Газообразные углеводороды, добываемые из газовых и газоконденсатных месторождений принято называть собственно природным газом. Природный газ является в настоящее время одним из основных бытовых и экологически чистых промышленных топлив. Он используется также в качестве сырья для производства водорода, технического углерода (сажи), этана, этилена, ацетилена.

Природный газ состоит главным образом из алканов, представлен­ных, прежде всего, нормальными углеводородами с числом атомов угле­рода от 1 до 4-х (С Г С 4) и изобутаном.

Основным компонентом сухого природного газа является метан (93-98 %), в котором соотношение Н:С составляет 33%. Остальные углеводородные компоненты содержатся в меньших ко­личествах. Газообразные алканы в природном газе имеют температуры ки­пения при нормальном давлении от-162 С до 0 С.

Если в XX веке основное внимание в мире уделялось изучению, раз­ведке, освоению месторождений природного газа, представляющих собой обычные (традиционные) газосодержащие скопления углеводородов, то в XXI веке экономическая конъюнктура уже требует обратиться к значи­тельным потенциальным ресурсам природного газа, заключенным в нетрадиционных источниках, прежде всего к природным газовым гидратам (ГТ). ГГ являются весьма существенным и до сих пор мало разрабатывае­мым источником природного газа на Земле. Они могут составить реальную конкуренцию традиционным месторождениям в силу огромных ресурсов, широкого распространения, неглубокого залегания и концентрированного состояния газа (один кубометр природного метан-гидрата в твердом со­стоянии содержит около 164 м метана в газовой фазе и 0,87 м воды).

Со времени обнаружения первых залежей природных газовых гидра­тов прошло немного лет. Приоритет в открытии их принадлежит россий­ским ученым. В марте 2000 г. российско-бельгийская экспедиция обнаружила уни­кальное месторождение газовых гидратов в пресноводных придонных от­ложениях озера Байкал, на глубине нескольких сотен метров от поверхно­сти воды. Впервые со дна озера удалось достать крупные кристаллы газогидратов, размером до 7 см.

Исследованиями, проведенными в разных регионах мира, установле­но, что около 98% ресурсов ГТ находится в акваториях мирового океана (у побережий Северной, Центральной и Южной Америки, Японии, Норвегии и Африки, а также в Каспийском и Черном морях) на глубинах воды более 200-700 м, и только 2% - в приполярных частях материков. По средневзвешенным оценкам ресурсы газогидратных залежей составляют около 21000 трлн м 3 . При современном уровне потребления энергии, даже при использовании только 10% ресурсов газогидратов, мир будет обеспечен высококачественным сырьем для экологически чистой выработки энергии на 200 лег.

По мнению Мирового совета по энергии, до 2020 г. природный газ представляется как самое технологически подготовленное топливо для двигателей внутреннего сгорания и с точки зрения подготовки автомобиля, требующее минимальных затрат на переоборудование автомобиля с жид­кого топлива на газообразное, и с точки зрения запасов природного газа.

И газовые, и бензиновые автомобили выбрасывают в атмосферу примерно одинаковое количество углеводородов, В то же время для здоро­вья человека опасны не сами углеводороды, а продукты их окисления. Двигатель, работающий на бензине, выбрасывает массу различных угле­водородов, а газовый двигатель - метан, который из всех предельных уг­леводородов наиболее устойчив к окислению. Поэтому углеводородный выброс газового автомобиля менее опасен.

По запасам природного газа (в основном метана) и его добыче Рос­сия находится на первом месте в мире.

Доля природного газа в топливно-энергетическом ба­лансе мира весьма скромная - 23%. И темпы роста га­зовой промышленности в большинстве стран мира также невысокие. Ис­ключение представляют такие страны, как Россия, Нидерланды, Норвегия и ряд других, в которых, можно считать, что на смену "эпохе нефти" при­шла "эпоха природного газа" или "эпоха метана".

При использовании газа в карбюраторных двигателях 1 м 3 его для грузовых автомобилей, в среднем, заменяет 1 л, а для легковых автомоби­лей-1,2 л бензина.

Применение КПГ на автомобильном транспорте может обеспечить создание автомобилей мощностью на 30-40% выше, чем современные ав­томобили, работающие на бензине, с эффективным КПД до 38-40% при одновременном увеличении срока службы двигателя в 1,5 раза и сроков смены масла в два раза.

Главный недостаток природного газа как моторного топлива заклю­чается прежде всего в меньшей (в 1000 раз) объемной его энергоплотности по сравнению с жидкими нефтяными топливами - 0,034 МДж/л для при­родного газа, 31,3 и 35,6 МДж/л для бензина и дизельного топлива.

