항공유(JET A-1) 품질 항목 성능 평가 방법(JFTOT, ASTM)

 

안녕하세요. EnerTravel입니다. 

오늘의 EnergyTok 주제는 '항공유(JET A-1) 품질 항목 성능 평가 방법(JFTOT, ASTM)'입니다.

항공유(Aviation Fuel Oil, JET A-1) 생산 공정이 궁금하신 분들은 아래 링크를 먼저 참조해주세요.

 

2023.04.22 - [EnergyTok/정유·화학] - 항공유(Aviation Fuel, JET A-1) 생산 공정

항공유(Aviation Fuel, JET A-1) 생산 공정

 

Function & Performances

 

1) 기능

 

 비행기의 동력원(Energy Source), 엔진 제어시스템의 Hydraulic Fluid, 연료시스템의 냉매 (coolant)

 

평가 항목	내용	시험방법
Energy Content	단위 부피 대비 높은 열량을 가질수록 유리함	Net Heat of Combustion
Combustion Characteristics	불완전 연소시 발생하는 Carbon Deposit은 부식 및 Plugging을 유발함	Net Heat of Combustion, Smoke point, Naphthalenes
Stability	Fuel의 산화가 일어나는 경우 Gum과 Particulate가 형성	JFTOT (Jet Fuel Thermal Oxidation Tester)
Lubricity	수첨처리 (Hydrotreating)시 천연 윤활제가 함께 제거되므로 수첨처리 유분 사용시 윤활성이 떨어짐	Viscosity BOCLE (wear scar diameter)
Fluidity	저온에서도 유동성을 유지할 수 있어야 함	Viscosity, Freezing Point
Volatility	연소를 위해서는 휘발성이 높은 것이 유리하나, 지나치게 높은 경우, 연료손실, vapor lock을 유발함	Distillation Profile, Vapor pressure
Non-Corrosivity	연료의 공급 및 사용과정에서 연료와 접촉하는 다양한 재질에 대한 부식성이 없어야 함	Copper Strip, Silver Strip, Acidity, Mercaptan, Doctor Test
Cleanliness	Solid Particulates와 Free Water가 없어야 함	Appearance, Particulates, Existence gum, Water Reaction Interface, MSER rating, Fitration Time
Safety	공급 및 샤용과정에서 안전성을 확보	Flash Point, Vapor Pressure, Electrical Conductivity

 

2) Energy Content

 

- Gross Energy Content : 연료의 연소 시 발생하는 전체열량 (연소 시 생산되는 물이 액체로 분리되는 경우)

- Net Energy Content : 연료의 연소 시 발생하는 실제열량 (연소 시 생산되는 물이 기체상태의 증기로 존재하는 경우, 물의 기화열로 인해 Gross energy content 보다 작은 값을 보임)

- 연료탱크가 가득 차는 경우, 단위 부피당 높은 열량을 가질수록 유리함 (항공기 설계 시 연료탱크의 크기를 줄이거나 항속거리를 증가시킬 수 있음)

- Safety Margin 또는 단거리 비행으로 인해 연료탱크에 빈 공간이 충분히 있는 경우, 단위 무게당 높은 열량을 가지는 연료가 유리함 (항공기의 무게를 감소시키므로 에너지효율이 개선됨) 

- 시험방법 : ASTM D 4809, ASTM D4529

종류	Type	Typical Density (15℃)		Typical Energy Content
		g/ml	Lb/gal	Gravimetic		Volumetic
				MJ/Kg	Btu/Ib	MJ/L	Btu/gal
항공 가솔린 (Aviation Gasoline)		0.715	5.97	43.71	18,800	31.00	112,500
항공 터빈유 (Aviation Turbine Fuel or Jet Fuel)	Wide-cut	0.762	6.36	43.54	18,720	33.18	119,000
	Kerosene	0.810	6.76	43.28	18,610	35.06	125,800

*Source : Chevron, Aviation Fuels Techical Review

 

3) 연소특성

 

- Jet Engine은 연소가 연속적으로 일어남

- 연소 초기단계에서 Carbon Particle이 생기는 경우, 연소실을 지나면서 완전연소가 이루어질 때 적외선을 방출하게 되는데 이를 연소실 벽에서 흡수하게 되므로 온도가 상승 및 연소실 벽의 균열 및 엔진에 문제 야기

- 불완전 연소 시 발생하는 Carbon Deposit은 공기 흡입구를 막거나 Turbine 내의 Erosion을 일으킴

- Smoke 발생은 엔진의 설계 및 운전조건에 따라 가장 크게 결정되며 일반적으로 공기와 연료가 잘 혼합되어 연소될수록 감소

-연료 자체 측면에서는 Aromatics (특히 Naphthalenes) 성분이 주요 원인 물질임

-시험방법

: Smoke point (ASTM D1322) : 연소시 smoke가 발생하지 않는 불꽃의 최대높이

: Luminometer number (ASTM D 1740) : 특정조건에서의 불꽃의 온도를 이용하여 계산한 값, Smoke Point와 상관성을 가짐

: Naphthalenes (ASTM D1840) : UV 흡광도 (285nm)를 측정하여 Naphthalene의 함량을 측정

 

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4) Stability (안정성)

 

- 저장안정성 (Storage Stability)와 열안정성 (Thermal Stability)으로 구분됨

- 항공유가 공기 중의 산소와 반응하여 산화가 일어날 때 생성되는 Gum과 Particulate은 1) Fuel Filter의 Pressure drop 2) Injector Nozzle의 spray pattern 변화 3) Engine Control 시스템의 조절변수 변화 4) 열교환 효율 및 Flow rate 저하를 유발

- 저장안정성 : 군대에서 장기간 비축하는 경우를 제외하면 특별한 문제는 없으나 장기간 비축시 산화방지제를 사용함(Jet Fuel은 상온에서 매우 안정적인 화합물로 구성됨) 

