CC BY
27(Щ
Альтернативные топлива
Междугородная и международная системы газоснабжения автотранспорта
Я.С. Мкртычан, профессор, д.т.н.,
С.В. Люгай, директор центра «Использование газа» ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Д.В. Селиванов, главный специалист ООО «Газпром газэнергосеть»
Приведены основные принципы построения междугородной и международной систем газоснабжения автотранспорта. Особое внимание уделено вопросам использования сжиженного природного газа в качестве моторного топлива, используемого на крупнотоннажных грузовых автомобилях, туристических автобусах и сельхозтехнике.
Ключевые слова: компримированный природный газ, сжиженный природный газ, автомобильная газонаполнительная компрессорная станция, автомобильная газонаполнительная станция, двухтопливная автомобильная газозаправочная станция.
Значительный объем грузоперевозок в России и в странах мира выполняется крупнотоннажными дизельными грузовиками и автопоездами, потребляющими наибольшие объемы моторного топлива. В сложившихся условиях автоперевозчики прилагают усилия для снижения себестоимости грузоперевозок. Одним из эффективных путей достижения указанной цели является переход на использование крупнотоннажными грузовыми автомобилями вместо дизельного топлива компримиро-ванного (КПГ) и сжиженного (СПГ) природного газа, который на сегодня является наиболее дешевым, экологически чистым и безопасным, а также наиболее ресурсообеспеченным топливом.
В России продолжается эксплуатация ранее созданного парка газобаллонных автомобилей, подготовлено производство и начат выпуск новых газомоторных автомобилей. Соответственно повышается объем потребления КПГ [1]. Широкомасштабное применение СПГ на транспорте сдерживается в основном малочисленностью мини-заводов по его
производству и газозаправочных станций, хотя известно, что применение СПГ может дать дополнительные значимые преимущества даже в сравнении с КПГ.
Использование СПГ на автомобильном транспорте позволяет повысить почти в 3 раза запас хода, уменьшить частоту заправок и потери времени на них. Однако следует помнить, что СПГ - это жидкое криогенное плотное топливо, и хранение его на борту автомобиля в большом объеме в связи с постоянным теплопритоком требует соблюдения особенных мер безопасности. При использовании СПГ необходима высочайшая надежность работы предохранительных устройств во всепогодных условиях.
Необходимыми условиями обеспечения безопасности являются максимальная выработка СПГ перед предстоящим длительным простоем, надежное укрытие топливных баков от прямого воздействия солнечных лучей и вентиляция воздуха в кожухе топливных баков.
Перечисленные особенности использования СПГ на автомобилях позволяют определить границы его
рационального применения с учетом типа транспорта, режимов его работы и маршрута следования. Первоочередными объектами использования СПГ на транспорте являются:
• крупнотоннажные грузовики с полуприцепами для междугородных и международных грузоперевозок на дальние (до 1000 км) и сверхдальние расстояния в несколько тысяч километров;
• самосвалы, в первую очередь карьерные, постоянно работающие без длительных перерывов и простоев;
• тракторы, комбайны и сель-хозавтомобили в периоды круглосуточной работы;
• туристические и другие автобусы с суточным пробегом 600...700 км.
Указанная техника способна использовать на маршруте или за время работы почти весь запас топлива, а следовательно снизить риски и обеспечить необходимую степень пожаровзрывобезопасности. Этому в определенной степени способствуют география маршрутов и режим работы транспорта.
В мире и России сформировалась и набирает обороты тенденция интенсивного прорыва СПГ на газомоторный рынок, вводятся в эксплуатацию заводы по малотоннажному производству СПГ, отработана техника и технология его малотоннажного производства на ГРС и мощных АГНКС. Ведущими автомобильными концернами мира начат выпуск разных моделей автомобилей, работающих на СПГ, строятся заправочные станции СПГ, совершенствуется нормативно-техническая и разрешительная документация.
Цена реализации производимого на ГРС и АГНКС сжиженного природного газа колеблется от 2 тыс. до 4 тыс. руб./т, что составляет 90 % стоимости мазута с учетом теплотворной способности и потерь на его подогрев.
«Малый» СПГ уже занимает вполне самостоятельную нишу на внутреннем рынке энергоносителей. Развивая его производство, ОАО «Газпром» выходит на рынок энергоносителей с новым самостоятельным конкурентоспособным по отношению к мазуту, дизтопливу и даже углю продуктом [2-4].
Применение СПГ-технологий - это широкий спектр решений практических, социальных, производственных и коммерческих задач, из которых к наиважнейшим относятся:
• расширение использования СПГ на автомобильном, железнодорожном, водном и воздушном транспорте, в сельскохозяйственной технике;
• практическая реализация международных и межрегиональных транспортных проектов типа «Голубой коридор», «Голубое кольцо» и «Газовая магистраль».
