Эффективность применения ГМТ в сельском хозяйстве

Эффективность применения ГМТ в сельском хозяйстве

1Л.А. Гнедова, старший научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ», К.А. Гриценко, старший научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Н.А. Лапушкин, начальник лаборатории ООО «Газпром ВНИИГАЗ», к.т.н., В.Б. Перетряхина, старший научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ»

Рассмотрены вопросы использования компримированного и сжиженного природного газа в качестве моторного топлива автотракторной техникой, особенности перевода двигателей на воспламенение газового топлива от электрической искры или запальной дозы дизельного топлива. Показаны основные характеристики разработанных газовых и газодизельных тракторов. Проведено сравнение использования компримированного и сжиженного природного газа на тракторах типа К-700. Приведены технико-экономические характеристики применения различных топлив на тракторах.

__Ключевые слова:

природный газ, газобаллонное оборудование, передвижные автомобильные газовые заправщики, сельскохозяйственная техника.

тимулирующими факторами применения газомоторного топлива (ГМТ) на автотракторной технике являются снижение затрат на топливо и возможность улучшения экологических показателей для удовлетворения перспективных норм выбросов вредных веществ. Для сельскохозяйственных и лесных тракторов существуют Европейские экологические нормативы в соответствии с Правилами ЕЭК ООН № 96 (введены в 1995 г.), Директивой 97/68/ЕС (введена в 2002-2004 гг.), а также российские нормы в соответствии с ГОСТ 41.96-2011 «Единообразные предписания, касающиеся двигателей с воспламенением от сжатия, предназначенных для установки на сельскохозяйственных и лесных тракторах и внедорожной технике, в отношении выброса вредных веществ этими двигателями».

Интенсивный рост цены на дизельное топливо (ДТ) в 5 раз за последние 5 лет и ориентация отечественной нефтяной промышленности на экспортные поставки обусловили увеличение доли затрат на нефтепродукты в производстве сельскохозяйственной продукции в 3,7-4,7 раза. Сложившаяся ситуация стимулирует работы по применению природного газа в сельском хозяйстве в качестве моторного топлива.

В себестоимости сельскохозяйственной продукции расходы на топливо составляют 30...40 %. Тракторы являются основным потребителем дизельного топлива в сельском хозяйстве. Использование в сельскохозяйственном производстве более дешевого альтернативного моторного топлива - природного газа - позволит существенно повыситькоммерческую эффективность производства.

Отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания, использующих природный газ, по наиболее вредным компонентам в 1,5-5 раз менее опасны, чем выхлопы двигателей, работающих на жидких моторных топливах (рис. 1).

Рис. 1. Содержание токсичных компонентов в отработавших газах

Выполненные расчеты показывают высокую коммерческую эффективность переоборудования тракторов для работы на природном газе. Внутренняя норма доходности для различных тракторов составляет 5,7...22,4 % при норме дисконта 0,67 %, сроки окупаемости 5.19 мес.

В каждом хозяйстве, сельхозтехника которого подлежит переводу на природный газ, необходимо реализовать следующие мероприятия:

• сбор и обработка исходных данных о наличии, количестве и техническом состоянии переоборудуемой сельскохозяйственной техники;

• разработку оптимальной схемы заправки сельскохозяйственной техники природным газом;

• выполнение технико-экономического анализа эффективности перевода сельскохозяйственной техники на природный газ;

• работы по переоборудованию сельхозтехники, ее техническому обслуживанию и ремонту, подготовку персонала и т.д., а также поставку и монтаж газозаправочного оборудования, осуществляемые по хозяйственным договорам.

Переоборудование на ГМТ дизельных двигателей автотракторной техники проводится по следующим вариантам:

• для работы в газодизельном режиме;

• конвертация в монотопливные газоискровые двигатели с пониженной по сравнению с дизелями степенью сжатия.

Ввиду ограниченной сети автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) преимущество имеют газодизельные двигатели, которые при необходимости переключаются на дизельный режим.

При гарантированной ежедневной заправке газом с использованием передвижных газовых заправщиков (ПАГЗ) более эффективна конвертация дизелей в монотопливные газовые двигатели при полном замещении дизельного топлива газовым.

