Применение различных видов моторного топлива в условиях Сибири и Крайнего Севера

Применение различных видов моторного топлива в условиях Сибири и Крайнего Севера

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

Проанализированы особенности работы автотехники на различных видах моторного топлива в зонах с холодным климатом. Оценены эффективность и целесообразность их применения в суровых условиях Сибири.

Ключевые слова: компримированный природный газ (КПГ), сжиженный углеводородный газ (СУГ), дизельное топливо, бензин, качество топлива, Крайний Север.

Технико-экономическая эффективность применения различных моторных топлив в зимних условиях Сибири и Крайнего Севера определяется особенностями зимней эксплуатации автотехники, наличием ресурсов традиционного топлива и его качеством, к которому предъявляется ряд дополнительных требований.

По прогнозам ФГУП «Научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт» (НАМИ), к 2020 г. автомобильный парк страны будет составлять около 49 млн ед. В настоящее время автотранспорт нашей страны потребляет примерно 70 млн т бензина и дизельного топлива, и это количество будет удвоено. Сегодня объем переработки бензина и дизельного топлива составляет около 100 млн т с учетом всех мощностей [1]. Таким образом, при имеющихся мощностях нефтепереработки с 2016 г. будет ощущаться дефицит моторного топлива, который в периоды пикового сезонного потребления уже существует.

Сегодня в нашей стране нефтяные моторные топлива вырабатываются в соответствии со стандартами и другими нормативно-техническими документами (ТУ и СТО). Автомобильные бензины производят, в основном, по двум стандартам - ГОСТ Р 51105-97 и ГОСТ Р 51866-2002, гармонизированным с европейским стандартом ЕН 228-2004. Дизельные топлива также выпускают по двум стандартам

- межгосударственному ГОСТ 305-82 и ГОСТ Р 52368-2005 «Топливо дизельное Евро», который полностью соответствует европейскому стандарту ЕН 590:2004-9.

Сегодня российская нефтепереработка состоит из двух больших сегментов. Первый - это 28 нефтеперерабатывающих заводов, которые принадлежат вертикально интегрированным компаниям, и второй

- около 186 официально зарегистрированных мини-НПЗ [2].

На севере зачастую производят топливо из местного сырья (газовый конденсат) по ТУ и СТО, в которых предусмотрены отступления от

стандартов по важнейшим показателям качества. Это облегчает производство, однако применение этих топлив связано с увеличением жесткости процесса, нагрузок на детали цилиндропоршневой группы вплоть до их поломки и даже выхода из строя топливной аппаратуры.

В Европе достаточно давно производят топлива из газового конденсата, соответствующие европейским требованиям за счет ввода определенного количества различных присадок. Таким образом, проблема не в газоконденсате. Действительно, источником некачественного топлива являются так называемые за-водики-блендеры (от английского «смешивать»), которых в нашей стране насчитывается не менее 1,5 тыс. с производством топлива около 5 млн т/год при общем объеме производства всеми НПЗ около 100 млн т/год.

При таком количестве игроков на рынке традиционного моторного топлива трудно осуществить полноценный контроль его качества, особенно зимних сортов. О том, что

управление качеством моторных топлив вышло из-под контроля, говорит и то, что сроки нахождения в обращении топлив 2-го и 3-го классов и переход на топливо для АТС экологического класса Евро-4 неоднократно переносились.

Необходимо отметить, что до 80 % территории России находится в зоне холодного климата, а на Крайнем Севере температура зимой опускается ниже -60 °С. Продолжительность осенне-зимнего периода эксплуатации машин колеблется от 6 до 9 мес. Эффективность использования автотехники в таких условиях во многом определяется видом и качеством применяемого моторного топлива.

