CC BY
23
УДК 625.033.34
О целесообразности использования сжиженного природного газа на рефрижераторных контейнерах с навесными дизель-генераторами
И. Г. Киселев, С. Б. Комиссаров, Д. Я. Монастырский
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Киселев И. Г., Комиссаров С. Б., Монастырский Д. Я. О целесообразности использования сжиженного природного газа на рефрижераторных контейнерах с навесными дизель-генераторами // Бюллетень результатов научных исследований. - 2021. - Вып. 4. - С. 104-113. DOI: 10.20295/2223-9987-2021-4-104-113
Аннотация
Цель: Анализ целесообразности применения сжиженного природного газа (СПГ) в качестве альтернативы дизельному топливу на мобильных энергетических установках, используемых в качестве источника питания для холодильных установок рефрижераторных контейнеров. Методы: Проведено сравнение экономических характеристик природного газа с показателями дизельного топлива, используются эксергетический анализ, системный подход и синтез. Результаты: Выявлена экономическая целесообразность замены дизельного топлива на СПГ для энергетических установок рефрижераторных контейнеров; рассмотрены общие вопросы перехода от дизельного топлива к СПГ; предложены возможные способы утилизации холода при рега-зификации; сравнены выбросы вредных веществ при сжигании СПГ и дизельного топлива. Практическая значимость: Полученные результаты могут быть применены при переводе мобильных энергетических установок различного назначения с дизельного топлива на СПГ, а также для углубленного анализа отдельных проблем использования СПГ в качестве топлива.
Ключевые слова: Сжиженный природный газ, рефрижераторные контейнеры, навесные дизель-генераторы, газовые генераторы, утилизация холода.
Введение
Современные требования к обеспечению сохранности груза, уменьшению затрат и влияния человеческого фактора, а также к поиску оптимальных путей для доставки продукции с ограниченным сроком годности привели к широкому распространению контейнерных перевозок, в том числе с использованием рефрижераторных контейнеров, запитываемых от дизель-генераторов. Требования нормативных документов в области экологической безопасности приводят к необходимости модернизации транспортных средств и топливных систем, отказу от экологически небезопасного производства энергии, прежде всего к замене устаревшего дизельного
топлива на сжиженный природный газ (СПГ) из соображений экономической эффективности и экологической безопасности.
Использование навесных дизель-генераторов для рефрижераторных контейнеров
Рефрижераторные контейнеры - специализированные контейнеры, предназначенные для транспортировки и хранения скоропортящихся грузов, которые требуют особых температурных условий. К основным компонентам холодильной установки относятся: компрессор (поршневой или спиральный), конденсатор, ресивер, фильтр-осушитель, терморегулирую-щий вентиль (ТРВ), испаритель с вентиляторами и трубчатые электронагреватели [1] (рис. 1).
воздуха
Рис. 1. Устройство рефрижераторного контейнера
Потребляемая мощность установки зависит от условий внешней среды, температурного режима внутри контейнера, частоты открывания створок и других параметров. Стандартный поршневой компрессор для 40-футового контейнера потребляет 5,5-6 кВт/ч, а спиральный - до 4 кВт/ч при температурных режимах -18 и 5 °С. Если рядом с контейнером нет точек подключения к электропитанию, применяются саморегулирующиеся дизель-генераторы номинальной мощностью до 15 кВт. Контейнерный дизель-генератор предназначен для бесперебойной подачи электропитания на рефрижераторный или танк-контейнер. В его состав входят дизельный двигатель с собственным топливным баком с объемом до 495 л и электро-
генератор. Для перевозок на большие расстояния добавляется дополнительный бак на 380 л. Наибольшее распространение в России получили навесные дизель-генераторы марок Thermo King и Carrier [2].
Масса без топлива у навесного дизель-генератора Carrier PowerLine RG15 (объем двигателя 2,2 л и мощность 15 кВт) составит 830 кг, дополнительно учитываются емкость для топлива объемом на 495 л и дополнительный бак на 380 л. Номинальный расход топлива у RG15 составляет от 2,5 до 3,5 л/ч [3].
