Применение газобаллонного оборудования на АТС

Применение газобаллонного оборудования на АТС

Реферат

Применение газобаллонного оборудования на АТС

1. Углеводородные газы

По сравнению с водородом, рассматриваемым пока как перспективный вид газового моторного топлива (так как не разработаны промышленные способы его производства в достаточных для массового применения количествах), углеводородные газы - природный и нефтяной - являются наиболее приемлемыми для автотранспорта альтернативными видами топлив, которые могли бы покрыть все возрастающий дефицит жидкого моторного топлива.

Сжатый природный газ - это в основном метан (до 55% по объему) с дополняющими его углеводородами метанового ряда (этан, пропан, н-бутан, изобутан, пентан) и инертными компонентами (азот, углекислый газ, реже водород, оксид углерода, кислород). Общее содержание добавок к метану обычно не превышает 15%. Важными аргументами при рассмотрении природного газа как альтернативного моторного топлива являются его запасы и постоянно возрастающие объемы добычи.

Стандартизированная топливная оценка природного газа показывает, что он соответствует самому высококачественному бензину. Так, если наиболее массовые марки автомобильных бензинов, применяемых в России, А-76 и АИ-93 имеют октановое число соответственно 76 и 86 ед., то природный газ, транспортируемый по магистральным трубопроводам и содержащий некоторое количество более тяжелых, чем метан, углеводородов оценивается значением октанового числа в пределах 104 - 107 ед. Более высокие по сравнению с бензинами антидетонационные характеристики природного газа позволяют применять в двигателях более форсированные процессы. По данным, приведенным в [148], анализ многолетнего опыта эксплуатации стационарных газовых двигателей, созданных ВНИИГазом совместно с отечественными дизелестроительными заводами, убедительно свидетельствует о высокой эффективности газового топлива; КПД газовых двигателей достигает 38 - 40% в широком диапазоне режимов (у бензиновых - 30 - 35% на наиболее экономичных режимах). Моторесурс двигателя увеличивается в 1,5 раза, а срок смены масла - в 2 раза.

Низкую объемную концентрацию энергии природного газа при использовании его как моторного топлива удалось преодолеть сжатием газа до высоких давлений (20 МПа и выше).

Хранят сжатый природный газ в стальных баллонах. Так, при объеме баллонов 0,4 м и давлении сжатого природного газа в них 20 МПа запас хода грузового автомобиля ЗИЛ-138А (8 баллонов, емкостью по 50 л) по контрольному расходу топлива составляет 230 км (для бензина 550 км) [1]. В то же время установка 8 баллонов снижает грузоподъемность автомобиля.

Для заправки автомобильных баллонов сжатым природным газом в соответствии с ГОСТ 27577-87 «Газ природный топливный сжатый для газобаллонных автомобилей» предназначены две марки газа, имеющие различное содержание метана и азота. В составе газовых топлив ограничено содержание (г/м3, не более): сероводорода - 0,02, меркаптановой серы - 0,016, механических примесей - 0,001, влаги - 0,009, массовая доля сероводородной и меркаптановой серы не должна превышать 0,1%. Учитывая то, что природный газ по составу в разных месторождениях существенно различается, для соответствия техническим условиям он должен пройти очистку и соответствующую подготовку [16].

Сжиженный нефтяной газ - это в основном пропан-бутановая смесь (до 93%). Добывают нефтяной газ в основном как попутный на нефтяных месторождениях или получают при переработке нефти. При этом соотношение между основными компонентами газа пропаном и бутаном в обоих случаях колеблется в широких пределах. В качестве примесей могут быть другие углеводороды (изобутан, пропилен, бутилен). Присутствие инертных компонентов незначительно, так как в силу своих физических характеристик они отгоняются естественным путем. Различие соотношения основных компонентов нефтяного газа в попутном газе при добыче и переработке нефти, а также относительная простота разделения его на фракции создают условия для производства специального моторного топлива с контролируемым в определенных пределах составом, что является важным отличием нефтяного газа от природного [16, 149].

В соответствии с ГОСТ 27578-87 «Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта» определены две марки сжиженного нефтяного газа: пропан автомобильный (ПА) для зимних условий эксплуатации и пропан-бутан автомобильный (ПБА) - для летних. Нормируемые компоненты для ПА (массовая доля, %): пропан - 90 10; непредельные углеводороды не более - 6; соединения серы - 0,01, в том числе H2S - 0,003, жидкие осадки, вода - отсутствуют. Для топлива марки ПБА эти показатели соответственно: 5010; 6; 0,01; 0,003, отсутствие.