Природный газ сам по себе очень громоздкое топливо,поскольку его плотность в шестьсот раз ниже плотности бензина. Для хранения его в компримированном состоянии приходится использовать специальные достаточно тяжелые баллоны. Массивные газовые баллоны, устанавливае­мые на автомобиле увеличивают его массу и снижают грузоподъем­ность. Сжатый газ хранится в основном в металлических баллонах. оптимальная высокая степень сжатия двигателей газовых ав­томобилей не устанавливается из-за необходимости сохранять возмож­ность быстрого перехода на бензин, что приводит к снижению мощности двигателя (до 20%), вследствие которого на 5-6 % уменьшается макси­мальная скорость, затрудняется пуск двигателя в холодное время года (ниже 0 °С), что объ­ясняется более высокой температурой воспламенения и самовоспламене­ния природного, поэтому в схеме питания предусмотрены подогреватели газового топлива; при отсутствии подогрева возможен пуск двигателя на нефтяном топливе с последующим переводом на газовое по­сле прогрева двигателя; усложняется конструкция топливной системы, увеличивается ее масса и на 3-10% увеличивается объем и стоимость тех­нического обслуживания и ремонта;

По правилам техники безопасности газ необходимо сработать, перед тем как ставить автомобиль на стоянку и тем более в гараж. А в начале ра­бочего дня необходимо на жидком топливе ехать заправляться на специа­лизированную газозаправочную станцию, что очень неудобно.

Каталитические нейтрализаторы отработавших га­зов автомобиля, предназначенные для бензина, неэффективны для сниже­ния содержания окислouов азота и метана при работе на природном газе. Не­обходимо усовершенствование двигателей и каталитических нейтрализа­торов. С точки зрения охраны окружающей среды газовый двигатель с ре­гулируемым трехступенчатым каталитическим нейтрализатором мог бы быть наиболее перспективным решением для достижения сокращения эмиссии всех загрязняющих веществ более чем на 90%.

Использование природного газа в дизельных двигателях затрудня­ется из-за его сравнительно высокой температуры самовоспламенения и соответственно низкого цетанового числа. Чтобы преодолеть это затруд­нение, используют так называемую двухтопливную систему - небольшое количество дизельного топлива впрыскивается в камеру сгорания в качест­ве запального заряда, а затем подается сжатый природный газ. Иногда приходится устанавливать систему искрового зажигания. Дизельные дви­гатели, работающие на природном газе, широко применяют в самой газо­вой промышленности в поршневых газоперекачивающих агрегатах и мо-торо-генераторах с искровым и форкамерно-факельным зажиганием.

Надо заметить, что газообразное топливо - единственный вид аль­тернативного топлива, для которого в России в основном решены техниче­ские и экологические проблемы использования, хотя определенные слож­ности вызывает ломка психологии потребителя, с предубеждением отно­сящегося к непривычному топливу.

Использование КПГ в авиации позволяет кардинально изменить экологические характеристики выхлоп­ных газов, ликвидировать дефицит на многие десятилетия в авиационных тбпливах и существенно снизить затраты на топливо.

Анализ перспектив использования природного газа на судах показал, что этот вид энергоносителя может быть рекомендован к применению только на судах служебно-вспомогательного флота.

1.1.2 Метансодержащие газы угольных пластов и подземной гид­росферы

Практическое применение нашел шахтный метан, добываемый из угольных пород. В последнее время его вполне определенно относят к числу альтернативных видов автомобильных топлив. Его количество сопоставимо с ресурсами ка­менного угля (104 млрд т).

Хотя в мире добывают немного шахтного метана, но он уже получил применение. К 1990 году в США, Италии, Германии и Великобритании на шахтном метане работали свыше 90 тыс. автомобилей. В Великобритании, например, он широко используется в качестве моторного топлива для рей­совых автобусов в угольных регионах страны. Содержание метана в шахт­ном газе колеблется от 1 до 98%. Как моторное топливо наибольший инте­рес представляет собой газ, извлекаемый из угольных пластов, вне зон влияния горных работ, по технологиям углегазового промысла. Сущность такого промысла заключается в извлечении газа скважинами, пробурен­ными с поверхности, с применением методов стимулирования газоотдачи, при этом шахтный газ имеет в своем составе 95-98% метана, 3-5% азота и 1-3% диоксида углерода.

В России шахтный метан как вид энергетиче­ского топлива и химического сырья, привлекает внимание с позиций по­тенциальных запасов, которые определены к настоящему времени.

Следует отметить, что содержание горючих газов в угольных пла­стах зависит от глубины отработки запасов и возрастает по мере ее увели­чения. Это приводит к росту интенсивности и объемов выделения газов в горные выработки.

В настоящее время в России шахтный метан, со­держащийся в угольных пластах и окружающих их породах, извлекается на поверхность вакуумнасосными станциями через специально пробурен­ные скважины, а из шахтного пространства выбрасывается в атмосферу через вентиляционную систему.

