CC BY
206
УДК 621.59
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЁМКОСТИ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С КРИОГЕННОЙ ЗАПРАВКОЙ КАК ХРАНИЛИЩА-РЕГАЗИФИКАТОРА ДЛЯ АВТОНОМНЫХ КОМПЛЕКСОВ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ И ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
© 2011 Т. В. Ашихмина, Д. В. Сармин, Д. А. Угланов
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет)
В статье проведён анализ возможных вариантов использования ёмкости с криогенной заправкой в составе автономного комплекса газоснабжения. Рассмотрены также особенности работы ёмкости с криогенной заправкой, описаны её достоинства и недостатки.
Рабочее тело, криогенная заправка, процессы в баллоне, газификатор, топливный баллон.
Всё более широкое распространение сжиженного природного газа (СИГ) стимулирует новые технические решения и технологии его использования, транспортировки, хранения, регазификации.
Наиболее доступными по реализации оказались разработки ёмкостей СИГ для большегрузных автомобилей, железнодорожного транспорта и автономных комплексов газоснабжения населённых пунктов и предприятий в случае нецелесообразности или невозможности их подключения к централизованным газопроводным сетям [1].
В настоящей публикации приводится оценка характеристик существующих ёмкостей и сопутствующего оборудования для СИГ и вновь предлагаемого баллона-регазификатора.
Ири раздельном рассмотрении использования СИГ для автомобилей, стационарных комплексов газоснабжения и железнодорожного транспорта можно отметить следующие особенности и проблемы.
Рис. 1. Автономный комплекс газоснабжения с использованием СПГ
Таблица 1 - Технические характеристики стационарных ёмкостей хранения СПГ
Параметр Объём, л 2 3 5 6 9 11 16 21 25
Физический объём л 2000 3400 4700 6100 8700 11200 15900 20700 25400
Вместимость (90%) л 1800 3060 4230 5490 7830 10080 14310 18630 22860
Вместимость СНГ кг 850 1440 1990 2590 3690 4740 6730 8760 10750
Суточные потери СНГ % сутки 0,45 0,39 0,29 0,28 0,25 0,24 0,22 0,21 0,19
Масса ёмкости (19,6 МНа) кг 2700 3400 4000 4700 6000 7000 8800 10600 12500
Диаметр (Б) мм 1800 2200
Ширина (А) мм 2050 2200
Г лубина(Н) мм 2100 2240
Высота (Щ мм 3140 3940 4960 5770 7600 6100 7930 9760 11590
Что касается стационарных пунктов газоснабжения, то это наиболее проработанные проекты, уже сейчас практически реализованные. На рис.1 представлена схема общего вида такого объекта. В его состав входят: устройство слива СПГ; ёмкость хранения СПГ (единично 8-50 м ), суммарно до 250 м3; атмосферный регазификатор производительностью 504000 м3/ч; подогреватель газа (опционально), электрический взрывозащищённый или атмосферный; блок газорегулирующий; блок одоризации; система общестанционной автоматики; системы пожарной, охранной сигнализации, контроля загазованности, другие системы. В табл. 1 приведены характеристики некоторых ёмкостей для хранения СПГ.
На автотранспорте производители большегрузных автомобилей (Mersedes,
Таблица 2 - Автомобильные топливные баки для СПГ
Volvo, ^ш) уже сегодня серьезно занимаются разработками в области СПГ и выпускают адаптированные под него автомобили-тягачи.
В табл. 2 приведены краткие характеристики автомобильных топливных баков для СПГ. Здесь следует отметить, что по сравнению с автомобильными топливными баллонами высокого давления наблюдается соотношение как 3 к 1 по пробегу в пользу СНГ.
Несколько отстаёт в плане реализации проектов использования СНГ железнодорожный транспорт. Он является одним из крупнейших потребителей нефтяного топлива в стране. На осуществление тяги поездов тепловозами расходуется примерно 3 млн.т дизельного топлива в год. Использование СНГ на тепловозах весьма выгодно.
