в раздел "Библиотека"

 

Производство сжиженного природного газа для автомобильного, железнодорожного и водного транспорта на основе применения стирлинг-технологий

д.т.н., с.н.с. Кириллов Н.Г.

Федеральный эксперт научно-технической сферы (ООО « ИИЦ «Стирлинг-технологии») kirillov_ng@mail.ru

 

Сжиженный природный газ – универсальное моторное топливо XXI века.

Применение сжиженного природного газа в качестве моторного топлива для различных видов транспортных средств (автомобильного, воздушного, железнодорожного, водного и т.д.) дает энергетические и экологические преимущества, а также является более экономически выгодным, по сравнению с традиционными нефтяными и другими альтернативными видами моторного топлива /1, 2/.

Перспективность использования СПГ в качестве альтернативного моторного топлива для автотранспорта стало очевидным для большинства стран мира. Особенно интенсивно это направления в автомобильной технике развивается в США. Например, мэром г. Нью-Йорка принято решение о переводе всего муниципального транспорта на СПГ в течении ближайшего времени. Расширяется производство магистральных тягачей на СПГ. Так, компания “Mack” Waste Managemtnt Inc.20 лет успешно занимается производством двигателей на СПГ. Седельный тягач Mack СН/LNG, работающий на СПГ, является самым чистым грузовым автомобилем на американских дорогах и отличается большим запасом хода, который составляет свыше 1000 км.

Аналогичная ситуация и в Западной Европе. Во многих городах Германии планируется перевести на СПГ муниципальный транспорт. В Италии принята экологическая программа применения СПГ на автотранспорте.

Расширяется применение СПГ и на водном транспорте. В Норвегии компания «Statoil» приступила к серийному производству судов на СПГ. В 2003 году на воду будет спущено первые два судна. Преимущества СПГ по сравнению с обычным бункерным топливом с экологической точки зрения очевидны: использование его только на двух судах в течении года сокращает выбросы окислов азота до 420 тонн. Инициатива «Statoil» активно поддерживается министром нефти и энергетики Норвегии, который считает ее началом полномасштабного перехода судов на СПГ. Экспериментальные суда на СПГ построены и эксплуатируются в США, Германии и ряде других стран мира.

За рубежом расширяется также применение сжиженного природного газа и на железнодорожном транспорте. Многолетняя безаварийная эксплуатация магистральных и маневровых тепловозов на СПГ железнодорожными компаниями «Берлингтон Нозерн», «Моррисон-Кнудсен», «Санта Фе», «Юнион Пасифик» говорят об объективных преимуществах этого вида топлива.

СПГ как моторное топливо в России: направления использования.

Природный газ – наиболее перспективное моторное топливо для России в XXI веке. Производство газового моторного топлива (ГМТ) – интенсивно развивающееся направление, которое уже в ближайшее время превратится в самостоятельную высокорентабельную подотрасль газовой промышленности. Имеются все предпосылки к тому, чтобы через 7-10 лет годовые объемы производства ГМТ достигли5-6 млрд. м³, а в более отдаленной перспективе – 20-25 млрд.м³.Согласно постановлению Правительства России от 15 января 1993 года № 31 даже в условиях свободного рынка, стоимость 1 м³ природного газа для транспортных средств не будет превышать50% стоимости1 л бензина А-76, эквивалентного ему по энергосодержанию, ввиду этого в настоящее время природный газ является самым дешевым видом моторного топлива /3/.

Для воздушного транспорта (самолетов)газовое моторное топливо может применяться только в виде СПГ, да и для других видов транспорта СПГ более предпочтительней, чем компримированный (сжатый) природный газ (КПГ).

Преимущества СПГ при использовании в качестве моторного топлива объясняются более высокой его плотностью (в 3 раза) по отношению к КПГ, что позволяет существенно улучшить технические показатели транспортных средств: уменьшить габариты и массу системы хранения бортового топлива; увеличить полезную грузоподъемность и запас хода от одной заправки; сократить за счет более редких заправок непроизводительные затраты, связанные с холостыми пробегами /4/.

