CC BY
572
98
Техника и технологии
УДК 629.4.048.7:661
И. Г. Киселев, В. Г. Заломин
Петербургский государственный университет путей сообщения
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА В ПРОИЗВОДСТВЕННО-ОТОПИТЕЛЬНЫХ КОТЕЛЬНЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Природный газ становится одним из важнейших источников энергии: запасы его огромны и он является экологически чистым топливом по сравнению с нефтепродуктами. Из всего добываемого в мире природного газа более 26 % сжижается и транспортируется в жидком виде в специальных танкерах из стран добычи в страны потребителей газа. Наиболее актуальным на сегодняшний момент является использование сжиженного природного газа в качестве топлива для удаленных от магистральных трубопроводов уголков России. Рассматриваются перспективы использования данного топлива как на российском, так и на зарубежных рынках. Его применение позволит повысить эффективность работы котельных на 40 %. Показаны преимущества и недостатки использования СПГ. Выявлены преимущества работы котельной на СПГ. Затронут вопрос о транспортировке и хранении газа. Рассмотрен общий вид котельной, работающей на СПГ. Проанализирована техника безопасности и меры предосторожности при работе со сжиженным газом.
сжиженный природный газ (СПГ), перспективы использования, хранение, транспортировка.
Введение
В настоящее время в котельных железнодорожного транспорта источником энергии служат в большей мере уголь и мазут, а резервным является дизельное топливо. Анализ объектов теплоснабжения, расположенных на Октябрьской железной дороге, показал, что котельные в основном работают на мазуте, некоторая часть - на природном газе [1]. Котельных, потребляющих сжиженный природный газ (СПГ), нет. К преимуществам мазутных котельных относится полная автономность и низкая себестоимость топлива, к недостаткам - необходимость организации хранилища и обеспечение поставки мазута. При доставке топлива в больших объемах нужна организация системы разгрузки (слив и разогрев мазута) и подъездных путей, необходимы подогрев хранилищ и мазутопроводов для транспортировки топлива к котлам, дополнительные издержки на чистку теплообменников подогрева и мазутных фильтров. В настоящее время для Мурманской области, по территории которой проходит
часть Октябрьской железной дороги, предложен проект снижения мазутозависимости городских и районных котельных, поэтому был рассмотрен вариант перевода их на сжиженный природный газ. Предусматривается строительство завода по производству СПГ в Карелии и газовой инфраструктуры на территории Северо-Западного федерального округа. Отказ от мазута позволит повысить эффективность работы котельных Мурманской области на 40 %. В связи с предполагаемым резким повышением платы за вредные выбросы в атмосферу в центральной дирекции по тепловодоснабжению ОАО РЖД принято решение о сокращении использования мазутного топлива в котельных железнодорожного транспорта.
1 СПГ - топливо XXI века
В ближайшее время Россия может стать одним из ведущих производителей и поставщиков СПГ, относительно нового для нашей страны вида альтернативного топли-
2012/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Техника и технологии
99
ва, на мировой рынок. СПГ имеет значительные преимущества перед другими энергоносителями. Им можно в короткие сроки обеспечить негазифицированные населенные пункты, куда экономически невыгодно прокладывать газопроводы. Помимо этого, сжиженный природный газ - самый экологически чистый и безопасный из массово применяемых видов топлива, а это открывает широкие перспективы его использования в промышленности, на транспорте. Сегодня рассматривается несколько вариантов строительства заводов по сжижению природного газа на территории России и терминалов для его отгрузки на экспорт, один из которых предполагается реализовать в порту Приморск Ленинградской области.
