Компримированный природный газ. Ес и еаст. Химический состав газа. Применение

В производственных процессах, связанных с использованием газов (диспергирование, перемешивание, пневмотранспорт, сушка, абсорбция и т. д.), перемещение и сжатие последних происходит за счет энергии, сообщаемой им машинами, которые носят общее название компрессионных . При этом производительность компрессионных установок может достигать десятков тысяч кубометров в час, а давление изменяется в пределах 10 –8 –10 3 атм., что обусловливаетбольшое разнообразие типов и конструкций машин, применяемых для перемещения, сжатия и разрежения газов. Машины, предназначенные для создания повышенныхдавлений, получили название компрессоров, а машины, работающие на создание разрежения –вакуум-насосов .

Классифицируют компрессионные машины в основном по двум признакам: принципу действия и степени сжатия. Степень сжатия – это отношение конечного давления газа на выходе из машиныр 2 к начальному давлению на входеp 1 (т. е.p 2 /p 1).

По принципу действия компрессионные машины подразделяют на поршневые, лопастные (центробежные и осевые), ротационные и струйные.

По степени сжатия различают:

– компрессоры, используемые для создания высоких давлений, со степенью сжатия р 2 /р 1 > 3;

– газодувки, служащие для перемещения газов при большом сопротивлении газопроводной сети, при этом 3 > p 2 /p 1 >1,15;

– вентиляторы, применяемые для перемещения больших количеств газа при p 2 /p 1 < 1,15;

– вакуум-насосы, отсасывающие газ из пространства с пониженным давлением (ниже атмосферного) и нагнетающие его в пространство с повышенным (выше атмосферного) или атмосферным давлением.

В качестве вакуум-насосов могут быть использованы любые компрессионные машины; более глубокий вакуум создают поршневые и ротационные машины.

В отличие от капельных жидкостей, физические свойства газов функционально зависят от температуры и давления; процессы перемещения и сжатия газов связаны с внутренними термодинамическими процессами. При малых перепадах давлений и температур изменения физических свойств газов в процессе их движения с малыми скоростями и давлениями, близкими к атмосферному, незначительны. Это дает возможность использования всех основных положений и законов гидравлики для их описания. Однако при отклонении от нормальных условий, в особенности при высоких степенях сжатия газа, многие положения гидравлики претерпевают изменение.

1. Термодинамические основы процесса сжатия газов

Влияние температуры на изменение объема газа при постоянном давлении, как известно, определяется законом Гей – Люссака, т. е. при p = const объем газа прямо пропорционален его температуре:

где V 1 иV 2 – объемы газа соответственно при температурахТ 1 иТ 2 , выраженные по шкале Кельвина.

Связь между объемами газа при разных температурах может быть представлена зависимостью

, (4.1)

где V иV 0 – конечный и начальный объемы газа, м 3 ;t иt 0 – конечная и начальная температура газа, °С;β t – относительный коэффициент объемного расширения, град. –1 .

Изменение давления газа в зависимости от температуры:

, (4.2)

где р ир 0 – конечное и начальное давление газа, Па;β р – относительный температурный коэффициент давления, град. –1 .

Масса газа М при изменении его объема остается постоянной. Если ρ 1 иρ 2 плотности двух температурных состояний газа, то
и
либо
, т.е. плотность газа при постоянном давлении обратно пропорциональна его абсолютной температуре.

По закону Бойля-Мариотта, при одной и той же температуре произведение удельного объема газа v на значение его давленияр есть величина постояннаяp v = const. Следовательно, при постоянной температуре
, а
, т. е. плотность газа прямо пропорциональна давлению, так как
.

Учитывая уравнение Гей-Люссака, можно получить соотношение, связывающее три параметра газа: давление, удельный объем и его абсолютную температуру:

. (4.3)

Последнее уравнение носит название уравнения Клайперона . В общем виде:

либо
, (4.4)

где R – газовая постоянная, которая представляет собой работу, совершаемую единицей массы идеального газа в изобарном (p = const) процессе; при изменении температуры на 1° газовая постояннаяR имеет размерность Дж/(кгград):

, (4.5)

где l р – удельная работа изменения объема, совершаемого 1 кг идеального газа при постоянном давлении, Дж/кг.

Таким образом, уравнение (4.4) характеризует состояние идеального газа. При давлении газа свыше 10 атм использование этого выражения вносит погрешность в расчеты (p v ≠RT ), поэтому рекомендуется пользоваться формулами, которые более точно описывают зависимость между давлением, объемом и температурой реального газа. Например, уравнением Ван-дер-Ваальса:

, (4.6)

где R = 8314/M – газовая постоянная, Дж/(кг·К);М – молекулярная масса газа, кг/кмоль;а ив – величины, постоянные для данного газа.

Величины а ив могут быть рассчитаны по критическим параметрам газа (Т кр ир кр):

;
. (4.7)

При высоких давлениях величина а/v 2 (дополнительного давления в уравнении Ван-дер-Ваальса) мала по сравнению с давлениемp и ею можно пренебречь, тогда уравнение (4.6) превращается в уравнение состояния реального газа Дюпре:

, (4.8)

где величина в зависит только от рода газа и не зависит от температуры и давления.

На практике для определения параметров газа при различных его состояниях чаще пользуются термодинамическими диаграммами: Т –S (температура–энтропия),p–i (зависимость давления от энтальпии),p –V (зависимость давления от объема).

Рисунок 4.1 – Т–S диаграмма

Все параметры газа на диаграмме Т–S отнесены к 1 кг газа.

Так как в соответствии с термодинамическим определением
, то теплота изменения состояния газа
. Следовательно, площадь под кривой, описывающей изменение состояния газа, численно равна энергии (теплоте) изменения состояния.

