CC BY
52
УДК 550.78
К ОБОСНОВАНИЮ ПАРАМЕТРОВ И РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ КРИОГЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА КАРЬЕРНЫМИ АВТОСАМОСВАЛАМИ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА
А.А. Кудрявцев
Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук Ул. Мамина-Сибиряка, 58, Екатеринбург, ГСП- 936, Россия
Предлагаются пути решения задач по созданию оборудования для замещения дизельного топлива сжиженным природным газом на карьерных автосамосвалах.
Использование сжиженного природного газа (СПГ) в качестве альтернативы дизельному топливу на карьерном автомобильном транспорте целесообразно по следующим причинам [1-3].
Во-первых, карьерные автосамосвалы потребляют большие объемы дизельного топлива (в среднем 600-1500 кг в смену в зависимости от грузоподъемности), что во многом определяет экономику горного производства. При замещении дизельного топлива газовым прямые расходы на моторное топливо могут быть снижены более чем на 40%.
Во-вторых, автосамосвалы работают в основном на нижних горизонтах карьеров, рудников и разрезов (глубина 100-350 м). Отработавшие газы двигателей машин являются основными загрязнителями атмосферы рабочих зон горного производства. Доля их в суммарных объемах загрязняющих веществ превышает 60%, а по содержанию токсичных компонентов — 90%. Содержание токсичных компонентов в выхлопных газах двигателей, работающих на СПГ, по сравнению с дизельными машинами сокращается по саже более чем на 95%, углеводородам — на 90%, углеродам — на 85%, оксидам азота — на 62%.
В-третьих, в отдаленных от промышленных центров регионах, за счет которых будут восполняться выбывающие мощности добычи минерального сырья, СПГ может использоваться как универсальный энергоноситель обеспечивающий основное производство и жилищно-бытовой сектор электроэнергией и теплом, а также как моторное топливо для парка машин специализированной карьерной техники, автомобильного и тракторного оборудования [4].
Условия, параметры и характеристики функционирования криогенных систем определяются низкими температурами криогенных жидкостей.
В криогенных системах практически отсутствуют стационарные режимы работы, а процессы отличаются сложностью и многообразием форм. В известных конфигурациях бортовых криогенных систем (БКС) автомобилей газомоторное топливо (ГМТ) формируется на основе использования как паровой, так и жид-
кой фаз СПГ, а поддержание в криогенном сосуде избыточного давления, обеспечивается испарителем наддува. Поступление СПГ в виде жидкости или пара в магистраль подготовки и подачи газомоторного топлива (МПиП ГМТ) обеспечивается за счет перепада давлений (фактического давления в сосуде Ру, заданного рабочего давления Р,) и точности поддержания рабочего давления АРг регулятором (рис. 1).
При условии Pf < Рг ± ЛРГ жидкость под действием избыточного давления выдавливается из криогенного сосуда и подается в МПиП ГМТ. Процедура подготовки ГМТ в этом случае включает предварительное испарение жидкости, подогрев газа и поддержание заданного давления и требуемого расхода.
При снижении объема потребления ГМТ происходит естественный рост давления в сосуде и при достижении Р}>РГ ±АРГ в МПиП ГМТ поступает пар из паровой подушки сосуда, а поток жидкости в условиях равенства давлении жидкости и пара прекращается из-за более высоких гидравлических потерь. Извлечение паров СПГ из резервуара осуществляется за счет скрытой теплоты испарения самой жидкости, а также притока тепла из внешней среды за счет испарителя наддува и через теплоизоляцию.
Физический смысл отбора паров заключается в нарушении равновесия между паровой и жидкой фазами СПГ, которое имело место до начала отбора (метод «испарительного охлаждения»),
В результате давление в резервуаре начинает падать, а жидкая фаза закипает и испаряется. Испаряющийся пар отнимает энергию у жидкости и внутренних стенок сосуда, вследствие чего снижаются их температура и давление. Отбор пара прекращается, и в МПиП ГМТ начинает поступать жидкость.
Криогенные системы теплогидроинерционны, что в условиях высокой динамики потребления топлива автосамосвалами приводит к серьезным проблемам прежде всего потому, что в процессе погрузки машин и движении их без груза на спуск (до 40-50% времени транспортного цикла) продукционный теплообменник превращается в источник интенсивного теплопритока во внутреннее пространство криогенного сосуда.
