Влияние реальных факторов на заправку криогенных бортовых топливных систем автотранспортных средств сжиженным природным газом

Влияние реальных факторов на заправку криогенных бортовых топливных систем автотранспортных средств сжиженным природным газом

I

С.П. Горбачев, профессор, главный научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ», д.т.н.,

К.И. Кириенко, младший научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ»

В настоящее время уменьшение длительности заправки и повышение пожаро-безопасности при заполнении криогенных бортовых топливных систем являются актуальными задачами, поскольку при их решении повышается конкурентоспособность СПГ как моторного топлива. В работе проведен анализ влияния на заправку криогенных бортовых топливных систем реальных факторов - вскипания входящего потока жидкости, гидравлического сопротивления подающих коммуникаций, наличия теплого газа в коммуникациях, начальной температуры стенки резервуара. Даны рекомендации по реализации процессов заполнения и ускорению заправки.

__Ключевые слова:

сжиженный природный газ, криогенная бортовая топливная система,

длительность заправки.

настоящее время продолжает расширяться использование сжиженного природного газа (СПГ) в качестве газомоторного топлива для транспорта. Одним из важных вопросов эксплуатации криогенных бортовых топливных систем (КБТС) является их заправка (заполнение теплого криогенного бака) и дозаправка (заполнение бака с некоторым количеством жидкости) сжиженным природным газом. Основные системы и способы их заправки (рис. 1) подробно рассмотрены в [1].

На длительность заполнения КБТС, особенно при подаче жидкости сверху, сильно влияет гидравлическое сопротивление дренажных коммуникаций, наличие паровой фазы во входящем потоке и теплого газа в заправочных

1

пМ-

Рис. 1. Технологические схемы заправки криогенных бортовых топливных систем. Двухлинейные схемы с открытым газосбросом: а - заправка «сверху»; б - заправка «снизу»; в - заправка с рециркуляцией пара (с криогенным центробежным насосом); однолинейные схемы с закрытым газосбросом: г - методом передавливания; д- с использованием насоса

ъ

а

д

г

коммуникациях, а также начальная температура стенки бака.

Влияние вскипания входящего потока

При заполнении криогенного резервуара сжиженным природным газом часто возникают проблемы из-за вскипания жидкости в трубопроводе. В отличие от жидкого азота или кислорода, которые транспортируются при атмосферном давлении с открытым дренажом, СПГ производится и транспортируется при повышенном давлении. В связи с этим жидкость, поступающая из резервуара с повышенным давлением в бак с атмосферным давлением, является перегретой и в определенный момент достигает состояния насыщения еще в подающем трубопроводе и начинает вскипать. В результате этого в резервуар поступает двухфазный поток. Это приводит к тому, что увеличиваются сопротивления в подающем трубопроводе и дренаже, уменьшается количество жидкости, попадающее в резервуар, и, соответственно, существенно растут время заполнения и потери через дренаж.

Для анализа влияния паросодержа-ния поступающей жидкости на процесс заполнения были рассмотрены процессы заполнения теплого бака сверху и снизу, а также процесс заполнения холодного бака без дренажа при температуре входящего потока 135 К, что соответствует 8 % пар о содержания. Моделирование процесса заполнения проводилось на примере криогенного бака производства ЗАО «НПФ ЭКИП» при следующих параметрах: давление в питающем резервуаре 0,7 МПа; давление на выходе из дренажной коммуникации 0,1 МПа; начальное давление в криогенном баке 0,25 МПа; начальная температура стенок при заполнении теплого бака 300 К, холодного - 123,8 К, что является равновесной температурой в баке.

Заполнение теплого бака сверху

Как видно из табл. 1, степень паро-содержания на входе сильно отражается на плотности входящего потока, что в свою очередь оказывает влияние на сопротивление подающих коммуникаций, поэтому даже небольшое паросодержа-ние (до 8 %) уже существенно сказывается на процессе заполнения. Так, при увеличении паросодержания с 0 до 8 % время заполнения возросло более чем в 3 раза, а потери увеличились с 3,4 до 16,5 кг, что составляет 23,6 % заправленной в бак массы жидкости. Таким образом, для более быстрого заполнения криогенного резервуара необходимо проводить процесс при температуре, исключающей вскипание жидкости.

