Что такое компримированный природный газ. Природный газ - экономичное моторное топливо. Природный газ - экологичное моторное топливо

Сейчас во всем мире сжиженный газ производят и используют как высококачественное бытовое и промышленное топливо, что является следствием основных его преимуществ. А именно: возможность существования сжиженного газа при температуре окружающей среды и умеренных давлениях как в жидком, так и газообразном состоянии. В жидком виде эти газы легко перерабатываются, хранятся, транспортируются, а в газообразном - имеют лучшую, чем природный и искусственные газы, характеристику сгорания при отсутствии вредных примесей.

Двигатели внутреннего сгорания, работающие на газовом топливе, начали разрабатываться гораздо раньше бензиновых и дизельных, однако широкое применение в автомобильной сфере они стали находить только в последние годы. Тем более что перевод двигателя на газ не исключает возможность его эксплуатации на бензине. Причем переключение двигателя с одного вида топлива на другое происходит прямо в салоне машины.

Газовое топливо обладает многими преимуществами перед традиционным жидким. Пожалуй, самое главное из таких преимуществ для рядового автолюбителя - это низкая стоимость газа. Поэтому, даже притом, что один и тот же двигатель расходует газа несколько больше, чем бензина, использование газового топлива оказывается весьма выгодным. Одним из приятных особенностей газового топлива является тот факт, что после опустения топливного баллона машина будет в состоянии проехать еще 2-4 км.

В качестве автомобильного горючего используются два вида газового топлива - сжиженный нефтяной, или углеводородный, газ и сжатый компримированный газ. Сжиженный газ, используемый как автомобильное топливо, в основном состоит из пропана (С3Н8), газовой смеси бутана (С4Н10), получаемых при добыче природного газа и нефти, а также на различных стадиях ее переработки на заводах. и (около 1%) непредельных углеводородов. Их химические и физические свойства обеспечивают достаточную мощность и эффективной работы двигателя.

Сжиженный или сжатый газ?

Следует отличать сжиженный и сжатый газ. Сжатый газ - это, в основном, метан, сохраняющий свое газообразное состояние почти при любой температуре и при любом повышении давления.

Сжиженный газ пользуется наибольшей популярностью у владельцев легковых автомобилей. Переоборудовать автомобиль для работы на сжиженном газе проще и дешевле, чем для работы на сжатом. Сжиженный газ находится в баллоне под относительно небольшим давлением - 16 атмосфер, а высокая степень разреженности сжатого газа требует увеличить этот показатель в 12-15 раз. Поэтому для использования сжатого газа необходимы более громоздкие и тяжелые заправочные баллоны с более толстыми стенками. При этом пробег автомобиля, работающего на сжатом газе, от одной заправки вдвое меньше пробега авто, на котором установлено оборудование для сжиженного газа. Однако сжатый газ также употребляется в качестве автомобильного горючего, поскольку запасы метана в природе очень велики и себестоимость этого вида топлива небольшая. Машины, работающие на сжатом газе - это, в основном, грузовые автомобили и автобусы, используемые предприятиями. Кроме себестоимости, у сжатого газа есть и другие положительные отличия: он менее взрывоопасен, нежели сжиженный, так как очень легок и при утечке не скапливается на открытом пространстве; сжатый газ, сгорая, образует более чистый выхлоп; при использовании сжатого газа не нужно сливать периодически образующийся конденсат, обладающий неприятным запахом.

Свойства сжиженного газа

LPG или сжиженный газ, побочный продукт очищенной сырой нефти, является газом в комнатной температуре и давлении, и жидкостью в давлении 2Па. Плотность жидкой фазы газа зависит от температуры, с увеличением которой плотность уменьшается. При нормальном атмосферном давлении и температуре 15°С, плотность жидкой фазы пропана составляет 0,51 кг/л, бутана - 0,58 кг/л. Паровая фаза пропана тяжелее воздуха в 1,5 раза, бутана - в 2 раза. Температура кипения бензина выше температуры окружающей среды, а сжиженный газ испаряется при более низких температурах. Это означает, что бензин в баке находится, как правило, в жидком состоянии при атмосферном давлении, а сжиженный газ в баллоне - при давлении, соответствующем температуре окружающей среды.

Марки сжиженного газа

Существует две марки сжиженного нефтяного газа (ГСН): ПА - пропан автомобильный и ПБА - пропан-бутан автомобильный.

Показатель	ПА-пропан автомобильный	ПБА-пропан-бутан автомобильный
Массовая доля компонентов, %:
метан и этан	Не нормируется
пропан	90±10	50±10
углеводороды С4 и выше	не нормируется
непредельные углеводороды	6
объем жидкого остатка при +40"С	отсутствует
при +45"C, не более	--	1,6
при - 20"C, не менее	--	0,07
при -35"C, не менее	0,07	--
в том числе сероводорода, %, не боле	0,01
Массовая доля серы и сернистых соединений,%, не более	0,01
Содержание свободной воды и щелочи	Отсутствует

Марка газа ПБА допускается к применению во всех климатических районах при температуре окружающего воздуха не ниже -20°С. Марка ПА используется в зимний период в тех климатических районах, где температура воздуха опускается ниже -20°С (рекомендуемый интервал -20°С…-25°С). Пропан остается в жидком состоянии при температуре ниже -42 градуса, для бутана эта температура составляет -0,5 °С. В весенний период времени с целью полной выработки запасов сжиженного газа марки ПА допускается ее применение при температуре до 10°С. Более высокая температура может привести к нежелательному повышению давления в газоподающей системе автомобиля и ее разгерметизации.