Исходя из этого, при разработке технологий переоборудования тракторов для работы на ГМТ необходимо обеспечить:

• снижение затрат на топливо при выполнении комплекса работ;

• сохранение или улучшение нормируемых энергетических и экологических показателей;

• требуемую длительность работы на одной заправке газом;

• агрегатируемость трактора с основным комплексом сельхозмашин;

• соответствие требованиям стандартов по безопасности труда и нормам воздействия движителей на почву;

• удобство проведения технического обслуживания;

• распределение массы тракторов по осям без ухудшения тягово-динамиче-ских показателей трактора и навесоспо-собности сельхозмашин;

• сохранение габаритов трактора в пределах нормируемых показателей;

• возможность использования аварийных мобилизационных люков и открывания окон кабины;

• возможность использования вала отбора мощности трактора для привода

26

активных рабочих органов мобильных и стационарных сельхозмашин.

Кроме того, у двигателя, работающего на компримированном природном газе (КПГ), необходимо сохранение всережимного регулирования частоты вращения коленчатого вала двигателя.

При конвертации находящихся в эксплуатации дизельных двигателей в газоискровые применяются два способа подачи газа: центральная инжекторная или эжекторная подача газа во всасывающий тракт и распределенная по цилиндрам инжекторная подача газа перед впускным клапаном.

Технология конвертации дизеля в газовый двигатель включает:

• расточку камеры сгорания в поршне для снижения степени сжатия до 12 с учетом результатов исследований по влиянию геометрии камеры сгорания на энергетические, экономические и экологические показатели газового двигателя;

• доработку впускных коллекторов для установки дроссельных узлов и электромагнитных клапанов распределенной подачи газа;

• установку свечей и узлов системы зажигания, датчиков частоты вращения, отметки ВМТ (верхняя «мертвая» точка), фазы зажигания, дроссельного узла на впускном тракте, доработку газового коллектора.

В ООО «Газпром ВНИИГАЗ» разработаны опытные образцы газовых и газодизельных двигателей для широкой линейки тракторов, а также «Руководство по организации и проведению переоборудования тракторов для работы на компримированном природном газе».

На Ногинском заводе топливной аппаратуры подготовлено производство и выпущена опытная партия топливных насосов для газодизельных тракторов МТЗ, ЮМЗ и ЛТЗ. В настоящее время имеется техническая возможность перевода на КПГ базовых моделей тракторов и автомобилей, используемых

в сельском хозяйстве, а также разработана техническая документация на переоборудование тракторов К-701, К-700А, Т-150К, ДТ-75, МТЗ-80/82, ЮМЗ-6, ЛТЗ-55 для газодизельного режима работы.

Модификации тракторов прошли государственные приемочные испытания. Начато внедрение тракторов, работающих на КПГ, в Ставропольском крае, Саратовской, Рязанской, Пензенской и Екатеринбургской областях.

Технические показатели газодизельных тракторов в сравнении с базовыми дизельными приведены в табл. 1.

Данные таблицы показывают, что газодизельные тракторы отличаются от базовых увеличенной эксплуатационной массой за счет установки газобаллонной аппаратуры на 7. 9 % при установке стальных баллонов и на 4,6. 6,2 % при установке металлокомпозитных баллонов. Мощность у газодизельных двигателей регулируется на одинаковую с дизельным двигателем величину, исходя из соображений обеспечения надежности и ресурса, хотя у газодизельного двигателя имеется возможность получить повышение мощности на 20.30 % за счет внешнего смесеобразования по газовой составляющей топлива.

У тракторного газодизельного двигателя при обеспечении всережимного регулирования применяются механические и электронные системы регулирования подачи газа и запальной дозы дизельного топлива. Механические системы проще по конструкции и дешевле, электронные системы обеспечивают оптимальное регулирование топливоподачи во всем диапазоне мощностных показателей, минимальные расходы дизельного и газового топлива, регулируемую величину запальной дозы, лучшие экологические показатели, адаптивность по теплонапря-женности деталей газодизеля.

Производительность тракторного агрегата при работе его двигателя в дизельном и газодизельном режимах

Таблица 1

Технические показатели газодизельных и базовых дизельных тракторов

Показатели К-701 К-702А Т-150К МТЗ-82 ЮМЗ-6КЛ ЛТЗ-55 ДТ-75

Базовый Газобаллонный Базовый Газобаллонный Базовый Газобаллонный Базовый Газобаллонный Базовый Газобаллонный Базовый Газобаллонный Базовый Газобаллонный

Номинальное тяговое усилие, кЩт) 50

Номинальная эксплуатационная мощность двигателя, кВт 198,5 198,5 158 172 121,5 121,5 55,1 55,1 45 45 37 37 66 66

Эксплуатационная масса трактора с баллонами, кг стальными металлопластиковыми 13500 14700 14340 12810 14000 13560 8135 8725 8590 3620 3815 3895 4070 2900 3040 6350 6800