Основные параметры процесса

заполнения теплого бака сверху

Таблица 1

Параметр Температура входящего потока Т1, К

115 125 135

Паросодержание х, % 0 1 8

Время заполнения т, с 190 226 605

Отношение времени заполнения без вскипания и с вскипанием 1 1,19 3,21

Потери газа через дренаж О, кг 3,4 4,5 16,5

Потери газа через дренаж в процентах от общего количества заправленной жидкости, % 4,8 6,4 23,6

Заполнение теплого бака снизу

Так же, как при заполнении сверху, в данном случае наблюдается значительное увеличение времени заполнения почти в 2,5 раза (табл. 2), но этот рост меньше, чем в предыдущем примере. Потери при заполнении снизу меньше, чем при заполнении сверху, то есть при изменении паросодержания от 0 до 8 % они увеличиваются с 2 до 7 кг. Однако следует помнить о том, что при заполнении снизу стенки бака охлаждаются менее интенсивно, и поэтому после

Таблица 2

Основные параметры процесса заполнения теплого бака снизу

Параметр Температура входящего потока Тр К

115 125 135

Паросодержание х, % 0 1 8

Время заполнения т, с 155 189 384

Отношение времени заполнения без вскипания и с вскипанием 1 1,21 2,45

Потери газа через дренаж О, кг 1,98 2,65 7,02

Потери газа через дренаж в процентах от общего количества заправленной жидкости, % 3 4 10,5

закрытия дренажного клапана в процессе эксплуатации возможен рост давления в баке из-за теплового потока от стенок.

Чтобы избежать необходимости сброса большого количества природного газа в атмосферу (что нежелательно как в экономических, так и экологических целях), целесообразно применять бездренажную технологию заполнения с использованием или без использования насоса или компрессора.

Заполнение холодного бака без дренажа

При бездренажной технологии заполнения холодного бака в конце процесса устанавливается более высокое давление, время заполнения увеличивается в 2 раза (табл 3). При более низкой температуре входящего потока можно заполнить

Таблица 3

Основные параметры процесса заполнения холодного бака без дренажа

Параметр Температура входящего потока Т1, К

115 125 135

Паросодержание х, % 0 1 8

Время заполнения т, с 129 150 267

Отношение времени заполнения без вскипания и с вскипанием 1 1,16 2,07

Конечное давление в баке, МПа 0,15 0,28 0,49

бак большей массой жидкости ввиду ее более высокой плотности. Стоит отметить существенный плюс такой схемы -отсутствие потерь СПГ.

Вскипание жидкости приводит к существенному увеличению времени заполнения (2,5-3 раза). Поэтому важно обеспечить однофазное состояние входящего в КБТС потока. Следует учитывать вскипание жидкости, чтобы исключить ошибку в оценке времени заполнения резервуара.

Важно отметить, что паросодержа-ние входящей жидкости зависит от разности температуры входящей жидкости и равновесной температуры в резервуаре, которая в свою очередь зависит от давления в резервуаре.

Влияние теплого газа в коммуникациях

На практике процесс заполнения на станции происходит неравномерным образом. В зависимости от потока автотранспорта случаются перерывы в заправках КБТС, в связи с чем в моменты перерывов жидкость в заправочных коммуникациях прогревается и испаряется, и при последующем заполнении бака автотранспортного средства этот газ поступает в емкость. При бездренажной технологии заполнения КБТС этот газ оказывает свое влияние на процесс.

Рассмотрим случай, когда газ в коммуникациях прогрелся до температуры окружающей среды и подается в КБТС при ее заполнении. Положим, что бак находится в холодном состоянии, температура стенок бака и газа равна температуре насыщения при давлении в баке р=0,1 МПа.

