Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДИПЛОМ

Тепловозы на природном газе

Введение

Железнодорожный транспорт на тягу поездов расходует более 5 млн. тонн дизельного топлива, которое поставляется с постоянно возрастающим напряжением, вызванным увеличивающимся дефицитом нефтепродуктов. В Российской Федерации объем нефтедобычи в 1994 г. сократился по сравнению с 1989 г. более чем на 45%. Прогнозируется дальнейшее снижение объемов добычи и производства нефтепродуктов.

Значительное снижение расхода дизельного топлива может быть достигнуто только путем его замещения газомоторным топливом (до 70 - 80% на магистральных и до 50% на маневровых газодизельных локомотивах). Общее возможное замещение дизельного топлива на газомоторное на железных дорогах России может составить до 1,5 - 2,0 млн. т.

Развитие отечественного тепловозостроения, начиная с его становления, связано с применением газового топлива в качестве моторного. Уже в середине 1930-х гг. было организовано серийное производство мотовозов с газогенераторными установками для питания двигателей внутреннего сгорания. В 1950-х гг. были созданы и эксплуатировались 15 тепловозов серии ТЭ1 и один ТЭ4 мощностью 1400 кВт, работавших на газогенераторном газе.

В настоящее время использование природного газа в качестве моторного топлива на различных видах транспорта является составной частью энергетической стратегии России.

Создание и внедрение на сети железных дорог газотепловозов обеспечит снижение загрязнений окружающей среды, особенно при работе маневрового парка тепловозов в районе городов, а также замещение дефицитного дизельного топлива природным газом.

Энергетические и физические показатели газового (метанового) топлива, используемого в качестве моторного, обеспечивают ряд термодинамических и экологических преимуществ по сравнению с нефтяным.

По отечественным и зарубежным данным при эксплуатации двигателей на природном газе выбросы токсичных веществ уменьшаются по углеводородным составляющим и окислам азота в 1,5 - 2,0 раза. При переходе на газодизельный процесс значительно снижается дымность, повышается экономичность газодизельных двигателей (на 2-5%), увеличивается ресурс, межремонтный пробег и срок службы моторного масла (на 20-40%).

Однако для внедрения газа на железнодорожном транспорте параллельно решается ряд проблем. Для хранения на тепловозе достаточного запаса газового топлива необходимо дополнительно разместить газобаллонные или криогенные резервуары.

При газификации требуется реконструкция локомотивных депо и полигона эксплуатации, строительство станций сжижения и компримирования природного газа.

Все эти разработки включают принципиально новые для железно-дорожного транспорта технологии, нетрадиционные технические и научные решения.

В дипломном проекте приводится сравнение газовых моторных топлив с нефтяными топливами из которых вытекает целесообразность использования природного газа.

В связи с этим разработан проект газобаллонного тендера для магистрального локомотива с четырёхтактным дизелем, основанный на использовании облегчённых металлокомпозиционных баллонов.

В заключительном разделе проведена технико-экономическая оценка эффективности внедрения газотепловозов, рассчитан срок их окупаемости.

1. Применение природного газа на транспорте

1.1 Причины перехода на природный газ

газодизель топливо генератор магистральный

Современная жизнь невозможна без использования двигателей внутреннего сгорания. Человек использует такие двигатели в профессиональной деятельности и быту. К сожалению, они несут с собой не только благо. Выхлопы двигателей 700 млн. автомобилей, десятков тысяч судов, самолетов, тепловозов и всевозможных стационарных установок дают 40% глобального загрязнения атмосферы вредными веществами.

В России в 1998 году выбросы загрязняющих веществ в атмосферу всеми транспортными средствами составили 13,2 млн. тонн, в том числе железнодорожным транспортом около 871 тыс. т. [1]. По оценке экологов, основная масса (80%) вредных веществ выбрасывается автотранспортом. Более чем в 180 городах уровни загрязнения атмосферного воздуха (от всех источников) превышают предельно допустимые концентрации (ПДК). В последние годы максимальные разовые концентрации превышали 10 ПДК в 66 городах. В 89 городах уровень загрязнения воздуха характеризуется как высокий и очень высокий (табл. 1.1.). Количество некоторых вредных веществ в составе выбросов поддается регулировке и может быть сведено к минимуму за счет совершенствования конструкции двигателей, внедрения систем нейтрализации.

Таблица 1.1. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу в России в 1998 г., тыс. тонн

Вид транспорта	СО	CnHm	NOx	С	SO2	РЬ	Всего
Автомобильный	8175	1229	1580	46	215,1	3,1	11824,2
Внутренний водный	14	10	38	4	14	<1	80
Морской	13	9	33	3	34	<1	92
Воздушный	67	17	54	<1	14	<1	152
Железнодорожный	185	54	604	5	23	<1	871
Дорожные машины	147,1	23,8	58,5	2,2	6,9	0,03	238,5

В то же время угарный газ (CO) является неотъемлемой частью продуктов сгорания, и бороться с ним возможно только путем повышения качества моторного топлива.

Компоненты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания приводят к возникновению таких негативных явлений как смог, кислотные дожди, парниковый эффект. Отрицательное воздействие этих явлений на окружающую среду имеет различный географический размах: локальный - при возникновении смога; региональный (трансграничный) - при выпадении кислотных дождей; глобальный - в случае с парниковым эффектом.

В настоящее время более 40% добываемой нефти перерабатывают в моторные топлива. Около 50% моторных топлив расходуется на наземном, водном и воздушном транспорте, оборудованном двигателями внутреннего сгорания [1]. По существующим оценкам на перспективу ожидается дефицит жидкого нефтяного моторного топлива. Имеющиеся резервы повышения экономичности транспортных ДВС не могут перекрыть этот дефицит по следующим причинам:

- ожидаемое повышение эксплуатационной экономичности ДВС за счет их конструктивного совершенствования составит не более 20%, что уже недостаточно для покрытия дефицита;

- перевод значительной части автомобильного транспорта на дизельные ДВС при максимальном эффекте на один переводимый автомобиль 40% позволит уменьшить удельный расход жидкого топлива в автомобильном транспорте не более чем на 15-20%, что также не решает проблемы дефицита.

