БелА3ы XXI века с газодизелями семейства двигателей ДМ

А.А.Кудрявцев, к.т.н, гл. специалист по использованию СПГ, ЗАО «Криогаз»,
В.В.Лошманов, гл. конструктор моторного производства, ОАО «Турбомоторный завод»

Отработавшие газы большегрузных автомобилей-самосвалов являются основными загрязнителями атмосферы карьеров. Доля их в суммарных объемах загрязняющих веществ превышает 60%, а по содержанию токсичных компонентов составляет более 90%. Величина ежегодного экологического ущерба от простоя карьеров из-за превышения предельнодопустимых норм концентрации вредных веществ в воздухе исчисляется сотнями миллионов рублей [1].

Одним из наиболее перспективных направлений на данном этапе по нормализации атмосферы карьеров является замещение нефтяного моторного топлива автомобилей-самосвалов природным газом. Это экологическое мероприятие является единственным, затраты на реализацию которого окупаются прямым экономическим эффектом – снижением расходов на топливо, т.к. себестоимость производства топлива из природного газа ниже себестоимости производства нефтяных видов топлива более чем в 2 раза. Например, для сжиженного природного газа (СПГ) этот показатель составляет 283 руб/ГКал, соответственно для дизельного топлива – 809 руб/ГКал.

Выбросы загрязняющих веществ у двигателей, использующих в качестве топлива природный газ по наиболее вредным компонентам в 1.5–5 раз менее опасны, чем у дизелей. Применение топлива из природного газа позволяет почти в 10 раз сократить дымность отработавших газов, снизить удельные выбросы (на один автомобиль-самосвал) по СО в 2–3 раза, NOX – 1.3–1.4 раза, по твёрдым частицам в 4–5 раз [2].

Однако, компримированный природный газ (КПГ) и сжиженный природный газ (СПГ), как автомобильные топлива, обладают двумя существенными недостатками:

•    требуется специальное исполнение бортовых топливных емкостей (баллоны высокого давления или криогенные сосуды) с повышенными, по сравнению с традиционными топливными баками, массо-габаритными характеристиками из-за низкой плотности газового топлива;

•    накладываются существенные ограничения на организацию ТО, ремонтов, заправки и использования машин.

Вместе с тем, при соблюдении установленных правил работа машин на природном газе достаточно безопасна. Природный газ почти в два раза легче воздуха и при утечке стремится вверх, достаточно быстро «растворяясь» в атмосфере. В большинстве стран автомобильные газонаполнительные компрессорные станции (АГНКС) размещаются непосредственно в городских кварталах жилой и общественной застройки. Более того, в ряде стран разрешается устраивать заправочные посты КПГ в подземных гаражах.

Массо-габаритные характеристики карьерных автомобилей-самосвалов и условия эксплуатации их на открытых горных работах создают благоприятные предпосылки по использованию сжиженного природного газа в качестве моторного топлива.

В настоящее время производство СПГ может быть организовано на АГНКС с использованием компрессорного холодильно-дроссельного цикла или на газораспределительных станциях (ГРС) за счет дроссельно-вихревого эффекта на перепаде давления. Производительность мини-заводов по производству СПГ, разработанных в ОАО «Криогенмаш» (Московская обл.), ЗАО «Сигмагаз» (Санкт-Петербург), ЗАО «Криогаз» (Екатеринбург) обеспечит потребность как отдельных горных предприятий, так групп предприятий горнодобывающего региона. На рис. 1. приведена принципиальная технологическая схема установки УСНП 00.000 ЗАО «Сигмагаз». Полная масса установки – 16 тонн, занимаемая площадь – 12 м2. Установка работает следующим образом. Газ высокого давления из магистрального газопровода (на входе в ГРС) подается в установку сжижения, образуя прямой поток, который поступает в один из теплообменников-вымораживателей (ТОВ1/ТОВ2). Проходя теплообменник-вымораживатель, газ прямого потока охлаждается и очищается от влаги и тяжелых углеводородов. После теплообменника – вымораживателя газ прямого потока дополнительно охлаждается в рекуперативном теплообменнике (ТОР) и перед входом в сборник–сепаратор (СС) дросселируется до давления, равного давлению в газораспределительной сети. В результате дросселирования происходит частичное сжижение природного газа и далее, в сборнике-сепараторе, разделение жидкой и газообразной фаз.