В нашей стране в 1983-1991 гг. проводилась планомерная работа по сооружению междугородной системы
снабжения автотранспорта КПГ, состоящей из мощных автогазонапол-нительных компрессорных станций АГНКС-500 и АГНКС-250, размещаемых в основном вдоль автомагистралей на расстояниях друг от друга от 70 до 250 км. Частота размещения этих станций и их число были продиктованы протяженностью автотрасс и минимальным пробегом газобаллонного автомобиля, составляющим примерно 250 км [5].
Многолетний опыт сооружения и эксплуатации таких систем
газоснабжения транспортных средств позволил выявить и ряд недостатков, основными из которых являются:
• необходимость сооружения значительного числа АГНКС для надежного обеспечения автомобилей газомоторным топливом;
• высокая стоимость АГНКС и системы газоснабжения в целом;
• длительные сроки сооружения таких систем;
• трудности с полной загрузкой мощных станций АГНКС-500 и АГНКС-250.
Рис. 1. Схема размещения автогазозаправочных станций на автомагистрали Москва - Симферополь: ▲ - действующие АГНКС; А - предлагаемые АГНКС
Указанные недостатки созданной в советский период системы газоснабжения автотранспорта КПГ привели к значительным затратам средств и в течение длительного времени были недостаточно востребованы автоперевозчиками.
Предлагаемая система предназначена для расширения использования СПГ и КПГ преимущественно крупнотоннажными автомобилями, совершающими дальние междугородные и международные грузоперевозки.
Рассмотрим в качестве примера существующую систему газоснабжения транспортных средств на автомагистрали Москва - Симферополь (рис. 1 [5]). Целью предлагаемого решения является повышение эффективности как действующей системы газоснабжения транспортных средств путем ее модернизации, так и вновь создаваемых за счет рационального обустройства станциями различной конфигурации и производительности, способными заправлять транспорт не только КПГ, но и СПГ. Такие станции включают традиционную АГНКС-500, дооснащенную комплексом оборудования для производства, хранения и реализации СПГ, и по существу являются базовыми объектами системы газоснабжения автотранспорта. Однако эти базовые автогазозаправоч-ные двухтопливные станции очень сложны и дорогостоящи. Повсеместное их дооснащение установками по производству СПГ приведет к резкому удорожанию всей системы газоснабжения. Поэтому основная задача состоит в упрощении конструкции станций, уменьшении их числа и минимизации затрат на создание всей системы газоснабжения.
Перечисленные задачи решаются путем рационального размещения базовых станций, например, в начале и в конце каждой автомагистрали на
расстоянии друг от друга, не превышающем запас хода крупнотоннажного автомобиля при использовании им всех видов газомоторного топлива, находящегося на его борту, доосна-щения промежуточных станций комплексом оборудования только для приема, хранения и реализации СПГ, а также расположения промежуточных станций от базовых на расстоянии не более половины запаса хода автомобиля. Такие станции не имеют собственного производства СПГ, а работают на завозимом газовозами с базовых станций. Описанные исполнение и размещение газозаправочных станций на автомагистралях по маршруту следования автомобилей позволяют обеспечить надежное снабжение автотранспорта газомоторными топливами.
Схема размещения автогазоза-правочных станций согласно расчету (см. рис. 1) должна включать всего 24 АГНКС, из которых в действительности функционируют 12, а остальные 12 только предполагается соорудить в ближайшие годы. Согласно предлагаемому решению базовые двухтопливные автогазозаправочные станции I целесообразно создать на базе АГНКС
Москвы, Белгорода, Симферополя с расстоянием между ними примерно по 700 км, а промежуточные двухтопливные станции-сателлиты II - на базе АГНКС Орла и Запорожья с удалением от базовых станций соответственно на 300...350 км. В состав базовых ав-тогазозаправочных станций входят по два криогенных газовоза для доставки СПГ на промежуточные станции-сателлиты.
