Построение модели сравнительного анализа для выбора альтернативных видов авиатоплив

УДК 629.735.067

ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ СРАВНИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ВЫБОРА АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВИДОВ АВИАТОПЛИВ

Ю.С. КИРДЮШКИН

Статья представлена доктором технических наук, профессором Чинючиным Ю.М.

В данной статье приведены основы построения модели для проведения сравнительного анализа современных альтернативных топлив исходя из термодинамических показателей, связанных с их производством и эксплуатацией, а также с учетом наличия международных сертификатов, их признающих.

Ключевые слова: сравнительный анализ, построение модели, альтернативные топлива, биотоплива для реактивных двигателей, спецификации типа ASTM, Def Stan.

Предисловие

В данной работе представлены основы построения модели для проведения сравнительного анализа наиболее приемлемых альтернативных видов топлив для газотурбинных двигателей (ГТД) летательных аппаратов (ЛА) гражданской авиации (ГА). Виды алльтернативных традиционному авиационному керосину топлив были подобраны путем сравнительного анализа эксплуатационных характеристик исследуемых топливных смесей по следующим критериям:

• количество энергии, затраченной на производство альтернативного топлива (теоретические и эмпирические значения);

• теоретическая эффективность и максимальное количество работы, совершаемое топливом при сжигании в нормальных термодинамических условиях.

Рассмотрены экологические аспекты производства исследуемых альтернативных топлив. На основе полученных расчетных значений был проведен сравнительный анализ и разработана методика выявления наиболее приемлемых видов альтернативного топлива из доступных для исследования опций.

1. Основные требования к альтернативным топливам

В современных условиях развития гражданской авиации конкурентоспособным считается такое топливо, производство и использование которого отвечает следующим требованиям:

• «устойчивость» или возобновляемость источников топливного сырья;

• исключение возможного ущерба окружающей среде и угрозы сельскохозяйственным угодьям в процессе производства топлива (т.е. источником топливного сырья не должна быть культура, пригодная для употребления в пищу, и источник сырья не должен культивироваться на сельскохозяйственных угодьях вместо источников для производства продуктов питания);

• полная совместимость «устойчивой» топливной смеси с существующей инфраструктурой (топливными хранилищами, средствами ее транспортирования, заправки, конструктивными особенностями авиационных двигателей и топливных систем ЛА).

Производство на коммерческой основе топлив, отвечающих приведенным требованиям, стало возможным в ряде стран Европы, Африки, Среднего Востока, Северной и Южной Америки в 2011 г. В гражданской авиации стран Западной Европы (Германии, Голландии, Великобритании) и США с июля 2011 г. на регулярной основе эксплуатируются ЛА, заправляемые топливами, отвечаю-

щими приведенным требованиям и сертифицированными контролирующими Организациями типа Def Stan и ASTM. Теоретические модели видов топлив, применяемых в настоящее время в этих странах, а также алгоритм проведения их сравнительного анализа представлены ниже.

Устойчивое топливо, произведенное на основе биомассы (еще не распавшихся на составные элементы органических соединений), отличается от традиционного авиационного керосина по следующим характеристикам:

• отсутствие компонентов серы в составе производной топливной смеси;

• снижение риска выхода из строя контрольно-измерительной аппаратуры топливных систем ЛА;

• более низкий уровень воздействия продуктов сгорания топлива на окружающую среду.

Отсутствие компонентов серы в топливной смеси способствует снижению уровня выброса

вредных веществ в атмосферу. Наблюдается повышение качества воздуха в зоне эксплуатации самолетов, что в ряде аэропортов развитых стран является задачей особого внимания. Также снижается риск выхода из строя контрольно-измерительной аппаратуры топливных систем ЛА за счет отсутствия коррозионных реакций цветных металлов с активными компонентами серы, входящими в состав традиционного керосина [3].

Положительными аспектами применения альтернативных видов топлив, произведенных на основе биологического сырья, например, так называемого биосинтетического парафинового керосина (Био-СПК), также являются:

• повышенная устойчивость топлива к перепадам температур по сравнению с показателями авиационного керосина;

• высокая энтальпия сгорания топливной смеси по сравнению с теплотой сгорания стандартного керосина и др.

Как следствие более высокой температурной устойчивости Био-СПК общая эффективность силовой установки ЛА возрастает [ 1].

