Предлагается концепция сокращения производственных затрат газодобывающих предприятий, посредством сокращения потребляемого топлива транспортным сектором.

ДВС, сокращение расхода ДВС, газификация ДВС, плазменное зажигание, наддув ДВС.

Между 1970 и 2000 гг. мировая экономика сожгла в топках 700 млрд. баррелей нефти, 87 млрд. т.  каменного угля и 51 трлн. кубометров природного газа. Объемы добычи данных ресурсов возрастают с каждым годом, по предварительным данным запасов нефти на планете хватит не более чем на 50 лет, при условии, что темпы добычи не уменьшатся.  В условиях постоянного дефицита на органическое топливо и повышения цен на энергоносители, а также ужесточения норм выбросов СО2,  ученые всего Мира бьются над проблемой  совершенствования двигателей внутреннего сгорания, с целью снижения расхода потребляемого ими топлива. 

Проблема снижения потребления топлива ДВС – это задача крупнейших автопроизводителей в Мире. Каждый год автомобильные мировые гиганты тратят сотни миллионов долларов на научные разработки в данной области.  Однако это в большей степени относится к изобретениям новых двигателей. Задача же данной статьи состоит в описании способов сокращения издержек, обусловленных  потреблением топлива двигателями, установленными на автомобилях газодобывающего комплекса ЯНАО.

Ямало-Ненецкий автономный округ является  центром по добыче природного газа в Российской Федерации. Поэтому дочерние предприятия Газпрома, расположенные на его территории сильно загружены рабочими процессами. Данные рабочие процессы включают в себя огромный спектр работ, в том числе и с использованием  автомобильного транспорта.

В настоящее время существуют различные способы модернизации двигателей внутреннего сгорания с целью сокращения затрат на топливо. Рассмотрим некоторые из них:

- «мягкий» турбо или механический наддув атмосферных бензиновых и дизельных ДВС;

- использование плазменной системы зажигания бензиновых ДВС;

- газификация автомобилей.

Наддув ДВС

Под наддувом понимается нагнетание компрессором, в камеру сгорания ДВС, избыточного давления воздуха для лучшего сгорания топлива и увеличения мощности. При турбонаддуве энергия отработавших газов используется в турбине, приводящей центробежный компрессор для подачи воздуха в двигатель. Большая масса воздуха, поступающая в двигатель под давлением из компрессора, способствует повышению удельной мощности двигателя и снижению его удельного расхода топлива. Двухступенчатые сжатие воздуха и расширение отработавших газов, осуществляемые в двигателе с турбонаддувом, позволяют получить высокий индикаторный КПД двигателя.

 Наддув бывает нескольких видов, основными из них являются:

-механический компрессорный;

-и турбокомпрессорный.

Механический наддув предполагает использование компрессора, приводящегося в движение посредством передачи крутящего момента непосредственно от коленчатого вала двигателя или электродвигателя. Турбокомпрессорный же предполагает использование для привода компрессора кинетической или импульсной энергии отработавших газов.  

В большинстве случаев если атмосферный (без наддува) ДВС оборудуется компрессором, то это делается для увеличения мощности двигателя.  И использовалась такая практика до настоящего времени в основном в автомобильном спорте. Однако, выдвинутая в конце прошлого века, шведской  компанией, производящей автомобили СААБ, концепция «мягкого» наддува перевернула представления о наддуве двигателей.

Данная концепция состоит в использовании наддува для повышения экологичности и комфортности ДВС. На практике установлено, что при таком давлении и соответствующей корректировке топливоподачи нет необходимости в уменьшении степени сжатия двигателя, к которому прибегают для предотвращения опасности детонационного сгорания топлива. Наддув при низком давлении также хорошо вписывается в рамки установленных ограничений, касающихся неизменного ресурса и конструкции мотора. Что уменьшает количество доработок двигателя и издержки на модернизацию, а это в нашем случае первостепенная задача.  В то же время он позволяет получить 15-25% прибавку крутящего момента в области низких и средних частот вращения двигателя. А также обеспечивает продувку  двигателя при холодном старте, что немаловажно в условиях северной зимы.

Для выполнения  рабочего процесса  автомобилю требуется определенная затратная мощность. Затратная мощность в данном случае величина постоянная, однако турбированный мотор будет выдавать данную мощность на меньших оборотах двигателя, что приведет к снижению уровня потребляемого топлива.  К тому же  наддув обусловлен, такими экологическими аспектами, как уменьшение издаваемого мотором уровня шума (турбокомпрессорный наддув) и сокращение выброса вредных веществ в атмосферу (механический и турбокомпрессорный).