Перевод автомобильного двигателя на сжиженный газ улучшает его характеристики за счет повышения степени сжатия до 11 ед., так как основные компоненты обладают повышенными антидетонационными показателями. В соответствии с этим двигатели, работающие на сжиженном газе, могут иметь более высокий КПД, чем бензиновый аналог.

Как отмечено в [148], при использовании в качестве моторного топлива 1 л бензина или 1 л сжиженного нефтяного газа (в отличие от расчетного) практически получаются сопоставимые показатели пробега, хотя плотности топлив существенно различаются. Это связано с тем, что КПД двигателя, работающего на газовоздушной смеси, выше, чем на бензовоздушной, что и повышает длину пробега.

Сжижение газов производят в обычных температурных условиях при относительно низком давлении (1,035 МПа). Хранят и транспортируют их в цистернах или баллонах. На автомобилях сжиженные газы хранят в баллонах под давлением 1,7 МПа. Емкости заполняют не более чем на 90% полной вместимости, чтобы над жидкостью было пространство для скопления газов. Для заправки сжиженным газом используют стационарные и передвижные газонакопительные станции.

Испытания работы двигателей на сжиженном газе показывают, что по сравнению с использованием бензина в ОГ содержится в 2 - 4 раза меньше СО, в 1,4 - 1,8 раза - NOx. В то же время выбросы углеводородов, особенно при работе в низких скоростных режимах и малых нагрузках, увеличиваются в 1,2 - 1,5 раза [1].

В целом по мнению специалистов, использование сжиженного газового топлива в автомобильных двигателях перспективно, так как упрощается система питания, легко образуется горючая смесь, обеспечивается полное сгорание с незначительным избытком воздуха, отсутствует разжижение масла топливом, повышается экономичность за счет увеличения степени сжатия. Важное преимущество - снижение токсичности. Однако ресурсы сжиженного нефтяного газа ограничены, выполненные оценки не дают основания надеяться на покрытие дефицита за счет этого вида топлива; одновременно ресурсы и уровень добычи природного газа настолько велики, что позволяют рассматривать его в качестве альтернативного моторного топлива.

Внедрение газового топлива на автомобильном транспорте стимулируется не только стремлением разнообразить энергоносители в условиях все большего дефицита нефти, а также экологичностью данного вида топлива, что крайне важно в условиях ужесточения норм токсичных выбросов, но и отсутствием каких-либо серьезных технологических процессов подготовки данного вида топлива к использованию. По данным, на дорогах мира к 1990 г. уже находилось в эксплуатации 4 млн газобаллонных автомобилей. Распределение их по странам в то время приведено в табл. 4.1.

Во многих странах разработаны крупномасштабные национальные программы по внедрению газового топлива на автотранспорте. Анализ перспектив выполнения этих программ показывает, что одной из главных задач при этом является создание легких и прочных газовых баллонов из композитных материалов для оснастки автомобилей, применение которых может существенно повысить максимальное рабочее давление газа в баллонах и таким образом увеличить пробег авто - мобиля на одной заправке.

Так, если при давлении газа в баллоне 210 кгс/см пробег автомобиля составляет 320 км, то при давлении 350 кгс/см2 он возрастает до 435 км. Стоимость баллонов, однако, увеличится на 40%. В ФРГ, например, фирма «Маппеипапп» уже разработала баллоны для природного газа, используемого для двигателей грузовых автомобилей. Баллон изготовлен из стали с добавками хрома и молибдена и снаружи покрыт высокопрочной пластмассой. Вес баллона емкостью 165 л по сравнению с обычным стальным баллоном снижен на 50%.

По данным в Великобритании фирма «MAN» также проводит исследования по созданию легкого газового баллона из композитных материалов, а также модификации дизелей малотоннажных автомобилей и фургонов с целью перевода их на газ. При этом, несмотря на то, что дизель, переведенный на газ, теряет 20% КПД, необходимость устранения вредных выбросов ОГ для соответствия будущим жестким нормам выбросов ДД способствует выбору в пользу природного газового топлива.