Во всех случаях использование метановоздушной смеси в качестве энергетического топлива определяется ее составом, т.е. соотношением в ней метана как такового и воздуха. Процентное соотношение этих компо­нентов предопределяет энергетическую ценность метановоздушной смеси и возможность ее использования, особенно в части взрывоопасности при сжигании.

Практика подтвердила, что метановоздушная смесь с содержанием метана в пределах от 2,5 до 30% по существующей классификации отно­сится к некондиционной и является взрывоопасной при сжигании, а смеси, содержащие чистого метана менее 2,5 и свыше 30%, являются безопасны­ми при сжигании в энергетических установках. Обе смеси безусловно яв­ляются потенциальными источниками энергетического топлива.

Техническое использование некондиционной метановоздушной сме­си заключается в доведении содержания чистого метана до кондиционных уровней (свыше 30% и менее 2,5%). Это может быть осуществлено, во-первых, за счет улучшения систем дегазации, позволяю­щих поддерживать содержание метана в смеси свыше 30%. Но реализация этого пути, судя по доле некондиционного шахтного метана в общей структуре выхода метана, имеет определенные трудности. Второй путь -повышение концентрации метана за счет добавления в смесь природного газа. Третье направление - снижение концентрации метана до нижнего предела взрывоопасности за счет разбавления смеси воздухом -является наиболее простым для практического осуществления.

В настоящее время в России наилучшие успехи в дегазации и ис­пользовании шахтного метана достигнуты в Воркутинском бассейне, где он применяется в котельных, огненных калориферах и сушилках. Современные технологии позволяют эффективно из­влекать метан при неглубоком залегании угольных пластов большой мощ­ности и высокой газонасыщенности, там, где возможно применение мето­дов интенсификации притоков газа к забою. Только немногие углегазонос-ные регионы мира отвечают этим условиям, поэтому, несмотря на высокие ресурсы метана угольных пластов, реальная добыча газа в ближайшие го­ды вряд ли превысит 5-10% общей газодобычи.

Водорастворенные а диспергированные газы подземной гидро­сферы (до глубин 4500 м) распространены почти повсеместно в земной коре. Общие ресурсы газа в подземных водах до глубин 4500 м, по оцен­кам ВНИГРИ, достигают 10000 трлн м\ а до глубин, в среднем, не превы­шающих 10 км,

Подземная гидро­сфера Земли в силу высокой растворимости в ней углеводородных и дру­гих газовых компонентов в геологическом времени пребывает в состоянии перманентного, местами прогрессирующего газонасыщения преимущест­венно углеводородами, следствием которого неизбежно является образо­вание зон предельного газонасыщения. Изучение таких зон, достоверно Установленных в настоящее время в пределах молодых платформ, а также существовавших на древних этапах развития ряда регионов, позволяет раскрыть характер геохимических связей между залежами углеводородов и газонасыщенными подземными водами.

тогом научных изысканий в области нефтегазовой гидрогеологии является установление общей закономерности, согласно которой промышленные залежи газа, а возможно и нефти, " являются следствием глобального процесса газонасыщения подземной гидросферы.

Приведенная схемагическсая модель достаточно близко соответствует природным условиям следующих конкретных газоносных провинций и га­зоносных районов.

Биогаз

О газообразных топливах из местных ресурсов раньше в России ни­кто серьезно не задумывался. Страна, обладающая крупными запасами нефти и газа, могла себе это позволить. В странах же, не имеющих естест­венных природных богатств, уже с середины 1980-х были поставлены на учет и запущены в производство все потенциальные местные источники альтернативных моторных топлив. К числу их относятся прежде всего раз­личные виды биомасс растительного и животного происхождения.

Биогаз - это смесь метана и углекислого газа, образующаяся при ме­тановом сбраживании различных биомасс. Метановое брожение - резуль­тат природного биоценоза анаэробных бактерий - протекает при темпе­ратурах от 10 до 55 °С в трех диапазонах: 10...25 °С - психрофильное; 25 .40 °С - мезофильное; 52...55 °С - термофильное. Влажность системы составляет от 8 до 99 %, оптимальное значение - 92 - 93 %. Содержание метана в биогазе варьируется в зависимости от химического состава сырья и может составлять 50-90 %.

Биогаз, с точки зрения промышленного производства и применения в двигателях транспортных средств, представляет серьезный практический интерес для России. В нашей стране ежегодно накапливается до 300 млн. т (по сухому веществу) органических отходов: 250 млн т в сельскохозяйст­венном производстве, 50 млн т в виде ТБО. Эти отходы являются прекрас­ным сырьем для производства биогаза. Потенциальный объем ежегодно получаемого биогаза может составить 90 млрд м 3 , то есть 40 млн т нефтя­ного эквивалента на сумму 20 млрд евро. Общая потенциальная стоимость вырабатываемого объема биотоилив (сингаз и биогаз) может составить 35 млрд евро в год.

