5.4. Газонаполнительные станции сжатого природного газа

Природный газ может использоваться как моторное топливо. Опыт его использования в автомобильном транспорте, авиации показал, что несмотря на более низкую теплотворную способность природного газа по сравнению с жидкими топливами мощность двигателя снижается незначительно (в пределах 5...7 %) за счет большей полноты сгорания природного газа. Следует отметить положительную сторону природного газа как моторного топлива - уменьшение загрязнения окружающей среды продуктами сгорания.

Создана широкая сеть автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) природного газа. Тип АГНКС и ее производительность зависят от условий и места ее размещения, от объема и стабильности потока машин в месте размещения станции, а также от моделей машин в обслуживаемых автохозяйствах. При размещении, определении типа и производительности станции важно обеспечить минимальные затраты как по времени на пробег автомобилям к месту заправки и простой его в ожидании заправки, так и на подводку к станции питающего газопровода и других внешних инженерных сетей и коммуникаций.

По месту расположения АГНКС размещают непосредственно в автотранспортных предприятиях, на кольцевых автомагистралях вблизи от города, в районах ПХГ, на КС магистральных газопроводов и газовых промыслов. Исходя из технико-экономического анализа сооружаются или выпускаются промышленностью станции следующих типов стационарные АГНКС производительностью 5...50тыс.м³/сут (основной тип), передвижные АГНКС производительностью 1000...4000м³ за рейс, гаражные АГНКС производительностью до 10 тыс. м³/сут.

Стационарные АГНКС оборудуются компрессорными установками производительностью 500...1000 м³/ч и обеспечивают заправку любого автомобиля не более чем за 10 мин. Гаражные АГНКС предназначены для медленной в течение нескольких часов (т.е. за время нахождения в гараже) заправки группы автомобилей (50...100 автомашин). Два компрессора АГНКС имеют часовую подачу 250 и 500 м³/ч. Суточная подача составляет 5000 и 10000 м³/сут. Передвижные АГНКС применяют для заправки автомобилей в полевых условиях и местах стоянки автомобилей на магистральных шоссе.

Параметры компримирования определяются условиями на всасывании и требуемым давлением нагнетания. Анализ давления в сетях газоснабжения и магистральных газопроводах показывает, что давление на всасывании колеблется от 0,4 до .5 МПа, а давление нагнетания должно составлять 24,7 МПа (максимальное давление в аккумуляторах - избыточное). Следовательно, степень сжатия компрессора должна регулироваться в пределах 5...64, что, конечно, в одной модификации машины неосуществимо. Для обеспечения всего диапазона давления всасывания необходимо создавать несколько модификаций компрессора со следующими условиями всасывания 0,4...0,6 МПа; 1...1,2 МПа; 2,5...3,5 МПа.

Природный газ, используемый как моторное топливо, должен быть тщательно очищен от механических примесей, осушен до такой степени, которая исключает замерзание топливных коммуникаций и выпадение гидратов в них. Поэтому в состав АГНКС входят фильтрующее и сепарационное оборудование, осушительные устройства и системе стабилизации давления (аккумуляторы). АГНКС оснащена устройствами замера поступающего и отпускаемого газа. Могут использовать схемы с двумя и более ступенями компримирования газа при заправке автомобильных баллонов.

Применение двухступенчатой заправки обеспечивает снижение энергозатрат на 10...20 %, а трехступенчатой - на 15...27 %. Это объясняется тем, что часть газа сжимается до более низкого давления, а при заполнении автомобильных баллонов этот газ меньше нагревается. Схема АГНКС с двухступенчатой заправкой изображена на рис. 5.2. Закачка газа осуществляется в два аккумулятора 8 и 9 от компрессора или группы компрессоров 4. В каждом аккумуляторе поддерживается свое давление, а баллоны автомобилей заправляются вначале из аккумулятора низкого давления, затем - высокого.

Рассмотрим особенности типовых АГНКС.

Стационарная АГНКС на 500 заправок в сутки

АГНКС комплектуются технологическим оборудованием двух видов: оборудованием для производства и хранения газомоторного топлива, размещенным в производственно-технологическом корпусе и вне его на площадке, а также оборудованием для раздачи газа, установленным на автозаправочной площадке.

Техническая характеристика стационарной АГНКС

Производительность (заправка 100 м³), заправок/сут ………… 500

Потребляемая мощность одним компрессором, кВт………… 125

Число компрессоров ……………………………………5 (1 резервный)

Число газозаправочных колонок ……………………………… 8

Объем аккумуляторов газа (два аккумулятора), м³…………… 18

Численность персонала (трехсменная работа) при различном

теплоснабжении:

автономном 20

централизованном 15

Площадь территории, га 0,67

Коэффициент загрузки компрессоров 0,5

Списочное число обслуживаемых автомобилей 1122

Технологический цикл заправки с учетом всех операций и освобождения бокса для грузового автомобиля составляет 10... 12 мин, а легкового - 6...8 мин. Для охраны окружающей среды технологией АГНКС предусмотрено снижение до минимума выбросов газа через свечи рассеивания. При нарушениях технологического процесса и аварийных ситуациях системой автоматики обеспечивается отключение компрессоров и подводящего газопровода. Основное технологическое оборудование устанавливается в производственно-технологической корпусе, в состав которого входят компрессорное отделение, отделение охлаждения воды с насосным оборудованием, воздушная компрессорная, вентиляционная камера, щитовая, КТП, отделения запорно-регулирующей арматуры, механическая мастерская и операторская.

