Инструкция

На вид сжиженный природный газ (СПГ) - это бесцветная жидкость без и запаха, на 75-90% состоящая и обладающая очень важными свойствами: в жидком состоянии он не горюч, не и не агрессивен, что крайне важно при транспортировке. Процесс сжижения СПГ имеет характер, где каждая новая ступень означает сжатие в 5-12 раз, после чего следует охлаждение и переход на следующую ступень. СПГ становится жидким по завершению последней стадии сжатия.

Если же газ необходимо транспортировать на очень большие расстояния, то гораздо выгоднее использовать специальные суда – танкеры-газовозы. От места газа до ближайшего подходящего места на морском побережье протягивают трубопровод, а на берегу строят терминал. Там газ сильно сжимают и охлаждают, переводя в жидкое состояние, и закачивают в изотермические емкости танкеров (при температурах порядка -150оС).

Этот способ транспортировки имеет ряд преимуществ перед трубопроводным. Во-первых, один подобный за один рейс может перевезти громадное количество газа, ведь плотность вещества, находящегося в жидком состоянии, гораздо выше. Во-вторых, основные расходы приходятся не на транспортировку, а на погрузку-разгрузку продукта. В-третьих, хранение и перевозка сжиженного газа гораздо безопаснее, чем сжатого. Можно не сомневаться, что доля природного газа, транспортируемого в сжиженном виде, будет неуклонно возрастать по сравнению с газопроводными поставками.

Сжиженный природный газ востребован в различных областях деятельности человека - в промышленности, в автомобильном транспорте, в медицине, в сельском хозяйстве, в науке и пр. Немалую популярность сжиженные газ ы завоевали за счет удобства их использования и транспортировки, а также экологической чистоты и невысокой стоимости.

Инструкция

Перед сжижением углеводородного газ а его необходимо предварительно очистить и удалить водяной пар. Углекислый газ удаляют, используя систему трехступенчатых молекулярных фильтров. Очищенный таким образом газ в небольших количествах используется в качестве регенерационного. Восстанавливаемый газ либо сжигается, либо применяется для получения в генераторах мощности.

Просушивание происходит с помощью 3-х молекулярных фильтров. Один фильтр поглощает водяной пар. Другой сушит газ , который далее и проходит через третий фильтр. Для понижения температуры газ пропускается через водяной охладитель.

Азотный способ подразумевает производство сжиженного углеводородного газ а из любых газ овых источников. К преимуществам этого метода можно отнести простоту технологии, уровень безопасности, гибкость , легкость и малозатратность эксплуатации. Ограничения этого метода - необходимость источника электроэнергии и высоких капитальных затрат.

При смешанном способе производства сжиженного газ а в качестве хладагента используют смесь азота и . Получают газ также из любых источников. Этот метод отличается гибкостью производственного цикла и небольшими переменными затратами на производство. Если сравнивать с азотным способом сжижения, здесь капитальные затраты более существенны. Также необходим источник электроэнергии.

Источники:

• Что такое сжижение газов?
• Сжиженный газ: получение, хранение и транспортировка
• что такое сжиженный газ

Природный газ добывается из недр Земли. Это полезное ископаемое состоит из смеси газообразных углеводородов, которая образуется в результате разложения органических веществ в осадочных породах земной коры.

Какие вещества входят в состав природного газа

На 80-98% природный газ состоит (CH4). Именно физико-химические свойства метана определяют характеристики природного газа. Наряду с метаном в составе природного газа присутствуют соединения такого же структурного типа – этан (C2H6), пропан (C3H8) и бутан (C4H10). В некоторых случаях в небольших количествах, от 0,5 до 1%, в природном газе обнаруживаются: (С5Н12), (С6Н14), гептан (С7Н16), (С8Н18) и нонан (С9Н20).

Также природный газ включает в себя соединения сероводорода (H2S), углекислого газа (CO2), азот (N2), гелий (He), водяные пары. Состав природного газа зависит от характеристик месторождений, где он добывается. Природный газ, добываемый в чисто газовых месторождениях, состоит в основном из метана.

Характеристики составляющих природного газа

Все химические соединения, входящие в состав природного газа, обладают рядом свойств, полезных в различных сферах промышленности и в быту.

Метан – горючий газ без цвета и запаха, он легче воздуха. Используется в промышленности и быту в качестве горючего. Этан – горючий газ без цвета и запаха, он немного тяжелее воздуха. В основном, из получают этилен. Пропан – ядовитый газ без цвета и запаха. Ему по свойствам близок бутан. Пропан используется, например, при сварочных работах, при переработке металлолома. Сжиженным и бутаном заправляют зажигалки и газовые баллоны. Бутан используют в холодильных установках.

Пентан, гексан, гептан, октан и нонан – . Пентан в небольших количествах входят в состав моторных топлив. Гексан также используется при экстрагировании растительных масел. Гептан, гексан, октан и нонан являются хорошими органическими растворителями.

Сероводород – ядовитый бесцветный тяжелый газ, тухлых яиц. Этот газ даже в маленькой концентрации вызывает паралич обонятельного нерва. Но в силу того, что сероводород обладает хорошими антисептическими свойствами, его в малых дозах применяют в медицине для сероводородных ванн.

Углекислый газ – негорючий бесцветный газ без запаха с кислым вкусом. Углекислый газ используют в пищевой промышленности: в производстве газированных напитков для насыщения их углекислотой, для заморозки продуктов, для охлаждения грузов при транспортировке и т.п.

Азот – безвредный бесцветный газ, без вкуса и запаха. Применяют его в производстве минеральных удобрений, используют в медицине и т.п.

Гелий – один из самых легких газов. Он не имеет цвета и запаха, не горит, не токсичен. Гелий используют в различных областях промышленности – , для охлаждения атомных реакторов, наполнения стратостатов.

В производственных процессах, связанных с использованием газов (диспергирование, перемешивание, пневмотранспорт, сушка, абсорбция и т. д.), перемещение и сжатие последних происходит за счет энергии, сообщаемой им машинами, которые носят общее название компрессионных . При этом производительность компрессионных установок может достигать десятков тысяч кубометров в час, а давление изменяется в пределах 10 –8 –10 3 атм., что обусловливаетбольшое разнообразие типов и конструкций машин, применяемых для перемещения, сжатия и разрежения газов. Машины, предназначенные для создания повышенныхдавлений, получили название компрессоров, а машины, работающие на создание разрежения –вакуум-насосов .

Классифицируют компрессионные машины в основном по двум признакам: принципу действия и степени сжатия. Степень сжатия – это отношение конечного давления газа на выходе из машиныр 2 к начальному давлению на входеp 1 (т. е.p 2 /p 1).

По принципу действия компрессионные машины подразделяют на поршневые, лопастные (центробежные и осевые), ротационные и струйные.

По степени сжатия различают:

– компрессоры, используемые для создания высоких давлений, со степенью сжатия р 2 /р 1 > 3;

– газодувки, служащие для перемещения газов при большом сопротивлении газопроводной сети, при этом 3 > p 2 /p 1 >1,15;

– вентиляторы, применяемые для перемещения больших количеств газа при p 2 /p 1 < 1,15;

– вакуум-насосы, отсасывающие газ из пространства с пониженным давлением (ниже атмосферного) и нагнетающие его в пространство с повышенным (выше атмосферного) или атмосферным давлением.

В качестве вакуум-насосов могут быть использованы любые компрессионные машины; более глубокий вакуум создают поршневые и ротационные машины.

В отличие от капельных жидкостей, физические свойства газов функционально зависят от температуры и давления; процессы перемещения и сжатия газов связаны с внутренними термодинамическими процессами. При малых перепадах давлений и температур изменения физических свойств газов в процессе их движения с малыми скоростями и давлениями, близкими к атмосферному, незначительны. Это дает возможность использования всех основных положений и законов гидравлики для их описания. Однако при отклонении от нормальных условий, в особенности при высоких степенях сжатия газа, многие положения гидравлики претерпевают изменение.

1. Термодинамические основы процесса сжатия газов

Влияние температуры на изменение объема газа при постоянном давлении, как известно, определяется законом Гей – Люссака, т. е. при p = const объем газа прямо пропорционален его температуре:

где V 1 иV 2 – объемы газа соответственно при температурахТ 1 иТ 2 , выраженные по шкале Кельвина.