Сегодня, установка турбокомпрессора на ДВС реально рассматривается как способ сокращения потребления топлива, а следовательно и уровня выброса вредных веществ. Наддув камеры сгорания приводит к снижению температуры отработанных газов и уменьшению образования окислов азота. Оснащение двигателя турбокомпрессором повышает активную безопасность и комфортность вождения. Запас тяги и эластичность двигателя способствуют маневренности автомобиля и удобству управления.

В настоящее время цены на компрессоры иностранного производства в зависимости от типа автомобиля, колеблются от 20 до 40 тыс. рублей. Однако существует множество отечественных аналогов, которые стоят в среднем  в 2 раза дешевле.

Использование плазменной системы зажигания

На балансе газодобывающих предприятий находится большое количество автомобилей с бензиновыми двигателями. Одним из способов снижения токсичности выхлопных газов и понижения расхода бензиновых двигателей является обеднение топливовоздушной смеси.  Чем меньше в камеру сгорания поступает топлива, тем меньше и выброс в атмосферу загрязняющих веществ. Однако достижение этого в бензиновом ДВС ограничивается его детонационными характеристиками. Преодолеть порог детонации помогает использование системы плазменного зажигания.

При создании расслоенного заряда в цилиндре можно обеспечить сжигание очень бедной смеси при условии, что в зоне свечи зажигания образуется смесь богатого состава. Богатая смесь легко воспламеняется, и факел пламени, выброшенный в объем камеры сгорания, воспламеняет находящуюся, там бедную смесь. При плазменном зажигании электрическая дуга образует высокую концентрацию электрической энергии в ионизованном искровом промежутке достаточно большого объема. При этом в дуге развиваются температуры до 40 000°С, т. е. создаются условия, аналогичные дуговой сварке. При возникновении электрического разряда большой длины между центральным электродом и корпусом свечи газ в камере нагревается до очень высокой температуры и, расширяясь, выходит через отверстие в корпусе свечи в камеру сгорания. Образуется плазменный факел длиной около 6 мм, благодаря чему возникает несколько очагов пламени, способствующих воспламенению и сгоранию бедной смеси.

Реализовать принцип плазменного зажигания можно с помощью модернизации штатной системы. Данный способ является самым дешевым. Поставленная цель достигается шунтированием искрового промежутка обычной свечи зажигания перемычкой из термостойкого полупроводникового материала, к которому прикладывают импульс напряжения с коротким передним фронтом и амплитудой несколько сотен вольт, чем обеспечивают резкое повышение концентрации носителей электрического заряда за счет ударной и термоэлектронной ионизации. В результате образуется сверхзвуковая ударная волна, которая своим избыточным давлением выбрасывает широкий плазменный факел непосредственно в камеру сгорания ДВС, где и происходит эффективный запал топливной смеси даже довольно бедного состава. Путем несложной технологической модификации обычных искровых свечей зажигания, возможно, их последующее использование совместно с бесконтактной электронной системой зажигания фактически на всех типах ныне выпускаемых двигателей, а так же, их дальнейшая модернизация и перевод на работу с обедненными смесями и более тяжелыми видами топлива.

При плазменном зажигании можно осуществить качественное регулирование бензинового двигателя, при котором количество подаваемого воздуха остается неизменным, а регулирование мощности двигателя производится только регулированием количества подаваемого топлива. Применение в ДВС плазменного зажигания обусловлено следующими принципами:

- без изменения регулирования угла опережения зажигания и состава смеси, расход топлива уменьшается на 0,9 %;

- при условии регулировании угла опережения зажигания, расход топлива уменьшается  на 4,5 %;

-  при оптимальном регулировании угла опережения зажигания и состава смеси, расход топлива уменьшается  на 14 %. Плазменное зажигание улучшает работу двигателя особенно при частичных нагрузках, и расход топлива может быть таким же, как и у дизеля.

 

Газификация автомобилей

Перевод используемых для рабочих нужд, газового комплекса автомобилей на метан (природный газ), является самым оптимальным решением проблемы возрастания стоимости нефтяного сырья.  Перевод государственного автопарка Советского Союза на газ, как способ сокращения издержек на топливо и сокращение вредных выбросов в атмосферу был предложен ведущими учеными СССР еще в начале 80-х годов прошлого века.  Под газификацией ДВС подразумевается установка на двигатель газобаллонного оборудования, обеспечивающего функционирование автомобиля на газо-воздушной или газо-воздушно-дизельной смеси.  Газ, используемый для привода в действие двигателя, бывает двух видов:

- сжиженный нефтяной газ;

- и сжатый (компримированный) природный газ.

