Что такое газотурбинное топливо и где его используют

Углеводородные газы или жидкое нефтяное топливо, используемые в газовых турбинах (см. Газовая турбина). Газовые турбины. (Природные газы) в основном используются в газовых турбинах, работающих на станциях перекачки магистральных трубопроводов; жидкие газотурбинное топливо — в транспорте (вагоны, локомотивы, суда) и крупных стационарных газовых турбинах.

Дистилляты ГТ из сырой нефти включают дистилляты, полученные при перегонке сырой нефти, переработке продуктов крекинга, дистилляты замедленного коксования мазута и другие продукты вторичной переработки сырой нефти. Основными требованиями к газотурбинному топливу являются низкое содержание ванадия (2-6)-10 -4% и низкая зольность. Присадки добавляются в газотурбинное топливо для уменьшения коррозии лопаток, образования нагара и отложения золы. Промышленность СССР выпускала два типа газотурбинное топливо: — 5 °С (для локомотивных турбинных двигателей) и — 12 °С (для других транспортных и стационарных газовых турбин).

Макет газотурбинного двигателя SGT-400.

Основные свойства топлива, используемого в газовых турбинах

Топливо для газовых турбин в зависимости от условий эксплуатации турбин подразделяется на топливо для стационарных и реактивных двигателей.

Для стационарных двигателей предлагается два вида топлива: ТГВК (высшая категория) и ТГ (обычное).

Реактивное топливо бывает двух видов:

Для аппаратов с дозвуковой скоростью (T-I, TS-I, TS-2CM, PT).
Для аппаратов со сверхзвуковой скоростью (Т-5, Т-6, Т-8).

Топливо RT может быть использовано как универсальное топливо, а T-1 должно быть заменено.

Реактивные топлива (авиационный парафин) представляют собой парафиновые фракции первичной перегонки с температурой кипения 150-195 C. Такое топливо должно обладать хорошей испаряемостью, высокой теплотой сгорания и термической стабильностью. Реактивные топлива отличаются от топлив TGAC и TG пониженным содержанием серы.

Заслуживают внимания следующие специфические требования к реактивному топливу: минимальная плотность, максимальная теплота сгорания, максимальное содержание легких фракций и минимальное значение давления насыщенных паров. За рубежом все реактивные топлива для военной и гражданской авиации делятся на три типа:

широкофракционный состав с диапазоном кипения 60-30050С,
Керосин с диапазоном кипения 70-30000С,
Керосин с высокой температурой вспышки (600С), предназначенный для газотурбинных двигателей на судах.

Кроме того, все виды топлива содержат актооксиданты, антикоррозийные вещества, противообледенительные присадки и т.д.

Керосин осветительный — нефтяные фракции, кипящие преимущественно в диапазоне 200-2800 С, используемые в качестве растворителей, топлива, для промывки деталей и стрелкового оружия. Назначение следующее: KO-30 — Керосин осветительный, цифра указывает на высоту невоспламеняющегося пламени в мм,

Требования к качеству топлива для газовых турбин

Газовые турбины могут работать как на газообразном, так и на жидком топливе. Эта особенность делает газотурбинные электростанции более надежными и гибкими, особенно в условиях автономного энергоснабжения. Возможность работы на двойном или тройном топливе может быть конструктивно реализована в одной газотурбинной установке. Дистилляты, продукты перегонки сырой нефти, используются в качестве топлива в газовых турбинах (ГОСТ 10433-75).

В газовых турбинах могут использоваться следующие виды топлива:

природный газ
сжиженный газ;
газовая нефть
дистилляты;
парафин;
газ, связанный с сырой нефтью;
биогаз (газ из отходов, сточных вод и свалок);
рудничный газ;
древесный газ и т.д;

Топливо для газотурбинных двигателей, реактивное топливо, обычно получают из малосернистых нефтей, парафиновые (лигроиновые) фракции которых богаты нафтеновыми и ароматическими углеводородами. Основные показатели реактивного топлива: плотность — 780-850 кг/м3 (при 20 °С), вязкость — 1,2-4,5 мм2/с (при 20 °С), температура вспышки — 28-72 °С, теплота сгорания — 43 МДж/кг.

В зависимости от химического состава и способа очистки нефти, из которой получают керосин, он содержит:

предельные алифатические углеводороды — 20-60%;
нафтеновые — 20-50%; — древесный газ
бициклические ароматические 5-25%;
ненасыщенные — до 2%;
примеси в виде соединений серы, азота или кислорода.