Дефицит жидкого нефтяного моторного топлива, а также высокое загрязнение воздуха продуктами его сгорания (см. табл. 1.1.) вызвали необходимость поиска альтернативных топлив. Единственным экономически оправданным альтернативным топливом в настоящее время признан природный газ, который можно применять в качестве моторного топлива без какой-либо переработки, кроме обязательной технологической стадии добычи и транспорта газа.

1.2 XXI век - эпоха природного газа

Ученые многих стран мира пришли к выводу о том, что эпоха нефти заканчивается. Наступает эпоха природного газа. Его доля в общемировом балансе потребления энергоносителей неуклонно возрастает (рис. 1.1.).

Рис. 1.1. Изменение долей различных видов энергоносителей в топливно-энергетическом балансе

Среди основных факторов, позволяющих говорить о природном газе как о топливе XXI века, следует указать следующие:

- доказанные мировые запасы природного газа существенно превышают запасы нефти;

- необходимость замещения нефти другими видами сырья для ее высвобождения в интересах тех отраслей хозяйства, где она не может быть заменена;

- более высокая степень экологической безопасности при добыче, транспортировке, переработке, реализации и использовании;

- более высокие потребительские качества при применении в качестве энергоносителя или сырья;

- более высокая ценовая стабильность и, соответственно, экономическая привлекательность для конечных потребителей.

Сегодня в России природный газ является основой топливно-энергетического баланса. На его долю приходится более 55% потребления энергоресурсов (рис. 1.2.).

Рис. 1.2. Структура топливно-энергетического баланса России в 1998 году

С точки зрения запасов и объемов добычи природного газа Россия продолжает оставаться крупнейшей мировой державой. Каждый четвертый кубометр

газа на мировом рынке добывается в России.

К тому же, с каждым годом наблюдается сокращение объемов добычи нефти, что видно из рис. 1.3.



Рис. 1.3. Динамика добычи нефти и газа в 1990-1999 гг.

Вместе с сокращением добычи нефти в России отмечается пропорциональное сокращение производства моторных топлив в нефтеперерабатывающей отрасли (рис. 1.4.). При этом сильно снижено производство не только мазута, дизельного топлива и бензина, но и сжиженного нефтяного газа.

Рис. 1.4. Динамика производства моторных топлив в 1990-1999 гг.

Применение газового топлива на транспорте эффективнее, чем жидкого нефтяного топлива. Экономический эффект от использования 1000 м ³ газа в качестве моторного топлива для автомобилей в пересчете на 1 млн. автомобилей соответствует высвобождению около 10 млн. т. бензина [1].

В качестве источников снабжения газовым моторным топливом можно использовать отдельные малые месторождения газа, не включенные в систему, а также месторождения, находящиеся на завершающей стадии эксплуатации, включая и такие, использование которых для добычи газа стало экономически нерациональным. Эти источники могут обеспечивать топливом транспортные средства почти на всей территории Среднего Поволжья и ряда других регионов.

Реализация перечисленных проектов и удовлетворение народнохозяйственной потребности в моторном топливе за счет природного газа позволят осуществить перелом в обеспечении транспорта топливом, снять ограничения на развитие народного хозяйства из-за нехватки бензина и дизельного топлива.

Таким образом, имеется комплекс факторов, определяющих широкие перспективы применения газового топлива в транспорте.

1.3 Свойства газомоторных топлив

В качестве моторного топлива можно применять практически любой горючий газ. Принято различать следующие виды газов, использующихся для питания двигателей внутреннего сгорания: природный газ, нефтяной газ, биогаз. Имеют некоторое распространение и другие виды горючих газов, например, коксовый, но для транспортных двигателей их не используют.

В начале 70-х годов внимание многих фирм и исследователей привлекло водородное топливо, которое рассматривается, как экологически чистое. Однако до настоящего времени этот вид газового топлива остается только в виде перспективного, поскольку не разработаны промышленные способы его производства в достаточных для массового применения количествах. Тем не менее водород следует рассматривать, как важный вид газового моторного топлива.

Состав природного газа существенно зависит от месторождения, где он добыт, но всегда основную его часть составляет метан, не менее 85% по объему. Именно по этому показателю газ и относят к природному, независимо от способов получения. Газ с таким содержанием метана можно добывать и на нефтяных месторождениях, однако его и в этом случае считают природным, а не нефтяным. Другими компонентами природного газа, как правило, оказываются легкие углеводороды метанового ряда: этан, пропан, нормальный бутан и изобутан, пентаны. Часто в природном газе встречаются инертные компоненты: азот, углекислый газ, реже содержатся водород, оксид углерода, кислород. Общее содержание добавок к метану не превышает 15%.

Нефтяной газ в основной массе добывают в качестве попутного на нефтяных месторождениях или получают при переработке нефти, также в виде технологического спутника. При этом основными составляющими нефтяного газа оказываются пропан и нормальный бутан. Причем примеси изобутана, как правило, не превышают 20% от содержания нормального бутана. Соотношение между пропаном и бутаном и в добываемом нефтяном газе, и в получаемом при переработке нефти колеблется в широких пределах - от почти чистого пропана до почти чистого бутана. Однако, в общей массе газа преобладает бутан. Следует также учитывать, что пропан является более ценным химическим сырьем, чем бутан. Нефтяной газ может также содержать и другие углеводороды, в том числе и непредельные (пропилен, бутилен).

Различие соотношения главных компонентов нефтяного газа в исходном сырье (попутном газе при добыче и переработке нефти), а также относительная простота разделения сырья на фракции создают условия для производства специального моторного топлива с контролируемым в определенных пределах составом. Это обстоятельство является важным отличием нефтяного газа от природного. Природный газ в пределах применяемых на практике технологий не допускает контроля состава, что накладывает определенные особенности на условия его использования.