Сжижение уменьшает объем газа, занимаемого в обычных условиях, почти в 600 раз, что позволяет, по сравнению со сжатием газа, уменьшить массу системы хранения ПГ на автомобиле в 3-4 раза, а объем в 1,5 – 3 раза. Так, например, для грузового автомобиляЗИЛ-138А,конвертированного на природный газ и оборудованного криогенной емкостью объемом 300 л СПГ, пробег на одной заправке увеличивается в 1,8раз, а суммарная масса оборудования и топлива уменьшается на 570 кг по сравнению с тем же автомобилем, работающим на КПГ.

Использование СПГ на автотранспорте оправдано не только с технико-экономической точки зрения, но и экологической. СПГ в сравнении с традиционным нефтяным топливом понижает содержание вредных компонентов выпускных газов: окиси углерода, окислов азота и углеводородов , соответственно, до 80, 70. 45%.За рубежом, например, в США и Германии, экологический фактор является решающим при газификации автотранспорта.

Можно предположить, что в ближайшее время СПГ станет одним из основных видов моторного топлива в России для автомобильного транспорта. Так, по оценкам специалистов ВНИИгаз только в Московском регионе возможные объемы потребления СПГ на транспорте к 2005 году возрастут в более чем 20 раз и составят около 25 тыс. тонн в год. В целом же по России к 2010 году ожидается потребления СПГ от 2 до 5 млн. тонн в год /5/.

В недалекой перспективе СПГ должен найти применение как дешевое экологически чистое топливо в отечественной авиации и ракетной техники. АНТК им. Туполева совместно с организациями «Газпрома» разработан и уже прошел летные испытания экспериментальный самолет ТУ-155 с двигателем НК-88 на СПГ, показавший реальность использования сжиженного природного газа для гражданских и транспортных самолетов. На его базе разработан пассажирский самолет ТУ-156 с двигателем НК-89на СПГ.

Следует восстановить программу перевода железнодорожного транспорта на СПГ. В середине 90-х годов в нашей стране были разработаны и прошли первичные испытания магистральные и маневровые тепловозы на СПГ – 2ТЭ116Г, 2ТЭ10Г и ТЭМ2У.По оценкам специалистов ВНИИЖТ, перевод 1000 магистральных тепловозов мощностью2200 кВт на работу с использованием СПГ обеспечил бы замещение газом свыше 500 тыс. т дизельного топлива и экономию около 5 тыс. т дизельного масла в год. На сбереженном топливе могли бы работать в течении года еще 700 тепловозов или2,5 тыс. газотепловозов. При этом на 35-40% уменьшились бы эксплуатационные затраты при применении маневровых газотепловозов /6/.

В целом, перевод транспорта на СПГ позволит России участвовать в формировании мирового рынка новых экологически чистых энергоносителей и технологий в XXI веке, значительно увеличить валютные поступления от реализации нефтепродуктов за внешних рынках за счет снижения их потребления внутри страны, поможет в решении все более обостряющихся экологических проблем крупных городов страны и т.д.

Однако широкое использование СПГ как универсального моторного топлива требует решения ряда специфических задач, связанных с производством, хранением и транспортировкой низкокипящих (криогенных) жидкостей при обычных температурах. Из всего перечня задач наиболее важной является - разработка эффективных способов сжижения природного газа, позволяющих создать инфраструктуру производства СПГ на территории России, с учетом особенностей трубопроводного транспорта природного газа.

Стирлинг-технологии: передовые технологии в производстве СПГ для транспорта.

Несмотря на перспективность использования СПГ в РФ в качестве моторного топлива для различных видов транспорта, большинство руководителей транспортных хозяйств России занимают выжидательную позицию по отношению к этому вопросу, что связано, прежде всего, с отсутствием широкой сети заправочных станций СПГ, гарантировано обеспечивающих применение однотопливных газовых двигателей. Поэтому только решение проблем организации снабжения сжиженным природным газом потенциальных потребителей позволит говорить, что СПГ действительно является для Российской Федерации «моторным топливом ХХI века».

Инфраструктура производства СПГ в России должна включать в себя как крупные ожижительные комплексы (мини-заводы), так и малогабаритные небольшие по производительности заправочные станции СПГ. Данная инфраструктура может быть создана с применением стирлинг-технологий.

Стирлинг-технологии в области производства СПГ основаны на использовании криогенных машин, работающих по циклу Стирлинга. Данный термодинамический цикл был предложен в 1816 году шотландцем Робертом Стирлингом. С середины 19 века словосочетание «машина Стирлинга» стало широко употребляться как в классической термодинамики, так и бытовом обиходе. Машина Стирлинга - это машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу, в котором циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема.