Историческая справка. Промышленное производство керосина было впервые начато в России в 1823 году братьями Дубиниными под Моздоком (300 т/год; прежнее торговое название «фотоген»). В 19 веке из продуктов перегонки нефти использовался только керосин (для освещения), а получаемый бензин и другие нефтепродукты имели очень ограниченное применение. Например, бензин использовался в аптекарских и ветеринарных целях, а также в качестве растворителя в домашнем хозяйстве.

Нефтедобытчики просто сжигали большое количество керосина в ямах или выливали его в водоемы. В 1911 году керосин окончательно уступил нефтяному лидирующие позиции на мировом рынке нефти из-за распространения двигателей внутреннего сгорания и электрического освещения. Только в 1950-х годах керосин вновь приобрел свое значение благодаря развитию реактивной и турбовинтовой авиации (авиационный керосин), для которой этот особый вид нефтепродукта оказался почти идеальным топливом.

Различают несколько видов керосина:

топливо для газотурбинных двигателей;
трактор и осветитель;
промышленный

Как работает газотурбинный двигатель

Газотурбинный двигатель (ГТД, ТРД) — это тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. В отличие от поршневого двигателя, в ГТД процессы протекают в потоке движущегося газа.

Схема турбореактивного двигателя:

1 — впускное устройство; 2 — осевой компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — лопасти турбины; 5 — сопло

Сжатый атмосферный воздух из компрессора 2 поступает в камеру сгорания 3, туда же подается топливо, которое под высоким давлением образует большое количество продуктов сгорания. В газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания затем преобразуется вращением лопаток 4 в механическую работу, часть которой используется для сжатия воздуха в компрессоре. Оставшаяся часть работы передается приводному устройству. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой GTE. Во время полета поток воздуха замедляется на входе 1 перед компрессором, что повышает его температуру и давление. На земле, у впускного устройства, воздух ускоряется, его температура и давление снижаются. Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление увеличивается в 10-40 раз, а температура повышается.

Затем сжатый воздух поступает в камеру сгорания в так называемых жаровых трубах (существует более совершенная конструкция — кольцевая камера сгорания, которая не состоит из отдельных жаровых труб, а выполнена в виде единого кольцевого элемента). Сегодня наиболее распространены кольцевые камеры сгорания. Трубчатые камеры сгорания используются гораздо реже, в основном в военных самолетах. Воздух, поступающий в камеру сгорания, делится на первичный, вторичный и третичный. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, расположенное по центру фланца крепления форсунки, и принимает непосредственное участие в окислении (сгорании) топлива (образуя топливно-воздушную смесь). Вторичный воздух поступает в камеру сгорания через отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждает, формирует пламя и не участвует в горении. Третичный воздух поступает в камеру сгорания на выходе из камеры сгорания для выравнивания температурного поля. При работе двигателя на переднем конце жаровой трубы (благодаря особой форме передней жаровой трубы) постоянно закручивается вихрь горячего газа, который непрерывно воспламеняет образующуюся топливно-воздушную смесь и сжигает топливо (парафин, газ), которое в парообразном состоянии подается через форсунки.

Схематичная работы газотурбинного топлива

Газовоздушная смесь расширяется, и часть ее энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию для вращения главного вала. Эта энергия используется главным образом для работы компрессора, а также для привода агрегатов двигателя (топливоподкачивающих насосов, масляных насосов и т.д.) и электрогенераторов, обеспечивающих питание различных бортовых систем. Большая часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси используется для ускорения потока газа в сопле и создания реактивной тяги. Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя.

Требования безопасности

Температура самовоспламенения топлива составляет 350°C, нижний предел воспламенения — 91°C, верхний предел воспламенения — 155°C.
Нефтяное топливо является легковоспламеняющейся жидкостью, взрывоопасная концентрация его паров в смеси с воздухом составляет 2-3%; предельно допустимая концентрация его паров в смеси с воздухом составляет 0,3 мг/дм3 (в пересчете на углерод).
Не допускается применение открытого огня в помещениях, предназначенных для хранения и использования нефтяного топлива, искусственное освещение должно быть во взрывобезопасном исполнении.
Если разлилось нефтяное топливо, его следует собрать в отдельную емкость, место разлива вытереть сухой ветошью, при разливе на открытой местности место разлива следует засыпать песком, а затем убрать. При работе с нефтяным топливом не используйте инструменты, при ударе о которые образуются искры. В случае воспламенения нефтяного топлива можно использовать все огнетушащие вещества: водяной аэрозоль, пену; при тушении пожара по объему — углекислый газ, СЖБ, состав 3,5 и перегретый пар.
Нефтяное топливо раздражает слизистые оболочки и кожу. Помещение, в котором проводятся работы с парафиновым топливом, должно быть вентилируемым.