Биогаз - является продуктом анаэробного сбраживания органических остатков, в качестве которых используют отходы, главным образом, сельскохозяйственного производства. Состав получаемого биогаза во многом зависит от характера процесса сбраживания, однако горючей частью биогаза всегда является метан (по этой причине биогаз иногда называют биометаном). В этом биогаз близок к природному газу. Содержание метана в биогазе существенно ниже, чем в природном газе, и колеблется от 30 до 70%. Главное же отличие биогаза от природного состоит в том, что он содержит весьма значительную долю инертных составляющих: от 30 до 70%. Обычно инертная часть состоит из углекислого газа, что определяет относительно низкую теплоту сгорания этого вида топливного газа, которая не превышает 23000 кДж/м³, в то время как теплота сгорания природного газа в среднем составляет 34500 кДж/м³ [2].

Близок по свойствам к биогазу так называемый шахтный газ. Его получают как бы в качестве побочного продукта, откачивая с целью создания в шахтах безопасных условий работы через специальные скважины, пробуренные в угольные пласты поблизости от ведущихся разработок. Метан удаляют из пласта, чтобы препятствовать его попаданию в горные выработки. При таком процессе попадание в метан воздуха становится почти неизбежным. Практика показала, что содержание метана в шахтном газе может меняться от 20 до 95%. Бывают, однако, случаи и меньшего содержания метана, когда состав шахтного газа не выходит за пределы воспламенения, т.е. сам шахтный газ оказывается воспламеняемой смесью. Это требует соблюдения особых правил конструирования топливной аппаратуры, но не влияет на его сгорание в двигателе.

Ранее уже было отмечено, что водород рассматривается как топливо, изначально обеспечивающее высокую экологическую чистоту при сгорании. Главным его достоинством является отсутствие углерода, продуктами сгорания которого становятся угарный газ (оксид углерода) и углекислый газ (диоксид углерода). Первый из них представляет собой крайне ядовитое вещество. Поэтому для нейтрализации этого газа путем дожигания созданы и применяются на практике различные технологии, которые позволяют в значительной степени устранить опасность загрязнения атмосферного воздуха этим ядом. В то же время углекислый газ, постоянно присутствующий в атмосфере и потому не являющийся сильным ядом, оказывается неустранимым следствием сгорания углеродосодержащих топлив. Однако перспектива увеличения энергетического насыщения транспорта содержит опасность такого увеличения общей концентрации этого вещества в атмосфере, которое может привести к смещению теплового равновесия с трудно предсказуемыми последствиями. Углекислый газ, в отличие от азота и кислорода, поглощает инфракрасное излучение земной поверхности, превращая, таким образом, атмосферу Земли в «ловушку» солнечного излучения: видимая часть солнечного спектра (примерно 80% всей энергии излучения) свободно проходит через атмосферу, нагревает поверхность земли, которая в свою очередь излучает энергию, но уже в инфракрасной части спектра. Ни один из применяемых на практике нейтрализаторов не избавляет от выбросов углекислого газа. Более того, практически отсутствуют даже перспективные технологии, освобождающие от него продукты сгорания углеводородных топлив. Именно поэтому водородное топливо продолжает оставаться главенствующим вариантом экологически чистой технологии транспорта, несмотря на многие недостатки и присущие ему низкие значения важных качественных показателей. Важно также отметить, что под водородным топливом понимается не обязательно чистый водород. Он может составлять преобладающую часть топлива, как метан в природном газе. Остальная же часть в зависимости от способов получения может быть представлена различными горючими и негорючими газами, меняя тем самым не только энергетические, но и экологические свойства этого топлива.

Рассмотренные четыре вида газовых топлив имеют разные значения показателей, определяющих их качества, как моторных топлив.

Самыми важными являются показатели, определяющие протекание рабочего процесса в двигателе, т.е. собственно моторные свойства топлива. Из собственно моторных свойств в первую очередь обращают внимание на энергетические возможности топлива, которые оценивают теплотой сгорания (табл. 1.2.).

Таблица 1.2. Энергетические показатели горючих компонентов газового моторного топлива

Вещество	Хим. формула	Низшая теплота сгорания	Плотность, кг/м3
		объемная, кДж/м3	массовая, кДж/кг
Водород	Н2	10050	120070	0,0837
Метан	СН4	33410	49990	0,6683
Этан	С2Н6	59850	47480	1,2604
Пропан	С3Н8	86530	46360	1,8665
Бутан	С4Н10	114270	45790	2,4956
Пентан	С5Н12	144020	45510	3,1643

Как и следовало ожидать, водород особенно резко отличается от других газов, хотя и соответствует общей тенденции. Его объемная теплота сгорания в 3,3 раза ниже, чем у ближайшего к нему по плотности метана, а массовая теплота сгорания в 2,4 раза выше. Такое резкое отличие от общего ряда уже в первом из рассматриваемых показателей говорит о необходимости иных подходов к конструированию двигателей и транспортных средств, использующих водородное топливо.

Интерес также представляют различия энергетических свойств газового топлива (нефтяного и природного газа) от жидкого топлива (бензина). Усредненные значения октанового числа, удельной теплоты сгорания, стехиометрического отношения (количество воздуха, необходимого для полного сгорания топлива), теплоты сгорания стехиометрической смеси представлены в таблице 1.3. [1].

Таблица 1.3. Энергетические свойства различных видов топлива

Показатель	Бензин	Нефтяной газ	Природный газ
Октановое число	76 - 98	100 - 110	110 - 125
Низшая теплота сгорания, кДж/кг	44	46	48,5
Стехиометрическое отношение, кг воздуха/кг топлива	15	16	17
Теплота сгорания стехиометрической смеси (объёмная), кДж/м3	3,6	3,57	3,5

Теплота сгорания не является сама по себе параметром, прямо влияющим на показатели работы двигателя. На мощностные показатели рабочего процесса двигателя влияет теплота сгорания топливовоздушной смеси, поступающей в двигатель. Наибольшую мощность следует ожидать при прочих равных условиях от двигателя, использующего смесь, выделяющую при сгорании наибольшее количество тепла в единице объема.

