Пути дальнейшего расширения использования природного газа в качестве моторного топлива Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

т

Транспорт на КПГ

Пути дальнейшего расширения использования природного газа в качестве моторного топлива

Я.С. Мкртычан,

главный научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ», профессор, д.т.н.

В данной статье рассмотрены вопросы повышения давления газа в баллонах легковых автомобилей и использования КПГ и СПГ в двухтопливных крупнотоннажных грузовиках и междугородных мощных автобусах с целью увеличения запаса хода газобаллонных автомобилей. Приведены принципиальные технологические схемы двухтопливных автомобилей и станций их заправки природным газом. Предлагаемые технологические решения защищены патентами РФ.

Ключевые слова: компримированный природный газ (КПГ), сжиженный природный газ (СПГ), газомоторное топливо (ГМТ), сжиженный углеводородный газ (СУГ), автомобильная газонаполнительная компрессорная станция (АГНКС).

Further ways of expanding

the use of natural gas as motor fuel

J.S. Mkrtychian

In this article the questions of increasing pressure in gas cylinders (tanks) of motor cars, as well as questions of CNG and LNG usage in dual-fuel large-capacity trucks and powerful-engine intercity buses are being considered for the purpose of increasing the cruising range of natural gas vehicles (NGV). The basic technological schemes of dual-fuel vehicles and natural gas dual-fuel filling stations are shown. The suggested technological solutions are protected by patents of Russian Federation.

Keywords: compressed natural gas (CNG), liquefied natural gas (LNG), gas engine fuel (CEF), liquefied petroleum gas (LPG), NGV-refueling compressor station.

Известно, что на сегодня из всех видов альтернативного моторного топлива самым ресурсообес-печенным, дешевым, экологически более чистым, технически и технологически наиболее подготовленным для внедрения является природный газ в сжатом (КПГ) и сжиженном (СПГ) состояниях. Кроме того, цена на этот газ напрямую не зависит от роста цен на нефтепродукты и СУГ, как продукт нефтепереработки [1-4].

Например, рост цены на сырьевой природный газ несущественно влияет на увеличение отпускной цены на КПГ или СПГ. Доля стоимости покупки сырьевого природного газа для АГНКС не превышает 20 % в отпускной цене конечного продукта - газомоторного топлива, тогда как оптовая цена приобретаемого СУГ составляет более 55 % от цены его реализации и постоянно растет с ростом цен на нефтепродукты.

Несмотря на целый ряд явных и существенных преимуществ у природного газа в сравнении с нефтепродуктами, внедрение его идет крайне медленно даже на автомобильном транспорте, не говоря уже о морском, речном, железнодорожном транспорте, сельхозтехнике, авиации и ракетно-космическом комплексе.

Многолетние исследования и накопленный практический опыт в этой области показывают, что сложившееся положение с использованием природного газа в качестве моторного топлива не случайно. Существует ряд факторов, сдерживающих быстрое развитие в стране этого процесса, главными из которых являются следующие:

■ недостаточно развитая сеть газозаправочных станций и пунктов сервисного обслуживания газобаллонных автомобилей;

■ меньший запас хода при работе автотранспорта на КПГ в сравнении с пробегом на жидком нефтяном моторном топливе (150-200 км против 300-400 км);

■ медленное освоение промышленного производства автомобилей в газобаллонном исполнении автомобильными заводами.

Наряду с указанными причинами существуют и другие трудности, например, длительные сроки выделения и оформления земельных участков под строительство заправочных станций, сложности и дороговизна сооружения станций в условиях городской застройки и согласования коммуникаций, возможность подключения станций в городах только к газовым сетям низкого давления (0,3-0,6 МПа) и, как следствие, высокая потребность в дефицитной и дорогостоящей электроэнергии. Эти недостатки тормозят развитие газозаправочной сети, тем более на фоне отсутствия каких-либо льгот со стороны государства. В результате, наша страна, занимавшая в 1986-1990 гг. по объему производства и реализации КПГ первое место в мире (более 1,2 млрд м3/год) оказалась позади развитых и даже некоторых развивающихся стран.

