Пост слива газа на АГЗС и определение технологических параметров слива газа из автомобильных баллонов

Пост слива газа на АГЗС и определение технологических параметров слива газа

из автомобильных баллонов

Н.Г. Певнев,

зав. кафедрой СибАДИ, д.т.н., Э.Р. Раенбагина,

аспирантка СибАДИ

В статье приведены данные по отказам запорно-предохранительной арматуры автомобильных баллонов и убыткам из-за отсутствия постов слива. Предложена комбинированная принципиальная схема поста слива газа из автомобильных баллонов на АГЗС и приведены расчеты технологических параметров слива газа из автомобильных баллонов. Даны рекомендации по оптимизации диаметра заборной трубки в автомобильном баллоне.

Ключевые слова: анализ отказов, схема поста, автомобильный баллон, слив газа, запорно-предохра-нительная арматура баллона, технологические параметры.

Post gas overflow on the AGFS and definition of technologic parameters of gas overflow from the car balloon

N.G. Pevnev, E.R. Raenbagina

Эффективность использования сжиженного углеводородного газа (СУГ) в качестве моторного топлива для автомобильных двигателей доказана многолетней практикой. В силу этого в народном хозяйстве широко используются автомобили, работающие на СУГ. Дальнейшее увеличение парка таких автомобилей с каждым годом повышает актуальность проблемы их технического обслуживания (ТО) и текущего ремонта (ТР) [1].

Особенности газовой системы питания двигателя требуют выполнения при ТО и ТР ряда дополнительных специальных работ. Так, одной из специфических работ для автомобилей, работающих на СУГ, является слив сжиженного газа из автомобильных газовых баллонов. Выполнение ее регламентировано действующими нормативно-техническими документами и связано с качественным, безопасным проведением ТО и ТР, с соблюдением мер по пожаробезо-пасности и защите окружающей среды [2].

Рис. 1. Фрагмент аварийной ситуации

Обобщение сложившегося многолетнего опыта эксплуатации и технического обслуживания автомобилей, использующих в качестве моторного топлива СУГ, свидетельствует, что опорожнение автомобильных газовых баллонов от сжиженного газа необходимо проводить как в случаях, предписываемых нормативным документом [2], так и при возникновении аварийных ситуаций, особенно в зимнее время (рис. 1).

Failures of locking safety armature of balloons and damages owing to the lack of overflow posts are given. The combined principled scheme of overflow post of gas from the car balloon on the AGFS is proposed and the calculation of technologic parameters overflow of gas from the car balloon is shown. Recommendations for optimization of diameter intake tube of the car balloon are given.

Keywords: locking safety armature of balloon failures analysis, post scheme, car balloon, gas overflow, locking safety armature of balloon, technologic parameters.

23.08%

Рис. 2. Распределение количества происшествий по видам аварийных ситуаций

Транспорт на СУГ

Рис. 3. Упущенная выгода из-за отсутствия поста слива газа

Данная ситуация произошла в результате выброса газа в атмосферу из-за неисправности обратного клапана выносного заправочного устройства (ВЗУ). Распределение количества происшествий, связанных с отказом запорно-предохранительной арматуры (ЗПА) баллонов, показано на рис. 2.

Пост слива СУГ служит не только для повышения безопасности эксплуатации газобаллонных автомобилей, но и существенно сокращает потери газа, а также другие потери (рис. 3).

Эти статистические данные получены при наблюдении за эксплуатацией автомобилей в течение двух лет в Советском административном округе г. Омск, где эксплуатируется порядка 12,5 тыс. газобаллонных автомобилей. Приведенная информация убедительно доказывает необходимость наличия поста слива СУГ из автомобильного баллона.

Реализация слива СУГ требует наличия в системе питания двух мест для присоединения шлангов, функции которых распределяются следующим образом: первый - для подвода к баллону избыточного давления (подводящий шланг); второй - для слива из баллона жидкой фазы и отсоса паровой фазы (сливной шланг).