Процесс изменения параметров газа называют процессом изменения его состояния. Каждое состояние газа характеризуется параметрами p ,v иТ . В процессе изменения состояния газа могут меняться все параметры или один из них оставаться постоянным. Так, протекающий при постоянном объеме процесс называетсяизохорическим , при постоянном давлении –изобарическим , а при постоянной температуре –изотермическим . Когда при отсутствии теплообмена между газом и внешней средой (теплота не отводится и не подводится) изменяются все три параметра газа (p, v ,Т ) в процессе его расширения либо сжатия, процесс называется адиабатическим , а когда изменение параметров газа происходит при непрерывном подводе или отводе теплоты– политропическим .

При изменяющихся давлении и объеме, в зависимости от характера теплообмена с окружающей средой, изменение состояния газа в компрессионных машинах может происходить изотермически, адиабатически и политропически.

При изотермическом процессе изменение состояния газа следует закону Бойля–Мариотта:

pv = const.

На диаграмме p–v этот процесс изображается гиперболой (рис. 4.2). Работа 1 кг газаl графически представляется заштрихованной площадью, которая равна
, т. е.

либо
. (4.9)

Количество тепла, которое выделяется при изотермическом сжатии 1 кг газа и которое необходимо отводить путем охлаждения, чтобы температура газа оставалась постоянной:

, (4.10)

где c v иc р – удельные теплоемкости газа при постоянном объеме и давлении, соответственно.

На диаграмме Т–S процесс изотермического сжатия газа от давленияр 1 до давленияр 2 изображается прямой линиейаб , проведенной между изобарамир 1 ир 2 (рис. 4.3).

Тепло, эквивалентное работе сжатия, изображается площадью, ограниченной крайними ординатами и прямой аб , т. е.

. (4.11)

Рисунок 4.4 – Процессы сжатия газа на диаграмме
:

А – адиабатический процесс;

Б – изотермический процесс

При адиабатическом процессе сжатия газа изменение его состояния происходит за счет изменения его внутренней энергии, а следовательно, и температуры.

В общей форме уравнение адиабатического процесса описывается выражением:

, (4.12)

где
– показатель адиабаты.

Графически (рис. 4.4) этот процесс на диаграмме p–v изобразится гиперболой более крутой, чем на рис. 4.2., так какk > 1.

Если принять

, то
. (4.13)

Поскольку
иR = const, полученное уравнение можно выразить иначе:

или
. (4.14)

Путем соответствующих преобразований можно получить зависимости для других параметров газа:

;
. (4.15)

Таким образом, температура газа в конце его адиабатического сжатия

. (4.16)

Работа, совершаемая 1 кг газа в условиях адиабатического процесса:

. (4.17)

Тепло, выделяющееся при адиабатическом сжатии газа, эквивалентно затрачиваемой работе:

С учетом соотношений (4.15) работа на сжатие газа при адиабатическом процессе

. (4.19)

Процесс адиабатического сжатия характеризуется полным отсутствием теплообмена между газом и окружающей средой, т.е. dQ = 0, аdS = dQ/T , поэтомуdS = 0.

Таким образом, процесс адиабатического сжатия газа протекает при постоянной энтропии (S = const). На диаграммеТ–S этот процесс изобразится прямой линиейАВ (рис. 4.5).

Рисунок 4.5 – Изображение процессов сжатия газа на диаграмме Т–S

Если в процессе сжатия выделяющееся тепло отнимается в меньшем количестве, чем это необходимо для изотермического процесса (что происходит во всех реальных процессах сжатия), то фактически затрачиваемая работа будет большей, чем при изотермическом сжатии, и меньшей, чем при адиабатическом:

, (4.20)

где m – показатель политропы,k >m >1 (для воздухаm
).

Значение показателя политропы m зависит от природы газа и условий теплообмена с окружающей средой. В компрессионных машинах без охлаждения показатель политропы может быть больше показателя адиабаты (m >k ), т. е. процесс в этом случае протекает по сверхадиабате.

Работу, затрачиваемую на разрежение газов, рассчитывают по тем же уравнениям, что и работу на сжатие газов. Отличие лишь в том, что р 1 будет меньше атмосферного давления.

Процесс политропического сжатия газа от давленияр 1 до давления р 2 на рис. 4.5 изобразится прямойАС . Количество тепла, выделяемое при политропическом сжатии 1 кг газа, численно равно удельной работе сжатия:

Конечная температура сжатия газа

. (4.22)

Мощность, затрачиваемая компрессионными машинами на сжатие и разрежение газов, зависит от их производительности, конструктивных особенностей, теплообмена с окружающей средой.

Теоретическая мощность, затрачиваемая на сжатие газа
, определяется производительностью и удельной работой сжатия:

, (4.23)

где G иV – массовая и объемная производительность машины соответственно;
– плотность газа.

Следовательно, для различных процессов сжатия теоретически затрачиваемая мощность:

; (4.24)

; (4.25)

, (4.26)

где – объемная производительность компрессионной машины, приведенная к условиям всасывания.

Фактически затрачиваемая мощность в силу ряда причин больше, т.е. потребляемая машиной энергия выше, чем та, которую она передает газу.

Для оценки эффективности компрессионных машин используют сравнение данной машины с наиболее экономичной машиной того же класса.

Машины с охлаждением сравнивают с машинами, которые сжимали бы газ при данных условиях изотермически. В этом случае к. п. д. носит название изотермического,  из:

, (4.27)

где N – фактически затрачиваемая мощность данной машиной.