Преимущества сжиженного газа

Октановое число

Октановое число газового топлива выше, чем бензина, поэтому детонационная стойкость сжиженного газа больше, чем бензина даже самого высшего качества. Это позволяет добиться большей экономичности использования топлива в двигателе с повышенной степенью сжатия. Среднее октановое число сжиженного газа - 105 - недостижимо для любых марок бензина. При этом скорость сгорания газа немного меньше, чем у бензина. Это снижает нагрузки на стенки цилиндров, поршневую группу и коленчатый вал, позволяет двигателю работать ровно и тихо.

Диффузия

Газ легко смешивается с воздухом и равномерней наполняет цилиндры однородной смесью, поэтому двигатель работает ровнее и тише. Газовая смесь сгорает полностью, поэтому не образуется нагар на поршнях, клапанах и свечах зажигания. Газовое топливо не смывает масляную пленку со стенок цилиндров, а также не смешивается с маслом в картере, не ухудшая, таким образом, смазочные свойства масла. В результате цилиндры и поршни изнашиваются меньше.

Давление в баллоне

Сжиженный газ отличается от других видов автомобильного топлива наличием паровой фазы над поверхностью жидкой фазы. В процессе наполнения баллона первые порции сжиженного газа быстро испаряются и заполняют весь его объем. Давление в баллоне зависит от давления насыщенных паров, которое в свою очередь зависит от температуры жидкой фазы и процентного соотношения пропана и бутана в ней. Давление насыщенных паров характеризует испаряемость ГСН. Испаряемость пропана выше чем бутана, поэтому и давление при отрицательных температурах у него значительно выше.

Выхлоп

При горении, выделяется меньшее количество углеродистых и азотных окисей и несожженных углеводородов чем бензин или дизельное топливо, без выделения ароматических углеводородов или диоксида серы.

Примеси

Качественное газовое топливо не содержит таких химических примесей, как сера, свинец, щелочи, которые усиливают коррозирующие свойства горючего и разрушают детали камеры сгорания, систему впрыска, лямбда-зонд (датчик, определяющий количество кислорода в топливной смеси), каталитический нейтрализатор выхлопных газов.

Недостатки сжиженного газа

Взрывоопасность

При испарении 1 л сжиженного газа образуется около 250л газообразного. Таким образом, даже незначительная утечка может быть очень опасной, так как объем газа при испарении увеличивается в 250 раз.

Этот недостаток может проявиться при неправильной установке газобаллонного оборудования или несоблюдении автовладельцем правил эксплуатации такой аппаратуры. Для возгорания газа необходима более высокая концентрация этого вещества в воздухе, чем бензина. Однако повышенная летучесть газа позволяет опасному количеству накапливаться быстрее и в больших объемах. В движущемся автомобиле такая концентрация возникнуть не может, но в любом случае, при обнаружении характерного запаха водителю следует перекрыть подачу газа в двигатель и продолжать движение на бензине. Ставить при обнаружении утечки газа машину в гараж недопустимо.

Проверить герметичность газобаллонной аппаратуры можно, нанеся кистью мыльный раствор в места соединений трубопроводов. Если в таких местах появляются мыльные пузыри - автомобилю прямой путь на сервисную станцию. Ремонтировать газовое оборудование самостоятельно запрещается. Каждые два года установленная на машине газобаллонная аппаратура должна проходить освидетельствование специалистов. Исправное газовое оборудование полностью герметично. На каждом трубопроводе, отходящем от баллона, устанавливаются как минимум три независимых друг от друга запорных устройства.

Одорация

Поскольку газ не обладает запахом, то для определения негерметичности системы в газ добавляются в определенной пропорции особые вещества – меркаптаны. По своей химической структуре они похожи на алкогольные вещества, общая формула которых R-SH. Наличие этих веществ даже в небольших количествах чувствуется благодаря их неприятному запаху – если в закрытом автомобиле есть запах «газа», значит, система негерметична, и эксплуатировать такой автомобиль небезопасно. Сернистые соединения одоранта и самого газа снижают долговечность работы редуктора вследствие интенсивного старения мембран, резиновых уплотнений и вызывают коррозию трубопроводов.

Заправка топливного баллона

Полностью заполнять топливный баллон газом нельзя, поскольку даже небольшой рост окружающей температуры ведет к существенному повышению давления в баллоне. Поэтому при заправке топливного резервуара на 80% специальное устройство газовой аппаратуры автоматически перекрывает заправочный канал.

Нежелательная эксплуатация в условиях жаркого климата

Жаркий климат - не лучший для эксплуатации автомобилей на газовом топливе. В таких условиях, чтобы уменьшить давление в топливном резервуаре, баллон надо немного "выездить", прежде чем машина будет поставлена на стоянку.

Снижение мощности

По причине более низкой теплоты сгорания газово-воздушной смеси по сравнению со смесью воздуха и жидкого топлива наблюдается некоторое падение мощности двигателя - примерно на 10%. Однако существенного влияния на динамические характеристики автомобиля это не оказывает и, к тому же, это можно частично устранить, если установить угол опережения зажигания на 3-5° раньше.

Травмоопасность

Сжиженный газ, попав на кожу человека при низкой температуре воздуха, может вызывать обморожение.

Кроме всего вышесказанного можно отметить необходимость более частой замены воздушных фильтров. Детали для газобаллонного оборудования пока найти труднее, чем для системы питания жидким топливом. Топливный резервуар занимает некоторую часть багажника. Наконец, у машины, работающей на газе, иногда возникают проблемы с запуском холодного двигателя.