Сравнение экономической эффективности газовых и дизель-генераторов
Экономическая эффективность перехода с дизельного топлива на СПГ широко освещена в технической литературе. К 2021 г. стоимость производства на территории РФ 1 м /ч СПГ на малотоннажных заводах (не более 10 т/ч) в зависимости от региона и способа обходится от 9 до 20 руб. за
3 3
1 м /ч. Среднерыночная стоимость за 1 м /ч СПГ - 16 руб., 1 л дизельного топлива - 46 руб. Если в 2015 г. 1 л дизельного топлива оценивался в 35 руб., то цена на газ была стабильна: 1 м3/ч обходился в 15 руб. Что касается зарубежного опыта, то в 2017 г. средняя годовая стоимость СПГ в Европе была примерно на 43 % ниже, чем у дизельного топлива. Стоит отметить, что волатильность цен на газ в Европе выше, чем в Российской Федерации [4].
Средняя плотность СПГ составляет 0,42 кг/л на 1 т - это 2,36 тыс. л или 2,36 м СПГ. Регазификацией при нормальных условиях из 1 т СПГ
33
получают около 1,4 тыс. м природного газа, соответственно из 1 м СПГ -
33
около 600 м природного газа, из 1 л - 6 м . Теплотворная способность природного газа составляет около 48 МДж/кг, что близко к теплотворной способности дизельного топлива 51 МДж/кг.
Примем, что максимальный расход дизельного генератора RG15 (15 кВт) - 4,7 л/ч при 100%-ной нагрузке в приближенных к реальности условиях. Оценка соотношения расходов дизельного топлива к расходу метана изменяется в зависимости от типа энергетической установки и конкретного цикла. Расход близких по мощности к RG15 установок на природном газе варьируется от 4,5 м3/ч (PowerLink VCG15S-NG) до 9 м3/ч (REG GG16-230S). Для сравнения расходов дизельного топлива и природного газа (рис. 2) примем усредненное соотношение 1:1,2 [4], не учитывая более высокую чистоту СПГ по сравнению с магистральным. Максимальная общая емкость баков для навесного дизель-генератора - 875 л, что отвечает 187 ч работы, или 7 сут. 19 ч. Скорость контейнерного поезда -600-800 км/сут., т. е. соответствует приблизительно 30 км/ч. Соответст-
венно поезд сможет преодолеть около 5600 км - для обеспечения топливом рефрижераторного вагона потребуется криогенный резервуар объемом в 176 л, что характерно для отечественного топливного бака модели CDPW 450-200-1.59 от ООО «Криотехника» [5].
а
б
Рис. 2. Сравнение характеристик энергетических установок на дизельном топливе и на природном газе: а - затраты, руб./100 км; б - потребление топлива, л/100 км
У специалистов ООО «Криотехника», производящих криогенные баки для автомобильного транспорта, иная методика расчета требуемой емкости - 1 л объема топливного бака для дизельного топлива соответствует 2,12 л объема бака для СПГ. Однако их расчет касается исключительно топливных систем для крупнотоннажных видов автомобильного транспорта с учетом всех возможных потерь и несовершенства используемого технологического оборудования. При соотношении 1:2,12 СПГ сохраняет экономический потенциал на дистанции и при больших объемах применяемого топлива [5]. Дополнительное преимущество СПГ проявляется в том, что газ не образует нагар на поршнях, клапанах и свечах зажигания, не смывает масляную пленку со стенок цилиндров, не разжижает масло в картере. Тем самым срок службы двигателя увеличивается в 1,5 раза, срок расходников и деталей - в 1,5-2 раза.