Сбраживание отходов лучше всего проводить в метантенках - метал­лических или железобетонных резервуарах с подогревом и перемешивани­ем.

Для производства биогаза из твердых бытовых отходов (ТБО) их сначала измельчают, а затем в метантенке перемешивают с канализацион­ным осадком из отстойников очистных сооружений. В своем составе газы имеют до 50 % метана, 25 % двуокиси углерода, до 2 % водорода и азота. Эта технология достаточно широко ис­пользуется за рубежом - в США, Германии, Японии, Швеции.

Биогаз является одним из наиболее перспективных видов моторных топлив, производимых из местного сырья, с точки зрения промышленного производства и применения в двигателях транспортных средств. За корот­кий срок во многих странах мира была создана целая индустрия по произ­водству биогаза.

Значительная часть производимого биогаза идет на получение электроэнергии.

Среди промышленно развитых стран ведущее место -в произ­водстве и использовании биогаза принадлежит Дании

Как показывает практика, выход кана­лизационных газов со станции переработки, питаемой канализационной сетью, обслуживающей населенный пункт с численностью жителей 100 тыс. человек, достигает в сутки более 2500 м 3 , что эквивалентно 2000 л" бензина.

К производству биогаза относится также получение лендфиллгаза, или биогаза из мусора со свалок. В настоящее время во многих странах создаются специальные обустроенные хранилища для твердых бытовых отходов с целью извлечения из них биогаза для производства электриче­ской и тепловой энергии. Значительные объемы сырья для брожения имеются в сельском хо­зяйстве.

Биогазовые технологии эффективны в любом климатическом регио­не огромной России. Таким способом уже производятся газообразное топ­ливо и высокоэффективные органические удобрения, так необходимые со­временному российскому сельскому хозяйству

Однако создание двигателей автотранспортных средств, работающих на газе с низкой теплотой сгорания, как у биогаза, представляет опреде­ленные трудности. Поэтому целесообразнее использовать не биогаз, а по­лучаемый из него биометан. Для этого из биогаза удаляют С0 2 и другие примеси. Получаемый газ (биометан), содержит 90-97 % CH4 и имеет теп­лоту сгорания 35-40 МДж/м 3 . Очистка биогаза от двуокиси углерода может производиться различными способами. Наиболее распространенные: про­мывка газов жидкими поглотителями (например, водой), вымораживание, адсорбция при низких температурах.

Биометан, как и другие газовые топлива, имеет низкую объемную концентрацию энергии.

Сжиженные газы

Похожая информация.

Одна из многочисленных причин медлительности в газификации транспорта в том, что номенклатура газомоторного топлива довольно-таки обширна:

• сжиженный нефтяной газ (СНГ);
• компримированный (сжатый) природный газ (КПГ);
• сжиженный природный газ (СПГ).

Главные преимущества газомоторного топлива в его цене, цене и еще раз цене. Пока эти преимущества перевешивают многочисленные и разносторонние недостатки.

Сжиженный нефтяной газ (СНГ)

Этот газ представляет собой смесь пропана С3Н8 и бутана С4Н10, извлекаемую их попутных нефтяных газов, из конденсатных фракций природного газа, из газов процессов стабилизации нефти и конденсата, из нефтезаводских газов, получаемых с установок переработки нефти. Помимо пропана и бутана нефтяной газ содержит по массе порядка 6% других углеводородов – этана, этилена, пропилена, бутилена и их изомеров, то есть состав СНГ неоднороден и непостоянен. Для контроля утечек в состав СНГ вводят зловонные вещества – меркаптаны. Меркаптаны легко идентифицировать носом, когда на улице мимо вас проезжает газобаллонная «ГАЗель».

Главное преимущество пропана и бутана в высокой критической температуре. Критической называют температуру, при которой плотность жидкости и ее насыщенного пара становятся равными и граница раздела между ними исчезает.

У пропана критическая температура 96,8 °C, у бутана 152,0 °C, что позволяет легко сжижать эти газы и хранить в жидком состоянии при относительно невысоком давлении до 1,6 МПа. Это также означает, что сосуд для хранения СНГ будет сравнительно легким, а храниться в сжиженном состоянии газ может сколь угодно долго при условии полной герметизации сосуда. Вместе с тем баллон для СНГ – это сосуд под давлением, и ему невозможно придать любую форму, как, например, бензобаку. Это обстоятельство порождает проблемы с размещением газового баллона на машине.

Для заправки автотранспорта используют две марки СНГ: летнюю и зимнюю. Летняя марка, или пропан-бутан автомобильный (ПБА), содержит 50±10% пропана по массе. Зимняя, или пропан автомобильный (ПА), содержит 85±10% пропана по массе. Таким образом, регулируя содержание легкого пропана, обеспечивают круглогодичную эксплуатацию газобаллонных автомобилей.

