УДК 621.643
ПРИРОДНЫЙ ГАЗ ВМЕСТО ЖИДКИХ ВИДОВ ТОПЛИВА
№28,
Технические науки
Нуруллин Алмаз Хамисович
Ключевые слова: ПРИРОДНЫЙ ГАЗ; НИЗШАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ; ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНАЯ СМЕСЬ; ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ; СЖАТЫЙ ПРИРОДНЫЙ ГАЗ; NATURAL GAS; LOW HEAT OF COMBUSTION; FUEL-AIR MIXTURE; OPERATION OF GAS ENGINES; COMPRESSED NATURAL GAS.
Наша страна располагает большими запасами высококачественного моторного топлива, не требующего для использования в двигателях никакой химической переработки. Речь идет о природном газе. Как моторное топливо природный газ в натуральном виде превосходит нефтяное топливо. При использовании его в транспортных двигателях обеспечиваются высокие технико- экономические показатели таких машин, так как природный газ имеет хорошие антидетонационные качества, благоприятные условия смесеобразования и широкие пределы воспламенения в смеси с воздухом. По-видимому, по этой причине первые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) делались для работы именно на газе.
Природный газ в основном состоит из метана с примесью других углеводородов и инертных газов. Примерный состав природного горючего газа может характеризоваться следующими значениями (%по объему); метан-85-99, этан- 1,0-8,0, пропан, бутан- 0,5-3: азот- 0,5-0,7; углекислота- до 1,8. Октановое число(ОЧ) основного компонента газа- метена имеет значение 104 единицы (ОЧ/М), тогда как у бензина «Экстра» лишь 95.
Низкая теплота сгорания природных газов высокая- до 47000 кДж/м3. По теплоте сгорания 1 м3 природного газа эквивалентен 1,0-1,12 л бензина.
Низшая теплота сгорания природного газа средневзвешенного состава при стандартных условиях (температура t=20 °С и давление р = 0,1013 МПа) равняется 34 622 кДж/м3. При стандартных условиях (t=0 °С и р=0,1 МПа) она составляет 37 044 кДж/м3. Природный газ месторождений характеризуется различным составом. В зависимости от состава природного газа изменяются его теплотехнические характеристики.
Большая часть природных газов обладает высокой теплотой сгорания стехиометрической топливно- воздушной смеси (у бензина 3570, у дизтоплива 3470), что делает особенно желательным их применение в качестве моторного топлива. Эти особые свойства газа в сочетании с доступностью определили его широкое использование в газовой промышленности в качестве моторного топлива для поршневых газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и газовых мотор-генераторов, созданных ВНИИГАЗом совместно с отечественными дизелестроительными заводами. Суммарная мощность таких двухтактных и четырех-тактных поршневых машин с искровым и форкамерно-факельным зажиганием составляет около 1 млн. кВт, а диапазон мощностей лежит в пределах от 3,5 до 3500 кВт.
На основе многолетнего опыта ВНИИГАЗом для указанных двигателей рекомендуется принять степень сжатия до 12,5 а в отдельных случаях до 14 и наддув до 0,06 МПа, что обеспечит увеличение мощности на 25-30% по сравнению с базовым автомобильным двигателем.
Обобщение н анализ многолетнего опыта эксплуатации поршневых газовых двигателей на различных объектах газовой промышленности свидетельствуют о высокой эффективности газового топлива в указанных двигателях. Достаточно отметить, что коэффициент полезного действия газовых двигателей ηe достигает 38 40 % в широком диапазоне режимов. Для сравнения укажем, что ηe бензинового двигателя составляет лишь 30- 35 % и только на наиболее экономичных режимах работы.
B цилиндрах двигателей сгорает топливно-воздушная смесь, для приготовления которой применяется весьма сложная топливная аппаратура. Особенно усложнено приготовление смеси для бензиновых двигателей при низких температурах атмосферного воздуха вследствие того, что бензин в этих условиях плохо испаряется. При газовом топливе приготовление равномерной смеси не вызывает труда.
Кроме перечисленных, природный газ, как будет показано далее обладает еще рядом специфических свойств, в частности широкие пределы воспламенения, которые вместе с отмеченными показателями дают основания для конструирования двигателей с повышенными показателями по мощности и топливной экономичности.
На износ бензиновых двигателей существенное влияние оказывает проникновение в цилиндры неиспарившихся частиц топлива, которые смывают смазку со стенок цилиндров, вызывают их коррозию и износ. В изделиях, кроме того, наблюдается образование при сгорании частиц углерода, вызывающих абразивный извоз и ухудшающих смазку. В газовых двигателях эти явления отсутствуют, что, помимо уменьшения износа, обусловливает значительное увеличение срока службы смазочного масла, уменьшение его расхода.
Обобщение и анализ многолетнего опыта эксплуатации газовых двигателей на различных объектах газовой промышленности, выполненные ВНИИГАЗом, свидетельствуют о том, что при переходе с жидкого топлива на газообразное срок службы двигателя до капитального ремонта возрастает в 1,5 раза, а сроки смены масла увеличиваются в 2 раза, что в масштабах страны обеспечит многомиллионную экономию.
