Применение природного газа в качестве моторного топлива техники горнодобывающих предприятий

П.И. Тарасов, к.т.н., ведущий научный сотрудник ИГД УрО РАН, Екатеринбург

М.Л. Хазин, д.т.н., Уральский государственный горный университет, Екатеринбург

В.В. Фурзиков, заместитель начальника департамента разработки нового семейства дизелей, ООО «Уральский дизельмоторный завод», Екатеринбург

Транспортировка горной массы на открытых горных работах, наряду с перевозкой оборудования, материалов, горючего, персонала и т.п. – важнейшие и неотъемлемые звенья единого технологического процесса добычи полезных ископаемых. И основным видом транспорта на широком ряде горнодобывающих предприятий стал колесный автомобильный. Численность автомобильного парка и соответственно спрос на моторное топливо в последнее время растет, и пропорционально увеличиваются объёмы выбросов вредных веществ в атмосферу с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания.

Один из путей кардинального решения задачи улучшения экологической ситуации, обусловленной выбросами вредных веществ автомобильным транспортом – использовать альтернативные виды моторного топлива. Исследуемые в настоящее время различные виды моторного топлива (водород, метанол, этанол, биогаз, рапсовое масло и т.д.) должны соответствовать, по возможности, следующим критериям:

– низкая производственная стоимость;

– возобновляемость источника их производства.

Однако основным фактором, сдерживающим широкое применение различных альтернативных видов топлива, является пока еще высокая стоимость их производства. Поэтому в мировом двигателестроении в настоящее время нарастает тенденция расширенного применения природного газа в качестве моторного топлива. Рост парка автомобилей, использующих природный газ в качестве топлива (рис.1) подтверждает, что природный газ становится реальным заместителем нефтяных видов моторного топлива, которому принадлежит ближайшее будущее [1].

Рис. 1 Тенденция роста общемирового парка автомобилей, работающих на газовом топливе [1]

Рис. 1 Тенденция роста общемирового парка автомобилей, работающих на газовом топливе [1]

При работе автотранспорта в карьерах в атмосферу с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания выбрасывается большое количество вредных веществ. Как правило, при достижении глубины карьеров 200–250 м и более загрязнение воздуха в рабочей зоне вредными веществами постепенно начинает превышать предельно допустимые концентрации, установленные Гостехнадзором России.

Трассы движения карьерных самосвалов в глубоких (более 200 м) карьерах включают значительную долю участков с крутыми уклонами. Из-за крутого угла подъёма дорог двигатель самосвала нагружается на полную мощность при малой скорости его движения, что приводит к большому расходу топлива и повышенным объемам выбросов вредных веществ в атмосферу карьера.

Отработавшие газы – тяжелее воздуха и, концентрируясь на нижних горизонтах, они не только ухудшают состав атмосферного воздуха в карьере, чем создают угрозу для здоровья работающего персонала, но и приводят к снижению мощности двигателей и повышенному расходу топлива [2]. Для исключения простоев оборудования и внерегламентных перерывов в работе персонала по этой причине назревает острая необходимость применения малотоксичных двигателей в карьерных самосвалах. К числу таких двигателей, например, относятся в первую очередь дизели, способные работать на газовом топливе [2].

К многолетней и пока малоустранимой экологической проблеме разработки месторождений открытым способом, прибавилась новая, связанная с высокими транспортными расходами, обусловленными в том числе непрекращающимся ростом цен на моторное топливо. Фактор роста цен на топливо вместе с ростом расходов на его доставку к потребителям в регионах Сибири и Арктики активировал работы по поиску практической замены нефтяного топлива другими экологически чистыми и дешевыми видами, к числу которых в первую очередь относится газовое топливо. Стоимость природного газа в качестве моторного топлива регулируется Постановлением Правительства РФ от 15.01.1993 №31 «О неотложных мерах по расширению замещения моторных топлив природным газом » и не превышает 50 % стоимости бензина А-76.

Разведанных на сегодня мировых запасов природного газа больше, чем запасов нефти. Это дает основание полагать, что природный газ будет широко использоваться в качестве моторного топлива в ближайшем будущем [3]. В настоящее время многие производители грузового автотранспорта приступили к промышленному выпуску техники, использующей природный газ в качестве моторного топлива (КАМАЗ, УРАЛ, ГАЗ, Cummins, Daimler, MAN, Iveco и др.) (рис. 2).