Если машины работают без охлаждения, то сжатие газа в них происходит по политропе, показатель которой выше показателя адиабаты (m k ). Поэтому затрачиваемую мощность в таких машинах сравнивают с мощностью, которую затрачивала бы машина при адиабатическом сжатии газа. Отношение этих мощностей представляет собой адиабатический к.п.д.:

. (4.28)

С учетом мощности, теряемой на механическое трение в машине и учитываемой механическим к.п.д. –  мех, мощность на валу компрессионной машины:

либо
. (4.29)

Мощность двигателя рассчитывается с учетом к.п.д. самого двигателя и к.п.д. передачи:

. (4.30)

Установочная мощность двигателя принимается с запасом (
):

. (4.31)

Значение  ад колеблется в пределах 0,930,97; из в зависимости от степени сжатия имеет значение 0,640,78; механический к. п. д. меняется в пределах 0,850,95.

Но нефтяной кризис 1973 года обновил интерес к газу в автомобильной промышленности .

Характеристики

Эксплуатационные свойства

Метановое топливо имеет более высокое октановое число и удельную теплоту сгорания чем нефтяное топливо или сжиженные углеводородные газы и не меняет физико-химические свойства при низких температурах. Октановое число компримированного природного газа находится в диапазоне 110-125 и при сгорании производит 48500 кДж/кг, бензин - 76-98 и 44000 кДж/кг, пропан-бутан - 102-112 и 46000 кДж/кг. Однако КПГ уступает бензину и пропан-бутану в теплоте сгорания стехиометрической смеси , и обеспечивает на 6-8% меньшую производительность в двигателях, рассчитанных на 2 вида топлива .

Транспортные средства, использующие компримированный природный газ, имеют меньшие эксплуатационные расходы. Стоимость 100 километров пробега легковых автомобилей, грузовиков и автобусов на КПГ в 1,5-2,5 раза ниже аналогичного показателя для транспорта на бензине, дизельном топливе или СУГ. Метан не образует нагар на поршнях , клапанах и свечах зажигания , не смывает масляную плёнку со стенок цилиндров , не разжижает масло в картере , благодаря чему межремонтный пробег автомобиля увеличивается в 1,5 раза, срок службы моторного масла, свечей и цилиндропоршневой группы - в 1,5-2 раза. Уменьшение нагрузки на двигатель также обеспечивает снижение шума его работы на 7-9 децибел .

Безопасность

Оборудование для компримированного природного газа имеет многократный запас прочности. Баллоны проходят испытания на разрушение при падении с высоты, попадании из огнестрельного оружия, воздействия открытого пламени, экстремальных температур и агрессивных сред, а также размещаются в статистически реже подверженных деформации частях автомобиля: по оценке BMW , вероятность значительного повреждения этих частей корпуса находится в диапазоне 1-5%. По статистике Американская газовая ассоциация собрала статистику на основе эксплуатации 2400 автомобилей на газовом топливе с совокупным пробегом 280 млн км в 1990-х - 2000-х годах. Данные показали, что в 180 из 1360 столкновений удар приходился в зону расположения баллонов, но ни один не был повреждён, и в 5 случаях было зафиксировано воспламенение бензина .

Экологичность

Компримированный природный газ относится к наиболее экологичным видам топлива и соответствует стандарту «Евро-5»/«Евро-6». Выбросы углекислого газа при использовании КПГ составляют 0,1 грамма на километр. Автомобили на КПГ выбрасывают в атмосферу в 2 раза меньше оксидов азота , в 10 раз меньше угарного газа и в 3 раза меньше других оксидов углерода , чем автомобили с бензиновыми двигателями. При сгорании природного газа не образуется сажа , отсутствуют выбросы свинца и серы . В целом использование КПГ обеспечивает в 9 раз меньшую задымлённость окружающего воздуха .

Стандартизация

Качество КПГ регулируется следующими национальными стандартами:

• ГОСТ 27577-2000 «Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. ТУ» (стандарт РФ);
• J1616 1994 «Surface vehicle recommended practice - recommended practice for compressed natural gas vehicle fuel» (стандарт США, разработанный SAE (обществом автомобильных инженеров));
• SAE J1616 (стандарт США);
• CARB (спецификация на КПГ, США, Калифорния);
• DIN 51624 «Automotive fuels Natural Gas - requirements and test procedures» (стандарт Германии);
• Legge 14 Novembre 1995 № 481. «Disposizioni generali in tema di qualita del gas natural» (стандарт Италии, устанавливающий нормы на сетевой природный газ, используемый для производства КПГ);
• Regulation of the Polish Ministry of Economy on the quality requirements for compressed natural gas (CNG) (стандарт Польши);
• GB 18047-2000 «Compressed natural gas as vehicle fuel» (стандарт Китая);
• SS 15 54 38 «Motor fuels. - Biogas as fuel for high-speed otto engines» (стандарт на компримированный биометан, применяющийся в качестве моторного топлива (типы A и B); разработан Шведским институтом стандартизации, принят 15.09.1999 г. и является общепризнанным в европейских странах);
• PCD 3 (2370)C «Compressed natural gas (CNG) for automotive purposes. Specification» (стандарт Индии);
• PNS 2029:2003 «Natural gas for use as a compressed fuel for vehicles - Specification» (стандарт Филиппин);
• 10K/34/DDJM/1993 (decree of Oil and Gas Director General, dated February 1, 1993) (стандарт Индонезии).

Технологии переработки и использования природного газа, отражённые в национальных стандартах, обобщены в международном стандарте ISO 15403 «Natural gas for use as a compressed fuel for vehicles». Его первая часть устанавливает требования к показателям природного газа, обеспечивающие безопасную и безотказную работу газонаполнительного оборудования и оборудования транспортного средства, вторая часть устанавливает требования к количественным значениям параметров, нормирующих качество природного газа как транспортного топлива .