Применение СНГ огра­ничено бензиновыми двигателями, то есть двигателями с низкой степенью сжатия и исковым зажиганием. Это легковые автомобили, мало- и среднетоннажные грузовики и энергетические установки. Расход СНГ на 10–15% выше, чем бензина, из-за меньшей объемной теплотворности: 1 л бензина будет эквивалентен 1,1–1,15 м 3 СНГ, а в реальных условиях из-за падения мощности двигателя – 1,15–1,3 м 3 СНГ. При низкой температуре двигатель пускают на бензине, после прогрева водитель может переключиться на газ прямо из кабины. Переходить с одного вида топлива на другой можно на ходу.

Пропан-бутан тяжелее воздуха в 1,5–2 раза и при утечке скапливается у земли, создавая взрывоопасную и вредную для здоровья атмосферу. Поэтому газобаллонные автомобили хранят на открытых стоянках, а ремонтные зоны оснащают хорошей вентиляцией. Длительное вдыхание пропан-бутана не только малоприятно по причине меркаптанов, но и ведет к плохому самочувствию, вплоть до отравления.

Октановое число СНГ около 105, и, как утверждают, ни в одном режиме работы двигателя не возникает детонация. Это утверждение не должно служить поводом для самоуспокоения, при определенной пытливости ума детонации можно добиться.

С учетом затрат на оборудование газовой аппаратурой, ее массы и меньшего запаса хода на одной заправке перевод автомобиля на СНГ остается выгодным благодаря цене. Локомотивом продвижения СНГ в массы были и остаются легковые автомобили и малотоннажные грузовички. Сжиженные нефтяные газы вырабатывают те же компании как побочный продукт производства жидкого топлива, что сказывается на количестве газовых заправок – компании заинтересованы в сбыте собственного продукта.

Что касается дизельных двигателей, то здесь пропан-бутан не имеет перспектив из-за нестабильности горения при высокой степени сжатия. Это основная причина, почему СНГ не прижились на дизелях. Но потенциал СНГ полностью еще не раскрыт.

Общая справка о метане

Под природными газами понимается метан СН4 – простейший углеводород без цвета и запаха. Метан – третий по распространенности газ во вселенной после водорода и гелия. О происхождении залежей природного газа в земной коре нет окончательного мнения, как и о происхождении нефти.

Природный газ содержит от 70 до 98% метана, остальное приходится на более тяжелые углеводороды: этан, пропан и бутан, а также неуглеводороды: воду, сероводород, углекислый газ, азот, гелий и другие инертные газы. Перед подачей в газотранспортную систему (ГТС) природный газ необходимо очистить и осушить, избавившись от воды, сероводорода, отделить тяжелые углеводороды и другие примеси. В магистрали пары воды могут конденсироваться или образовывать с газом кристаллические соединения – гидраты – и скапливаться на изгибах трубопровода, затрудняя продвижение газа. Сероводород вызывает сильную коррозию газового оборудования. В зависимости от состава природного газа применяют различные технологии осушки и разделения газов. Таким образом, остается чистый метан с незначительными примесями. Через ГТС метан поступает потребителям. Если ваше жилище подключено к газораспределительной системе, то на кухне в конфорке у вас горит именно метан. Этим же метаном после сжатия или сжижения заправляют газобаллонную технику.

Метан – газ без запаха, характерный аромат («При запахе газа звонить 09») ему придают меркаптаны, которые впрыскивают в газ перед закачкой в ГТС (16 г на 1000 м 3). Этот метод придумали для обнаружения утечек из ГТС, протяженность которой насчитывает тысячи километров. При утечке меркаптановая отдушка привлекает ворон, скопища которых легко обнаружить во время облета трубопровода на вертолете.

Метан в 1,6 раза легче воздуха и при утечке моментально улетучивается. Метан взрывоопасен при концентрации в воздухе от 4,4 до 17%. Самая взрывоопасная концентрация – 9,5%. Определить наличие в воздухе метана легко по меркаптановым ароматам. В местах природного образования метана, где невозможно его определить по запаху, например в шахтах, используют газоанализаторы. Первыми шахтными газоанализаторами были канарейки. Газобаллонную технику хранят на открытых стоянках, а закрытые ремонтные зоны оснащают принудительной вытяжной вентиляцией. На магистральном газе без какой-либо подготовки работают энергетические установки различной мощности, подключенные непосредственно к трубе.

