Современные криогенные бортовые топливные системы для автотранспорта и технологии их заправки

Современные криогенные бортовые топливные системы для автотранспорта и технологии их заправки

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

Рассмотрены технологические схемы криогенных бортовых топливных систем, а также способы их заправки сжиженным природным газом.

Ключевые слова: криогенная бортовая топливная система, сжиженный природный газ, бездренажная заправка, технология заправки.

В настоящее время в криогенных

бортовых топливных системах (КБТС) на сжиженном природном газе (СПГ) используются следующие технологические схемы:

• с испарителем самонаддува криогенного бака (рис. 1а);

• с равновесной жидкостью при повышенном давлении (рис. 16);

• с криогенным насосом (рис. 1е).

Особенность первой схемы заключается в том, что жидкость после заправки имеет равновесное давление, близкое к атмосферному, а, следовательно, наименьшую температуру и наибольшую плотность. Увеличение и поддержание повышенного давления в баке для подачи жидкости через продукционный теплообменник в двигатель осуществляются выносным испарителем самонаддува бака с использованием регулятора давления

и переключателя фаз, через который пар направляется в продукционный теплообменник при чрезмерном повышении давления в баке. Схема имеет следующие преимущества:

• наибольшее количество топлива в данном объеме;

• длительное бездренажное хранение жидкости из-за низкого давления в баке в начальный момент;

• относительно простое оборудование на заправочной станции.

Недостатки данной схемы:

• из-за низкой температуры жидкости растворимость диоксида углерода в жидком метане мала и возможна кристаллизация СО2 с забивкой арматуры и трубопроводов;

• в процессе испарения возможна кристаллизация диоксида углерода в испарителе самонаддува, что может привести к его забивке и

прекращению подачи газа в двигатель;

• при заправке методом пе-редавливания (безнасосная схема) пары жидкости выбрасываются в атмосферу;

• в случае переполнения бака жидкость выбрасывается через свечу, создавая пожароопасную ситуацию;

• в начале движения автомобиля разрушается слой равновесной жидкости на границе раздела фаз, давление в баке быстро снижается из-за конденсации пара на поверхности жидкости, уменьшается расход газа на двигатель, и он глохнет.

Несмотря на недостатки эта схема является достаточно распространенной и реализуется компаниями Cryodiffusion, MAN, Gyogenic Fuels Inc (CFI), а также отечественными

12 3 I 2 3 12 3

Рис. 1. Технологические схемы криогенных бортовых топливных систем: 1 - линия подачи жидкости; 2 - криогенный бак; 3 - испаритель-регазификатор; 4 - переключатель фаз; 5 - испаритель самонаддува; 6 - гарантированное паровое пространство; 7 - криогенный насос

т

Транспорт на СПГ

компаниями ОАО «Гелиймаш» и ЗАО «НПФ «ЭКИП» [1].

Испытания, проведенные в ООО «Газпром ВНИИГАЗ», подтвердили работоспособность отечественных кри-огенно-бортовых топливных систем такого типа [2, 3].

Схема с равновесной жидкостью при повышенном давлении предложена и реализуется компанией NexGen Fueling Chart Industries [4] (см. рис. 16). Основная идея этой схемы состоит в следующем - криогенная бортовая топливная система должна быть аналогична бортовой системе на сжиженных углеводородных газах (СУГ). Поэтому в системе отсутствует испаритель самонаддува, и подача СПГ в двигатель транспортного средства через продукционный испаритель осуществляется за счет первоначального давления в баке, создаваемого при его заправке равновесной жидкостью с достаточно высокой температурой. По мере опорожнения бака происходит, с одной стороны, снижение давления в нем из-за увеличения парового пространства, с другой - вскипание жидкости, и в паровое пространство поступает дополнительное количество пара. В результате при уменьшении степени заполнения бака с 90 до 5 % давление в нем снижается с 0,5 до 0,35 МПа, что достаточно для нормальной работы КБТС.