Тип Диаметр сосуда Длина сосуда Объём сосуда
м м л
SEMI-FNL тШ-150 26*90 TPED 0,66 2,286 570
SEMI-FNL ^Ш-103 26*66 TPED 0,66 1,676 390
SEMI-FNL ^Ш-100 26*64 TPED 0,66 1,626 380
SEMI-FNL HLNG-97 24*71 TPED 0,61 1,804 368
SEMI-FNL HLNG-65 26*46 TPED 0,66 1,169 247
SEMI-FNL HLNG-52 26*40 TPED 0,66 1,016 197
Однако на практике для сжиженного ды из дизеля. В связи с тепловой инерци-
газа требуется газоводяной теплообмен- онностью теплообменника при резко пе-
ник с системой подачи в него горячей во- ременных режимах нагрузки тепловоза
необходимо устанавливать резервную ёмкость для сжатого газа, что не позволяет полностью реализовать его преимущество по плотности.
Таким образом, каждое из агрегатных состояний имеет свои недостатки и поэтому выбор одного из них должен соотноситься с условиями эксплуатации тепловозов. Для магистрального тепловоза -это свои особенности, а для маневрового -совершенно иные. Так, на маневровых тепловозах, где число изменений режимов работы достигает 100 в час, применять сжиженный газ затруднительно из-за инерционности газификатора и поэтому на газотепловозах ТЭМ18Г применен сжатый природный газ. Запас его, возимый на тепловозе, составляет 850 м при давлении 20 МНа, что обеспечивает меж-заправочный срок 2,5-3,0 сут.
Нростота и относительно малая стоимость переоборудования тепловозного дизеля для работы на природном газе, сохранение мощности и топливной экономичности, обеспечение надёжности и удобства эксплуатации позволяют сделать вывод о целесообразности применения на тепловозных двигателях газодизельного цикла.
Работы по созданию газотепловозов в нашей стране начались в конце 1980-х годов. На Луганском тепловозостроительном заводе были построены три магистральных газотепловоза: два на базе тепловоза 2ТЭ10 и один на базе тепловоза 2ТЭ116, соответственно 2ТЭ10Г и 2ТЭ116Г. Газотепловозы имели тендерные секции с двумя криогенными ёмкостями, вмещающими 17 тонн сжиженного природного газа. В 1991 г. были проведе-
ны теплотехнические испытания газотеп-ловоза 2ТЭ10Г, которые выявили ряд недостатков газодизеля 10ГД100Б и регазификатора.
Запуск газодизеля этих тепловозов и работа в режиме малых нагрузок осуществляются на дизельном топливе, после чего он переходит на газодизельный рабочий процесс. Запас газа обеспечивает беззаправочный пробег тепловоза в течение 2,5-3 сут. Удельный эквивалентный расход топлива на номинальной мощности на 3-5 % меньше соответствующего расхода при работе на дизельном топливе, токсичность выхлопных газов в 1,5-2 раза ниже. Эксплуатационные испытания на Московской железной дороге показали, что доля замещения дизельного топлива природным газом на этих газотепловозах в зависимости от рода маневровой работы составляет от 35 до 50%. На Свердловской дороге, где в настоящее время эксплуатируется газотепловоз ТЭМ18Г-001, доля замещения при работе тепловоза на газе в 2005 г. составила 44%. При этом расходы на приобретение моторного топлива снизились на 22%. Доходы от использования газотепловозов формируются в результате снижения эксплуатационных затрат на топливо и моторные масла, а также выплат за загрязнение окружающей среды.
В настоящее время в ОАО «Кузнецов» совместно с РЖД ведутся работы по созданию газотурбинного двигателя для силового блока газотурбовоза, работающего на сжиженном природном газе (СПГ), что позволит существенно повысить экономичность и снизить выбросы вредных веществ железнодорожных транспортных средств.
Рис.2. Газотурбовоз ГТ1-001
Газотурбовоз с газотурбинной установкой НК-361 должен снизить время движения в зависимости от профиля трассы на 10-20%, снизить суммарные эксплуатационные затраты в 1,8 раза и вредные выбросы с продуктами сгорания углеводородного топлива более, чем в 10 раз [5].
Г азотурбовоз (рис. 2) состоит из двух секций. В одной размещаются турбина и силовой блок, в другой - ёмкость для криогенного топлива объемом 17 тонн. Одной заправки хватает на 750 км. Суммарная (максимальная) мощность газотурбовоза - 8300 кВт, общий вес - 300 тонн. Расход криогенного топлива составляет величину около 5160 кг/ч.
Анализ состава оборудования систем СНГ различного назначения свидетельствует о том, что для газотурбовоза и большегрузных автомобилей единственно приемлемым по запасу топлива является способ его использования из сжиженного состояния, т. е. из криогенных ёмкостей низкого давления.