Сжиженный нефтяной газ образуется при перегонке нефти как сопутствующий продукт. Природный  газ, в избытке находится на балансе газовой отрасли, поэтому в нашем случае целесообразно будет рассмотреть только его.

Поговорим о минусах использования метана на транспорте. Природный газ по своим свойствам значительно отличается от  пропан-бутановой смеси (нефтяной газ), он  имеет низкую критическую температуру, поэтому для его сжижения необходимо применять специальные криогенные установки. Подобная процедура приводит к удорожанию топлива и ставит под сомнение целесообразность установки ГБО. Поэтому природный газ, основой которого является метан, сжимают до 20 МПа, что примерно и равно рабочему давлению системы, и закачивают в баллон. Данная особенность требует использования больших объемов емкостей по сравнению с пропан-бутановой смесью. Также газобаллонное оборудование, рассчитанное на сжатый метан, в разы дороже оборудования используемого для пропан-бутановой смеси. 

Теперь плюсы использования ГБО работающего на метане:

- экологичность, газ практически полностью сгорает в камере сгорания, оставляя минимум вредных выбросов;

- сгорание газа не носит взрывного характера и происходит немного медленнее, чем у бензина, газ не смывает масляную пленку с поверхности цилиндров, что позволяет увеличить моторесурс в среднем на 40%;

- за счет минимального содержания примесей и окисляющих веществ в продуктах сгорания, на 50% увеличивается срок службы моторного масла, не образуется нагар на свечах, стенках камер сгорания и клапанах;

- установив ГБО, мы получаем многотопливный автомобиль (бензиновые ДВС) с двумя независимыми системами подачи топлива, другими словами, повышаем надежность транспортного средства за счет дублирующей системы питания;

- дешевизна, перевод автопарка на газовое топливо позволить снизить затраты питания ДВС как минимум в два раза. К примеру, при  работе автомобиля по газодизельному циклу экономится до 75% дизельного топлива при значительном снижении количества оксида углерода, некоторых токсических углеводородов и сажи в отработанных газах двигателя. Эксплуатация только одного газодизельного автомобиля «Камаз» или «Урал» дает экономию до 10-14 тонн дизельного топлива в год.

В настоящее время только на Ямале существует несколько транспортных предприятий работающих в газовой промышленности, крупнейшими из которых являются ДАО «СпецГазАвтоТранс» и ООО «Стройгазконсалтинг-Север». В среднем у каждого из них каждый день в работе находится около 200 единиц грузовых автотранспортных средств. Львиная доля используемых на Ямале грузовых автомобилей это автомобили семейства Урал 442002. Последние несколько лет на Ямале крупными темпами ведется освоение «Бованенковского» месторождения, что определяет основной логистический путь грузов к «Бованенковскому» месторождению.  В году существует два  периода с максимальным грузопотоком. Период летней навигации, когда грузы на баржах доставляют в порты «Бованенково» и «Харасавэй» - в среднем составляет три месяца. И так называемый «Период зимника», когда функционирует зимняя автодорога «Бованенково»-«Харасавэй», продолжительность этого периода тоже в среднем составляет около трех месяцев. Оба этих периода характеризуются напряженным использованием большого количества большегрузных автомобилей.  В среднем на полуострове Ямал в эти периоды в постоянном движении находится около пятисот единиц большегрузной техники (без учета грузоподъемных механизмов). На расходование  большого количества топлива кроме всего прочего влияют такие факторы как:

- недисциплинированность водителей, которые даже в теплое время года не утруждают себя выключением двигателя при погрузочно-разгрузочных мероприятиях или во время простоя в очереди на погрузку;

- ненадлежащее качество дорог;

- максимальная загрузка грузовых прицепов.

Вследствие данных обстоятельств, единица грузового ТС за рабочую смену (11 часов) может сжечь от 200 до  300 литров дизельного топлива. В сутки соответственно около 400 – 600 литров. 180 дней напряженного графика перевозок в год, умножаем на количество автомобилей, в данном случае  500 и на 600 литров расхода в сутки. Получаем 54 млн. литров в год сжигает только грузовой транспорт, обслуживающий «Бованенковское» месторождение. И это без учета малолитражных автомобилей администрации и ИТР, без грузоподъемных механизмов и всевозможных вездеходов, тракторов и грейдеров. Если учитывать, что стоимость доставки тонны топлива на Ямал очень велика и взять рыночную стоимость по полуострову  в  50 рублей за литр, то среднегодовые затраты на топливо для грузовых автомобилей  ямальского парка составят 2,7 млрд. рублей.