Когда на автомобиль устанавливается баллон с моноблоком, газ из баллона слить невозможно, так как ВЗУ оборудовано обратным клапаном, а в магистрали подачи газа в двигатель в моноблоке установлен скоростной клапан. При увеличении скорости перемещения газа клапан перекрывает магистраль. Следовательно, для проведения операции слива газа из баллона необходимо вводить изменения в схему питания двигателя газом, устанавливая дополнительно тройник 9 в магистраль подачи газа в двигатель, к которому подсоединяется вентиль слива СУГ 10 и ВЗУ слива газа без обратного клапана 11. Причем в тройник со стороны двигателя необходимо установить скоростной клапан, демонтировав его из моноблока (рис. 4) [3]. На модернизацию системы питания, описанную выше, получен патент на полезную модель [4].

Упомянутым выше нормативным документом [2] предписывается возможность организации поста слива на АГЗС либо на специально организованной площадке на АТП, где хранятся и обслуживаются газобаллонные автомобили.

Вариант оборудования поста слива газа на АГЗС представлен на рис. 5. Представленный пост совмещен с заправочными колонками 23 АГЗС, которые оборудованы дополнительными устройствами 21 для сбора жидкой фазы

Рис. 4. Вариант дооборудования системы питания двигателя газом в случае использования баллона с моноблоком: 1 - газовый баллон; 2 - магистральный газовый клапан; 3 - газовый редуктор; 4 - место подачи газа в двигатель; 5 - бензиновый клапан; 6 - бензонасос; 7 - переключатель вида топлива; 8 - ВЗУ; 9 - тройник; 10 - вентиль слива СУГ; 11 - ВЗУ без обратного клапана для слива газа

Рис. 5. Комбинированная принципиальная схема поста слива газа из автомобильного баллона (в том числе и оборудованного моноблоком): 1, 2, 13, 32 - вентили; 3 - компрессор АВ-75; 4 - счетчик газа; 5 - открыто-вихревой насос FAS NZ153; 6 - сливной резервуар; 7 - магистраль сбора газа; 8 - вентиль слива жидкой фазы СУГ; 9 - вентиль на продувочную свечу; 10 - вентиль отсоса паровой фазы СУГ; 11 - соединительная крестовина; 12 - тройник; 14 - ВЗУ без обратного клапана; 15 - пистолет слива СУГ; 16 - пистолет подачи азота; 17 - ВЗУ; 18 - моноблок; 19 - газовый баллон; 20 - заправочный пистолет; 21 - устройство сбора газа; 22 - заправочная магистраль; 23 - заправочная колонка; 24 - продувочная свеча; 25 - вентиль подачи азота или природного газа; 26 - понижающий редуктор; 27 - сливная колонка; 28 - баллон с азотом или природным газом; 29 - труба газовая дюймовая сальная бесшовная; 30 - резервуар хранилища АГЗС; 31 - вихревой насос С-5/200; 33 - заправляемый автомобиль на АГЗС

автомобильного баллона азотом. Избыточное давление в опорожняемом баллоне можно обеспечить путем подачи в него паровой фазы СУГ, компримированного природного газа (КПГ) или инертного газа.

Важным условием для организации поста слива является знание технологических параметров поста слива. Основными технологическими параметрами такого процесса слива являются:

время и давление, необходимое для слива жидкой фазы;

время отсасывания паровой фазы и конечное давление в баллоне;

время и давление при дегазации внутренней полости опорожняемого баллона.

Эти параметры обуславливают продолжительность полного слива СУГ из баллона, а значит, и время нахождения автомобиля на посту слива. Естественно, количественные значения их должны быть технически обоснованны.

На рис. 5 приведена комбинированная принципиальная схема поста слива газа и заправки автомобилей, а для расчета технологических параметров желательно для большей наглядности использовать структурную схему установки для слива газа, которая представлена на рис. 6 и является составной частью рис. 5.

Время слива жидкой фазы СУГ тж зависит от ее объема в баллоне и определяется из условия постоянства расхода через сливной шланг. Этот расход лимитируется максимально допустимой скоростью движения жидкой фазы (3 м/с), исключающей возникновение кавитации. С учетом данного ограничения тж возможно рассчитать по формуле

т = 25,48 V <^2, ж

из трубопровода ВЗУ автомобиля до момента разъединения с заправочным пистолетом 20 [5].