Внутригородской грузовой автотранспорт вполне оправданно давно использует компримированный природный газ. Нрименение СНГ здесь пока невыгодно.
В стационарных автономных комплексах газоснабжения успешно используются известные системы транспортировки, хранения, газификации и выдачи топлива потребителю.
Маневровые газодизельные тепловозы могут иметь потребность как в газобаллонных системах высокого давления, так и в топливных баках с СНГ. Нричём следует подчеркнуть, что во всех случаях СНГ требует регазификации и потребляется при различных давлениях. Так, например, для газового дизеля и ГТД природный газ должен быть сжат до давления подачи в двигатель. Для газопоршневого ДВС его давление подачи будет меньше, а для бытовой сети или котельной - самым низким.
Анализ показывает, что интересным и полезным в составе стационарных ком-
плексов было бы получение газа высокого давления. Это позволило бы осуществлять заправку газобаллонных автомобилей и технологических баллонов, например, сварочного производства. В принципе это возможно за счёт применения криогенного насоса и газификатора высокого давления. Но это усложняет и удорожает систему и не оправданно энергетически, так как из криогенно-жидкого состояния можно получить газ высокого давления за счёт естественной регазификации и тер-мокомпримирования в изохорном процессе.
1 - вентиль запорный; 2 - клапан предохранительный; 3 - баллон; 4 - изоляция; 5 - изоляция внутренней ёмкости; 6 - внутренняя ёмкость; 7 - проставки опорные; 8 - фильтр; 9 - проставки радиальные; 10 - стакан; 11 - трубка заправочная; 12 - змеевик; 13 - сильфон; 14 - штуцер
Нримером совмещения технологии и газификации является устройство, описанное в патенте «Топливный баллон» [3]. На рис.3 представлен эскиз баллона по этому патенту. Такое устройство позволит создать систему регазификации, которая содержит: ёмкость, заправляемую криогенным продуктом, и внешний испаритель атмосферного типа или с принудительным нагревом. Криогенный продукт, поступая из ёмкости в испаритель, газифицируется и поступает в саму ёмкость в газообразном виде. Нри этом давление и темпера-
тура в ёмкости достигают либо любых заранее заданных, либо номинальных значений, соответствующих параметрам в обычной заправочной ёмкости высокого давления.
В данной работе представлен сравнительный анализ работы стандартного газификатора (рис. 4) и газификатора на основе ёмкости с криогенной заправкой (рис. 5). Нервый газификатор для прокачки жидкости использует погружной плунжерный насос. Для работы по такой схеме требуется обеспечивать насосом высокое давление, так как это необходимо для подачи газифицированного продукта в ёмкость высокого давления.
С другой стороны, представляется перспективным использование газификатора на основе ёмкости с криогенной заправкой в составе комплекса газоснабжения с использованием СНГ (см. рис.1). Нри этом он может обеспечивать как заправку баллонов газообразным продуктом, так и выполнять функции ёмкости высокого давления, обеспечивая постоянный расход газа в сеть, а также быть источником высокого давления газа для нужд самой станции. Существует возможность использования предлагаемой ёмкости в составе топливной системы маневрового тепловоза как ёмкости, которая обеспечивает универсальную заправку как компримированным газом, так и криогенной жидкостью. Нри этом в последнем случае такая система позволит переводить
криогенное топливо в газ и использовать его как топливо при требуемом давлении.
Рассматривая применение такой емкости как газификатора, можно отметить следующее. Холодный газификатор (рис.4) для регазификации СНГ в атмосферных испарителях использует тепло окружающей среды и практически не потребляет дополнительного тепла. СНГ подается насосом высокого давления (20...25 МИа), после чего поступает в атмосферный теплообменник высокого давления и рампу-ресивер. Основные энергозатраты приходятся на насос высокого давления, потребляемая мощность которого составляет 25 кВт (при расходе 50 л/мин), среднее время работы -10.16 ч в сутки.
Нредварительные сравнительные расчёты показали, что для заправочной станции-газификатора на основе ёмкости с криогенной заправкой (представленная на рис.5 и имеющая расход криогенного продукта 50 л/мин) требуется насос, мощность которого должна составлять около 1 кВт. Относительно малая мощность обусловлена только гидравлическим сопротивлением теплообменника, так как давление в наполняемой газовой полости должно быть равно давлению в ёмкости.
