Технико-экономическое обоснование строительства многотопливной автозаправочной станции «Газпромнефть»

Природный газ состоит из:

• метан (CH4);
• этан (C2H6);
• пропан (C3H8);
• бутан (C4H10);
• диоксид углерода (СО2);
• сероводород (H2S);
• азот (N2);
• гелий (Не);
• водород (Н2).

В зависимости от месторождения газа содержание метана в газе может быть в пределах 40- 98 %. Критическая температура газа составляет -82 °С. Поэтому при нормальных температурах даже при высоком давлении эти газы не могут быть сжижены: для этого необходимы низкие температуры. Октановое число метана 110.

В настоящее время КПГ является одним из альтернативных видов топлива. Он способен покрыть возможный дефицит жидкого моторного топлива в нашей стране. Применение его на автомобильном транспорте может обеспечить создание газобаллонных автомобилей, не только  с мощностью бензиновых, но и эффективным КПД до 38-40%. При этом использование газомоторного топлива способствует увеличению срока службы двигателя в 1,5 раза и увеличению срока замены масла в 2 раза.

Опыт эксплуатации современных автомобилей, работающих на КПГ газе, выявил ряд положительных факторов:

• срок службы двигателя увеличивается на 50-70 %;
• срок службы свечей - на 30-40 %;
• расход масла снижается благодаря увеличению периодичности его замены в 2-3 раза;
• на 30-75% уменьшается количество токсичных компонентов в отработанных газах.

Помимо положительных качеств использования КПГ в качестве моторного топлива, существуют некоторые эксплуатационные показатели, которые ухудшаются:

• снижение мощности двигателя на 18-20%;
• возрастает время разгона на 24-30%;
• уменьшается максимальный преодолеваемый угол подъема;
• снижается полезная нагрузка автомобиля на 14-20 %, из-за большой массы металлических баллонов, требуемых для хранения сжатого под высоким давлением газа;
• снижается запас хода на 30-40 %, возможная дальность поездки на одной заправке газа составляет 200-250 км;
• увеличивается трудоемкость технического обслуживания и ремонта газового автомобиля на 7-8 %, из-за необходимости сохранения дополнительной топливной системы.

На борту автомобиля КПГ хранится в 4-8 баллонах, в зависит и от типа двигателя. Баллоны вмещают в себя по 50литров топлива вместимостью и находятся под давлением 19,6 МПа.

Принципиальная схема системы подачи сжатого газа приведена на рисунке 10.

Рис.10 Принципиальная схема системы подачи сжатого газа

1 - баллоны с газом под высоким давлением; 2 - наполнительный вентиль; 3 - подогреватель газа; 4- выпускной трубопровод (глушитель);       5- манометры; 6 - магистральный вентиль; 7 - фильтр; 8 - редуктор;           9 - дозатор; 10 - карбюратор-смеситель.

Объективный анализ показывает, что по экологическим, ресурсным, экономическим и техническим критериям природный газ еще долго будет оставаться наилучшим моторным топливом. Благодаря природной простоте и совершенству, метан, являющийся основой природного газа, обладает рядом бесспорных преимуществ. Достаточно посмотреть на его химическую формулу: СН4 - на один атом углерода приходится четыре атома водорода. Это, кстати, объясняет также и то, почему природный газ является наиболее дешевым сырьем для получения водорода.

Как уже упоминалось ранее, самым важным преимуществом природного газа является его высокая экологичность. Метан имеет максимальное соотношение углерода и водорода (1/4) среди всех существующих на сегодняшний день видов моторного топлива. И именно за счет этого в продуктах его сгорания присутствует гораздо меньше двуокиси углерода, чем в других видах топлива. Бездетонационная работа двигателя и высококачественное протекание процесса сгорания, обеспечиваются за счет устойчивости и простоты строения молекул метана.

Еще одно  из преимуществ, использования газа в качестве топлива, заключается в его ресурсной безопасности, так как мировые запасы нефти существенно уступают запасам газа.

Несмотря на вышеизложенные преимущества газомоторного топлива, существует и рад опасных моментов. Любое техническое устройство, при  несоблюдении правил в момент его обслуживания и эксплуатации, представляет  опасность. Газомоторные двигатели  не являются исключением. Поэтому,  для предотвращения опасных ситуаций, необходимо учитывать такие физико-химические свойства газового топлива как концентрационные пределы самовоспламенения и температура.