При этом слив газа из автомобильных баллонов с моноблоком будет производиться следующим образом (рис. 5). К ВЗУ 17 подсоединяется пистолет подачи азота 16 или природного газа. К ВЗУ без обратного клапана 14 для слива газа подсоединяется пистолет слива СУГ 15. Затем открывается вентиль слива газа 13, и под давлением природный газ подается через заправочное устройство. Жидкая фаза газа вытесняется из баллона 19 в сливную магистраль 7 сбора газа и поступает в сливной резервуар 6.

В случаях, когда на автомобиль установлен баллон с вентилями, слив СУГ не представляет затруднения при наличии оборудованного поста слива, так как имеется возможность подсоединить сливной и подводящий шланги к имеющимся вентилям на баллоне.

С физической точки зрения под термином «слив сжиженного газа из автомобильного баллона» следует понимать выдавливание из него избыточным давлением жидкой фазы СУГ и перемещение ее в сливной резервуар, отсос из баллона паровой фазы СУГ и перекачивание ее тоже в сливной резервуар с последующей продувкой

Рис. 6. Структурная схема установки слива СУГ для расчета технологических параметров: 1 - автомобильный баллон; 2 - сливная колонка; 3 - распределитель; 4 - продувочная свеча; 5 - баллон с азотом или природным газом; 6 - компрессор; 7 - сливной резервуар; 8 - воздухораспределитель; 9 - нагреватель воздуха

Транспорт на СУГ

Ш)

где Уж - объем жидкой фазы СУГ в баллоне, м3; ё - внутренний диаметр сливного шланга, м.

Для нормального (без кавитации) слива жидкой фазы давление в автомобильном баллоне должно быть больше давления в сливном резервуаре на величину потерь в магистрали слива Р = Р + Н ,

6 р с

где Рб - давление в автомобильном баллоне, необходимое для слива жидкой фазы СУГ, МПа; Рр - давление насыщенных паров СУГ в сливном резервуаре, МПа; Нс - общие потери давления в магистрали слива, МПа.

Общие потери давления (напора) в сливной магистрали равны сумме потерь на трение о стенки шланга, на местные сопротивления, потерь в выходном сечении и гидростатического напора. Для определения Нс магистраль слива разбиваем на отдельные участки, на каждом из которых потери на трение и местные сопротивления будут иметь различные значения. Если принять, что потери на местные сопротивления составляют 1,3% от потерь на трение о стенки шланга, то для определения общих потерь давления в сливной магистрали справедливо выражение

Нс=-

+

10 ~6рж<1у11

2 А

- 9,81-10^-^(^-А,),

где рж - плотность жидкой фазы ГСН, кг/м3; А! - коэффициент трения на 1-м участке; I. - длина 1-го участка, м; V. - средняя скорость потока на 1-м участке (определяется из условия постоянства расхода), м/с; ё . - диаметр проходного сечения 1-го участка, м; Ьн - Ьк - количество участков на магистрали слива.

Анализируя результаты расчета Нс, заключаем, что с уменьшением диаметра приемной трубки (ёпт) расходного вентиля с 8 до 4 мм потери давления в сливной магистрали независимо от времени года возрастают в 12,7-12,8 раза. Поэтому ёпт следует считать одним из основных факторов, влияющих на Р6. Во всех рассмотренных случаях в зимнее время года потери давления больше в 1,16-1,17 раза, чем в летнее. Это обусловлено увеличением плотности жидкой фазы СУГ с уменьшением температуры.

Давление насыщенных паров в сливном резервуаре Рр зависит от марки СУГ, температуры окружающей резервуар среды, которая обуславливается его расположением (наземным или подземным), и времени года (зима, лето). Так, в наземном резервуаре Рр будет в пределах 0,071,0 МПа при изменении температуры окружающего воздуха от -40°С до +40°С. При подземной установке сливного резервуара температура окружающей его среды (грунта), а значит и СУГ изменяется незначительно: от -3°С зимой до +11°С летом. Следовательно, давление насыщенных паров СУГ в нем лежит в пределах 0,30-0,46 МПа.