В состав каждой базовой двухтопливной автогазозаправочной станции (рис. 2 [6]) входят: газопровод подачи природного газа 4, компрессорная группа 3, блок аккумуляторов для хранения КПГ 2, газозаправочная колонка 7 (или несколько колонок), газопровод 77 подачи КПГ в накопительно-распределительную емкость 29 для хранения СПГ, оснащенный регулятором давления газа 27 и запорным устройством (кран) 37, газопровод 72 и кран 22 сброса газа из газовой шапки емкости 29 на прием компрессоров 3, газопровод 6 подачи КПГ в установку 5 производства СПГ из КПГ, газопровод 7 подачи СПГ в емкость 29, оснащенный краном 28, газопровод 73 с краном 70 подачи СПГ через колонку 76 в емкость
Рис. 2. Принципиальная технологическая схема базовой двухтопливной автогазозаправочной станции с системой производства СПГ из сетевого природного газа
Рис. 3. Принципиальная технологическая схема промежуточной двухтопливной автогазозаправочной станции-сателлита, работающей на привозном СПГ
автомобиля, газопровод 24 с краном 23 подачи СПГ через колонку 25 в емкость газовоза 27. Криогенные емкости заправляемых автомобилей через колонки 16 и 25 сообщены гибкими рукавами 20 и 30 и трубопроводами 15 и 19, оснащенными запорными кранами 14 и 18, с трубопроводом 12 сброса газообразного газа на прием компрессоров 3. Установка 5 производства СПГ также сообщена с газопроводом 12 отдельным трубопроводом 8 с запорным краном 9.
Принципиальная технологическая схема промежуточной двухтопливной автогазозаправочной станции-сателлита (рис. 3 [7]) отличается от базовой лишь технологическим комплексом оборудования для приема СПГ, включающим газовоз 27 с криогенной емкостью, гибкий соединительный рукав 7, сливную колонку 8 для учета СПГ, газопровод 32 с запорным краном 33 для подачи СПГ в накопительно-раздаточную емкость 29, а также газопровод 34 с запорным краном 35 и соединительным гибким рукавом 36 для наддува газообразного газа в верхнюю часть криогенной емкости газовоза 27.
В качестве резервного источника подачи СПГ в криогенные сосуды автомобилей автогазозаправочные станции снабжают криогенными центробежными насосами низкого давления (до 1 МПа), которые соединяются с накопительно-раздаточными емкостями СПГ и криогенными газозаправочными колонками (на рисунках не показано).
Предлагаемая система газоснабжения транспортных средств ком-примированным и сжиженным природным газом работает следующим образом.
На каждую из станций природный газ поступает по подводящему газопроводу 4 (см. рис. 2 и 3) на прием компрессоров 3. Сжатый компрессорами 3 газ под давлением 25 МПа поступает в аккумулятор 2, а из него через заправочные колонки 1 в баллоны автомобиля. По достижении в баллонах давления 20 МПа процесс заправки автомобиля КПГ автоматически прекращается.
Одновременно часть природного газа на базовых станциях (см. рис. 2) после сжатия компрессорами 3 по газопроводу 6 поступает в установку 5
по производству СПГ. Произведенный из КПГ в установке 5 сжиженный природный газ поступает по трубопроводу 7 в криогенную накопительно-раздаточную емкость 29 через открытый кран 28. После заполнения емкости 29 сжиженным природным газом на 95 % в газовую шапку этой емкости от компрессоров 3 по газопроводу 11 через регулятор давления 21, понижающий давление до 1 МПа, и открытый кран 31 подают газообразный газ. Под действием давления этого газа СПГ вытесняется из емкости 29 и подается в криогенную емкость автомобиля и газовоза. В емкость автомобиля СПГ поступает по газопроводу 13, через кран 10, колонку 16 и гибкий рукав 17, а в емкость газовоза 27 - по газопроводу 24, через кран 23, колонку 25 и гибкий рукав 26. Газообразный газ из емкостей автомобиля и газозаправщика при заправке сжиженным газом вытесняется через гибкие рукава 20 и 30 и по газопроводам 15 и 19 через краны 14 и 18 поступает в газопровод 12, а по нему на прием компрессоров 3.
Технология и оборудование для заправки автомобилей комприми-рованным и сжиженным природным газом на промежуточных двухтопливных автогазозаправочных станциях-сателлитах фактически такие же, как и на базовых станциях. Разница в том, что СПГ не производят на станциях-сателлитах, а доставляют газовозами с ближайших базовых станций. Газовоз 27 (см. рис. 3) с СПГ после прибытия на станцию присоединяют гибким рукавом 37 к колонке 38, а рукавом 36 - к системе наддува. После открытия кранов 33 и 35 сжатый газ поступает в верхнюю часть емкости газовоза 27 и вытесняет СПГ из нее по рукаву 7 через колонку 8 и газопровод 32 в накопительно-раздаточную емкость 29. После окончания процесса передавливания СПГ кран 33
закрывают, а газовоз 27 отсоединяют от системы.
В мире пока не создана описанная модель системы газоснабжения автотранспорта КПГ и СПГ, но в разных странах и России уже существует небольшое число отдельных станций заправки автомобилей СПГ или рега-зифицированным из него КПГ, не объединенных в систему газоснабжения.