Отсутствие испарителя самонаддува, криогенного запорного вентиля и регулятора давления в баке не только уменьшает стоимость оборудования, но и повышает надежность работы системы, так как при эксплуатации исключается вероятность кристаллизации диоксида углерода, а также других высококипящих примесей и забивки ими испарителя и криогенного вентиля. Поскольку равновесная температура жидкости относительно высока (135...125 К), то повышается растворимость диоксида углерода в метане. Это позволяет снизить требования по содержанию диоксида углерода в СПГ.

Однако использование «теплой» равновесной жидкости имеет ряд недостатков, в числе которых следующие:

• из-за более высокой начальной температуры жидкости и, соответственно, меньшей плотности количество заправленного СПГ примерно на 10...20 % меньше, чем для предыдущей схемы;

• при высокой начальной температуре жидкости сокращается длительность бездренажного хранения СПГ в баке;

• для реализации бездренажной заправки необходимо на станции наполнения иметь СПГ с температурой около 140 К (равновесное давление 0,6 МПа) и давлением не менее 0,8.0,9 МПа и проводить заправку при повышенном давлении в криогенном баке.

Схемы с криогенным насосом (см. рис. 1е) используются в случае, когда необходимо подавать газ в двигатель при повышенном давлении. Для газовой турбины давление подачи составляет около 3 МПа, что обеспечивается стандартным поршневым насосом. При этом в криогенном баке поддерживается давление около 0,2 МПа, чтобы обеспечить подачу жидкости на насос. Этот уровень давления обеспечивается за счет отбора газа из продукционного испарителя, что позволяет отказаться от испарителя самонаддува. Криогенный бак

заправляется сжиженным природным газом при давлении, близком к атмосферному, что предполагает низкое содержание диоксида углерода в СПГ.

Основные проблемы при реализации данной схемы:

• наличие дорогостоящего криогенного насоса, который должен длительно и непрерывно работать в условиях вибраций;

• обеспечение однофазного состояния жидкости в насосе;

• запуск системы в работу.

В последнее время обсуждается вопрос об использовании кассетных КБТС, в которых вместо заправки бака сжиженным природным газом производится замена порожнего бака на предварительно заполненный на станции производства СПГ

Преимущество такой схемы - сокращение длительности заправки, отсутствие промежуточного резервуара на заправочной станции, за счет этого уменьшение стоимости станции и заправки, а также повышение пожаробезопасности. Однако все проблемы заправки не исчезают, а переносятся на станцию производства СПГ. В связи с увеличением числа баков уменьшается эффект от снижения стоимости из-за отсутствия расходного резервуара. Появляется также необходимость решения дополнительных проблем: обеспечить надежные низкотемпературные соединения при замене баков, иметь на станции

а 6

Рис. 2. Двухлинейные схемы с открытым газосбросом (а - заправка сверху; б - заправка снизу): 1 - расходный резервуар; 2 - криогенный бак; 3 - заправочные коммуникации; 4 - дренажные коммуникации

НРвЙЯ1ВВ9ПШИ.¡¿¡^^¡¡в,01 фЩ^^^^jgZ «Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (36), декабрь 2013 г.

Рис. 3. Двухлинейная технология с рециркуляцией пара и криогенным центробежным насосом: 1 - расходный резервуар; 2 - криогенный бак; 3 - центробежный насос

заправки подъемные средства, гарантировать пожарную безопасность при наличии большего числа цистерн с СПГ на станции заправки. Тем не менее практическая реализация такой схемы на транспортных средствах с существенно сниженной длительностью заправки представляется перспективной.

Важными моментами эксплуатации КБТС являются их заправка (заполнение теплого криогенного бака) и дозаправка (заполнение бака с некоторым количеством жидкости) сжиженным природным газом. При заправке и дозаправке автотранспорта сжиженным природным газом необходимо выполнить следующие условия:

• заполнение следует проводить с темпом около 70 л СПГ в минуту (0,5 кг/с), что соответствует темпу заправки автотранспорта традиционным топливом;

• заполнение может проводиться как в регулярном режиме (транспортные средства на заправку поступают непрерывно или через заданные промежутки времени), так и при случайной очереди транспортных средств;

• исключить или максимально ограничить выбросы топлива в окружающую среду, в том числе при переполнении криогенного топливного бака;

• обеспечить безопасность для персонала, оборудования станции,

транспортных средств и водителей, а также для окружающих зданий, сооружений и проживающих в них людей.