В США также усиливается интерес к возможностям использования природного газа в качестве топлива для автомобилей. В 1988 г. была создана ассоциация по автомобилям, работающим на природном газе. Ассоциация объединяет 20 газовых компаний и 75 фирм, занимающихся производством автомобилей и сервисом, разрабатывает мероприятия по выполнению поправки к закону США, о чистом воздухе 1989 г., по которой в 24 городах США, где наиболее значительны разрушения озонового слоя, фирмы, имеющие более 10 автомобилей, должны пополнять парк автомобилями, работающими на альтернативных топливах. Доля таких автомобилей должна составить в 1998 г. 30%, 1999 - 50 и в 2000 г. - 70%. Планируется, что к 2002 г. в стране будет не менее 750 тыс. автомобилей, работающих на газовом топливе. Это обусловливает развитие разработок по переводу двигателей на природный газ. Так, фирма «Сшппш» разработала двигатель L-10, фирма «GM» - двигатель 6V92, фирма «Hercules Engine» - гамму двигателей объемом 3,7 л. В этом направлении работают также крупнейшие фирмы «Ford» и «General Motors». Наряду с разработками конструкций двигателей важное значение придается вопросам безопасности, созданию станций технического обслуживания и другим сопутствующим проблемам.

В нашей стране природный газ в качестве моторного топлива начали применять раньше, чем в других странах, в 1934-1936 гг. За прошедшие годы накоплен значительный опыт в области конструирования и эксплуатации газомобилей различного направления. Разработанные конструкции газомобилей базируются на бензиновых прототипах, дополнительно оборудуемых газобаллонной аппаратурой. Конструктивные элементы газобаллонной аппаратуры для сжатого природного и сжиженного нефтяного газов аналогичны. Точно также аналогичны смесительные устройства. Основными отличиями являются наличие баллонов, рассчитанных на давление 20,0 МПа, и увеличенное их число из-за низких показателей энергоемкости единицы хранения в таре (табл. 4.2).

И все-таки основная техническая концепция, реализуемая в конструктивных решениях газобалонных автомобилей, которые производят и разрабатывают в нашей стране и за рубежом, состоит в принципе двухтопливности: автомобиль должен быть готов работать на любом из двух видов топлива - газовом или жидком. Эта концепция позволяет всегда иметь аварийный резерв топлива для функционирования транспорта при аварийных или других бедственных ситуациях. Создание местных резервов газового топлива сложно и дорогостояще. В то же время, как отмечено в работе в качестве основного эксплуатационного топлива предпочтителен газ, цена которого в 2 - 4 раза ниже, чем бензина. Двухтопливность позволяет решить это противоречие: в обычных условиях используется газовое топливо, а для экстремальных обстоятельств создаются резервы жидкого топлива.

В связи с этим необходимо строительство и введение в эксплуатацию многотопливных заправочных комплексов, позволяющих удовлетворять любые требования потребителя, а также расширить их круг за счет включения в него сельскохозяйственной техники и дорожно-строительных машин.

2. Газообразные топлива для двигателей автомобильного транспорта

Перевод автомобильного транспорта на газообразное топливо (сжиженный пропан-бутановый, сжатый природный газы) решает следующие технико-экономические и экологические проблемы:

- ценные физико-химические свойства и низкая стоимость газов делают экономически целесообразным использование их в качестве моторного топлива;

-        увеличиться межремонтный срок службы двигателей в 1.3-1.5 раза;

         повысится срок службы картерного масла в 2-3 раза;

         повысится срок службы свечи;

         улучшаются условия работы обслуживающего персонала;

         имеется возможность использования холодильных свойств сжиженных газов;

         исключается возможность слива топлива из емкости автомобиля.

Основные физико-химические, теплофизические и термодинамические свойства газообразных и жидких топлив для двигателей внутреннего сгорания позволяют делать сравнительный анализ.

Ведущее место занимает применение альтернативных топлив в обеспечении экологической безопасности транспорта, включая автотранспортные средства.

Известно, что разработки, связанные с применением альтернативных моторных топлив (СНГ, СПГ, СжПГ, синтетические бензины, метанол, этанол, биогазы, водород и др.) ведутся во всех развитых странах. Все эти разработки в первую очередь неразрывно связаны с проблемой общей эффективности использования энергии первичных ископаемых источников энергии (нефть, газ, газовый конденсат, уголь, горючие сланцы) с учетом их доставки потребителю. Особенно следует подчеркнуть в этом случае и учет суммарных воздействий на всех стадиях технологии их применения

Наименьшими потерями энергии характеризуется доставка в газообразном состоянии по обычным газопроводом (Р≤7.5 МПа), газопроводом высокого давления (Р≥10 МПа), далее характеризуется доставка газов с помощью дирижаблей.