Предпроектные проработки и расчеты на примере обустройства автомагистрали Москва - Симферополь дали в первом приближении оценку преимуществ предлагаемой системы газоснабжения транспортных средств и позволили следующее:
• уменьшить число заправочных станций более чем в 2 раза - вместо 12 намечаемых к строительству АГНКС предлагается построить пять двухтопливных заправочных станций, из них три базовые с шестью газовозами и две промежуточные станции-сателлиты;
• снизить капитальные вложения на сооружение автогазозапра-вочных станций почти в 1,5 раза;
• уменьшить общую численность обслуживающего персонала и эксплуатационные затраты не менее чем в 1,5 раза;
• сократить сроки сооружения системы газоснабжения в 1,5...2 раза;
• уменьшить частоту заправок и потери рабочего времени водителей на заправки примерно в 3 раза;
• уменьшить объем ремонтных и профилактических работ.
С ростом числа газомоторных автомобилей и интенсивности их движения по автомагистралям предстоит соответствующее увеличение числа и/или мощности газозаправочных станций.
Согласно принципиальной схеме (см. рис. 2) базовая двухтопливная автогазозаправочная станция
Таблица 1
Техническая характеристика технологической установки по производству СПГ [1]
Параметры Значения
Расход подаваемого газа без учета газа регенерации при р=0,1013 МПа, ?=273 К, нм3/ч 5150
Температура на входе в блок сжижения, °С 15...30
Давление, МПа на входе в блок сжижения на выходе из блока сжижения 25,0 0,6
Расчетное количество СПГ, кг/ч 1570
Потребляемая мощность, кВт компрессорного оборудования с учетом газа регенерации холодильной машины суммарная 538 217,6 755,6
Удельные энергозатраты без учета потребляемой энергии блоков очистки и осушки, кВтч/кг СПГ 0,48
содержит традиционную АГНКС, технологическую установку по производству сжиженного природного газа из КПГ и систему заправки газовозов и автомобилей СПГ и КПГ. Установка по производству СПГ (рис. 4) включает контейнер, в котором размещены сепараторы СПГ, теплообменники, блок запорной и регулирующей аппаратуры, а также
отдельный емкостной блок для хранения и раздачи СПГ по заправочным колонкам (табл. 1).
Для доставки СПГ с базовых станций на промежуточные станции-сателлиты используют газовозы с объемом криоцистерны до 60 м3 (рис. 5).
Согласно принципиальной схеме (см. рис. 3) двухтопливная автозаправочная станция-сателлит для
Рис. 4. Блок сжижения природного газа (контейнерное исполнение)
автомобилей, использующих в качестве топлива только КПГ, только СПГ, а также одновременно КПГ и СПГ, включает узел подключения автога-зозаправщика СПГ, хранилище СПГ, блок регазификации СПГ в контейнерном исполнении, систему контроля, колонки КПГ и СПГ, платежную систему (рис. 6).
Автогазовоз 7, прибывший на станцию, с помощью гибкого рукава подключается к сосуду-хранилищу 3 и собственным центробежным криогенным насосом 2 перекачивает в него сжиженный природный газ. После этого СПГ подается погружным криогенным насосом 4 через раздаточную колонку 5 СПГ в топливные криогенные баки автомобиля 77.
При заправке автомобиля 70 рега-зифицированным КПГ сжиженный газ забирают поршневым криогенным насосом высокого давления 6 из сосуда-хранилища 3 и подают в атмосферный испаритель высокого давления 7 и далее через аккумулятор 8 КПГ и раздаточную колонку 9 КПГ в баллоны газобаллонного автомобиля 70.
При одновременной заправке автомобиля 72 сжиженным и компри-мированным газом поток СПГ направляют непосредственно в криогенные
баки автомобиля от раздаточной колонки 5, а поток КПГ - в баллоны высокого давления того же автомобиля 72 от раздаточной колонки 9.
Основные показатели станций-сателлитов, предлагаемых для сооружения на междугородных и международных автомагистралях, приведены в табл. 2.
В мире и России наблюдается тенденция устойчивого роста потребления газомоторных топлив и прежде всего КПГ. Соответственно увеличивается число газовых автомобилей и газозаправочных станций. Только за период 2000-2011 гг. объем мирового потребления КПГ возрос в 15 раз [1]
и превысил 36,0 млрд нм3. В последние годы сохраняется благоприятная конъюнктура цен на газомоторное топливо и продолжается ужесточение требований к токсичности выхлопных газов. Эти факторы стали основой для устойчивого роста интереса к ком-примированному природному газу.