Неслучайно мировой парк газобаллонных автомобилей за последние 10 лет увеличился более чем в 10 раз и достиг почти 10 млн ед. и продолжает ежегодно расти в среднем на 20 %. Ведущие автомобильные фирмы Mercedes, BMW, Volkswagen, Volvo, FIAT, Iveco, Ford, Honda, Opel, Renault стали серийно выпускать автомобили, работающие на природном газе, а в некоторых странах введены и действуют специальные государственные мероприятия, направленные на стимулирование применения природного газа в качестве ГМТ. Участие государства в решении проблем газомоторизации дает ощутимые результаты. Например, в Бразилии и Аргентине около 1,5 млн метановых автомобилей и 1,5 тыс. АГНКС. Около 2 млн автомобилей на КПГ эксплуатируются в странах - членах Азиатско-Тихоокеанской газомоторной ассоциации (ANGVA): Австралии, Индии, Китае, Корее, Новой Зеландии, Пакистане, Таиланде и Японии. Примерно 20 % всех АГНКС мира находятся в Азии.

В России в настоящее время автотранспорт потребляет примерно 175 млн т. нефтяного моторного топлива, при сжигании которого выбросы загрязняющих и вредных для здоровья населения веществ составляют около 12 тыс. т.

Экологические проблемы, особенно в мегаполисах, общеизвестны, поэтому требования к токсичности отработавших газов газотранспортных двигателей постоянно возрастают - вводятся стандарты Евро-4 и Евро-5. Между тем, перевод транспортных двигателей на КПГ существенно сокращает вредные выбросы и снижает дымность отработавших газов. И тем не менее, улучшению экологической ситуации, в первую очередь в крупных городах, уделяется недостаточно внимания, и особенно - практической реализации мероприятий.

Следует отметить, что ОАО «Газпром» целенаправленно и постоянно проводит работу по расширению использования природного газа в качестве моторного топлива. В частности, надежно обеспечивает

потребности в природном газе для АГНКС по умеренным ценам, выполняет масштабную ведомственную программу по строительству новых современных АГНКС и сервисных центров, а также по реконструкции и переоснащению действующих станций. Практически ежегодно с целью популяризации газомоторного топлива и накопления опыта для совершенствования газоиспользующей автотехники и передвижных автога-зозаправщиков ОАО «Газпром» организует автопробеги газобаллонных автомобилей.

Благодаря усилиям ОАО «Газпром» отечественная автомобильная промышленность начинает проявлять интерес к газомоторному топливу. Группа «ГАЗ» разрабатывает семейство газовых автомобилей, а ОАО «КАМАЗ» серийно выпускает грузовой автомобиль с газовым двигателем, созданным на базе серийного дизеля.

Несмотря на многие усилия ОАО «Газпром» нужно признать, что одной компании, даже такой крупной, решить эту проблему вряд ли удастся. Очевидно, что необходима помощь государства. Приведем пример. В начале 80-х гг. прошлого столетия Новая Зеландия, испытывая трудности с поставками нефтепродуктов, приняла решение о переводе части транспорта для работы на собственном добываемом природном газе и метаноле.

При этом были отменены на пять лет все налоги для пользователей ГМТ, производителей оборудования, строителей и владельцев стационарных и передвижных станций. Наряду с этим, цены на ГМТ были установлены в 2-2,5 раза ниже, чем на нефтепродукты, и заморожены на 5 лет. Автомобилистам, желающим использовать в качестве топлива ГМТ, предоставлялись для приобретения газовых автомобилей льготные кредиты на длительный срок.

Результат этой государственной акции оказался феноменальным. Перевели на газ и метанол за несколько лет более половины автотранспорта страны, а также часть тракторов, вертолетов и легких самолетов, построили сотни газозаправочных и многотопливных станций. Участие в решении этой новозеландской проблемы приняли фирмы США, Италии и российская коммерческая научно-производственная фирма НПФ «ГАЗ-ТОП», работающая под патронажем Мингазпрома.

