CC BY
50
Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар. Материал поступил в редакцию 04.09.12
Б.Т. Абдрахманов
Экономика-математикалык эд1стер1 мен моделдер1не экономикалык процестер1н1ц имитациялык моделдеуш енг1зу
B.T. Abdrakhmanov
Introduction of simulation modeling of economic processes in economic and mathematical methods and models
Бул мацалада автор экономика-математикалыц odicmepi мен моделдерн экономикалыц процестердщ имитациялыц моделдеу амалыныц e^i3y жагдайын квpcemeдi. Экономика — математикалыц моделдеу жаца бвлiммeн толыцтырылады.
In this article the author shows the process of introduction of simulation modeling in economic and mathematical methods and models. Economic and mathematical modeling is complemented in the new section.
УДК 621.436
Д.С. Бахтиярова, Б.К. Омарова, Е.Т. Хасенов, А.К. Каракаев
ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕТРАДИЦИОННОГО ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЯХ
В статье представлены результаты анализа основных направлений использования природного газа в дизелях современного транспорта.
Автомобильный транспорт является одним из основных потребителей нефтепродуктов и останется главным потребителем моторных топлив на период до 2040-2050 г.г. В ближайшей перспективе ожидается увеличение потребления нефтепродуктов при примерно постоянных объемах их производства и нарастающий дефицит моторных топлив.
Эти факторы привели к необходимости реконструкции топливно-энергетического комплекса путем более глубокой переработки нефти, применения энергосберегающих технологий, перехода на менее дорогостоящие виды топлив. Поэтому одним из основных путей совершенствования двигателей внутреннего сгорания (ДВС), остающихся основными потребителями нефтяных топлив, является их адаптация к работе на различных нетрадиционных топливах, к которым относят облегченные и утяжеленные нефтяные.
Важней особенностью перевода дизелей на нетрадиционные топлива является возможность обеспечения требуемых эксплуатационно-технических показателей без изменения конструкции двигателя или при ее незначительных изменениях. Это позволяет организовать работу дизелей не только на традиционных дизельных топливах, но и на нетрадиционных топливах (в том числе и на газообразных), т.е. обеспечить «всеядность» двигателей. Применение таких двигателей значительно облегчает решение вопросов снабжения транспортных средств топливом в реальных условиях эксплуатации и придает им большую автономность. Экономика стран СНГ базировалась на трех основных энергоносителях - нефти, угле и природном газе.
Продолжительное время топливно-энергетический комплекс использовал энергоносители преимущественно нефтяного происхождения. Однако в последние годы наметилась тенденция к снижению роли нефти и нефтепродуктов в экономике стран СНГ. Это объясняется снижением темпов роста добычи нефти, вызванным выработкой крупных месторождений, незначительным вводом в эксплуатацию новых месторождений, заметным сокращением инвестиций в поисково-разведочные работы, отсутствием эффективных технологий добычи, обеспечивающих высокую отдачу нефтяных пластов. Поэтому ожидаемый подъем национальных экономик стран СНГ неизбежно будет сопровождаться дефицитом нефти и нефтепродуктов, что создает предпосылки к более широкому использованию других энергетических ресурсов.
Таким образом, направления дальнейшего развития энергетических установок с ДВС во многом зависят от перспектив использования в них различных энергоносителей. В качестве сырьевой базы для получения существующих и перспективных топлив для ДВС могут использоваться как не возобновляемые источники энергии - полезные ископаемые (нефть, газ, уголь и др.), так и возобновляемые ресурсы - растительные масла, биомассы, древесина, сельскохозяйственные и бытовые отходы и др.
В настоящее время основная часть моторных топлив производится из полезных ископаемых, в основном из нефти. Среди различных видов транспорта (воздушного, морского, речного, железнодорожного и т. д.) ее доля особенно велика в автотранспорте, на потребности которого расходуется более 50% от общего количества добытой нефти [1]. Однако из-за ограниченности природных ресурсов нефти все большее применение находят и другие виды топлива.
