Применение и получение сжиженного природного газа (СПГ) как перспективного топлива

Авторы: Е.А. Пинчук, Д.В. Рубцов

В настоящее время в связи с  удорожанием традиционных видов топлива, ужесточением экологических требований по выбросам загрязняющих веществ отработавшими газами автомобилей и целым рядом других факторов остро встал вопрос о применении альтернативных видов топлив, более дешёвых и образующих меньше загрязняющих веществ в процессе сгорания. Одним из наиболее перспективных видов альтернативного топлива является природный газ. Рядом статей и научных работ подтверждается экономическая целесообразность его использования. В недавнем прошлом был предан значительный импульс разработкам в области получения, хранения и использования СПГ транспортными средствами, по причине ряда преимуществ СПГ над компримированным природным газом (КПГ). К числу таких преимуществ можно отнести то, что СПГ в баке транспортного средства находится при атмосферном давлении, в отличие от КПГ, требующего высокопрочные баллоны, являющиеся потенциально опасными объектами; СПГ обеспечивает более высокую взрыво- и пожаробезопасность, плотность СПГ, по сравнению с КПГ, выше, что влечёт за собой увеличение удельной массы перевозимого топлива, а значит и дальности хода транспортного средства. Исходя из вышеперечисленных преимуществ ОАО «Уральский компрессорный завод», а так же целый ряд иностранных и российских компаний, развивает деятельность в области создания оборудования для получения, хранения и транспортировки СПГ, в том числе применительно к автомобилям и всей транспортной отрасли в целом.

Как известно природный газ более чем на 90% от единицы объёма состоит из метана, критическая температура которого порядка -83°С, из этого следует, что получение природного газа в жидком состоянии возможно только ниже указанной температуры. Для достижения максимальной плотности хранимого СПГ, при давлении близком к атмосферному, необходимо охлаждение природного газа до температуры -162°С. Достижение столь низких температур возможно только с использованием криогенного технологий и оборудования.

На данный момент, наиболее распространёнными и доступными способами получения СПГ являются:

1. Процесс сжижения за счёт холода, производимого газовой криогенной машиной Стирлинга;
2. Процесс, основанный на эффекте Джоуля-Томпсона реализуемый в дроссельном цикле;
3. Процесс, основанный на цикле высокого давления с применением детандера;
4. Процесс, основанный на цикле низкого давления с применением одного или более турбодетандеров.

Уральским компрессорным заводом ведётся ряд разработок по созданию станций сжижения природного газа, основанных на работе машины Стирлинга и цикле высокого давления с детандером, а так же разработка системы питания двигателя автомобиля КАМАЗ криогенным топливом.

При создании системы питания двигателя СПГ, одной из основных задач является выбор типа теплоизоляции топливного бака. На данный момент наиболее применяемыми видами теплоизоляции сосудов, содержащих низкотемпературные вещества, являются:

1. вакуумно-порошковая;
2. пенополиуретановая;
3. базальто-волоконная;
4. вакуумно-экранная.

Завод является одним из немногих предприятий России, обладающих наиболее эффективной технологией изготовления криогенных сосудов, к которым относится и топливный бак транспортного средства для СПГ. Бак, изготовленный, с применением вакуумно-экранной теплоизоляции обладает рядом неоспоримых преимуществ по сравнению с баками, использующих другие типы теплоизоляции. К таким преимуществам стоит отнести: длительный срок бездренажного хранения сжиженного газа, обеспечение максимально возможной пажаро- и взрывобезопасности и минимальные массо-габариные характеристики.

В настоящее время разрабатывается система газификации СПГ и дальнейшей подачи газа в двигатель транспортного средства. В ходе проводимой работы была определена принципиальная схема системы питания двигателя СПГ, представленная на Рисунке 1.

Рисунок 1 Система питания двигателя криогенным топливом

 

Работа системы, представленной на Рисунке 1, основана на принципе сообщающихся сосудов. При первоначальном пуске, СПГ за счёт давления столба жидкости из бака 1 поступает в газификатор 2, где газ переходит из жидкой фазы в газообразную. При этом давление газа возрастает до 3…3,5 атм. и препятствует дальнейшему поступлению сжиженного газа в газификатор 2. Далее газ через дроссель 3 воздействует на столб жидкости, находящейся в баке 1 и уравнивает давления над столбом жидкости и перед газификатором 2. При превышении давления газа над силой упругости пружины обратного клапана 4 газ поступает в теплообменник 5, где нагревается до температуры, необходимой для сгорания в двигателе. При превышении расчётного давления в баке, составляющего 4 атм. срабатывает автоматический клапан продувки 6 и происходит сброс избыточного давления через дренажное устройство (свечу) в атмосферу.

При практической реализации данной схемы предстоит решить несколько конструкторских задач, требующих повышенного внимания:

1. Обеспечение максимальной производительности газификатора;
2. Обеспечение подогрева газа до температуры необходимой для воспламенения;
3. Создания механизма управления подачей топлива.

На данный момент основными проблемами для дальнейшей практической реализации данной системы является отсутствие нормативно-технической документации, регламентирующей состав, работу, порядок технического обслуживания и ремонта систем питания двигателя СПГ, а так же качество сжиженного газа.