Основные принципы построения городской сети газоснабжения автотранспорта

Основные принципы построения городской сети газоснабжения автотранспорта

Я.С. Мкртычан, профессор, гл. научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ», д.т.н.

Приведены основные принципы построения системы газоснабжения автотранспорта в крупных городах. Особое внимание уделено вопросам создания густой сети небольших станций для заправки природным газом многочисленного городского транспорта: легковых автомобилей, мало- и среднетоннажных грузовиков и микроавтобусов.

Ключевые слова: компримированный природный газ (КПГ), сжиженный природный газ (СПГ), сжиженный углеводородный газ (СУГ), автомобильная газонаполнительная компрессорная станция (АГНКС), автомобильная газонаполнительная станция (АГНС), автомобильная газозаправочная станция (АГЗС).

Созданная в нашей стране за период с 1983 г. и по настоящее время сеть АГНКС по существу является внегородской, так как в основном состоит из мощных АГНКС-500 и АГНКС-250 (186 из 246 станций), и обеспечивает КПГ преимущественно крупнотоннажный грузовой транспорт и автобусы. В большинстве случаев эти АГНКС с учетом обеспечения безопасности, возможности выделения огромных земельных участков для их размещения и удаления от внешних зданий и сооружений, а также необходимости подключения к высоконапорным газораспределительным сетям сооружены на окраинах городов или в пригородных зонах, как правило, на значительном расстоянии от городских автотранспортных предприятий и мест базирования частных автомобилей. По этим и другим причинам мощные дорогостоящие станции оказались в основном незагруженными и нерентабельными, а потому недостаточно востребованными для заправки городского автотранспорта [1, 2]. В результате ни в одном городе страны не получилось создать плотную внутригородскую сеть АГНКС. Наряду с этим не удалось также достичь синхронизации и сбалансированности между производством газомоторных автомобилей и вводом в эксплуатацию газозаправочных мощностей.

Уже в первые годы газомоторизации стало ясно, что в крупных городах

страны с высокой плотностью населения и застройки создать густую сеть газоснабжения многочисленного городского транспорта из мощных станций невозможно. Их строительство было прекращено и начато создание более мелких станций небольшой производительности от 50 до 200 заправок легковых автомобилей, малотоннажных грузовиков и микроавтобусов в сутки. Этим путем изначально пошли в ряде стран мира. Например, в Новой Зеландии и Аргентине в крупных городах построены десятки и сотни мелких станций производительностью 25-50 заправок или до 1000 м3 газа в сутки. Такие станции размещены в самых многолюдных местах и даже на балконах магазинов и многоэтажных зданий. Особенностью этих станций стало их подключение к существующим городским низконапорным газовым сетям. Они обладают высокой надежностью, низким уровнем шумности и вибро-нагруженности, а также не требуют больших площадей для размещения. Вместе с тем столь мелкие станции при принятых в этих странах ценах на КПГ и нефтепродукты низкорентабельны. Однако пока только с помощью такого подхода удается продвинуться в направлении создания внутригородской сети в крупных городах разных стран.

Построение городской сети автога-зозаправочных и многотопливных заправочных станций, особенно в крупных городах, требует комплексного

решения многих взаимосвязанных задач, основными из которых являются:

• выбор земельного участка необходимого размера;

• соблюдение требований и норм безопасности;

• высокая надежность, допустимый уровень шумности и вибронагру-женности;

• обеспечение станции системами топливо- и водоснабжения, канализации, электроэнергии и связи;

• минимизация капитальных вложений;

• минимизация эксплуатационных затрат в первую очередь за счет подключения станции к газопроводу более высокого давления (от 0,3 МПа и выше вместо 0,1...0,2 МПа) и снижения численности обслуживающего персонала;

• максимальное приближение станций к местам базирования автотранспорта для снижения холостых пробегов на заправку;

• согласование проекта станции, выделения земельных участков для прокладки маршрутов коммуникаций и систем безопасности.

Достижение оптимального результата при решении такой многофакторной задачи чрезвычайно сложно [3]. Создание эффективной городской сети автогазозаправочных станций возможно при реализации инновационных подходов с учетом перечисленных требований и особенностей

городского автотранспорта. К числу таких особенностей относятся:

• объемы топливных баков автомобиля;

• габариты транспортного средс-

тва;

бега;

суточный пробег автомобиля; расход топлива на 100 км про-

• частота заправки топливом;

• запас хода автомобиля без дозаправки;

• вид топлива;

• время и порядок выхода автотранспорта в рейс по намеченным маршрутам.

