Как в России развиваются силовые установки на альтернативном топливе
Последние несколько лет в России и за рубежом все большей популярностью пользуются автономные электростанции с газопоршневыми двигателями. Такие установки просты в обслуживании и расходуют меньше топлива, чем традиционные дизельные агрегаты. Кроме того, на основе газопоршневого двигателя можно собрать комбинированную станцию, одновременно вырабатывающую тепло и электричество. О том, чем газопоршневая установка отличается от бензинового или дизельного двигателя и можно ли ее поставить на обыкновенный автомобиль, мы поговорили с разработчиками из «Трансмашхолдинга», генерального партнера фестиваля «Политех 360». На наши вопросы отвечали Александр Терехин — руководитель управления по развитию дизелестроения АО «Трансмашхолдинг» и Игорь Овчинников — руководитель проектов по развитию дизелестроения АО «Трансмашхолдинг».
По сути, газопоршневые двигатели — это обычные двигатели внутреннего сгорания, в которых для работы используется газ. Первые такие установки появились еще в конце XIX века и использовались преимущественно на заводах для приведение в действие различного производственного оборудования. Позднее их, в основном, вытеснили электромоторы. На транспорте они также не получили широкого распространения. Но в последние годы популярность газопоршневых двигателей начала расти. Причин этому несколько, но главной является рост цен на жидкое углеводородное топливо (бензин, дизель). Сегодня газопоршневые двигатели используются в составе электрогенераторов, теплогенераторов, насосов, компрессоров и холодильных установок.
N + 1: В составе каких установок используются газопоршневые двигатели и зачем?
Газопоршневые двигатели используются в силовых установках практически всех применений: стационарные двигатель-генераторы и электростанции, локомотивные, автомобильные, транспортно-технологические (для тракторов, карьерной техники) и другие.
Запасы природного газа в нашей стране и в мире существенно превышают запасы жидкого углеводородного топлива всех видов. Естественно, и стоимость газового топлива существенно ниже, чем у жидкого углеводородного. В нашей стране многие поколения смогут пользоваться этим видом топлива.
На чем работают такие двигатели?
Для них используется газовое топливо двух видов. Во-первых, это природный газ (в нем большая часть метана), который мы сжигаем, в частности, у себя на кухне. И, во-вторых, нефтяной газ, получаемый при переработке нефти (в нем большая часть пропана и бутана). Именно последний в сжиженном состоянии в большей степени используется в качестве моторного топлива для автомобилей или в баллонах для газовых дачных плит.
Промышленные двигатели, двигатели грузовых автомобилей и автобусов по большей части используют природный сжатый или сжиженный газ. В последнее время появились предложения по переоборудованию легковых автомобилей для использования природного газа.
А чем вообще такой двигатель отличается от двигателя внутреннего сгорания?
Газопоршневой двигатель — тот же двигатель внутреннего сгорания, но с некоторыми конструктивными особенностями, касающимися применения другого вида топлива.
В первую очередь, на конечном изделии (автомобиле, тепловозе и прочем) должны быть смонтированы система хранения газа и газовое оборудование для изменения параметров газа (давление, температура) и подачи его к двигателю.
Изменения в самом двигателе можно разделить на две части. Те, что относятся к первой из них, носят конструктивный характер и касаются изменения степени сжатия, конструкции деталей цилиндро-поршневой группы, настроек воздухоснабжения и турбокомпрессора и других элементов. Вторые связаны с оборудованием двигателя устройствами подачи газа во впускной коллектор или камеру сгорания.
Можно ли поставить газопоршневой двигатель на обычный автомобиль?
Можно. Многие ставят и с успехом ездят. Такие решения используются в автомобилях, тракторах, на локомотивах, коммерческих судах малого дедвейта и других транспортных средствах.
Трансмашхолдинг и газовые двигатели
В 2013 году на заводе Трансмашхолдинга в Брянске был выпущен маневровый тепловоз ТЭМ19. Это первый в мире тепловоз, чей поршневой двигатель работает на природном газе, автономный запас которого хранится в жидком виде, в криогенной емкости.
В настоящее время ТМХ приступил к проекту создания нового газового маневрового тепловоза ТЭМ29 повышенной мощности. В основу его конструкции будет заложен принцип модульности основного оборудования. Он нацелен на снижение затрат привлекаемых ресурсов при проведении технического обслуживания и ремонта в процессе эксплуатации благодаря использованию агрегатированного ремонта.