Приведенный пример быстрой и эффективной газомоторизации части транспорта страны показателен и может быть использован в условиях нашей страны.

Однако, какими бы эффективными не были действия государства, без устранения отмеченных выше технико-технологических недостатков, снижающих потребительские

Таблица 1

Основные параметры дожимной компрессорной установки

Параметры Значение

Давление газа, МПа

на входе 20^25

на выходе 32

Температура, °С

на входе -5^30

на выходе До 45

Производительность, м3/час Не менее 900

Мощность потребления, кВт Не более 23

Габаритные размеры (ДхШхВ), мм Не более 3200x844x2250

Полная масса, кг Не более 850

Температурные условия эксплуатации, °С -40^40

Жидкость в гидроприводе Mobil Hydrofluid LT

Объем жидкости в гидросистеме, л 90

Перекачиваемая среда (ГОСТ 27577-2000) КПГ

Ой

Транспорт на КПГ

свойства газовой техники, рассчитывать на активное участие частных инвесторов не приходится. Рассмотрим эти недостатки.

Отсутствие развитой сети автогазозаправочных станций

Это - объективная реальность, так как на создание разветвленной сети заправочных станций уходят многие годы, особенно в столь крупной стране как наша. Естественно, это длительный процесс, и он должен проводиться постоянно и планомерно, и в первую очередь в городах с огромным количеством легковых автомобилей, автобусов и коммунальной техники.

Если принять за условие, что сеть станций долго будет неразвитой, то необходимо, прежде всего, обеспечить необходимый пробег (запас хода) легковым автомобилям, на борту которых до сих пор не удается накопить необходимый объем ГМТ. На автобусах и коммунальных машинах такой проблемы нет. По существу в условиях редкой сети станций только обеспечение необходимого запаса хода позволит широко внедрить газобаллонные автомобили в практику эксплуатации.

Недостаточный запас хода

В работах [2-4] изложен способ увеличения пробега легковых автомобилей за счет повышения давления газа в баллоне (с 20 до 32 МПа) до 320-370 км, то есть в 1,6-1,7 раза, и доведения его практически до пробега бензинового автомобиля. Также созданы дожимная компрессорная установка для заправки таких автомобилей и газовая аппаратура с ме-таллокомпозитным баллоном на рабочее давление 32 МПа (табл. 1, 2).

Другими техническими решениями, но уже направленными на увеличение пробега мощных крупнотоннажных автомобилей и автобусов, выполняющих междугородные и международные грузо- и пассажи-роперевозки, являются накопление и последовательное использование

Таблица 2

Основные технические показатели двухтопливного автомобиля ВАЗ

Параметры Значение

Используемое топливо: альтернативное традиционное КПГ Бензин Аи-92

Газобаллонное оборудование Автомобильная газовая топливная аппаратура «САГА-7»

Тип баллона для альтернативного топлива Металлокомпозитный в базальтовом коконе

Вместимость баллона, л 67

Объем альтернативного топлива в баллоне при температуре 10 °С, м3 22

Рабочее давление в баллоне, МПа 31,4

Масса баллона, кг без топлива с топливом 53,6 69,2

Средний расход альтернативного топлива на 100 км пробега автомобиля, м3 6,87

Запас хода автомобиля на полной заправке альтернативным топливом, км 320±20

Суммарный запас хода автомобиля на полной заправке альтернативным и традиционным топливами, км ~900

Рис. 1. Принципиальная схема системы хранения и подачи СПГ и КПГ в ДВС автомобиля: 1 - криогенный газовый баллон; 2, 5, 10, 12, 15 - трубопроводы; 3, 9, 13, 23 - обратные клапаны; 4- входной кран; 6- испаритель; 7, 20- предохранительные клапаны; 8, 18, 21, 22

- запорные клапаны; 11 - баллон для хранения КПГ; 14 - входной кран; 16 - манометр; 17

- сбросной клапан, 19 - редуктор газа

КПГ и СПГ. Объемы таких перевозок, а, следовательно, и объем потребления ГМТ значительно больше, чем у городского транспорта.