На рис. 1 представлены сравнительные данные по плотности разнообразных типов жидкого топлива. Сравнение представлено на основе потребного количества топлива для обеспечения 100 МДж энергии при его сжигании. Наиболее схожими по плотностным характеристикам с авиационным керосином являются биодизель и синтетический керосин (СПК), произведенные методом Фишера-Тропша. На рис. 1 не включены топлива, по своей молекулярной структуре и физическим свойствам схожие с СПК, произведенными по методу Фишера-Тропша (так называемые Био-СПК топлива), но они также рассмотрены в данной статье.

Согласно условию совместимости альтернативного топлива с существующей инфраструктурой и исходя из экономической целесообразности только схожие с традицонным керосином энергоносители могут стать приемлемой альтернативой в ближайшем будущем.

Биодизель - это этанол, произведенный на основе биомассы, согласно свойствам которого он не может быть рассмотрен как альтернатива традиционному авиационному керосину типа ТС-1 по следующим причинам:

• С2Н5ОН - молекула этанола, из структуры которой следует, что биодизель содержит атомы кислорода в составе молекул, а следовательно, процесс окисления топлива кислородом менее эффективен, чем окисление топлива с молекулярной структурой типа СпН2п+2;

• ввиду наличия атомов кислорода в этаноле значительно повышается точка замерзания биодизельного топлива, что не позволяет применять его на ЛА, температурные режимы эксплуатации которых достигают -600 С.

Напротив, синтетические парафиновые топлива, произведенные по методу Фишера-Тропша и любыми другими подходящими способами, становятся наиболее приемлемыми альтернативами в ближайшем будущем. Свойста Био-СПК топлив, произведенных на основе биомассы, в сравнении со свойствами традиционного керосина типа Jet-A или ТС-1 представлены в табл. 1.

Kg/100 MJ 6.00

5.00 -

4.00 -

3.00

2.00 -

1.00 -

0.00

0.00

2.00

4.00

6.00 Э.00

LITERS/100 MJ

Better

Methanol

Ethanol ♦

Biodiesel Г Synthetic Fuel Ж

Jet A/Jet А-1 Liquid Methane Liquid Hvdrnnpn

i «

10.00 12.00

14.00

Рис. 1. Сравнение показателей плотности разнообразных видов жидкого топлива, необходимого для выработки 100 МДж энергии при сжигании

2. Построение модели и методологические вопросы проведения сравнительного анализа

Состав топливной смеси сложно определить с высокой точностью из-за наличия дополнительных присадок и необходимости использования высокотехнологичной аппаратуры контроля химических реакций при его производстве. Так, для проведения сравнительного анализа топливных смесей строятся теоретические модели топлив, основанные на известных типах углеводородных молекул, составляющих топливную смесь, и процентном соотношении их объемов. Используя принятые упрощенные теоретические модели топлив, можно с высокой степенью точности рассчитать значения: параметров теоретической эффективности топлива; минимального количества работы, затрачиваемой для производства топлива; температуры пламени при сжигании топлива в адиабатических условиях протекания реакции и продуктах сгорания рассматриваемой топливной смеси. На основе расчетных значений указанных параметров проводится общий сравнительный анализ.

Химическая реакция окисления углеводородного топлива описывается следующей формулой

СхНу +

где х - количество атомов угля; у - количество атомов водорода в углеводородном соединении.

Продукты сжигания типового топлива в удельных долях рассчитываются на основе правой части формулы (1), дающей описание реакции окисления топливной смеси.

Таблица 1

Сравнительные данные свойств Био-СПК топлив и традиционного керосина типа Jet-A или ТС-1

Property Jet A t Jet A-l AN/, CAL JAL

Mixture of Jet A or Jet A-l t( SPit is in 50 50 50

Volume % Blended with Jet A-l Jet A Jet A

Part 1: Basic Requlremems

COMPOSITION

Acidity. total nag KLOH/g Max 0.10 0.002 0.001 0.002

Aromaiies: one of the following requirements shall

be met

1. Aromatic;;, volume % Мал 25 8.8 8.9

2. Anomalies, volume % Мал 26,5 N/A N/A NM

Sulfur, mercaptan, r mass % Max 0.003 0.0004 <0.0001 0.0003

Sulfur, total mass % Мал 0.30 <0.015 <0.0001 0.0403

VOLATILITY

Distil latiom

Distillation temperature, °C:

10 % recovered, temp nature (T10) Max 205 170.4 170,5 171,0

50 % recovered, temperature (T50) fleport 190.3 194.0 200.5

90 % recovered, temperature (T9U) He port 226.У 228.0 240.0

Final boiling point, temperature Max 300 246.8 248.5 25S.0

Distillation residue, % Max 1.5 1.2 \J2 1.2

Distillation Joss, % Max 1,5 0,4 0 2 0.2

Flash point, °C Min Щ 45.0 45.0 44.5

Density at 15uC,kg/mJ 775 to H40 779 780 789

FLUIDITY

Freezing point, -40 Jet A -62.5 -61 л

Max -Al Jet A-l -55.5

Viscosity -iO^C, rdm",'ii Max Ш0 3.606 3.817 4.305

COMBUSTION

Net heat of combustion. MJ/kg Min 42.S 43.6 43.7 43.5

One of the following requirements shall be met:

(i) Smoke puint, mm, or Min 25 33

(2) Smoke point, mm, and Min IS 27.7 28.6

Naphthalenes, volume, % Max 3.0 N/A 0.2 1.2

CORROSION

Copper strip, 2 h at 1 OO^C Max No. 1 1A IA 1A

THERMAL STABILITY

JFTOT

Temperature, UC Min 260 300 300 300

l-"i Iter pressure drop, mm Hg Max 25 3.0 0.0 0.2

Tube deposits less than 3 1.0 1.0 L0

No Peacock or Abnormal Color Deposits

CONTAMINANTS

Existent gum, mg-'lOO mL Max 7 1.0 <1 <1

Micro separoinctcr, Rating

Without elecirieal conductivity additive Min 85

With elecirieal conductivity additive Min 70

ADDITIVES See 6.3

Electrical conduetiviLy, pS.'m 123.0 <1 <1

В расчете термодинамических параметров альтернативных топлив были использованы имеющиеся значения энтальпии сгорания, процентное соотношение распределения и типы углеводородных молекул, определяющих состав рассматриваемых топлив (рис. 2). Исходя из известных соотношений распределения молекул были построены теоретические модели рассматриваемых топлив, называемые «суррогатами».

Построение суррогатной модели - это создание упрощенной модели топливной смеси, в реальности имеющей сложную молекулярную структуру, с целью проведения расчета и сравнительного анализа термодинамических параметров топлив.

Рис. 2. Соотношение распределения типов углеводородных молекул, составляющих альтернативные топлива Сасол ИПК, Шэлл СЖТ, Сасол СЖТ

Суррогатные модели полусинтетических альтернативных топлив, произведенных компаниями Sasol (ЮАР) и Shell (Великобритания - Нидерланды) путем газификации угля, были построены на основе значений, приведенных в работе [1] (рис. 2).

Общий сравнительный анализ эксплуатационных характеристик был проведен по следующим видам исследуемых топливных смесей:

• «Sasol IPK» - «iso-paraffinic kerosene» - синтетическое жидкое топливо (СЖТ), полученное на основе угля компанией Sasol и применяемое как в смеси 1/1 с традиционным керосиновым топливом, так и в качестве чистого топлива. Применение топлива одобрено Def Stan 91-91, ASTM 1655. На регулярной основе поставляется в международный аэропорт Йоханнесбурга (ЮАР) с июля 1999 г.;

• «GTL» - "gas to liquids" полученное компаниями Shell и Sasol на основе натурального газа (Метана) по методу Фишера-Тропша СЖТ, применяемое в смеси 1/1 с традиционным керосином типа ТС-1 в соответствии с Def Stan 91-91 и ASTM D 7566;

• «Bio-SPK» - полученное та основе биомассы, возобновляемое ЖТ, произведенное путем разложения биомассы до масел, с последующей их обработкой до типов углеводородов, соответствующих традиционному керосину. Лидером в производстве Био-СПК является компания Sasol (ЮАР). Спецификации, регулирующие порядок производства и эксплуатации Био-СПК: Def Stan 91-91 и ASTM D 7566, действующий с 5 июля 2011 г.