К атегория:

Автомобильные эксплуатационные материалы

Применение сжатого природного газа

Природный газ состоит в основном из метана и небольшой примеси других газообразных компонентов. Состав природного газа отличается в зависимости от его месторождения и может характеризоваться следующими средними значениями: метана 85…99, этана 1…8, пропана и бутана 0,5…3, пентана до 0.5…2, азота 0,5…0,7, углекислоты до 1,8% об.

Теплота сгорания природных газов отдельных месторождений может доходить до 47 МДж/м3, однако в среднем она составляет 33…36 МДж/м3. Эта величина почти в 1000 раз меньше, чем у жидкого нефтяного топлива, что и является основным недостатком природного газа как моторного топлива. Поэтому для обеспечения приемлемых эксплуатационных качеств автомобиля, прежде всего запаса хода при работе на природном газе, требуется его специальная подготовка: сжатие до давления 20 МПа и более с последующим хранением на автомобиле в баллонах высокого давления либо сжижение с помощью глубокого охлаждения до -162 °С с хранением в специальных криогенных (теплоизолированных) емкостях. Из-за большей простоты наиболее широко применяется природный газ в сжатом виде.

К природному газу, используемому в сжатом виде в качестве моторного топлива, предъявляются следующие специфические требования: отсутствие пыли и жидкого остатка, а также минимальная влажность. Последнее требование связано с исключением возможности закупорки каналов топливной системы, вызываемой замерзанием и выпадением гидратов вследствие дросселирования и снижения температуры газа при заправке автомобиля. Для обеспечения выполнения этих требований природный газ подвергается очистке с помощью фильтрующего, сепарационного и осушительного оборудования, установленного на газонаполнительных станциях.

В соответствии с ТУ 51-166-83 «Газ горючий природный сжатый, топливо для газобаллонных автомобилей», для заправки газовых автомобилей предназначены две марки СПГ (табл. 7). Их отличием является различное содержание метана и азота. В составе СПГ ограничено содержание следующих продуктов (г/м3, не более): сероводорода-0,02; меркаптановой серы- 0,016; механических примесей - 0,001; влаги - 0,009. Массовая доля сероводородной и меркаптановой серы в СПГ не должна превышать 0,1%.

В настоящее время наибольшее распространение получило использование природного газа в сжатом виде на автомобилях с двигателями внешнего смесеобразования и принудительным (искровым) воспламенением. Обычно на автомобиль с карбюраторным двигателем дополнительно устанавливаются баллоны для хранения природного газа под высоким давлением, газовые редукторы, электромагнитные клапаны и другая газовая арматура, обеспечивающая возможность работы двигателя на газе. Универсальность питания такого автомобиля (бензин или природный газ) является и его недостатком, так как не позволяет полностью использовать высокую детонационную стойкость природного газа.

Опыт эксплуатации отечественных газовых автомобилей, работающих на СПГ , выявил ряд положительных сторон, схожих с достоинствами при работе на СПГ . При использовании СПГ в качестве моторного топлива моторесурс двигателя увеличивается на 35…40%, срок службы свечей на 30…40%, расход моторного масла снижается благодаря увеличению периодичности (срока) его смены в 2…3 раза. Вместе с тем перевод на сжатый природный газ бензиновых автомобилей ведет к ухудшению ряда их эксплуатационных показателей. Мощность двигателя снижается на 18…20%, что ведет к снижению максимальной скорости на 5…6%, увеличению времени разгона на 24…30% и уменьшению максимальных углов преодолеваемых подъемов. Из-за большой массы баллонов для хранения газа высокого давления грузоподъемность автомобиля снижается на 9…14%. Дальность ездки на одной заправке газа не превышает 200…280 км.

Из-за наличия дополнительной топливной системы трудоемкость технического обслуживания и ремонта газового автомобиля увеличивается на 7…8%.

При использовании природного газа в качестве моторного топлива отмечены его плохие пусковые свойства. Предельное значение температуры холодного пуска двигателя (без дополнительных средств подогрева) на природном газе на 3…8 °С выше, чем на СНГ , и на 10…12 °С, чем на бензине. Трудность пуска объясняется высокой температурой воспламенения метана, а также тем, что в процессе воспламенения после нескольких вспышек на свечах осаждается вода, шунтирующая искровой промежуток.

Важным достоинством газовых топлив по сравнению с нефтяными являются лучшие экологические свойства, связанные прежде всего с уменьшением выбросов вредных веществ с отработавшими газами двигателя. Как известно, такими веществами являются окись углерода СО, окислы азота NO.t, суммарные углеводороды СН и в случае применения этилированных бензинов соединения свинца. Применение газовых топлив, отличающихся высокой детонационной стойкостью, исключает необходимость использования токсичного антидетонатора ТЭС и поэтому является эффективным фактором снижения загрязнения окружающей среды высокотоксичными свинцовыми соединениями. Изменение содержания окиси углерода при работе двигателя на газе и бензине в зависимости от состава топливно-воздушной смеси примерно одинаково. Однако, учитывая возможность работы газового двигателя на более бедных смесях, при его оптимальной регулировке обеспечиваются более низкие концентрации СО. Уровни выбросов СН также примерно одинаковы, однако их состав принципиально отличен. Вредное воздействие углеводородов, образующихся в продуктах сгорания нефтяных топлив, связано главным образом с образованием смога. При работе на природном газе углеводородная часть отработавших газов состоит в основном из метана, обладающего высокой устойчивостью к образованию смога.

Окислы азота являются наиболее токсичными компонентами отработавших газов. Их максимальное содержание для газового двигателя примерно в 2 раза меньше, чем для бензинового. Кроме того, оно может быть дополнительно снижено в 2…3 раза за счет регулировки состава топливной смеси.