Использование

Автомобили

Двигатели газовых автомобилей классифицируются по количеству видов топлива, использование которых предусмотрено конструкцией. Газовые (моно-топливные, англ. dedicated, monovalent ) двигатели спроектированы непосредственно для работы на природном газе, что обеспечивает наибольшую эффективность. Как правило, автомобили с газовыми двигателями не оборудованы бензиновым баком, но иногда поддерживают использование бензина в качестве резервного топлива. Бензиново-газовые (двухтопливные, англ. bi-fuel, bivalent ) двигатели позволяют использовать как газ, так и бензин. Большая часть бензиново-газовых автомобилей - машины, переоборудованные вне завода-изготовителя. Газо-дизельные (англ. dual-fuel ) двигатели на низких оборотах потребляется больше дизеля, на высоких - больше газа. Газовые и бензиново-газовые двигатели наиболее распространены на легковом и лёгком грузовом транспорте, газо-дизельные - на тяжёлых грузовиках .

Серийные автомобили, работающие на компримированном природном газе, выпускаются многими автомобильными концернами, включая Audi , BMW , Cadillac , Ford , Mercedes-Benz , Chrysler , Honda , Kia , Toyota , Volkswagen . В частности в сегменте легковых и лёгких грузовых автомобилей на рынке представлены Fiat Doblò 1.4 CNG , Fiat Qubo 1.4 Natural Power , Ford C-Max 2.0 CNG , Mercedes-Benz B 180 NGT , Mercedes-Benz E200 NGT , Mercedes-Benz Sprinter NGT , Opel Combo Tour 1.4 Turbo CNG , Opel Zafira 1.6 CNG Ecoflex , Volkswagen Caddy 2.0 Ecofuel и Life 2.0 Ecofuel, Volkswagen Passat 1.4 TSI Ecofuel , Volkswagen Touran 1.4 TSI Ecofuel , Volkswagen Transporter Caravelle 2.0 Bensin/Gas , Volvo V70 2.5FT Summum и другие модели . Крупный грузовой и пассажирский транспорт, работающий на КПГ, выпускают Iveco , Scania , Volvo и другие компании . Основные российские производители газомоторной техники - «Группа ГАЗ », КамАЗ и Volgabus . Всего на российском рынке представлено около 150 моделей газобаллонной техники, включая седельные тягачи КамАЗ, среднетоннажный «ГАЗон Next CNG» , малотоннажные «ГАЗель Next CNG» и «ГАЗель-Бизнес CNG» , легковые Lada Vesta , Lada Largus , модификации «УАЗ Патриот » и другие .

Правительства многих стран прибегают к организационным, нормативным и финансовым мерами стимулирования для популяризации газового топлива. В числе популярных организационных мер - запрет на использование дизельного топлива на автомобилях малой и средней грузоподъёмности или пассажировместимости, в пределах городов и природоохранных зон (Пакистан , Иран , Южная Корея , Бразилия), запрет на использование нефтяных видов топлива на общественном и коммунальном транспорте (Франция), приоритетный доступ компаний-потребителей газового топлива к муниципальному заказу (Иран, Италия). Нормативные меры, главным образом, затрагивают проектирование и строительство АГНКС и включают запреты на строительство заправочных станций без блока заправки природным газом (Италия) или послабления при строительстве АГНКС в черте городской застройки (Турция , Австрия , Южная Корея). Финансовое стимулирование включает единовременные выплаты на переоборудование или приобретение нового автотранспорта на КПГ (Италия, Германия), субсидированные кредиты на переоборудование (Пакистан), освобождение автовладельцев от платежей за парковку (Швеция), беспошлинный ввоз импортного газобаллонного оборудования (страны Европейского Союза , Иран), отказ от ценовой привязки газового топлива к нефтяному (ЕС) .

Водный транспорт

Компримированный природный газ менее распространён в качестве топлива для внутреннего и морского судоходства чем более удобный для транспортировки и хранения сжиженный природный газ , однако имеет применение в двухтопливных двигательных установках. Газ используется в качестве судоходного топлива на туристических судах в США (например, паром Elizabeth River I вместимостью 149 человек) и России («Москва» и «Нева-1»), Нидерландах (Mondriaan и Escher, спущенные на воду в 1994 году, Rembrandt и Van Gogh - в 2000 году). Также на 2011 год в Амстердаме были на ходу 11 барж на КПГ. В Канаде и Норвегии КПГ используется в смеси с дизельным топливом в силовых установках морских сухогрузов и пассажирских паромах. Примеры судов на КПГ включают спущенное на воду в Аделаиде , Австралия в конце 1980-х годов судно для перевозки известняка M.V. Accolade II, а также паромы M.V. Klatawa и M.V. Kulleet 1985 года постройки, обеспечивавшие перевозку пассажиров и автомобилей через реку Фрейзер близ Ванкувера на протяжении 15 лет. В 2008 году сингапурская компания Jenosh Group спустила на воду контейнеровоз , газовые баллоны которого погружаются в стандартные 20-футовые контейнеры . В 2009-2010 годах китайская верфь Wuhu Daijang построила 12 таких судов для эксплуатации в Таиланде и получила заказ ещё на 12 кораблей, а Jenosh Group занялась разработкой контейнеровоза с запасом хода 1500 морских миль, ориентированного на заказчиков из Индии , Пакистана , Индонезии и Вьетнама .

Авиация

Компримированный газ не получил распространения в качестве авиационного топлива. В 1988 году конструкторское бюро «Туполев» подняло в воздух экспериментальный Ту-155 на КПГ, который использовался для испытаний газового топлива: меньшая масса газа могла обеспечить самолёту большую полезную нагрузку. Компримированный газ имеет потенциал для малой авиации, имеющей сравнительно низкий расход топлива. Например, в 2014 году компания Aviat Aircraft выпустила двухместный Aviat Husky - первый серийный двухтопливный самолёт .