Теперь подсчитаем примерную экономию дизельного топлива при работе ДВС на газодизельном цикле. Если учитывать, что при работе ДВС на метане (КПГ), экономия дизельного топлива составляет около 70% от общего объема потребляемого топлива (до 75,6 тонн в год  на единицу ТС). Соответственно, для 500 автомобилей экономия составит  37 800 тонн в год, что в денежном  эквиваленте   составляет  1,89 млрд. рублей. Теперь подсчитаем среднегодовые затраты на  метан (КПГ), возьмем среднерыночную стоимость 1 кубометра метана для данного региона в 15 рублей. 

37 800 000 кубометров  *  15 рублей = 567000000 рублей (0,567 млрд. рублей).

Теперь подсчитаем реальную экономию при работе ДВС исследуемого парка автомобилей на газодизельном цикле:

1,89 – 0,567 = 1,33 млрд. рублей в год

Подсчитаем примерную сумму затрат на перевод вышерассмотренного парка автомобилей на газодизельный цикл работы, таблица 1.

 

Таблица 1 – Примерные расходы на перевод парка грузовых автомобилей выполняющих работы на «Бованенковском» и «Харасавэйском» НКГМ на газодизельный цикл работы

Статья расходов	Тыс. руб.
Строительство минимум двух АГНКС на «Бованенковском» и «Харасавэйском» НКГМ (включая затраты на доставку и монтаж оборудования, проектно-изыскательские и строительные работы)	20 000
Переоборудование 500 единиц ТС на газодизельный цикл работы (включая стоимость ГБО, монтаж и оплату слесарных работ)	100 000
Закупка автомобилей топливозаправщиков	7 000
Общая стоимость проекта	127 000

Теперь подсчитаем средний срок окупаемости проекта. Возьмем  во внимание экономию в 1,33 млрд. рублей. 1 330 000 тыс. рублей экономии соответствует 12-ти месячному промежутку времени. Следовательно, после решения пропорции, получаем, что 127 000 тыс. рублей затрат окупятся через 1,15 месяца ( 127 000 * 12/ 1 330 000).

Газодобывающая промышленность ЯНАО является одной из крупнейших областей народного хозяйства Российской Федерации.  На Ямале добывается более 80% всего добытого в стране газа. ЯНАО является крупнейшим поставщиком природного газа в Мире, а промышленный автотранспорт, эксплуатируемый в данном регионе, до сих пор работает на производных нефти – парадокс. Наша планета уже не справляется с темпами потребления нефти, все мыслимые и немыслимые приделы уже преодолены. Человечеству и особенно главам добывающих предприятий пора задуматься о снижении потребляемых энергоресурсов. Однако, это не означает, что следует отказаться от темпов капитализации активов предприятия, отнюдь если на существующем уровне добычи, ресурсы использовать более продуктивно, можно не только сохранить темпы экономического роста предприятия, но и увеличить их.  При реализации предложенной концепции на газодобывающих предприятиях ЯНАО, издержки на энергоносители могут снизиться как минимум вдвое.

БИБЛИОГРАФИЯ

1.       [Электронный ресурс].-Режим доступа: http://www.inomarka54.ru/index2.php?stat95.htm  Все для вашей иномарки. Информационный специализированный портал.

2.      Ханк, Г. Турбодвигатели и компрессоры: справочное пособие / Герт Ханк, Лангкабель. – М.: Астрель: АСТ, 2007. - 165 c.

3.       [Электронный ресурс].-Режим доступа: http://www.kamturbo.ru/price/prlist.htm Сайт НПО «Турботехника». Прайс лист на турбокомпрессоры.

4.      [Электронный ресурс].-Режим доступа: http://dvpt.narod.ru/russian/history/index13/

5.      [Электронный ресурс].-Режим доступа: http://kazanvov.narod.ru/plazma.html Магазин изобретений.

6.      [Электронный ресурс].-Режим доступа: http://catalog.autodela.ru/  Переводим автомобиль на газ. Плюсы и минусы.

7.      [Электронный ресурс].-Режим доступа: http://www.delta-autocng.ru/  Статья с сайта ООО «Дельта Авто». Природный газ на службе.

8.      [Электронный ресурс].-Режим доступа: http://www.dieselgas.ru/theory/ . Теория, дизель на газе.

9.      [Электронный ресурс].-Режим доступа: http://www.agnks.org.ua/stati/ural.html Урал прирастает альтернативным топливом. Минфин альтернативы «не видит».