От указанных особенностей автотранспорта зависят размер земельного участка газозаправочной станции, вид и объем хранимого газомоторного топлива, конструкция и основные параметры станции, степень обеспечения ее безопасности, капитальные вложения и эксплуатационные затраты.

С учетом перечисленных требований и особенностей городской автотранспорт можно условно подразделить на три группы:

1-я группа. Малогабаритные городские автомобили, в том числе легковые автомобили, малотоннажные

(грузоподъемность 1,0___1,5 т) и сред-

нетоннажные (грузоподъемность до 3 т) грузовики, микроавтобусы вместимостью до 15 чел. и автобусы средней пассажировместимости до 25 чел.

2-я группа. Спецавтотехника: коммунальная - мусороуборочные, поливочные, подметально-уборочные, вакуумные, ассенизационные машины; дорожная и ремонтная автотехника; строительная - автокраны, погрузчики, бетономешалки, самосвалы, цементовозы и др.

3-я группа. Городские маршрутные автобусы большой вместимости и пригородные экспресс-автобусы.

Для удовлетворения спроса на ГМТ каждой из перечисленных групп автомобилей потребуются принципиально разные по своим параметрам и месторасположению автогазозаправочные станции.

Для заправки основного малоразмерного и малолюдного городского автотранспорта (1-я группа) предлагается создать плотную сеть из малогабаритных блочно-контейнерных станций небольшой производительности до 500 м3/ч двух модификаций.

• 1-я модификация - малогабаритная АГНКС (таблица, рис. 1) с традиционной технологической системой производства, хранения и отпуска КПГ автомобилям, размещаемая на земельном участке 0,15_0,2 га и подключаемая к газовой сети с давлением газа 0,2_0,4 МПа. Отличительными особенностями станции являются ее

высокая надежность, безопасность, низкий уровень шумности и вибро-нагружения, компактность и приемлемые для достижения рентабельности стоимость и энергозатраты. Эти преимущества обеспечиваются в основном конструктивными и эксплуатационными характеристиками технологического оборудования: компрессорных установок, аккумуляторов газа, системы автоматики и др.

При создании городской сети из предлагаемых АГНКС малой производительности обязательным условием становится наличие необходимых коммуникаций и прежде всего

Основные технические показатели городских газовых станций

Параметры АГНКС-200 АГНС-200

Объем емкости хранилища газа геометрический, м3 газовый СПГ/КПГ, м3/нм3 - 10,0 9,0 / 5400

Производительность станции по ГМТ: НМ3 / . ч нм3 , Л , \ -(mm); -/ —^maxj ч ч ч 3 3 3 НМ НМ , М ! \ -; -/-(max) сут сут сут МЛННМ3 МЛННМ3 ! МЛНМ3 год ' год год 450 5400 1,6 450 / 750 5400 / 9,0 1,6 / 2700

Производительность станции по заправкам, авт./сут минимальная (объем заправки 40 нм3) максимальная (объем заправки 20 нм3) средняя (объем заправки 30 нм3) 135 270 180 135 270 180

Максимальная производительность одной газозаправочной колонки, авт./ч 20 20

Число газозаправочных колонок 2 2

Продолжительность заправки одного автомобиля, мин 3,0...5,0 3,0.5,0

Давление газа, МПа на входе на выходе 0,3...0,6 20,0 -

Давление газа заправки автомобилей (max), МПа - 20,0

Число компрессоров 1 -

Мощность компрессора, кВт До 200 -

Объем газовых аккумуляторов геометрический (20 балл.х80 л), м3 газовый, нм3 1,6 400 1,6 400

Давление газа в аккумуляторах (max), МПа 25,0 25,0

Производительность криогенного насоса, л/ч - 800

Число криогенных насосов - 1

Площадь станции, га 0,15 0,15

Численность персонала, чел. 9 9

газопровода с указанным давлением и расходом газа, что, безусловно, скажется на снижении числа таких станций в системе газоснабжения автотранспорта. Однако создание сети газоснабжения автотранспорта в крупных городах, особенно в горо-дах-миллионниках, следует начинать со строительства именно таких станций, исходя из высокой технологической готовности производства.

• 2-я модификация - малогабаритная автогазонаполнительная станция бескомпрессорного типа, не привязанная к газопроводу и работающая на привозном СПГ. Эта модификация является для городов пока новой.