Принципиальная особенность криогенных газовых машин (КГМ) Стирлинга - совмещение в одном устройстве процессов сжатия и расширения рабочего тела, теплообмена между прямым и обратными потоками рабочего тела, а также внешнего теплообмена с охлаждаемым объектом и с окружающей средой - обуславливает их компактность и высокую термодинамическую эффективность.

В криогенных машинах Стирлинга практически отсутствуют собственные потери, а технические потери от трения и конечной разности температур при внешнем и внутреннем теплообмене могут быть устранены или существенно снижены при рациональном конструировании и подборе термодинамических параметров. Существующие КГМ Стирлинга в диапазоне температур 100 - 160 К имеют эксергетический к.п.д. более 50%, а установки по сжижению газов на их основе в 2-4 раза эффективнее, чем простые дроссельные и детандерные циклы ожижения.

При использовании КГМ Стирлинга, сжижение природного газа (в общем случае, процесс перевода газа из состояния равновесия с параметрами близкими по температуре и давлению окружающей среды в состояние жидкости, находящейся в равновесии с собственным паром) осуществляется при постоянном давлении за счет работы рефрижератора и отвода теплоты от сжижаемого газа. Таким образом, процесс основан целиком на внешнем охлаждении, при этом влага, СО₂ и другие примеси вымораживаются на стенках конденсатора КГМ, что позволяет не применять дорогостоящие системы предварительной очистки газа. Особенностью КГМ Стирлинга является возможность сжижения 100 % подаваемого газа низкого давления.

В настоящее время в России и за рубежом выпускаются несколько модификаций одно- и многоцилиндровых КГМ Стирлинга, производительность которых позволят использовать их при создании установок СПГ с производительностью от 100 л/ч до 10 т/сут. Данный диапазон обеспечивает возможность создания как малых и средних станций, а также крупных комплексов (мини-заводов) по производству СПГ для различных видов транспорта.

В настоящее время специалистами ООО «ИИЦ «Стирлинг-технологии» разработано несколько принципиальных схем, позволяющих в зависимости от условий и назначения установок получения СПГ, наиболее полно использовать преимущества применения стирлинг-технологий.

Мини-заводы по производству СПГ на основе КГМ Стирлинга.

В настоящее время в мире выпускаются несколько модификаций многоцилиндровых КМГ Стирлинга, производительность которых позволят использовать их для создания мини-заводов по сжижению природного газа. Технические характеристики таких КГМ Стирлинга представлены в таблице 1.

                                                                                              Таблица 1

^* - данные полученные при пересчете стемпературного уровня 77 К на 111 К.

 

На рис.1. представлена принципиальная схема установки получения СПГ на основе турбодетандера и КГМ Стирлинга, которая может быть применена при модернизации уже существующих и на вновь строящихся ГРС.

 Магистральный газопровод                           Продукционный газопровод

 

 

                                                 ГГРг       газ низкого давления

 

                                                                        

                                                    

 

                                                          

                                                         Несжиженная часть газа

                                               

                                                                                      

 

 

 

 

                                       

                                                  

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.

 

 

В этом цикле получение СПГ после турбодетандера и в КГМ Стирлинга происходит параллельно: первоначально весь поток магистрального природного газа проходит через турбодетандер, часть его сжижается, а, несжиженная часть природного газа низкого давления разделяется на два потока: первый направляется для сжижения в конденсатор КГМ Стирлинга, второй в продукционную сеть. Эффективность применение КМГ Стирлинга в данной принципиальной схеме определяется тем, что в конденсатор КМГ поступает природного газа низкого давления с температурой близкой к температуре фазового перехода, что позволяет значительно уменьшать термодинамическую необратимость процессов сжижения и увеличивает производительность установки в целом.

Не менее перспективной является возможность создания установок по получению СПГ на основе стирлинг-технологий и на АГНКС, что позволит существенно сократить капитальные затраты за счет использования инфраструктуры и частично оборудования АГНКС. На магистральных и продукционных трубопроводах возможно создание установок получения СПГ с последовательным размещением турбодетандера, промежуточной расширительной емкости и КГМ Стирлинга (рис.2.).