Компримированные природные газы (КПГ)

Критическая температура метана составляет –82,3 °С, и его сжижение весьма затратно, поэтому метан как газомоторное топливо используется в основном в компримированном (сжатом) виде, при этом газ сокращается в объеме в 200–250 раз. К автомобильной газонаполнительной компрессорной станции (АГНКС) подводят газопровод и компримируют газ на месте. Сжимают, точнее, дожимают магистральный газ компрессором до 20 МПа и осушивают. На станции КПГ хранят в небольшом сосуде высокого давления, из которого газ закачивают в баллоны автомобиля. Что касается перевозки готовых КПГ, то для этого служат специальные газовозы, представляющие собой батарею баллонов, небольших по объ-ему в сравнении с цистерной для сжиженных газов, то есть перевозка готовых КПГ – занятие дорогое и специфичное. Подвод магистрального газа к заправочной станции необходим, что несколько затрудняет расширение сети газовых заправок. Сегодня в 58 регионах РФ действует 246 автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС), заправляющих транспорт КПГ. Безусловным лидером национального газомоторного рынка является «Газпром» – в его собственности находится 210 АГНКС. Более 10 лет «Газпром» занимается популяризацией в России газомоторного топлива – АГНКС есть в 70% регионов, а не во всех, 246 АГНКС – это 1% на фоне всех АЗС на территории РФ, а безусловный лидер вводил в эксплуатацию по 2,1 АГНКС в год.

Высокое давление КПГ требует очень прочных, толстостенных, тяжелых баллонов. Но это еще не всё. На КПГ можно проехать в 3,5 раза меньшее расстояние, чем на СНГ при равных объемах газовых баллонов. Либо обвешиваться баллонами, либо часто заправляться – в этом основной недостаток КПГ, определяющий сферу его применения: вблизи заправки, а также типы двигателей, на них работающих.

Ввиду того, что нужно значительное пространство дляразмещения баллонов для КПГ, этот вид топлива представляет интерес для средне- и крупнотоннажных автомобилей и тракторной техники. Наибольший интерес сегодня представляют двухтопливные двигатели – газодизели, работающие на дизельном топливе и КПГ, именно из-за скудной инфраструктуры КПГ, чтобы было на чем доехать до заправки. Под второй вид топлива дизельный двигатель переделывается сравнительно просто и быстро, впрыск дизельного топлива в камеру сгорания служит для воспламенения горючей смеси. Производители газовой аппаратуры достигли соотношения расхода дизельного топлива и метана 20:80 на магистральных тягачах с топливной системой Common Rail и 30:70 на тракторной технике с ТНВД. Перевод машины на КПГ в 3–4 раза дороже, чем аналогичная операция с СНГ, тем не менее затраты окупаются примерно в течение года благодаря разнице в цене на газ и дизельное топливо.

Машиностроение предлагает и однотопливные двигатели на КПГ с пониженной степенью сжатия и искровым зажиганием. Надо понимать, что такие машины буквально цепью прикованы к заправке.

КПГ – отличное топливо для дизельного двигателя. Метан не образует отложений в топливной системе, не смывает масляную пленку со стенок цилиндров, тем самым снижая трение и уменьшая износ двигателя. Метан сгорает полностью, не образуя твердых частиц и золы, вызывающих повышенный износ цилиндро-поршневой группы. Таким образом, использование природного газа в качестве моторного топлива позволяет увеличить срок службы двигателя в 1,5–2 раза. Метан экологичен: он дает очень чистый выхлоп. А главное, КПГ стоит втрое дешевле бензина и дизельного топлива, хотя на самом деле должен стоить еще меньше.

Сжиженный природный газ (СПГ)

При сжижении метан уменьшается в объеме в 600 раз – в этом главное преимущество сжижения, что определяет сферу его применения: автобусы, магистральные тягачи, карьерные самосвалы, то есть там, где топливные емкости должны занимать место по минимуму, а вмещать по максимуму. Один и тот же объем вмещает СПГ в три раза больше, чем КПГ.

Сжижение проходит при температуре –161,5 °С. Процесс энергозатратный и требует криогенного оборудования. Сжиженный метан хранится при температуре внутри термоизолированного сосуда от –160 до –196 °С. Необходима очень качественная термоизоляция. И точно так же, как с КПГ, пере­оборудуют дизельные двигатели в двутопливные. Автомобильное оборудование для СПГ отличается баллоном-термосом и испарителем, остальные узлы такие же.

Сжиженный метан распространен еще менее, чем сжатый. Некоторые автобусные парки строили у себя газовые заправки. Эти опыты до сих пор носят более экспериментальный характер.

Заключение

Когда возникают дискуссии о газомоторном топливе и его медленном распространении, всегда поднимается вопрос о том, что первично: парк газобаллонных автомобилей или сеть газовых заправок. Абсолютно понятно, что первична заправочная сеть. Отсюда вытекает извечный вопрос: кто виноват? Собственники заправочных сетей. Собственникам не интересно то, что интересно стране, ибо не видят они в том прибыли. Собственники и далее будут продолжать саботаж газификации транспорта.

Что делать? Единственным действенным средством борьбы с естественными монополиями и стимулирования экономики в целом остается национализация в первую очередь ПАО «Газпром», всех его дочерних предприятий и всех газораспределительных сетей. Негоже предприятиям, решающим экономические и социальные задачи в масштабах Российской Федерации, субъектов и частей субъектов Федерации, служить для удовлетворения амбиций узкого круга физических лиц. Регулирование тарифов на данном направлении не более чем паллиатив.