Современная структура топливно-энергетического баланса в значительной степени определяется заметным истощением запасов нефти и продолжающимся повышением мировых цен на нефть. Наряду с умень-
31
шением мировых запасов нефти наблюдается тенденция повсеместного повышения цен на нефть и нефтяные топлива. Начало интенсивного роста цен на нефтепродукты потребления полезных ископаемых и их запасов, на которой энергетические ресурсы сравниваются в единицах теплоты. Отмеченное повышение цен на нефть и нефтепродукты обусловлено также удорожанием добычи нефти и увеличением затрат на нефтепереработку, вызванным, главным образом, увеличением ее глубины и использованием при производстве моторных топлив продуктов вторичных (деструктивных) процессов переработки (рисунок 1) конечных фракций и мазута (термического и каталитического крекинга).
Рисунок 1 - Схема переработки нефти
Таким образом, нефтеперерабатывающая промышленность развивается в направлении увеличения выработки светлых нефтепродуктов (бензинов, керосинов, дизельных и реактивных топлив) при незначительном увеличении общего объема переработки нефти. Такое развитие отрасли возможно за счет углубления переработки нефти, т. е. более полного использования фракций нефти при производстве моторных топлив.
В основе структуры баланса производства жидких топлив лежит естественное содержание топливных фракций в нефти. Относительное содержание топливных фракций - бензиновых, керосиновых, дизельных и остаточных (мазута) в сырой нефти среднего состава составляет соответственно 27, 10, 25 и 38 % [2]. В то же время доля потребления дизельных топлив достаточно высока и в настоящее время составляет около 40 % от общего
32
ресурса моторных топлив. При этом доля потребления автомобильных бензинов равна примерно 35 % [3]. Поэтому для более полного использования фракций нефти и, следовательно, для увеличения выпуска моторных топлив желательно использование в дизелях не только традиционных нефтяных топлив, но и топлив, содержащих легкие и тяжелые нефтяные фракции, обычно не используемые при производстве дизельных топлив.
Первым этапом обеспечения всеядности дизелей явилась разработка и внедрение так называемых «многотопливных» двигателей, работающих на различных нефтяных топливах (дизельных топливах, бензинах, керосинах, реактивных топливах). Их внедрение позволяет более полно использовать содержащиеся в сырой нефти фракции. Бензиновые и дизельные двигатели потребляют до 54 % нефтяных фракций, а «многотопливные» двигатели - до 71 % добываемого из сырой нефти топлива [4, 5]. При этом сжигание бензиновых фракций в дизеле более экономично, чем в бензиновом двигателе с принудительным воспламенением, у которого степень сжатия ограничивается возможностью возникновения детонационных процессов, а на режимах с частичными нагрузками применяется неэкономичное количественное или смешанное регулирование. В среднем, в зависимости от типа дизеля, эксплуатационный расход бензина в «многотопливных» дизелях понижается на 25-50 % по сравнению с расходом его в бензиновых двигателях [6].
Проблема «всеядности» двигателей тесно связана с задачей расширения и наиболее рационального использования топливных ресурсов. Это обусловлено возможностью более гибкого приспособления двигателей к изменяющемуся топливному балансу, определяемому добычей нефти, потреблением различных ее фракций, затратами на производство и транспортировку различных нефтепродуктов, использованием альтернативных топлив, получаемых из природного газа, каменного угля, горючих сланцев, биомассы и других сырьевых ресурсов. Решение проблемы «всеядности» двигателей позволяет обеспечить их бесперебойную и мобильную работу в условиях дефицита того или иного вида топлива, что особенно важно для двигателей транспортного назначения.
Важнейшим аспектом «всеядности» двигателей является проблема замены нефтяных топлив нефтяными - альтернативными топливами. В связи с вышеизложенным перевод части автомобильного парка на топлива, получаемые из альтернативных сырьевых ресурсов, становится неизбежным.
Виды нетрадиционного топлива
Среди нетрадиционных топлив, применение которых возможно в дизелях, выделяют нефтяные топлива и топлива, производимые из альтернативных источников энергии. Нефтяные и альтернативные топлива условно разделяют
33
на три группы [7]. К первой группе можно отнести смесевые топлива, содержащие нефтяные топлива с добавками ненефтяного происхождения (спиртами, эфирами и др.). Смесевые топлива по эксплуатационным свойствам, как правило, близки к традиционным нефтяным топливам. Вторая группа включает синтетические жидкие топлива, приближающиеся по свойствам к традиционным нефтяным топливам. Эти топлива получают при переработке твердых, жидких или газообразных полезных ископаемых (угля, горючих сланцев, природного газа и газовых конденсатов и т.д.). Третью группу составляют ненефтяные топлива (спирты, эфиры, газообразные топлива), существенно отличающиеся по физико-химическим свойствам от традиционных нефтяных топлив. Наиболее перспективными из альтернативных топлив являются топлива, получаемые из газового сырья, угля и сланцев, а также топлива растительного происхождения.
