Проведено сравнение по ключевым показателям качества топлив марки ТС-1, полученных с установки первичной переработки (Нижневартовское НПО), с установки гидроочистки (Танеко), с установки гидрокрекинга (Танеко) и марки РТ с установки гидроочистки (Орскнефтеоргсинтез), с установки гидрокрекинга (Орскнефтеоргсинтез), с установки гидрокрекинга (Танеко). Ключевые показатели качества были выбраны из числа общепринятых и входящих в такие нормативы, как ГОСТ 10227-86, КМКО топлив для авиационных газотурбинных двигателей, ОСТ 1 00397-91. Показано для обеих марок топлив, что реактивное топливо, получаемое с установки гидрокрекинга, обладает в подавляющем большинстве лучшими показателями в сравнении с топливами, получаемыми на установке первичной переработки и гидроочистки.
На сегодняшний день, несмотря на развитие технологий производства синтетических топлив [4, 8], которые можно производить из природного газа, угля и биомассы, основным исходным продуктом для производства реактивного топлива остается нефть.
Нефтеперерабатывающая промышленность в России за последние 10 лет сделала большой шаг в повышении качества переработки нефтяного сырья (рисунок 1). Так, по данным официального сайта Министерства энергетики РФ [7], глубина переработки за период с 2010 по 2019 годы возросла в среднем по всем нефтеперерабатывающим заводам
на 12 % и на 2019 год составляла 82,1 %. Это результат повсеместного введения высокотехнологичных процессов вторичной переработки [5], из которых можно выделить углубляющие (каталитический и термический крекинг, гидрокрекинг, висбрекинг) и облагораживающие (каталитический риформинг, изомеризация и гидроочистка) процессы.
В технологической цепочке изготовления реактивных топлив наиболее широкое распространение имеют процессы гидроочистки и гидрокрекинга, которые используются для получения специального топлива типа Т-6 и для увеличения выработки гражданских топлив массового применения типа ТС-1 и РТ при вовлечении в процесс более тяжелых остаточных фракций нефти.
Гидроочистка керосина протекает при давлении 1,5–4 МПа и температуре 300–400 °C. Содержание водорода в циркулирующем газе около 75 % при кратности циркуляции 180–250 м³/м³. В состав катализаторов могут входить металлы VIII группы, оксиды и сульфиды VI группы, термостойкие носители и различные модификаторы. Цель процесса гидрирования – уменьшение содержания серных и азотистых соединений во вторичном продукте, насыщение непредельных углеводородов, уменьшение смол и кислородсодержащих соединений. Это благоприятно сказывается на качестве конечного продукта.
Гидрокрекинг – это каталитический процесс, предназначенный для получения светлых нефтепродуктов (бензин, керосин и т.д.) в котором исходным сырьем являются более тяжелые остаточные фракции нефти. Он осуществляется под давлением 5–10 МПа при 260–450 °С. Среди основных преимуществ гидрокрекинга перед другими процессами вторичной углубляющей переработки можно выделить то, что, потребляя тяжелые продукты переработки нефти, он производит более легкие высококачественные фракции, в том числе и керосиновые. В сравнении с прямогонным топливом улучшаются термическая стабильность и характеристики сгорания.
Развитие современной авиации в направлении увеличения скорости и продолжительности полета привело к необходимости разработки новых подходов к решению задач надежности оборудования и стабильности его работы. В настоящее время в авиационных газотурбинных двигателях пятого поколения (рисунок 2) температура продуктов сгорания топлива может достигать 1900 К, что устанавливает высокие требования к используемым материалам, в том числе и топливу [5].
Повышение качества топлива, обеспечивающее надежность современных авиационных газотурбинных двигателей, способствует улучшению летно-технических и эксплуатационных характеристик летательных аппаратов. Улучшение качества получаемой керосиновой фракции на нефтеперерабатывающем заводе – это один из основных способов улучшения качества реактивного топлива. В этом направлении в мире активно ведутся прикладные и технологические исследования. В работе [2] показано, что путем введения процесса гидрокрекинга на нефтеперерабатывающем заводе можно значительно увеличить объемы выпускаемого топлива с повышением его качества. В работе [1] изучено влияние осуществления процесса гидрокрекинга тяжелых фракций нефти на качество реактивного топлива и показана его эффективность в сравнении с более ранними способами переработки нефти. В работе [3] доказана эффективность введения углубленной переработки нефти с целью повышения качества топлива. В большинстве работ по данному направлению указывается, что гидрокрекинг один из самых эффективных процессов переработки нефти, позволяющий улучшить характеристики реактивного топлива.
1. Объекты и методы исследований
С целью определения влияния технологии производства реактивного топлива на его ключевые показатели качества были проведены исследования со следующими образцами топлив:
а) марка ТС-1, полученная
- с установки первичной перегонки (Нижневартовское НПО),
- с установки гидроочистки (Танеко),
- с установки гидрокрекинга (Танеко);
б) марка РТ, полученная
- с установки гидроочистки (Орскнефтеоргсинтез),
- с установки гидрокрекинга (Орскнефтеоргсинтез),
- с установки гидрокрекинга (Танеко).
Были определены показатели качества топлив, которые входят в состав таких нормативных документов, как ГОСТ 10227-86, КМКО топлив для авиационных ГТД, ОСТ 1 00397-91.
2. Результаты исследований и их обсуждение
По результатам исследований установлено, что все рассматриваемые марки топлива удовлетворяют предъявляемым к ним нормативным требованиям. При этом обнаружено, что по большинству показателей для топлив обеих рассматриваемых марок характерно:
а) отсутствие или незначительное (менее 3 %) наличие расхождений в таких показателях, как плотность при 20 °С, низшая теплота сгорания, высота некоптящего пламени, температура вспышки в закрытом тигле;
б) незначительное (порядка 3–5 %) расхождение в вязкости (меньше этот показатель после гидроочистки);
в) среднее (от 3 до 10 %) расхождение в показателях противоизносных свойств (лучше у гидроочищенного). Это обусловлено тем, что при гидрокрекинге удаляются естественные серосодержащие смазывающие вещества.
Отдельное внимание было уделено анализу показателей, отражающих термическую стабильность образцов и их характеристики горения. Выявлено, что они наиболее сильно зависят от технологии производства топлива.
Одной из стратегий совершенствования авиационных газотурбинных двигателей является повышение эффективности термодинамического цикла путем увеличения температуры газов в камере сгорания. Это, как следствие, приводит к повышению теплонапряженности топливных каналов и перегреву топлива. В высокоскоростных летательных аппаратах имеет место дополнительный нагрев топлива вследствие аэродинамического нагрева в полете, что еще более усугубляет условия эксплуатации топливной системы. В связи с этим термическая стабильность топлива становится одним из важнейших ограничивающих факторов роста эффективности ГТД.