Если справедливо условие, что наибольшая полнота сгорания имеет место при горении стехиометрической смеси, то мощностные показатели двигателя для каждого вида топлива определяются теплотой сгорания именно такой смеси. Однако хорошо известно, что максимум мощности, например, бензинового двигателя имеет место не при стехиометрическом составе, а при несколько переобогащенной смеси, имеющей коэффициент избытка воздуха в пределах 0,87-0,9. С другой стороны при использовании сжиженного нефтяного газа (СНГ), максимум мощности соответствует коэффициенту избытка воздуха 0,94-0,96 и только для природного газа оптимум соответствует стехиометрии. Различия в значениях оптимального по максимуму мощности коэффициента избытка воздуха объясняются более тонкими различиями в физико-химической природе веществ, чем элементарный состав (табл. 1.4.).

Таблица 1.4. Энергетические показатели газовых моторных топлив

Расчетный состав	Массовое содержание, %	Теплота сгорания
		топлива, кДж/кг	стехиометрической смеси, кДж/м3
Природный газ
Метан	92	49790	3380
Этан	5
Пропан	2
Бутан	1
Сжиженный нефтяной газ
Пропан	30	45990	3440
Бутан	70
Пропан	50	46110	3440
Бутан	50
Пропан	70	46220	3510
Бутан	30
Биогаз
Метан	70	35020	3310
Углекислый газ	30
Метан	50	25010	3070
Углекислый газ	50
Метан	30	15010	2950
Углекислый газ	70
Водородное топливо
Водород	95	114000	2440
Азот	5

Из данных таблицы следует, что наибольшей мощностью при одинаковых размерностях оптимально сконструированных двигателей должны обладать агрегаты, работающие на сжиженном нефтяном газе, имеющем самый высокий энергетический фактор. Расхождение этого вывода с имеющейся практикой, когда при переводе бензиновых двигателей на СНГ наблюдается потеря мощности, доходящая до 7%, объясняется тем, что газовый двигатель в этом случае не имеет оптимальных конструктивных решений. В частности, в них как правило сохраняется подогрев рабочей смеси, требуемый для бензиновых двигателей и совершенно ненужный, более того вредный, для газовых машин [2].

Также важнейшими характеристиками любого моторного топлива являются: теплохимические свойства, соотношение содержания водорода и углерода (Н/С), размеры и характер строения молекул. У газовых видов топлива соотношение «водород-углерод» составляет 2,5 - 4; молекулы химически устойчивы и просты по строению. Это обеспечивает высококачественное протекание процесса сгорания, работу двигателя без детонации и большую экологическую чистоту продуктов сгорания в отличие от жидких нефтяных топлив (табл. 1.5. и рис. 1.5.).

Таблица 1.5. Соотношение «водород / углерод» у различных видов топлива

Топливо	Химическая формула	Соотношение Н/С
метан	СН4	4,0
пропан	С3Н8	2,7
бутан	С4Н10	2,5
бензин	СmНn	2,0
спирт	СmНnO	2,0
керосин	СmНn	1,9
дизельное топливо	СmНn	1,8
мазут	СmНn	1,7

Рис. 1.5. Содержание СО₂ и Н₂О в продуктах сгорания топлива

Одним из ключевых положений, связанных с переводом транспорта на газ, является то, насколько безопасно его применение. При несоблюдении правил эксплуатации и обслуживания любое техническое изделие представляет определенную опасность. При определении потенциального риска следует учитывать такие физико-химические свойства газов, как температура и концентрационные пределы самовоспламенения (рис. 1.6. и рис. 1.7.).

Рис. 1.6. Температура самовоспламенения различных видов топлива

Рис. 1.7. Концентрационные пределы воспламенения в воздухе

Как видно из графиков, нижние температурные и концентрационные пределы воспламенения сжиженного нефтяного и природного газа существенно выше, чем у жидких нефтяных видов топлива. Для воспламенения или взрыва необходимо образование топливовоздушной смеси, то есть объемное смешение газа с воздухом. Нахождение газа в герметичном баллоне под давлением исключает возможность проникновения туда воздуха.

Были случаи, когда происходило разрушение баллона для газа, рассчитанного на рабочее давление 16 атмосфер, при попытке заправить его природным газом, подаваемым в баллон под давлением 200 атмосфер [1].

В дипломе представлен расчет вероятности возникновения взрыва (пожара) дизельной секции газодизельного локомотива 2ТЭ116Г, выполненный по методике ВНИТИ [3] (см. Раздел 6 и Приложение 1).

1.4 Концепция применения природного газа на тепловозах

Проблема снабжения тепловозов топливом и пути ее решения

В 2003 году отмечалось 200-летие создания первого паровоза, разработанного английским инженером Р. Тревитиком. И уже более ста лет тому назад были предприняты практические попытки перевода железнодорожного транспорта на газ. В 1894 году в немецком городе Дессау, а затем в 1895 году в пригороде Парижа Сен-Дени были проведены успешные испытания трамвая, использовавшего в качестве моторного топлива светильный газ (рис. 1.8.).

Рис. 1.8. Газовый трамвай

Во французском эксперименте трамвай выполнял перевозки по маршруту, привязанному к заводу фирмы «Ланди». Светильный газ, получаемый на этом заводе, хранился в баллоне под давлением примерно 10 атмосфер [4].

Перевод тепловозного парка железных дорог на альтернативные виды топлива - это задача, продиктованная неблагоприятными последствиями применения нефтяных топлив для всего общества в целом (см. табл. 1.1.).

Железнодорожный транспорт является одним из крупнейших потребителей нефтяного топлива в стране. На осуществление тяги поездов тепловозами расходуется около трёх млн. тонн дизельного топлива в год. При сохраняющейся тенденции увеличения грузопотоков, прогнозируется возрастание этих расходов до пяти млн. тонн в год, поэтому ожидается рост объемов нефтепереработки.

Растет и цена нефти, которая в современных условиях зависит от рынка (рис. 1.9.).

Рис. 1.9. Динамика мировых цен на нефть 1970-2002 гг.

Указанные обстоятельства ставят перед железнодорожным транспортом задачу обеспечения устойчивого снабжения тепловозов моторным топливом и снижение расходов на его приобретение.