Железнодорожный транспорт

Экологическая безопасность и экономическая целесообразность использования компримированного природного газа способствуют его использованию на других видах транспорта, включая железнодорожный. В 2005 году первый в мире поезд с силовой установкой на компримированном газе начал работу в центральном регионе Перу . В январе 2015 года министр путей сообщения Индии торжественно открыл движение поезда, приводимого в движение двигательной установкой на смеси дизельного топлива и КПГ, на линии между городами Ревари и Рохтак в штате Харьяна . Также в январе 2015 года поезд с газовым двигателем вышел на линию между чешскими городами Опава и Глучин .

Распространённость

Крупнейшим макрорегионом по числу автомобилей на КПГ является Азия . Там сконцентрированы ~15 из ~24,5 млн машин. Ещё около 5 млн приходится на страны Латинской Америки. В Европе КПГ используется в 2 млн авто. На страны Африки и Северной Америки приходится в сумме ещё около 370 тысяч машин .

Африка

Издание NGV Africa в ноябре 2014 года приводило данные, согласно которым в Африке было около 213 тысяч автомобилей на КПГ и 200 заправочных станций . В период с 2012 по 2016 год парк газовых автомобилей в Африке вырос всего на 3 % . Де-факто единственный развитый рынок - Египет , где инфраструктуру стали развивать с середины 1990-х и где к сентябрю 2014 года было почти 208 тысяч газобаллонных машин (чуть менее 3 % всего автопарка страны) и 181 заправка .

В других странах на континенте - Нигерии , ЮАР , Мозамбике , Алжире , Танзании и Тунисе - внедрение КПГ носит точечный характер и в основном затрагивает автобусы. В Нигерии в 2010-е запущена государственная программа стоимостью 100 млн американских долларов по строительству газозаправочной инфраструктуры, которая должна в перспективе увеличить парк газовых машин до нескольких десятков тысяч . Распространению КПГ в Африке, в том числе в Египте, мешает высокая стоимость переоборудования автомобилей и строительства заправок, так как всё необходимое оборудование импортируется .

Океания

Количество автомобилей на КПГ в Океании крайне мало. В Новой Зеландии на фоне нефтяных кризисов 1970-х и начала 1980-х под КПГ было переоборудовано 120 тысяч автомобилей или 11 % всего автопарка . С отменой в 1986 году государственных субсидий на переоборудование машин и на фоне упавших цен на нефть постепенно автопарк на КПГ стал сокращаться, и к 2016 году число газовых машин снизилось до 65 штук .

Северная Америка

В период с 2012 по 2016 год парк газовых автомобилей в Северной Америке вырос на 26 %. Такой рост объясняется во многом эффектом низкой базы - в Северной Америке автомобилей на КПГ меньше, чем в Африке, - всего около 180 тысяч машин .

Канада

В Канаде благодаря запущенным в 1980-х федеральным и провинциальным программам по исследованию газа как топлива и его внедрению в автомобильный транспорт число машин, работающих на КПГ, к середине 1990-х выросло до 35 тысяч. Газ широко применялся в качестве топлива в рейсовых автобусах. После падения цен на нефть программы по поддержке газа свернули. В дальнейшем на фоне ограниченного предложения от производителей машин, готовых к использованию КПГ, и постоянно сжимающейся инфраструктуры (с 1997 по 2016 год число заправочных станций упало с 134 до 47) парк газовых автомобилей сократился до 12 тысяч единиц .

США

Как и в Канаде, США с начала 1980-х внедряли программы по замещению газом дорогого нефтяного топлива. Число КПГ-автомобилей достигло пика в 2004 году (121 тысяча) и перестало расти. Только в 2010-е начался рост, вызванный как экологическими инициативами таких штатов, как Калифорния , а также резким падением цен на газ в результате сланцевой революции . На 2016 год в США насчитывалось 160 тысяч газовых автомобилей и 1750 заправок . Наибольшая плотность сети заправок на 2013 год была в Южной Калифорнии . По состоянию на 2016 год многие частные компании и власти ряда штатов объявили о планах постройки сети заправок .

За низкими ценами на газ последовал спрос со стороны коммерческих компаний. Американские производители автокомпонентов стали предлагать новое оборудование для грузового и автобусного транспорта. Работающие на КПГ школьные автобусы представили компании Thomas Built Buses и Freightliner Custom Chassis Corporation . Спрос на новые разработки был поддержан Министерством транспорта США , которое объявило о выделении гранта в размере 211 млн долларов на ремонт и обновление школьных и рейсовых автобусов в 41 штате. Часть поддержанных проектов подразумевает замену старых дизельных автобусов новыми, работающими на сжатом природном газе. В 2016 году транспортные компании FedEx и United Parcel Service расширяли парк газовых автомобилей и одновременно строили для себя собственные сети КПГ-заправок .

Распространению КПГ на массовом рынке мешало ограниченное предложение машин. Фактически единственным серийным автомобилем, приспособленным под использование КПГ, был Honda Civic . В 2012 году вышел работающий на КПГ Ram 2500 компании Chrysler . В 2014 модельном году Ford представил битопливный пикап F-150 , а в 2015 году вышел его битопливный конкурент Chevrolet Silverado .

Латинская Америка

Латинская Америка - второй рынок по размеру после Азии. На 2016 год насчитывалось около 5,5 млн машин на КПГ . Страной с наибольшим проникновением КПГ в качестве автомобильного топлива в Южной Америке является Боливия : на 2016 год на КПГ ездили 360 тысяч автомобилей, то есть почти всего 30 % автотранспорта. При этом это показатель для общественного транспорта был ещё выше - 80 % . Одной из причин высокого проникновения КПГ стало то, что конфедерация водителей добилась финансирования программы переоборудования автотранспорта на КПГ по линии государственного бюджета из налогов и сборов с продажи природного газа без дополнительных выплат со стороны водителей .