Магистральный газопровод

   

 

 

 

                                               

 

 

                                                                                           СПГ

 

 

                                                           

                                                                                             

                                               

                                                   Рис. 2   

 

В этом случае, процесс сжижения природного газа осуществляется комбинированным методом, в котором сочетаются внутреннее и внешнее охлаждение ПГ. При этом, чем выше давление в газопроводе, тем меньше расходуется энергии на внешнее охлаждение в КГМ Стирлинга. Турбодетандер выполняет функцию предварительного расширения и охлаждения потока магистрального природного газа (0,5⁰ С на 1 атм.), что позволяет увеличить производительность и эффективность КМГ Стирлинга (за счет уменьшения термодинамических потерь в КГМ). Для снижения стоимости крупных установок СПГ, вместо турбодетандера, возможно включение дроссельного вентиля.

Малые и средне заправочные станции СПГ на основе стирлинг-технологий

Концепция создания малых и средних заправочных станций СПГ должна учитывать особенность транспортировки природного газа в России, а именно, наличие широкой сети продукционных газопроводов низкого давления (от 0,1 до 0,6 МПа) практически в каждом населенном пункте: от крупных промышленных городов до небольших поселков. Поскольку, производительность данных заправочных станций колеблется от 100 до 1000 л/ч СПГ, то при их создании могут быть применены только КГМ Стирлинга, обеспечивающие 100% сжижение газа низкого давления /7,8/ .

С 2001 года на одном из российский предприятий по техническим решениям автора создано мелкосерийное производство гаражных заправочных станций СПГ на основе КГМ Стирлинга – ЗИФ-1000, производительностью до 20 л/ч СПГ. Станция производится по ТУ РШФА.027239.002ТУ, имеет заключение промышленной безопасности, сертифицирована Госстандартом и допущена Госгортехнадзором РФ к применению (Разрешение на изготовление и применение №РРС-56-000104).

Технико-экономическая экспертиза, выполненная независимыми экспертами, показала высокую рентабельность производства СПГ на основе КГМ Стирлинга. Так, стоимость 1 л СПГ, полученного при серийном производстве модульных установок по сжижению ПГ на основе стирлинг-технологии не превышает 2 рублей, при этом окупаемость самих гаражных пунктов на основе КГМ Стирлинга составляет не более 2,5 лет /9/.

 Заправочные станции СПГ на основе

машин Вюлемье-Такониса (цикл «Стирлинг-Стирлинг»)

В условиях дефицита электрической энергии и при наличии подводящего газопровода низкого давления для создания заправочных станций СПГ перспективно применение теплоиспользующих криогенных газовых машин (ТКГМ) Вюлемье-Такониса, работающих по совмещенному циклу «Стирлинг-Стирлинг». Специфика машин этого типа заключается по существу в совмещении в одном агрегате криогенной машины и теплового двигателя, который предназначен для привода машины без промежуточного преобразования тепловой энергии в другие виды энергии. Цикл осуществляется за счет подвода теплоты от внешнего источника, в качестве которого используется теплота сгорания природного газа. Как показывает практика, машина Вюлемье-Такониса может эффективно работает на криогенном уровне до 15 К.

Рис.3 показано сопряжение прямого и обратного циклов Стирлинга в машине Вюлемье-Таконониса при сжижении природного газа:

 

                                    отработанные газы

                1

                                                                                Природный газ

 

                                                          Q_т

                                                                             цикл двигателя Стирлинга

 

                                                                                              Q_x

                        L              Q_дв

                                        Q_кгм

                                                                                                                                  2

                                                                                   цикл криогенной

                                                                                  машины Стирлинга

                                                        Q₀

                                                                               природный газ

 

                                                         СПГ

                              3              

 

Рис.3

1 – камера сгорания двигателя Стирлинга; 2 – промежуточный теплообменник; 3 – теплообменник нагрузки криогенной машины Стирлинга.

 

В настоящее время в этом направлении за рубежом работает несколько крупных фирм и научных организаций, среди которых фирмы “Stirling & Cryogenics”, «Viessmann», «Philips», технический университет в г. Калгари и т.д. Разработан целый ряд образцов машин, имеющих продолжительный ресурс и высокую надежность.

Специалистами ООО «ИИЦ «Стирлинг-технологии» разработано несколько схем сжижения природного газа с использованием машины Вюлемье-Такониса. На рис. 4 изображена автономная установка для получения СПГ на основе воздухоохлаждаемой ТКГМ (Патент РФ № 2159400).