Связь между объемами газа при разных температурах может быть представлена зависимостью

, (4.1)

где V иV 0 – конечный и начальный объемы газа, м 3 ;t иt 0 – конечная и начальная температура газа, °С;v t – относительный коэффициент объемного расширения, град. –1 .

Изменение давления газа в зависимости от температуры:

, (4.2)

где р ир 0 – конечное и начальное давление газа, Па;v р – относительный температурный коэффициент давления, град. –1 .

Масса газа М при изменении его объема остается постоянной. Если r 1 иr 2 плотности двух температурных состояний газа, то
и
либо
, т.е. плотность газа при постоянном давлении обратно пропорциональна его абсолютной температуре.

По закону Бойля-Мариотта, при одной и той же температуре произведение удельного объема газа v на значение его давленияр есть величина постояннаяp v = const. Следовательно, при постоянной температуре
, а
, т. е. плотность газа прямо пропорциональна давлению, так как
.

Учитывая уравнение Гей-Люссака, можно получить соотношение, связывающее три параметра газа: давление, удельный объем и его абсолютную температуру:

. (4.3)

Последнее уравнение носит название уравнения Клайперона . В общем виде:

либо
, (4.4)

где R – газовая постоянная, которая представляет собой работу, совершаемую единицей массы идеального газа в изобарном (p = const) процессе; при изменении температуры на 1° газовая постояннаяR имеет размерность Дж/(кг?град):

, (4.5)

где l р – удельная работа изменения объема, совершаемого 1 кг идеального газа при постоянном давлении, Дж/кг.

Таким образом, уравнение (4.4) характеризует состояние идеального газа. При давлении газа свыше 10 атм использование этого выражения вносит погрешность в расчеты (p v ?RT ), поэтому рекомендуется пользоваться формулами, которые более точно описывают зависимость между давлением, объемом и температурой реального газа. Например, уравнением Ван-дер-Ваальса:

, (4.6)

где R = 8314/M – газовая постоянная, Дж/(кг·К);М – молекулярная масса газа, кг/кмоль;а ив – величины, постоянные для данного газа.

Величины а ив могут быть рассчитаны по критическим параметрам газа (Т кр ир кр):

;
. (4.7)

При высоких давлениях величина а/v 2 (дополнительного давления в уравнении Ван-дер-Ваальса) мала по сравнению с давлениемp и ею можно пренебречь, тогда уравнение (4.6) превращается в уравнение состояния реального газа Дюпре:

, (4.8)

где величина в зависит только от рода газа и не зависит от температуры и давления.

На практике для определения параметров газа при различных его состояниях чаще пользуются термодинамическими диаграммами: Т –S (температура–энтропия),p–i (зависимость давления от энтальпии),p –V (зависимость давления от объема).

Рисунок 4.1 – Т–S диаграмма

На диаграммеТ –S (рис. 4.1) линияАKВ представляет собой пограничную кривую, которая делит диаграмму на отдельные области, соответствующие определенным фазовым состояниям вещества. Область, расположенная слева от пограничной кривой, представляет собой жидкую фазу, справа – область сухого пара (газа). В области, ограниченной кривойАВK и осью абсцисс, одновременно сосуществуют две фазы – жидкость и пар. ЛинияАK соответствует полной конденсации пара, здесь степень сухостиx = 0. ЛинияKВ соответствует полному испарению,x = 1. Максимум кривой соответствует критической точкеK , в которой возможны все три состояния вещества. Помимо пограничной кривой на диаграмму нанесены линии постоянных температур (изотермы,Т = const) и энтропии (S = const), направленные параллельно осям координат, изобары (p = const), линии постоянных энтальпий (i = const). Изобары в области влажного пара направлены так же, как и изотермы; в области перегретого пара они меняют направление круто вверх. В области жидкой фазы изобары почти сливаются с пограничной кривой, так как жидкости практически несжимаемы.

Все параметры газа на диаграмме Т–S отнесены к 1 кг газа.

Так как в соответствии с термодинамическим определением
, то теплота изменения состояния газа
. Следовательно, площадь под кривой, описывающей изменение состояния газа, численно равна энергии (теплоте) изменения состояния.

Процесс изменения параметров газа называют процессом изменения его состояния. Каждое состояние газа характеризуется параметрами p ,v иТ . В процессе изменения состояния газа могут меняться все параметры или один из них оставаться постоянным. Так, протекающий при постоянном объеме процесс называетсяизохорическим , при постоянном давлении –изобарическим , а при постоянной температуре –изотермическим . Когда при отсутствии теплообмена между газом и внешней средой (теплота не отводится и не подводится) изменяются все три параметра газа (p, v ,Т ) в процессе его расширения либо сжатия, процесс называется адиабатическим , а когда изменение параметров газа происходит при непрерывном подводе или отводе теплоты– политропическим .

При изменяющихся давлении и объеме, в зависимости от характера теплообмена с окружающей средой, изменение состояния газа в компрессионных машинах может происходить изотермически, адиабатически и политропически.

При изотермическом процессе изменение состояния газа следует закону Бойля–Мариотта:

pv = const.

На диаграмме p–v этот процесс изображается гиперболой (рис. 4.2). Работа 1 кг газаl графически представляется заштрихованной площадью, которая равна
, т. е.

либо
. (4.9)

Количество тепла, которое выделяется при изотермическом сжатии 1 кг газа и которое необходимо отводить путем охлаждения, чтобы температура газа оставалась постоянной:

, (4.10)

где c v иc р – удельные теплоемкости газа при постоянном объеме и давлении, соответственно.

На диаграмме Т–S процесс изотермического сжатия газа от давленияр 1 до давленияр 2 изображается прямой линиейаб , проведенной между изобарамир 1 ир 2 (рис. 4.3).

Рисунок 4.2 – Процесс изотермического сжатия газа на диаграмме	Рисунок 4.3 – Процесс изотермического сжатия газа на диаграмме Т–S

Тепло, эквивалентное работе сжатия, изображается площадью, ограниченной крайними ординатами и прямой аб , т. е.

. (4.11)

Рисунок 4.4 – Процессы сжатия газа на диаграмме
:

А – адиабатический процесс;

Б – изотермический процесс

Поскольку в выражение для определения работы, затрачиваемой в изотермическом процессе сжатия, входят только объем и давление, то в пределах приложимости уравнения (4.4) безразлично, какой газ будет сжиматься. Иначе говоря, на изотермическое сжатие 1 м 3 любого газа при одних и тех же начальных и конечных давлениях расходуется одно и то же количество механической энергии.

При адиабатическом процессе сжатия газа изменение его состояния происходит за счет изменения его внутренней энергии, а следовательно, и температуры.

В общей форме уравнение адиабатического процесса описывается выражением:

, (4.12)

где
– показатель адиабаты.

Графически (рис. 4.4) этот процесс на диаграмме p–v изобразится гиперболой более крутой, чем на рис. 4.2., так какk > 1.

Если принять

, то
. (4.13)

Поскольку
иR = const, полученное уравнение можно выразить иначе:

или
. (4.14)

Путем соответствующих преобразований можно получить зависимости для других параметров газа:

;
. (4.15)

Таким образом, температура газа в конце его адиабатического сжатия

. (4.16)

Работа, совершаемая 1 кг газа в условиях адиабатического процесса:

. (4.17)

Тепло, выделяющееся при адиабатическом сжатии газа, эквивалентно затрачиваемой работе:

С учетом соотношений (4.15) работа на сжатие газа при адиабатическом процессе

. (4.19)

Процесс адиабатического сжатия характеризуется полным отсутствием теплообмена между газом и окружающей средой, т.е. dQ = 0, аdS = dQ/T , поэтомуdS = 0.

Таким образом, процесс адиабатического сжатия газа протекает при постоянной энтропии (S = const). На диаграммеТ–S этот процесс изобразится прямой линиейАВ (рис. 4.5).

Рисунок 4.5 – Изображение процессов сжатия газа на диаграмме Т–S

Если в процессе сжатия выделяющееся тепло отнимается в меньшем количестве, чем это необходимо для изотермического процесса (что происходит во всех реальных процессах сжатия), то фактически затрачиваемая работа будет большей, чем при изотермическом сжатии, и меньшей, чем при адиабатическом:

, (4.20)

где m – показатель политропы,k >m >1 (для воздухаm
).

