Опыт создания систем газоподготовки для газовых локомотивов, работающих на СПГ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Опыт создания систем газоподготовки для газовых 45

локомотивов, работающих на СПГ

Результаты предварительных испытаний в условиях эксплуатации

В.Ф. Руденко, заслуженный конструктор РФ, к.т.н.

Статья посвящена проблеме повышения устойчивости работы систем газоподготовки при относительно длительной эксплуатации магистральных и маневровых локомотивов, использующих сжиженный природный газ в качестве моторного топлива. Рассмотрены механизмы образования пробок в арматуре и трубопроводах как при работе систем, так и при заправках вследствие наличия примесей в СПГ. Приведены меры по устранению причин отказов оборудования систем газоподготовки, обеспечившие удовлетворительную работу при наличии в СПГ до 8.. .10 % примесей.

__Ключевые слова:

сжиженный природный газ (СПГ), газотурбинный двигатель (ГТД), газотурбовоз, газопоршневой двигатель (ГПД).

ажнеишим показателем применения моторного топлива, кроме цены и доступности, является стабильность работы топливной системы и двигателя в реальных условиях эксплуатации. Технико-экономические показатели сильно зависят от так называемого коэффициента технической готовности. Для транспорта, использующего нефтяные топлива, в частности, железнодорожного, он равен примерно 95 %, то есть из годового бюджета времени лишь 5 % приходится на ремонты, заправку и техническое обслуживание. При применении СПГ эти технологические процессы существенно зависят от состава СПГ и способности криогенного и газового оборудования транспортной единицы работать при наличии приемлемого количества примесей. Здесь есть две крайности: очищать СПГ до гарантированных 99,4 % метана, как это

делала фирма Liquid Carbonic (пионер в применении СПГ на тяжелых грузовиках в США), либо использовать СПГ с содержанием метана от 92 % и выше с полным отогревом криогенной системы (как делают на метановозах).

Обе крайности в значительной степени определяют экономические показатели применения СПГ как моторного топлива на транспорте. Опыт Liquid Carbonic показал, что приемлемые показатели получаются при значительных налоговых льготах и заправках грузовиков на производственных площадях фирмы. Наш же опыт показал, что можно использовать СПГ с относительно большим содержанием примесей (до 10 %). Для этого найдены варианты систем газоподготовки с давлением выше 2 МПа производительностью до 2,5 т/ч (газ для газотурбинного двигателя НК361 мощностью 8,5 МВт) и безнасосных систем с давлением около 0,3 МПа производительностью до 0,25 т/ч

'**оци»Г'

46

(для газопоршневого двигателя ГДГ800 мощностью 800 кВт). При этом системы малочувствительны к ШФЛУ не требуют частых отогревов, однако чувствительность к содержанию СО2 все еще довольно высока, особенно при заправке.

На газотурбовозе ГТ1-001 с турбиной НК361 изначально была применена пневмогидравлическая схема регазификации с двумя последовательными насосами, подобная системе

регазификации самолета ТУ 156. Необходимость термостатирования за счет сброса метана в атмосферу, большое количество захолаживаемого оборудования, особенности режимов работы газотурбовоза (рис. 1) и частые заправки вызывали деградацию свойств СПГ (рост процентного содержания примесей). Кроме того, отмечалось снижение статического давления (при движении СПГ в трубопроводах и арматуре) ниже

Рис. 1. Режимы работы ГТД (Ые - мощность генератора):

- авиадвигатель (время работы на номинальной мощности 76,5 %, на холостом

ходу 3%);

- двигатель газоперекачивающей установки (время работы на номинальной мощности 98,6%, на холостом ходу 1%);

— - локомотивный двигатель (время работы на номинальной мощности 16,7%, на холостом ходу 30,2%)

Рис. 2. Упрощенная исходная пневмогидравлическая схема газоподготовки газотурбовоза ГТ1-001:

Ф - места образования пробок

чЧШШШШШШШ

давления насыщенных паров метана, метан газифицировался, концентрация СО2 превышала предел растворимости при текущей температуре. Диоксид углерода выпадал как в арматуре, так и при возврате природного газа в подушку емкости в «холодных» трубопроводах. Это приводило к многократным отказам - кавитации насосов и/или образованию пробок (рис. 2) с последующим отогревом и перезапуском системы в течение полутора-двух часов.

Места образования пробок на газотурбовозе:

• длинные криогенные трубопроводы;

• входы газовых трубопроводов в емкость (холодная зона);

• входы в динамические (центробежные) насосы;

• дифференциальные измерители высоты столба СПГ;

• конструктивные щели в арматуре (фильтры, клапаны, вентили).

Устранение:

а) технологическое

• остановка газоподготовки, отогрев;

• минимизация использования атмосферного испарителя;

• наддув (при необходимости) и продувка систем в процессе и после окончания работ горячим газом;

• высокочастотные колебания дозатора жидкости;

б) конструктивное

• отказ от термостатирования (работа на переохлажденной жидкости);

• минимизация сброса метана через БДУУ введение душевания;

• отказ от работы на газе из подушки;

• минимизация захолаживаемого оборудования;

• по возможности поддержание полного давления в трубопроводе, которое должно быть существенно выше давления насыщенных паров метана;

• применение насосов объемного типа, повышенная теплоизоляция на входе насосов и интенсивный дренаж;

• перенос дозатора и топливного фильтра на «теплый» участок;

• прямое измерения массы СПГ;

• преимущественное использование шаровой запорной арматуры;

• использование щелевой арматуры преимущественно на газе.