Промышленный бензин представляет собой смесь углеводородов в интервале температур кипения 30...200 °С. У современных сортов бензина предусмотрены более жесткие нормы содержания бензола, нормирование ароматических углеводородов и добавление моющих присадок. Однако фракции углеводородов с высокой детонационной стойкостью, производящиеся с применением риформинга, имеют относительно высокую температуру застывания, что создает трудности при производстве зимних сортов бензина и приводит к увеличению их стоимости. Пусковые качества бензинов нормирует ГОСТ Р 51866-2002 «Топлива моторные. Бензин неэтилированный. Технические условия», в котором выделены 12 классов испаряемости бензинов (от А до F). Последний, обладающий максимальной испаряемостью, рекомендован, в частности, для использования в Республике Саха (Якутия) в период с 15 октября по 15 мая. Зимние сорта сохраняют прокачиваемость, как минимум, до температуры -35 °С.

Нефтеперерабатывающей промышленностью вырабатывается дизельное топливо по ГОСТ 305-82 трех марок: летнее (Л), зимнее (З) и арктическое (А). Топливо Л предназначено для дизелей, эксплуатирующихся при температуре 0 °С и выше. Дизельное топливо марки З выпускается двух видов: с температурами застывания не выше -35 °С и -45 °С. Температура застывания арктического топлива не выше -55 °С, оно предназначено для дизелей, работающих в суровых условиях Крайнего Севера и Сибири при температуре воздуха -50 °С. Добавкой так называемых депрес-сорных присадок в количествах, составляющих доли процента, можно понизить температуры застывания и помутнения на 5.10 °С.

Эксплуатация дизелей в условиях Крайнего Севера приводит к снижению показателей эффективности работы установок и машин. Так, при температурах окружающего воздуха -20.-30 °С рекомендуется снижать рабочие нагрузки на 25 %, а при температуре -30.-40 °С - даже на 50 % [3-5].

Температуры замерзания (застывание) бензинов и дизельного топлива должны быть достаточно низкими, чтобы обеспечить возможность эксплуатации двигателя даже в суровых зимних условиях. Застывание дизельного топлива начинается с выделения кристаллов углеводородов, имеющих наиболее высокие температуры плавления, а также льда растворенной воды, что определяется температурой помутнения. При дальнейшем понижении температуры застывает остальная часть углеводородов, что соответствует температуре застывания. Еще одной проблемой является повышенное содержание воды в топливе, которая отслаивается, собирается внизу

бака и застывает, образуя ледяную пробку в топливоподающей магистрали и полностью блокируя работу двигателя.

Экологические свойства моторных топлив характеризуются в первую очередь содержанием соединений серы. В странах ЕС и РФ установлены следующие требования к максимальному их содержанию в моторном топливе: для АТС класса Евро-4 - 50 мг/кг, Евро-5 - 10 мг/кг. Для дизельного топлива этих экологических классов цетановое число, которое характеризует воспламеняемость дизельного топлива, должно возрасти с 45 до 51. Этого требует применение топливной аппаратуры нового поколения, так называемой Common Rail, позволяющей гибко управлять топливоподачей, что обеспечивает существенное снижение вредных выбросов с отработавшими газами, улучшает пусковые качества. Однако чем меньше сернистых соединений в топливе, тем ниже его смазывающие свойства и тем хуже работает топливная аппаратура, из-за чего снижается ее ресурс. Для дизельного топлива с ультранизким содержанием серы, особенно для арктического, имеющего пониженную вязкость, обязательно введение антифрикционных противоизносных присадок, что широко используется в мировой практике. Например, стандарт EN-590, действующий с 1999 г. в странах ЕС, и соответственно ГОСТ Р 52368 регламентируют смазывающие свойства дизельного топлива [6].

В настоящее время производство качественных дизельных топлив невозможно без добавки различных присадок, таких как депрессорные, моющие, антидымные, противоиз-носные, промоторы воспламенения. Однако выпуск дизельных топлив с

присадками в России относительно невелик.

Для обеспечения более надежной работы топливоподающей аппаратуры в зимний период дизельные автомобили оснащают топливными фильтрами и топливозаборниками с элементами электроподогрева.

