эксплуатационным свойствам и экологическим показателям. Использование предлагаемого топлива приводит к некоторому улучшению основных характеристик двигателя и вертолета на всех режимах работы в наземных и летных условиях, при этом обеспечивается всережимная работа системы автоматического управления двигателем.

По данным ассоциации "Нефтегазпереработка", производство ШФЛУ в 1991 г. только в Западной Сибири составило 7,2 млн.т. из которых около 3 млн.т. остались нераспределенными. Учитывая то, что при переработке ШФЛУ выход АСКТ составляет ≈50% из нераспределенного количества ШФЛУ можно получить ≈1,5 млн. т. авиационного топлива, а в целом по стране увеличить ресурсы авиационных топлив не менее чем на 10-15% и получить значительный народнохозяйственный эффект путем более полного использования нефтяного газа.

Сущность изобретения: авиационное сконденсированное топливо содержит, мас. 6 10 пропана; 13 22 н.бутана; 34- 48 изобутана; 10 12 н.пентана; 10 - 15 изопентана; 5 11 гексанов; 0,8 5 гептанов и 0,4 2,1 октанов и выше. 1 ил. 2 табл.

АВИАЦИОННОЕ СКОНДЕНСИРОВАННОЕ ТОПЛИВО на основе смеси парафиновых углеводородов общей формулы С_nН_2n+2, отличающееся тем, что в качестве парафиновых углеводородов оно содержит парафиновую фракцию С₃ - С₈ при следующем соотношении компонентов, мас.

Пропан С₃Н₈ 6 10
н. Бутан С₄Н₁₀ 13 22
Изобутан С₄Н₁₀ 34 48
н. Пентан С₅Н₁₂ 10 12
Изопентан С₅Н₁₂ 10 15
Гексаны С₆Н₁₄ 5 11
Гептаны С₇Н₁₆ 0,8 5,0
Октаны С₈Н₁₈ + высшие 0,4 2,1