В настоящее время первое место в мире по потреблению на транспорте среди альтернативных топлив занимают сжиженные нефтяные газы (сжиженные углеводородные газы или пропанбутановые смеси), получаемые при переработке нефтяного (попутного) газа. Одним из наиболее перспективных энергоносителей на транспорте является природный газ.
По данным РАО ЕЭС в России из природного газа вырабатывается около 70 % электроэнергии, получаемой из полезных ископаемых (остальные 30% - из угля и мазута). Возможно использование этой электроэнергии в качестве энергоносителя для электромобилей, работающих на электричестве от аккумуляторных батарей, размещенных на борту транспортного средства. Использование электромобилей кардинально решает проблему снижения токсичности ОГ двигателей, появляется возможность использования электроэнергии, получаемой из любого энергоносителя. В качестве наиболее распространенного источника энергии в электромобиле рассматривается свинцово-кислотные батареи, являющиеся наиболее дешевым типом батарей.
Наиболее простым и недорогим путем применения природного газа на транспорте является его использование в сжатом и сжиженном видах. Другим направлением использования природного газа является синтезирование из него жидких топлив, близких по своим свойствам к традиционным моторным топливам. При этом природный газ окисляется в присутствии катализатора в синтез-газ, содержащий монооксид углерода СО и водород Н2. В качестве перспективных альтернативных топлив, получаемых из природного газа, рассматриваются также метиловый спирт (метанол), этиловый спирт (этанол) и диметиловый эфир [8, 9, 1, 10, 11]. Причем, их синтезирование возможно также из любого другого углеродсодержащего
34
сырья (угля, сланцев, торфа, древесины), а также отходов промышленного и сельскохозяйственного производств. По своим свойствам названные спиртовые топлива пригодны как для использования в двигателях с принудительным воспламенением, так и для применения в дизелях. Одним из наиболее перспективных спиртовых топлив является метанол, промышленное получение которого освоено во многих странах. В последнее время в качестве одного из наиболее перспективных альтернативных топлив для дизелей рассматривается диметиловый эфир (ДМЭ). Преимуществами этого вида альтернативного топлива являются высокое цетановое число, соизмеримое с цетановым числом штатных дизельных топлив, и хорошие экологические качества двигателей, работающих на ДМЭ.
Наиболее вероятным сырьем для производства моторных топлив для транспорта в ближайшей перспективе является уголь.
В мировых запасах ископаемых энергоресурсов на каменный уголь приходится 80-85 % суммарного энергосодержания [12]. Доказанные мировые запасы угля составляют 16 трлн. т, из них 4 трлн.т доступные рентабельные запасы. При современном уровне добычи угля этих запасов хватит на 200-250 лет. Использование угля в качестве энергоносителя на транспорте возможно путем его сжигания на теплоэлектростанциях с последующим использованием полученной электроэнергии в электромобилях. Другой способ заключается в использовании в качестве топлива для дизелей смесей (суспензий) угольной пыли с дизельным топливом, альтернативными топливами или водой. Однако наиболее перспективным представляется производство синтетических моторных топлив из угля. Такие топлива можно получить либо прямым синтезом из продукта газификации угля - синтез-газа (процесс Фишера-Тропша), либо через промежуточное получение метанола. Из 1 мЗ синтез-газа получают около 200 г жидких углеводородов, которые могут быть использованы в качестве компонентов моторных топлив. Таким же образом возможно получение синтетических моторных топлив из бурых углей и торфа.
Кроме рассмотренных первичных топливно-энергетических ресурсов для производства моторных топлив могут быть использованы так называемые вторичные ресурсы - газы, получаемые при пере работки нефти, природного и попутного нефтяного газов, коксовый, доменный и генераторный газы, биомасса (древесина, водоросли, отходы сельскохозяйственного производства и др.). Наиболее значимыми из них являются биомасса и продукты ее переработки. При этом в отличие от других перечисленных выше энергетических ресурсов биомасса является возобновляемым источником энергии.