Вопросы экологической безопасности
Внедрение СПГ в качестве топлива выгодно не только с экономической точки зрения. Производство энергии с помощью установок на природном газе - наиболее доступная альтернатива дизельной, мазутной и угольной генерациям согласно документу «Энергетическая стратегия России до 2035 года» [6]. Особенности производства СПГ гарантируют полученному топливу достижения экологического стандарта класса ЕВРО5/ЕВРО6.
Наибольший вред экологии в выбросах от установок внутреннего сгорания наносят следующие компоненты: зола, мелкие частицы, углеводороды, И23, СНх, N0^ SO2, СО и С02. Применяемый для двигателей внутреннего сгорания СПГ на 95 % состоит из метана; в остальные 5 % входят азот и неметановые летучие органические соединения (НМЛОС). Использование топлива на основе метана исключает выбросы серы и твердых частиц, провоцирующих респираторные и сердечно-сосудистые заболевания [7].
Однако потенциал СПГ в декарбонизации выбросов относительно низок. Исследования выбросов на транспорте [8] показали, что дизельная установка, использующая как топливо марку высокого экологического стандарта, по показателю «вредные выбросы» приблизительно соизмерима с СПГ-установкой (рис. 3).
Рис. 3. Сравнение выбросов поллютантов автобусных двигателей на топливе СПГ (а) и дизельном топливе (б)
Утилизация холода от использования СПГ на рефрижераторных контейнерах
Кроме очевидной экономической и экологической выгоды, использование СПГ открывает новые технические возможности. Условия хранения СПГ также позволяют рассмотреть его в качестве дополнительного источника холода (рис. 4) для рефрижераторных контейнеров [9].
Начальные характеристики СПГ в емкости - (Ts, Ps). Конечные характеристики СПГ после регазификации - (Т0, Р0). Максимально полезная работа может быть выражена следующим образом:
SWmax = Sq — Sh = T0ds — dh,
e = (hs — ho) + To(So — Ss) =
Sq rPo
CP(Ts — To) + To | °y — RTo |
0 Sp
T Lp
Ps
= Cp(Ts — To) + CpTo ln — — RTo ln —,
ТБ " р0
где первые два члена уравнения выражают собой эксергию холода, а последний член - эксергию давления. При 30 °С и 1 бар энтальпия метана ^ = 10 кДж / кг, при -162 °С и 1 бар - ^ = -915 кДж / кг [10].
Рис. 4. Принципиальная схема утилизации холода от СПГ на рефрижераторных контейнерах с регазификацией через промежуточный переход в компримированный природный газ (КПГ)
В полном цикле регазификации энергия или эксергия холода на 1 кг СПГ составляет 925 кДж. Указанную энергию возможно применять для различных производственных и технологических нужд. Рационально использовать для генерации холода для двигателя теплообмен с охлаждающей жидкостью двигателя для контролируемого испарения СПГ и дополнительного охлаждения жидкости, в случае с рефрижераторными контейнерами - СПГ в качестве дополнительного источника холода для повышения эффективности холодильной установки [11].
Заключение
Следовательно, СПГ - перспективный вид топлива для замены дизельной генерации энергии, включая навесные дизель-генераторы.
Преимуществами СПГ являются:
• стоимость примерно до 2,5 раза дешевле дизельного топлива при соизмеримых теплотворных способностях;
• меньший вред окружающей среде за счет отсутствия выбросов твердых частиц и сажи;
• соответствие стандартам ЕВРО5/ЕВРО6;
• его использование увеличивает срок службы энергетической установки в 1,5 раза;
• переход от дизельного топлива к СПГ открывает дополнительные теплотехнические возможности для утилизации холода при регазифика-ции.
К его недостаткам относятся:
• сложившиеся методы использования СПГ как топлива не способствуют снижению количества выбросов парниковых газов - требуется введение более жестких экологических стандартов (ЕВРО7);
• СПГ требует обновления топливных систем и энергетических установок;
• энергетическим установкам на СПГ необходимы топливные емкости большего объема, чем дизель-генераторам.