Процесс заполнения делится на два этапа. На первом этапе теплый газ с температурой окружающей среды (Т1=300 К) подается в бак из коммуникаций. Газ нагревает стенки резервуара и пар, находящийся в баке. Когда весь газ в коммуникациях закончится,

- Масса теплого пара 0,2 кг

----Масса теплого пара 0,5 кг

________ Масса теплого пара 0,8 кг

15

Рис. 2. Изменение массы жидкости (а) и давления (б) в баке в зависимости от времени

в бак начинает поступать жидкость, и наступает второй этап. На этом этапе в прогретый до некоторой температуры бак поступает холодная жидкость, охлаждающая газ в баке, который в свою очередь охлаждает стенки бака. При этом жидкость испаряется не полностью, частично накапливаясь в нижней части бака. Второй этап заканчивается, когда масса жидкости в баке достигнет заданного значения (0,9 от общего объема бака).

При объеме подаваемого на первом этапе пара свыше 0,8 кг, что составляет 0,73 объема бака, заполнение прекращается (рис. 2), так как давление в баке достигает 1 МПа, что соответствует давлению в расходном резервуаре. Начальные условия для всех трех случаев одинаковы: начальное давление в баке ру=0,1 МПа; начальная температура стенок бака 60=111 К; температура входящего газа Т1 "=300 К; температура входящей жидкости Т1 '=115 К.

Влияние гидравлического сопротивления заправочных и дренажных коммуникаций на длительность заполнения

Очевидно, что гидравлическое сопротивление влияет на процесс заполнения,

однако хотелось бы показать, насколько увеличивается продолжительность заполнения при росте гидравлического сопротивления подающих коммуникаций. За начальное значение взята величина гидравлического сопротивления коммуникаций в эксперименте [2].

Для процесса заполнения сверху теплого бака с открытым дренажом при росте гидравлического сопротивления в 5 раз продолжительность заполнения увеличивается в 2 раза, а возрастание гидравлического сопротивления в 10 раз приводит к увеличению продолжительности заполнения в 2,75 раза.

Для процесса заполнения снизу теплого бака с открытым дренажом при росте гидравлического сопротивления в 5 раз продолжительность заполнения увеличивается в 2,3 раза, а возрастание гидравлического сопротивления в 10 раз приводит к увеличению продолжительности заполнения в 3,2 раза.

Для бездренажной технологии заполнения холодного бака при росте гидравлического сопротивления в 5 раз продолжительность процесса увеличивается в 2,2 раза, а возрастание гидравлического сопротивления в 10 раз приводит к увеличению продолжительности заполнения в 3,15 раза.

Гидравлическое сопротивление коммуникаций незначительно влияет на конечное давление в баке, однако существенно увеличивает продолжительность заполнения.

Влияние начальной температуры стенки бака на технологию бездренажного заполнения

В работах [2, 3] было показано, что бездренажная заправка холодного бака (температура стенки равна температуре жидкости) реализуется без проблем. В то же время бездренажная заправка теплого бака (температура стенки 300 К) может быть осуществлена только в пуль-сационном режиме с промежуточным сбросом газа из бака. Однако по мере охлаждения стенок бака возможна бездренажная заправка. Естественно, возникает вопрос, при каком значении температуры стенки возможна бездренажная заправка теплого бака? Ответ на этот вопрос крайне важен для практики. Дело в том, что по мере опорожнения бака температура стенок в паровой

3,5

3

/ /

/

с /

/ /

¡1

£ ✓ /

н 1 г'

✓

0,5 —

у»

0

10 0 1 0 20 0 2 0 30 0 350

Температура стенки, К

-- -- Модель А

Модель В

Рис. 3. Зависимость максимального давления в баке от температуры стенки бака при бездренажной технологии заполнения

области повышается из-за теплопри-тока, и необходимо определить время работы бака, при котором возможна повторная бездренажная заправка. С использованием модели заправки, рассмотренной в [4], была проведена оценка влияния начальной температуры стенки на процесс теплой бездренажной заправки.

На рис. 3 представлена зависимость максимального давления в баке от температуры стенки для двух случаев поведения входящего потока, рассмотренных в [4]: модель А - входящая жидкость взаимодействует только с паром, который в свою очередь взаимодействует со стенками сосуда; модель В -жидкость вся направляется на стенки сосуда. Температура жидкости на входе составляет 115 К. Также на графике представлено давление за насосом.