Сжиженный природный газ из сборника-сепаратора сливается в хранилище, а холодный газ низкого давления через теплообменники ТОВ1, ТОВ2 и ТОР, сбрасывается из установки в газораспределительную сеть, образуя обратный поток. За счет теплообмена между прямым и обратным потоками входящий газ прямого потока охлаждается, а газ обратного потока нагревается.

Одновременно газ высокого давления из магистрального газопровода, поступает в делящую вихревую трубу (ДВТ) и разделяется на горячий и холодный потоки. Холодный поток газа из вихревой трубы вводится в обратный поток низкого давления, направляемого в один из теплообменников ТОВ и дополнительно обеспечивает охлаждение поступающего газа высокого давления. Горячий поток газа из вихревой трубы направляется на отогрев отключенного теплообменника-вымораживателя (ТОВ2/ТОВ1), где забирает  влагу и тяжёлые углеводороды, и направляется в газораспределительную сеть. За счет переключения теплообменников-вымораживателей обеспечивается непрерывность производства сжиженного природного газа.

В соответствии с существующей сетью газопроводов доставка СПГ на горные предприятия может осуществляться как автомобильным, так и железнодорожным транспортом. В настоящее время освоено производство криогенных автомобильных и железнодорожных цистерн Нижне-Тагильским «Уралкриомашем» и Омским ОАО «Сибкриотехника».

Существующие производственные помещения для ТО, ремонтов и хранения автомобилей-самосвалов не могут соответствовать ограничительным требованиям взрывопожарной и пожарной опасности, определяемых действующими НТД [3, 4, 5]. Реализация существующих технологий слива СПГ и дегазации газовой аппаратуры при поступлении автомобилей-самосвалов в ремонтную зону не представляется возможным из-за большой продолжительности установленных процедур. В связи с этим, криогенное оборудование, непосредственно обеспечивающее работу автомобиля-самосвала с использованием СПГ, представлено бортовым быстросъемным модулем.

Снятие, установка и хранение бортовых модулей осуществляется на стационарном модуле СПГ, на котором размещаются следующие подразделения:

•    слива и хранения СПГ;

•    технологического обслуживания бортовых модулей (заправки, расхолаживанию, захолаживанию, дегазации);

•    заправки СПГ автомобилей-самосвалов или специализированных карьерных заправщиков.

При переводе дизеля на газожидкостный цикл требуется в основном дополнить его системами, обеспечивающими дозирование и смесеобразование газообразного топлива. Существующая система регулирования подачи жидкого топлива не претерпевает значительных изменений. В связи с этим, конвертирование на ОАО «Турбомоторный завод» серийной машины 8ДМ 21/21 автомобилей-самосвалов грузоподъемностью 100–120 т в газодизель проведено с максимальной унификацией и с минимальными конструктивными изменениями.

Подача газа в цилиндры осуществляется через центральные газовые смесители или через отдельные газовые клапаны. Зажигание газовоздушной смеси в газодизеле осуществляется в конце такта сжатия впрыскиванием и самовоспламенением небольшой (5–20% расхода топлива дизелем на номинальной мощности) дозы запального дизельного топлива.

Основные проблемы перевода дизельного цикла работы двигателя на газовый связаны с недогоранием газового топлива на частичных режимах и с детонационным сгоранием газовоздушной смеси при полной нагрузке. При использовании турбонаддува проблема детонации газовоздушной смеси становится основной.

Расчетное исследование дизельного и газодизельного цикла двигателя ДМ-21, проведенное при одинаковых мощности, давлении наддува, угле опережения подачи топлива (основного или запального), степени сжатия показало, что для номинальной мощности (Рmе=1.5 МПа, n=1500 мин–1) удельный эффективный расход тепла в дизельном и газодизельном циклах практически одинаков. Максимальное давление сгорания Рmах у последнего на 0.9 МПа меньше, а температура газов перед турбиной на 23° выше. Указанные отличия связаны с изменением термодинамических свойств заряда при введении на такте всасывания порции газового топлива. Вследствие уменьшения Рmах у газодизельного варианта ухудшается термодинамическая эффективность цикла, и поэтому индикаторный кпд у газодизеля ниже. Однако это ухудшение компенсируется увеличением механического к.п.д. вследствие снижения потерь на трение при уменьшении Рmах и уменьшения работы насосных ходов. Поэтому удельный эффективный расход тепла у обоих вариантов практически одинаков.