Основными альтернативными моторными топливами являются КПГ и СУГ. Использование СУГ на автомобиле в зимнее время проблематично, что влечет увеличение эксплуатационных затрат на топливо в результате использования дорогостоящих сортов зимнего бензина. Причиной отказа работы газобаллонных автомобилей (ГБА) из-за прекращения подачи СУГ в двигатель является уменьшение давления в автомобильном газовом баллоне и системе питания вследствие снижения температуры окружающего воздуха [7, 8].

При наблюдении за эксплуатацией ГБА в Омске было установлено [7], что превалирующими являются отказы по причине снижения давления в газовом баллоне, которое обусловлено следующими факторами:

• несоответствие газового топлива на АГЗС сезону и требованиям ГОСТ Р 52087-2003, который предписывает заправлять транспортное средство пропан-бутаном автомобильным (ПБА) вместо пропана автомобильного (ПА);

• резкое понижение температуры окружающего воздуха в зимнее время в утренние часы.

В настоящее время большинство современных автомобилей оснащено инжекторной системой питания двигателя. СУГ в баллоне находится в двух состояниях - жидком и газообразном. С понижением температуры давление падает, а при температурах ниже -42 °С (температура кипения пропана) оно становится атмосферным.

При подаче СУГ через электромагнитные форсунки в соответствии с требованиями ГОСТ Р 52087-2003 необходимо обеспечить избыточное давление

насыщенных паров газа 0,1___0,15 МПа

в интервале температур от 35 до -30 °С.

Анализ данных, приведенных в работе [7], показывает (рис. 1), что требования к работе впрысковой системы питания двигателя соблюдаются при минимально возможной температуре ПА -20 °С, а ПБА -5 °С.

Повышение эксплуатационной надежности газобаллонных автомобилей в условиях отрицательных температур можно достичь двумя методами:

• применением СУГ марки ПА, что позволит обеспечить надежную эксплуатацию вплоть до температур -20 °С;

• поддержанием давления СУГ, поступающего из газовых баллонов в газотопливную систему.

СУГ марки ПА в настоящее время поставляется нефтеперерабатывающими заводами в ограниченном количестве. Поддерживать давление СУГ в автомобильных системах газоподачи возможно подачей его

жидкой фазы с помощью погружного насоса и подогревом жидкой фазы СУГ для поддержания избыточного давления насыщенных паров в баке [9].

Обеспечить безотказную эксплуатацию автомобилей на СУГ при низких температурах можно за счет применения топливных систем ГБО пятого поколения. В них газ с помощью погружного насоса поступает в жидкой фазе из баллона в цилиндры через рампу газовых форсунок.

Авторы работ [7-9] считают, что наиболее приемлемым условием безотказной эксплуатации автомобиля на СУГ при отрицательных температурах является испарение жидкой фракции газа. Ими предложена конструкция электроподогревателя, устанавливаемого в баллоне с СУГ с системой защиты от перегрева, для чего бак снабжен датчиком давления. При превышении давления отключается питание электроподогревателя и включается сигнальная лампа.

Таким образом, зимние сорта бензина, дизельного топлива и СУГ имеют более высокую стоимость и ограниченный объем производства по сравнению с летними, а при их

Р, МПа

/

/

к V /

* 4

-35 -30 -25 -20 -15 -Ю -5 0 5 10 15 IX

Рис. 1. Изменение давления насыщенных паров СУГ в зависимости от температуры пропан-бутанового топлива: 1 - пропан; 2 - ПА; 3 - ПБА; 4 - бутан

Особенности применения различных видов топлива в зимних условиях

Топливо Дополнительные требования

к фракционному составу к присадкам к конструктивным элементам топливной аппаратуры к содержанию воды к минимальной температуре

Бензин Обеспечение определенного класса испаряемости Увеличение концентрации моющих присадок - Допустимы следы воды Застывания -60 °С