Газ, который добывается из недр земли или является продуктом переработки других углеводородов, может впоследствии использоваться в сжиженном или сжатом виде. В чем заключаются особенности обоих вариантов применения соответствующего топлива?

Что представляет собой сжиженный газ?

Под сжиженным принято понимать природный газ, который из исходного, собственно газообразного состояния переведен в жидкое - посредством охлаждения до очень низкой температуры, порядка минус 163 градусов Цельсия. Объем топлива при этом уменьшается примерно в 600 раз.

Перевозка сжиженного газа требует использования специальных криогенных цистерн, которые способны поддерживать необходимую температуру соответствующего вещества. Преимущество рассматриваемого вида топлива заключается в возможности доставить его в те места, куда проблематично провести обычные газовые трубопроводные магистрали.

Преобразование сжиженного газа в исходное состояние также требует специальной инфраструктуры - регазификационных терминалов. Цикл обработки рассматриваемого вида топлива - добыча, сжижение, транспортировка и регазификация - существенно повышает конечную стоимость газа для потребителя.

Используется топливо, о котором идет речь, обычно в тех же целях, что и природный газ в исходном состоянии, - для обогрева помещений, обеспечения функционирования промышленного оборудования, электростанций, как сырье в некоторых сегментах химической промышленности.

Что представляет собой сжатый природный газ?

Под сжатым , или компримированным , принято понимать природный газ, который, как и сжиженный, также представлен в жидком состоянии, достигаемом, однако, не за счет уменьшения температуры топлива, а за счет увеличения давления в емкости, в которой оно размещено. Объем сжатого газа примерно в 200 раз меньше, чем у топлива в исходном состоянии.

Преобразование природного газа в жидкость с помощью высокого давления - процесс в основном более дешевый, чем сжижение топлива посредством снижения его температуры. Транспортировка рассматриваемого вида газа осуществляется в емкостях, как правило, менее технологически сложных, чем криоцистерны. Регазификация соответствующего вида топлива не требуется: поскольку оно находится под высоким давлением, его легко извлекать из емкостей - достаточно открытия имеющихся на них вентилей. Поэтому стоимость сжатого газа для потребителя в большинстве случаев ниже, чем та, что характеризует сжиженное топливо.

Компримированный газ чаще всего используется в виде топлива на различных транспортных средствах - автомобилях, локомотивах, судах, в газотурбинных двигателях самолетов.

Сравнение

Главное отличие сжиженного газа от сжатого в том, что топливо первого типа получается посредством снижения температуры исходного газообразного вещества, что сопровождается преобразованием его в жидкость. Сжатый газ - это также жидкое топливо, но получается оно посредством его размещения в емкости под большим давлением. В первом случае исходный объем газа превышает обработанный (переведенный в жидкость) примерно в 600 раз, во втором - в 200 раз.

Стоит отметить, что сжиженный газ чаще всего получается путем обработки «классического» природного газа, представленного преимущественно метаном. Компримированное топливо изготавливается также из многих других видов газов, имеющих природное происхождение, - например, пропана или бутана.

Определив, в чем разница между сжиженным и сжатым газом, отразим выводы в таблице.

Таблица

Сжиженный газ	Сжатый газ
Что общего между ними?
Для получения обоих типов топлива используется одно и то же сырье - природный газ (для изготовления сжиженного газа чаще всего применяется метан, для выпуска сжатого - также пропан, бутан и другие газы)
В чем разница между ними?
Получается посредством снижения температуры исходного топлива - природного газа	Получается посредством повышения давления в емкости, в которой размещен исходный природный газ
Для хранения и перемещения требует использования высокотехнологичных криоцистерн	Для хранения и перемещения требует использования относительно менее технологичных герметичных емкостей
Объем исходного топлива примерно в 600 раз больше, чем преобразованного в сжиженный газ	Объем исходного топлива примерно в 200 раз больше, чем преобразованного в сжатый газ
Применяется, как правило, в тех же целях, что и обычный природный газ - для обогрева помещений, обеспечения работы промышленного оборудования, электростанций	Применяется, как правило, как топливо для транспортных средств

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

На диаграммеТ –S (рис. 4.1) линияАKВ представляет собой пограничную кривую, которая делит диаграмму на отдельные области, соответствующие определенным фазовым состояниям вещества. Область, расположенная слева от пограничной кривой, представляет собой жидкую фазу, справа – область сухого пара (газа). В области, ограниченной кривойАВK и осью абсцисс, одновременно сосуществуют две фазы – жидкость и пар. ЛинияАK соответствует полной конденсации пара, здесь степень сухостиx = 0. ЛинияKВ соответствует полному испарению,x = 1. Максимум кривой соответствует критической точкеK , в которой возможны все три состояния вещества. Помимо пограничной кривой на диаграмму нанесены линии постоянных температур (изотермы,Т = const) и энтропии (S = const), направленные параллельно осям координат, изобары (p = const), линии постоянных энтальпий (i = const). Изобары в области влажного пара направлены так же, как и изотермы; в области перегретого пара они меняют направление круто вверх. В области жидкой фазы изобары почти сливаются с пограничной кривой, так как жидкости практически несжимаемы.