Значение показателя политропы m зависит от природы газа и условий теплообмена с окружающей средой. В компрессионных машинах без охлаждения показатель политропы может быть больше показателя адиабаты (m >k ), т. е. процесс в этом случае протекает по сверхадиабате.

Работу, затрачиваемую на разрежение газов, рассчитывают по тем же уравнениям, что и работу на сжатие газов. Отличие лишь в том, что р 1 будет меньше атмосферного давления.

Процесс политропического сжатия газа от давленияр 1 до давления р 2 на рис. 4.5 изобразится прямойАС . Количество тепла, выделяемое при политропическом сжатии 1 кг газа, численно равно удельной работе сжатия:

Конечная температура сжатия газа

. (4.22)

Мощность, затрачиваемая компрессионными машинами на сжатие и разрежение газов, зависит от их производительности, конструктивных особенностей, теплообмена с окружающей средой.

Теоретическая мощность, затрачиваемая на сжатие газа
, определяется производительностью и удельной работой сжатия:

, (4.23)

где G иV – массовая и объемная производительность машины соответственно;
– плотность газа.

Следовательно, для различных процессов сжатия теоретически затрачиваемая мощность:

; (4.24)

; (4.25)

, (4.26)

где – объемная производительность компрессионной машины, приведенная к условиям всасывания.

Фактически затрачиваемая мощность в силу ряда причин больше, т.е. потребляемая машиной энергия выше, чем та, которую она передает газу.

Для оценки эффективности компрессионных машин используют сравнение данной машины с наиболее экономичной машиной того же класса.

Машины с охлаждением сравнивают с машинами, которые сжимали бы газ при данных условиях изотермически. В этом случае к. п. д. носит название изотермического, ? из:

, (4.27)

где N – фактически затрачиваемая мощность данной машиной.

Если машины работают без охлаждения, то сжатие газа в них происходит по политропе, показатель которой выше показателя адиабаты (m ?k ). Поэтому затрачиваемую мощность в таких машинах сравнивают с мощностью, которую затрачивала бы машина при адиабатическом сжатии газа. Отношение этих мощностей представляет собой адиабатический к.п.д.:

. (4.28)

С учетом мощности, теряемой на механическое трение в машине и учитываемой механическим к.п.д. – ? мех, мощность на валу компрессионной машины:

либо
. (4.29)

Мощность двигателя рассчитывается с учетом к.п.д. самого двигателя и к.п.д. передачи:

. (4.30)

Установочная мощность двигателя принимается с запасом (
):

. (4.31)

Значение ? ад колеблется в пределах 0,93?0,97;? из в зависимости от степени сжатия имеет значение 0,64?0,78; механический к. п. д. меняется в пределах 0,85?0,95.

К атегория:

Автомобильные эксплуатационные материалы

Применение сжатого природного газа

Природный газ состоит в основном из метана и небольшой примеси других газообразных компонентов. Состав природного газа отличается в зависимости от его месторождения и может характеризоваться следующими средними значениями: метана 85…99, этана 1…8, пропана и бутана 0,5…3, пентана до 0.5…2, азота 0,5…0,7, углекислоты до 1,8% об.

Теплота сгорания природных газов отдельных месторождений может доходить до 47 МДж/м3, однако в среднем она составляет 33…36 МДж/м3. Эта величина почти в 1000 раз меньше, чем у жидкого нефтяного топлива, что и является основным недостатком природного газа как моторного топлива. Поэтому для обеспечения приемлемых эксплуатационных качеств автомобиля, прежде всего запаса хода при работе на природном газе, требуется его специальная подготовка: сжатие до давления 20 МПа и более с последующим хранением на автомобиле в баллонах высокого давления либо сжижение с помощью глубокого охлаждения до -162 °С с хранением в специальных криогенных (теплоизолированных) емкостях. Из-за большей простоты наиболее широко применяется природный газ в сжатом виде.

К природному газу, используемому в сжатом виде в качестве моторного топлива, предъявляются следующие специфические требования: отсутствие пыли и жидкого остатка, а также минимальная влажность. Последнее требование связано с исключением возможности закупорки каналов топливной системы, вызываемой замерзанием и выпадением гидратов вследствие дросселирования и снижения температуры газа при заправке автомобиля. Для обеспечения выполнения этих требований природный газ подвергается очистке с помощью фильтрующего, сепарационного и осушительного оборудования, установленного на газонаполнительных станциях.

В соответствии с ТУ 51-166-83 «Газ горючий природный сжатый, топливо для газобаллонных автомобилей», для заправки газовых автомобилей предназначены две марки СПГ (табл. 7). Их отличием является различное содержание метана и азота. В составе СПГ ограничено содержание следующих продуктов (г/м3, не более): сероводорода-0,02; меркаптановой серы- 0,016; механических примесей - 0,001; влаги - 0,009. Массовая доля сероводородной и меркаптановой серы в СПГ не должна превышать 0,1%.

В настоящее время наибольшее распространение получило использование природного газа в сжатом виде на автомобилях с двигателями внешнего смесеобразования и принудительным (искровым) воспламенением. Обычно на автомобиль с карбюраторным двигателем дополнительно устанавливаются баллоны для хранения природного газа под высоким давлением, газовые редукторы, электромагнитные клапаны и другая газовая арматура, обеспечивающая возможность работы двигателя на газе. Универсальность питания такого автомобиля (бензин или природный газ) является и его недостатком, так как не позволяет полностью использовать высокую детонационную стойкость природного газа.

Опыт эксплуатации отечественных газовых автомобилей, работающих на СПГ , выявил ряд положительных сторон, схожих с достоинствами при работе на СПГ . При использовании СПГ в качестве моторного топлива моторесурс двигателя увеличивается на 35…40%, срок службы свечей на 30…40%, расход моторного масла снижается благодаря увеличению периодичности (срока) его смены в 2…3 раза. Вместе с тем перевод на сжатый природный газ бензиновых автомобилей ведет к ухудшению ряда их эксплуатационных показателей. Мощность двигателя снижается на 18…20%, что ведет к снижению максимальной скорости на 5…6%, увеличению времени разгона на 24…30% и уменьшению максимальных углов преодолеваемых подъемов. Из-за большой массы баллонов для хранения газа высокого давления грузоподъемность автомобиля снижается на 9…14%. Дальность ездки на одной заправке газа не превышает 200…280 км.

Из-за наличия дополнительной топливной системы трудоемкость технического обслуживания и ремонта газового автомобиля увеличивается на 7…8%.

При использовании природного газа в качестве моторного топлива отмечены его плохие пусковые свойства. Предельное значение температуры холодного пуска двигателя (без дополнительных средств подогрева) на природном газе на 3…8 °С выше, чем на СНГ , и на 10…12 °С, чем на бензине. Трудность пуска объясняется высокой температурой воспламенения метана, а также тем, что в процессе воспламенения после нескольких вспышек на свечах осаждается вода, шунтирующая искровой промежуток.

Важным достоинством газовых топлив по сравнению с нефтяными являются лучшие экологические свойства, связанные прежде всего с уменьшением выбросов вредных веществ с отработавшими газами двигателя. Как известно, такими веществами являются окись углерода СО, окислы азота NO.t, суммарные углеводороды СН и в случае применения этилированных бензинов соединения свинца. Применение газовых топлив, отличающихся высокой детонационной стойкостью, исключает необходимость использования токсичного антидетонатора ТЭС и поэтому является эффективным фактором снижения загрязнения окружающей среды высокотоксичными свинцовыми соединениями. Изменение содержания окиси углерода при работе двигателя на газе и бензине в зависимости от состава топливно-воздушной смеси примерно одинаково. Однако, учитывая возможность работы газового двигателя на более бедных смесях, при его оптимальной регулировке обеспечиваются более низкие концентрации СО. Уровни выбросов СН также примерно одинаковы, однако их состав принципиально отличен. Вредное воздействие углеводородов, образующихся в продуктах сгорания нефтяных топлив, связано главным образом с образованием смога. При работе на природном газе углеводородная часть отработавших газов состоит в основном из метана, обладающего высокой устойчивостью к образованию смога.

Окислы азота являются наиболее токсичными компонентами отработавших газов. Их максимальное содержание для газового двигателя примерно в 2 раза меньше, чем для бензинового. Кроме того, оно может быть дополнительно снижено в 2…3 раза за счет регулировки состава топливной смеси.