Для воспламенения или взрыва газового баллона необходимо смешение газа с воздухом. Газовый баллон устроен таким образом, что нахождение газа в баллоне под давлением исключает любую возможность проникновения туда воздуха. В отличие от дизельного топлива и бензина, где всегда присутствует смесь их паров с воздухом. Также следует отметить, что о большей безопасности газовых видов топлива свидетельствуют его высокие нижние температурные и концентрационные пределы воспламенения.

Газ при утечке стремится вверх и достаточно быстро растворяется в атмосфере. Достигается такой эффект за счет того, что природный газ почти в 2 раза легче воздуха. Именно поэтому в большинстве стран  мира разрешено строительство АГНКС непосредственно вблизи жилой и общественной застройки.

Существуют некоторые статистические данные, составленные Американскими учеными. Эти данные были рассчитаны исходя из вероятности возгорания автобусов, работающих на КПГ. Автобусы заправлялись в закрытом помещении. На основании этого были представлены следующие выводы. Если 14000 американских пассажирских автобусов будут работать на КПГ, и каждый из них будет заправляться газом примерно  300 раз в год, то вероятность возгорания составит один раз в период 35 - 75 лет.

Если говорить о безопасности газобаллонных автомобилей, нельзя не затронуть проблему самих газовых баллонов. Одной из основных причин боязни автолюбителей использовать газовое топливо является то, что газ якобы значительно опаснее дизельного топлива и бензина. Обосновывают автолюбители это тем, что газ хранится в автомобильном баллоне под высоким давлением. На самом деле, все это предрассудки, так как автомобильные газовые баллоны сами по себе не представляют опасности. Перед использованием баллоны проходят целую серию испытаний. Их проверяют  на устойчивость при падении с высоты. Стреляют в них  из огнестрельного оружия. Подвергают воздействию экстремальных температур, контакту с открытым пламенем и кислотой. Газовые баллоны имеют многократный запас прочности и удовлетворят всем требованиям техники безопасности. Обычно, газовые баллоны устанавливают в менее уязвимых и реже повреждаемых местах автомобиля. Немецкая компания BMW провела анализ и на основе фактических данных выявила вероятность разрушения и поражения корпуса автомобиля. В результате анализа было установлено, что вероятность повреждения корпуса в зоне расположения газового баллона составляет всего 1-5 %.

Вероятность повреждения корпуса автомобиля представлена на рисунке 11.

Рис.11 Вероятность повреждения корпуса автомобиля

Также хочется обратить внимание еще на одни статистические данные, накопленные Американской газовой компанией. Компания, в течение 10 лет эксплуатировала 2400 автомобилей, которые работали на КПГ. Общий суммарный пробег этих автомобилей составил 280 млн. км. За это время с этими автомобилями произошло 1 360 аварийных ситуаций (столкновений) и лишь в 180 случаях удар приходился в зону расположения газовых баллонов. Во всех этих случаях не было зафиксировано ни одного повреждения баллона.  Нельзя с уверенностью утверждать, что на автомобилях с газовыми баллонами не было взрывов и пожаров. Однако это происходит крайне редко, и в большинстве случаев вызвано нарушениями правил эксплуатации. Также, были зафиксированы попытки заправить баллон для сжиженного нефтяного газа, рассчитанного на давление 16 атм., природным газом, подаваемым под давлением 200 атм., в результате чего происходило разрушение баллона.

В России с особым вниманием относятся к выполнению правил противопожарной безопасности. Российскими правилами пожарной безопасности предусмотрено, что каждый газовый баллон, установленный в автомобиле, должен быть снабжен вентилем и предохранительным устройством. За счет этого достигается безаварийная эксплуатация и безопасное хранение газобаллонной техники.

Вернемся к преимуществам и отметим то факт, что стоимость КПГ при его использовании значительно ниже стоимости любого другого вида топлива, реализуемого на автозаправочных станциях. Следовательно, автомобилисты, использующие КПГ, находятся в более выгодной экономической ситуации.

Компримированный природный газ получают естественным способом, не используя сложных технологических процессов переработки. Ведь, только автомобильная газонаполнительная компрессорная станция может быть не только  точкой  реализации КПГ, но и заводом по его производству. За счет этого компримированный природный газ во всем мире является менее дорогостоящим топливом. Ведь остальные альтернативные виды углеводородного моторного топлива получают в процессе долгой переработки нефти, газа или биологической массы. Все они, без исключения, требуют значительных эксплуатационных затрат. Соответственно и цена реализации такого топлива увеличивается в разы.

