CC BY
30Основные принципы построения городской сети газоснабжения автотранспорта
Я.С. Мкртычан, профессор, гл. научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ», д.т.н.
Приведены основные принципы построения системы газоснабжения автотранспорта в крупных городах. Особое внимание уделено вопросам создания густой сети небольших станций для заправки природным газом многочисленного городского транспорта: легковых автомобилей, мало- и среднетоннажных грузовиков и микроавтобусов.
Ключевые слова: компримированный природный газ (КПГ), сжиженный природный газ (СПГ), сжиженный углеводородный газ (СУГ), автомобильная газонаполнительная компрессорная станция (АГНКС), автомобильная газонаполнительная станция (АГНС), автомобильная газозаправочная станция (АГЗС).
Созданная в нашей стране за период с 1983 г. и по настоящее время сеть АГНКС по существу является внегородской, так как в основном состоит из мощных АГНКС-500 и АГНКС-250 (186 из 246 станций), и обеспечивает КПГ преимущественно крупнотоннажный грузовой транспорт и автобусы. В большинстве случаев эти АГНКС с учетом обеспечения безопасности, возможности выделения огромных земельных участков для их размещения и удаления от внешних зданий и сооружений, а также необходимости подключения к высоконапорным газораспределительным сетям сооружены на окраинах городов или в пригородных зонах, как правило, на значительном расстоянии от городских автотранспортных предприятий и мест базирования частных автомобилей. По этим и другим причинам мощные дорогостоящие станции оказались в основном незагруженными и нерентабельными, а потому недостаточно востребованными для заправки городского автотранспорта [1, 2]. В результате ни в одном городе страны не получилось создать плотную внутригородскую сеть АГНКС. Наряду с этим не удалось также достичь синхронизации и сбалансированности между производством газомоторных автомобилей и вводом в эксплуатацию газозаправочных мощностей.
Уже в первые годы газомоторизации стало ясно, что в крупных городах
страны с высокой плотностью населения и застройки создать густую сеть газоснабжения многочисленного городского транспорта из мощных станций невозможно. Их строительство было прекращено и начато создание более мелких станций небольшой производительности от 50 до 200 заправок легковых автомобилей, малотоннажных грузовиков и микроавтобусов в сутки. Этим путем изначально пошли в ряде стран мира. Например, в Новой Зеландии и Аргентине в крупных городах построены десятки и сотни мелких станций производительностью 25-50 заправок или до 1000 м3 газа в сутки. Такие станции размещены в самых многолюдных местах и даже на балконах магазинов и многоэтажных зданий. Особенностью этих станций стало их подключение к существующим городским низконапорным газовым сетям. Они обладают высокой надежностью, низким уровнем шумности и вибро-нагруженности, а также не требуют больших площадей для размещения. Вместе с тем столь мелкие станции при принятых в этих странах ценах на КПГ и нефтепродукты низкорентабельны. Однако пока только с помощью такого подхода удается продвинуться в направлении создания внутригородской сети в крупных городах разных стран.
Построение городской сети автога-зозаправочных и многотопливных заправочных станций, особенно в крупных городах, требует комплексного
решения многих взаимосвязанных задач, основными из которых являются:
• выбор земельного участка необходимого размера;
• соблюдение требований и норм безопасности;
• высокая надежность, допустимый уровень шумности и вибронагру-женности;
• обеспечение станции системами топливо- и водоснабжения, канализации, электроэнергии и связи;
• минимизация капитальных вложений;
• минимизация эксплуатационных затрат в первую очередь за счет подключения станции к газопроводу более высокого давления (от 0,3 МПа и выше вместо 0,1...0,2 МПа) и снижения численности обслуживающего персонала;
• максимальное приближение станций к местам базирования автотранспорта для снижения холостых пробегов на заправку;
• согласование проекта станции, выделения земельных участков для прокладки маршрутов коммуникаций и систем безопасности.
Достижение оптимального результата при решении такой многофакторной задачи чрезвычайно сложно [3]. Создание эффективной городской сети автогазозаправочных станций возможно при реализации инновационных подходов с учетом перечисленных требований и особенностей
городского автотранспорта. К числу таких особенностей относятся:
• объемы топливных баков автомобиля;
• габариты транспортного средс-
тва;
бега;
суточный пробег автомобиля; расход топлива на 100 км про-
• частота заправки топливом;
• запас хода автомобиля без дозаправки;
• вид топлива;
• время и порядок выхода автотранспорта в рейс по намеченным маршрутам.
