Существующие мировые проблемы, такие как загрязнение окружающей среды, парниковый эффект и истощение природных запасов нефти, заставляют задуматься о переходе на новые, экологически чистые и распространенные на планете, виды топлива.
Применение сжиженного природного газа (СПГ) могло бы решить вышеизложенные проблемы, так как СПГ имеет значительные преимущества перед нефтяными видами топлива:
− экономия средств на приобретение топлива, поскольку цена эквивалентного количества газ значительно до (50 %) ниже цены нефтяных видов топлива;
− снижение вредных выбросов в атмосферу с отработавшими газами, так как при работе на природном газе их токсичность значительно ниже, а дымность (сажа) ниже на порядок [1];
− обеспечение устойчивого топливоснабжения транспортных энергетических установок в перспективе с учетом динамики изменения добычи нефти и газа, их сравнительных запасов и прогнозов истощения месторождения [2].
Однако сжиженный природный газ имеет ряд недостатков:
− плотность сжиженного природного газа ниже, чем у нефтяных топлив. Вследствие малой плотности сжиженного природного газа 0,42 кг/м^3 объем топливных баков следует увеличить на 60 % в сравнении с объемом баков для дизельного топлива или бензина, плотность которого 0,86 кг/м^3;
− потери сжиженного природного газа при хранении. Для сжиженного природного газа баки должны быть эффективно теплоизолированы, для обеспечения работы в широком диапазоне температур. Масса таких теплоизолированных баков увеличится на 75–80 %. При изготовлении емкостей и трубопроводов для хранения и транспортирования сжиженного природного газа нужно учитывать специфику эксплуатации сильно охлажденного взрывоопасного продукта. Вся аппаратура должна быть работоспособной при температуре до -162°С. Необходимо снизить потери сжиженного газа через дренажную систему, которые могут составить 10–12 % в сутки [3];
− проблема захолаживания газового оборудования. Захолаживание оборудования (в процессе первого запуска, после ремонта, аварийного разогрева и т. п.) является нестационарным процессом и требует соблюдения следующих предосторожностей: для оборудования, имеющего небольшую массу, и для трубопроводов внутренним диаметром менее 600 мм захолаживание производится прямым способом, и темп их заполнения СПГ лимитируется только общими соображениями. Для массивного оборудования захолаживание должно быть постепенным, рекомендуется градиент температуры порядка 3–5°С в час для резервуаров и больших емкостей, а также для трубопроводов больших диаметров. Равномерное захолаживание реализуется с помощью пульверизаторов, распределяющих сжиженный природный газ — охладитель перед собственно наполнением системы СПГ.
Наиболее значимым недостатком СПГ являются значительные потери при хранении и низкая плотность, что приводит к необходимости иметь большой объем хранилища. Значительная часть потерь топлива связана с испарением вследствие теплопритока из окружающей среды и последующим сбросом газообразного продукта в атмосферу, что небезопасно и экономически нецелесообразно. Оснащение транспортного средства холодильной установкой для сжижения образовавшихся паров требует дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат. Одним из способов уменьшения размеров криоемкостей, сокращения потерь вследствие испарения и увеличения времени бездренажного хранения СПГ является предварительное охлаждение и перевод СПГ в переохлажденное состояние.
Переохлажденный сжиженный природный газ представляет собой текучею смесь твердой, жидкой и газообразной фаз находящихся в равновесии. Смесь твердой и жидкой фаз с объемной долей твердой фазы до 50 % сохраняет текучесть насосом. При таком содержании твердой фазы переохлажденный сжиженный природный газ имеет плотность 483,93 кг/
, давление насыщенных паров 0, 01172 МПа и температуру 90,68 К, тогда как плотность СПГ при тех же условиях составляет 450,45 кг/
[4].
Для получения переохлажденного сжиженного природного газа используют различные системы и способы переохлаждения: барботирование, дросселирование, откачка, адиабатное расширение. При адиабатном расширении частицы переохлажденного сжиженного природного газа получаются мелкодисперсными, не требующей дополнительной обработки для подачи его криогенным насосом.
В таком состоянии переохлажденный сжиженный природный газ может храниться до 50 суток с давлением ниже атмосферного в ёмкости с пенополиуретановой изоляцией. Таким образом, применение переохлажденного сжиженного природного газа позволяет существенно увеличить время бездренажного хранения и сократить непроизводительные потери.
Целесообразность применения переохлажденного сжиженного природного газа может оцениваться с различных позиций. Повышение плотности дает возможность снизить транспортные расходы за счет более выгодного по сравнению с транспортировкой жидкости соотношения масс продукта и резервуара. Более высокая плотность является большим достоинством переохлажденного сжиженного природного газа для транспортных средств, так как позволяет увеличить запас переохлажденного топлива на борту транспортного средства.
Из-за уменьшения испарения и сброса газа уменьшаются вредное воздействие на окружающую среду и, соответственно, штрафные санкции. Частичное отверждение позволяет увеличить время бездренажного хранения, сократить потери продукта при экипировке; одновременно увеличивается располагаемое время для погрузочно-разгрузочных операций. Увеличение времени хранения весьма актуально для стационарных хранилищ систем резервирования газа и транспортных хранилищ систем автономного и аварийного газоснабжения.
