Факторы, предопределяющие выбор энергоносителя для силовых агрегатов горной и транспортной техники карьеров Якутии

Факторы, предопределяющие выбор энергоносителя для силовых агрегатов горной и транспортной техники карьеров Якутии

П.И. Тарасов, канд. техн. наук, зам. директора по научной работе, ООО «Перспектива-М» (Екатеринбург) М.Л. Хазин, докт. техн. наук, профессор, ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет» (УГГУ) В.В. Фурзиков, зам. начальника Департамента разработки нового семейства дизелей ООО «Уральский дизель-мотор^_

В настоящее время основная часть добываемой нефти перерабатывается в моторные топлива, примерно половина которого расходуется наземным, водным и воздушным видами транспорта, оснащаемыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС). На протяжении длительного времени в некоторых странах мира наблюдается дефицит жидкого нефтяного моторного топлива. Имеющиеся резервы повышения экономичности транспортных ДВС не могут перекрыть его дефицита по следующим причинам [1]:

- 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 каждый переводимый автомобиль 40%, позволит уменьшить удельный расход жидкого топлива в автомобильном транспорте не более чем на 15-20%, что также не устраняет проблемы общего дефицита нефтяного топлива. Дефицит жидкого нефтяного моторного топлива, а также

высокое загрязнение воздуха продуктами его сгорания 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 транспортировки газа.

В настоящее время использование природного газа в качестве моторного топлива на различных видах транспорта вошло составной частью в энергетическую стратегию России [2].

Специалисты в области энергетики пришли к выводу: эпоха нефти заканчивается, наступает эпоха использования природного газа, где его доля в общемировом балансе потребления энергоносителей неуклонно возрастает (рис. 1) [3].

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

- разведанные мировые запасы природного газа существенно превышают запасы нефти;

- актуальность замещения нефти другими видами 1970 энергоносителей для ее высвобождения в интересах тех отраслей хозяйства, где она не может рис. 1 быть заменена;

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

- более высокие потребительские качества как энергоносителя или сырья, за счет более низкой стоимости по сравнению с нефтью;

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

Сегодня в России природный газ - это одно из основных составляющих топливно-энергетического баланса, где на его долю приходится значительная часть потребления на транспорте [4, 5]. С точки зрения запасов и объемов добычи природного газа Россия продолжает оставаться крупнейшей мировой державой. Каждый четвертый кубометр газа, поставленный на мировые рынки, добыт в России, при этом с каждым годом наблюдается сокращение темпов роста добычи нефти. Вместе с согласованным сокращением добычи нефти странами ОПЕК, начиная с 2017 г. последует пропорциональное сокращение производства моторных топлив в нефтеперерабатывающей отрасли (дизельное топливо, бензин, мазут, сжиженный углеводородный газ) [6].

Одним из направлений стратегического развития Российской Федерации может быть освоение месторождений, находящихся на Арктических и Северных территориях, Дальнего Востока и Якутии (рис. 2).

1980 1980 2000 2010 2020 2030 2040 2050

Структура первичного энергопотребления по видам энергоносителей

Рис. 2

Территория Республики Саха (Якутия) - район опережающего развития с расположенными нефтегазоконденсатными месторождениями [7]

Территория Якутии имеет важное стратегическое значение, т.к. здесь сконцентрированы большие запасы углеводородного сырья и ценных полезных ископаемых, добыча которых будет проводиться в ближайшем будущем. В связи с этим уже сегодня необходимо выполнять конструкторские разработки перспективных энергосиловых установок для широкого ряда горнодобывающей техники и транспортных средств, предназначенных для освоения ресурсов на территории Якутии в XXI веке.

При этом значительное влияние на выбор энергоносителя будет оказывать районирование по рекомендованным энергоносителям и развитость необходимой инфраструктуры, т.е. газораспределительных сетей (система наружных газопроводов от источника до ввода газа потребителям, а также сооружения и технические устройства на них) и т.д. (рис. 3).

На текущее время существует комплекс факторов, определяющих перспективы применения газового топлива на транспорте (см. таблицу).