Выявились и другие положительные стороны газовых двигателей. Однако главным недостатком природного газа как моторного топлива является очень низкая объемная концентрация энергии. Если теплота сгорании одного литра жидкого топлива разна примерно 31426, то у природного газа при нормальных условиях она равна 33,52- 35,62 кДж, т. е. почти в 1000 раз меньше В этой связи для использования запаса газа как моторного топлива на транспортном средстве его надо предварительно подготовить:
-сжать да высоких давлений 20-25 МПа и более (КПГ) и заправить им специальные баллоны;
-сжижить природный газ (СПГ) охлаждением до — 162 °С и заполнить им теплоизолированные емкости;
-получить из природного газа жидкость – метанол.
Как показывает проведенный во ВНИИГАЗе анализ, энергетические затраты на получение КПГ в 2-3 раза меньше, чем на СПГ.
Кроме применения природного газа в качестве моторного топлива в сжатом, сжиженном и жидком состоянии предпринимались попытки, правда неудачные, применить его при нормальном давлении, Для этих целей на крыше автобуса устанавливался громадный резиновый баллон (газгольдер), в котором природный газ находился при атмосферном давлении (рис. 1). Несмотря на внушительные размеры этого газгольдера, количество газа в нем эквивалентно по энергоемкости 3 -4 л бензина, что естественно, сводит на нет преимущество таких установок.
Рис.1. Автобус с резиновым баллоном на крыше для газа низкого давления
Различные методы хранения газа на транспортном средстве характеризуются показателями энергоемкости единицы хранения в таре. К таким показателям относятся удельные теплоты сгорания топлива, отнесенные: на единицу массы хранения топлива c тарой (кДж/кг), на единицу габаритного объема хранения (кДж/м3). Кроме того, следует учитывать затраты на подготовку газа при соответствующем виде хранения.
На значения показателей энергоемкости хранения сжатого природного газа в основном влияют два фактора: давление сжатия и применяемый материал баллонов. В СССР выпускались баллоны из углеродистых и легированных сталей на давления 15 -32 МПа.
Давление газа в баллоне в основном влияет на габаритные показатели хранения. Масса же тары при увеличении давления растет почти пропорционально увеличению плотности сжатого газа, вследствие чего снизить этим способом вес транспортного средства не удается. Для снижения общей массы устройств для хранения сжатого природного газа наиболее эффективно применение баллонов из специальных конструктивных материалов. Замена углеродистой стали на легированную позволяет снизить массу баллонов на 30- 33%.
Однако, несмотря на то, что применяемые в современной практике баллоны пока тяжелы, они полностью обеспечивают средне-суточный пробег автомобиля и могут применяться повторно при списании автомобиля. В некоторых отраслях техники применяются армированные пластмассовые сосуды, которые легче стальных в 4 -4,5 раза. В этом случае массовый показатель хранения КПГ хотя н остается ниже, чем у бензина, но отличается от него на величину малосущественную в практике.
Лучшими показателями хранения обладает сжиженный природный газ (СПГ), Поскольку температура его кипения 111 К, для хранения нужны сосуды с высокоэффективной тепловой изоляцией стенок. В качестве такой изоляции применяют пенопласт, керамику, вакуумированную прослойку. Наиболее эффективной является вакуумированная керамическая изоляция. Промышленностью СССР выпускались сосуды Дюара шаровой и цилиндрической формы, объемом 5, 16, 25, 100 дм3. Сосуды изготавливаются из алюминиевого сплава с двойными стенками, пространство между которыми вакуумируется.
При более высоких показателях этот способ требует больших затрат на подготовку, Кроме того, при заправке в емкость теряется около 3 % газа на испарение, имеются постоянные потери на испарение и при хранении, которые могут доходить до нескольких процентов в сутки.
Наиболее просто осуществляется хранение метанола. Он может заливаться в емкости, аналогичные бензиновым. Однако вследствие низкой по сравнению с бензином теплоты сгорания (22 207 кДж/кг) метанол имеет худшее, чем бензин, показатели хранения. Кроме того, современная технология производства метанола требует значительных энергетических затрат, что не дает ему, несмотря на простоту хранения, безусловных технико-экономических преимуществ перед первыми двумя способами подготовки газа.
Несмотря на сложности, связанные с хранением моторных топлив на основе газа на транспортных средствах, значительная экономия нефтяного сырья за счет замены традиционных топлив, а также меньшие затраты на их производство дают основания для широкого применения газовых топлив в ближайшей перспективе.
Список литературы
- Автомобильные газонаполнительные компрессорные станции/ Ф. Г. Гайнуллин, Ю. Н. Васильев, Л. С. Золотаревский, В. А. Маковский. — Газовая промышленность, 1983, № 4, с. 41-43.
- Генкин К. И. Газовые двигатели. М., Машиностроение, 1977.
- Гриценко А. И., Васильев Ю.Н., Кобляков А. Н.. Использование расширительных машин для производства моторных топлив из природного газа. Повышение эффективности и надежности газотранспортных систем (Тр. ВНИИ- ГАЗа), 1982, с. 95-107.
- Моторные топлива из природного газа/ Ф.Г. Гайнуллин, А.И.Гриценко, Ю.Н. Васильев, Л.С. Золотаревский.-Экспресс-информация. Изд. Мингазпрома, 1982, вып. 5,с. 4-18.
- Использование сжатого природного газа (КПГ) в качестве моторного топлива для автомобилей/ Ф.Г. Гайнуллин, А.И. Гриценко, Ю.Н. Васильев, Л.С. Золотаревский, В.А. Маковский.- Обзорная информация, сер. Использование газа в народном хозяйстве,1983, вып.5.
- http://inethub.olvi.net.ua/ftp/library/share/homelib/spec07/transgaz.djvu#1