Исходя из рассмотренных факторов применение газовых автомобилей на СПГ наиболее рационально на внутригородских грузовых перевозках для обслуживания предприятий торговли, быта и др. Использование природного газа перспективно и на городском пассажирском автотранспорте ввиду снижения в этом случае вредных выбросов, загрязняющих атмосферу. Для этой цели в нашей стране начат выпуск газовых автобусов ЛАЗ -695НГ и газовой модификации легкового автомобиля-такси ГАЗ -24-27.

Наиболее массовым автомобилем, работающим на сжатом природном газе, является грузовой автомобиль ЗИЛ -1Э8А. Основные элементы универсальной системы питания этого автомобиля, обеспечивающей работу на газе и бензине, использованы во всех других моделях газовых автомобилей. Газовая система питания автомобиля ЭИЛ -138А (рис. 23) включает восемь баллонов из углеродистой стали объемом 50 л каждый, рассчитанных на рабочее давление 20 МПа. Баллоны соединены трубками высокого давления и разделены на две секции с отдельными запорными вентилями 12. Заправка баллонов газом осуществляется с помощью вентиля. Перед подачей в двигатель газ проходит теплообменник, в котором подогревается горячими отработавшими газами двигателя. Для снижения давления газа используется редуктор высокого давления (снижает давление до 1,2 МПа) и низкого давления 5. Для контроля за работой системы питания служат два манометра, находящиеся в кабине водителя.

Рис. 1. Принципиальная схема топливной системы автомобиля ЗИЛ -1Э8А

Рис. 2. Схема газодизельной топливной системы автомобиля КамАЗ: 1 -двигатель; 2- ТНВД ; 3-дозатор газа; 4 - электромагнитный клапан с фильтром; 5-редуктор высокого давления; 6 - подогреватель газа; 7- вентили; 8 - манометр; 9 - редуктор низкого давления; 10- баллон; 11- смеситель; 12 - педаль подачи топлива

Резервная система питания бензином включает стандартный бензобак, электромагнитный клапан-фильтр, бензонасос и карбюратор-смеситель. Переход с одного вида топлива на другой осуществляется с помощью электромагнитных клапанов.

Общая вместимость баллонов составляет 400 л, что позволяет заправить 80 м3 газа при массе газобаллонной установки около 800 кг.

Сложность применения газовых топлив в дизельных двигателях связана с их плохой воспламеняемостью, низким цетановым числом и высокой температурой воспламенения. Поэтому для организации работы дизеля на природном газе используется газодизельный процесс, заключающийся в подаче в цилиндры дозы запального дизельного топлива, обеспечивающего воспламенение газовоздушной смеси.

Газодизельный процесс использован в ряде газовых модификаций автомобилей семейства КамАЗ, а также дизельных автобусах. В состав газодизельной системы питания автомобилей КамАЗ входит 8… 10 газовых баллонов высокого давления. Сжатый газ из баллонов поступает в подогреватель 6, где подогревается с помощью тепла охлаждающей жидкости. В редукторе давление газа снижается до 0,95… 1,1 МПа. После этого через электромагнитный клапан-фильтр он поступает в двухступенчатый редуктор низкого давления и затем через дозатор газа в смеситель, где смешивается с воздухом. Газовоздушная смесь подается в цилиндры двигателя, где в конце такта сжатия в нее через обычную форсунку впрыскивается запальная доза дизельного топлива.

Привод рычага управления регулятором топливного насоса высокого давления (ТНВД ) соединен тягой с приводом дроссельной заслонки дозатора. С помощью специального механизма обеспечивается постоянство расхода запальной дозы дизельного топлива в газодизельном режиме работы двигателя независимо от положения педали подачи топлива. Пуск газодизельного двигателя и его работа на холостом ходу происходят только на дизельном топливе. На остальных режимах повышение мощности двигателя достигается путем увеличения подачи газового топлива. Величина подачи запальной дозы составляет 15…20% от суммарного расхода топлива.

Заправка автомобилей природным газом осуществляется на стационарных автомобильных газонаполнительных станциях (АГНКС ) или с помощью передвижных автогазозаправщиков (ПАГЗ ). Типовая АГНКС обеспечивает 500 заправок в сутки. Ее технологическая схема состоит из пяти основных функциональных блоков: сепараторов, компрессоров, осушки, аккумуляторов газа и раздаточных колонок. АГНКС является сложным сооружением, включающим производственно-технологический корпус с газораздаточной и операторной, заправочную площадку с боксами для стоянки автомобилей и внешние коммуникации (подключение к газовой сети, водопровод, линия электропередачи и др.). Газ, поступающий из внешней сети, проходит сепарацию, далее сжимается компрессорами до 25 МПа и подается в установку осушки. Сухой газ направляется для хранения в аккумуляторы, откуда через газозаправочные колонки поступает на заправку автомобилей.

Рис. 3. Технологическая схема стационарной АГНКС

Число заправочных колонок на АГНКС - 8, время заправки с учетом всех операций составляет: для грузового автомобиля 10…12 мин, легкового - 6…8 мин.

Для заправки автомобилей автотранспортных предприятий, удаленных от АГНКС , используются передвижные автогазозаправщики (ПАГЗ ). На ПАГЗ смонтирована газобаллонная установка, снабженная блоками зарядки газом заправщика и раздачи газа автомобилям. Газобаллонная установка обычно включает три секции газовых баллонов объемом 400 fl каждая с давлением 32 МПа для ступенчатой заправки автомобилей бескомпрессорным способом. Заправка осуществляется с помощью двух раздаточных устройств.