Исходя из рассмотренных факторов применение газовых автомобилей на СПГ наиболее рационально на внутригородских грузовых перевозках для обслуживания предприятий торговли, быта и др. Использование природного газа перспективно и на городском пассажирском автотранспорте ввиду снижения в этом случае вредных выбросов, загрязняющих атмосферу. Для этой цели в нашей стране начат выпуск газовых автобусов ЛАЗ -695НГ и газовой модификации легкового автомобиля-такси ГАЗ -24-27.

Наиболее массовым автомобилем, работающим на сжатом природном газе, является грузовой автомобиль ЗИЛ -1Э8А. Основные элементы универсальной системы питания этого автомобиля, обеспечивающей работу на газе и бензине, использованы во всех других моделях газовых автомобилей. Газовая система питания автомобиля ЭИЛ -138А (рис. 23) включает восемь баллонов из углеродистой стали объемом 50 л каждый, рассчитанных на рабочее давление 20 МПа. Баллоны соединены трубками высокого давления и разделены на две секции с отдельными запорными вентилями 12. Заправка баллонов газом осуществляется с помощью вентиля. Перед подачей в двигатель газ проходит теплообменник, в котором подогревается горячими отработавшими газами двигателя. Для снижения давления газа используется редуктор высокого давления (снижает давление до 1,2 МПа) и низкого давления 5. Для контроля за работой системы питания служат два манометра, находящиеся в кабине водителя.

Рис. 1. Принципиальная схема топливной системы автомобиля ЗИЛ -1Э8А

Рис. 2. Схема газодизельной топливной системы автомобиля КамАЗ: 1 -двигатель; 2- ТНВД ; 3-дозатор газа; 4 - электромагнитный клапан с фильтром; 5-редуктор высокого давления; 6 - подогреватель газа; 7- вентили; 8 - манометр; 9 - редуктор низкого давления; 10- баллон; 11- смеситель; 12 - педаль подачи топлива

Резервная система питания бензином включает стандартный бензобак, электромагнитный клапан-фильтр, бензонасос и карбюратор-смеситель. Переход с одного вида топлива на другой осуществляется с помощью электромагнитных клапанов.

Общая вместимость баллонов составляет 400 л, что позволяет заправить 80 м3 газа при массе газобаллонной установки около 800 кг.

Сложность применения газовых топлив в дизельных двигателях связана с их плохой воспламеняемостью, низким цетановым числом и высокой температурой воспламенения. Поэтому для организации работы дизеля на природном газе используется газодизельный процесс, заключающийся в подаче в цилиндры дозы запального дизельного топлива, обеспечивающего воспламенение газовоздушной смеси.

Газодизельный процесс использован в ряде газовых модификаций автомобилей семейства КамАЗ, а также дизельных автобусах. В состав газодизельной системы питания автомобилей КамАЗ входит 8… 10 газовых баллонов высокого давления. Сжатый газ из баллонов поступает в подогреватель 6, где подогревается с помощью тепла охлаждающей жидкости. В редукторе давление газа снижается до 0,95… 1,1 МПа. После этого через электромагнитный клапан-фильтр он поступает в двухступенчатый редуктор низкого давления и затем через дозатор газа в смеситель, где смешивается с воздухом. Газовоздушная смесь подается в цилиндры двигателя, где в конце такта сжатия в нее через обычную форсунку впрыскивается запальная доза дизельного топлива.

Привод рычага управления регулятором топливного насоса высокого давления (ТНВД ) соединен тягой с приводом дроссельной заслонки дозатора. С помощью специального механизма обеспечивается постоянство расхода запальной дозы дизельного топлива в газодизельном режиме работы двигателя независимо от положения педали подачи топлива. Пуск газодизельного двигателя и его работа на холостом ходу происходят только на дизельном топливе. На остальных режимах повышение мощности двигателя достигается путем увеличения подачи газового топлива. Величина подачи запальной дозы составляет 15…20% от суммарного расхода топлива.

Заправка автомобилей природным газом осуществляется на стационарных автомобильных газонаполнительных станциях (АГНКС ) или с помощью передвижных автогазозаправщиков (ПАГЗ ). Типовая АГНКС обеспечивает 500 заправок в сутки. Ее технологическая схема состоит из пяти основных функциональных блоков: сепараторов, компрессоров, осушки, аккумуляторов газа и раздаточных колонок. АГНКС является сложным сооружением, включающим производственно-технологический корпус с газораздаточной и операторной, заправочную площадку с боксами для стоянки автомобилей и внешние коммуникации (подключение к газовой сети, водопровод, линия электропередачи и др.). Газ, поступающий из внешней сети, проходит сепарацию, далее сжимается компрессорами до 25 МПа и подается в установку осушки. Сухой газ направляется для хранения в аккумуляторы, откуда через газозаправочные колонки поступает на заправку автомобилей.

Рис. 3. Технологическая схема стационарной АГНКС

Число заправочных колонок на АГНКС - 8, время заправки с учетом всех операций составляет: для грузового автомобиля 10…12 мин, легкового - 6…8 мин.

Для заправки автомобилей автотранспортных предприятий, удаленных от АГНКС , используются передвижные автогазозаправщики (ПАГЗ ). На ПАГЗ смонтирована газобаллонная установка, снабженная блоками зарядки газом заправщика и раздачи газа автомобилям. Газобаллонная установка обычно включает три секции газовых баллонов объемом 400 fl каждая с давлением 32 МПа для ступенчатой заправки автомобилей бескомпрессорным способом. Заправка осуществляется с помощью двух раздаточных устройств.

Начало применению газа как моторного топлива было положено более 150 лет назад, когда бельгиец Этьен Ленуар создал двигатель внутреннего сгорания, работавший на светильном газе. Особой популярности этот вид топлива не получил. Последовавший вскоре рост добычи нефти и удешевление продуктов ее переработки, а также создание более совершенных двигателей сделали бензин лидером топливного рынка. Вновь интерес к газомоторному топливу возник в первой половине XX века.

В России это направление стало развиваться с 30-х годов, когда из-за дефицита нефти при бурно развивающейся промышленности правительство приняло решение перевести часть транспорта на газ. Соответствующее постановление вышло в 1936 году.

Был налажен выпуск техники, открыты заправки, начались разработки газовых двигателей, причем использовались оба вида газа - компримированный и углеводородный. Полномасштабной реализации программы помешала Великая Отечественная война. Тем не менее, от замысла не отказались: уже в мирное время были спроектированы и переданы в производство новые газобаллонные автомобили, число которых достигло 40 тыс. Для них строились десятки газозаправочных станций.

Когда были открыты крупнейшие запасы углеводородов Западной Сибири и страна

вступила в эпоху нефтяного изобилия, внимание к программе создания газобаллонного транспорта ослабло, хотя работы продолжались. В 80-е годы всерьез заговорили об экономии, и газ опять взял реванш. К 1985 году вышли три постановления Совмина о массовом переводе крупных потребителей топлива на газ. За пять следующих лет были построены около 500 автомобильных газонаполнительных компрессорных станций, на КПГ переведено до 0,5 млн. единиц автотранспорта. Координацией работы занимался межведомственный совет при Министерстве газовой промышленности под председательством Виктора Черномырдина.

Начавшаяся в 90-е годы приватизация привела к исчезновению крупных автохозяйств; в частные руки перешла значительная часть муниципального транспорта. И хотя в это же время отмечалось падение добычи нефти (с 624 млн. т в 1988 г. до 281 млн. т в 1997 г.), из-за сокращения количества потребителей дефицит нефтепродуктов не возник.

В результате бензин и дизтопливо сохранили рыночные позиции. Новый подъем рынка газомоторного топлива в России начался с 1998 года, когда резко увеличился спрос на пропано-бутановую смесь.

Газ как моторное топливо представлен двумя основными разновидностями - компримированный природный газ (КПГ), который поступает на специальные заправки - АГНКС - по газопроводам, и сжиженный углеводородный газ (СУГ). Первый является метаном, а второй - смесью пропана и бутана, продуктом переработки попутного нефтяного газа (ПНГ). Исторически первым распространение получил пропан-бутан. Его преимущество в том, что он легко сжижается при обычной температуре при давлении всего 10-15 атмосфер. При этом для его перевозки достаточно стального баллона с толщиной стенок всего 4-5 мм. С метаном сложнее. Сжижать его можно только при низких температурах, порядка минус 160 градусов по Цельсию. Соответствующие технологии сжижения и «разжижения» недешевы. Метан можно также сжимать. Однако чтобы количество сжатого газа по объему было хотя бы примерно сопоставимо со сжиженной пропан-бутановой смесью, сжаться он должен до 200-250 атмосфер. Поэтому для перевозки компримированного метана нужны гораздо более прочные и тяжелые баллоны. У метановых установок более высокие требования и к безопасности. Поэтому чаще всего на легковые автомобили ставят пропановое оборудование.

