В статье приведено сравнение топливно-энергетических ресурсов автономных локомотивов ОАО «РЖД» по отношению к потреблению природного газа в России к 2030 году, описаны преимущества и недостатки использования природного газа как моторного топлива в сравнении с дизельным топливом, их физические отличительные особенности как то отличие по величине минимальной теплоты сгорания и плотности, а также влияние указанных параметров на конструкцию локомотивов, выполнено сравнение использования компримированного и сжиженного природного газа в условиях тягового подвижного состава, описаны системы газоподготовки локомотивов как сжатого, так и для сжиженного агрегатного состояния газового топлива – их отличия и необходимый состав оборудования, методы размещения запаса газа на борту ТПС, представлены возможные виды газомоторных локомотивов на примере перспективных проектов ТПС, определены критерии отбора ТПС для выполнения модернизации по переводу тепловозов на газодизельный цикл, приведен опыт АО «ВНИКТИ» по разработке и модернизации газомоторных локомотивов. В заключении констатируется необходимость развития направлений по уменьшению затрат и экологической нагрузки за счет использования природного газа в качестве моторного топлива, подкрепленная ресурсными возможностями России и возможностью технической реализации смены дизельного топлива на газовое для железнодорожного подвижного состава.
Прогноз потребления природного газа (далее – газ) в России к 2030 г. определен на уровне 372 846 тыс. т и при условии полного перевода автономной тяги ОАО «РЖД» на газомоторное топливо, его доля составит не более 1 % от общероссийского, а значит при данных потенциальных возможностях РФ, экономических и экологических преимуществах газа в качестве моторного топлива, потенциал газомоторных локомотивов является неисчерпаемым.
Газ или дизельное топливо?
Экономические и экологические преимущества использования природного газа
Одним из основных преимуществ перехода на газ является его стоимость. При величине 50% от стоимости дизельного топлива в массовом отношении возможна экономия на топливно-энергетических ресурсах (ТЭР) до 40%. Лимитная стоимость газомоторных локомотивов несколько выше их дизельных аналогов, но благодаря экономии на ТЭР, стоимость их жизненного цикла становится ниже. Снижение стоимости газа ниже 50% позволит повысить привлекательность газомоторных проектов за счет возможности увеличения лимитной стоимости, а значит вопрос снижения цены газа остается открытым.
Кроме того, газовое топливо компонентно более чистое, что положительно сказывается на ресурсе ДВС, стоимости и времени его ремонта.
Использование природного газа в качестве моторного топлива для тягового подвижного состава (ТПС) значительно снижает нагрузку на окружающую среду по оксидам азота и ведет к уменьшению выбросов парниковых газов на 25%.
Испытания показали, что при использовании локомотивов, работающих только на природном газе, происходит снижение выбросов оксидов азота NOX по сравнению с дизельными аналогами (более чем на 80 %) и практически полному отсутствию дымности (табл. 1).
Отличия газа от дизеля и их влияние на конструкцию тягового подвижного состава
Несмотря на столь явные преимущества, применение природного газа на железнодорожном транспорте несколько осложнено его отличительными физико-химическими свойствами относительно дизеля – энергоемкостью и плотностью.
Минимальная теплота сгорания природного газа марки Б по ГОСТ Р 56021-2014 для двигателей внутреннего сгорания допускает значения 45,4…52,6 МДж/кг. Анализ, выполняемый АО «ВНИКТИ» в течение 2014–2020 гг. при заправке газомоторных локомотивов от поставщиков четырех различных регионов, показал устойчивое среднее значение около 49 МДж/кг, что и принималось при выполнении причастных расчетов. Аналогичный параметр дизеля составляет 42,7 МДж/кг (табл. 2). Очевидно, что энергоемкость газа больше на 12 %.
Данное преимущество является достаточно субъективным, т.к. большая энергоемкость газа несет в себе:
- большую термическую нагрузку для деталей и узлов ДВС;
- необходимость изменения системы охлаждения.
Кроме того, плотность дизельного топлива 860 кг/м3 для летних условий и 840 кг/м3 для зимних. Плотность сжиженного природного газа (СПГ) составляет в среднем 420 кг/м3. Т.е. меньшая плотность газа влечет необходимость резервирования на ТПС больших объемов для хранения газа, чем для ДТ при аналогичном запасе хода. А это, в свою очередь, влечет за собой необходимость использования более плотной компоновки оборудования или увеличения геометрических размеров локомотива.
СПГ и КПГ
Преимущества и недостатки СПГ и КПГ
Требования к компримированному природному газу (КПГ) определяются ГОСТ 27577-2000, к СПГ – ГОСТ Р 56021-2014.
Природный газ в использовании является более безопасным, чем любой другой вид топлива из-за своих физико-химических свойств, т.к. пожароопасен только при концентрации в окружающем воздухе 5÷15 %, для поджига требуется искра с большей энергией, при утечке уходит вверх, не образуя взрывоопасной концентрации, не ядовит, при нахождении в жидком агрегатном состоянии не воспламеняется, при вдыхании не вызывает отравления.
С точки зрения хранения и размещения на локомотиве и стоимости размещения наиболее эффективным является СПГ.
Объем газа при сжижении (СПГ) уменьшается в 600 раз при давлении 3…10 кг/см2, объем газа при сжатии (КПГ) – в 250…350 раз при давлении 250…350 кг/см2, увеличивая при этом опасность такого объекта из-за высокого давления в топливных баллонах.
Размещение на борту локомотива СПГ более чем в два раза дешевле размещения аналогичного количества КПГ.
Возникновение утечек газа при КПГ возможно не обнаружить без использования газоанализирующих устройств, в то время как утечка СПГ всегда сопровождается локальным образованием характерно направленного «белого пара» и обмерзанием места утечки «шубой инея». Малые утечки СПГ могут самогерметизироваться за счет конденсации атмосферной влаги на поверхности трубопровода. Оперативное устранение нарушения герметичности возможно путем наложения на поврежденный участок мокрых материалов на тканевой основе, что приведет к обмерзанию последних и восстановлению требуемой герметичности.
Единственным неоспоримым преимуществом КПГ перед СПГ является простота системы газоподготовки. Для КПГ это:
· комплект газовых баллонов высокого давления;
· запорная газовая арматура (вентили, клапаны отсечные, клапаны предохранительные) нормального климатического исполнения;
· редуктор понижения давления газа до рабочего давления силовой установки (3…10 атм. для поршневых двигателей и до 40 атм. для газотурбинных двигателей)
· газовый ресивер для компенсации возможных пульсаций газа;
· газовый дозатор.