Компримированный сжатый газ получают разными способами: непосредственно из газовых скважин, как продукт переработки нефти и путем фракционирования газового конденсата или нефтяного попутного газа. Сжатый природный газ не только может с успехом заменить жидкие моторные топлива, но и превосходит их по ряду параметров. Его основное преимущество состоит в том, что сжатый природный газ может использоваться на автомобильном транспорте без дорогостоящей технологической переработки.

Состав природных газов, добываемых на отечественных месторождениях, достаточно однотипен. В основном (82-98%) это метан СН 4 с небольшими примесями (до 6%) этана С 2 Н 6 , до 1,5% пропана С 3 Н 8 и до 1% бутана С 4 Н 10 . В попутных газах, добываемых на нефтяных месторождениях, в зависимости от района добычи содержание метана может колебаться в пределах от 40 до 82%, а бутана и пропана - от 4 до 20%.

Основной компонент - метан СН 4 характеризуется наивысшей критической температурой (-82°С). Поэтому при нормальных температурах даже при высоком давлении метан не может быть сжижен: для этого необходима низкая температура.

Свойства метана определяются его молекулярным строением. Газ относится к простым углеводородам. Его молекула содержит на один атом углерода максимум водорода. Этим обусловлена высокая теплопроводность метана, широкий диапазон воспламеняемости и низкое содержание токсичных составляющих. Ввиду высокого содержания водорода в сжатом газе происходит его более полное сгорание в цилиндрах двигателя, чем ГНС и бензина. По сравнению с другими газами-углеводородами метан намного легче воздуха, поэтому в случае утечки он скапливается в верхней части помещения. Высокая детонационная стойкость метана допускает форсирование двигателя по степени сжатия (9,5-10,5).

По энергетическим параметрам 1 м3 природного газа приравнивают к 1 л бензина. В то же самое время природный газ обладает очень низкой объемной концентрацией энергии. Если теплота сгорания 1 литра жидкого топлива равна 31426 кДж, то у природного газа она равна 33,52-35,62 кДж, т.е. почти в 1000 раз меньше. Поэтому природный газ необходимо сжать до высокого давления.

На автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях в России рабочее давление - 20 МПа.

Для сжатого газа применяют газобаллонные установки (баллоны, арматура, редуктор, газопроводы и др.), рассчитанные на работу при высоком давлении - 19,6 МПа (200 кгс/см 2). По мере расходования газа из баллона непрерывно уменьшается и рабочее давление в нем.

Баллоны для КПГ имеют вместимость от 34-400 л, рассчитаны на давление 19,6 МПа.

Поскольку баллоны для хранения сжатого газа изготавливаются толстостенными, батарея из восьми таких баллонов достаточно тяжела. Следовательно, снижается и полезная грузоподъемность автомобилей. Одновременно пробег автомобилей на КПГ становится в 2 раза меньше, чем на бензине. Поэтому более перспективной считают криогенную технологию хранения КПГ на автомобиле. К тому же это направление считают этапным и на пути создания водородных двигателей.

Компримированный (сжатый) природный газ (КПГ) ранее назывался сжатым природным газом (СПГ) регламентируется по ГОСТ 27577-2000 "Газ топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания" определяет физико-химические и эксплуатационные показатели КПГ (табл. 5.7).

Таблица 5.7 Физико-химические показатели и эксплуатационные показатели КПГ

Примечание. Значение показателей установлены при температуре 293К (20 °С) и давлении 0,1013 МПа.

В соответствии с ГОСТ на КПГ температура газа, заправляемого в баллоны автомобиля, должна быть не более 40°С. При температуре окружающей среды выше 35°С температура заправляемого газа должна быть не более чем на 5°С выше температуры воздуха. Температуру КПГ при заправке определяют по требованию потребителей.

КПГ воспламеняется при температуре 635-645°С в камере сгорания двигателя, что в 3 раза выше температуры воспламенения бензина.

Это затрудняет запуск двигателя, особенно при пониженных температурах (ниже -5°С) окружающего воздуха. Поэтому на автомобилях имеется резервная система питания бензином. В то же время по опасности воспламенения и пожароопасности КПГ значительно безопаснее бензина.

К положительным факторам применения КПГ можно отнести следующие:

Повышается срок службы моторного масла в 1,5-2,0 раза из-за отсутствия его разжижения и уменьшения загрязнения; в результате расход масла уменьшается на 30-40% по сравнению с бензиновыми двигателями;

Увеличивается в среднем на 35-40% моторесурс двигателя вследствие отсутствия нагара на деталях цилиндропоршневой группы;

Увеличивается на 40% срок службы свечей зажигания;

Увеличивается в 1,5 раза межремонтный пробег двигателя;

Значительно снижается (до 90%) выброс с отработавшими газами вредных веществ, особенно СО.

Двигатели газобаллонных автомобилей, работающих на КПГ, если газ израсходован, могут быстро перейти на работу на бензине.

Наряду с преимуществами можно отметить следующие недостатки:

Трудоемкость ТО и ТР увеличивается на 7-8%, а цена автомобиля возрастает в среднем на 27% из-за наличия дополнительной газобаллонной аппаратуры;

Мощность двигателя снижается на 18-20%. Ухудшаются тягово-динамические и эксплуатационные характеристики автомобилей: время разгона увеличивается на 24-30%; максимальная скорость уменьшается на 5-6%; предельные углы преодолеваемых подъемов уменьшаются на 30-40%; эксплуатация автомобиля с прицепом затрудняется; дальность ездки на одной заправке газом уменьшается (не превышает 200-250 км);

Грузоподъемность автомобиля снижается на 9-14% в связи с применением стальных баллонов высокого давления (их количество и вес могут быть разными);

Коэффициент использования пробега газобаллонных автомобилей снижается на 8-13% по сравнению с бензиновыми;

Годовая производительность при работе на городских перевозках уменьшается на 14-16% по сравнению с бензиновыми.