СПГ как альтернативное топливо имеет целый ряд преимуществ. Во-первых, сжижение природного газа увеличивает его плотность в 600 раз, что повышает эффективность и удобство хранения, а также транспортировки. Во-вторых, СПГ нетоксичен и не вызывает коррозии металлов, это криогенная жидкость, которая хранится под небольшим избыточным давлением при температуре около 112 К (-161 °C) в емкости с теплоизоляцией. В-третьих, он легче воздуха и в случае аварийного разлива быстро испаряется, в отличие от тяжелого пропана, накапливающегося в естественных и искусственных углублениях и создающего опасность взрыва. В-четвертых, дает возможность газификации объектов, удаленных от магистральных трубопроводов на значительные расстояния. СПГ сегодня дешевле, чем любое нефтяное топливо, в том числе и дизельное, но по калорийности их превосходит. Котлы, работающие на СПГ, имеют КПД до 94 %, не требуют расхода топлива на предварительный его подогрев зимой (как мазутные и пропан-бутановые). Низкая температура кипения гарантирует полное испарение СПГ при самых низких температурах окружающего воздуха. Природный газ сгорает практически полностью и не оставляет копоти, а значит, не требуется периодической чистки камеры сгорания котлов и дымовой трубы котельной [2].
2 Транспортировка
Крупные танкеры-газовозы, вагоны-цистерны (рис. 1) транспортируют большие партии СПГ на специальные терминалы, где газ подвергается регазификации. Исследования и имеющийся опыт показали, что перевозка СПГ в железнодорожных цистернах (рис. 1) весьма выгодна. Вакуумная теплоизоляция цистерн удовлетворяет, в том числе, экологическим требованиям и требованиям техники безопасности железных дорог, срок бездренажного хранения достигает 40 суток.
3 Хранение
Сжиженный газ доставляется конечному потребителю по газопроводам. Для уменьшения потерь при газовой транспортировке применяются стальные газлифтные трубы, рассчитанные на эксплуатацию под высоким давлением, имеющие высокие параметры надежности. Когда сжиженный газ доставляется на терминал, его перекачивают для хранения из газовозов в резервуары. По мере надобности СПГ переводят в газообразный вид - процедура превращения проводится в испарительной системе. СПГ хранится в специальных криоцистернах - резервуарах двух типов - криогенных и изотермических [3]. Криогенный резервуар-хранилище для СПГ показан на рис. 2.
В изотермических резервуарах СПГ хранится при температуре, обеспечивающей избыточное давление насыщенных паров, близкое к атмосферному давлению (Ризб = = 4,9-6,8 кПа или 500-700 мм вод. ст.). Принципиальная схема хранения СПГ в изотермическом резервуаре приведена на рис. 3.
4 Применение СПГ в котельной
На рис. 4 изображен общий вид производственно-отопительной котельной, работающей на СПГ.
Система приема, хранения и регазификации размещается на открытой площадке
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/4
100
Техника и технологии
Рис. 1. Вагон-цистерна для перевозки СПГ
Рис. 2. Резервуар-хранилище для СПГ
2012/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Техника и технологии
101
I-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1 I--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1
Рис. 3. Принципиальная схема хранения СПГ в изотермическом резервуаре
Рис. 4. Общий вид производственно-отопительной котельной. Система приема, хранения и регазификации
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/4
102
Техника и технологии
и функционирует следующим образом (рис. 4) [6]. Сжиженный природный газ доставляется в криогенных цистернах железнодорожным транспортом и переливается в стационарный резервуар системы хранения по криогенному трубопроводу за счет перепада давления. Из резервуара СПГ подается в атмосферные испарители, где происходят газификация и подогрев природного газа. Температура газа после испарителей на 3.. .5 °С ниже температуры окружающей среды. В холодное время года природный газ дополнительно подогревается при помощи электроподогревателей. Температура газа на выходе из подогревателей автоматически поддерживается в диапазоне от -10 до 0 °С. Подогрев осуществляют как прямым, так и непрямым способом. В первом случае горячий теплоноситель отдает тепло газу, во втором - промежуточный теплоноситель (обогревается горячим источником) нагревает газ. Чаще всего горячим теплоносителем является вода, а промежуточным - газ пропан. Далее газ поступает на газорегуляторный пункт, где в автоматическом режиме редуцируется до рабочего давления горелок. Подготовленный газ по внутренней трубопроводной сети подводится к газопотребляющему оборудованию. Возможности системы хранения, приема и регазификации позволяют обеспечить длительное хранение и выдачу СПГ потребителю, при этом давление газа в системе хранения поддерживается автоматически. Вся система снабжена приборами визуального и дистанционного контроля давления и уровня давления, а также предохранительными устройствами, обеспечивающими ее безопасную эксплуатацию.