Расход сжатого природного газа (в отличие от сжиженного нефтяного газа) измеряется не в литрах, а в наполнительных метрах. Так как КПГ в основном состоит из метана, то его массовая теплота сгорания составляет 49,4 МДж/кг, что на 9% выше, чем у бензина, и на 11% выше, чем у авиакеросина1. У потребителя, если он переходит с традиционного горючего на СУГ, расходы на горючесмазочные материалы сокращаются на 20-25 %. В свою очередь у компримированного природного газа по сравнению с углеводородным тоже есть преимущество. Энергоотдача СУГ примерно на 25 % меньше, чем у КПГ - 6175 ккал/м. куб. и 8280 ккал/м. куб. соответственно. Для потребителя это означает, что на одинаковое расстояние сжиженного углеводородного газа потребуется на 25-30 % больше, к тому же он немного уступает КПГ по экологическим параметрам2.

При этом стоимость газомоторного топлива не превышает 50% стоимости бензина марки А-80. По данным НП «Национальная газомоторная ассоциация»3, наибольшая цена моторного топлива - у водорода. Она составляет 9,01 евро/л. Это почти в девять раз дороже, чем у биодизеля (1,11 евро/л) и бензина (0,66 евро/л). В свою очередь стоимость 1 м? газа, что эквивалентно 1 литру бензина, дешевле бензина более чем в два раза: стоимость 1 м? сжиженного нефтяного газа составляет 0,39 евро/л, сжатого природного газа - 0,21 евро/л.

Существенным фактором, стимулирующим государства мирового сообщества к развитию рынка ГМТ, являются экологические проблемы. Вклад автотранспорта в загрязнение воздуха крупных городов и агломераций составляет от 50 до 90 % по всем видам загрязнений. Поэтому требования к снижению токсичности выпускных газов двигателей внутреннего сгорания транспортных средств постоянно возрастают - вводятся стандарты Евро-4 и Евро-5. Между тем перевод автомобилей на газомоторное топливо сокращает выбросы диоксида углерода (основной парниковый газ) на 13%, оксидов азота - на 15-20 %, в 8-10 раз снижает дымность отработанных газов и полностью исключает выбросы соединений свинца. По данным Минэнерго России, если взять бензин качества Евро-4 за эталон, то окажется, что по выбросам оксидов азота КПГ выигрывает почти в три раза, по СН - в 14 раз, по бензапирену - более чем в 16 раз, по саже - в 3 раза (в сравнении с соляркой - в 100 раз). Следовательно, по уровню выбросов вредных веществ в атмосферу сжатый природный газ уступает только электроэнергии. Хотя СУГ немного и отстает по экологическим параметрам, зато он позволяет решить проблему утилизации попутного нефтяного газа, который пока сжигается в факелах, хотя еще в январе 2009 года было подписано постановление «О мерах по стимулированию сокращения загрязнения атмосферного воздуха продуктами сжигания попутного нефтяного газа на факельных установках».

По мнению экспертов, будущее именно за метаном: пропан-бутан, как и нефть, слишком ценное сырье, чтобы использовать его как автомобильное топливо. Хотя оно, конечно, намного удобнее, и пока парк, использующий его, больше: к началу 2011 года в мире количество газобаллонных автомобилей, работающих на СУГ, превысило 15 млн., а на КПГ - 12 млн.4. Годовой оборот пропан-бутана составляет 34 млн. т условного топлива, а компримированного газа - примерно 23 млн.т.

Еще одним преимуществом, которое получает предприятие, эксплуатирующее машины на метане - это повышение уровня безопасности, поскольку по своим физико-химическим свойствам природный газ менее опасен, чем пропан.

Также благодаря использованию природного газа в качестве топлива увеличивается срок службы масла и самого двигателя внутреннего сгорания. При работе мотора на газовом топливе не происходит смывания масляной пленки со стенок блока цилиндров, кроме того, на головке блока цилиндров не образовываются отложения углерода, не закоксовываются поршневые кольца, из-за которых происходит изнашивание элементов двигателя внутреннего сгорания, а его межремонтный пробег увеличивается в полтора-два раза. Кроме того, улучшается работа системы зажигания - срок службы свечей возрастает на 40%5. Все это сокращает затраты на ремонт.

Кроме того, сегмент КПГ является наиболее устойчивым к кризисным явлениям в российской экономике и наиболее динамичным в среднесрочной перспективе. В 2009 г., в связи со снижением деловой активности во время кризиса, российский рынок КПГ снизился на 1,1%, в то время как потребление бензина и пропан-бутана снизилось на 18% и 4% соответственно6.

Оборотной стороной медали использования газа в качестве топлива становится возможная неравномерность работы мотора. Это связано с резонансом во впускной системе и расслоением газовоздушной смеси. Усложняется и пуск холодного двигателя внутреннего сгорания зимой. Это объясняется более высокой температурой воспламенения газового топлива и меньшей скоростью сгорания.

Также определенную сложность представляет переоснащение автомобиля. Цена пропан-бутанового оборудования колеблется в пределах 15-28 тыс. руб., а метанового - начинается с 40 тыс. руб. При этом масса комплекта превышает 50 кг для СУГ и более 100 кг для КПГ. Исходя из этого, выстраивается «специализация» газов: СУГ - для легкового транспорта, а КПГ для тяжелой техники. Самая дорогая и «весомая» деталь - баллон. Для снижения его массы и повышения прочности стенок применяют легированные металлы или алюминий, армированный стеклопластиком, устанавливаются также металлокомпозитные баллоны в базальтовом коконе. В некоторых отраслях техники применяются армированные пластмассовые сосуды, которые очень дороги, но при этом легче стальных в 4-4,5 раза.

Таким образом, в зависимости от количества баллонов со сжатым газом масса грузовика увеличивается на 400 -900 кг. При этом снижается его грузоподъемность и возрастает расход топлива, однако при применении баллонов из композитных материалов этот недостаток не столь существенно сказывается на полезных характеристиках автомобиля.

Резюмируя, к основным положительным и отрицательным моментам использования газа как моторного топлива можно отнести:

Основные плюсы:

Низкая стоимость;

Повышенный уровень безопасности;

Сниженный уровень выбросов вредных веществ в атмосферу;

Увеличение срока службы масла;

Продление сроков изнашивания двигателя;

Снижение теплотворной способности газовоздушной смеси.

Основные минусы:

Возможное возникновение неровности работы двигателя;

Усложнение пуска холодного двигателя в мороз;

Ухудшение динамических характеристик автомобиля;

Увеличение массы машины и снижение ее грузоподъемности;

Увеличение трудоемкости технического обслуживания и ремонта двигателя.

Но главный минус, который называют чиновники и производители машин особенно в России, - неразвитость сети заправок. По сути, этот рынок в России до сих пор не сформирован. Обычных АЗС по стране - около 22 000. То есть АГНКС в 160 раз меньше, и они распределены по стране очень неравномерно. Мировой же рынок компримированного природного газа характеризуется значительным ростом потребления и опережающим развитием инфраструктуры. Потребление компримированного природного газа в мире в 2005-2009 годах выросло на 42%, а количество АГНКС увеличилось более чем на 85%7. Для этого государства проводят ряд мер по развитию сетей АГНКС.

Меры стимулирования развития сетей АГНКС

Иран и страны Евросоюза	Освобождение импортного газозаправочного и газоиспользующего оборудования для природного газа от ввозных таможенных пошлин.
	Запрет на строительство АЗС без блока заправки машин компримированным природным газом.
	Выделение грантов и дотаций на строительство АГНКС.
	Освобождение на определенный период от уплаты налога на землю при строительстве АГНКС. Снижение налога на имущество при строительстве АГНКС.
	Сокращение базы для исчисления налога на имущество на определенный процент от стоимости АГНКС и газобаллонных автомобилей на компримированном природном газе.