Анализ и расчёты доказывают возможность и перспективность использования ёмкости с криогенной заправкой как в составе стационарного комплекса газоснабжения, так как и в качестве топливного баллона для энергетических установок.
2 г-сАз-
2
С&Э—Р-
6
-1> Ги Высокого даіїленоя
к патреЗителю
Рис. 4. Газозаправочная станция:
1 - ёмкость для хранения криогенной жидкости; 2 - вентиль; 3 - распределитель жидкости; 4 - теплообменники-испарители атмосферного типа; 5 - распределитель газа; 6 - заправочный баллон
5
4
Гіз Высокого Мления к потребителю
Рис. 5. Газозаправочная станция на основе универсального газового баллона:
1 - ёмкость для хранения криогенной жидкости; 2 - вентиль; 3 - распределитель жидкости; 4 - теплообменники-испарители атмосферного типа; 5 - распределитель газа
Библиографический список
1. Микулин, Е.И. Криогенная техника [Текст] / Е.И. Микулин - М.: Машиностроение, 1969. - 512 с.
2. Архаров, А.М. Криогенные заправочные системы стартовых ракетнокосмических комплексов [Текст] / А.М. Архаров, И.Д. Кунис. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 252 с.
3. Пат. 2163699, Российская Федерация, МПК 7F17C9/02/. Топливный баллон [Текст] /Довгялло А. И., Лукачев С. В. [и др.]; заявитель и патентообладатель СГАУ. - №9911457706; заявл. 02.07.1997, опубл. 27.02.2001. Бюл. № 6.
4. Ашихмина, Т.В. Особенности постановки задачи расчёта процессов для универсального газового баллона как неклассической двухфазной системы и оценка его температурного состояния [Текст] / Т.В. Ашихмина, А. И. Довгялло. // Вестн. Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2006. - №1. - С. 133-137.
5. Федорченко, Д.Г. Газотурбинный двигатель НК-361 - основа силового блока первого отечественного локомотива на СПГ [Текст] / Д.Г. Федорченко, И. Н. Ры-жинский // Марка НК на службе топливно-энергетического комплекса: сб. науч. статей. - Самара, 2011. - С. 117-147.
USING A HIGH-PRESSURE VESSEL WITH CRYOGENIC REFUELLING AS A STORAGE REGASIFIER FOR AUTONOMOUS COMPLEXES OF GAS SUPPLYNG
AND RAILWAY TRANSPORT
© 2011 T. V. Ashikhmina, D. V. Sarmin, D. A. Uglanov
Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov
(National Research University)
The analysis of possible ways of using a vessel with cryogenic preparation incorporated into an autonomous gas supply complex is given in the paper. The peculiarities of operating the vessel with cryogenic refueling as well as its advantages and drawbacks are also discussed.
Cryogenic refueling, processes in a cylinder, gasifier.
Информация об авторах
Ашихмина Татьяна Витальевна, ассистент кафедры производства двигателей летательных аппаратов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет). Email: d.a.i@mail.ru. Область научных интересов: рабочие процессы тепловых и холодильных машин, бортовая энергетика, энергосбережение.
Сармин Дмитрий Викторович, аспирант кафедры теплотехники и тепловых двигателей, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: sarmin.d.v@mail.ru. Область научных интересов: рабочие процессы тепловых и холодильных машин, бортовая энергетика, энергосбережение.
Угланов Дмитрий Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры теплотехники и тепловых двигателей, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: dmitry.uglanov@mail.ru. Область научных интересов: рабочие процессы тепловых и холодильных машин, бортовая энергетика, энергосбережение.
Ashikhmina Tatyana Vitalyevna, assistant of the department of aircraft engine production, Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov (National Research University), e-mail: d.a.i@mail.ru. Area of research: working processes of heat engines and refrigerators, airborne power engineering, energy saving.
Sarmin Dmitriy Viktorovich, post-graduate student of the department of heat engineering and heat engines, Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov (National Research University), e-mail: sarmin.d.v@mail.ru. Area of research: working processes of heat engines and refrigerators, airborne power engineering, energy saving.
Uglanov Dmitriy Aleksandrovich, candidate of technical science, associate professor of the department of heat engineering and heat engines, Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov (National Research University), e-mail: dmitry.uglanov@mail.ru. Area of research: working processes of heat engines and refrigerators, airborne power engineering, energy saving.