Дизельное топливо Обеспечение температуры предельной фильтруемости и помутнения Введение дополнительных депрессорных присадок и промоторов воспламенения; увеличение концентрации антифрикционных, моющих и антидымных присадок Электроподогреватели фильтров, топливозаборников Допустимы следы воды Застывания -55 °С

СУГ Соответствие пропану автомобильному - Электроподогреватели СУГ в баке или погружные насосы Допустимы следы воды Кипения пропана -42,1°С, бутана -0,5 °С

КПГ - - - Осушка, соответствующая температурам эксплуатации Кипения метана -161,6 °С

использовании в суровых зимних условиях необходимо дооснащать автомобиль электроподогревателями.

Сравнениехарактеристик различных видов топлива и дополнительных требований при их применении в зимних условиях представлено в таблице.

Анализ показывает, что в суровых зимних условиях требования к КПГ при его применении в качестве моторного топлива минимальные, их даже нельзя назвать дополнительными - необходимо обеспечить уровень осушки, соответствующий температурам эксплуатации.

Экономический и экологический эффекты от применения компримиро-ванного природного газа в качестве моторного топлива давно доказаны. КПГ активно внедряется в различных городах России. В настоящее время сеть АГНКС охватывает в основном европейскую часть страны.

Интерес к использованию ГМТ в районах Крайнего Севера возник в процессе реализации проектов разработки газовых месторождений. Идея проста - зачем завозить

дорогостоящее дизельное топливо и бензин с материка, когда добываемый природный газ, который после промысловой подготовки почти на 98 % состоит из метана, является высококачественным газомоторным топливом. При этом качество КПГ не может быть фальсифицировано, его показатели стабильны и определяются составом природного газа, поставляемого по магистральным трубопроводам.

Возможность использования различной автотранспортной техники на КПГ в условиях Крайнего Севера доказана успешной эксплуатацией газозаправочной и газоиспользу-ющей техники при довольно суровых зимах в средней полосе России. Это подтверждается, прежде всего, многолетним опытом эксплуатации большого парка сельскохозяйственной и автомобильной техники, работающей на КПГ, особенно в северных регионах России.

За рубежом газозаправочная и га-зоиспользующая автотранспортная техника эксплуатируется в районах с теплым и умеренным климатом.

Поэтому опыт эксплуатации этой техники ограничентемпературой-40 °С, что отражено в стандартах ЕЭК ООН №110. В частности, предусмотрено, что газотопливная аппаратура автомобилей должна быть рассчитана на работу при температуре от -40 °С.

Отечественный опыт эксплуатации подобной техники в суровых условиях Крайнего Севера, где температуры опускаются ниже -60 °С, также недостаточен. При температурах ниже -45 °С АГНКС обычно прекращают работу, так как их оборудование рассчитано на эксплуатацию при температурах до -45 °С.

В этой связи представляет большой интерес четырехлетний опыт применения КПГ в Республике Саха (Якутия) [10]. С мая 2007 г. в Якутске эксплуатируется первая в Дальневосточном федеральном округе АГНКС. Ее проектирование и строительство проводилось с учетом климатических особенностей Якутска (проектная температура в зимний период -55 °С). В соответствии с этим резиновые изделия и уплотнитель-ные манжеты были изготовлены из

морозостойкой резины, а оборудование и трубопроводы, предназначенные для работы на открытом воздухе, - из стали 09Г2С. Проведены дополнительное утепление, подогрев технологического оборудования и заправочных колонок, а также надежная очистка от масла и осушка КПГ. Заправочные шланги аргентинского производства не выдержали испытания якутскими морозами и были заменены российскими. Строительство второй АГНКС в Якутске должно повысить надежность заправки АТС.