Рис. 5.2. Схема АГНКС:

1 - расходомер; 2 - фильтр; 3 - сепаратор; 4 - группа компрес­соров; 5 - межступенчатые и концевые холодильники; 6 - адсорбер для газа; 7 - подогреватель газа регенерации; 8 - аккумулятор высокого давле­ния; 9 - аккумулятор низкого давления; 10 - трехходовой кран; 11 - заправочный шланг.

Малогабаритная гаражная АГНКС

Гаражная АГНКС состоит из автоматизированной компрессорной станции (один и более блоков с КС, размещенными в контейнерах) и рампы с постами заправки автомобилей. Компрессорные установки работают в автоматическом режиме. В особых случаях возможно ручное управление. Станцию обслуживает один оператор. Газ, поступающий через кран 1 из городской сети, очищается в фильтрах 2, затем компримируется в компрессоре 3 и поступает через аккумуляторы газа 4, краны 5 и рампу 6 в баллоны автомобилей (рис. 5.3). Как правило, компрессоры ведут закачку газа в баллоны автомобиля непосредственно до давления 20 МПа. Аккумуляторы газа выполняют при этом роль гасителей пульсации и дополнительно могут использоваться для «быстрой» заправки одного - двух автомобилей при возникновении экстренной необходимости. АГНКС снабжена предохранительными клапанами 7 и свечой 8.

АГНКС монтируются без стационарного фундамента на стандартных железобетонных плитах.

Для заполнения баллонов до давления 20 МПа принципиально могут применяться три режима работы: прямая перекачка в баллоны; закачка в аккумуляторную емкость с последующим опорожнением ее в баллоны автомобилей (режим с накоплением); непрерывная подача в аккумуляторную емкость газа в количестве, компенсирующем в основном расход из нее газа для заправки автомобилей (буферный режим). Прямая закачка газа, исключая несовершенство газозаправочных колонок, является наиболее экономичным способов заправки, так как при этом затрачивается ровно столько работы, сколько нужно для заполнения баллонов. Этот режим совершенно неприемлем на стационарных АГНК.С для массовой заправки автомобилей из за значительной продолжительности наполнения. Автозаправочная рампа обычно имеет 5... 10 постов. Каждый пост оснащен трехходовым краном и гибким шлангом с заправочной головкой. Линия раздачи газа снабжена предохранительным клапаном.

Рис. 5.3. Принципиальная технологическая схема гаражной АГНКС.

Передвижные автогазозаправщики (ПАГЗ)

ПАГЗ представляет собой автопоезд, составленный из автомобиля тягача и прицепа (или полуприцепа), на котором находится газобаллонная установка с системой заправки автомобилей и самого автозаправщика. Газобаллонная установка состоит, как правило, из трех секций баллонов для ступенчатой заправки бескомпрессорным способом. Наибольшее давление в баллоне 32 МПа, вместимость 400 л. Общее число баллонов для автопоезда с тягачом КамАЗ-5410 составляет 14 (объем 2490 м³), тягачом МАЗ-6422 - 33 (объем газа 4693м³). Число заправочных устройств - 2. Заправка ПАГЗ происходит на стационарных АГНКС со специального заправочного блокам оснащенного дополнительным компрессором (с 22 до 32 МПа). Общий недостаток рассматриваемых ПАГЗ - значительное количество остаточного газа в газовых баллонах (до 50%) заправщика, который нельзя использовать для заправки баллонов автомобилей.

Используемый для повышения степени опорожнения баллонов компрессорный способ требует специальных компрессорных установок, трубной обвязки. Рекомендуется для повышения использования запаса газа при одновременном повышении степени заполнения, автомобильных баллонов использовать эжекторный способ путем последовательного подключения к баллонам ПАГЗ эжекторов с регулируемым отношением площади сечения активного и пассивного сопел в пределах 0,2...5.

Во всех основных схемах заправки автомобилей используется двух и более ступенчатая заправка. Ее применение обусловливается следующим. При заправке из одного аккумулятора газа, где давление создают путем закачки газа компрессорами, могут наблюдаться два недостатка: перерасход энергии на компримирование газа и недозаправка газобаллонных установок автомобилей. Сущность первого эффекта состоит в том, что весь газ сжимается до давления, превышающего максимальное давление в баллонах, установленных на автомобиле, в то время как для заполнения газобаллонной установки только последняя порция газа должна сжиматься до рабочего давления. Весь остальной газ требуется сжимать до более низкого давления. Недозаправка возможна вследствие перегрева газа. Вначале заправки наблюдается влияние дроссель-эффекта при заправке, из-за чего температура газа в баллоне при резком расширении газа снижается до 203...213 К. Однако далее при уменьшении перепада давлений дроссельный эффект снижается, температура между стенкой баллона и газом за счет интенсивного теплообмена вследствие торможения струи постепенно возрастает и в конце заправки теплосодержание газа в баллоне становится выше теплосодержания единицы газа в аккумуляторе, что и является источником перегрева газа.

Экспериментальные исследования показали, что при заправке имеет место перегрев газа относительно температуры заправляемого газа на величину от 10 до 55 К, что приводит к недозаправке до 10 %. Заправка автомобилей в несколько ступеней, вначале из аккумулятора с меньшим давлением, затем с большими давлениями уменьшает недостатки прямой заправки из одного аккумулятора. Например применение двухступенчатой заправки с давлением в первом аккумуляторе 13...14 МПа и во втором - 22 МПа позволяет уменьшить затраты энергии на 27... 30 % и практически ликвидировать недозаправку автомобилей.