В этих случаях потери энергии составляют 5…12%, которые можно еще значительно снизить. Транспортировка газообразных топлив, связанная с фазовым превращением, например СжПГ, менее экономична (потери 18…45%). Однако использование в этих случаях паров СжПГ в качестве топлива для двигателей транспортируемого средства (судна) может значительно уменьшить потери энергии. Наибольшее количество первичной энергии теряется (~60%) при превращении газа в метанол или при производстве вблизи месторождения электроэнергии с последующей ее передачей по проводам примерно (~75%) до потребителя.

В этой связи СНГ, СПГ, СжПГ обеспечивают снижение финансовых затрат в среднем на 25..30% на выполнение транспортных работ.

3. Некоторые особенности работы газового двигателя

Анализ конструкций топливоподающей и других систем газовых двигателей производства ЗИЛ и ГАЗ и зарубежного производства (фирм Японии, Италии, Голландии, США) показывает, что они не полностью учитывают ряд факторов, влияющих на их работу.

В данной работе рассматривается влияние на работу газового двигателя компонентного состава сжиженного пропан-бутанового газа, температуры и давления окружающего воздуха при установившихся и неустановившихся режимах работы двигателя, как наиболее существенные из вышеуказанных факторов.

1.      Влияние некоторых параметров воздуха и топлива на эффективные показатели газового двигателя.

2.      Оптимизация работы систем питания и зажигания газового двигателя в зависимости от некоторых параметров воздуха и топлива.

.        Коррекция состава горючей смеси газового двигателя в зависимости от некоторых параметров воздуха и топлива и режимов работы двигателей.

.        Исследование работы автомобильного газового двигателя при повышенных температур воздуха и различных компонентных составах газа.

.        Исследование влияние температуры, давления и влажности наружного воздуха на параметры газа на выходе из редуктора (теоретическое и эксплуатационное).

.        Исследование влияние тех же параметров на наполнение двигателя и при неизменной регулировке проходных сечений для газа.

.        Определение факторов, влияющих на коэффициент избытка воздуха (при постоянной нагрузке).

.        Влияние t, p, j на величину оптимального угла опережения зажигания.

С начала 2010 года в республике введено в строй 25 автогазозаправочных станций. Из них, восемь - автогазонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) и 17 автогазозаправочных станций (АГЗС), сообщили в Узбекской государственной инспекции по контролю за использованием нефтепродуктов и газа при Кабинете Министров Республики Узбекистан.

По данным Узгоснефтегазинспекции, в целом по республике с февраля 2007 года по первый квартал 2010 года были введены в эксплуатацию 71 АГНКС и 359 АГЗС. Увеличение числа автогазозаправочных станций активизирует процесс увеличения автомобилей с «газовым» топливом в общей массе автопарка страны. Официальная статистика свидетельствует, с начала года в целом по стране было переоборудовано 2442 автомобиля для работы на сжиженном газе (1931 из которых принадлежат физическим лицам). За этот же период, для работы на сжатом газе было переоборудовано 6093 автомобиля (из этого количества - 5521 автомобиль принадлежит физическим лицам). Эксперты наглядно прослеживают очевидную тенденцию (по переоборудованию на газ) значительно большей активности именно частных автовладельцев. При этом газобаллонного оборудования для работы на сжатом природном газе устанавливается значительно больше, чем газобаллонного оборудования для работы на сжиженном углеводородном газе.

Согласно исследованиям Информационно-аналитической службы Узбекской республиканской товарно-сырьевой биржи (УзРТСБ), основной причиной роста популярности метана по сравнению со сжиженным газом, является экономическая подоплека. Стоимость кубометра метана в розничной продаже, в настоящий момент, ровно в три раза меньше литра сжиженного газа. Это преимущество в цене еще три года назад сводилось к минимуму из-за неразвитости заправочной инфраструктуры АГНКС. За это время, препятствие практически ликвидировано. Именно это, по мнению экспертов УзРТСБ, стало причиной водительского всплеска интереса к метану.

Эксперты уверены, что в республике уже сформировались фактически два полноценных рынка газомоторного топлива - сжиженного и сжатого газа. При этом оба рынка имеют свою постоянно прогрессирующую инфраструктуру и клиентскую базу.

Конвейер СП ЗАО General Motors Uzbekistan, также готовится к большим «газовым» переменам. Столь полюбившиеся автолюбителям асакинские «буханочки» уже в скором времени полностью перейдут на заправку сжиженным природным газом. Проект перевода микроавтобусов Damas на более дешевое топливо, включен в соответствии с решением правительства республики, в сводный перечень перспективных инвестиционных предложений, подлежащих проработке в 2010 году. Как сообщили в акционерной компании «Узавтосаноат», на данный момент уже началась разработка проектного технико-экономического обоснования проекта (ПТЭО).