Если розничную торговлю СУГ в России развивают крупные игроки вроде «Газэнергосети», «ЛУКОЙЛа» и «ТНК-ВР» и множество мелких компаний, то направление КПГ практически на 90% занимает «Газпром», которому принадлежит более 200 АГНКС.

Дефицит в России газозаправочных станций и пунктов сервисного обслуживания газобаллонных автомобилей (238 станций и 74 пункта на всю страну) сдерживает желание владельцев транспортных средств переходить на альтернативное топливо. Парк транспортных средств, работающих на ГМТ в зоне доступности действующих автомобильных газонаполнительных компрессорных станций, существенно ниже оптимального (в мировой практике на одну АГНКС приходится 500 единиц транспортной техники). Кроме того, сдерживающим фактором является отсутствие государственных программ, стимулирующих развитие газомоторного бизнеса предоставлением дотаций при покупке газобаллонного оборудования, различных налоговых льгот как в секторе АГНКС, так и для потребителей моторного топлива.

Наряду с этим существуют определенные сложности, возникающие при сооружении газозаправочных станций в условиях городской застройки, связанные с длительностью сроков выделения и оформления земельных участков под строительство, а также с рядом положений Норм пожарной безопасности (НПБ III-98), непосредственно касающихся АГНКС и их отдельных систем. Несмотря на критику НПБ III-98 со стороны заинтересованных организаций, они являются базовым документом для органов пожарной охраны, согласующих проектную документацию на объекты производства ГМТ.

Вышеизложенное, по существу, является тормозом на пути развития газозаправочной сети в России. В результате Россия, занимавшая в 1986-1990 гг. по объему производства и реализации КПГ первое место в мире (более 1,2 млрд. м(3) в год), оказалась позади развитых и даже некоторых развивающихся стран.

В России требования к газозаправочным станциям в отдельный нормативный документ не выделены. При проектировании и строительстве объектов газомоторного бизнеса учитывается довольно значительное число государственных стандартов, строительных норм и правил, экологических норм, норм пожарной безопасности и других документов. Это подчеркивает необходимость разработки норм проектирования газозаправочных станций, в том числе в составе многотопливных. На предприятиях ОАО «Газпром» действуют Правила технической эксплуатации АГНКС, введенные в действие в 2003 г. Качество КПГ, отпускаемого потребителю, регламентируется Государственным стандартом, действующим с 2000 г., который устанавливает такие важнейшие показатели, как объемная теплота сгорания, влагосодержание, содержание серы и механических примесей, давление заправки. Проводится работа по приведению Государственного стандарта в соответствие с Европейским стандартом ISO на газомоторное топливо, что в перспективе должно обеспечить возможность беспрепятственного перемещения газовых автомобилей (NGV) на всем пространстве Евразии. В данное время ведется разработка Государственного стандарта на качество сжиженного природного газа взамен Технических условий 1987 г.

Требования к газотопливному оборудованию на транспортных средствах достаточно четко изложены в соответствующих Правилах ЕЭК ООН (Европейской экономической комиссии Организации Объединенных Наций). В Техническом регламенте «О безопасности колесных транспортных средств» предусмотрено соблюдение требований Правил ЕЭК ООН в России.

Однако, несмотря на многочисленные разговоры о выгодности приобретения так называемых зеленых автомобилей, к которым можно отнести машины, работающие, в том числе и на газу, по данным консалтинговой компании Frost&Sullivan, на данный момент такие автомобили приобретают только 13% потребителей. Однако к 2015 г. Эксперты прогнозируют увеличение этой доли до 30%. Так, общий парк автотранспортных средств через четыре года должен составить 80 млн. и из них 53 - 55% будут приходиться на газовые машины8.

По данным компании Frost&Sullivan.

Популярность сжатого природного газа и пропан-бутана географией его распространения. Так, традиционно сильные рынки Индии, Ирана и Пакистана имеют значительные объемы продаж оборудования и, как ожидается, станут 3л1074 ведущими странами по показателю количества автомобилей, работающих на сжатом природном газе метане и пропан-бутане. В латиноамериканских странах по-прежнему популярнее сжатый природный газ метан. Пропан-бутан удерживает доминирующие позиции в России и Евросоюзе.

Количество газобаллонных автомобилей в 2010 году

	Газобаллонные автомобили (ГБА) .ед.
Пакистан
Аргентина
Бразилия
Колумбия
Бангладеш

По прогнозу экспертов Frost&Sullivan, в ближайшем будущем эти виды топлива станут еще популярнее: ожидается четырехкратный рост продаж таких машин к 2015 г.

Общий объем продаж машин на пропан-бутане и сжатом природном газе в

2009 - 2015 гг., тыс. ед.

По данным компании Frost&Sullivan

Готовность российской промышленности к реализации проекта по увеличению уровня потребления природного газа в качестве моторного топлива пока оценивается противоречиво. Наличие газотранспортных систем и газораспределительных станций в России соседствует с крайне ограниченным арсеналом нового газобаллонного оборудования, самих баллонов и новых автомобильных газовых накопительных компрессорных станций.

Во всем мире развитие газомоторного направления обеспечивает государство при поддержке крупных нефтегазовых компаний - выпускается свыше 85 моделей автомобилей, способных работать на природном газе. Например, в Пакистане организован выпуск метановых легковушек, автобусов и моторикш. Но в России выбор ограничен:

серийно производятся только грузовики «Камаз» и автобусы «Нефаз» («дочка» «Камаза»), а также «ЛиАЗ», «ПАЗ» и «КАвЗ» (группа «Русские машины»).

По данным НП «Национальная газомоторная ассоциация», из 40 млн. автомобилей, эксплуатирующихся в России в 2010 г. (из них 80,8% приходится на легковые машины, 16,5% - на грузовики, включая спецтехнику и 2,7% - на автобусы), объем парка газобаллонных автомобилей, работающих на сжатом природном газе, составляет около 100 тыс. транспортных средств (из них 26,1% - легковые, 50,5% - грузовики, 23,3% - автобусы). Таким образом, почти три четверти газовых машин приходится на грузовики, автобусы и спецтехнику.

Структура парка машин на сжатом природном газе выглядит следующим образом: на автобусы и грузовики категорий M1 и N1 (транспортные средства, используемые для перевозки пассажиров и имеющие, помимо места водителя, не более восьми мест для сидения, а также транспортные средства, предназначенные для перевозки грузов, имеющие максимальную массу не более 3,5 т) приходится 49,5%, легковые категории М1 - 23,3%, спецтехнику - 13,4%, грузовики категорий N2 и N3 (транспортные средства, предназначенные для перевозки грузов, имеющие максимальную массу свыше 3,5 т, но не более 12 т, и транспортные средства, предназначенные для перевозки грузов, имеющие максимальную массу более 12 т) - 12,4%, автобусы категорий М2 и М3 (транспортные средства, используемые для перевозки пассажиров, имеющие, помимо места водителя, более восьми мест для сидения, максимальная масса которых не превышает 5 т, и транспортные средства, используемые для перевозки пассажиров, имеющие, помимо места водителя, более восьми мест для сидения, максимальная масса которых превышает 5 т) - 1,4%, тракторы - 0,05%.

Согласно оптимистичному прогнозу НП «Национальная газомоторная ассоциация», общая динамика развития парка машин к 2020 г. составит 58,5 млн. единиц, к 2030 г. - 85,4, по пессимистичному - в 2020 г. - 38,6 млн., к 2030 г. - 51,3. При этом прогноз потребления моторного топлива в России выглядит следующим образом: доля газовых видов моторного топлива в общем балансе к 2030 г. составит по 3% по сжатому природному газу и по сжиженному нефтяному газу. По результатам 2010 года уровень потребления компримированного природного газа составил 4 млн. т., к 2020 г. Должен достигнуть 20 млн. т., в 2030-м - 51 млн. т. Уровень использования сжиженного углеводородного газа в 2010 г. составил 15 млн. т, к 2020 г. достигнет 30 млн., в 2030 г. - 67 млн. т.