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).

Рисунок 4.2 – Процесс изотермического сжатия газа на диаграмме	Рисунок 4.3 – Процесс изотермического сжатия газа на диаграмме Т–S

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

Поскольку в выражение для определения работы, затрачиваемой в изотермическом процессе сжатия, входят только объем и давление, то в пределах приложимости уравнения (4.4) безразлично, какой газ будет сжиматься. Иначе говоря, на изотермическое сжатие 1 м 3 любого газа при одних и тех же начальных и конечных давлениях расходуется одно и то же количество механической энергии.

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.

Многие автомобилисты, глядя на растущие с каждым днем цены не бензин, невольно задумываются о переводе своей машины на газовое топливо. Преимущества такого решения, на первый взгляд, очевидны – газ дешевле, да и расходуется он якобы меньше бензина. Между тем, в переходе на газ, при всех его выгодах, есть свои подводные камни, с которыми мы попробуем разобраться в данной статье.

Говоря о подводных камнях перехода на газ, в первую очередь, следует избавиться от распространенных мифах. В частности. Наиболее распространенная среди автомобилистов «страшилка», согласно которой использование газа уменьшает моторесурс, что, в свою очередь, приводит к прогоранию клапанов, по факту имеет мало общего с реальностью. Из опыта многих автолюбителей можно с уверенностью утверждать, что при правильной эксплуатации газового оборудования подобное случается крайне редко.

Также не стоит забывать про само оборудование – на нем лучше не экономить и покупать у проверенных поставщиков, как, например, http://milano-ua.com/ . Данный Интернет-магазин уже на протяжении многих лет занимается продажей всех видов оборудования для установки ГБО, при этом работает только с давно зарекомендовавшими себя производителями. Никаких китайских no name в данном случае быть не может – ведь речь идет о безопасности и сохранности вашего транспортного средства.

Выбирая газовое оборудование для автомобиля, важно понимать принципиальные различия двух его типов – LPG (работает на сжиженном пропан-бутане) и CNG (использует метан). Стоит отметить, что в странах ЕС, которые для многих сегодня служат эталоном передовых технологий, правительства всячески поощряет переход с бензиново-дизельных установок на CNG , использующих метан. В частности, в Германии автомобилисты за 1 Квт энергии, полученный от бензинового или дизельного топлива платят по 0,073 евро, тогда как в случае с CNG – всего 0,015 евро.

Кроме того, в странах ЕС отсутствуют какие-либо ограничения на возраст автомобиля на CNG, тогда как для бензиновых авто он строго регламентирован. В Украине пока что подобные меры поощрения только разрабатываются, однако, если учесть, что наша страна декларирует постепенно приближение к стандартам ЕС, рано или поздно нечто подобное появится и у нас.

На сегодняшний день стоимость сжатого метана в Украине составляет порядка 13 грн. Это около 30% экономии по сравнению с бензиновым двигателем. Правда, неразвитая пока что сеть метановых заправок зачастую уменьшает эту цифру до 20% из-за необходимости тратить дополнительные километры для поиска заправки. Также не стоит забывать, что первоначально ни о какой экономии и речи быть не может – для оборудования метановой установки вам придется потратить от 15 до 30 тыс. грн. Однако, эти вложения могут достаточно быстро окупиться в зависимости от частоты ваших поездок на автомобиле.

В разы дешевле обойдется установка LPG-оборудования – за него вам придется выложить чуть более 6000 грн. Правда, пропан-бутан не имеет никаких экологических бонусов, поскольку является продуктом нефтепереработки. Зато этим обусловлена его более низкая цена – добывать такое топливо куда проще и дешевле, нежели метан.

Подводя итоги, можем отметить следующее: на фоне дорожающих цен на бензин, на которые вряд ли повлияет дешевеющая нефть, учитывая высоки курс доллара и евро в Украине, установка газового оборудования является, безусловно, правильным решением.

А вот какой тип оборудования выбрать, LPG или CNG, решать уже вам. Первый, безусловно, более выгоден в краткосрочной перспективе. Обладая всеми преимуществами CNG, он обходится значительно дешевле, а обещанных бонусов за метановую установку от нашего правительства можно ждать годами. В долгосрочной перспективе, будущее все же за CNG. А с большим развитием метановых заправочных станций экономия от такой установки будет только расти.