По данным на 2016 год, по абсолютному количеству автомобилей на КПГ Боливию опережает Колумбия , где их насчитывалось 543 тысячи, а также Аргентина и Бразилия с 2,295 млн и 1,781 млн машин на КПГ соответственно . Широкому распространению КПГ в Аргентине поспособствовала политика президента Рауля Альфонсина , проводимая в 1980-е с целью заместить дорожавшее нефтяное топливо . В Бразилии КПГ в качестве топлива для легкового транспорта впервые был использован в 1996 году, а до того в стране широко были распространены автомобили, работающие на биоэтаноле , получаемом из сахарного тростника . Благодаря ряду государственных программ число автомобилей, работающих на КПГ, достигло миллиона уже через 9 лет .

Европа

Европейский газовый рынок является третьим по величине в мире, уступая Азии и Латинской Америке. По данным на 2016 год, в Европе было более 2,187 млн автомобилей, использующих газ, - это число выросло за предыдущие четыре года на 25%. Общее число заправочных станций достигло 4608 штук .

ЕС и ЕАСТ

В Европейском Союзе действует директива Европейского парламента и Европейского Совета 2014/94/EU о развёртывании инфраструктуры альтернативного топлива от 22 октября 2014 года. Директива требует от государств-членов ЕС принять национальные рамочные программы для развития рынка альтернативного топлива и устанавливает нормативы по необходимому количеству заправок с альтернативным топливом из расчёта количества населения и отдалённости заправок друг от друга, предусматривает применение общих для стран ЕС стандартов для заправочных станций и станций зарядки электромобилей, устанавливает способ доведения до потребителей информации об альтернативном топливе, включая методологию понятного и четкого сравнения цен на топливо. Директива устанавливает следующие сроки развития инфраструктуры КПГ на территории ЕС: создание достаточной инфраструктуры в городских и плотно населённых зонах к концу 2020 года, создание сети заправок КПГ вдоль коридоров TEN-T (англ.) русск. к концу 2025 года .

Россия

К октябрю 2016 году в России зарегистрировано более 145 тысяч машин, использующих КПГ .

В основном природный газ в России реализуется на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС), газ на которые поступает непосредственно по газопроводам. Подобное решение унаследовано от Советского Союза , в котором программа развития газового транспорта началась в 1980-х годах. Программа разрабатывалась на перспективу, поскольку СССР не испытывал дефицита нефтепродуктов. Решение о создании в стране сети АГНКС было принято в декабре 1983 года, тогда же была запущена первая в московском регионе станция, расположенная в посёлке Развилка на пересечении МКАД и Каширского шоссе и рассчитанная на 500 заправок с сутки. Станция была оснащена итальянским оборудованием, но на построенные в 1985-1987 годах на МКАД станции АГНКС-500 уже устанавливались компрессоры советского производства .

К концу 2016 года насчитывалось около 320 АГНКС. Крупнейшим владельцем и оператором АГНКС является «Газпром» . Для комплексного развития газомоторной отрасли в декабре 2012 года «Газпром» создал специализированную компанию «Газпром газомоторное топливо» . К 2020 году компания планирует увеличить свою сеть до 480-500 точек, а также устанавливать модули заправки КПГ на действующих жидкотопливных АЗС компаний-партнёров .

Крупнейшими потребителями газомоторного топлива в России являются Ставропольский и Краснодарский края , Свердловская , Челябинская , Кемеровская и Ростовская области , а также республики Кабардино-Балкария , Татарстан и Башкортостан . В мае 2013 года Правительство РФ издало распоряжение № 767-р, в котором установлены целевые показатели по использованию природного газа на общественном и коммунальном транспорте для городов с населением более 100 тысяч человек . Для стимулирования спроса к 2020 году в этих городах запланировано перевести до половины общественного транспорта и автотехники коммунальных служб на природный газ . В рамках этой инициативы в ряде городов уже эксплуатируются автобусы на природном газе. В Санкт-Петербурге первые подобные автобусы появились в 2013 году . В Ростове-на-Дону и Волгограде к Чемпионату мира по футболу планируют закупить более 100 автобусов на КПГ .

Азия

Азия - крупнейший регион по числу автомобилей на КПГ. По данным Asian NGV Communications, общее число подобных транспортных средств на 2016 год составляет более 16,4 млн. Крупнейшие страны по числу автомобилей на КПГ расположены в Азии: Китай (более 5 млн машин), Иран (более 4 млн), Пакистан (более 3 млн), Индия (более 3 млн) и Таиланд (475 тысяч) . По данным на февраль 2017 года в странах Азии насчитывается более 17,2 тысяч заправок .

Пакистан является мировым лидером в газификации автотранспорта (треть всего автопарка), обгоняя Аргентину и Бразилию. В Пакистане развёрнуто производство как легковых транспортных средств на КПГ, так и грузовиков и автобусов, причём объём производства превышает объём переоборудования. В стране более 2300 АГНКС, субсидируется строительство новых, отменены ввозные пошлины на газобаллонное оборудование, на государственном уровне регламентированы типы баллонов и комплекты газовой аппаратуры .