Рис. 3. Упрощенная модернизированная пневмогидравлическая схема газоподготовки газотурбовоза ГТШ-001: Ф - место образования пробок

48

Перечисленные технологические меры позволили осуществить предварительные испытания газотурбовоза ГТ1-001, после чего проведена коренная модернизация локомотива, в том числе и системы газоподготовки (рис. 3).

Проведенная модернизация позволила повторно пройти предварительные испытания в условиях эксплуатации на Свердловской железной дороге, хотя и эпизодически наблюдалось начало образования пробки в трубопроводе подачи СПГ в насос. Этот процесс уверенно обнаруживается температурным датчиком непрерывности потока. Для восстановления работы системы достаточно перевести ГТД в режим холостого хода с остановкой насоса и работой на ПГ из ресивера. Объем запасенного в нем газа позволяет работать ГТД более 5 мин, чего вполне достаточно для восстановления нормального режима на входе насоса. В настоящее время ГТ1Ь-001 находится в подконтрольной эксплуатации на Свердловской железной дороге.

Положительные результаты испытаний газотурбовоза ГТ1Ь-001 учтены при проектировании опытного образца газотурбовоза ГТ1Ь-002, изготовленно-

го Людиновским тепловозостроительным заводом. На этом локомотиве были проведены мероприятия по совершенствованию системы газоподготовки - введена буферная криогенная емкость между основной емкостью и объемным насосом и исключено одно гибкое межсекционное соединение (рис. 4). Оставшееся соединение выполнено из трех П-образно соединенных гибких трубопроводов с осевыми упругими стержнями, обеспечившими гибкость трубопровода только за счет изгиба каждого элемента, поскольку он практически не влияет на ресурс работы гофрированных трубопроводов. Криогенная емкость изготовлена как танк-контейнер и установлена на фитинги с датчиками массы. Кроме того, для обеспечения пассивной безопасности и возможности использования электрооборудования локомотива не во взрывобезопасном исполнении все узлы системы газоподготовки расположены в отдельных отсеках либо на открытом воздухе.

На маневровом локомотиве ТЭМ19 с ГПД ГДГ800 мощностью 800 кВт, как и в начале работ с газотурбовозом, были применены известные на тот момент

Рис. 4. Упрощенная пневмогидравлическая схема газоподготовки газотурбовоза ГТ1И-002: Ф - места образования пробок

чЧШШШШШШШ

Рис. 5. Пневмогидравлическая схема газоподготовки тепловоза ТЭМ19

технические решения в системе газоподготовки (рис. 5). На нем проявилась часть проблем, более или менее решенных на газотурбовозах и связанных с наличием примесей в СПГ и его деградацией. После проведения аналогичных мероприятий они устранены. Особенно следует отметить необходимость удаления фазового переключателя (см. рис. 5, поз. 1), часто рекомендуемого различными источниками, поскольку он главная причина деградации СПГ.

Длительная работа маневрового локомотива на холостом ходу и частичных режимах даже при тяжелой работе на сортировочной горке (рис. 6) проявила еще один механизм образования пробок в холодной части трубопровода выдачи СПГ вследствие авторегулирования расхода. Дело в том, что расход газа газопоршневым двигателем ГДГ800 на холостом ходу в 8 раз мень-

ше номинального (у быстроходных автомобильных двигателей он меньше в 25 раз), и при малом расходе СПГ регазификация метана начинается уже в трубе выдачи, что может приводить к выпадению СО2 и постепенному нарастанию пробки.

Поддержание температуры в емкости на разумном пределе по давлению и исключение фазового переключателя практически ликвидировали этот процесс в реально проверенных режимах работы. Однако полностью его можно предотвратить введением предварительного дозатора жидкости, что должно исключить регазификацию метана в теплоизолированной части трубопровода выдачи продукта внутри емкости. На газотурбовозе этого явления нет вследствие ограничения минимального расхода жидкости через поршневой насос (»30 %) и интенсивного

50

Рис. 6. Распределение времени работы по позициям контроллера (работа тепловоза на сортировочной горке): t - время; N - мощность

дренирования, чем обеспечивается наличие жидкости до входа в рабочую полость насоса.

К сожалению, конструкторские и технологические мероприятия на борту транспортного средства не до конца решают проблему использования СПГ с повышенным содержанием примесей - использовать его можно, а вот заправляться без проблем не всегда удается. Это уже зависит как от конструкции узлов заправки транспортного средства и заправочного комплекса, так и от технологии самой заправки. Например, если заправка осуществляется относительно чистым СПГ марки В по ГОСТ Р 56021-2014, то при падении температуры на 2...3 градуса ниже равновесной начнется выпадение СО2.

Устранение:

а) технологическое

• поддержание в заправляемой емкости давления существенно выше давления насыщенных паров метана при температуре предельной растворимости СО2 в данной партии СПГ;

• захолаживание теплой емкости преимущественно метаном из подушки хранилища (процесс требует отработки);

б) конструктивное

• минимизация длины нетеплоизо-лированных гибких рукавов заправочного комплекса;

• установка стационарного фильтра большой площади с возможностью дренажа, отогрева и самоочистки;

Места образования пробок при заправке:

• входной фильтр;

• приемный трубопровод (в холодной зоне);

• трубопровод душевания.

в)организационное

• НИОКР по уточнению технологии работы заправочных комплексов и порядка выдачи продукта на них;

• внесение дополнений в ГОСТ Р 56021-2014 и ПБ 08-342-00 в части требований к заправочным комплексам.