Реализация предлагаемого решения потребовала создания нового газового оборудования для автомобиля

[5] и новой газозаправочной станции

[6]. За основное ГМТ принят СПГ, в качестве резервного - КПГ (рис. 1).

Система работает следующим образом.

Для заправки криогенного газового баллона 7 СПГ трубопровод 2 присоединяют к гибкому рукаву заправочного пункта или станции (на рисунке не показано). Краны 8 и 27 закрывают, а кран 4 открывают. После окончания заправки баллона 7 СПГ кран 4 закрывают.

Для заправки баллона 77 КПГ трубопровод 72 присоединяют к гибкому рукаву заправочного пункта или

станции (на рисунке не показано), кран 78 закрывают, а кран 74 открывают. После окончания заправки баллона 77 КПГ кран 74закрывают.

Система может обеспечить подачу природного газа в двигатель из криогенного газового баллона 7 или из баллона 77 для хранения КПГ.

Для подачи СПГ в двигатель через испаритель 6 открывают вначале кран 8, а затем краны 78 и 27, при этом закрывают запорный кран 22. Из баллона 77 для хранения КПГ по трубопроводу 75 через открытый кран 78, редуктор 79, в котором давление газа понижают до давления в 1 МПа, и открытый кран 27 газ поступает в криогенный баллон 7 и начинает вытеснять СПГ через испаритель 6 к двигателю. После полного израсходования СПГ запорные краны закрывают. При необходимости для дальнейшей работы двигателя используют сжатый

ш

газ из баллона 77. Для подачи сжатого газа в двигатель открывают запорный кран 22.

Возможны варианты организации подачи в двигатель транспортного средства только СПГ или только КПГ в зависимости от наличия тех или иных заправок на пути следования транспорта.

Для заправки автомобилей с двухтопливной системой необходимы соответствующие заправочные станции (рис. 2), включающие системы производства и подачи сжиженного или сжатого газа в автомобиль.

Система производства и подачи СПГ в автомобиль включает входной трубопровод 7 с запорными кранами 2 и 3, установку сжижения газа 4, криогенный заправочный резервуар 5 и связующий их трубопровод 6 с запорным краном 7, трубопровод 8, оснащенный запорными кранами 9, 70 и обратным клапаном 77, криогенный центробежный насос 72, соединенный трубопроводом 73 с запорными кранами 74 и 75 с заправочной колонкой 76, оснащенной гибким рукавом 77 для присоединения к автомобилю 78.

Система производства и подачи КПГ в автомобиль включает криогенный насос высокого давления 79, испаритель-регазификатор 20, емкость-хранилище 27 для сжатого газа высокого давления и газозаправочную колонку 22 с гибким рукавом 23 для присоединения к автомобилю 24, соединенные между собой трубопроводами 25,26,27, оснащенными запорными кранами 28-32 и обратными клапанами 33, 34, а также с трубопроводом 73.

Для дополнительной заправки криогенной емкости 5 СПГ может быть использован передвижной газовоз 35, соединенный с ней через гибкий рукав 36 и запорный кран 9.

Для дополнительной заправки емкости-хранилища 27 КПГ может быть использован компрессор 37, соединенный с ней трубопроводом 38, оснащенным краном 39 и предохранительным клапаном 40.

Для поддержания давления в криогенной емкости используется

емкость-хранилище КПГ высокого давления, соединенная с ней трубопроводом 27 через редуктор 47, краны 30, 42, 43, предохранительный 44 и обратный 45 клапаны. В качестве резервной системы поддержания давления в криогенной емкости может быть использован входной газопровод 7 низкого давления станции, соединенный с криогенной емкостью 5 трубопроводом 46 с краном 47.