Примечания

Комментарии

Источники

1. Андрей Филатов. Сжатая альтернатива (неопр.) . АБС-Авто (июнь 2016). Проверено 30 июля 2017.
2. Беляев С. В., Давыдков Г. А. Проблемы и перспективы применения газомоторных топлив на транспорте // Resources and Technology: журнал. - 2010. - С. 13-16 .
3. Трофимова Г. И., Трофимов Н. И., Бабушкина И. А., Черемсина В. Г. Метан как альтернативное топливо // Символ науки: журнал. - 2016. - № 11-3 . - С. 165-171 . - ISSN 2410-700X .
4. Государственная программа Республики Татарстан «Развитие рынка газомоторного топлива в Республике Татарстан на 2013-2023 годы» (неопр.) . Министерство транспорта и дорожного хозяйства Республики Татарстан. Проверено 11 июня 2017.
5. Михаил Снегиревский. Как перевести машину на газ и почему это выгодно (неопр.) . 5 колесо (28 ноября 2016). Проверено 11 июня 2017.
6. Сравнение эффективности использования разных видов моторного топлива в России (неопр.) . Эксперт Online. Проверено 11 июня 2017.
7. Азатян В. В., Козляков В. В., Сажин В. Б., Саранцев В. Н. Обеспечение взрыво пожаробезопасности при работе на комприморованном природном газе и водороде // Успехи в химии и химической технологии: журнал. - 2009. - Т. XXIII , № 1 (94) . - С. 109-112 .
8. Николайчук Л. А., Дьяконова В. Д. Современное состояние и перспективы развития рынка газомоторного топлива в России // Интернет-журнал Науковедение: журнал. - 2016. - Март-апрель (т. 8 , № 2 ). - С. 1-2 . - ISSN 2223-5167 . - DOI :10.15862/106EVN216 .
9. Гнедова Л. А., Федотов И. В., Гриценко К. А., Лапушкин Н. А., Перетряхина В. Б. Газомоторные топлива на основе метана. Анализ требований к качеству и исходному сырью // Вести газовой науки: научно-технический сборник. - 2015. - № 1 (21) . - С. 86-97 .
10. Engine Types (неопр.) . Natural Gal Vehicles Knowledge Base. Проверено 30 июля 2017.
11. This is Advanced Energy . - Advanced Energy Economy, 2016. - С. 61. - 75 с.
12. Заводские автомобили на метане (неопр.) . Автомобильные газонаполнительные компрессорные станции. Проверено 30 июля 2017.
13. Колчина И. Н. Анализ зарубежного опыта использования природного газа в качестве моторного топлива // Система управления экологической безопасностью: сборник трудов IX заочной международной научно-практической конференции (Екатеринбург, 30–31 мая 2015 г.). - 2015. - С. 79-84 .
14. http://ap-st.ru/ru/favorites/8596/ (неопр.) (недоступная ссылка) . Автоперевозчик Спецтехника (2 февраля 2015). Проверено 30 июля 2017. Архивировано 12 сентября 2017 года.
15. Вадим Штанов. Потребителям газомоторной техники не хватает заправочных станций в России (неопр.) . Ведомости (14 марта 2016). Проверено 30 июля 2017.
16. Михаил Ожерельев. Выгодные перевозчики: грузовики на метане (неопр.) . 5 Колесо (2 октября 2015). Проверено 30 июля 2017.
17. Модернизация транспортного комплекса России: внедрение природного газа в качестве моторного топлива // Транспорт Российской Федерации. Журнал о науке, практике, экономике: журнал. - 2015. - № 5 (60) . - С. 16-17 .
18. Перевод транспорта на газомоторное топливо: проблемы и перспективы (неопр.) . Высшая школа экономики. Проверено 12 июня 2017.
19. Алакаров И. А., Хоанг Коанг Льонг. Применение и хранение природного газа в качестве судового топлива в зарубежных странах и в России: обзор // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология: журнал. - 2012. - № 2 . - С. 59-64 .
20. . - The World Bank, 2011. - С. 72. - 116 с.
21. Other Natural Gas Marine Vessels Now in Operation (неопр.) . Brett & Wolf. Проверено 30 июля 2017.
22. Take A Look At Some Natural Gas-Powered Airplanes (неопр.) . Well Said (6 ноября 2014). Проверено 30 июля 2017.
23. Dean Sigler. Renewable Biomethane – an Economic Alternative? (неопр.) . Sustainable Skies (14 декабря 2016). Проверено 30 июля 2017.
24. Paula Alvardo. The First CNG Train Starts Functioning in Peru (неопр.) . Treehugger (21 июня 2005). Проверено 30 июля 2017.
25. First CNG Train: Railway Minister Suresh Prabhu to launch first CNG train from Rewari (неопр.) . India Today (13 января 2015). Проверено 30 июля 2017.
26. VMG Introduces CNG Locomotive in Czech Republic (неопр.) . NGV Global News (17 января 2015). Проверено 30 июля 2017.

Общее описание поршневых компрессоров. Одноступенчатые и двухступенчатые. Вредное пространство

В соответствии с характером действия, поршневые компрессоры могут быть одинарного (или простого) действия и двойного действия. В агрегатах простого действия, за один ход поршня осуществляется одно всасывание или нагнетание. В компрессорах двойного действия, за один ход поршня осуществляется два всасывания или нагнетания.

По количеству ступеней сжатия поршневые компрессоры делятся на три типа: одноступенчатые, двухступенчатые и многоступенчатые. Ступенью сжатия принято называть часть компрессора, в которой газ сжимается до промежуточного или конечного давления.

Конструктивно, одноступенчатые компрессоры могут быть вертикальными или горизонтальными. Как правило, компрессоры с горизонтальной конструкцией являются машинами двойного действия, а компрессоры с вертикальной конструкцией относятся к агрегатам простого действия.

В одноступенчатом компрессоре простого действия с горизонтальным типом конструкции, поршень перемещается внутри цилиндра. Цилиндр оснащен крышкой, которая имеет всасывающий и нагнетательный клапаны. Поршень компрессора соединяется с шатуном и кривошипом. На валу кривошипа располагается маховик. В процессе хода поршня слева направо, в зоне между поршнем и цилиндром возникает разрежение. Разность давления в линии всасывания и цилиндре заставляет открываться клапан, в результате чего газ поступает в цилиндр. Когда поршень совершает обратное движение справа налево, всасывающий клапан закрывается, и газ в цилиндре сжимается до уровня давления p 2 . Далее, через клапан газ вытесняется в линию нагнетания. Цикл завершается и повторяется снова.