Исходя из изложенного, можно сделать вывод, что: 1) СПГ конкурентоспособен и удовлетворяет современный запрос на дешевое, надежное и экологически безопасное топливо; 2) перевод энергетических установок различного назначения с дизельного топлива на СПГ целесообразен.
Библиографический список
1. ГОСТ 33689-2015. Контейнеры и контрейлеры автономные автоматические изотермические. Технические требования и методы испытаний. - М.: Стандартинформ, 2019. - 35 с.
2. Основные бренды рефконтейнеров, использующихся российскими грузовладельцами // Сайт компании «Российская Интермодальная Компания». - URL: https://ric-box.ru/osnovnye-brendy-refkontejnerov-ispolzujushhihsja-rossijskimi-gruzovladelcami/ (дата обращения: 27.08.2019).
3. Products: Generator Sets // Сайт «Carrier Corporation». - URL: https://www. carri er. com/container-refrigeration/en/worldwide/products/generator-sets/ (дата обращения: 27.09.2021).
4. Чеминава Б. Т. Развитие рынка газомоторного топлива России путем привлечения частных инвестиций / Б. Т. Чеминава, С. Е. Кондратенко // Газовая промышленность. - 2017. - № 12 (761). - С. 74-77.
5. Баки СПГ // Сайт ООО «Криотехника». - URL: https://gazificator.com/baki-spg/ (дата обращения: 27.09.2021).
6. Новак А. В. Энергетическая стратегия России до 2035 года / А. В. Новак // Энергетическая политика. - 2014. - № 2. - С. 3-10.
7. Колин С. А. К вопросу оценки экономических издержек от загрязнения воздуха городским транспортом (на примере Санкт-Петербурга) / С. А. Колин, С. Е. Кондратенко, Н. А. Бортников // Газовая промышленность. - 2021. - № 6. - С. 98-104.
8. Gis M. Exhaust emissions of buses LNG and Diesel in RDE tests / M. Gis, J. Pie-lecha, W. Gis // Open Engineering. - 2021. - Vol. 11. - N 1. - P. 356-364.
9. Dorosz P. Exergetic analysis, optimization and comparison of LNG cold exergy recovery systems for transportation / P. Dorosz, P. Wojcieszak, Z. Malecha // Entropy. - 2018. -Vol. 20. - N 1. - P. 59-370.
10. Dhameliya H. LNG cryogenic energy utilization / H. Dhameliya, P. Agrawal // Energy Procedia. - 2016. - Vol. 90. - P. 660-665.
11. Roszak E. A. Exergy of LNG regasification - possible utilization method. Case study of LNG-ANG coupling / E. A. Roszak, M. Chorowski // AIP Conference Proceedings. -American Institute of Physics. - 2014. - Vol. 1573. - N 1. - P. 1379-1386.
Дата поступления: 06.10.2021 Решение о публикации: 13.10.2021
Контактная информация:
КИСЕЛЕВ Игорь Георгиевич - д-р техн. наук, проф.; toe@pgups.r КОМИССАРОВ Сергей Борисович - канд. техн. наук; s.b.komissarov@gmail.com МОНАСТЫРСКИМ Дмитрий Ярославович - магистрант; monastyrskiy.dy@mail.ru
On the expediency of using liquefied natural gas in refrigerated containers with mounted diesel generators
I. G. Kiselyov, S. B. Komissarov, D. Ya. Monastyrsky
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Kiselyov I. G., Komissarov S. B., Monastyrsky D. Ya. On the expediency of using liquefied natural gas in refrigerated containers with mounted diesel generators. Bulletin of scientific research results, 2021, iss. 4, pp. 104-113. (In Russian) DOI: 10.20295/2223-9987-2021-4-104-113
Summary
Objective: Analysis of the feasibility of using LNG as an alternative to diesel fuel in mobile power units used as a power source for refrigeration units of refrigerated containers. Methods: Natural gas has been compared to diesel fuel in terms of the economic characteristics; exergy analysis, systema-
tic approach, and synthesis have been used. Results: The economic feasibility of replacing diesel fuel with LNG for power units of refrigerated containers is determined; general issues of converting from diesel fuel to LNG were considered; possible ways of utilizing cold during regasification are proposed; emissions of harmful substances from the combustion of LNG and diesel fuel were compared. Practical importance: The study findings can be applied when converting mobile power units for various purposes from diesel fuel to LNG, as well as for in-depth analysis of individual problems of using LNG as a fuel.