Из числа топлив, произведенных на основе устойчивой биомассы (Био-топлив), для сравнительного анализа было выбрано топливо, сырьем которого является смесь из масел, произведенных на основе водорослей и быстрорастущих растений. Углеводо-родный состав Био-СПК топлива представлен на рис. 3, где выбранная для анализа смесь (Jatropa-Algae SPK (JAL SPK)) выделена светлым оттенком.

В процентном соотношении молекулярный состав рассматриваемых альтернативных топлив, составленный на основе имеющихся показателей, приведен в табл. 2.

25

20

15

m

0 Г-

í Camel ina SPJ< I Jelfopíia SPK

1 Cornetín e-JslïnïphrT-ASflse SPK

1

1

¡1 II II II ¡1 J 1 kill — -

S I В'

S i 8' 1 f î S' î

ï' ï 1 ï î ï J' I

Carbon distribution

Рис. 3. Соотношение распределения типов углеводородных молекул, составляющих разнообразные Био-топлива типа ANZ, CAL, JAL

Принятый молекулярный состав сравниваемых альтернативных топлив

Name of molecular groups Fuel types surrogated

Jet A-1 Bio-SPK Sasol SPK Sasol GTL

N-paraffin

n-Nonane 3.5% 20%

n-decane 27% 2.5% 20%

u-undecane 2% 5%

n-dodecane 27% 2%

Cycloparaffin

Methyl cyclohexane 27%

Cyclododecane 5%

Cyclotridecane 5%

Iso-paraffin

Dimethyl C9-C14 45% 55% 55%

Pentamethyl C9-C14 45% 35%

Polyaromatic

Acenaphthene 19%

Таблица 2

Следующим шагом является применение метода воздействия групп молекул и молекулярных связей для расчета термодинамических параметров работы ГТД в условиях применения альтернативных топлив. Решение такой задачи будет рассмотрено в последующих научных статьях.

Выводы

1. Построенная модель является базой для проведения сравнительного анализа, по результатам которого становится возможным выявление наиболее рациональной альтернативы традиционному топливу - керосину.

2. Модель позволяет проводить сравнение видов топлива на основе термодинамических параметров, связанных с их производством и применением исходя из приведенных показателей химического состава, устанавливаемых в нормативной документации [1, 2]. Данные, полученные в результате применения разработанной модели, позволяют проводить необходимые расчеты для подтверждения целесообразности производства того или иного вида альтернативного топлива.

3. Согласно результатам проведенного предварительного сравнительного анализа доступных альтернатив традиционному керосину сделан вывод о том, что с учетом основных требований, предъявляемых к топливу для ГТД в современных условиях развития ГА, наиболее приемлемой опцией становятся Био-СПК топлива, являющиеся возобновляемыми, так как Sasol IPK и GTL производятся компаниями Shell и Sasol на основе угля и природного газа, запасы которых ограничены.

ЛИТЕРАТУРА

1. Mnder J.D., Rahmes T. Evaluation of Bio-Derived Synthetic Paraffinic Kerosene (Bio-SPK). The Boeing Company. Sustainable Biofuels Research Technology Program. - USA. 2009.

2. Клиффорд А. М. и др. Сравнительный анализ полусинтетических топлив для реактивных двигателей // Cliord A. Moses. Comparative evaluation of semi-synthetic Jet fuels. Texas, USA. - 2008.

3. Паюшкин Ю. Химический состав и свойства реактивных топлив. - М.: Машиностроение, 1962.

COMPARATIVE ANALISYS MODEL GENERATION FOR ALTERNATIVE JETFUELS OPTION

Kirdyushkin Y.S.

The article shows fundamental of an approach to comparative analisys model generation for modern alternative jet fuels option based on comparison of thermodynamic properties of production and application of alternative jetfuels by taking into account environmental and legislative issues

Key words: comarative analisys, model generation, alternative jetfuel, biojet HEFA fuel, specification under ASTM and Def Stan.

Сведения об авторе

Кирдюшкин Юрий Сергеевич, 1985 г.р., окончил МГТУ ГА (2008), аспирант кафедры технической эксплуатации летательных аппаратов и авиадвигателей МГТУ ГА, автор 8 научных работ, область научных интересов - применение альтернативных видов топлив в сфере гражданской авиации.