2.3 Сравнительные характеристики  компримированного    природного газа и сжиженного углеводородного газа

Как уже упоминалось ранее, газ как моторное топливо представлен двумя основными разновидностями - компримированный природный газ (КПГ), который поступает на АГНКС  по газопроводам, и сжиженный углеводородный газ (СУГ). Первый является метаном, а второй - смесью пропана и бутана, продуктом переработки попутного нефтяного газа (ПНГ). Исторически первым распространение получил пропан-бутан. Его преимущество в том, что он легко сжижается при обычной температуре при давлении всего 10–15 атмосфер. При этом для его перевозки достаточно стального баллона с толщиной стенок всего 4–5 мм. С метаном сложнее. Сжижать его можно только при низких температурах, порядка минус 160 °С. Соответствующие технологии сжижения и «разжижения» недешевы. Метан можно также сжимать. Однако чтобы количество сжатого газа по объему было хотя бы примерно сопоставимо со сжиженной пропан-бутановой смесью, сжаться он должен до 200-250 атмосфер. Поэтому для перевозки компримированного метана нужны гораздо более прочные и тяжелые баллоны. У метановых установок более высокие требования и к безопасности. Поэтому чаще всего на легковые автомобили ставят пропановое оборудование.

Так как КПГ в основном состоит из метана, то его массовая теплота сгорания составляет 49,4 МДж/кг, что на 9% выше, чем у бензина, и на 11% выше, чем у авиакеросина. У потребителя, если он переходит с традиционного горючего на СУГ, расходы на горючесмазочные материалы сокращаются на 20-25 %. В свою очередь у компримированного природного газа по сравнению с углеводородным тоже есть преимущество. Энергоотдача СУГ примерно на 25 % меньше, чем у КПГ - 6175 ккал/м3 и 8280 ккал/м3 соответственно. Для потребителя это означает, что на одинаковое расстояние сжиженного углеводородного газа потребуется на 25-30 % больше, к тому же он немного уступает КПГ по экологическим параметрам. При этом стоимость газомоторного топлива не превышает 50% стоимости бензина.

Существенным фактором, стимулирующим государства мирового сообщества к развитию рынка ГМТ, являются экологические проблемы. Вклад автотранспорта в загрязнение воздуха крупных городов составляет от 50 до 90 % по всем видам загрязнений. Поэтому требования к снижению токсичности выпускных газов двигателей внутреннего сгорания транспортных средств постоянно возрастают. Между тем перевод автомобилей на газомоторное топливо сокращает выбросы диоксида углерода (основной парниковый газ) на 13%, оксидов азота - на 15-20 %, в    8-10 раз снижает дымность отработанных газов и полностью исключает выбросы соединений свинца. По данным Минэнерго России, если взять бензин качества Евро-4 за эталон, то окажется, что по выбросам оксидов азота КПГ выигрывает почти в три раза, по СН - в 14 раз, по бензапирену - более чем в 16 раз, по саже - в 3 раза (в сравнении с соляркой - в 100 раз). Следовательно, по уровню выбросов вредных веществ в атмосферу сжатый природный газ уступает только электроэнергии. Хотя СУГ немного и отстает по экологическим параметрам, зато он позволяет решить проблему утилизации попутного нефтяного газа, который пока сжигается в факелах, хотя еще в январе 2009 года было подписано постановление «О мерах по стимулированию сокращения загрязнения атмосферного воздуха продуктами сжигания попутного нефтяного газа на факельных установках».

По мнению экспертов, будущее именно за метаном: пропан-бутан, как и нефть, слишком ценное сырье, чтобы использовать его как автомобильное топливо. Хотя оно, конечно, намного удобнее, и пока парк, использующий его, больше: к началу 2011 года в мире количество газобаллонных автомобилей, работающих на СУГ, превысило 15 млн., а на КПГ - 12 млн.. Годовой оборот пропан-бутана составляет 34 млн. тонн условного топлива, а компримированного газа - примерно 23 млн. тонн.

Еще одним преимуществом, которое получает предприятие, эксплуатирующее машины на метане – это повышение уровня безопасности, поскольку по своим физико-химическим свойствам природный газ менее опасен, чем пропан.

Также благодаря использованию природного газа в качестве топлива увеличивается срок службы масла и самого двигателя внутреннего сгорания. При работе мотора на газовом топливе не происходит смывания масляной пленки со стенок блока цилиндров, кроме того, на головке блока цилиндров не образовываются отложения углерода, не закоксовываются поршневые кольца, из-за которых происходит изнашивание элементов двигателя внутреннего сгорания, а его межремонтный пробег увеличивается в полтора-два раза. Кроме того, улучшается работа системы зажигания - срок службы свечей возрастает на 40,5 %. Все это сокращает затраты на ремонт.