Эта задача может решаться в двух направлениях:

- сокращение объемов потребления дизельного топлива за счет повышения топливной экономичности тепловозных силовых установок;

- за счет его замещения менее дефицитным и более дешевым альтернативным топливом.

Анализ показывает, что повышение эксплуатационной топливной экономичности тепловозов за счет совершенствования дизелей, внедрения компьютерных систем их управления, снижение мощности вспомогательных агрегатов и ряда других мероприятий, возможно в пределах 10…15%.

Повышение выработки дизельного топлива возможно за счет расширения его фракционного состава (прибавления тяжелых фракций) или увеличения качества переработки нефти. Однако, эта задача не решается нефтеперерабатывающей промышленностью, а для тепловозов применение такого топлива связано со снижением энергоресурса двигателей и затратами на их дооборудование и эксплуатацию.

Из альтернативных топлив, по которым ведутся работы в стране и за рубежом, можно рассматривать синтетические топлива, получаемые из угля, сланцев, природного газа и других материалов. К таким топливам относятся, например, метанол и диметиловый эфир (СН₃-О-СН₃). Диметиловый эфир обладает хорошими моторными и экологическими свойствами и может быть получен в процессе производства метанола. Однако в стране имеются или создаются только опытные установки по производству синтетических топлив и существующие технологические процессы их получения пока экономически не выгодны, так как требуют больших затрат энергии.

Наиболее готовым для применения на тепловозах является природный газ (метан). Более того, энергетические и физические характеристики природного газа - повышенная по сравнению с дизельным топливом на ~ 10% массовая калорийность, улучшенные в 1,5 - 2,0 раза экологические качества (см. табл. 1.5.), увеличение срока работы смазочного масла на 30 - 40% - позволяют получить более высокие экономические, экологические и ресурсные показатели работы газодизельных локомотивов.

Экономическая целесообразность применения природного газа на тепловозах гарантируется Постановлением Правительства РФ №31 от 31.01.93 г., установившим предельную цену за один нм³ сжатого газа, отпускаемого АГНКС (станциями заправки газом), в размере не более 50% от стоимости одного литра бензина А-80, включая НДС.

Таким образом, наиболее реальным и эффективным направлением решения проблемы устойчивого снабжения тепловозов моторным топливом, снижения расходов на его приобретение, а также повышения экологических показателей, является применение природного газа.

Выбор вида (агрегатного состояния) природного газа для тепловозов

Природный газ может находиться в двух состояниях: сжиженном (СПГ) и сжатом или компримированном (КПГ). Во всех случаях в цилиндры двигателя газ подается в сжатом виде, поэтому выбору подлежит состояние перевозимого на тепловозе запаса газа.

Сжиженный природный газ (СПГ) представляет собой криогенную жидкость (по составу это практически жидкий метан СН₄), хранящийся, в зависимости от давления, при отрицательных температурах, от -155°С до -162°С (118 - 111 К). СПГ после его перевода в газообразное состояние, может быть пригодным для использования в двигателях внутреннего сгорания, а также для всех видов теплоэнергетики, при обеспечении организации его крупномасштабного производства.

Перед КПГ он имеет то преимущество, что при таком охлаждении его плотность увеличивается почти в 600 раз. При сжатом до 20,0 МПа состоянии (обычное давление в газовых баллонах) плотность газа увеличивается в 200 раз. Поэтому теоретически в одинаковом геометрическом объеме сжиженного газа может поместиться в 3 раза больше, чем сжатого. Однако, на практике необходимость подогрева СПГ в газоводяном теплообменнике с системой подачи в него горячей воды из дизеля, тепловой инерционности теплообменника при резко переменных режимах нагрузки тепловоза и вызванной этим необходимостью установки резервной емкости для сжатого газа, не позволяет полностью использовать преимущество большей плотности сжиженного газа. Указанные агрегаты, устройства автоматики управления, безопасности, а также газовоздушный теплообменник также требуют свободного объема на тепловозе для их размещения. Если, например, в объеме криогенного тендера тепловоза 2ТЭ116Г вместо криогенных емкостей и указанного оборудования установить баллоны со сжатым газом под давлением 25,0 МПа, то в них можно разместить до 10 тонн КПГ. В криогенном тендере помещается 17 тонн СПГ и до 3-х тонн составляет технологический запас для обеспечения температуры его хранения. Таким образом, увеличение возимого запаса природного газа в сжиженном состоянии, по сравнению со сжатым, практически не превышает 25…28%.

Сжиженный природный газ в теплотехническом и эксплуатационном плане является более сложным видом топлива. Стоимость криогенных емкостей значительно выше стоимости баллонов для сжатого газа. Сам сжиженный газ в силу его низкой температуры и высокой плотности при утечках не улетучивается, а опускается вниз, что создает опасность пожара и взрыва и ожогов обслуживающего персонала. Получение СПГ, его хранение и транспортировка требуют специального оборудования, дополнительных территорий, а также квалифицированной рабочей силы.

В процессе эксплуатации в верхней части криогенной емкости находится испарившийся газ, давление которого постепенно повышается. При давлении более 1,6 МПа его необходимо сбрасывать в атмосферу, что на электрифицированных линиях создает опасность повреждения контактной сети.

Сжатый природный газ находится в состоянии пригодном для подачи в цилиндры двигателя, но его хранение требует применения высокого давления, что создает определенные трудности в уплотнении газопроводов и обеспечении безопасности эксплуатации.

При аварийном истечении сжатого газа вследствие внезапного его расширения происходит обмерзание краев отверстия, благодаря чему поступление газа сокращается или становится пульсирующим.

Таким образом, каждое из агрегатных состояний имеет свои недостатки, и поэтому его выбор должен соотноситься с условиями эксплуатации тепловозов.

Так, для маневровых тепловозов, где количество изменений режимов работы достигает 100 операций в час, применение сжиженного газа практически невозможно из-за инерционности газификатора.

Поэтому для маневровых газотепловозов применен сжатый природный газ. Количество возимого запаса КПГ на них составляет 850 нм³ при давлении 20 МПа, что обеспечивает срок работы до 2,5 - 3,0 суток без дозаправок.