Рассмотренные особенности КПГ как топлива для автомобилей позволяют определить и рациональную область применения газобаллонных автомобилей: перевозки в крупных городах и прилегающих к ним районах (приоритетное значение оздоровления воздушного бассейна).

Очевидна эффективность внутригородских перевозок на газобаллонных автомобилях при обслуживании предприятий торговли, быта, связи и других учреждений.

Химический состав газа. Применение

Основную часть природного газа составляет метан (CH4) – до 98%. В состав природного газа могут также входить более тяжёлые углеводороды – гомологи метана:

этан (C 2 H 6),

пропан (C 3 H 8),

бутан (C 4 H 10),

а также другие неуглеводородные вещества:

водород (H 2),

сероводород (H 2 S),

диоксид углерода (СО 2),

гелий (Не).

Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество веществ, имеющих сильный неприятный запах (т. н. одорантов). Чаще всего в качестве одоранта применяется этилмеркаптан.

Углеводородные фракции – ценное сырьё для химической и нефтехимической промышленности. Они широко используются для получения ацетилена. Пиролизом этана получают этилен – важный продукт для органического синтеза. При окислении пропан-бутановой фракции образуются ацетальдегид, формальдегид, уксусная кислота, ацетон и др. продукты. Изобутан служит для производства высокооктановых компонентов моторных топлив, а также изобутилена – сырья для изготовления синтетического каучука. Дегидрированием изопентана получают изопрен – важный продукт при производстве синтетических каучуков.

Компримированный природный газ – сжатый природный газ, используемый в качестве моторного топлива вместо бензина, дизельного топлива и пропана.

Природный газ, как и любой другой, может быть сжат при помощи компрессора. При этом занимаемый им объем значительно уменьшается. Природный газ традиционно сжимается до давления 200–250 бар, что приводит к сокращению объема в 200-250 раз. Газ компримируют (сжимают) для транспортировки по магистральным газопроводам, для поддержания правильного давления внутри пласта (пластового давления) во время закачки под землю, а еще получение компримированного природного газа является промежуточной ступенью при производстве сжиженного природного газа. Компримированный природный газ дешевле традиционного топлива, а вызываемый продуктами его сгорания парниковый эффект меньше по сравнению с обычными видами топлива, поэтому он безопаснее для окружающей среды. Хранение и транспортировка компримированного природного газа происходит в специальных накопителях газа. Также используется добавление к компримированному природному газу биогаза, что позволяет снизить выбросы углерода в атмосферу.

Сжатый природный газ как топливо имеет целый ряд преимуществ:

· Метан (основной компонент природного газа) легче воздуха и в случае аварийного разлива он быстро испаряется, в отличие от более тяжёлого пропана, накапливающегося в естественных и искусственных углублениях и создающего опасность взрыва.

· Не токсичен в малых концентрациях;

· Не вызывает коррозии металлов.

· Компримированный природный газ дешевле, чем любое нефтяное топливо, в том числе и дизельное, но по калорийности их превосходит.

· Низкая температура кипения гарантирует полное испарение природного газа при самых низких температурах окружающего воздуха.

· Природный газ сгорает практически полностью и не оставляет копоти, ухудшающей экологию и снижающей КПД. Отводимые дымовые газы не имеют примесей серы и не разрушают металл дымовой трубы.

· Эксплуатационные затраты на обслуживание газовых котельных также ниже, чем традиционных.

Еще одной особенностью сжатого природного газа является то, что котлы, работающие на природном газе, имеют больший КПД – до 94 %, не требуют расхода топлива на предварительный его подогрев зимой (как мазутные и пропан-бутановые).

Природный газ, охлажденный после очистки от примесей до температуры конденсации (–161,5 0 С), превращается в жидкость, называемую сжиженным природным газом . Сжиженный газ представляет собой бесцветную жидкость без запаха, плотность которой в два раза меньше плотности воды. На 75-99% состоит из метана. Температура кипения –158…–163 0 C. В жидком состоянии не горюч, не токсичен, не агрессивен. Для использования подвергается испарению до исходного состояния. При сгорании паров образуется диоксид углерода и водяной пар. Объем газа при сжижении уменьшается в 600 раз, что является одним из основных преимуществ этой технологии. Процесс сжижения идет ступенями, на каждой из которых газ сжимается в 5-12 раз, затем охлаждается и передается на следующую ступень. Собственно сжижение происходит при охлаждении после последней стадии сжатия. Процесс сжижения, таким образом, требует значительного расхода энергии – до 25% от её количества, содержащегося в сжиженном газе. Сжиженный газ производится на так называемых ожижительных установках (заводах), после чего может быть перевезен в специальных криогенных емкостях – морских танкерах или цистернах для сухопутного транспорта. Это позволяет доставлять газ в те районы, которые находятся далеко от магистральных газопроводов, традиционно используемых для транспортировки обычного природного газа. Природный газ в сжиженном виде долго хранится, что позволяет создавать запасы. Перед поставкой непосредственно потребителю Сжиженный газ возвращают в первоначальное газообразное состояние на регазификационных терминалах. Первые попытки сжижать природный газ в промышленных целях относятся к началу XX века. В 1917 г. в США был получен первый сжиженный газ, но развитие трубопроводных систем доставки надолго отложило совершенствование этой технологии. В 1941 г. была совершена следующая попытка произвести СПГ, но промышленных масштабов производство достигло только с середины 1960-х гг. В России строительство первого завода сжиженного природного газа началось в 2006 г. в рамках проекта «Сахалин-2». Торжественное открытие завода состоялось зимой 2009 г.