Keywords: Liquefied natural gas, refrigerated containers, mounted diesel generators, gas generators, cold recovery.
References
1. GOST 33689-2015. Konteynery i kontreylery avtonomnyye avtomaticheskiye izo-termicheskiye. Tekhnicheskiye trebovaniya i metody ispytaniy [State Standard 33689-2015. Autonomic automatical isothermal containers and contrailers. Technical reguirements and test methods]. Moscow, Standartinform Publ., 2019, 35 p. (In Russian)
2. Osnovnyye brendy refkonteynerov, ispol'zuyushchikhsya rossiyskimi gruzovladel'-tsami [The main brands of refrigerated containers used by Russian cargo owners]. Rossiys-kaya Intermodal'naya Kompaniya (Russian Intermodal Company) website. Available at: https:// ric-box.ru/osnovnye-brendy-refkontejnerov-ispolzujushhihsja-rossijskimi-gruzovladelcami/ (accessed: August 27, 2019).
3. Products: Generator Sets. Carrier Corporation Website. Available at: https://www. carrier.com/container-refrigeration/en/worldwide/products/generator-sets/ (accessed: September 27, 2021).
4. Cheminava B. T. & Kondratenko S. E. Razvitiye rynka gazomotornogo topliva Rossii putem privlecheniya chastnykh investitsiy [Development of the Russian gas-engine fuel market by private fund-raising]. Gas Industry Journal, 2017, no. 12 (761), pp. 74-77. (In Russian)
5. Baki SPG [LNG Vessels]. Kriotekhnika LLC website. Available at: https://gazificator. com/baki-spg/ (accessed: September 27, 2021).
6. Novak A. V. Energeticheskaya strategiya Rossii do 2035 goda [Energetic strategy of Russia to 2035]. Energeticheskaya politika [Energetic Politics], 2014, no. 2, pp. 3-10. (In Russian)
7. Kolin S. A., Kondratenko S. E. & Bortnikov N. A. K voprosu otsenki ekonomiches-kikh izderzhek ot zagryazneniya vozdukha gorodskim transportom (na primere Sankt-Peter-burga) [On the issue of assessing the economic costs of air pollution by urban transport (the case of Saint Petersburg)]. Gazovaya promyshlennost' [Gas Industry Journal], 2021, no. 6, pp. 98-104. (In Russian)
8. Gis M., Pielecha J. & Gis W. Exhaust emissions of buses LNG and Diesel in RDE tests. Open Engineering, 2021, vol. 11, no. 1, pp. 356-364.
9. Dorosz P., Wojcieszak P. & Malecha Z. Exergetic analysis, optimization and comparison of LNG cold exergy recovery systems for transportation. Entropy, 2018, vol. 20, no. 1, pp. 59-370.
10. Dhameliya H. & Agrawal P. LNG cryogenic energy utilization. Energy Procedia, 2016, vol. 90, pp. 660-665.
11. Roszak E. A. & Chorowski M. Exergy of LNG regasification - possible utilization method. Case study of LNG-ANG coupling. AIP Conference Proceedings. American Institute of Physics Publ., 2014, vol. 1573, no. 1, pp. 1379-13864.
Received: October 06, 2021 Accepted: October 13, 2021
Author's information:
Igor G. KISELEV - D. Sci. in Engineering, Professor; toe@pgups.ru Sergey B. KOMISSAROV - PhD in Engineering; s.b.komissarov@gmail.com Dmitry Ya. MONASTYRSKY - Master's Student; monastyrskiy.dy@mail.ru