Одноступенчатый компрессор двойного действия оснащен четырьмя клапанами (двумя всасывающими и двумя нагнетательными). Такие машины устроены сложнее, но уровень производительности у них в два раза выше. В целях охлаждения цилиндр и крышки могут оснащаться водяными рубашками. Чтобы увеличить показатель производительности данные машины могут изготавливаться многоцилиндровыми конструкциями. Одноступенчатые компрессоры с вертикальным типом конструкции являются более производительными и быстроходными, чем горизонтальные. Кроме того, они занимают меньшую производственную площадь и более долговечны.

Двухступенчатые компрессоры с горизонтальным типом конструкции, как правило, оснащены одним цилиндром и ступенчатым или дифференциальным типом поршня. Газ подвергается сжатию в цилиндре левой стороной поршня, после чего проходит сквозь холодильник и подается в цилиндр с другой стороны, где сжимается до уровня p 2 .

Многоступенчатые конструкции оснащены цилиндрами, которые располагаются последовательно (система тандем) или параллельно (система компаунд). Существуют также оппозитные конструкции компрессоров, где поршни двигаются взаимно противоположно. Цилиндры в конструкциях данного типа располагаются по обе стороны вала.

Следует отметить, что реальный процесс сжатия газа в компрессоре отличается от теории. Так, между поршнем, когда он находится в крайнем положении и крышкой цилиндра есть некий свободный объем. Данный зазор носит название вредного пространства. В данном зазоре, по завершению нагнетания, сжатый газ расширяется при обратном ходе поршня. По этой причине всасывающий клапан открывается только после снижения уровня давления до уровня давлении на всасывании. Таким образом, поршень совершает холостое движение, что снижает производительность компрессора.

Основой природного газа, который имеет природное (натуральное) происхождение является метан (CH4). Формирование природного газа произошло в процессе органического преобразования. Содержание метана в природном газе может колебаться в диапазоне от 91 до 99%, все остальное это - пропан, этан, бутан, а также азот.Такой разброс в процентах объясняется отличием химического состава газа, добытого в разных уголках нашей Земли. Однако, при сгорании природный газ разного происхождения выделяет одинаковое количество тепла, что делает его геопривязку абсолютно не важной как для вас, так и для вашего двигателя. Благодаря электронным датчикам газобаллонного оборудования, состав газа автоматически определяется после чего происходит регулировка пропорции топливной смеси с учетом особенностей этого газа.

Преимущества природного газа

Химический состав природного газа, благоприятно сказывается на состоянии двигателя и не влечет за собой проблем, связанных с эксплуатацией. Благодаря отсутствию в составе метана добавок, которые присутствуют в сжиженных углеводородных газах (СУГ ), продукты горения природного газа не содержат вредных включений. Более того, при сгорании природного газа уровень выбросов CO2 снижается на 25%.

Количество метана в природном газе это - как октановое число для бензина, по этому параметру принято характеризовать природный газ . Что это значит для двигателя? От этого параметра зависит работа двигателя, а также вероятность появления такого явления как детонация.

Сжатый природный газ (СПГ) имеет ряд неоспоримых преимуществ перед сжиженным нефтяным газом (СНГ), среди которых - экологичность и безопасность. Метан, которого, как вы уже знаете, в природном газе больше всего, быстро растворяется в воздухе, что практически сводит на нет вероятность воспламенения газа в случае повреждения . Способ хранения природного газа позволяет минимизировать вероятность неконтролируемой утечки. Исправные цилиндры обязаны выдерживать давление разрыва равное более чем 600 бар, а благодаря клапанной системе происходит контролируемая подача газа.

При работе на СПГ мотор может демонстрировать высокую производительность за счет высокого октанового числа (~130), в особенности, когда мотор оснащен турбиной или системой рециркуляции отработанных газов, а лучше и то и другое вместе. Хотя это имеет и обратную сторону, например, большое потребление газа, а также проблемы с теплоотдачей. Уровень шума двигателя во время работы на природном газе снижается на 3 дБ, поэтому такой тип топлива очень актуален для общественного транспорта. Сжатый природный газ, как и СНГ можно использовать как на бензиновых, так и , хотя в случае с дизелями вам придется столкнуться с низкой окупаемостью. Проблема в том, что на дизельный мотор потребуется устанавливать систему с искровым зажиганием или смешанный цикл, в котором дизельное топливо будет выступать в качестве в качестве поджигающего вещества.

Существуют также и недостатки у этого типа топлива

1. Низкая плотность энергии. Из-за этой особенности природный газ очень часто используется в сжатом виде. Давление или степень сжатия равно 20 МПа или 200 бар. В переводе на плотность энергии мы получаем 7 кдж/дм3, по сравнению с бензином у которого этот показатель равен 30 кдж/дм3 можно получить без каких-либо дополнительных операций по сжатию. Эта особенность природного газа приводит к тому, что мотор для того, чтобы работать на этом топливе должен быть оптимизирован для этого, а сам при этом буде существенно выше. При равных размерах газовых (СНГ и СПГ) на СНГ можно проехать больше, поэтому чтобы компенсировать низкую производительность, желающим использовать метан в качестве альтернативного топлива , приходится ставить на свои авто больше газовые резервуары. Это как вы понимаете ведет к увеличению общего веса автомобиля, и уменьшению свободного места в багажнике. Высокое давление, необходимое для хранения заполненных СПГ резервуаров (как правило, цилиндрической или круглой формы) делают емкости весьма громоздкими и в случае с легковушками отнимают много места.

Существует два вида систем способных работать на природном газе - моновалентные и двухвалентные.

• Моновалентный тип предусматривает сжигание исключительно СПГ, который поступает из специального резервуара.
• Бивалентный тип предусматривает одновременное использование газа вместе с основным топливом, за счет чего возникает экономия денежных средств и снижается расход бензина.