Аналогичные, но более мощные станции в виде опытно-промышленных образцов функционируют в разных странах мира - Китае, США, Великобритании, Швеции, Испании и др. Общее их число не превышает 30 ед. [2]. Они отличаются высокой производительностью и заправляют в основном автобусы и крупнотоннажные грузовики регазифицированным КПГ. Размещают эти станции на площадках размером 0,5.0,7 га, удаленных от внешних сооружений на 50.100 м. Объем хранимого на станциях СПГ составляет 25.75 м3. АГНС примерно с такими же параметрами сооружена в автобусном парке № 11 г. Москвы. При объеме хранимого на станции СПГ (50 м3) она рассчитана на заправку до 300 автобусов в сутки [2].

Доставка СПГ на АГНС-200 (рис. 2, см. таблицу) осуществляется с завода СПГ газовозами 7, совершающими челночные рейсы. Прибывший на станцию газовоз 7 подключается через

гибкий рукав к криогенному насосу 2, который нагнетает СПГ в испаритель 3 под высоким давлением 25,0 МПа. В атмосферном испарителе 3 происходит регазификация СПГ в КПГ высокого давления (25,0 МПа) за счет естественного притока теплоты из атмосферы. Полученный КПГ поступает из испарителя 3 через одоризатор 4 в аккумуляторы 5 высокого давления и через редуцирующее устройство с давлением 20,0 МПа распределяется по газозаправочным колонкам 6 для заправки автомобилей 7 до давления 20,0 МПа.

К отличительным особенностям такой АГНС относятся:

• небольшой земельный участок (0,15.0,2 га) для ее размещения;

• безопасный объем хранимого газомоторного топлива (до 9,0 м3 СПГ), достаточный в среднем для заправки 200 автомобилей 1-й группы в сутки;

• незначительный газовый объем аккумуляторов (не более 400 м3), позволяющий сократить расстояния между технологическими объектами, зданиями и сооружениями, размещенными вне станции;

• высокая надежность и безопасность технологии и оборудования станции, практически исключающие слив, утечки и розливы СПГ за счет конструктивного исполнения газотранспортных емкостей автогазовозов СПГ и исключения из состава станции стационарной емкости СПГ.

Все перечисленное позволит существенно уплотнить городскую сеть снабжения автотранспорта КПГ. Таких небольших станций пока нет в нашей стране, но организация их

промышленного производства и строительства не должна вызвать особых трудностей, так как производственная база для этого существует - ОАО «Криогенмаш», ОАО «Гелиймаш», НПФ «ЭКИП» и другие, которыми созданы образцы более мощных АГНС для заправки автобусов и грузовиков регазифицированным КПГ в Москве, Ленинградской и Свердловской обл. Однако для масштабного внедрения станций предлагаемого типа (2-я модификация) необходимо создать сеть мини-заводов СПГ и транспортные средства для его доставки на АГНС.

Основными объектами малотоннажного производства СПГ в нашей стране определены АГНКС и ГРС. И это вполне оправданно и логично с учетом рассредоточенности транспортных средств. До сих пор не прекращаются споры об эффективности малых производств СПГ. Продолжается поиск путей получения синергетического эффекта от одновременного использования СПГ в производстве электро- и тепловой энергии для небольших населенных пунктов и хозяйств. Многолетняя практика эксплуатации мини-заводов на АГНКС и ГРС в Ленинградской, Калининградской, Свердловской и Московской обл. подтвердила эффективность такого подхода.

Начиная с 1993 г. предприятия и организации ОАО «Газпром» вели целенаправленные работы в области освоения технологий малотоннажного (10.20 т/ч) производства СПГ и его использования в качестве моторного топлива на транспорте, в местной промышленности и коммунально-бытовом хозяйстве. Пионером освоения этих технологий явилось ООО «Лен-трансгаз» (ныне ООО «Газпром транс-газ Санкт-Петербург»), начавшее с 1998 г. коммерческие поставки СПГ потребителям Ленинградской обл. Аналогичные работы велись и в ООО «Уралтрансгаз» (ныне ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург»), где первые товарные объемы СПГ были реализованы в 2001 г.

Сегодня в системе Газпрома работают пять объектов получения СПГ:

АГНКС № 8 (г. Санкт-Петербург), АГНКС «Первоуральск» (Свердловская обл.), ГРС «Никольское» и ГРС «Выборг» (Ленинградская обл.), а также ГРС-4 (Екатеринбург). Суммарная максимальная производительность этих объектов оценивается примерно в 30 тыс. т СПГ в год. Фактическая реализация определяется возможностями потребителей - 90 % этого СПГ поставляется автомо-билями-метановозами коммерческим потребителям на расстоянии от 40 до 160 км.