Работа системы по производству и подаче СПГ в автомобиль

Сырьевой трубопроводный газ по входному газопроводу 7 станции через открытые краны 2 и 3 и трубопроводу 46 подается в установку сжижения 4. Из установки сжижения СПГ по трубопроводу 6 и открытый кран 7 поступает в криогенную емкость 5, откуда под давлением газа в «шапке» криогенной емкости 5 подается по трубопроводу через открытые краны 9 и 70 на прием криогенного насоса 72, а от него через открытые краны 74 и 75 по трубопроводу 73 в заправочную колонку 76 и далее через гибкий рукав 77 в бак автомобиля 78.

Предусмотрен резервный вариант подачи СПГ из криогенной емкости 5 через открытые краны 9 и 75 в газозаправочную колонку 76 и далее через гибкий рукав 77 в бак автомобиля 78. При этом криогенный насос отключен, а краны 70 и 74 закрыты. Этот вариант заправки автомобиля СПГ реализуем только при наличии необходимого и стабильного давления в «газовой шапке» криогенной емкости 5. Основным режимом работы является насосный режим подачи СПГ в бак автомобиля.

Работа системы по производству и подаче КПГ в автомобиль

Для производства КПГ из сжиженного, накопленного в криогенной емкости 5, сжиженный газ подают по трубопроводу 73 из емкости 5 через открытые краны 9, 75 и 28 на прием криогенного насоса 79, который повышает давление газа и подает его в

испаритель-регазификатор 20. Далее полученный уже газообразный газ поступает по трубопроводу 26, обратный клапан 33 и открытый кран 29 в емкость-хранилище 27 и далее по трубопроводу 27, через открытые краны 30-32, обратный клапан 34 в газозаправочную колонку 22, а от нее по гибкому рукаву 23 в емкость автомобиля 24.

Предусмотрен резервный вариант заправки автомобиля КПГ от компрессора 37, оснащенного предохранительным клапаном 40 и нагнетательным газопроводом 38 с краном 39 и обратным клапаном 48, через которые газ поступает в емкость 27 и далее по трубопроводу 27, краны 30-32, обратный клапан 34 в заправочную колонку 22, а из нее по гибкому рукаву 23 в емкость автомобиля 24.

Работа системы

поддержания давления газа в криогенной заправочной емкости

Основной вариант предусматривает подачу газообразного газа из емкости-хранилища 27 через открытые краны 30, 42, 43, 45 и редуктор 47 по трубопроводу 27, оснащенному предохранительным клапаном 44, в криогенную емкость 5.

Предусмотрены два варианта резервирования подачи газообразного газа в емкость 5. В первом из них газ подается от компрессора 37 по газопроводу 38 в емкость 27, трубопроводу 27 и редуктору 47 в криогенную емкость 5. Во втором варианте подача газа осуществляется из входного газопровода 7 станции по трубопроводу 46 через кран 47 в криогенную емкость 5.

Реализация предлагаемой, принципиально новой, по существу двухтопливной газозаправочной станции позволит:

■ увеличить загрузку станций автомобилями, так как на таких станциях смогут заправиться автомобили, работающие как на КПГ, так и на СПГ;

■ увеличить запас хода автомобилей;

■ уменьшить потребность в станциях;

■ снизить удельные капитальные и эксплуатационные расходы при создании заправочной сети и повысить их прибыльность.

Создание, например, на базе автомобилей КАМАЗ двухтопливных автомобилей, способных работать на СПГ и КПГ, позволит увеличить их пробег до 1 тыс. км. Это чрезвычайно важно для международных «голубых коридоров», так как при минимальном количестве станций можно будет начать грузо- и пассажироперевозки на природном газе. На начальном этапе для заправки автомобилей ГМТ целесообразно также применение передвижных автогазозаправщиков для оснащения ими действующих АГНКС и КриоАЗС.