Для магистральных тепловозов, режимы работы которых более стабильны и где пробег между заправками, в силу их большого удаления от депо, имеет большее значение, чем для маневровых, могут рассматриваться оба агрегатных состояния. Однако сжиженный газ может применяться только в тех регионах, где имеется его производство, где значительные затраты на создание инфраструктуры газоснабжения будут оправданы достаточным количеством газодизельных локомотивов.

Таким образом, для маневровых локомотивов наиболее целесообразным является применение сжатого природного газа. Для магистральных локомотивов может рассматриваться как СПГ, так и КПГ. Однако производство СПГ требует развития целой индустрии на основе криогенных технологий по созданию и производству оборудования для сжижения, хранения, транспортировки и использованию СПГ; его применение будет оправдано только при массовом внедрении газодизельных локомотивов.

На настоящее время в России отсутствуют положительные результаты по созданию криогенной техники для магистральных и маневровых тепловозов, что отодвигает реализацию их внедрения, по крайней мере, на 3 - 5 лет.

1.5 Схема газоснабжения транспорта

Широкое развитие транспорта на газомоторном топливе (ГМТ) стало возможным только тогда, когда была создана система его газоснабжения. В соответствии с программой правительства производство газобаллонных автомобилей развивалось одновременно со строительством сети газонаполнительных станций.

Основным элементом созданной в настоящее время системы газоснабжения транспорта (рис. 1.10.) является автомобильная газонаполнительная компрессорная станция (АГНКС), предназначенная для заправки автомобилей КПГ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.10. Схема снабжения автотранспорта КПГ

По производительности построенные станции относятся к двум группам: на 500 и на 250 условных заправок в сутки. В вечернее и ночное время загрузка станций резко падает, что отрицательно сказывается на ее рентабельности. Это обстоятельство привело к необходимости включения в технологию газоснабжения автогазозаправщиков (ПАГЗ). Применение ПАГЗ позволяет газифицировать КПГ малые поселки, где в качестве источника газоснабжения устанавливается газовый аккумулятор на рабочее давление от 7 до 20 МПа.

ПАГЗ также может использоваться для дозаправки маневровых тепловозов КПГ непосредственно на участке работы. Такой вариант заправки был успешно опробован при испытаниях маневрового газотепловоза ТЭМ18Г.

Действующая схема снабжения автотранспорта на первый взгляд легко развивается в систему газоснабжения всех видов транспорта. Однако специфика различных видов транспорта требует иных подходов к системе газоснабжения.

В первую очередь нужно отметить, что ни на железнодорожном, ни на водном видах транспорта на сегодня нельзя отвергать целесообразность использования СПГ. Следовательно, схема газоснабжения должна включать производство и распределение СПГ.

Кроме транспорта, в число потребителей ГМТ войдут сельскохозяйственная и дорожно-строительная техника. Особенность этой техники - необходимость доставки топлива к местам непосредственной эксплуатации отдельных машин, которые рассредоточены по весьма большим регионам. Все это требует существенной доработки схемы газоснабжения в направлениях: включения в схему производства и распределения СПГ, обеспечения быстрой заправки магистральных тепловозов и бункеровке судов, обеспечение рассредоточенных потребителей, переход на новые параметры заправки до давления 40 МПа. Этим условиям будет отвечать схема, представленная на рис. 1.11 [2].

Схема газоснабжения автотранспорта здесь дополнена воднотранспортными и железнодорожными газонаполнительными компрессорными станциями (ВТГНКС и ЖДГНКС) для заправки КПГ, воднотранспортными и железнодорожными газонаполнительными станциями (ВТГНС и ЖДГНС) для заправки СПГ, заводом сжижения газа, заправщиками СПГ на автомобильном и железнодорожном ходу.

ВТГНКС и ЖДГНКС, как правило, соединяются отводами с магистральным газопроводом и осуществляют заправку соответственно судов и локомотивов КПГ путем непосредственной закачки в емкости транспортных средств.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.11. Схема снабжения транспорта природным газом

- - сжатый газ; === - сжиженный газ

Такие станции должны быть оснащены мощными компрессорами. ВТГНС и ЖДГНС используют в качестве источника привозной СПГ и заправляют емкости транспортных средств либо самим СПГ, либо заполняют транспортные средства КПГ путем перевода СПГ в газообразное состояние под высоким давлением.

2. Разработка тендера сжатого природного газа для магистральных газотепловозов

2.1 Исходные технические требования на разработку газобаллонного тендера

В основу технических требований, разработанных ВНИТИ, взят опыт создания газотепловозов, приобретенный заводами транспортного машиностроения в процессе создания и испытаний газотепловозов 2ТЭ116Г, 2ТЭ10Г, ТЭМ2УГ в 1988-1992 гг. В качестве основных требований были приняты следующие:

- использование для экипажа газобаллонного тендера выпускаемых отечественной промышленностью вагонов или платформ с минимальными изменениями конструкции при полном обеспечении требований безопасности и заданной конструкционной скорости движения, равной 100 км/час;

- максимальная унификация создаваемого газобаллонного тендера с построенными криогенными тендерами газотепловозов 2ТЭ116Г и 2ТЭ10Г в отношении элементов систем подготовки и подачи газа, управления, защит и т.д. с учетом опыта испытаний и доводки криогенного тендера.