Сланцевый газ – природный газ, добываемый из сланца, состоящий преимущественно из метана. Первая коммерческая газовая скважина в сланцевых пластах была пробурена в США в 1821 г. Масштабное промышленное производство сланцевого газа было начато компанией Devon Energy в США в начале 2000-х на месторождении Barnett Shale, которая на этом месторождении в 2002 г. пробурила впервые горизонтальную скважину. Благодаря резкому росту его добычи, названному «газовой революцией», в 2009 г. США стали мировым лидером добычи газа (745,3 млрд м 3), причём более 40% приходилось на нетрадиционные источники (метан из угольных пластов и сланцевый газ).

Ресурсы сланцевого газа в мире составляют 200 трлн м 3 . В январе 2011 г. экономист А.Д. Хайтун писал о возможности того, что сланцевый газ «повторит судьбу угольного метана со значительным падением прироста добычи при длительной эксплуатации месторождений или судьбу биотоплива, подавляющая часть мирового производства которого приходится на Америку, а сейчас сокращается».

Запасы и ресурсы газа

Мировые геологические запасы горючих газов на континентах, в зоне шельфов и мелководных морей, по прогнозной оценке, достигают 10 15 м 3 , что эквивалентно 10 12 т нефти.

Наиболее крупными месторождениями в СССР были: Уренгойское (4 трлн м 3) и Заполярное (1,5 трлн м 3), Вуктыльское (452 млрд м 3), Оренбургское (650 млрд м 3), Ставропольское (220 млрд м 3), Газли (445 млрд м 3) в Средней Азии; Шебслинское (390 млрд м 3) на Украине.

На полуострове Ямал и в прилегающих акваториях открыто 11 газовых и 15 нефтегазоконденсатных месторождений, разведанные и предварительно оцененные (АВС 1 +С 2) запасы газа которых составляют порядка 16 трлн м 3 , перспективные и прогнозные (С 3 -Д 3) ресурсы газа – около 22 трлн м 3 . Наиболее значительным по запасам газа месторождением Ямала является Бованенковское – 4,9 трлн м 3 (АВС 1 +С 2), которое в 2012 г. начнет разрабатываться, а газ поступит в новый магистральный газопровод Бованенково-Ухта. Начальные запасы Харасавэйского, Крузенштернского и Южно-Тамбейского месторождений составляют около 3,3 трлн м 3 газа.

Восточная Сибирь и Дальний Восток составляют порядка 60% территории Российской Федерации. Начальные суммарные ресурсы газа суши Востока России – 52,4 трлн м 3 , шельфа – 14,9 трлн м 3 .

В РФ добыча газа только ОАО «Газпром» в 2011 г. составила 513,2 млрд м 3 . При этом прирост запасов категории С 1 достиг рекордного уровня – 686,4 млрд м 3 , конденсата – 38,6 млн т. В 2012 г. планируется добыть 528,6 млрд м 3 газа и 12,8 млн т газового конденсата.

Конденсат

Конденсат – жидкий продукт сепарации природных газов. Представлен, в основном, жидкими в нормальных условиях УВ – пентаном и более тяжелыми УВ алканового, цикланового и аренового состава. Плотность обычно не превышает 0,785 г/см 3 , хотя известны разности с плотностью до 0,82 г/см 3 . Конец кипения от 200 до 350 0 С.

Различают сырой конденсат, полученный при сепарации, и стабильный , полученный путем глубокой дегазации сырого конденсата. Количество конденсата в пластовых газах выражается либо отношением его объема к объему сепарированного газа (см 3 /м 3) и называется конденсатным фактором . Количество конденсата, отнесенное к 1 м 3 сепарированного (свободного) газа, достигает 700 см 3 . В зависимости от величины конденсатного фактора газы бывают «сухие» (менее 10 см 3 /м 3), «тощие» (10-30 см 3 /м 3) и «жирные» (30-90 см 3 /м 3). Газы, характеризующиеся величиной газового фактора более 90 см 3 /м 3 называют газоконденсатом. На Вуктыльском нефтегазоконденсатном месторождении конденсатный фактор составляет 488-538 см 3 /м 3 , природные газы месторождений Западной Сибири, как правило, «сухие».

Природный газ состоит в основном из метана (не менее 90 %) с небольшими примесями этана (до 6%), пропана (до 1,7%), и бутана (до 1%).

Метан газ без цвета и запаха, мало растворим в воде, легче воздуха. Он относится к предельным углеводородам, молекулы которых состоят только из углерода и водорода. Высокое содержание водорода обеспечивает более полное сгорание топлива в цилиндрах двигателя по сравнению с бензином и сжиженным нефтяным газом, поэтому метан является полноценным топливом для автомобилей с хорошими антидетонационными характеристиками.

Характеристика метана.

Молекулярная формула – CH 4

Молярная масса, кг/моль – 16,03

Плотность при температуре 15°С и давлении 0,1 МПа:

— в газообразном состоянии, кг/м 3 – 0,717

— в жидком состоянии, кг/л – 0,42

Углеродное число – 2,96

Температура кипения, °С – -161,7

Температура самовоспламенения (вспышки), °С – 590

Низшая теплота сгорания:

— в газообразном состоянии, кДж/м 3 – 33800

— в жидком состоянии, кДж/л – 20900

Относительная плотность (по воздуху) – 0,554

Коррозионная активность – отсутствует

Токсичность – не токсичен

Температура горения, °С – 2030

Для справки . Теплота сгорания.