По примерным подсчетам специалистов АК «Узавтосаноат», освоение производства модификации модели Damas, использующей в качестве топлива сжиженный природный газ (пропанбутановую смесь), полностью завершится уже к концу 2011 года. Именно столько времени потребуется заводу СП ЗАО GM Uzbekistan, на полный перевод конвейера Damas на новую технологию производства. Прогнозная стоимость этого проекта составляет по приблизительным подсчетам $5 млн. В компании уточнили, что сейчас прорабатывается вопрос выбора потенциального иностранного партнера для запуска проекта. Кроме того, определяется форма его финансирования.

Согласно предварительным данным, уже утвержденным правительством и включенным в сводный перечень перспективных инвестиционных предложений, проект окупится в течение первых двух лет после запуска конвейера. Запланировано производство модификации модели Damas, использующей в качестве топлива сжиженный природный газ, в объеме 25 тысяч автомобилей в год.

В феврале 2007 года в Узбекистане началась реализация широкомасштабной общегосударственной Программы по переводу части автомобильного парка с бензина на сжиженный углеводородный и сжатый природный газ. Основанием для этого послужило постановление Кабинета Министров «О мерах по развитию сети автомобильных газонаполнительных компрессорных и автомобильных газозаправочных станций и поэтапному переводу автотранспортных средств на сжиженный углеводородный и сжатый газ».

По данным НХК «Узбекнефтегаз», в соответствии с правительственной программой в течение шести лет с бензина на альтернативное топливо планируется перевести 198 тыс. единиц автотранспорта.

Наряду с очевидными преимуществами газовое топливо имеет недостатки: у газобаллонных грузовиков по сравнению с бензиновыми снаряженная масса повышается на 400 - 600 кг, соответственно снижается грузоподъемность, а запас хода сокращается почти вдвое. Кроме того, слабо развита сеть газонаполнительных и заправочных станций.

Применение электрической энергии на транспортных средствах позволяет улучшить их экологические показатели и способствует сохранению топливно-энергетических природных ресурсов. С этой целью ведутся разработки конструкций на базе существующих транспортных средств.

На морских судах применяют энергоустановки, работающие от нескольких дизель-генераторов и обеспечивающие электропривод главного судового винта. На разных режимах судового хода число включенных дизель-генераторов варьируется путем их подключения или отключения в зависимости от нагрузки, что уменьшает расход топлива.

В течение многих лет создаются и испытываются экспериментальные образцы и опытные партии электромобилей, однако не созданы конструкции для серийного производства. Основным препятствием на пути широкого внедрения электромобилей является несовершенство источника энергии - аккумуляторных батарей.

Переход к экологически безопасным ресурсосберегающим технологиям обусловлен ужесточением экологических требований к объектам транспортной инфраструктуры. На стационарных источниках в первую очередь предусматривается снижение вредных выбросов в атмосферу от котельных. С этой целью ведется внедрение мазутных и газомазутных топочных устройств котлов малой мощности, а также предполагается перевод на газ большинства топливосжигающих производств на транспорте. На ремонтных предприятиях транспорта при проведении сварочных, механических, окрасочных работ снизить выброс оксидов железа, марганца, никеля, фторидов позволяет применение рециркуляционных аппаратов. Широкое распространение должны получить газопылеулавливающие устройства с улучшенной технологией улавливания вредных примесей и очистки воздуха.

На железнодорожном транспорте стала применяться новая технология окраски подвижного состава и транспортных конструкций с использованием лакокрасочных материалов на водоэмульсионной основе. Она позволяет сократить количество выбросов в атмосферу в 3 раза при сохранении долговечности покрытий не менее 3-4 лет.

Литература

углеводородный газовый топливо двигатель

1. Е. Криницкий. Экологичность автотранспорта должен определять Федеральный закон. // Автомобильный транспорт, №9, 2000. - стр. 34-37.

. Гурьянов Д.И. Экологически чистый транспорт: направления развития. // Инженер, технолог, рабочий. №2, 2001. - стр. 12-14.

. С. Жуков. Природный газ - моторное топливо XXI века. // Промышленность сегодня, №2, 2007. - стр. 12.

. Кириллов Н.Г. А воз и ныне там - проблема экологизации автомобильного транспорта Санкт-Петербурга. // Промышленность Сегодня, №11, 2008. - стр. 13.

. Бензин, потеснись. // Фактор, №3, 2011. - стр40-41.