Диапазон скоростей, км/ч 1,89...33,4 1,89...33,4 1,89...33,4 1,89...33,4 3,36...31,0 3,36...31,0 1,89...33,4 1,89...33,4 2,1...24,5 2,1...24,5 1,82...30,0 1,82...30,0 0,8... 12 0,8... 12

Расход топлива при номинальной мощности в дизельном режиме, кг/ч 51,8 51,8 38,0 38,0 29,0 29,0 13,5 13,5 10,7 10,7 9,2 9,2 16,2 16,2

Расход топлива при номинальной мощности на газодизельном цикле дизельного, кг/ч природного газа, м*/ч - 10 50,4 - 8,0 38,4 - 5,8 28,1 - 2,6 13,2 - 2,2 10,2 - 1,84 9,0 - 3,1 16

Длительность работы на одной заправке, ч на транспортных работах в том числе по газодизельному циклу на пахоте в том числе по газодизельному циклу 26 15 29,2 10,5 22 7,0 28,0 15 34,5 13,0 20,3 7,0 17.2 10.3 23.5 11,0 14.6 5,1 16,7 10 23,0 10.5 13.6 4,6 14,2 10 21,3 11,3 13,3 5,2 10 7,9 14,8 9,5 11,0 4,5 13,4 17,4 6

Число газовых баллонов / вместимость одного баллона, л - 18/50 - 18/50 - 10/50 - 4/51 - 4/51 - 3/51 - 7/50

Изготовитель газобаллонной аппаратуры Рязанский завод автомобильной аппаратуры, АО «Автосистема» Рязанский завод автомобильной аппаратуры, АО «Автосистема» Рязанский завод автомобильной аппаратуры, АО «Автосистема» АО «Автосистема» АО «Автосистема» АО «Автосистема» АО «Автосистема»

Разработчики газобаллонной модификации трактора ВНИИГАЗ, НЛПУМГ, ВИМ, АО «Автосистема», ППП «Дизельавтоматика»* ВНИИГАЗ, НЛПУМГ, ВИМ, ППП «Дизельавтоматика»* ВНИИГАЗ, НЛПУМГ, ВИМ, ППП «Дизельавтоматика»* ВНИИГАЗ, НЛПУМГ, ВИМ, АО «Автосистема», АО «НЗТА», ППП «Дизельавтоматика»* ВНИИГАЗ, НАТИ, ВИМ, АО «НТЗА» ВНИИГАЗ, НАТИ, ВИМ, АО «НТЗА» ВНИИГАЗ, НАТИ, ВИМ, ВгТЗ, АО «НТЗА»

* Модификации тракторов с микропроцессорной системой регулирования подачи газа.

28

практически одинакова. Коэффициент замещения дизельного топлива газовым возрастает пропорционально коэффициенту загрузки двигателя, при загрузке двигателя на 93 % коэффициент замещения достигает 90 %.

Наиболее эффективно переоборудование на ГМТ самого мощного трактора К-701. Срок окупаемости зависит от стоимости переоборудования и составляет от 5 мес. Для трактора МТЗ-82 с установкой четырех дорогих металло-композитных баллонов с общей стоимостью переоборудования 67 тыс. руб. срок окупаемости составляет 12 мес.

Ряд заводов и фирм предлагает на рынке собственные разработки тракторов, переведенных на ГМТ. В первую очередь это концерн «Тракторные заводы».

В последнее время наметился переход на использование сельскохозяйственной техникой сжиженного природного газа

(СПГ). При одинаковой величине одноразовой заправки применение СПГ по сравнению с КПГ обеспечивает следующие преимущества:

• габаритный объем баков для СПГ в 2,8-3,5 раза меньше габаритного объема секций газовых баллонов для КПГ;

• масса баллонов для КПГ в два (при металлопластиковых баллонах) и в пять раз (при стальных легированных баллонах) больше массы баков СПГ.

Для регазификации СПГ (перевод СПГ из жидкой фазы с температурой кипения -162 °С в газовую фазу) в бортовом теплообменнике в качестве теплоносителя используется охлаждающая жидкость системы охлаждения дизеля.

Отмеченные преимущества криогенной бортовой топливной системы подтверждены результатами испытаний образцов тракторов К-701 и МТЗ-82, работающих на СПГ (рис. 2, табл. 2).