Производственная программа по основным компонентам (по сжатому

природному газу)

Периоды проекта Показатели	2011 -2015	2016 - 2020	2021 - 2025	2026 - 2030	Всего
Потребление сжатого природного газа, млн. м?
Новые ГБА, тыс.
Новые баллоны (экв.50 л), тыс.
Новые АГНКС

По данным НП «Национальная газомоторная ассоциация»

Железнодорожный транспорт является одним из крупнейших потребителей моторного топлива. Доля потребления дизельного топлива РЖД составляет 9,1% от общего потребления в стране (3,2 млн. тонн). Сейчас перед РЖД поставлена задача к 2030 году заместить природным газом 30% расходуемого автономными локомотивами дизельного топлива9. Для ее решения потребуется более 1 млн. тонн природного газа в год. Зато выгода будет ощутимой. К примеру, показатели вредных выбросов, зарегистрированные при испытаниях и эксплуатации газотурбовозов, разработанных совместно с «Газпром ВНИИГАЗ», оказались в пять раз ниже охранных требований Евросоюза, выдвигаемых к 2012 году, а внешний шум не превышал санитарных норм Российской Федерации.

Сегодня на Московской и Свердловской железных дорогах в опытной эксплуатации находятся два маневровых газотепловоза ТЭМ18Г. Кроме того, на Экспериментальном кольце Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) в подмосковной Щербинке велись испытания газотепловоза ЧМЭЗГ, которые показали, что оптимальная доля замещения дизельного топлива природным газом составляет от 35 до 50% в зависимости от рода маневровых работ. При этом отмечается снижение выбросов токсичных продуктов сгорания примерно в 1,5 - 2 раза10. Уже подготовлена программа модернизации газотепловозов, что должно повысить их надежность и эффективность, а также увеличить долю замещения дизтоплива до 60%.

Еще в декабре 2006 г. ОАО «РЖД» и Самарский научно-технический комплекс имени Н.Д. Кузнецова подписали соглашение о совместном создании нового типа газовых локомотивов - газотурбовоза. К тому времени специалисты института уже разработали газотурбинный двигатель НК-361 и силовой блок тяговой секции. Проект самого газотурбовоза был предложен учеными Всероссийского научно-исследовательского и конструкторско-технологического института подвижного состава (ВНИКТИ), а опытный образец собрали на Воронежском локомотиворемонтном заводе. В одной из секций локомотива размещена емкость для топлива на 17 т. Одной заправки хватает на 750 км хода. В июне 2009 г. ОАО «РЖД» получило диплом «Книги рекордов России» за разработку этого самого мощного (8300 кВт) магистрального газотурбовоза. В январе 2010 года он впервые в мире провел грузовой состав весом 15 тыс. т (159 вагонов). Ни один современный локомотив не способен на такие рекорды.

Подобный переход на природный газ в качестве моторного топлива для тепловозов осуществляется также в США, Канаде, Германии и Австрии. В частности, в Австрии построен магистральный грузовой газотепловоз GE 3000 мощностью 2200 кВт.

Газомоторное топливо проникает и в авиацию. Так, принадлежащий авиакомпании Qatar Airways (Катар) Airbus A-340-600 с двигателями Rolls-Royce совершил пассажирский перелет по маршруту Лондон - Доха. Воздушное судно заправили топливом производства компании Shell, которое состоит из авиационного керосина и жидкого газа в соотношении один к одному. Кроме того, вице-премьер Катара Абдалла бен Хамад аль-Атыйя присутствовал при запуске экспериментального производства газового керосина по технологии Gas to Liquids (GTL). По предварительным данным, с переходом на газовый керосин авиакомпании мира смогут сэкономить 4 млрд. долларов в год.

Примечательно, что первый отечественный вертолет, способный работать на газе (газолет), был создан и испытан еще в 1987 г. Это была модифицированная серийная машина семейства Ми-8 с двигателем завода им. В.Я. Климова. Вертолет этот выпускается и по сей день. Кроме того, исследования показали, что на газовом топливе могут функционировать практически все летательные аппараты с газотурбинными двигателями (все вертолеты семейства Ми-8, включая Ми-38, и самолеты региональной авиации - Ил-114, Як-40, Ту-136 и т.п.). Но пока существует лишь один экземпляр газолета - Ми8ГТ, - показанный на Международном авиакосмическом салоне еще в 1995г.

Поэтому, чтобы российский рынок развивался, нужна господдержка машиностроителям и покупателям техники. В настоящее время по всему миру уже действуют различные госпрограммы. Энергетическая комиссия ООН 12 декабря 2001 г. приняла резолюцию, предусматривающую к 2020 г. перевод 23% автомобильного парка стран Европы на альтернативные виды моторного топлива, в том числе 10% (23,5 млн. единиц) - на природный газ, 8% (18,8 млн.) - на биогаз и 5% (11,7 млн.) - на водород. В США на стимулирование газомоторного направления выделяется 15 млрд. долларов в год.

В том числе 2,5 млрд. - на программы развития и демонстрацию достижений; 300 млн. - федеральному правительству на приобретение газомоторных автомобилей для служебных нужд; 300 млн. - на замену дизельных школьных автобусов на экологически чистые машины нагазомоторном и ином альтернативном топливе; 300 млн. - на гранты для Пилотных проектов в рамках программы «Чистый город»; 8,4 млрд. - на закупки новых муниципальных автобусов и 3,2 млрд. - на гранты в сфере энергосбережения11.

Меры стимулирования перевода автотранспорта на газомоторное топливо

Австралия, Великобритания, Канада, Малайзия, Япония	Выделение грантов и дотаций на приобретение автомобилей, работающих на природном газе, газобаллонного оборудования.
Великобритания, Италия, Чили, Китай	Нераспространение на автомобили, работающие на газе, запрета на въезд в природоохранные зоны.
	Ограничения на использование углеводородных видов моторного топлива, за исключением муниципальных автобусов и мусороуборочных автомобилей.
Франция, Италия, Иран	Предоставление предприятиям, использующим компримированный природный газ, преимущественного права на получение муниципального заказа.
	Обязательное приобретение бюджетными организациями газобаллонных автомобилей при обновлении автотранспортного парка.
	Действует нулевой налог для автотранспорта, работающего на метане. До 2013 г. государство выделяет субсидии на закупку «газовых» автобусов.

Если за рубежом развитию рынка метанового топлива способствуют вышеуказанные меры госстимулирования, то в России это не так. Единственной такой мерой было Постановление Правительства № 31 «О неотложных мерах по расширению замещения моторных топлив природным газом» от 1993 года. В частности, оно устанавливало на период действия регулируемых цен на природный газ предельную отпускную цену на КПГ в размере, не превышающем 50% цены бензина А-76, включая НДС.

Кроме того, в странах Европы и США нормативная документация по применению природного газа входит в пакет национальных стандартов. А в России всего этого тоже нет. Более того, в РФ пока не создано даже нормативное обеспечение, регламентирующее применение метана как моторного топлива. Отсюда и казусы, когда перевозящие сжатый метан компании вынуждены рисовать на газовозах надпись «пропан-бутан», чтобы избежать разбирательств с ГИБДД, сотрудники которого знают о регламентах по перевозке СУГ, но перевозку безрегламентного КПГ воспринимают почти как перевозку динамита.

В конце 2010 года российский премьер-министр Владимир Путин провел совещание, посвященное развитию газовой отрасли на период до 2030 г., по итогам которого были выработаны следующие меры стимулирования к переходу на газовые автомобили:

Появление ФЗ «Об использовании газовых видов моторного топлива»;

Комплексная оценка спроса на газомоторную технику до 2030 г.;

Формирование национального координационного органа;

Мониторинг выполнения ФЗ № 261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» и распоряжений Правительства РФ от 17 ноября2008 г. №№ 1662-р и 1663-р;

Подготовка ФЦП «Альтернативное топливо для транспорта и сельскохозяйственной техники на 2012 - 2020 гг.» и ФЦП «Белой олимпиаде - голубое топливо»;

Долгосрочный государственный заказ на закупку газобаллонных автомобилей для бюджетной сферы.

1 Газовая промышленность, 2011, №3

Сжатый природный газ

Сжатые горючие газы как моторные топлива на автомобильном транспорте стали применяться в нашей стране ещё в 30-е годы прошлого века. Сначала использовали сжатые коксовый и светильный газы, на которых эксплуатировались автомобили ГАЗ-4А и ЗИС-30 с запасом хода на одной заправке до 120 км .

После войны открытие и освоение крупных месторождений природного газа, а также строительство ряда магистральных трубопроводов позволили расширить использование газообразного топлива на автомобильном транспорте. Но в дальнейшем в связи с резким ростом добычи нефти и строительства крупных нефтеперерабатывающих заводов использование сжатого природного газа сократилось и многие газонаполнительные станции были законсервированы.