На своем предприятии в Коломне ТМХ реализует ряд проектов с использованием альтернативных видов топлива, осваивает производство принципиально нового вида продукции — газовых моторов, предназначенных для выработки электрической и тепловой энергии в электростанциях базового, резервного и аварийного назначения.
В настоящее время на Коломенском заводе в стадии создания находится газовый двигатель-генератор 9ГМГ для маневрового тепловоза ТЭМ29.
Двигатели, создаваемые на Коломенском заводе ТМХ, будут использовать в качестве основного топлива дизельное топливо, природный топливный или нефтяной попутный газ, а также сырую нефть в мощностном диапазоне от 1000 до 3500 киловатт.
ТМХ также намерен разработать газовые модификации новых дизелей, созданных при реализации подпрограммы развития дизелестроения ФЦП «Национальная технологическая база».
А почему эти двигатели не используются повсеместно?
Просто исторически сложилось так, что в качестве моторного топлива в основном используются разные виды жидкого углеводородного топлива. Под них создана широкая инфраструктура. Соответственно, для расширения использования газа необходимо расширить инфраструктуру, связанную с его доставкой к месту заправки и, в конечном итоге, к месту сжигания. Этим сейчас активно занимаются.
На настоящий момент наиболее перспективным для эксплуатации локомотивов, работающих на газомоторном топливе, является неэлектрифицированный северный полигон Свердловской железной дороги. В этом регионе имеются все необходимые условия: равнинный профиль, большие объемы грузов, наличие дешевого природного газа, а также производственные мощности, на базе которых можно развернуть производство сжиженного природного газа.
Вообще же применение газа в качестве моторного топлива на всех видах транспорта и создание отечественной газовой транспортной и стационарной техники имеют сегодня большое значение для обновления парка подвижного состава, который должен отвечать международным стандартам безопасности, экологичности и надежности.
По какой причине их часто используют в составе небольших электростанций?
Это выгодно и экономично. Важными вопросами для владельца станции являются расход топлива и эксплуатационные затраты. У газопоршневой установки удельный расход топлива на выработанный киловатт в час при любом нагрузочном режиме меньше, чем у газотурбинной. Это объясняется тем, что КПД поршневых машин составляет 36-45 процентов, а у турбин — лишь 25-34 процентов.
Основное преимущество газопоршневых двигателей перед дизельными — более дешевое топливо. Даже при использовании в качестве резервного топлива газовой смеси пропан-бутан стоимость единицы электрической энергии, произведенной на газопоршневой установке, в 1,3 раза меньше, чем на дизельной.
Для эксплуатации и технического обслуживания газопоршневого агрегата, в отличие от газотурбинного, не требуются высококвалифицированные инженерные кадры. Регламентное обслуживание, промежуточные и капитальные ремонты газопоршневого двигателя могут быть проведены на месте эксплуатации без перемещения агрегата на площадку завода-изготовителя или специализированного предприятия.
Чем обусловлен рост популярности газопоршневых установок в последнее время, при том что сама технология существует уже давно?
Анализ рынка потребителей электрической и тепловой энергии выявил, что около 30 процентов потребителей не нуждаются в десятках и сотнях мегаватт мощности и, следовательно, в обязательном централизованном энергоснабжении, общие потери которого при транспортировке по сетям до потребителя составляют до 25–30 процентов.
Кроме того, пользователей не устраивает высокая цена на подключение к централизованным сетям, и вообще либерализация энергетического рынка в России привела к кризису в эксплуатации крупных систем централизованного энергоснабжения.
Газопоршневые же технологии хорошо подходят для малой энергетики, очень эффективно реализуют концепции «экономной» энергетики с минимальными потерями вырабатываемой тепловой и электрической энергии. Локальные автономные децентрализованные источники комбинированного производства электроэнергии и тепла на базе газопоршневых установок обладают высоким КПД, полностью независимы от региональных энергосетей, а следовательно, и от роста тарифов, надежны, не требуют затрат для строительства подводящих и распределительных сетей.
Газопоршневые двигатели возможно объединять последовательно. Что дает такое объединение по сравнению с раздельным использованием установок?
Объединять в «батареи» можно не только газопоршневые двигатели, но и дизельные. Все зависит от особенностей и требований к стационарной электростанции. В частности, очень часто отдельные модули можно доставить к месту монтажа и эксплуатации только вертолетом. Но есть специальные электростанции, основным требованием к которым является максимально возможная мощность в одном агрегате.
Беседовал Василий Сычёв