В настоящее время ООО «Газпром ВНИИГАЗ» совместно с ОАО «КАМАЗ», ОАО «Криогенма ш», ОАО «Московский ГПЗ», ООО «НПФ Ротор» приступил к проведению комплексных работ по созданию отечественных двухтопливных автомобилей и заправочных станций.

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., Ровнер Г.М.

Автомобильные газозаправочные комплексы. - М.: Газойл пресс, 2001. - 208 с.

3. Мкртычан Я.С., Самсонов Р.О., Ровнер Г.М., Маленкина И.Ф. Расчеты и проект расширения использования компримированного природного газа на автомобильном транспорте. - М.: Нефть и газ, 2007. - 112 с.

4. Мкртычан Я.С., Самсонов Р.О., Ровнер Г.М., Батюшков С.Г. Оборудование, техника, газозаправки. - М.: Нефть и газ, 2007. - 88 с.

5. Система хранения и подачи газа в двигатель. Решение о выдачи патента РФ на изобретение... с приоритетом от 6 февраля 2008 г. Авторы: Мкртычан Я.С., Самсонов Р.О.

6. Автозаправочная станция природным газом. Патент РФ № 87004 с приоритетом от 2 марта 2009 г. Автор: Мкртычан Я.С.

ОРСКИИ

МАШИ Н ОСТРО ИТ ЕЛЬ н ыи ЗАВОД

*

БАЛЛОНЫ ГАЗОВЫЕ

Баллоны применяют для транспортирования и хранения сжатых газов, на автомобильных 1ранспоргных средствах, в системах пожаротушения и т.п.

Баллоны в течение всего установленного срока эксплуатации должны обеспечигь: надежное хранение сжатых газов и хладонов под высоким давлением; использование сжатых газов в качестве моторного топлива.

Валлоны изготавливаются следующих типов: в зависимости от назначения: баллоны транспортные БТ: баллоны автомобильные, облегченные БД: баллоны для систем пожаротушения БП. В зависимости ог исполнения: баллоны стальные бесшовные типа СМС-1; баллоны металлопластиновые типа СМС-2.

Область применения: баллоны типа ВТ и ВА предназначены для транспортирования и хранения сжатого природного газа, а также для использований а качестве топливных емкостей на транспортных средствах, использующих в качестве моторного топлива сжатый природный газ го ГОСТ 27577-2000. При использовании газа а качестве моторного топлива значительно, примерно в два раза, экономятся средства из-за разности в стоимости газа и топлива на основе нефти и. что особенно важно, значительно улучшаются условия эколотии.

Валлон типа ВП предназначен для использования в системах пожаротушения, устанавливаемых в соответствии с нормами пожарной безопасности НПБ 110-99.

Описание конструкции: баллоны представляют собой цельнометаллический или металлопластиковый сосуд с горловиной, имеющей присоединительную коническую или метрическую резьбу. Металлопластнковый баллон типа С1Ч0-2 состоит из металлического лейнера и оболочки, армированной стекловолокном пропитанными эпоксидной смолой на цилиндрической поеерх-нос(и лейнера. Баллоны рассчитаны на рабочее дав-ле ни е о 1 6 Ы П л до 25 VIПа.

Баллоны производства ОАО -Орский машиностроительный завод» удовлетворяют требования*!: ■ 150 11439:2000(Е): ГОСТ Р 51753-2001;

* ПБ 03-576-03 (Правила устройС(ва и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением):

• техническим условиям.

Баллоны имеют защитное ан(икоррозионное покрытие. маркировку и клеймение, наносимые как ударным способом, так и краской в соответствии с требованиями нормативно-технической документации или требованиями заказчика. Резьба горловины при транспортировке зашишена пробкой, предохраняющей попадание пыли и влаги во внучреннюю полость баллона.

Баллоны могут поставляться а различных видах транспортной упаковки: в полиэгилсновых мешках, обернутыми в картонную оболочку, в поддонах и с защити ыми рези нов ым и кольца ми.