Мировой парк машин, использующих в качестве топлива природный газ, за последние 12 лет вырос более чем в 12 раз, доля метановых автомобилей приближается к 2 % и достигла 14,6 млн (2011 г.). Для сравнения, мировой парк автомобилей на про-пан-бутановых смесях насчитывает примерно 12 млн. Практически все крупные производители автомобилей организовали выпуск метановых машин различных классов. В России сегодня имеется значительный парк грузовиков и автобусов, работающих на КПГ.
В ряде стран (Китай, Великобритания, Швеция, Россия) наметилась тенденция использования для заправки автотранспорта регази-фицированного природного газа. Созданы образцы заправочных станций СПГ/РКПГ, аналогичные по своим выходным параметрам АГНКС-250, с объемом хранения СПГ примерно 50 м3. В США и Китае для обеспечения
Таблица 2
Основные показатели станций-сателлитов [1]
Основные показатели Значение
Объем криогенного сосуда-хранилица СПГ, м3 50,0
Объем СПГ отпускаемого автомобилям, не более, м3 заправки одного автомобиля, средний, м3 доставки на станцию двумя газовозами, м3/сут 45,0 0,8 90,0
Число заправок СПГ автомобилей в сутки, не менее 100
Мощность станции, кВт 30
Число раздаточных колонок СПГ 2
Число заправок автомобилей, ед./сут До 8
Число криогенных насосов производительностью 1,5 т/ч 2
автозаправочных станций сжиженным природным газом предпочитают строить соответствующие заводы по среднетоннажному производству СПГ мощностью 100.600 тыс. т/год. В Европе (Испания, Италия, Швеция) пользуются привозным СПГ с действующих морских терминалов.
В России пока отдают предпочтение малотоннажному производству СПГ (10..20 тыс. т/год) преимущественно на действующих ГРС, мощных АГНКС-500 и АГНКС-250. Это позволяет уменьшить затраты на использование СПГ, сократить сроки сооружения производственных объектов и расширить географию их размещения. С учетом того, что в стране на сегодня
функционируют 246 мощных АГНКС и около 5 тыс. ГРС, следует считать эту тенденцию наиболее рациональной
на данном этапе развития газомоторного рынка, хотя не исключается использование действующих заводов, а при необходимости строительство новых заводов СПГ производительностью до 1,0 млн т/год.
Первоочередными объектами для перехода на СПГ однозначно являются крупнотоннажные грузовики, туристические и другие автобусы, совершающие дальние междугородные и международные грузопассажироперевозки, в том числе по голубым коридорам. ОАО «КАМАЗ» совместно с ООО «РариТЭК» при содействии ОАО «Газпром» и ООО «Газпром ВНИИГАЗ» создан первый отечественный тягач, работающий на СПГ и КПГ. Сегодня он проходит всесторонние испытания, включая участие в междугородных автопробегах. Проводится работа по созданию нового поколения газомоторных крупнотоннажных грузовиков и самосвалов, работающих на СПГ и КПГ.
При содействии Внешэкономбанка и ОАО «Газпром» в Тамбовской обл. намечено в ближайшие годы строительство завода по производству СПГ общей мощностью 1 млн т/год. Мощность первой очереди из намеченных трех очередей составит 300 тыс. т/год. В ближайшее время начнется разработка рабочего проекта будущего завода.
Литература
1. Мкртычан Я.С. Газификация и газоснабжение транспорта России. - М.: Нефть и газ, 2012. - 238 с.
2. Пронин Е.Н. Итоги XXI сессии Рабочей группы по газу ЕЭК ООН // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 3. - С. 3-4.
3. Ротанов Ю.В., Никифоров В.Н. Перспективы использования СПГ в качестве моторного топлива // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010. - № 2. - С. 73-75.
4. Пронин Е.Н., Поденок С.Е. Малотоннажное производство сжиженного природного газа в ОАО «Газпром» - спектр возможностей и перспектив // Транспорт на альтернативном топливе. - 2009. - № 2. - С. 68-69.
5. Маленкина И.Ф., Ровнер Г.М., Мкртычан Я.С. Система обеспечения эффективного развития и эксплуатации сети метановых автозаправочных станций. - М.: Нефть и газ, 2005. - 272 с.
6. Ходорков И.Л. Многоцелевая автогазонаполнительная компрессорная станция (МАГНКС). Патент на изобретение РФ № 2262645 с приоритетом от 09.06.2003.
7. Мкртычан Я.С. Автогазозаправочная станция природным газом. Патент РФ на полезную модель № 87004 с приоритетом от 09.06.2009.