Суммируя давление насыщенных паров СУГ в сливном резервуаре и общие потери давления в магистрали слива, находим давление в автомобильном баллоне, необходимое

для слива жидкой фазы СУГ. Полученные результаты свидетельствуют о следующем. Во всех рассматриваемых вариантах давление Р6 при ёпт = 4 мм в 1,4-4,2 раза больше значения Р6 при ёпт = 8 мм. Причем наибольшее превышение наблюдается в зимний период при наземном расположении сливного резервуара. В случаях, когда ёпт равен 6 и 8 мм, величины Р6 имеют близкие значения. Следовательно, для снижения энергетических затрат на слив СУГ из автомобильных баллонов приемные трубки их расходных вентилей жидкой фазы диаметром 4 мм должны быть заменены на трубки с ёпт = 6-8 мм.

Расположение сливного резервуара также оказывает существенное влияние на давление, необходимое для слива жидкой фазы СУГ. Так, наибольшее 0: = +40°С) и наименьшее ^ = - 40°С) значения Р6 имеют место при наземном расположении сливного резервуара. Этот факт вызван тем, что давление паров СУГ в автомобильном баллоне в этом случае равно давлению в сливном резервуаре. Чем выше температура окружающего воздуха, тем больше Р6.

При подземной же установке сливного резервуара давление в нем не равно давлению насыщенных паров СУГ в автомобильном баллоне. Причем температура резервуара изменяется в меньших пределах. Это приводит к тому, что разница величины Р6 в летний и зимний периоды составляет 0,01-0,14 МПа. Поскольку давление в подземном резервуаре изменяется незначительно, а фактическое давление насыщенных паров СУГ в автомобильном баллоне может повыситься до 1,0 МПа, то в летний период при : > +30°С слив жидкой фазы СУГ из баллона можно производить без повышения давления в нем. С точки же зрения дополнительных энергетических затрат слив СУГ более выгодно производить в подземный сливной резервуар.

Все вышеизложенное свидетельствует о том, что давление, необходимое для слива жидкой фазы СУГ, изменяется в широких пределах в зависимости от расположения сливного резервуара, температуры автомобильного баллона, диаметра приемной трубки расходного вентиля жидкой фазы и марки СУГ. Использование полученных значений Р6 на практике затруднительно. Хотя бы потому, что водитель автомобиля не всегда точно знает, какая марка СУГ залита в баллон его автомобиля и какой диаметр приемной трубки расходного вентиля жидкой фазы СУГ в баллоне. Поэтому для практического применения по усредненным физическим свойствам различных смесей СУГ строились графические зависимости Р6 = %Рр). По ним определялись средние

значения Р .

6

Проверка их адекватности по критерию Фишера при риске 0,1 показала, что точность их определения достаточна для использования в производственных условиях (при условии замены приемных трубок с ёпт = 4 мм на трубки с ё = 6-8 мм).

пт

После слива основной массы жидкой фазы СУГ внутренняя полость баллона будет заполнена некоторым количеством несливаемого остатка жидкой фазы и паровой фазой СУГ. Паровая фаза СУГ отсасывается из баллона и перекачивается в сливной резервуар. При этом в баллоне

создается разрежение, а несливаемый остаток паровой фазы начинает интенсивно испаряться. Величина этого разрежения должна быть ниже давления упругости насыщенных паров основных компонентов СУГ при низких температурах окружающего воздуха. Но в то же время оно не может быть слишком низким из-за возможности деформации баллона.

Расчеты показали, что при давлении внутри баллона 10 кПа обеспечивается испарение основных компонентов несливаемого остатка жидкой фазы СУГ (пропана, бутана, изобутана) и исключается возможность деформации обечайки баллона (допустимое избыточное наружное давление на обечайку в 13,0-19,3 раза больше фактического).

Объем паров СУГ, образующихся в баллоне при снижении давления до 10 кПа, равен

V - V ) + р V ^ Z (104 м )-1,

п а но 1 ж но ж с г см

где V - полный объем автомобильного баллона, м3;

Vно - объем несливаемого остатка жидкой фазы СУГ, м3;

рж - плотность жидкой фазы СУГ, кг/м3;

К - универсальная газовая постоянная;

Тж - температура несливаемого остатка жидкой фазы СУГ при испарении, К;

1с - коэффициент сжимаемости смеси;

- молекулярная масса смеси СУГ, кг/кмоль.