Негативным моментом при переходе от дизельного на газодизельный процесс является рост температуры газов перед турбиной на 5%. Это связано с уменьшением на 8.5% коэффициента избытка воздуха, обусловленного действием двух факторов: во-первых, подача газа на такте впуска ведет к снижению расхода воздуха; во-вторых, для осуществления газодизельного цикла требуется большее количество воздуха в сравнении с дизельным циклом.

Таким образом, при переходе с дизельного на газодизельный цикл двигателем ДМ-21 достигаются приемлемые показатели рабочего процесса на номинальной мощности. Важным условием их обеспечения является бездетонационная работа двигателя и скорость выгорания газа, близкая к скорости выгорания дизельного топлива.

Наряду с октановым числом границу детонации и скорость выгорания газа определяют такие параметры как: состав топливо-воздушной смеси, степень сжатия, форма камеры сгорания и температура образующих ее деталей, количество и начало подачи запального топлива.

Исходя из этого, проведена оптимизация цикла газодизеля в направлении определения оптимального сочетания давления наддува, геометрической степени сжатия и момента подачи запального топлива. Большое значение при выборе указанных параметров имело и то, что именно они главным образом определяют уровень механической и термической нагруженности двигателя.

В результате оптимизации рекомендовано для газодизельного цикла: снизить степень сжатия с 13.5 до 12.5, сохранить уровень давления наддувочного воздуха, равный дизельному прототипу и оставить без изменения угол опережения подачи топлива. Указанные регулировки позволяют обеспечить требуемые параметры газодизеля (среднее эффективное давление до 1.5 МПа при частоте вращения 1500 мин–1, удельный расход тепла 2267 кКал/кВт·ч) и гарантируют возможность работы двигателя на дизельном топливе в случае отсутствия газа.

В процессе доводочных испытаний газодизеля конструкционные и регулировочные параметры были уточнены.

Расход дизельного топлива (запальная доза) на всех режимах оставался постоянным и составил D41–42 кг/час, что соответствует 18% от номинального расхода (230 кг/час) на дизельном режиме. При этом ход рейки топливного насоса высокого давления ограничивался специальным упором и составлял D5 мм.

Система питания семейства газодизеля ДМ-21 состоит из общего дозатора, труб подвода газа к цилиндрам и газовых клапанов. Регазифицированное метановое топливо поступает в дозатор из бортового модуля автомобиля-самосвала с давлением 0.3 МПа и температурой от 0 до 30°С.

Непосредственно в цилиндры двигателя газ подается с помощью газовых электромагнитных клапанов (рис. 2), устанавливаемых на каждом цилиндре и управляемых электронным блоком управления или индивидуальных газовых клапанов с механическим приводом от распределительного вала. Во избежание потерь газа при продувке цилиндров газовые клапаны открываются только после закрытия выпускных клапанов.

Снижение расходов на топливо при использовании газодизеля ДМ на автомобилях-самосвалах грузоподъемностью 120 т составит 778.4 тыс. руб. в год на одну среднесписочную машину. Для предприятий со среднесписочным количеством 120-тонных автомобилей-самосвалов 25 единиц экономия по топливу составит 19.41 млн. руб., соответственно при 50 единицах – 38.92 млн. руб., при 75 единицах – 58.38 млн. руб.

Чистая прибыль от снижения расхода топлива 120-тонного автосамосвала составит более 300 тыс. руб. При этом объем инвестиций на

НИОКР по созданию автомобильного модуля СПГ составляет 4.1 млн. руб., на разработку блоков заводского исполнения стационарных модулей СПГ – 2.5 млн. руб.

С учетом экологической составляющей срок окупаемости затрат по переводу автомобилей-самосвалов на использование СПГ составит 1.5–2.5 года.

Журнал "Горная Промышленность" №6 2001