Таблица 2

Сравнительные показатели применения КПГ и СПГ на тракторе К-700

Показатель К-700

На КПГ На СПГ

Тип базового двигателя Дизель

Способ воспламенения заряда От сжатия запальной дозы топлива

Число баллонов, ед. 18 1

Расход топлива жидкого, л/100 км газового, м3/100 км 15,6 49,3 15,6 49,3

Масса ГБО, кг 1 300 300

Вместимость газовых топливных систем, м3 210 360

Запас хода на одной заправке, час 4,3 7,3

Стоимость, руб. комплекта газовой аппаратуры комплекта баллонов доработки топливного насоса монтажа ГБО 26 400 36 000 3 000 5 000 26 400 100 000 3 000 5 000

Стоимость переоборудования, всего, руб. 70 400 134 400

Рис. 2. Трактор К-700 на КПГ

Однако выполненные расчеты пол- преимущество имеет КПГ. ной стоимости единицы работы тракто- Сравнительные показатели работы ра на различных топливах показывают, трактора на различных топливах пред-что без учета массогабаритных характе- ставлены в табл. 3 и на рис. 3 (в ценах ристик газобаллонного оборудования на 01.01.2015 г.).

Таблица 3

Сравнительные показатели работы трактора на различных топливах

Наименование ДТ КПГ СУГ СПГ

Цена топлива, долл. США / кг 0,64 0,21 0,33 0,412

Стоимость единицы работы, долл./кВт-ч 0,13 0,042 0,0688 0,0824

Срок службы двигателя, час 40 000 50 000 48 000 50 000

Стоимость двигателя, долл. 7 000 7 700 7 000 8 000

Стоимость единицы работы двигателя, долл./кВт-ч 0,00132 0,00123 0,00114 0,00128

Стоимость ремонтов двигателя, долл./кВт-ч 0,00025 0,000208 0,000208 0,0004

Стоимость эксплуатации, долл./кВт-ч 0,0025 0,0025 0,0025 0,004

Полная стоимость единицы работы, долл./кВт-ч 0,13407 0,0459 0,0726 0,088

Рис. 3. Полная стоимость единицы работы

Особенность работы автотракторной техники обусловлена тем, что заправка тракторов ГМТ должна проводиться непосредственно в поле. По мере окончания запаса топлива тракторы выдвигаются на край поля и заправляются от подъехавших газовых заправщиков (рис. 4). Для этого необходима организация рядом с полями пунктов заправки, имеющих твердое покрытие и необходимые подъездные пути и оборудованных в соответствии с правилами пожарной безопасности СП 156.13130.2014

Рис. 4. Схема мобильной заправки сельскохозяйственной техники

«Станции автомобильные заправочные. Требования пожарной безопасности».

Другая особенность заключается в том, что потребление топлива имеет резко выраженный сезонный характер, поэтому наиболее сложной задачей при переводе сельскохозяйственной техники на ГМТ является создание системы четкого и стабильного снабжения техники топливом.

ПАГЗ представляет собой транспортное средство

Рис. 5. ПАГЗ-1900-25-4-М1 (а) и ПАГЗ-5000-

для КПГ на базе тягачей различных марок. ПАГЗ оснащаются как отечественными, так и импортными баллонами различной вместимости. В настоящее время получили применение ПАГЗ с рабочим давлением 25 и 32 МПа.

Коэффициент опорожнения баллонов ПАГЗ определяет эффективность его использования. Отбор газа может производиться как путем использования перепада давления (бескомпрессорная заправка), так и с помощью размещенной непосредственно на ПАГЗ компрессорной установки.

При бескомрессорной заправке коэффициент опорожнения достигает 68 %, при использовании дожимного компрессора - до 95 %.

б

Однако при заданной грузоподъемности ПАГЗ установка компрессора требует соответствующего уменьшения массы баллонов и, как следствие, уменьшения количества перевозимого КПГ. Если допустить увеличение времени заправки потребителя, то компрессор может быть небольшим по габаритам. Именно по такому пути и пошел ряд разработчиков ПАГЗ. На ПАГЗ может использоваться небольшой (до 90 м3/ч) двухступенчатый компрессор разработки ООО «Компрессор» (г. Пенза).

Основной недостаток технологии применения КПГ - сложность его доставки к тракторам по грунтовым дорогам, в первую очередь, из-за большой массы ПАГЗ и относительно небольшой его вместимости. Поэтому как альтернатива компрессорной может быть

рассмотрена криогенно-компрессорная технология, суть которой заключается в том, что природный газ сжижается на газораспределительной станции (ГРС) за счет срабатывания перепада давления. В автоцистернах СПГ доставляется потребителю, переливается в передвижные регазификаторы, где регазифицирован-ный газ сжимается насосами до 20 МПа. Регазификаторы передвигаются по полям и заправляют тракторную технику КПГ аналогично ПАГЗ.