Анализ данных таблицы показывает, что наиболее вероятным энергоносителем для карьерной техники может служить природный газ [8, 9] и электроэнергия, вырабатываемая ГЭС, газопоршневыми и газотурбинными элек-тростанциями,работающими на природном газе. Что касается водорода и топливных элементов, то их применение находится в стадии исследования и развития и, безусловно, займет достойное место на определенном этапе развития общества.

Для внедрения различных энергоносителей в РФ, и прежде всего в Якутии, необходимо изучить и аргументированно определить территории, где в

первую очередь следует применять тот или иной энергоноситель. Общеизвестно, что для масштабного применения любого энергоносителя необходима развитая инфраструктура. Например, для использования электроэнергии нужны не только электростанции, но и развитая система линии электропередач. В Западной Якутии имеется переизбыток электроэнергии при недостаточном количестве ее потребителей. Необходимо создать систему ЛЭП, позволяющих передавать избыточную часть электроэнергии в другие регионы РФ. В то же время недостаточное внимание в этом регионе уделяется развитию электрифицированного транспорта: железнодорожного и троллейвозного. Потребность, условия, эффективность и другие факторы присутствуют, но нет программы развития этих видов транспорта. Следовательно, необходимо детально разработать систему использования электроэнергии.

В частности, нами предлагается для транспортировки горной массы на большие расстояния (фактически существующие - 20 км, проектные - 180 км) в условиях ГОКов Якутии использовать электротранспорт (троллейвозный, железнодорожный), что более выгодно по эксплуатационным расходам. Для снижения капитальных затрат на создание соответствующей инфраструктуры на якутских территориях, которые еще не скоро впишутся в систему РЖД, нами предлагается строить «облегченные» железные дороги нормальной колеи 1520 мм; сооружать транспортные коридоры, позволяющие объединить различные регионы Якутии; муль-тимодальные системы, охватывающие территорию расположенных здесь месторождений твердых полезных ископаемых. На тех территориях, где нет возможности использовать электротранспорт - в качестве главного энергоносителя использовать природный газ.

Городской

газопровод

Газ из магистрали

ГРС

АГНКС

до 0,6 МПа

№

Потребители

низкого

давления

Ь 11

ГРПШ

Квартальный (поселковый) газопровод

ГРП

Р.™ =1.8 кПа

Потребители среднего (высокого) давления

гнпн

Потребители низкого давления

Рис. 3

Схема газораспределительной сети:

АГНКС - автомобильная газонаполнительная компрессорная станция; ГРП - газорегуляторный пункт; ГРС - газорегуляторная станция; ГРПШ - газорегуляторный пункт шкафной.

Факторы, определяющие применение энергоносителей на карьерном транспорте

Виды энергоносителей Факторы

технологический технический экономический экологический безопасность

Дизельное топливо (ДТ) Инфраструктура применения ДТ на карьерах разработана и применяется Диапазон мощности применяемой карьерной техники на ДТ до 3000 кВт Высокая стоимость доставки. Стоимость на рынке и запасы зависят от цен на нефть Низкая экологическая безопасность; Высокая шумность работы двигателей Технология применения ДТ в карьерах разработана и широко распространена

Бензин Инфраструктура применения бензина на карьерах разработана и применяется Применяется на технологическом транспорте мощностью до 200 кВт Высокая стоимость доставки. Стоимость на рынке и запасы зависят от цен на нефть Низкая экологическая безопасность; Низкая шумность работы двигателей Технология применения бензина в карьерах разработана и широко применяется

Электроэнергия Инфраструктура применения электричества для карьерной техники глубоких карьеров не разработана Соответствует потребностям Низкая стоимость производства, но достаточно высокая стоимость создания инфраструктуры в карьере Применение экологически безопасно Технология применения электроэнергии в карьерах разработана

Сжиженный углеводородный газ (СУГ)1 Инфраструктура применения СНГ на карьерах не разработана Применяется на технологическом транспорте с агрегатами, мощностью до 200 кВт Высокая стоимость доставки. Стоимость и запасы зависят от цен на нефть Высокая экологическая безопасность; Низкая шумность работы двигателей Применение СУГ в карьерах - небезопасно

Компримированный природный газ (КПГ)2 Инфраструктура применения КПГ на карьерах не разработана Диапазон мощности двигателей карьерной техники - до 1000 кВт Низкая стоимость; Относительно малый пробег транспорта на одной заправке Высокая экологическая безопасность; Низкая шумность работы двигателей Применение КПГ в карьерах - безопасно