- 열안정성 : Jet Fuel은 연료시스템의 냉매(coolant)로 사용되므로 적정 수준의 Thermal Stability가 필요함

-시험방법

: Jet Fue Thermal Oxidation Tester (JETOT, ASTM D3241)

: 가열된 Aluminum alloy tube로 2.5시간 동안 연료를 일정한 속도로 통과 시킴

: Tube를 통과한 연료가 Filter를 통과하면서 Deposit이 축적되고 이로 인한 Pressure Drop을 측정

: 마지막 단계에서 Tube를 제거하여 육안으로 검사 후 Rating

 

5) Lubricity (윤활성)

 

- Hydrodynamic Lubrication : 유체의 점도에 의한 윤활 효과, 압력이 일정 이상 상승하여 윤활제의 점도가 금속표면에 비해 높은 전단 능력을 제공하는 경우임 (Viscosity가 높을수록 증가함)

- Boundary Lubrication : Protective Film에 의한 윤활효과. Total Separation을 유도하기에는 윤활제의 필름 두께가 너무 얇은 경우,  표면 요철 간의 접촉이 발생함

-특성

: 수첨탈황공정은 거친 유분은 탈황과정에서 Boundary Lubrication 효과를 가지고 있는 Natural Li가 함께 제거되므로 , 필요한 경우, Artificial Li를 주입하여 윤활성을 관리함

-시험방법:  Ball on Cylinder Lubricity Evaluator (BOCLE, ASTM D 5001)

: 25℃의 연료에 잠긴 채 240 rpm으로 회전하고 있는 Cylindrical ring위에 쇠구슬 (반지름 : 0.5inch)이 달린 Load Arm을 30분간 접촉시킨 후 Ball의 마모된 부분의 반지름을 측정함. DEF STAN 91-91/5 (UK)에서는 규격으로 채택

 

6) Fluidity (유동성)

 

- 유동성은 Viscosity와 Freezing Point로 표현됨

- Viscosity :  특정조건에서 마찰 등으로 인해 액체가 흐르는 것에 대해 저항하려는 성질로서, 온도가 낮아질수록 증가하며 Injection Nozzle에서의 Spray pattern과 Droplet size를 결정하고 연료 Pump작동과 연료 System의 control에 영향을 줌. 지나치게 높으면 연료 시스템 전반에서 문제를 일으키므로 규격으로 최대치를 제한함

- Freezing Point : Jet Fuel의 온도를 낮추었을 깨 생성되는 마지막 Wax Crystal이 녹는 온도로서, 저온에서 생성되는 Wax Crystal은 Fuel의 Pumpability에 직접적인 영향을 줌, 대개 Freezing Point보다 4~15℃정도 낮은 온도까지 Pumping이 가능함. Jet Fuel의 Grade를 결정하는 대표규격 중의 하나임

-시험방법

: Viscosity (ASTM D 445)

: Freezing Point (ASTM D 2386 (Ref.) D5901, D5972)

 

7) Volatility (휘발성)

 

- 휘발성은 연료가 기화하려는 경향을 말하며 Vapor Pressure와 Distillation Profile로 표현됨

- 연소를 위해서는 연료의 휘발성이 높은 것이 유리하나, 지나치게 높은 경우, 증발로 인해 연료손실, Vapor Lock현상을 유발함

- Vapor Pressure기준, Kerosene type의 경우 휘발성이 매우 낮으나 (1 kPa) Wide-cut type (21 kpa)은 상당히 높으므로 주요 규격으로 관리함 (Kerosene type과 Wide-cut type의 가장 큰 차이점임)

-시험방법

: Vapor Pressure (ASTM D 323(Ref.) or D5191_

: Distillation Profile (ASTM D86)

 

8)  Non-Corrosivity (내부식성)

 

- Jet Fuel 공급 및 사용과정에서 연료와 접촉하는 다양한 재질에 대한 부식성이 없어야 함

- Jet Fuel에 존재하는 Organic Acids, Mercaptan은 부식을 일으키는 주요 원인 물질이며 오염으로 인해 Alkali Metal 등이 존재할 경우 Turbine의 부식을 일으킴

- 시험방법 

: Copper strip (ASTM D130) : 동판을 시료에 잠기게 한 후, (100℃, 2시간) 표준과 비교함

 

9) Cleanliness (청정성)

 

- Solid Particlate와 Free Water가 없어야 함

- Solid Particle과 고고도의 저온에서 얼음으로 변하는 Free Water는 Fiter Plugging과 Fuel Pump 마모의 원인이 됨

- Free Water가 존재할 경우, Fuel과 Water의 Interface에서 미생물이 번식할 수 있는 환경을 제공해 주며, 미생물 번식 시 Solid particle이 생성 혹은 부산물로 독성물질이 발생하여 부식을 유발하기도 함. 필요시 Biocide사용에 의해서 Microbial Growth를 방지

-시험방법:

- Existent gum (ASTM D  381)

- Particulates (ASTM D 2276)

- Water Reaction Lnterface (ASTM D 1094)

- Micro Separometer (MSEP) rating (ASTM D 3948)

- Filtration Time(MIL-DTL-83133E Appendix A)

 

오늘은 '항공유(JET A-1) 품질 항목 성능 평가 방법(JFTOT, ASTM)'에 대하여 알아보았습니다.

다음글에서는 '항공기 터빈 엔진 종류 및 특성과 급유 조업 방식'에 대해 정리해보겠습니다.

2023.04.22 - [EnergyTok/정유·화학] - 항공기 터빈 엔진 종류 및 특성, 항공기 연료 급유 방식

항공기 터빈 엔진 종류 및 특성, 항공기 연료 급유 방식