От указанных особенностей автотранспорта зависят размер земельного участка газозаправочной станции, вид и объем хранимого газомоторного топлива, конструкция и основные параметры станции, степень обеспечения ее безопасности, капитальные вложения и эксплуатационные затраты.
С учетом перечисленных требований и особенностей городской автотранспорт можно условно подразделить на три группы:
1-я группа. Малогабаритные городские автомобили, в том числе легковые автомобили, малотоннажные
(грузоподъемность 1,0___1,5 т) и сред-
нетоннажные (грузоподъемность до 3 т) грузовики, микроавтобусы вместимостью до 15 чел. и автобусы средней пассажировместимости до 25 чел.
2-я группа. Спецавтотехника: коммунальная - мусороуборочные, поливочные, подметально-уборочные, вакуумные, ассенизационные машины; дорожная и ремонтная автотехника; строительная - автокраны, погрузчики, бетономешалки, самосвалы, цементовозы и др.
3-я группа. Городские маршрутные автобусы большой вместимости и пригородные экспресс-автобусы.
Для удовлетворения спроса на ГМТ каждой из перечисленных групп автомобилей потребуются принципиально разные по своим параметрам и месторасположению автогазозаправочные станции.
Для заправки основного малоразмерного и малолюдного городского автотранспорта (1-я группа) предлагается создать плотную сеть из малогабаритных блочно-контейнерных станций небольшой производительности до 500 м3/ч двух модификаций.
• 1-я модификация - малогабаритная АГНКС (таблица, рис. 1) с традиционной технологической системой производства, хранения и отпуска КПГ автомобилям, размещаемая на земельном участке 0,15_0,2 га и подключаемая к газовой сети с давлением газа 0,2_0,4 МПа. Отличительными особенностями станции являются ее
высокая надежность, безопасность, низкий уровень шумности и вибро-нагружения, компактность и приемлемые для достижения рентабельности стоимость и энергозатраты. Эти преимущества обеспечиваются в основном конструктивными и эксплуатационными характеристиками технологического оборудования: компрессорных установок, аккумуляторов газа, системы автоматики и др.
При создании городской сети из предлагаемых АГНКС малой производительности обязательным условием становится наличие необходимых коммуникаций и прежде всего
Основные технические показатели городских газовых станций
Параметры АГНКС-200 АГНС-200
Объем емкости хранилища газа геометрический, м3 газовый СПГ/КПГ, м3/нм3 - 10,0 9,0 / 5400
Производительность станции по ГМТ: НМ3 / . ч нм3 , Л , \ -(mm); -/ —^maxj ч ч ч 3 3 3 НМ НМ , М ! \ -; -/-(max) сут сут сут МЛННМ3 МЛННМ3 ! МЛНМ3 год ' год год 450 5400 1,6 450 / 750 5400 / 9,0 1,6 / 2700
Производительность станции по заправкам, авт./сут минимальная (объем заправки 40 нм3) максимальная (объем заправки 20 нм3) средняя (объем заправки 30 нм3) 135 270 180 135 270 180
Максимальная производительность одной газозаправочной колонки, авт./ч 20 20
Число газозаправочных колонок 2 2
Продолжительность заправки одного автомобиля, мин 3,0...5,0 3,0.5,0
Давление газа, МПа на входе на выходе 0,3...0,6 20,0 -
Давление газа заправки автомобилей (max), МПа - 20,0
Число компрессоров 1 -
Мощность компрессора, кВт До 200 -
Объем газовых аккумуляторов геометрический (20 балл.х80 л), м3 газовый, нм3 1,6 400 1,6 400
Давление газа в аккумуляторах (max), МПа 25,0 25,0
Производительность криогенного насоса, л/ч - 800
Число криогенных насосов - 1
Площадь станции, га 0,15 0,15
Численность персонала, чел. 9 9
газопровода с указанным давлением и расходом газа, что, безусловно, скажется на снижении числа таких станций в системе газоснабжения автотранспорта. Однако создание сети газоснабжения автотранспорта в крупных городах, особенно в горо-дах-миллионниках, следует начинать со строительства именно таких станций, исходя из высокой технологической готовности производства.
• 2-я модификация - малогабаритная автогазонаполнительная станция бескомпрессорного типа, не привязанная к газопроводу и работающая на привозном СПГ. Эта модификация является для городов пока новой.
Аналогичные, но более мощные станции в виде опытно-промышленных образцов функционируют в разных странах мира - Китае, США, Великобритании, Швеции, Испании и др. Общее их число не превышает 30 ед. [2]. Они отличаются высокой производительностью и заправляют в основном автобусы и крупнотоннажные грузовики регазифицированным КПГ. Размещают эти станции на площадках размером 0,5.0,7 га, удаленных от внешних сооружений на 50.100 м. Объем хранимого на станциях СПГ составляет 25.75 м3. АГНС примерно с такими же параметрами сооружена в автобусном парке № 11 г. Москвы. При объеме хранимого на станции СПГ (50 м3) она рассчитана на заправку до 300 автобусов в сутки [2].