Использование КПГ в качестве моторного топлива имеет ряд преимуществ в суровых климатических условиях по сравнению с традиционными топливами, однако для эффективного применения газоисполь-зующей автотехники необходимо следующее:

• газобаллонное оборудование автотехники и оборудование АГНКС по климатическому исполнению ХЛ для условий Крайнего Севера должно соответствовать требованиям ГОСТ 15150-69 для макроклимати-ческого района с холодным климатом от -60 °С до 40 °С;

• осушка КПГ должна соответствовать температурам эксплуатации;

• технологические процессы подготовки КПГ и комплектация оборудования на АГНКС должны обеспечивать бесперебойное снабжение потребителей газомоторным топливом в суровых климатических условиях с учетом особенностей эксплуатации газоиспользующей техники и ее заправки при низких температурах.

Требования к осушке КПГ для предупреждения образования гидратов при эксплуатации газозаправочной и газоиспользующей техники в условиях низких температур должны быть более жесткие, чем требует

ГОСТ 27577-2000, в котором предусмотрено влагосодержание 9 мг/м3, что соответствует температуре точки росы по влаге (ТТРВ) -30 °С. При отрицательных температурах влага, выпадающая из природного газа, может выделяться над образующимися льдом и гидратами. Поскольку при отрицательных температурах лед и гидраты термодинамически более стабильны, чем влага, то температура точки росы надо льдом (ТТРЛ) и температура точки росы над гидратами (ТТРГ) имеют более высокие значения, чем ТТРВ при одном и том же влагосодержании.

На рис. 2 приведены данные расчета равновесного влагосодержания КПГ при давлении 20 МПа над водой WВ, надо льдом Wn и над гидратами WГ. Величина WВ до температуры -40 °С определялась по ГОСТ 200060-83, для более низких температур - экстраполяцией.

При влагосодержании 9 мг/м3 (ГОСТ 27577-2000) влага надо льдом начнет выпадать при -27 °С, а над гидратами при -22 °С. Как показано в [11], при оценке границы выделения влаги из КПГ необходимо использовать именно ТТРГ . При температуре окружающей среды -55 °С ТТРГ

компримированного природного газа должна быть ниже -55 °С, что соответствует равновесному влагосодер-жанию над гидратами WГ=0,58 мг/м3 (точность рассчитанного значения может быть невысокой из-за экстраполяции). Это превышает на порядок требования к влагосодержанию по ГОСТ 27577-2000.

Другой путь обеспечения надежной работы АГНКС при низких температурах эксплуатации - периодическая продувка газонаполнительного тракта осушенным и редуцированным КПГ для испарения выделившейся в нем влаги. Так, 1 м3 осушенного КПГ (до требуемых ГОСТом 9 мг/м3) при редуцировании до 1,5 МПа ^Г=33 мг/м3) может «впитать» и унести 33-9=24 мг/м3 влаги, выделившейся в процессе эксплуатации газозаправочного оборудования. При температуре 10 °С и при давлении до 1,5 МПа WГ=696 мг/м3, то есть 1 м3 может унести почти в 30 раз больше влаги.

Для реализации предлагаемого способа АГНКС снабжается дополнительным продувочным газопроводом с гнездом, в которое вставляется пистолет шланга заправочной колонки, через который между заправками

Рис. 2. Равновесное влагосодержание КПГ: - над водой; - надо льдом; - над гидратами

осуществляется перепуск (продувка) осушенного газа на вход в АГНКС.

На разработанное во ВНИИГАЗе техническое решение получен патент [12] на полезную модель, которая позволяет обеспечить безаварийную работу АГНКС и бесперебойное снабжение автотранспортных средств компримированным природным газом в условиях Крайнего Севера.

Экономическая целесообразность применения того или иного вида моторного топлива определяется во многом затратами на его доставку потребителю. В качестве примера рассмотрим дизельное топливо.

На январь 2012 г. оптовые цены составляли:

• 40,4 руб./л на сорта зимнего дизельного топлива (Евро-3) с ^ -25 °С (ОАО «Лукойл»);

• 43,4 руб./л на дизельное зимнее арктическое топливо А-0.05 (Евро-2) с Сз = -45 °С (ООО «Трэйдер»);

• 24,1.31,3 руб./л на сорта летнего дизельного топлива (ООО «Маг-нум Ойл»).