В качестве дополнительных - следующие:

- экипаж и конструкция газобаллонного тендера должны обеспечивать проходимость тепловоза по существующим железнодорожным путям, где могут эксплуатироваться тепловозы типов 2ТЭ116Г и 2ТЭ10Г. Нагрузка на ось не более 23,5 т при давлении в баллонах 25 МПа;

- тендер может использоваться совместно с двумя или одной секцией газотепловоза и должен обеспечивать транспортирование, хранение и подачу к двигателям тепловоза природного газа при давлении и температуре, определенных техническим заданием на газодизели тепловоза;

- газовые баллоны и газовое оборудование, используемое для комплектации тендера, должны удовлетворять требованиям соответствующих ГОСТов и технических условий;

- конструкция тендера должна обеспечивать прочность крепления газовых баллонов и другого оборудования в условиях эксплуатации на железных дорогах, в том числе при ускорениях в случае соударений до 3g;

- конструкция газобаллонного тендера должна обеспечивать доступность элементов газового оборудования для осмотров и обслуживания;

- конструкция и оборудование газобаллонного тендера должны удовлетворять требованиями безопасности подвижного состава, а также исключать возможность образования взрывоопасной концентрации газовоздушной смеси и ее воспламенения. Тендер должен быть оборудован средствами пожаротушения и сигнализации в соответствии с требованиями соответствующих ГОСТов;

- другие технические требования к газобаллонному тендеру должны соответствовать техническим требованиям к тендерам газотепловозов 2ТЭ116Г и 2ТЭ10Г кроме специфических вопросов, связанных с различием криогенных и газобаллонных способов хранения газа и соответствующих им систем газоподготовки.

На основании изложенных исходных технических требований к газобаллонному тендеру было разработано несколько проектов вариантов такого тендера, три из которых представлены ниже.

2.2 Выбор вариантов конструкции и базовых комплектующих узлов

В 1989-1991 гг. во ВНИТИ [5] велись разработки различных конструкций тендеров компримированного природного газа. В результате была спроектирована конструкция газобаллонного тендера, которая базировалась на специальном восьмиосном транспортере длиной 24,7 м. Главная рама этого транспортёра была усилена дополнительной опорной плитой. В качестве емкостей для компримированного газа использовались баллоны по ГОСТ 9731-79 объемом 0,4 м³. Масса тендера, несущего 126 таких баллонов, составляла ~176 т, масса сжатого газа в баллонах 9,0 т. Реализация этого варианта зависела от возможности приобретения указанных баллонов и транспортера.

Высокая арендная плата за транспортер и невозможность приобретения предусмотренной разновидности газовых баллонов приводила к экономической нецелесообразности проекта.

В этой связи были проведены работы по изысканию возможностей как комплектации газобаллонного тендера стандартными платформами, так и набором газовых баллонов, приобретение которых не составляло бы труда. Анализ соответствующих сведений, полученных в регионах Москвы, Санкт-Петербурга, Урала, Казахстана, Украины и др. показал возможность приобретения газовых баллонов по ГОСТ 9731-79 объемом 0,32 м³ и шарообразных емкостей сжатого газа изготовления НПО им. Фрунзе в г. Сумы (Украина), объемом 0,90 м³, которые использовались для автогазозаправщиков. Одновременно, как наиболее вероятная основа экипажа, были рассмотрены серийная четырёхосная платформа типа 13-4012 и серийная шестиосная платформа типа 13-9004.

Был выполнен также анализ возможности применения в качестве емкостей баллонов, изготавливаемых из цельнотянутых труб, диаметром 327 и 426 мм, рассчитанных на давление до 8 МПа и имеющих длину до 6 м. Такие трубы изготавливались Челябинским трубным заводом. Вариант оказался экономически невыгодным из-за высокой стоимости труб и работ по изготовлению и приварке днищ к трубам. Эта операция, связанная со сваркой больших толщин металла, могла быть выполнена только в условиях специализированного производства и оказалась весьма дорогостоящей.

Рассмотренные и принятые к разработке варианты комплектации тендера газовыми баллонами представлены в таблице 2.1. производства Сумского машиностроительного завода и технического подразделения компании «Lem».

Тендер с баллонами по ГОСТ 9731-79

Газобаллонный тендер состоит из 7 нижних и 7 верхних контейнеров, установленных на 8-осном транспортере платформенного типа грузоподъемностью 120 т модели 14-6055.

Таблица 2.1. Варианты комплектации газовыми баллонами тендера в сравнении с криогенными резервуарами

№	Тип газового баллона	ГОСТ, технические условия	Давление газа, МПа	Масса баллона, кг (объём баллона, м3)	Количество баллонов	Общая масса газа	Нагрузка на ось, т	Изготовитель
1	Баллон для газа	9731-79	25,0	655 (0,40)	126	9,0	-	НПО им. Фрунзе
2	Баллон для газа	9731-79	25,0	540 (0,32)	154	8,5	-	НПО им. Фрунзе
3	Ёмкость шаровая для газа	ТУ	31,4	1605 (0,90)	48 36	9,5 7,1	20,0 21,8	НПО им. Фрунзе
4	Баллон со стеклопластиковой прочной оболочкой (БМА-50-20)	ТУ	25,0	370 (0,95)	60	9,87	~ 20,5	фирма «Lem»
5	Баллон 2-1000-32	12247-80	31,4	2000 (?)	48	11,0	23,2	НПО им. Фрунзе
6	Криогенный резервуар сжиженного газа РЦГ-25/1,6	ТУ	15,7	20000 (?)	2	17,0	22,0	-

Наличие нижних и верхних контейнеров обусловлено тем, что данная конструкция позволяет производить заправку баллонов газом в контейнерах, используя автомобильный транспорт для их транспортировки. Каркасы контейнеров (верхнего и нижнего) вместе с газовыми баллонами образуют жесткую конструкцию, способную воспринимать динамические нагрузки, соответствующие ускорению 60 м/с² в продольном и 10 м/с² в поперечном направлениях. Нижний и верхний контейнеры вмещают в себя соответственно 16 и 6 баллонов диаметром 465 мм и длиной 2610 мм. В каркасе нижнего контейнера газовые баллоны устанавливайся попарно, посредством двух оборудованных хомутами рамок. В верхнем контейнере газовые баллоны устанавливаются в 3 ряда. Рамки с установленными в них баллонами заводятся в пазы, образованные вертикальными стойками каркаса, сдвигаются до упора в стенки пазов. После этого производится окончательная затяжка хомутов, которые охватывают каждый баллон с двух концов через резиновые прокладки (для повышения коэффициента трения и исключения металлического контакта газовых баллонов). Кроме того, по торцам каркаса контейнеров установлены четыре вертикальных упора, предназначенные для предотвращения продольного смещения баллонов при ослаблении крепления хомутов. Для исключения металлического контакта с газовыми баллонами вертикальные упоры армированы деревянными брусьями. В верхней части верхнего контейнера предусмотрены две поперечные балки, которые обеспечивают надежное крепление рамок с баллонами. Для нижнего контейнера поперечной балкой является верхний контейнер.