Рис. 2 Газомоторная техника производства ПАО «КАМАЗ»: а – самосвал КАМАЗ-6520 (6х4) грузоподъемностью 18,5 т; б – передвижная мастерская на шасси КАМАЗ-43110; в – вахтовый автобус НЕФАЗ-4203 на шасси КАМАЗ-43114-30

Рис. 2 Газомоторная техника производства ПАО «КАМАЗ»: а – самосвал КАМАЗ-6520 (6х4) грузоподъемностью 18,5 т; б – передвижная мастерская на шасси КАМАЗ-43110; в – вахтовый автобус НЕФАЗ-4203 на шасси КАМАЗ-43114-30

Рис. 2 Газомоторная техника производства ПАО «КАМАЗ»: а – самосвал КАМАЗ-6520 (6х4) грузоподъемностью 18,5 т; б – передвижная мастерская на шасси КАМАЗ-43110; в – вахтовый автобус НЕФАЗ-4203 на шасси КАМАЗ-43114-30

Рис. 2 Газомоторная техника производства ПАО «КАМАЗ»: а – самосвал КАМАЗ-6520 (6х4) грузоподъемностью 18,5 т; б – передвижная мастерская на шасси КАМАЗ-43110; в – вахтовый автобус НЕФАЗ-4203 на шасси КАМАЗ-43114-30

Природный газ, как моторное топливо, отличается следующими преимуществами:

– стоимость газа значительно ниже стоимости эквивалентного по теплотворной способности объема нефтяного моторного топлива;

– ресурс работы двигателя увеличивается в 1,5 раза;

– экологические характеристики двигателя повышаются;

– шумность работы двигателя ниже.

В практике использования природного газа в качестве бортового запаса моторного топлива применяют сжатый (компримированный) (КПГ) и сжиженный (СПГ) виды газа. Однако определенным сдерживающим фактором в широком применении газового моторного топлива в Российской Федерации остается неразвитость сети заправочных станций, которые построены, как правило, вблизи газопроводов. Российские горнодобывающие предприятия расположены в районах, где газовая сеть отсутствует либо мало развита. Чтобы преодолеть это препятствие, к настоящему времени разработаны компактные, хорошо адаптированные к полевым условиям и высоконадежные компрессорные установки для сжижения природного газа непосредственно на месторождении. Благодаря этому доставка сжиженного природного газа до горнодобывающего предприятия, использующего технику, работающую на газовом топливе, становится экономичнее, чем нефтяного топлива.

Связано это с тем, что цикл получения нефтяного топлива включает транспортировку нефти от месторождения до нефтеперерабатывающего завода, ее переработку и изготовление топлива, затем доставку готового топлива до потребителей. Для природного газа нет необходимости в предварительной его перработке.

Для устранения проблем, препятствующих широкому применению природного газа в качестве моторного топлива, необходимы разработка и принятие на государственном уровне программы, предусматривающей:

– субсидирование и компенсацию затрат на перевод автопарка горнодобывающих предприятий на природный газ;

– поддержку производителей газомоторной автомобильной техники для горнодобывающих предприятий;

– налоговые льготы горнодобывающим предприятиям, использующим в автопарке газомоторную технику.

Принятие указанных мер окупится за счет повышения эффективности работы горнодобывающих предприятий, благодаря снижению времени простоев карьеров из-за загазованности рабочей зоны, снижению себестоимости перевозки горной массы и др.

Практический перевод технической карьерной техники горнодобывающих предприятий с мощностью двигателей более 1500 кВт на газовое топливо в настоящее время невозможно по ряду известных причин [2]. Но перевод хозяйственного и вспомогательного автотранспорта на газ уже сейчас позволит выполнить подготовку всей инфраструктуры предприятий (доставка, хранение, использование и т.д.). Тем самым автомобильные хозяйства горнодобывающих предприятий будут подготовлены к обслуживанию газомоторного карьерного технологического транспорта большой грузоподъёмности.

Рис. 3 Внешний вид газотурбинного двигателя ГТД-1250

Рис. 3 Внешний вид газотурбинного двигателя ГТД-1250

Необходимо отметить, что положительный зарубежный опыт применения природного газа на двигателях мощностью более 1500 кВт в настоящее время отсутствует. Поэтому в целях обоснования эффективности применения природного газа на карьерном автотранспорте, оснащенном двигателями большой мощности (более 1500 кВт), требуется выполнить значительный объём НИОКР. В планах ПАО «ГАЗПРОМ» к 2030 г. должно быть переведено 23 % карьерной техники на сжиженный природный газ (СПГ) [1]. Карьерная техника на СПГ будет применяться в основных районах непосредственной добычи минерального сырья, к которым относятся: Кемеровская область; Курская магнитная аномалия (Курская и Белгородская области); Мурманская область и Республика Карелия; Республика Саха (Якутия); Красноярский край и Амурская область.