Теплота сгорания – количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1м 3 газа, при атмосферном давлении и температуре 20°С.

Есть высшая и низшая теплота сгорания газа. При определении высшей теплоты сгорания учитывается вся теплота, выделившияся во время сгорания и отведенная от продуктов сгорания путем их охлаждения до начальной температуры. На практике образовавшиеся пары воды не конденсируются и уносят часть теплоты, затраченной на нагревание 1кг воды от 0 до 100°С, которая равна 418,6 кДж.

При сгорании на испарение влаги, содержащейся в топливе и полученной от сгорания водорода, затрачивается теплота. Поэтому для характеристики газовых топлив на практике применяется низшая теплота сгорания газа, являющаяся стандартной величиной.

Природный газ перед применением в качестве моторного топлива проходит предварительную подготовку на предмет соответствия его параметров на эксплуатационные качества двигателя (удаление примесей) и условиям хранения на автомобиле.

Поскольку природный газ сжижается при температуре -161,7°С, а в нормальных условиях это сделать невозможно, на автомобилях он хранится в баллонах в сжатом до 20 МПа (200кг/см.кв.) состоянии.

Сжатые газы характеризуются тем, что при температуре 20°С и высоком давлении (20 МПа) остаются в газообразном состоянии.

Газ природный топливный компримированный (сжатый природный газ).

По физико–химическим показателям и содержанию примесей природный топливный газ должен соответствовать ГОСТ 27577-2000 «Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания».

По физико–химическим показателям газ по данному ГОСТу должен соответствовать требованиям и нормам, приведенным в таблице 1.

Таблица 1.

№№п/п	Показатели	Значение
1	2	3
1.	Объемная теплота сгорания низшая, кДж/м 3 , не менее	31800
2.	Относительная плотность к воздуху	0,55-0,70
3.	Расчетное октановое число (по моторному методу), не менее	105
4.	Концентрация сероводорода, г/м 3 , не более	0,02
5.	Концентрация меркаптановой серы, г/м 3 , не более	0,036
6.	Масса механических примесей в 1м 3 , мг, не более	1,0
7.	Суммарная объемная доля негорючих компонентов, %, не более	7,0
8.	Объемная доля кислорода, %, не более	1,0
9.	Концентрация паров воды, мг/м 3 , не более	9,0

Недостатки и преимущества применения сжатого природного газа в сравнении с бензином.

1. Недостатки.

1.1. Содержание газа под большим давлением требует применения высокопрочных баллонов, имеющих значительную массу и изготавливаемых из высококачественных сталей. Вес одного баллона вместимостью 50 литров с 10м 3 газа составляет около70 кг. Установка на автомобиль газовых баллонов влечет за собой снижение грузоподъемности автомобиля на 10-12%, снижается также запас хода автомобиля.

Баллоны для СПГ являются сосудами высокого давления, для баллонов из легированной стали установлен срок испытания один раз в 5 лет, а из углеродистой – один раз в 3 года.

1.2. Так как теплота сгорания газовоздушной смеси метана меньше теплоты сгорания бензовоздушной смеси (3,22 МДж/м 3 для метана с воздухом и 3,55 МДж/м 3 для бензина с воздухом), и вследствие меньшего коэффициента наполнения цилиндров мощность двигателя при переводе на сжатый газ снижается на 18-20%.

1.3. При применении газового топлива затруднен пуск двигателя в зимнее время при температуре ниже 15°С. Причина – более высокая температура воспламенения газовоздушной смеси и меньшая скорость распространения пламени.

1.4. Для проведения технического обслуживания и ремонта газобаллонных автомобилей требуется более высокая квалификация обслуживающего персонала. По сравнению с обслуживанием бензиновых и дизельных двигателей трудоемкость ТО и ремонта газового оборудования увеличивается на 13-15%, а затраты – на 4-6%.

1.5. Работа двигателей на сжатом газе сопровождается ухудшением тягово-динамических и эксплуатационных характеристик автомобилей: время разгона увеличивается на 25-30%; максимальная скорость уменьшается на 5-7%.

2. Преимущества.

2.1. Газовое топливо более полно сгорает в цилиндрах двигателей из-за более широких пределов воспламенения газа в сравнении с бензином. Если пределы воспламенения бензина в смеси с воздухом составляет соответственно 6,0 и 1,5%, то пределы воспламенения сжатого газа в смеси с воздухом составляет по верхнему пределу 15% и по нижнему пределу 5%. Это позволяет на эксплуатационных режимах работы двигателей обеднять горючую смесь до α=1,2-1,3.

В результате существенно снижается токсичность отработанных газов (по содержанию оксидов углерода — в 2-3 раза, по содержанию оксидов азота – в 1,2-2,0 раза, по содержанию углеводородов – в 1,1-1,4 раза).

2.2. Сжатый газ не разжижает масло в картере двигателя, не смывает масло со стенок цилиндров и не ухудшает этим условий смазки. Поэтому износы деталей двигателей, работающих на газе, ниже чем у бензиновых двигателей. Вследствие этого моторесурс двигателей увеличивается в 1,3-1,5 раза. Увеличивается также срок службы масла в 1,5-2 раза, а затраты на него снижаются на 25-35 процентов.

2.3. Цены на сжатый газ ниже чем на бензин: Экономия затрат на топливо имеется несмотря на потерю мощности двигателя и снижение грузоподъемности автомобиля.

Автотранс-консультант.ру.