Доставка СПГ на АГНС-200 (рис. 2, см. таблицу) осуществляется с завода СПГ газовозами 7, совершающими челночные рейсы. Прибывший на станцию газовоз 7 подключается через
гибкий рукав к криогенному насосу 2, который нагнетает СПГ в испаритель 3 под высоким давлением 25,0 МПа. В атмосферном испарителе 3 происходит регазификация СПГ в КПГ высокого давления (25,0 МПа) за счет естественного притока теплоты из атмосферы. Полученный КПГ поступает из испарителя 3 через одоризатор 4 в аккумуляторы 5 высокого давления и через редуцирующее устройство с давлением 20,0 МПа распределяется по газозаправочным колонкам 6 для заправки автомобилей 7 до давления 20,0 МПа.
К отличительным особенностям такой АГНС относятся:
• небольшой земельный участок (0,15.0,2 га) для ее размещения;
• безопасный объем хранимого газомоторного топлива (до 9,0 м3 СПГ), достаточный в среднем для заправки 200 автомобилей 1-й группы в сутки;
• незначительный газовый объем аккумуляторов (не более 400 м3), позволяющий сократить расстояния между технологическими объектами, зданиями и сооружениями, размещенными вне станции;
• высокая надежность и безопасность технологии и оборудования станции, практически исключающие слив, утечки и розливы СПГ за счет конструктивного исполнения газотранспортных емкостей автогазовозов СПГ и исключения из состава станции стационарной емкости СПГ.
Все перечисленное позволит существенно уплотнить городскую сеть снабжения автотранспорта КПГ. Таких небольших станций пока нет в нашей стране, но организация их
промышленного производства и строительства не должна вызвать особых трудностей, так как производственная база для этого существует - ОАО «Криогенмаш», ОАО «Гелиймаш», НПФ «ЭКИП» и другие, которыми созданы образцы более мощных АГНС для заправки автобусов и грузовиков регазифицированным КПГ в Москве, Ленинградской и Свердловской обл. Однако для масштабного внедрения станций предлагаемого типа (2-я модификация) необходимо создать сеть мини-заводов СПГ и транспортные средства для его доставки на АГНС.
Основными объектами малотоннажного производства СПГ в нашей стране определены АГНКС и ГРС. И это вполне оправданно и логично с учетом рассредоточенности транспортных средств. До сих пор не прекращаются споры об эффективности малых производств СПГ. Продолжается поиск путей получения синергетического эффекта от одновременного использования СПГ в производстве электро- и тепловой энергии для небольших населенных пунктов и хозяйств. Многолетняя практика эксплуатации мини-заводов на АГНКС и ГРС в Ленинградской, Калининградской, Свердловской и Московской обл. подтвердила эффективность такого подхода.
Начиная с 1993 г. предприятия и организации ОАО «Газпром» вели целенаправленные работы в области освоения технологий малотоннажного (10.20 т/ч) производства СПГ и его использования в качестве моторного топлива на транспорте, в местной промышленности и коммунально-бытовом хозяйстве. Пионером освоения этих технологий явилось ООО «Лен-трансгаз» (ныне ООО «Газпром транс-газ Санкт-Петербург»), начавшее с 1998 г. коммерческие поставки СПГ потребителям Ленинградской обл. Аналогичные работы велись и в ООО «Уралтрансгаз» (ныне ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург»), где первые товарные объемы СПГ были реализованы в 2001 г.
Сегодня в системе Газпрома работают пять объектов получения СПГ:
АГНКС № 8 (г. Санкт-Петербург), АГНКС «Первоуральск» (Свердловская обл.), ГРС «Никольское» и ГРС «Выборг» (Ленинградская обл.), а также ГРС-4 (Екатеринбург). Суммарная максимальная производительность этих объектов оценивается примерно в 30 тыс. т СПГ в год. Фактическая реализация определяется возможностями потребителей - 90 % этого СПГ поставляется автомо-билями-метановозами коммерческим потребителям на расстоянии от 40 до 160 км.