Основные показатели работы котельных, использующих различные виды топлива, и сравнение эффективности использования СПГ с другими видами топлива для условий Северо-Западного региона, представлены в таблице.
СПГ имеет наивысшие показатели теплоты сгорания, КПД котельных установок, средней стоимости и позволяет получать более дешевую тепловую энергию, чем при использовании альтернативных энергоно-
сителей, таких как мазут, уголь, дизельное топливо [4].
5 Техника безопасности
при использовании СПГ
Важной и особо значимой проблемой техники безопасности является разлив СПГ, его распространение и испарение. На данный процесс влияют понижение давления и теплообмен.
Пусть имеет место утечка СПГ массой М, при этом давление насыщенного пара СПГ в емкости больше, чем атмосферное. Из-за разности давлений АР СПГ массой ДМ испаряется. Количество этой массы может быть оценено следующим расчетом.
Количество теплоты, отдаваемого массой газа М, температура которой понижается на АТ:
Q = с • M • АТ, (1)
равно количеству теплоты, необходимому для испарения массы ДМ:
Q = L • ДМ, (2)
отсюда
с • M • АТ = L • ДМ ^ ДМ/М = АТ • (с/L),
где L - скрытая теплота парообразования, кДж/кг L = 510 кДж/кг; с - удельная теплоемкость газа, кДж/ (кг-К), с = 3,55 кДж/ (кг-К).
Еще одна проблема - возгорание СПГ. В свободной атмосфере горение внутри смеси метана с воздухом распространяется благодаря теплопроводности и диффузии свободных радикалов со скоростью в пределах 5-15 м/с в зависимости от состава смеси. Это явление медленной дефлаграции (горение без взрыва) не вызывает существенного повышения давления - другими словами, взрыва не происходит, взрыв произошел бы в закрытом объеме. При возгорании СПГ выделяемая теплота рассеивается благодаря тепловому излучению и конвекции;
2012/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Техника и технологии
103
ТАБЛИЦА. Основные показатели котельных при работе на различных видах топлива
(в ценах 2010 г.)
Характеристика Единица измерения Топливо
СПГ Мазут М100 Каменный уголь Дизельное топливо ДТ-Евро-4
Низшая теплота сгорания МДж/кг 48,4 41,3 25,0 42,4
Среднее значение КПД котельных о/ 92 80 60 89
Масса топлива для производства 1 Гкал кг/Гкал 95 132 476 110
Отпускная цена топлива руб./т 15 500 13 500 4000 24 000
Стоимость производства 1 Гкал тепловой энергии (топливная составляющая) руб./т 1465 1776 1905 2649
интенсивность теплового излучения пожара на данном расстоянии определяется этим рассеиванием и атмосферным поглощением. Современные способы моделирования излучения пожара СПГ основаны на следующей формуле:
Q = F • т • E • в, (3)
где Q - поток излучения, Вт/м2; F - коэффициент формы пламени; т - коэффициент переноса окружающим воздухом; E - эмиссия пламени, Вт/м2; в - коэффициент эмиссии пламени.
6 Стратификация СПГ
В случае налива в резервуар СПГ с плотностью, отличающейся от плотности уже хранящегося СПГ, может случиться, что обе жидкости не перемешаются, образуя два различных слоя. Такое расслоение стабильно, если более плотная жидкость находится на дне [5]. Это условие соблюдается, если во время налива через низ резервуара закачивается жидкость более плотная, чем жидкость, находившаяся в резервуаре (головка). В случае налива сверху жидкость имеет меньшую
плотность, чем головка. Наблюдения показывают, что после образования эти слои остаются достаточно стабильными. В жидкости образуются две ячейки с независимой циркуляцией (рис. 5). Происходят конвективный обмен, тепло- и массообмен на границе двух слоев. Теплота, поступающая в верхнюю ячейку с боковых поверхностей и через поверхность раздела, увлекается естественной конвекцией к поверхности и там теряется в виде скрытой теплоты парообразования в поверхностном слое (см. рис. 5).