До последнего времени при заправке и дозаправке КБТС сжиженным природным газом использовалась двухлинейная технология (two-lines transfer procedure), по которой заправка криогенного топливного бака жидкостью проводится с открытым дренажным трубопроводом со сбросом паров либо через свечу в атмосферу на рассеивание (рис. 2), либо при использовании насоса в расходный резервуар (рис. 3).

Эта технология является наиболее простой и, как правило, используется при заправке криогенных резервуаров такими продуктами как жидкий азот, жидкий кислород, а также при заправке двухлинейных КБТС. Заправка может проводиться как снизу (под уровень жидкости), так и сверху (над уровнем жидкости). При заправке сверху более равномерно охлаждаются стенки сосуда, но длительность процесса больше, чем при заправке снизу.

На длительность заправки, особенно при подаче жидкости сверху, сильно влияет гидравлическое сопротивление дренажных коммуникаций и наличие паровой фазы в жидкости в заправочных коммуникациях.

При заправке СПГ следует учитывать, что в жидкости содержатся

примеси (диоксид углерода, метанол, масла), которые растворены в метане и при снижении температуры СПГ могут выпадать в осадок (процесс кристаллизации).

Основная проблема двухлинейной технологии заключается в том, что возможно переполнение криогенного бака с выбросом жидкости через дренажные коммуникации на территорию заправочной станции с последующим возникновением загазованности и аварийной ситуации. Проблема переполнения остается и при использовании двухлинейных схем с циркуляцией паров (см. рис. 3). В этом случае отсутствует выброс жидкости наружу, но при переполнении она заполняет дренажный трубопровод, и ее необходимо удалить перед отсоединением трубопровода после заправки. Кроме того, необходимо удалить часть СПГ для обеспечения требуемого объема парового пространства.

Опыт эксплуатации транспорта на СПГ показал, что вероятность переполнения бака при использовании двухлинейной технологии высока. Поэтому в настоящее время начинает использоваться однолинейная технология (one-line transfer procedure), при которой заправка криогенного топливного бака сжиженным природным газом ведется с закрытым дренажным трубопроводом с конденсацией пара

Рис. 4. Заправка криогенного бака по однолинейной технологии передавливанием (а - без насоса; б - с криогенным насосом): 1 - питающий резервуар заправочной станции; 2 - криогенный резервуар; 3- заправочные коммуникации; 4 - центробежный насос

«щ

Транспорт на СПГ

в баке за счет нагревания поступающей жидкости (рис. 4).

По однолинейной технологии заправка криогенного бака сжиженным природным газом осуществляется, как правило, путем подачи жидкости сверху (на уровень жидкости) при закрытом дренажном трубопроводе. При этом, с одной стороны, в сосуде повышается давление из-за уменьшения объема парового пространства, с другой - давление в паровом пространстве снижается из-за конденсации пара на каплях поступающей жидкости.

Заправка с закрытой дренажной коммуникацией (бездренажная заправка) практически исключает потери жидкости как при использовании насоса, так и при заправке пе-редавливанием. При однолинейной технологии относительно просто решается вопрос окончания заправки - в конце процесса резко повышается давление, что позволяет автоматически прекратить заправку. Кроме того, упрощается технология заправки, поскольку требуется только одно соединение транспортного средства с заправочной колонкой, что

аналогично его заправке традиционными видами топлива.

Эксперименты, проведенные в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» [5], показали возможность заправки КБТС сжижен-

Литература

ным природным газом как по двухлинейной, так и по однолинейной технологиям, причем длительность процесса соизмерима с длительностью заправки традиционным топливом.