Для снижения затрат на производство переохлажденного сжиженного природного газа необходим рациональный выбор идеального термодинамического процесса переохлаждения и оборудования, для его реализации. Расходы на сырье и энергию существенно сокращаются, при получении переохлажденного сжиженного природного газа непосредственно на месте производства сжиженных газов, либо при использовании «даровых» источников энергии. В частности, для получения переохлажденного сжиженного природного газа таким источником может быть схема, использующая газ высокого давления в газопроводах, который обычно редуцируется на газораспределительных станциях.
В связи с вышеизложенным на кафедре «Локомотивы» Самарского государственного университета путей сообщения разработана система (рис.1) подготовки переохлажденного сжиженного природного газа для подачи в транспортную энергетическую установку.
Система работает следующим образом. Из внутреннего объема съемной емкости 2, заполненного переохлажденным сжиженным природным газом, топливо через дополнительно установленный первый криогенный насос для подачи переохлажденного сжиженного природного газа 7 поступает в сепаратор твёрдой фазы 10, после отделения жидкой фазы от твёрдой, твёрдая фаза через дополнительно установленный второй криогенный насос 8 возвращается во внутренний объем 2 съемной емкости 1, выход по газу через криогенный патрубок 11 поступает в сепаратор жидкой фазы 13. Из газификатора 12 жидкая фаза переохлажденного сжиженного природного газа поступает в сепаратор жидкой фазы 13, далее жидкий переохлажденный сжиженный природный газ через третий дополнительно установленный криогенный насос 9 поступает в межстенное пространство 2 съемной емкости 1, а переохлажденный сжиженный природный газ из сепаратора жидкой фазы 13 через подогреватель 14 поступает в топливную систему транспортной энергетической установки. На случай повышения давления в допустимых пределов съемная емкость 1 снабжена предохранительным клапаном 4. Электроуправляемый клапан 5 установлен на съемной емкости 1 переохлажденного сжиженного природного газа для технологических целей: продувки, заполнения и т. д.
Рис. 1. Система подготовки переохлажденного сжиженного природного газа для подачи в транспортную энергетическую установку: 1 — съемная емкость переохлажденного природного газа, 2 — внутренним объемом съемной емкости переохлажденного природного газа, 3 — межстенное пространство съемной емкости переохлажденного природного газа, 4 — предохранительный клапан, 5 — электроуправляемый клапан, 6 — горловина для пополнения съемной емкости переохлажденным природным газом, 7 — первый криогенный насос для подачи переохлажденного природного газа, 8 — второй криогенный насос переохлажденного природного газа, 9 — третий криогенный насос для подачи переохлажденного природного газа, 10 — сепаратор твёрдой фазы, 11 — криогенный патрубок, 12 — газификатор, 13 — сепаратор жидкой фазы, 14 — подогреватель
Предлагаемое решение позволит на 10 % сократить потери топлива, снизить выброс вредных веществ в атмосферу, а также позволит бездренажно хранить переохлажденный природный газ в баках с теплоизоляцией в течение всего срока между экипировками.
В заключение следует отметить, что применение переохлажденного сжиженного природного газа — это новое направление в технологии транспортировки, хранения и использования криогенных топлив. Переход на переохлажденный сжиженного природный газ позволит значительно сократить потери криогенных топлив при хранении и транспортировке, уменьшить вес транспортных емкостей. При этом давление в емкостях не будет существенно отличаться от атмосферного. Технологии получения переохлажденного сжиженного природного газа не требуют применения сложного нестандартного оборудования и удачно сочетаются с существующими технологиями.
Литература:
- Носырев Д. Я., Балакин А. Ю., Кабанов П. А. Перспективы и проблемы перевода тепловозов на сжиженный природный газ // Журнал «Вестник транспорта Поволжья». № 6. 2014. С. 34–39.
- Перспективы и проблемы применения альтернативных видов топлива в локомотивных энергетических установках [Текст]: монография / Д. Я. Носырев, А. Д. Росляков, А. В. Муратов; М-во трансп. РФ, ФАЖТ, СамГУПС. — Самара: СамГУПС, 2009. — 118 с.
- Носырев Д. Я. Экологическая безопасность тепловозных дизелей в эксплуатации: Учебное пособие. / Носырев Д. Я., Сковородников Е. И., Скачкова Е. А., Росляков А. Д. // Самара: СамГАПС, 2004. — 139 с.
- Носырев Д. Я., Кабанов П. А. Топливоподающая система газодизеля с внутренним смесеобразованием //Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов: Материалы второй всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Омск. 2014. С. 294–298.
- Носырев Д. Я., Кабанов П. А. Разработка топливной системы газотепловоза // Наука и образование транспорту: материалы VII Международной научно-практической конференции. Самара. 2014. С. 20–22.
- Носырев Д. Я., Кабанов П. А., Валиуллин Р. Г. Газодизель на сжиженном природном газе // Наука и образование транспорту: материалы VIII Международной научно-практической конференции. Самара. 2015. С. 23–26.
- Носырев Д. Я., Карышев Ю. Д., Кабанов П. А. Особенности создания топливных систем подачи сжиженного природного газа в энергетическую установку локомотива // Журнал «Вестник транспорта Поволжья». № 1. 2016. С. 83–87.