Нижняя ячейка получает теплоту через дно и боковые стенки, но может потерять тепловую энергию только через механизм конвекции на границе раздела двух слоев. Два механизма развития процесса разделения слоев ячеек во времени могут реализоваться в зависимости от того, меньше или больше теплопередача на границе раздела слоев, чем поступление тепловой энергии в нижнюю ячейку.
Сжиженный газ в нижней ячейке разогревается и становится менее плотным (механизм 1), либо охлаждается и его плотность растет (механизм 2).
Когда плотности жидкости в двух ячейках почти сравниваются, граница раздела исчезает и жидкости в слоях перемешива-
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/4
104
Техника и технологии
ются. Это перемешивание, обычно очень быстрое, называется «ролл-овер» и сопровождается часто внезапным обильным испарением хранящегося СПГ (рис. 6).
Используя устройства перемешивания или выбирая соответствующие способы заполнения, можно не допустить стратификации.
Поступление
теплоты
t t t t t
Поступление
теплоты
Поступление
теплоты
Рис. 5. Расслоение СПГ в резервуаре и ячейки тепловой конвекции
Плотность жидкости
Рис. 6. Варианты перемешивания слоев жидкости в резервуаре
2012/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Техника и технологии
105
Заключение
1. Применение СПГ в котельных свидетельствует о том, что данный продукт имеет наивысшие показатели теплоты сгорания, наивысшее значение КПД котельных установок, средней стоимости и позволяет получать более дешевую тепловую энергию, чем при использовании альтернативных энергоносителей, таких как мазут.
2. Пути транспортировки газа легко «привязываются» к котельным, так как СПГ можно доставлять (поставлять к котельным) железнодорожным транспортом.
3. СПГ сжигается легче и эффективнее, чем уголь или мазут. Утилизация сбросной теплоты от отходящих газов также проще, поскольку топочный газ не загрязнен твердыми частицами или агрессивными соединениями серы. Применение СПГ в качестве топлива уменьшит вредные выбросы в атмосферу. При проливе топлива СПГ испаряется, а не впитывается в землю.
Библиографический список
1. Теплотехника на подвижном составе железных дорог : учеб. пособие для вузов железнодорожного транспорта / И. Г. Киселев. - М. : Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2008. - 278 с.
2. Сжиженный природный газ вчера, сегодня, завтра / И. В. Бармин, И. Д. Кунис ; под ред. А. М. Архарова. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. - 256 с.
3. Энциклопедия газовой промышленности / В. А. Тимофеев; ред. К. С. Басниев. - 4-е изд. - М. : АО ТВАНТ, 1994. - 884 с.
4. Перспективы сжиженного природного газа на энергетических рынках / О. А. Бучнев, В. А. Саркисян // Газовая промышленность. -2005. - № 2. - С. 2-8.
5. Изотермическое хранение сжиженных газов / В. А. Вешицкий. - Л. : Недра, 1970. - 190 с.
6. Транспорт и хранение промышленных сжиженных газов / А. А. Ильинский. - М. : Химия, 1976. - 238 с.
УДК 621.331.3.025.1
С. В. Кузьмин
Петербургский государственный университет путей сообщения
АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКИМ КОМПЕНСАТОРОМ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ЦЕЛЯХ СИММЕТРИРОВАНИЯ НАГРУЗКИ ПИТАЮЩЕЙ ЛИНИИ И КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
Известные недостатки системы тягового электроснабжения переменного тока (несинусоидальность и несимметричность потребляемого из сети тока) ведут к повышенному реактивному электропотреблению, повышению потерь энергии как в системе тягового, так и в системе внешнего электроснабжения и т. д. Рассмотрен алгоритм управления статическим компенсатором реактивной мощности в целях симметрирования нагрузки в питающей тяговую подстанцию линии и компенсации реактивной мощности.
несимметрия, СТАТКОМ, широтно-импульсная модуляция, преобразование координат.
Введение
Система электрической тяги на однофазном переменном токе - ведущая систе-
ма электрической тяги во многих странах мира. Наряду с достоинствами, в частности высокой нагрузочной способностью, она имеет и недостатки. Наиболее значитель-
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/4