1. Попов О.М., Брагин А.В., Колгушкин Ю.В., Еремина Н.М., Мильман С.Б., Удут В.Н. Системы хранения и подачи сжиженного природного газа, установленные на транспортные средства. В кн. «Использование природного газа на железнодорожном транспорте»: Материалы заседания секции «Распределение и использования газа» НТС ОАО «Газпром» (Екатеринбург, декабрь 2006). - М.: ООО «ИРЦ «Газпром», 2007. - С. 57.

2. Горбачев С.П., Попов В.П. Основные технические требования и результаты испытаний криогенных бортовых топливных систем для транспортных средств. В сб. «Современные технологии сжижения природного газа в установках малой и средней производительности. Использование природного газа на железнодорожном транспорте»: Материалы заседания секции «Распределение и использование газа» НТС ОАО «Газпром» (Екатеринбург, декабрь 2006 г.). - М.: ООО «ИРЦ «Газпром», 2007. - 152 с.

3. Горбачев С.П., Попов В.П., Шапкайц А.Д., Люгай М.В., Поденок С.Е. Результаты испытаний опытных образцов криогенных бортовых топливных систем для транспортных средств // Газовая промышленность. - 2008. - Спецвыпуск 626. - С. 17-20.

4. NexGen Fueling Vehicle Fuel Tank System Operations Manual - http://www. nexgeznfueling.com/pdf/3835849-rev-c-2.pdf

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

Требования

по подготовке статей к опубликованию в журнале

Все научно-технические статьи должны иметь на русском и английском языках следующие составляющие:

заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, ученая степень (при наличии), контакты (e-mail, телефоны), аннотации, ключевые слова.

Авторы остальных публикаций (информационных, рекламных и т.д.) представляют на русском и английском языках: заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, адрес и контакты (e-mail, телефоны).

Материалы статей должны быть представлены по электронной почте в программе WinWord. Текстовый материал с иллюстрациями и таблицами должен иметь сквозную нумерацию. Графический материал должен быть выполнен в формате, обеспечивающем ясность всех деталей рисунков. На рисунках цифры на осях графиков даются только прямым шрифтом, позиции на рисунках - только курсивным.

Формулы и символы должны быть четкими и понятными. Все обозначения в формулах необходимо расшифровать. В формулах и на рисунках все латинские буквы должны быть курсивными, за исключением тригонометрических функций, чисел Рейнольдса, Нуссельта и некоторых других величин. Греческие, русские буквы и цифры в формулах даются только прямым шрифтом. Нумеруются только те формулы, на которые сделаны ссылки в тексте.

Обозначения физических величин и единиц измерений необходимо давать в Международной системе единиц (СИ). Обязательно соблюдение действующих ГОСТов.

Текст, таблицы и графические рисунки должны быть выполнены в программе Word в формате doc, rtf. Фотографии (не менее 300 dpi,

CMYK) - в формате jpg, jpeg, tiff, pdf. Не следует форматировать текст самостоятельно.

При пересылке материалов по е-mail следует сопровождать их пояснительной запиской (от кого, перечень файлов и т.д.). Объемные файлы должны быть заархивированы.

При подготовке статей к печати необходимо руководствоваться документами, определяющими правила передачи информации через СМИ. Авторский коллектив должен указать ответственное лицо, с которым редакция будет вести переговоры в процессе подготовки статьи к изданию.

В список литературы включаются источники, на которые есть ссылки в статье. Ссылаться можно только на опубликованные работы. Список литературы составляется в порядке употребления. В нем приводятся следующие сведения: фамилия и инициалы авторов, название работы: для журнала - название, год издания, номер, страницы, на которых размещена статья: для книг - место и год издания, издательство, общее число страниц.

Редакция оставляет за собой право редакторской правки и не несет ответственности за достоверность публикации. Все внесенные изменения и дополнения в представленную к изданию статью согласовываются с автором или представителем авторского коллектива.

Редакция также оставляет за собой право размещать опубликованные статьи на сайтах журнала и Национальной газомоторной ассоциации. Редакция не передает и не продает материалы для публикации в других печатных и электронных изданиях без согласования с автором (представителем авторского коллектива).

I ,.ifffflTmriTr„-. Д|Дн4Д1<

«Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (36), декабрь 2013 г.