Время, затрачиваемое на отсос из баллона образующихся паров СУГ, находится по формуле

гь = Уп/<2*,

где 0К - производительность компрессора, м3/ч.

Так как время отсоса паровой фазы СУГ зависит от объема баллона, производительности компрессора, интенсивности испарения несливаемого остатка жидкой фазы СУГ, то на практике его следует устанавливать по стабильности конечного давления в баллоне. Отсос паров нужно прекращать, если давление в баллоне в течение 2-3 мин не превышает 12 кПа. Это соответствует разрежению в баллоне по вакуумметру, равному 91 кПа.

Дегазация баллона производится путем выдавливания паровой фазы СУГ, оставшейся в нем после отсасывания, и последующей продувки внутренней полости баллона предпочтительно азотом. Продолжительность дегазации рационально определять из расчета 1 мин на 50 л объема. При этом обеспечивается меньшая скорость подачи азота в баллон. Расход азота на дегазацию не должен превышать двух объемов дегазируемого баллона. В этом случае обеспечивается постоянство часового расхода азота.

Давление на выходе из продувочной свечи принимаем на 5% больше нормального атмосферного давления. Тогда давление, необходимое для дегазации (Р,), будет равно

п д

Рэ = 1,05Р +А,), 1

где Р - нормальное атмосферное давление, МПа;

п - количество участков магистрали дегазации;

Рн, Рк. - давление азота в начале и конце 1-го участка магистрали дегазации, МПа.

Давление в начале каждого участка определяется по формуле

РН| =[РК1+14,22ри1.(К / <+32^и<.)0'25(36М5)Р,

где ри - плотность азота, кг/м3;

I- длина I -го участка, м;

Кэ - эквивалентная абсолютная шероховатость стенки трубопровода, м2/мм;

ё. - внутренний диаметр трубопровода 1-го участка,

мм;

V - кинематическая вязкость азота, м2/с.

и

Во всех рассматриваемых вариантах давление, необходимое для дегазации баллонов с ёпт= 4 мм, больше давления при ёпт= 8,0 мм в 2,0-2,4 раза. Причем наибольшее превышение соответствует зимнему периоду.

Продолжительность полного слива из баллона сжиженного газа определяется суммой времени на слив жидкой фазы СУГ, на отсос паровой фазы СУГ и на дегазацию внутренней полости баллона

т =т + т + т ,

сл ж о д

где тсл - время полного слива СУГ, мин.

Выводы и рекомендации

1. По причине отказов ЗПА автомобильных баллонов и отсутствия постов слива предприятия, эксплуатирующие газобаллонные автомобили, несут существенные убытки и наносят вред окружающей среде.

2. Посты слива газа из автомобильных баллонов крайне необходимы для организации безопасной эксплуатации ГБА, что подтверждается статистикой эксплуатации этих автомобилей в крупных городах.

3. С учетом минимизации энергетических затрат на слив газа в разное время года необходимо устанавливать в баллоне заборные трубки с диаметром не менее 6 мм, что подтверждается вышеприведенными расчетами.

Литература

1. Федеральный закон «Об использовании альтернативных видов моторного топлива». - 2005.

2. РД 03112194-1094-03 «Руководство по организации эксплуатации газобаллонных автомобилей, работающих на сжиженном нефтяном газе». НИИАТ, ДАТ Минтранса РФ, 2003.

3. Певнев Н.Г. Обоснование необходимости совершенствования системы питания двигателя СУГ. - Н.Г. Певнев, Э.Р. Раенбагина. - Транспорт на альтернативном топливе. - 2009. - № 1. - С. 18-19.

4. Полез. модель 90137 РФ : МПК F 02 М 21/02: Двухтопливная система питания двигателя. - Н.Г. Певнев, Э.Р. Раенбагина, А.П. Елгин; СибАДИ. - №2009132044/22; заявл. 25.08.2009 ; опубл. 27.12.2009, Бюл. № 36.

5. Певнев Н.Г. Рекомендации по повышению безопасности эксплуатации автомобильных газовых баллонов. - Н.Г. Певнев, А.П. Елгин. - АГЗК+АТ. - 2004, № 6. - С. 20-21.