В определенных обстоятельствах это приводит к росту давления и принудительному сбросу СПГ в атмосферу через дренажное устройство и, как следствие, к потере топлива. Для предотвращения этих явлений необходимо устанавливать дополнительную запорную арматуру и увеличивать прочностные характеристики теплообменника и трубопроводов.
С учетом изложенного привлекательной оказывается идея осуществлять отбор газа только непосредственно из парового пространства криогенного сосуда. При этом обеспечивается простота технологической схемы и надежность.
Рис. 1. Принципиальная схема существующих бортовых криогенных систем автомобилей:
1 — криогенный бак; 2 — двигатель внутреннего сгорания; 4 — продукционный испаритель; 6 — испаритель наддува; регуляторы: 3 — давления МПиП ГМТ, 5 — давления, 7 — давления наддува
Вместе с тем при длительном и интенсивном отборе может возникнуть ситуация, при которой давление внутри БКС не обеспечит заданного давления газа на входе в систему питания двигателя. Это может привести к снижению мощности и к ухудшению тягово-динамических характеристик автосамосвала [5].
При построении БКС на основе технологии «испарительного охлаждения» [6] формализованная схема процессов подготовки ГМТ в БКС представлена на рис. 2. При этом баланс энергии подготовки ГМТ в общем виде представляет равенство:
Епас1 +Е8 + Ес, + Еос = + Ерос, , (1)
гДе: Епас1,Её,Ес1,Еос,Е18,Ер0!1 — соответственно энергия испарителя наддува, собственно СПГ, стенок сосуда, окружающей среды, испарения жидкой фазы СПГ и подогрева газа.
Левая часть равенства (1) представляет алгебраическую сумму потенциала энергии БКС, правая часть — расход этой энергии.
При использовании технологии испарительного охлаждения в правой части равенства (1) заменяется энергией «испарительного охлаждения» Е,ох, соответственно, в левой Епа<1 энергией дополнительного теплопритока Еп<ц. С учетом этого выражение энергетического баланса будет иметь вид:
Епд + Е§ + Ес, + Еос - Еюх + Ерос/ ; (2)
Сумма энергий дополнительного теплопритока Е„С1 и окружающей среды Еос можно представить, как энергию внешних воздействий Еь„. При допущении, что температура окружающей среды, в определенных условиях, постоянна:
ЕЬп = а ■ {МЬакр - \NakMassa + gu(t)] -Ь}-1, (3)
где: М& = {МЬакр - \NakMassa + gu{t)\ ■ t — текущая масса СПГ; а, Ъ — коэффициенты линейной регрессии функции Ет = /(Мё ); МЬакр — начальная
масса СПГ в баке; ^кМазза — накапливаемый расход массы СПГ из бака; gu(t) — функция расхода СПГ при движении автосамосвала.
Поскольку энергия подогрева газа непосредственно в процессах БКС не участвует, баланс энергии будет иметь следующее выражение:
АТ■ {МЬакр -\NakMassa + gu(t)]• /}• С + (АТ■т-С,) +
(4)
+ а■ {МЬакр -[Л^Шсша + gu(t)]-Ь}^ = gu{t)• t• г ,
где: г — средняя теплота испарения жидкости; Сй Се— средние теплоемкости
жидкости и материала бака; тс — масса криогенного бака; АТ — снижение температуры из-за потери энергии жидкости и сосуда.
Рис. 2. Формализованная схема процессов подготовки ГМТ в БКС на основе технологии испарительного охлаждения
Рассмотрены три варианта значений исходных параметров СПГ в криогенном баке БКС:
1) Р = (0,5 — 0,4) Т = (138,69 — 135,31) АТ = 3,38;
2) Р =(0,6 —0,4) Т =(141,68—135,31) АТ =6,37;
3) Р =(0,3 —0,1) Т =(131,39—120,59) АТ = 10,8.
В двух первых вариантах отражаются реальные на данный период технические возможности как в сфере производства СПГ, так и в области создания газового моторного оборудования.
Третий вариант априори является оптимальным и перспективным как с позиции обеспечения наибольшего запаса хода машин, так эффективной организации рабочего процесса газового или газодизельного двигателя.
Примеры изменения энергетического баланса БКС емкостью 1,6 м3 в транспортном цикле автосамосвалов грузоподъемностью 120 т представлены на рис. 3.