Как видно, стоимость зимних сортов дизельного топлива в ~1,5 раза выше летнего, а их цена при доставке, например, в Якутию возрастает до 80 руб./л. Завоз нефтяного топлива в эту республику ежегодно требует значительных кредитных ресурсов для его закупки и хранения, что в конечном счете влияет на цену дизельного топлива и бензина. Потребность только бюджетных учреждений всех уровней, расположенных в г. Якутске, в 2010 г. составила 28,8 тыс. т нефтяного топлива на сумму около 1 млрд руб. При переводе всего автотранспорта бюджетных учреждений Якутска на КПГ, по данным [10], можно сэкономить около 500 млн руб. (без учета стоимости оборудования) на разнице цен газа и нефтяного топлива.

Опыт использования КПГ на транспорте и эксплуатации оборудования АГНКС в условиях экстремально низких температур Якутии показывает, что при определенной

доработке оно вполне работоспособно. Это позволяет позитивно оценивать перспективы внедрения природного газа на автотранспорте в условиях Крайнего Севера.

Литература

1. Стенограмма расширенного заседания комитета Государственной Думы по энергетике по вопросу «О мерах по повышению использования природного газа в качестве моторного топлива» // Транспорт на альтернативном топливе.

- 2010. - № 1 (13). - С. 49-60.

2. Бензин-то суррогатный! Нет надежных заслонов на пути производства суррогатного бензина. - http://www.azpp.ru/?opt=cat&id_parent=277&level=1

3. Патрахальцев Н.Н., Соболев И.А., Казаков С.А. Совершенствование пусковых и динамических характеристик дизеля в условиях низких температур окружающего воздуха // Двигателестроение. - 2009. - № 3. - С. 32-36.

4. Свод правил по проектированию и строительству. СП 12-104-2002. Механизация строительства, эксплуатация строительных машин в зимний период.

- URL: http://stroy.dbases.ru/Data 1/11/11358/index.htm

5. Долгих Б.Н., Щелконогов Е.С., Амелин Я.И. Обеспечение работоспособности автомобильной техники в условиях низких температур / Автомобили, специальные и технологические машины для Сибири и Крайнего севера; Материалы 59-й Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ). - Омск: изд-во СибАДИ, 2007. - С. 101-109.

6. Галиев Р.Г., Хавкин В.А., Данилов А.М. Требования к бензинам и дизельному топливу: сравнительный анализ топлива в России и за рубежом. - http:// www.au92.ru/msg/20070117_7011702.html

7. Певнев Н.Г., Банкет М.В. Повышение эксплуатационной надежности газобаллонных автомобилей при низких температурах окружающего воздуха // Транспорт на альтернативном топливе. - 2009. - № 5 (11). - С. 36-39.

8. Хамов И.В., Рудских В.И. Адаптация газобаллонного оборудования к условиям эксплуатации при низких температурах / Автомобили, специальные и технологические машины для Сибири и Крайнего Севера; Материалы 59-й Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ). - Омск: изд-во СибАДИ, 2007. - С. 267-274.

9. Певнев Н.Г., Гурдин В.И, Банкет М.В. Оптимизация теплосодержания СУГ в автомобильном газовом баллоне для обеспечения бесперебойной работы ГБА // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010. - № 4 (16). - С. 10-13.

10. Добрынин В.В., Изместьев А.С., Шипков Р.Ю. Использование КПГ в Республике Саха (Якутия) // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. -№ 3 (21). - С. 40-42.

11. Гнедова Л.А., Гриценко К.А., Лапушкин Н.А., Перетряхина В.Б., Федотов И.В. Нормирование влагосодержания компримированного природного газа с учетом региональных климатических условий // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 2 (20). - С. 66-68.

12. Автомобильная газонаполнительная компрессорная станция. Патент на полезную модель № 121550.