Из графика (см. рис. 3) видно, что осуществить заполнение в одну фазу без сброса давления при температуре стенки, равной температуре окружающей среды (300 К), возможно, однако при этом необходимо иметь достаточно высокое давление подачи (3 МПа). Давление в баке в зависимости от характера взаимодействия жидкости, пара и стенок сосуда (модели А и В) составит 1,5...3 МПа. Как правило, давление в баке после заправки составляет 0,6 МПа, а максимальное давление - 1,6 МПа. С учетом этого температура стенки для бездренажной заправки бака за одну фазу должна быть не более 200 К, при давлении подачи около 2 МПа давление в баке после заправки составит около 0,8 МПа. С понижением температуры стенки резервуара уменьшается и требуемое давление подачи. Таким образом, результаты расчетов позволили впервые определить условия бездренажной заправки теплого резервуара в одну фазу (без промежуточного сброса давления).

На основании работы можно сделать следующие выводы:

• вскипание криогенной жидкости в коммуникациях и в сосуде во время заправки может привести к увеличению длительности переходного процесса в несколько раз;

• наличие теплого газа в коммуникации может привести к прекращению процесса заполнения;

• бездренажную заправку теплого бака в одну фазу (без промежуточного сброса давления) можно осуществить при начальной температуре стенок бака около 200 К и давлении подачи около 2 МПа, при этом давление в баке после

заправки составит 0,7...0,8 МПа;

• бездренажная заправка теплого бака (температура стенок бака 300 К) может быть реализована только с промежуточным сбросом давления;

• за счет правильной организации процесса заправки КБТС автотранспортных средств сжиженным природным газом его можно выполнять за периоды времени, соизмеримые с продолжительностью заправок автотранспорта традиционными видами топлива, и обеспечивать безопасность процесса, используя бездренажную технологию.

_ Литература

1. Горбачев С.П., Кириенко К.И. Современные криогенные бортовые топливные системы для автотранспорта и технологии их заправки // Транспорт на альтернативном топливе. - 2013. - № 6 (36). - С. 41-44.

2. Горбачев С.П., Кириенко К.И. Экспериментальная проверка технологий заправки криогенных бортовых топливных систем // Транспорт на альтернативном топливе. - 2013. - № 3 (33). - С. 37-42.

3. Горбачев С.П., Кириенко К.И. Учет влияния теплообмена на бездренажную заправку // Вестник МЭИ. - 2013. - № 5. - С. 48-53.

4. Горбачев С.П., Кириенко К.И. Исследование процессов бездренажной заправки топливного бака криогенной жидкостью // Технические газы. - 2013. -№ 6. - С. 64-70.

Проект «Балтийский СПГ» будет реализован в Усть-Луге

В центральном офисе ОАО «Газпром» председатель правления Алексей Миллер провел совещание по вопросам реализации проекта «Балтийский СПГ». В работе совещания приняли участие заместители председателя правления и члены правления ОАО «Газпром», руководители и сотрудники профильных подразделений компании, а также представители ООО «Газпром экспорт», ООО «Газпром СПГ Санкт-Петербург», ОАО «Гипроспецгаз».

На совещании было принято решение, что завод СПГ в Ленинградской области («Балтийский СПГ») будет построен в районе морского порта Усть-Луга. Мощность завода - 10 млн т СПГ в год с возможностью расширения до 15 млн т в год. Газ на завод будет поступать из Единой системы газоснабжения России. Участники совещания рассмотрели вопрос развития этой системы для транспортировки газа до завода СПГ, а также потребителям Ленинградской области.

«Наша компания занимает лидирующие позиции в глобальном энергетическом бизнесе. Реализация проекта «Балтийский СПГ» даст Газпрому дополнительные конкурентные преимущества, позволит усилить присутствие компании на динамично развивающемся рынке сжиженного природного газа и выйти в новые регионы поставок», - сказал Алексей Миллер.

По итогам совещаниям были даны поручения, направленные на подготовку проекта «Балтийский СПГ» к переходу в инвестиционную стадию реализации.

Справка

21 июня 2013 г. в рамках Петербургского международного экономического форума председатель правления ОАО «Газпром» Алексей Миллер и губернатор Ленинградской области Александр Дрозденко подписали Меморандум о взаимопонимании и сотрудничестве при реализации проекта строительства завода по производству сжиженного газа в Ленинградской области («Балтийский СПГ»).

Управление информации ОАО «Газпром»