Сжиженный природный газ (СПГ)3 Инфраструктура применения СПГ на карьерах не разработана Диапазон мощности двигателей карьерной техники - до 1000 кВт Низкая стоимость; Относительно малый пробег транспорта Высокая экологическая безопасность; Низкая шумность работы двигателей Применение СПГ в карьерах - безопасно

Водород4 Инфраструктура применения водорода на карьерах не разработана Ведутся опытные разработки Относительно низкая стоимость получения Экологически безопасно Ведутся опытные разработки

Топливный элемент5 Инфраструктура применения топливных элементов на карьерах не разработана Ведутся опытные разработки Относительно низкая стоимость получения Экологически безопасно Ведутся опытные разработки

1 Сжиженный углеводородный газ (СУГ) - смесь сжиженных под давлением легких углеводородов с температурой кипения от -50° до 0°С. Основные компоненты: пропан, изобутан и Н-бутан. Взрыво- и пожароопасные, тяжелее воздуха (могут скапливаться в естественных и искусственных углублениях). Применение в карьерах - опасно.

2 Компримированный природный газ (КПГ) - сжатый природный газ, используемый в качестве моторного топлива. Хранение и транспортировка КПГ происходят в специальных носителях под давлением 200-220 бар (газовые баллоны высокого давления). Основную часть природного газа составляет метан (СН4) от 70 до 98%. Метан легче воздуха и практически сразу испаряется, быстро улетучивается в атмосферу, растворяясь.

3 Сжиженный природный газ (СПГ) - природный газ, искусственно сжиженный путем охлаждения до-160°С для удобства хранения и транспортировки. При сжижении уменьшается в объёме примерно в 600 раз.

4 Водород - легкий бесцветный газ, в смеси с воздухом или кислородом - горюч и взрывоопасен. Водород в Земной коре находится в виде соединений;лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005% по объёму для сухого воздуха).

5 Топливный элемент - электрохимическое устройство, в котором вещества для химической реакции подаются в него извне. Осуществляется превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные (с большими потерями) процессы горения.

Источниками газового моторного топлива должны стать отдельные малые месторождения газа, не включенные в систему региональной газораспределительной сети, а также месторождения, находящиеся на завершающей стадии эксплуатации, включая и такие, дальнейшее использование которых для добычи газа стало экономически нерациональным.

На современном этапе могут быть изменены и рассмотрены другие определяющие факторы при выборе энергоносителя для силовых агрегатов карьерной и другой горнодобывающей техники. Такой выбор энергоносителя носит временный характер на ближайшие 10-20 лет, дальнейшие перспективы определяться развитием науки и техники.

Соответственно, уже сегодня необходимо сконцентрировать усилия науки, конструкторов и проектировщиков разных отраслей на разработке перспективных энергетических агрегатов для горнодобывающей техники, транспортных средств, предназначенных для освоения Северных и Аркти-

ческих территории РФ в XXI веке.

Расположение месторождений и их группировка будут определять развитие инфраструктуры всей территории, включающей сеть газораспределительных станций, прокладку ЛЭП, строительство автомобильных и железных дорог.

В настоящее время вопросами использования газового энергоносителя занимаются как отдельные предприятия (Ковдорский ГОК, АК «АЛРОСА»), промышленные корпорации (ПАО «Газпром» и его территориальные представители), так и целые регионы (Кузбасс, Якутия) и другие.

Подводя итоги вышеизложенного анализа, на обсуждение специалистов заинтересованных отраслей предлагаются следующие вопросы:

1. Задача устойчивого снабжения дизельным топливом особенно остра для предприятий Дальнего Востока, Арктических и Северных территорий РФ, - наиболее удаленных от центров нефтепереработки и производства нефтепродуктов;

2. Эти же территории наиболее близко расположены к порту Саббета, где налажено производство СПГ, которое позволит обеспечить газом все северное и дальневосточное побережье РФ и заменить нефтяные виды топлива;

3. Значительная доля парков легкового и хозяйственного транспорта на рассматриваемой территории может быть обеспечена нефтяным топливом (бензин, СУГ) и природным газом местного производства;

4. Одним из мощных стимулирующих факторов в применении газомоторного топлива в силовых установках и агрегатах карьерной и горнодобывающей техники, становится низкий уровень выбросов вредных веществ с отработавшими газами. Простои в работе карьера из-за загазованности рабочего пространства выхлопными газами связаны с работой силовых агрегатов карьерной техники, использующей дизельное топливо [10-12]. Немалый экономический ущерб, кроме простоев карьера из-за загазованности рабочего пространства, приносят и размеры возмещения за вредные условия труда работникам таких карьеров в форме надбавок к зарплатам, компенсаций, дополнительных отпусков и других мер.