На заводах ГАЗ, ЗИЛ, ЛАЗ разработаны конструкции газобаллонных автомобилей ЗИЛ-138А, ЗИЛ-53-27, ЛАЗ-695Н и др. Запас сжатого газа находится на этих автомобилях в баллонах из углеродистой стали массой 93 кг, вместимостью 50 л, под давлением 20 МПа. В полностью заполненном баллоне содержится около 10 м 3 газа, что эквивалентно примерно 10 л бензина. Характеристики ГБА на СПГ приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Характеристика основных моделей газобалонных автомобилей,

работающих на сжатом природном газе

Показатель	ЗИЛ-138А	ГАЗ-52-27	ГАЗ-52-28	ГАЗ 53-27	КамАЗ-53208	КамАЗ-55118	ЛАЗ-695НГ	ГАЗ-24-27
Тип автомобиля	Гру-зовой	Борто-вой	Грузо-вой, фургон	Гру- зовой	Борто-вой	Само-свал	Авто-бус	Такси
Грузоподъём-ность, кг							–	–
Число газовых баллонов, шт.
Ёмкость заправки газом, м 3
Степень сжатия двигателя	6,5	7,0	7,0	6,7	17,0	17,0	8,0	8,2
Максимальн. мощность двигателя, кВт	88,5							56,6
Контроль-ный расход газа, м 3 /100 км	29,3	19,6	21,5	23,8	(ДТ-6,5)	(ДТ-7,0)		7,2
Резервное топливо	А-76	А-76	А-76	А-76	–	–	АИ-93	АИ-93
Максималь-ная скорость, км/ч
Запас хода, км

Были разработаны опытные образцы и легковых автомобилей, например на базе «Москвича». Баллон изготавливался из низколегированной стали, общей массой 63 кг при толщине стенок 6 мм .

Очевидно, что целесообразно изготовление баллонов из лёгких и прочных полимерных материалов.

По сравнению с СНГ сжатый природный газ при использовании в ГБА имеет преимущества:

– разведанных и освоенных запасов природного газа гораздо больше. Уже сейчас можно перевести на СПГ весь автомобильный парк страны ;

– отработавшие газы содержат значительно меньше вредных веществ;

– сжатый газ при налаженном производстве дешевле сжиженного;

– СПГ легче воздуха, поэтому при утечках не образуются взрывоопасные конструкции, как у СНГ.

Вместе с тем сжатый природный газ имеет и ряд недостатков, сдержи-вающих его широкое применение:

– хранить СПГ приходится в сжатом виде, так как в сжиженное состояние он переходит трудно – при температуре минус 82 °С и давлении не ниже 4,5 МПа;

– большая масса баллонов значительно снижает грузоподъёмность автомобиля;

– небольшой запас хода (табл. 4.3);

– сложность заправочного оборудования газонаполнительных станций.

Природные месторождения содержат 82–98% метана, до 6% этана и 4–20% пропана.

Природный сжатый газ получают из горючего природного газа, транспортируемого по магистральным газопроводам или городским газовым сетям, удалением примесей, осушкой и последующем компрессированием по технологии, не допускающей изменения компонентного состава. Предназначенный для заправки ГБА сжатый природный газ должен отвечать требованиям ГОСТ 27577-87 «Газ природный топливный сжатый для газобаллонных автомобилей». Физико-химические показатели СПГ для ГБА приведены в табл. 4.4.

Таблица 4.4

Физико-химические показатели сжатого природного газа

по ГОСТ 27577-87

Окончание табл. 4.4

Примечание . Значения показателей установлены при температуре 20 °С и давлении 0,1013 МПа (1 атм).

Особое внимание при компрессировании сжатого газа уделяют его предварительной осушке. Максимальное содержание воды в одном кубическом метре газа допускается не более 9 мг. Это обусловлено тем, что в редукторе высокого давления происходит резкое снижение давления газа. При избыточном содержании воды происходит её кристаллизация. Кроме того, перед снижением давления газ нагревают в подогревателе за счёт тепла отработавших газов. Температура после снижения давления остаётся в допустимых пределах.

У газодизельных двигателей температура в конце такта сжатия (500…780 °С) недостаточна для самовоспламенения смеси газа и воздуха. Применение системы зажигания с установкой свечей зажигания в отверстия для форсунок технически сложно и значительно увеличивает время при переходе с одного вида топлива на другое. Поэтому на топливный насос высокого давления устанавливают ограничитель запальной дозы. Педаль подачи топлива изменяет подачу только газа, а порция дизельного топлива постоянна и примерно равна объёму подачи на уровне 15–20% от максимальной.

Большое внимание уделяется применению газового топлива в сельском хозяйстве. Кировским сельхозинститутом разработан и успешно прошёл испытания трактор «Универсал – 445». Двигатель его работает на сжатом газе. Трактор предназначен для эксплуатации в помещениях с ограниченным воздухообменом (теплицах, складах). Сжатый газ хранится в 4-х баллонах вместимостью 50 л, размещённых по бокам моторного отсека. Запуск газодизеля производится на дизельном топливе, а затем включается подача сжатого газа и работа трактора осуществляется путём регулирования подачи газа. Доза запального дизельного топлива постоянная и составляет 1,6 кг/ч. Расход газа при номинальном режиме не превышает 53 м 3 /ч. При этом мощность, развиваемая дизелем, равна 33 кВт при частоте вращения коленчатого вала 2400 мин -1 . Трактор надёжно работает на всех режимах, обеспечивая экономию дизельного топлива при снижении содержания в выхлопных газах сажи в 4–5 раз.

Этим же институтом также переоборудовано на использование СПГ в качестве топлива самоходное шасси Т-16 МГ, где, как и на тракторе, замещается газом до 80% дизельного топлива. Характерным является то, что перевод на СПГ тракторов и самоходных тележек не требует дорогостоящего оборудования и может производиться в условиях специализированных мастерских .

За рубежом применению СПГ в качестве топлива уделяется большое внимание. Это обусловлено в первую очередь в зависимости от соотношения цен на жидкое и газовое топливо, а также с учётом требования максимального использования собственных ресурсов топлива и сведения к минимуму зависимости от конъюнктуры рынка.

Ведущее место в этой области занимает Италия. Стоимость газобаллон-ного оборудования в Италии в 2 раза ниже, чем, например, в США. Это связано с более широким применением этого оборудования. По своему составу парк газобаллонных автомобилей Италии, работающих на СПГ, состоит из легковых автомобилей индивидуального пользования. Грузовые автомобили имеют дизельные двигатели.

В США фирма Ford разработала специальную модель автомобиля для работы на природном газе. Ведутся работы по применению газобаллонных установок среднего давления (2 МПа) с использованием твёрдого адсорбента. В настоящее время созданы опытные адсорбенты и баллоны, которые при давлении 2 МПа содержат запас газа, эквивалентный запасу в баллонах с давлением 15 МПа, т. е. обеспечивают коэффициент заполнения равный 7,5.

Растёт парк автомобилей, работающих на СПГ и в Канаде. Для газобаллонных автомобилей в Канаде принято рабочее давление газа, равное 21 МПа. Стальные баллоны проходят освидетельствование (гидравлические испытания) один раз в три года. Не разрешается установка баллонов на крышах транспортных средств.

Аналогичное направление развития ГБА осуществляется и в других странах.

Итальянская фирма Landi Renzo выпускает газовую аппаратуру для работы на СПГ (метане) и сжиженном углеводородном газе (СНГ). Конструктивно оба типа аппаратуры работают по универсальной схеме, т. е. обеспечивают полноценную работу автомобиля на газе и бензине. Характерным для этой фирмы является широкое использование электромагнит-ных клапанов и приводов с электрической коммутацией. Фирма считает нецелесообразным выпускать универсальные редукторы для работы на сжатом и сжиженном газах и выпускает два типа редукторов. Уделяет внимание фирма и совершенствованию топливной аппаратуры для газодизелей.

Наряду с продукцией Landi Renzo широкой популярностью пользуется газобаллонная аппаратура питания бензиновых двигателей фирмы Tartarini. Широкое использование электроники обеспечивает выпуск высококачествен-ной газосмесительной аппаратуры.

Одной из ведущих фирм, производящих газовые баллоны, является и фирма Faber.