Потенциал производства СПГ только на ГРС страны с учетом фактической загрузки газопроводов-отводов, по оценке ОАО «Газпром промгаз», составляет минимум 10___12 млн т/год (15___16

млрд м3). Наряду с предприятиями ОАО «Газпром» малотоннажное производство и поставки СПГ автотранспортным и коммунально-бытовым предприятиям с 2004 г. осуществляет научно-производственная фирма «ЭКИП». В оригинальной установке по производству СПГ, созданной фирмой в Московской обл. (пос. Развилка) на АГНКС-500, для получения СПГ применена схема с дроссельно-эжекторным циклом и предварительным охлаждением. Действует также установка по получению СПГ производительностью 1,0 т/ч на АГНКС № 1 (Московская обл., п. Развилка).

Предлагаемые две модификации станций заправки только 1-й группы автомобилей сетевым и регазифи-цированным КПГ по ранее проведенным экспертным оценкам займут различные ниши в городской системе газоснабжения транспорта: 1-я модификация АГНКС-200 охватит примерно 30 % станций, 2-я модификация 70 %. Причем это возможно при условии обеспечения безопасности, наличия земельных участков вблизи мест базирования автотранспорта, газопроводов достаточной производительности и повышенного давления, а также наличия производства и средств доставки СПГ в потребном объеме.

Для заправки городской спецав-тотехники (2-я группа) целесообразно строить традиционные АГНКС-500

и АГНКС-250 вблизи источников газа повышенного давления (0,6_1,2 МПа и более), ГРС и газопроводов-отводов высокого давления. Для снижения холостых пробегов автомобилей на заправку придется перебазировать газомоторную часть техники АТП ближе к станциям заправки газом.

Для заправки городских маршрутных и пригородных экспресс-автобусов (3-я группа) потребуется строить традиционные мощные АГНКС-500 с учетом особенностей работы автобусных парков.

Первая из них связана с необходимостью обеспечения выхода автобусов на линию в течение 2-3 ч. Для заправки значительного числа автобусов (до 300 ед.) газом в течение столь короткого времени потребуется повышение мощности станции в несколько раз или организация ночной заправки, что проще и дешевле.

Вторая особенность связана с размещением станций. Для сокращения расходов на холостые пробеги и времени на заправку станции надо строить вблизи автобусных парков и/ или на конечных остановках в зависимости от наличия земельных участков большого размера (до 2 га и более, особенно в случае организации ночной заправки автобусов на станции) с обязательным подключением этих станций к источникам повышенного давления (1,2 МПа и более) газа - к ГРС, газопроводам-отводам с давлением до 2,5 МПа. При этом не исключена перегруппировка автобусов по паркам и строительство новых автобусных парков, приближенных к источникам газа. В таком случае

предстоит решать сложную оптимизационную задачу с тремя переменными: мощность станции - источник газа - земельный участок.

При ночной заправке маршрутных городских автобусов пригородные автобусы целесообразно заправлять на этих же АГНКС в светлое время суток, что повысит загрузку и эффективность станций.

Для использования на автомобильном транспорте наряду с КПГ представляет интерес и СУГ. В России на СУГ в настоящее время работает более 1,4 млн автомобилей, что в 16,5 раза превышает число автомобилей, работающих на КПГ. В основном это городские легковые и малые коммерческие автомобили (более 96 %). Для обеспечения указанного числа автомобилей СУГ в стране функционирует более 3,0 тыс. АГЗС и многотопливных автозаправочных станций (МАЗС) [4]. Дальнейшее увеличение объемов его использования на автотранспорте связано с необходимостью наращивания производственных мощностей и расширения заправочной сети станций.

На розничном газомоторном рынке активно работает ОАО «Газпром газэнергосеть». Оно владеет развитой сетью современных АГЗС и МАЗС в 12 регионах страны и продолжает ее интенсивно наращивать.

Среди частных компаний следует отметить Московскую нефтегазовую компанию «МНК-газозаправка», которая создала и эксплуатирует в Москве 13 самых современных АГЗС и МАЗС [5]. По уровню надежности и безопасности этим станциям пока нет аналогов в отечественной и мировой практике.

т

Альтернативные топлива

На сегодня в стране нет ни одного города, в котором была бы построена густая сеть АГНКС, АГЗС и МАЗС. А это означает, что самый многочисленный транспорт еще не вовлечен в газомоторный рынок. Необходимость создания городской сети газозаправочных станций стала очевидной и актуальной в создавшихся условиях. Опыт прежних лет показал, что создать плотную городскую сеть из мощных АГНКС по известным причинам практически невозможно. Необходимы новые, более прогрессивные подходы, суть которых заключается в следующем.