5. Внедрение природного газа в качестве топлива на горной технике (карьерные самосвалы, гусеничные транспортеры, экскаваторы, дробилки и т.д.) поможет заметно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду от горных работ.

Учитывая многофакторность модели газификации технических средств на горных работах, мы считаем своей целью объединение усилий всех специалистов, работающих в разных направлениях газификации (добыча, переработка, га-

зораспределительные сети и т. д.), для комплексного и ускоренного решения этой актуальнейшей задачи на государственном уровне. Начинать необходимо с разработки «Программы использования различных энергоносителей».

Осознавая острую необходимость использования газовых энергоносителей, в первую очередь на горнодобывающих предприятиях, нами - представителями горнодобывающих, машиностроительных и железнодорожных организаций - предлагается включить эту тематику в обсуждение в рамках очередного «Круглого стола» на конференции «Неделя Горняка», которая будет проводиться в Горном Институте НИТУ МИСиС.

Информационные источники:_

1. Национальная Газомоторная Ассоциация. [Электронный ресурс]. - URL: httD://navrus.ru

2. Распоряжение Правительства РФ от 13.11.2009 №1715-р «Об Энергетической стратегии России на период до 2030 года».

3. BP Statistical Review of World Energy, June 2016.

4. Грязнов М.Б. Применение газомоторного топлива в Российской Федерации: проблемы и перспективы // Вестник финансового университета. - 2013. - № 4. - С. 21-31.

5. Николайчук Л.А., Дьяконова В.Д. Современное состояние и перспективы развития рынка газомоторного топлива в России //Интернет-журнал «Науковедение», - 2016. - Т. - 8, - № 2.

Ш&/йшПокУйшеШШ/ШШ2йШ.

6. Россия и другие производители нефти снизят добычу вслед за ОПЕК. - URL: hftD://www.rbc.ru/rbcfreenews/584c36429a79471044da71c9

7. http://www. old.sakha.aov.ru. Официальный информационный портал Республики Саха

8. Тарасов П.И., Хазин М.Л., Фурзиков В.В. Применение природного газа в качестве моторного топлива техники горнодобывающих предприятий // Горная промышленность. - 2017. -№1 (131). - С. 66-68

9. Тарасов П.И., Хазин М.Л., Фурзиков В.В. Природный газ - перспективное моторное топливо карьерного автотранспорта для районов Севера // Горная промышленность. - 2016. - №6 (130). -С. 51-52.

10. Шешко Е.Е. Эколого-зкономическая оценка карьерных транспортных машин нового поколения // Горные науки и технологии. - 2013. - № 5. - С. 108-116.

11. Pronk A., Coble J., Stewart P. A. Occupational exposure to diesel engine exhaust: a literature review //Journal of exposure science and environmental epidemiology. - 2009. - Т. 19. - №. 5. - С. 443-457

12. Feng Y., Dong Z, Yang J. Performance modeling and cost-benefit analysis of hybrid electric mining trucks //Mechatronic and Embedded Systems and Applications (MESA), 2016 12th IEEE/ASME International Conference on. - IEEE, 2016. - P. 1-6.

Г4 ГОРНОЕ ДЕЛО

ТЕХНОЛОГИИ. ОБОРУДОВАНИЕ. СПЕЦТЕХНИКА

Генеральный

информационный

партнер

КАУЧШМПНМЕСКНЙ И ПРОИЗВОДСТШМЫЙ ЖУРНАЛ

ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

ОБОРУДОВАНИЕ. СПЕЦТЕХНИКА

$ Ш

17-19/ Ю/ 2017

Екатеринбург prom@expograd.ru +7 (343) 328-15-17