Потенциал производства СПГ только на ГРС страны с учетом фактической загрузки газопроводов-отводов, по оценке ОАО «Газпром промгаз», составляет минимум 10___12 млн т/год (15___16
млрд м3). Наряду с предприятиями ОАО «Газпром» малотоннажное производство и поставки СПГ автотранспортным и коммунально-бытовым предприятиям с 2004 г. осуществляет научно-производственная фирма «ЭКИП». В оригинальной установке по производству СПГ, созданной фирмой в Московской обл. (пос. Развилка) на АГНКС-500, для получения СПГ применена схема с дроссельно-эжекторным циклом и предварительным охлаждением. Действует также установка по получению СПГ производительностью 1,0 т/ч на АГНКС № 1 (Московская обл., п. Развилка).
Предлагаемые две модификации станций заправки только 1-й группы автомобилей сетевым и регазифи-цированным КПГ по ранее проведенным экспертным оценкам займут различные ниши в городской системе газоснабжения транспорта: 1-я модификация АГНКС-200 охватит примерно 30 % станций, 2-я модификация 70 %. Причем это возможно при условии обеспечения безопасности, наличия земельных участков вблизи мест базирования автотранспорта, газопроводов достаточной производительности и повышенного давления, а также наличия производства и средств доставки СПГ в потребном объеме.
Для заправки городской спецав-тотехники (2-я группа) целесообразно строить традиционные АГНКС-500
и АГНКС-250 вблизи источников газа повышенного давления (0,6_1,2 МПа и более), ГРС и газопроводов-отводов высокого давления. Для снижения холостых пробегов автомобилей на заправку придется перебазировать газомоторную часть техники АТП ближе к станциям заправки газом.
Для заправки городских маршрутных и пригородных экспресс-автобусов (3-я группа) потребуется строить традиционные мощные АГНКС-500 с учетом особенностей работы автобусных парков.
Первая из них связана с необходимостью обеспечения выхода автобусов на линию в течение 2-3 ч. Для заправки значительного числа автобусов (до 300 ед.) газом в течение столь короткого времени потребуется повышение мощности станции в несколько раз или организация ночной заправки, что проще и дешевле.
Вторая особенность связана с размещением станций. Для сокращения расходов на холостые пробеги и времени на заправку станции надо строить вблизи автобусных парков и/ или на конечных остановках в зависимости от наличия земельных участков большого размера (до 2 га и более, особенно в случае организации ночной заправки автобусов на станции) с обязательным подключением этих станций к источникам повышенного давления (1,2 МПа и более) газа - к ГРС, газопроводам-отводам с давлением до 2,5 МПа. При этом не исключена перегруппировка автобусов по паркам и строительство новых автобусных парков, приближенных к источникам газа. В таком случае
предстоит решать сложную оптимизационную задачу с тремя переменными: мощность станции - источник газа - земельный участок.
При ночной заправке маршрутных городских автобусов пригородные автобусы целесообразно заправлять на этих же АГНКС в светлое время суток, что повысит загрузку и эффективность станций.
Для использования на автомобильном транспорте наряду с КПГ представляет интерес и СУГ. В России на СУГ в настоящее время работает более 1,4 млн автомобилей, что в 16,5 раза превышает число автомобилей, работающих на КПГ. В основном это городские легковые и малые коммерческие автомобили (более 96 %). Для обеспечения указанного числа автомобилей СУГ в стране функционирует более 3,0 тыс. АГЗС и многотопливных автозаправочных станций (МАЗС) [4]. Дальнейшее увеличение объемов его использования на автотранспорте связано с необходимостью наращивания производственных мощностей и расширения заправочной сети станций.
На розничном газомоторном рынке активно работает ОАО «Газпром газэнергосеть». Оно владеет развитой сетью современных АГЗС и МАЗС в 12 регионах страны и продолжает ее интенсивно наращивать.
Среди частных компаний следует отметить Московскую нефтегазовую компанию «МНК-газозаправка», которая создала и эксплуатирует в Москве 13 самых современных АГЗС и МАЗС [5]. По уровню надежности и безопасности этим станциям пока нет аналогов в отечественной и мировой практике.
т
Альтернативные топлива
На сегодня в стране нет ни одного города, в котором была бы построена густая сеть АГНКС, АГЗС и МАЗС. А это означает, что самый многочисленный транспорт еще не вовлечен в газомоторный рынок. Необходимость создания городской сети газозаправочных станций стала очевидной и актуальной в создавшихся условиях. Опыт прежних лет показал, что создать плотную городскую сеть из мощных АГНКС по известным причинам практически невозможно. Необходимы новые, более прогрессивные подходы, суть которых заключается в следующем.