Автономная установка состоит из машины Вюлемье-Такониса 1, в состав которой входит камера сгорания 2, промежуточный холодильник 3, теплообменник нагрузки (охладитель) 4. Движение и порядок распределения рабочего тела внутри машины 1 обеспечивается возвратно-поступательным движением поршневой группы двигателя и холодильной машины, образующий в совокупности ТКГМ Вюлемье-Такониса 1.

                                                                                                 10      

                      16

                                                                                                        9

12                             6

                         11             5               2  

13

                                                           3                                                     8       7

                                                           1

14                                                         

                                                                                           4    

 

                                                                                                         15

                                                           

                                                                                            

                                               

                                                

 

 

 

 

 

Рис. 4.

 

Автономная установка для получения СПГ работает следующим образом. В камеру сгорания 2 ТКГМ Вюлемье-Такониса 1 с помощью компрессора 8 подается воздух по магистрали 7 из окружающей среды, которой предварительно проходит через промежуточный теплообменник 3 и подогревается в теплообменнике 9, а также, природный газ по магистрали 5 через регулирующий клапан 6 из газопровода 16. Образовавшееся в результате сгорания теплота, передается рабочему телу двигателя машины Вюлемье-Такониса 1, за счет которого, используя возвратно-поступательное движение поршневой группы, генерируется холод криогенного уровня в теплообменнике нагрузки 4.

Отработанные газы из камеры сгорания 2 поступают в теплообменник 9, где остаточным теплом подогревают воздух, подаваемый в камеру сгорания 2, а затем удаляются в окружающую среду. Воздух, подаваемый компрессором 8, проходит через промежуточный теплообменник 3, охлаждая ТКГМ 1, подогревается в теплообменнике 9 и с помощью распределительного клапана 10 в необходимом количестве поступает в камеру сгорания 2. Природный газ из трубопровода 16 по магистрали сжижения 11, через регулирующий клапан 12, поступает в дроссельный клапан 13, после которого расширяясь, предварительно охлаждается, собирается в расширительной емкости 14 и поступает в теплообменник нагрузки 4, где сжижается за счет теплообмена с рабочим телом ТКГМ Вюлемье-Такониса 1. Затем сжиженный природный газ сливается в теплоизолированную емкость 15, предназначенную для хранения жидкого газа.

Заключение

Таким образом, применение стирлинг-технологий в области сжижения природного газа позволяет в кратчайшие сроки создать инфраструктуру производства СПГ для любых видов транспорта. При этом, как показала эксплуатация опытно-промышленных установок на основе КГМ Стирлинга, себестоимость получаемого СПГ примерно в 2,5 раза ниже стоимости традиционно применяемых нефтепродуктов.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Кириллов Н.Г. Сжиженный природный газ – универсальный энергоноситель XXI века: новые технологии производства.//Индустрия, №3 (29), 2002. – стр. 113- 118.

2. Кириллов Н.Г. Сжиженный природный газ: социальные, экологические и энергетические аспекты применения на транспорте.//Индустрия, №4(26), 2001. – стр. 59-63.

3. Седых А.Д., Роднянский В.М. Политика Газпрома в области использования природного газа в качестве моторного топлива. // Газовая промышленность. №10, 1999. – стр.8-9.

4. Природный газ как моторное топливо: СПГ или КПГ?. //Автомобильный транспорт, №5, 2002. – стр. 44-45.

5. Берго Б.Г., Карпов Е.В. Технология производства сжиженного природного газа./Потенциал, №1, 2001. – стр. 60-63.

6. Фофанов Г.А., Коробов Ю.П. Топливо для локомотивов – природный газ. //Железнодорожный транспорт. №14, 1998.- стр. 70-72.

7. Кириллов Н.Г. Концепция производства сжиженного природного газа для автотранспортных средств. //Химическое и нефтегазовое машиностроение. № 6, 2001. - стр. 17 -19.

8. Кириллов Н.Г. О создании инфраструктуры производства СПГ для автотранспортных средств в Российской Федерации. //Нефтегазовые технологии. № 3, 2001. – стр. 21-24.

9. Кириллов Н.Г. Индивидуальные и гаражные заправочные станции СПГ. /Газовая промышленность, № 9, 2001. – стр. 55-57.