• Основу предлагаемой городской сети газоснабжения автотранспорта в конечном счете должны составлять многочисленные станции небольшой мощности и высочайшей безопасности, с минимальным уровнем шумности и вибронагруженности, из которых предстоит формировать сеть заправки легкового и коммерческого автотранспорта КПГ и СУГ. Такие станции должны размещаться на земельных участках площадью 0,1.0,2 га (вместо 0,5.1,0 га для более мощных станций) в непосредственной близости к местам базирования автомобилей и снабжаться сетевым природным газом повышенного давления 0,2.0,4 МПа либо привозными СПГ и СУГ.

• При формировании городской сети газоснабжения легковых и коммерческих автомобилей с созданием станций нового типа, работающих на привозном СПГ, для заправки рега-зифицированным КПГ необходимо опережающими темпами построить вблизи городов на мощных АГНКС, ГРС или ГПЗ установки по малотоннажному производству СПГ и обеспечить средства его доставки на заправочные станции. Введение СПГ в автотопливный оборот для заправки автомобилей регазифицированным КПГ может стать магистральным направлением в деле создания плотной внутригородской системы газоснабжения транспортных средств газомоторным топливом.

• Для заправки маршрутных городских автобусов, пригородных

экспресс-автобусов и спецавтотехни-ки сеть газоснабжения следует комплектовать мощными АГНКС-500 и АГНКС-250, подключенными к высоконапорным газовым сетям с давлением 0,6.1,2 МПа и более. Такие станции должны быть максимально приближены к автобусным паркам, автотранспортным предприятиям и по возможности к конечным пунктам маршрута автобусов.

• Для создания МАЗС целесообразно и эффективно использование действующих АЗС. Опыт строительства и эксплуатации МАЗС подтвердил, что такой подход позволяет сократить сроки сооружения, уменьшить эксплуатационные затраты и зачастую избежать трудностей, связанных с выделением земельных участков.

• Для реализации столь масштабного проекта потребуется, прежде всего, разработка соответствующей программы и новых норм безопасности. Основу будущей программы, на наш взгляд, должны составлять формирование газозаправочной сети станций и наращивание числа газомоторной автотехники в крупных городах-миллионниках, в которых сосредоточена основная часть транспортных средств. При этом обязательны синхронность и сбалансированность этих процессов. Пополнение автопарков новой газомоторной автотехникой целесообразно начать с федеральных и муниципальных предприятий.

• Чрезвычайно важна разработка стимулов в виде льгот для всех участников реализации проекта газомоторизации автотранспорта страны.

• В России накоплен огромный опыт создания систем газообеспечения транспортных средств, выпуска технологического оборудования и газомоторных автомобилей, производства и транспортировки КПГ, СУГ и СПГ газовозами и предвижными автогазозаправщиками. Основная задача на данном этапе, по нашему убеждению, состоит в том, чтобы консолидировать и направить усилия многих компаний, заводов, научных

и проектных организаций, а также строительно-монтажных фирм на выполнение данного концептуального проекта, нацеленного на доведение в 2020 г. парка газомоторных автомобилей, работающих на природном и нефтяном газах, до 10 % от общего автопарка страны (резолюция ЕЭК ООН от 12 декабря 2001 г.). Создание соответствующей газозаправочной сети станций и сервисных центров, в первую очередь, в крупных городах позволит радикально уменьшить влияние вредных выбросов автотранспорта на здоровье населения и окружающую среду, снизить стоимость автоперевозок, а также стоимость работ, выполняемых спецавтотехникой, и довести объем потребления ком-примированного природного газа в 2020 г. до ~12 млрд м3.

• В сложившихся условиях кадрового дефицита чрезвычайно важно на новом уровне организовать планомерную подготовку и переподготовку кадров рабочих и инженеров, без которых решение данной проблемы невозможно.

Литература

1. Боксерман Ю.И., Мкртычан Я.С., Чириков К.Ю. Перевод транспорта на газовое топливо. - М.: Недра, 1988. - 224 с.

2. Мкртычан Я.С. Газификация и газоснабжение транспорта России, кн. 1 «Проблемы и перспективы». - М.: Нефть и Газ, 2012. - 240 с.

3. Маленкина И.Ф., Ровнер Г.М., Мкртычан Я.С. Система обеспечения эффективного развития и эксплуатации сети метановых автозаправочных станций. - М.: Нефть и Газ, 2006. - 272 с.

4. «Применение СУГ, КПГ, СПГ в качестве моторного топлива на автомобильном транспорте в РФ», презентация ОАО «Газпром газэнергосеть», 2012. - 24 с.

5. Мкртычан Я.С., Самсонов Р.О., Ровнер Г.М., Батюшков С.Г. Оборудование, техника, газозаправки. - М.: Нефть и Газ, 2007. - 88 с.