Для предотвращения газовых баллонов от воздействия солнечных лучей и атмосферных осадков каждый контейнер оборудован съемным крышевым перекрытием.

Повышенная естественная вентиляция газового тендера достигается отсутствием сплошных боковых стенок на продольных балках контейнера, а также наличием зазоров в крышевом перекрытии между контейнерами. Для исключения возможного скопления газа под крышей во время длительных стоянок тендера в ней предусмотрены шесть вентиляционных отверстий.

Половой настил в продольном проходе газобаллонного тендера выполнен из съемных металлических рифленых листов, уложенных на деревянных брусьях. Длина полового настила превышает длину каркаса контейнера, тем самым достигается беззазорное соединение настила. Аналогичным образом выполнено и потолочное перекрытие этого коридора.

Тендер с шаровыми баллонами

Тендер с шаровыми баллонами представляет собой комплект сварных контейнеров, установленных в сборе с шарообразными емкостями на четырехосную железнодорожную платформу типа 13-4012 или шестиосную платформу типа 13-9004, под которую подкатываются трехосные тележки типа 18-522 КУВЗ. Вариант тендера на четырехосной платформе несет 36 шаровых баллонов общей емкостью 32,4 м³. Шестиосная платформа позволяет разместить 48 баллонов с общим объемом 43,2 м³. На платформу типа 13-9004 с базовой длиной 19620 мм установлено четыре нижних контейнера и четыре верхних.

Нижний контейнер представляет сварную конструкцию. Несущая нижняя рама контейнера выполнена из гнутого профиля размером 160x80. На раме имеется 16 вертикальных стоек из профиля 80x50. На стойках приварены платики, которые служат площадкой для установки на них верхнего контейнера.

Устойчивость и прочность рамы контейнера и вертикальных стоек в поперечном и продольном направлении обеспечивается раскосами, изготовленными из гнутого профиля 80x50 и уголков 30x80. В нижней части контейнера приварены полки для шарообразных емкостей.

Верхний контейнер представляет собой раму сварной конструкции из гнутого профиля 160x80. Средняя часть рамы выполнена в виде арки для возможности прохода. На верхнем контейнере приварены полки для установки на них шарообразных емкостей, а также платики для установки верхнего контейнера на нижний и скрепления их между собой болтовыми соединениями.

На тендере по торцам платформы установлены два шкафа. В них размещается газовая аппаратура.

Емкость шарообразная предназначена для хранения и транспортировки природного газа. Расчетное и рабочее давление 31,4 МПа. Рабочий диапазон температур окружающей среды от -50°С до +45°С. Масса шарообразной емкости - 1.6 т, внутренний диаметр - 1200 мм, полезный объем - 0,9 м³.

Значительный полезный объем шаровых емкостей позволяет сократить их количество в составе газобаллонного тендера в сравнении с баллонами по ГОСТ 9731-79 примерно в 2,5 раза. Это упрощает систему газопроводов, позволяет уменьшить количество и стоимость предохранительных клапанов, соединительных элементов и т.д.

Тендер с облегчёнными баллонами

Во время прохождения преддипломной практики во ВНИИЖТе я совместно с сотрудниками лаборатории «Теплосиловых установок и альтернативных топлив» участвовал в разработке газобаллонного тендера для магистрального тепловоза 2ТЭ116Г.

Прототипом для разработки стал тендер с баллонами по ГОСТ 9731-79 (Рис. 2.1.)

Рис. 2.1. Тендер с баллонами по ГОСТ 9731-79

1. баллон; 2. ящик с газовой аппаратурой; 3. шестиосная платформа

В качестве ёмкостей для газа были приняты баллоны БМА-50-20 (рис. 2.2.) со стеклопластиковой прочной оболочкой, изготавливаемые Компанией «Lem». Данное направление получило развитие ввиду наличия неоспоримых преимуществ облегченных металлокомпозиционных баллонов перед традиционными - стальными:

Рис. 2.2. Баллон БМА-50-20

1. каркас (лейнер); 2. адаптер для крана; 3. стеклопластик

- максимальная реализация прочностных характеристик композиционных материалов;

- безосколочное разрушение при критических нагрузках;

- малый вес в сравнении с традиционными баллонами;

- высокая технологичность и компактность производства.

Одним из перспективных направлений Компании «Lem» является создание облегченных, недорогих, металлокомпозиционных осколочно - и взрывобезопасных баллонов и оборудования для перевода на сжатый природный газ авто- и ж. д. транспорта.

Таким образом, для расчёта принимаем из каталога фирмы «Lem» [8] баллон:

- тип: БМА-50-20 со стеклопластиковой прочной оболочкой;

- объём одного баллона: V₁ = 0,95 м³;

- длина: l = 3870 мм;

- диаметр: d = 660 мм;

- максимальное рабочее давление: Р_max = 25 МПа.

Плотность газа:

- при нормальных условиях: с_норма = 0,69 кг/м³;

- при давлении 25 МПа: с_25МПа = 0,69 · 250 = 172,5 кг/м³.

Масса сжатого газа в одном баллоне:

m₁ = V₁ · с_25МПа = 0,95 · 172,5 = 164 кг.

Для перевозки баллонов со сжатым газом принимаем стандартную вагон-платформу для крупнотоннажных контейнеров и колёсной техники. Характеристика платформы представлена в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Техническая характеристика платформы

Модель	13-9004
Ширина колеи, мм	1520
Грузоподъёмность, т	68
Масса вагона (тара), т	24
База платформы, мм	14720
База тележки, мм	1850
Длина по осям автосцепок, мм	19620
Длина по раме, мм	18400
Ширина платформы, мм	2870
Высота от уровня головки рельса до уровня настила пола (в порожнем состоянии), мм	1357
Высота торцовых бортов, мм	400

Общее количество баллонов:

N = 4 · 4 · 3 + 4 · 3 · 1 = 60 штук.