Использование СПГ в качестве моторного топлива обеспечит бесперебойную работу машин в течение 8–14 ч, при существенном снижении дымности и токсичности отработавших газов в условиях плоховентилируемых карьеров [1]. Нами предлагается рассмотреть природный газ в качестве моторного топлива большегрузных карьерных автосамосвалов, оснащаемых газотурбинными двигателями (ГТД), нашедшими широкое применение в современной авиации. В технико-экономических характеристиках большинства разработанных ГТД в графе «Вид топлива» записан и природный газ. Но применения в авиадвигателях СПГ пока не получил. Сегодня ГТД нашли широкое применение в танковой технике, состоящей на вооружении российской армии (рис. 3) [4]. К преимуществам газотурбинных двигателей относятся:

– налаженность серийного производства для авиационной техники и привода танковых агрегатов;

– многотопливность;

– небольшое содержание вредных веществ в отработавших газах вследствие большого коэффициента избытка воздуха при сгорании в турбине;

– хорошие пусковые свойства при низких тепературах окружающнй среды и возможность принимать нагрузку за короткое время прогрева;

– низкие удельные массо-габаритные показатели: удобство компоновки в ограниченном пространстве моторного отсека; – отсутствие вибраций, так как вращающиеся детали легко балансируются;

– лучшая приемистость по сравнению с газопоршневыми двигателями;

– более простое обслуживание, так как отпадает необходимость замены масла, которое не взаимодействует с горячими газами;

– отсутствие громоздкой системы охлаждения;

– минимальные потери трения в подшипниках, малый износ и больший срок их службы, чем у поршневых двигателей.

К недостаткам можно отнести:

– высокая стоимость из-за применения жаростойких и жаропрочных материалов;

– большая шумность при работе;

– низкий КПД на малых нагрузках;

– чувствительность к запыленности воздуха, поступающего в двигатель;

– большой расход топлива;

– высокие эксплуатационные затраты.

До настоящего времени потребность в газотурбинных двигателях большой мощности для оснащения автомобильного транспорта не была четко выражена, а использование природного газа в авиации было проблематичным из-за необходимости обеспечения безопасного хранения запаса СПГ на борту летательного аппарата [5]. Разработки в мире карьерных транспортных средств большой мощности, работающих на природном газе, до последнего времени не велись из-за того, что большая часть мировых разведанных запасов газа располагалась на территории Российской Федерации. Поэтому создавались лишь двигатели, работающие на природном газе, для транспортных средств грузоподьемностью 20–40 т.

Доступность и сравнительная дешевизна газового топлива в России на фоне постоянно меняющейся мировой конъюнктуры цен на дизельное моторное топливо и обостряющейся конкуренции на мировых рынках минерального сырья, где отечественные продукты занимают определенную нишу, – ставят в ранг актуальнейших задачу по ускоренному переводу карьерного автотранспорта на газовое топливо. Природный газ уверенно становится перспективным моторным топливом не только для малотоннажной и общего назначения автомобильной техники, но и машин, используемых на горнодобывающих предприятиях: автосамосвалов, бульдозеров, экскаваторов, дробилок и др.

Предприятиям этой отрасли необходимо уже в настоящее время приступить к переводу своих автопарков на газомоторное топливо и тем самым сделать серьезный шаг по пути развития инфраструктуры по обслуживанию всей техники.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:
1. Сайт www.gazprom.ru
2. Техника и технология использования в качестве топлива на карьерном автомобильном транспорте сжиженного природного газа (СПГ) [Текст] / А.А. Кудрявцев // Энергосбережение на карьерном автомобильном транспорте. Материалы междунар. науч.практ. семинара, 24-26 июля 2003 г. / ИГД УрО РАН. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. С. 180 194.
3. Тарасов П.И., Хазин М.Л., Фурзиков В.В. Природный газ перспективное моторное топливо карьерного автотранспорта для районов Севера // Горная промышленность. 2016 6 С.51-52.
4. Зрелов В.А. Отечественные газотурбинные двигатели. Основные параметры и конструктивные схемы: Учебное пособие. М.: ОАО «Издательство «Машиностроение», 2005, 336 с.: ил.
5. Саргасян Д.Р. Анализ опыта применения альтернативных топлив на воздушных судах // Научный вестник МГТУ ГА. 2011. 174. С.91-95.
Ключевые слова: природный газ, карьерный автотранспорт, открытые горные работы, газомоторное топливо, экология.

Журнал "Горная Промышленность"№1 (131) 2017, стр.66