• Основу предлагаемой городской сети газоснабжения автотранспорта в конечном счете должны составлять многочисленные станции небольшой мощности и высочайшей безопасности, с минимальным уровнем шумности и вибронагруженности, из которых предстоит формировать сеть заправки легкового и коммерческого автотранспорта КПГ и СУГ. Такие станции должны размещаться на земельных участках площадью 0,1.0,2 га (вместо 0,5.1,0 га для более мощных станций) в непосредственной близости к местам базирования автомобилей и снабжаться сетевым природным газом повышенного давления 0,2.0,4 МПа либо привозными СПГ и СУГ.
• При формировании городской сети газоснабжения легковых и коммерческих автомобилей с созданием станций нового типа, работающих на привозном СПГ, для заправки рега-зифицированным КПГ необходимо опережающими темпами построить вблизи городов на мощных АГНКС, ГРС или ГПЗ установки по малотоннажному производству СПГ и обеспечить средства его доставки на заправочные станции. Введение СПГ в автотопливный оборот для заправки автомобилей регазифицированным КПГ может стать магистральным направлением в деле создания плотной внутригородской системы газоснабжения транспортных средств газомоторным топливом.
• Для заправки маршрутных городских автобусов, пригородных
экспресс-автобусов и спецавтотехни-ки сеть газоснабжения следует комплектовать мощными АГНКС-500 и АГНКС-250, подключенными к высоконапорным газовым сетям с давлением 0,6.1,2 МПа и более. Такие станции должны быть максимально приближены к автобусным паркам, автотранспортным предприятиям и по возможности к конечным пунктам маршрута автобусов.
• Для создания МАЗС целесообразно и эффективно использование действующих АЗС. Опыт строительства и эксплуатации МАЗС подтвердил, что такой подход позволяет сократить сроки сооружения, уменьшить эксплуатационные затраты и зачастую избежать трудностей, связанных с выделением земельных участков.
• Для реализации столь масштабного проекта потребуется, прежде всего, разработка соответствующей программы и новых норм безопасности. Основу будущей программы, на наш взгляд, должны составлять формирование газозаправочной сети станций и наращивание числа газомоторной автотехники в крупных городах-миллионниках, в которых сосредоточена основная часть транспортных средств. При этом обязательны синхронность и сбалансированность этих процессов. Пополнение автопарков новой газомоторной автотехникой целесообразно начать с федеральных и муниципальных предприятий.
• Чрезвычайно важна разработка стимулов в виде льгот для всех участников реализации проекта газомоторизации автотранспорта страны.
• В России накоплен огромный опыт создания систем газообеспечения транспортных средств, выпуска технологического оборудования и газомоторных автомобилей, производства и транспортировки КПГ, СУГ и СПГ газовозами и предвижными автогазозаправщиками. Основная задача на данном этапе, по нашему убеждению, состоит в том, чтобы консолидировать и направить усилия многих компаний, заводов, научных
и проектных организаций, а также строительно-монтажных фирм на выполнение данного концептуального проекта, нацеленного на доведение в 2020 г. парка газомоторных автомобилей, работающих на природном и нефтяном газах, до 10 % от общего автопарка страны (резолюция ЕЭК ООН от 12 декабря 2001 г.). Создание соответствующей газозаправочной сети станций и сервисных центров, в первую очередь, в крупных городах позволит радикально уменьшить влияние вредных выбросов автотранспорта на здоровье населения и окружающую среду, снизить стоимость автоперевозок, а также стоимость работ, выполняемых спецавтотехникой, и довести объем потребления ком-примированного природного газа в 2020 г. до ~12 млрд м3.
• В сложившихся условиях кадрового дефицита чрезвычайно важно на новом уровне организовать планомерную подготовку и переподготовку кадров рабочих и инженеров, без которых решение данной проблемы невозможно.
Литература
1. Боксерман Ю.И., Мкртычан Я.С., Чириков К.Ю. Перевод транспорта на газовое топливо. - М.: Недра, 1988. - 224 с.
2. Мкртычан Я.С. Газификация и газоснабжение транспорта России, кн. 1 «Проблемы и перспективы». - М.: Нефть и Газ, 2012. - 240 с.
3. Маленкина И.Ф., Ровнер Г.М., Мкртычан Я.С. Система обеспечения эффективного развития и эксплуатации сети метановых автозаправочных станций. - М.: Нефть и Газ, 2006. - 272 с.
4. «Применение СУГ, КПГ, СПГ в качестве моторного топлива на автомобильном транспорте в РФ», презентация ОАО «Газпром газэнергосеть», 2012. - 24 с.
5. Мкртычан Я.С., Самсонов Р.О., Ровнер Г.М., Батюшков С.Г. Оборудование, техника, газозаправки. - М.: Нефть и Газ, 2007. - 88 с.