Для реализации криогенно-ком-прессорной технологии необходимы установка для сжижения природного газа на ГРС или АГНКС и передвижной криогенный регазификатор. Для транспортировки СПГ используются серийные криогенные автоцистерны (рис. 6).

б

Рис. 6. Криогенная автоцистерна ЦТП-25/0,6: а - общий вид; б - принципиальная пневмогидравлическая схема

а

Технические характеристики цистерны ЦТП-25/0,6

Вместимость, м3.................................................................................... 25

Рабочее давление, МПа........................................................................... 0,6

Масса перевозимого продукта, кг............................................................ 9 000

Масса порожней цистерны, кг

без тягача..................................................................................... 16 600

с тягачом..................................................................................... 23 700

Базовый тягач........................................................................ КАМАЗ-54112

Нагрузка, передаваемая полностью заправленной цистерной, кг

на дорогу от тележки цистерны......................................................... 16 500

на седельное устройство тягача.......................................................... 9 500

Нагрузка на сцепное устройство, кг......................................................... 15 500

Время бездренажного хранения, сут, не менее................................................. 5

При сравнении средств доставки ГМТ в компримированном и сжиженном состоянии до потребителя по

технико-стоимостным показателям доставка ГМТ в виде СПГ оказывается предпочтительней (табл. 4).

Таблица 4

Сравнительные характеристики средств транспортировки КПГ и СПГ

Средства транспортировки ПАГЗ 5000-25 ПАГЗ 2500-25 ЦТП-16/1,6 ЗПП-8/0,25

КПГ СПГ

Количество газа в баллонах, м3 5000 2700 8700 4300

Максимальное давление, МПа 25 25 1,6 0,25

Общее количество газа, заправляемого потребителю, м3 3100 1600 8700 4300

Объем одной заправки, м3 160 160 320 320

Количество заправок от одной установки 19 9 26 1

Количество одновременно заправляемых потребителей 3 2 5 2,5

Время заправки потребителя, мин 12 12 12 12

Стоимость, тыс. руб. 4500 3600 2900 1300

Может быть рассмотрена возможность использования стандартного криогенного резервуара меньшей стоимости с СПГ на борту трактора вместо передвижного криогенного рега-зификатора. Это позволит по сравнению с использованием КПГ увеличить длительность работы трактора на одной заправке и уменьшить массу топливной системы, соответственно снизив нагрузку трактора на почву.

Однако использование СПГ имеет и некоторые недостатки:

• эксплуатация транспорта на СПГ более сложна, чем на КПГ, из-за испаряемости СПГ и ограниченного срока его хранения на борту транспорта, поэтому работа с СПГ предъявляет более высокие требования к техническому уровню обслуживающего персонала;

• стоимость переоборудования транспорта на СПГ примерно вдвое дороже.

Для формирования рынка сбыта ГМТ в сельском хозяйстве необходимо составить долгосрочные программы, включающие следующие мероприятия:

• разработку методов стимулирования предприятий, использующих природный газ в качестве моторного топлива, включая налоговые и др. льготы на региональном уровне;

• включение газозаправочного оборудования в государственный реестр сельскохозяйственной техники и оборудования для реализации производителям сельскохозяйственной продукции на условиях финансовой аренды (лизинг);

• включение оборудования для использования природного газа в качестве моторного топлива в перечень оборудования, приобретение которого субсидируется из федерального бюджета;

• разработку нормативно-правовых и методических документов по вопросам использования природного газа в качестве моторного топлива для обеспечения нормативно-правовой базы перевода сельхозтехники на природный газ;

• модернизацию существующей сети АГНКС и ее дальнейшее развитие в субъектах Российской Федерации.

Для оценки эффективности инвестиций в реализацию переоборудования сельскохозяйственной техники на ГМТ, осуществляемого в рамках региональных программ, предлагается алгоритм, использующий метод «денежных потоков» [1] и учитывающий следующие показатели:

• стоимость комплекта газоисполь-зующего оборудования и работ по его установке;

• экономию от замещения традиционного топлива на ГМТ;

• амортизационные отчисления;

• затраты на эксплуатацию и ремонт газоиспользующего оборудования;

• накладные расходы, а также налоги на прибыль и имущество.

Использование метода «денежных потоков» дает представление о формировании объемов экономии во времени в денежном выражении.

Литература

1. Малёнкина И.Ф., Ровнер Г.М., Мкртчан Я.С. Система обеспечения эффективного развития и эксплуатации сети метановых автозаправочных станций. - М.: «Нефть и газ» РГУ им. И.М. Губкина, 2005. - 272 с.