35
Перспективны в качестве моторных топлив растительные масла: подсолнечное, рапсовое, хлопковое, соевое, льняное, пальмовое, арахисовое, сурепное и др. Их можно использовать в исходном виде или после специальной химической обработки, а также в смеси с нефтяными или альтернативными топливами. Среди альтернативных энергоносителей для транспорта следует особенно отметить водород, а также водородсодержащие топлива (синтез-газ - Н2+СО). Водород обладает чрезвычайно высокой энергоемкостью (теплотворной способностью почти в три раза большей, чем у традиционных нефтяных топлив) и уникальными экологическими качествами [13, 14]. Основной проблемой применения чистого водорода является отсутствие инфраструктуры его производства в необходимых для транспорта количествах, сложности хранения, транспортировки и заправки автомобилей. Водород (синтез-газ) может быть получен в конверторе непосредственно на борту автомобиля из метанола или другого энергоносителя.
Проведенный анализ тенденций развития топливного баланса показывает, что проблема обеспечения «всеядности» ДВС (дизелей) становится в настоящее время все более актуальной. В то же время при переводе дизелей на нетрадиционные топлива возникает ряд проблем, обусловленных различиями физико-химических свойств дизельных и нетрадиционных топлив.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Кириллов, Н. Г. Альтернативные моторные топлива XXI века //Автога-зозаправочный комплекс + альтернативное топливо. - 2003. - №№3. - С. 58-63.
2 Гершман, И. И., Лебединский А. Л. Многотопливные дизели. - М. : Машиностроение, 1971. - 224 с.
3 Бушуев, В. В. Прогнозный баланс использования на транспорте различных видов энергоносителей //Газ в моторах: тезисы докладов международной конференции; 22-23 мая 1996 г. - М. : РАО «Газпром», 1996. - С. 16-19.
4 Демьянов, Л. А, Сарафанов, С. К. Многотопливные двигатели. - М. : Воениздат, 1968. - 104 с.
5 Свиридов, Ю. Б., Малявинский, Л. В., Вихерт, М. М. Топливо и то-пливоподача автотракторных дизелей. - Л. : Машиностроение, 1979. - 248 с.
6 Марков, В. А, Козлов С. И. Топлива и топливоподача многотопливных и газодизельных двигателей. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. - 296 с.
7 Лапидус, А. Л., Крылов И. Ф., Тонконогов, Б. Л. Природный газ как моторное топливо/Химия и технология топлив и масел. - 2005. - N2 3. - С. 3-8.
8 Антифеев, В. Н., Ровнер, Г. М., Мкртычан, Я. С. О новой московской программе использования альтернативных видов моторного топлива
36
на автотранспорте//Авто-газозаправочный комплекс + альтернативное топливо. - 2002 . № 4. - С. 8-17.
9 Грехов, Л. В., Иващенко, Н. А, Марков, В. А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей. - М. : Изд-во «Легион-Автодата», 2004. - 344 с.
10 Льотко, В., Луканин, В. Н., Хачиян, А. С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. - М. : Изд-во МАДИ (ТУ), 2000. - 311 с.
11 Розовский, А. Я. Диметиловый эфир и бензин из природного газа П Российский химический журнал. - 2003. - Т. XLVII. - № 6. - С. 53-61.
12 Смаль Ф. В., Арсенов Е. Е. Перспективные топлива для автомобилей. - М. : Транспорт, 1979. -151 с.
13 Каменев, В., Фомин, В., Хрипач, Н. Водород - альтернативный энергоноситель для автотранспорта: проблемы и решения // Автогазоза-правочный комплекс альтернативное топливо. - 2004. - № 1. - С. 43-48.
14 Хрипач Н. Синтез-газ - новое альтернативное топливо для транспортных двигателей П Автогазозаправочный комплекс альтернативное топливо. - 2003. - № 5. - С.54-56.
Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар. Материал поступил в редакцию 10.09.12.
Д.С. Бахтиярова, Б.К. Омарова, Е.Т. Хасенов, А. К. Каракаев
Дизельдеп дэс^рл1 емес отынды колдану мэселес1
D.S. Bakhtiarova, B.K. Omarova, E.T. Hasenov, A.K. Karakaev
The issues of using unconventional fuel in diesel engines
Мацалада цазiргi квлжшерге дизельдщ орнына табиги газды цолдану нэтижест талдау багыты бершген.
The article presents the results of analysis of the main directions for usage of the natural gas in the contemporary transport diesel engines.
37