На рис. 4 представлены интегральные зависимости энергетического баланса БКС по времени транспортного цикла.
Интегральная форма представления энергетического баланса учитывает такие процессы в БКС как теплогидравлическая инерционность пара и жидкости, так и аккумулирование энергии стенками сосуда и парожидкостной средой. Следует отметить, что за счет эффекта аккумулирования предел изменения энергетического баланса БКС в интегральном выражении на три порядка выше дифференциального. На интегральной поверхности поле с максимальным значением баланса в пределах (7-7,5) 107 кДж имеет место при выработке более 60% запаса СПГ. При этом в зоне предельной выработки запаса СПГ (после выполнения 16 рейсов автосамосвалом) баланс энергии положительный и находится в пределах (6,2-6,8) 107 кДж, т.е. сохраняется достаточно высокий остаточный потенциал БКС в конце смены.
Интенсивного снижения энергетического баланса за счет больших объемов потребления газа при движении автосамосвала на подъем на интегральной поверхности не наблюдается. Практически 80% сменного времени работы автосамосвала в БКС идет интенсивный процесс накопления энергии, несмотря на то,
2.5 х 10 2
1.5
«^1
'Л 1
"Б
-Q 0.5
LU
0
-0.5
"Л --Н-W V ■ \ — ■" I 1 '1 -зл ; ! { v; V4'
“і ' Iі л
■-И \ Г2ЛУ
лУЛ \У( YT\
1 ^ Г7\ \[1 І
V ' !
0 200 400 600 300 1000 1200
t,c
Рис. 3. Изменение энергетического баланса БКС емкостью 1,6м3, выполненной из нержавеющей стали 12Х18Н10Т в транспортном цикле автосамосвала грузоподъемностью 120 т— восьмая ездка (для ресурсного потенциала СПГ 1-3,38, 2-6,37, 3-10,8
200
*0 1>иЧ
Рис.4. Поверхность интегрального баланса БКС емкостью 1,6 м3 при работе автосамосвала грузоподъемностью 120 т на СПГ с ресурсным потенциалом 6,37К
что уровень СПГ в топливном в баке снижается. При этом важным обстоятельством является то, что технологии производства СПГ с термодинамическими параметрами Р = (0,6-0,4) мПа и Т = (141,68-135,31) °К в настоящее время наиболее доступны для реализации как по техническим условиям, так и по экономическим показателям.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кудрявцев А.А. Газообразное топливо для двигателей самоходного горного оборудования — ключ к решению проблемы загазованности карьеров // Проблемы разработки месторождений глубокими карьерами (Мельниковские чтения): Междунар. конф.: Сб. докл. (тезисы). — Челябинск: НИОГР, 1996. — С. 103 -104.
2. Кудрявцев А.А. Безопасность и эффективность использования сжиженного природного газа в качестве моторного топлива для карьерной автотракторной техники // Горный журнал. Спец. вып. — 2004. — № 8. — С. 124-127.
3. Кудрявцев А.А. БелАЗы XXI века с газодизелями семейства двигателей ДМ // Горная промышленность. — 2001. — № 6. — С. 36-38.
4. Кудрявцев А.А. Энергетическое обеспечение разработки полезных ископаемых в отдаленных регионах на основе использования сжиженного природного газа // Горная промышленность. — 2005. — № 6. — С. 28-30.
5. Кудрявцев А.А. О теплообменных процессах в бортовых криогенных системах автомобилей-самосвалов // Горное оборудование и электромеханика. — 2006. —№ 3. — С. 20-24.
6. Патент № 2293248 Российская Федерация, МПК5 F7C 7/ 04. Способ газификации сжиженного природного газа в бортовых криогенных системах автотранспортных средств / А.А. Кудрявцев. № 2005117223/06; опубл. 10.02.07.
ТО A SUBSTANTIATION OF PARAMETERS AND WORKING PROCESSES OF THE CRYOGENIC EQUIPMENT AT USE AS FUEL CAREER AUTODUMPERS LIQUEFIED NATURAL GAS
A.A. Kudryavtsev
Institute of Mining Matter of the UrO of the Russian Academy of Sciences, Mamina-Sibiryaka St., 58, Ekaterinburg, GSP- 936, Russia
Decision of the problems is Stated on making the equipment when change the diesel oil LNG.
Кудрявцев Анатолий Александрович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, главный специалист Института горного дела Уральского отделения РАН.
