Газотепловозы, работающие на природном газе
ГАЗОТЕПЛОВОЗЫ, РАБОТАЮЩИЕ НА ПРИРОДНОМ ГАЗЕ. Резкое сокращение добычи нефти в 1990-х гг. и рост стоимости дизельного топлива сделали актуальным применение на транспорте менее дефицитного и дешевого альтернативного моторного топлива.
Общие сведения
Одновременно обострилась проблема загрязнения воздушной среды (особенно воздушных бассейнов городов) токсичными выбросами, поступающими в атмосферу с отработавшими газами транспортных средств. Наиболее эффективный способ снижения расхода дизельного топлива на тепловозных двигателях – применение природного газа. Как показали исследования, природным газом можно заменить на магистральных газотепловозах 70-80% и на маневровых 50-55% дизельного топлива. Энергетические и физические характеристики газового топлива (повышенная по сравнению с дизельным топливом на 10% калорийность, пониженные в 1,5-2 раза выбросы токсичных веществ при сгорании, увеличенный на 30-40% срок службы моторного масла при использовании газа) обеспечивают более высокие экономические, ресурсные и экологические показатели тепловозов.
Значительные запасы природного газа в России обеспечивают устойчивое топливоснабжение тепловозов в перспективе.
Краткая история создания газотепловозов, работающие на природном газе
Работы по созданию газотепловозов были начаты в 80-х гг. На Луганском тепловозостроительном заводе были построены три опытных магистральных газодизельных тепловоза: два ТЭ10Г и один 2ТЭ116Г. Каждый из этих локомотивов состоит из двух тяговых секций и тендера с двумя криогенными емкостями «Криогенмаш» для размещения сжиженного природного газа. На тепловозах 2ТЭ10Г в качестве силового агрегата применен двухтактный газодизель типа 10Д100 постройки Харьковского завода, на тепловозе 2ТЭ116Г -четырехтактный дизель типа Д49 постройки Коломенского завода.
Работы по созданию маневрового газотепловоза были начаты в 1987 г. в ВНИИЖТ при содействии локомотивного депо Москва-Ill. Серийный маневровый тепловоз ТЭМ2 был переоборудован для эксплуатации на сжатом природном газе. В 1989 г. он был испытан и продемонстрирован в действии, в 1990 г. было принято решение о постройке опытной партии маневровых газотепловозов на Брянском машиностроительном заводе (БМЗ).
Испытания тепловозов
Испытания этих газотепловозов показали, что требуется доводка газодизелей обеих серий. Был выявлен и ряд недостатков в конструкции криогенного тендера. В последующие годы работы по магистральным газотепловозам были законсервированы и возобновлены только в 1999 г. в России. Во ВНИИЖТ, на Коломенском заводе и в ВНИТИ осуществляется доводка газодизеля тепловоза 2ТЭ116Г. На этом тепловозе в качестве силовых агрегатов применены газодизельные генераторы ГДГ-1 (дизель 16ЧН26/26), работающих по газодизельному циклу с подачей запальной порции дизельного топлива. В тендерной секции расположены два криогенных резервуара, для размещения 17 т сжиженного природного газа (СПГ), оборудование для регулирования в них давления, испаритель, устройства для регулирования подачи газа в обе тяговые секции, для наполнения и слива газа, приборы защиты и контроля. Газификация СПГ для подачи в тяговые секции осуществляется за счет тепла наружного воздуха и охлаждающей воды газодизеля, подаваемой в газоводяной теплообменник дополнительным водяным насосом. Основные проектные характеристики газотепловоза: масса криогенной секции 88 т, запас в ней сжиженного газа 17 т, запальная порция дизельного топлива 15% от общего расхода. Секционная мощность 2250 кВт, так же как и на серийном тепловозе 2ТЭ116.
Газодизель-генератор ГДГ50 для этих тепловозов подготовлен Пензенским дизельным заводом (ПДЗ). В течение нескольких последующих лет на макетном тепловозе производилась доводка газодизель-генератора, испытывались различные схемы газоподачи и смесеобразования. В результате выбраны эти схемы и проверена их работоспособность, выработаны технические решения для основных узлов газоподготовки на тепловозе. В 1995 г. доводочные работы были закончены, газодизель-генератор ГДГ50 прошел приемочные межведомственные испытания и рекомендован для применения на опытных газотепловозах ТЭМ18Г (рис. 5.27). В 1997 г. на БМЗ был построен первый маневровый газотепловоз ТЭМ18Г-001, а в 1998 г.- ТЭМ18Г-002. С кон. 2000 г. эти тепловозы находятся в опытной эксплуатации в депо Ховрино Октябрьской железной дороги. Дизели этих локомотивов работают на сжатом (компримированном) природном газе с подачей в цилиндры запальной порции дизельного топлива (15%). Принятая схема газификации тепловозов обеспечивает: минимальные затраты на переоборудование серийного дизеля для работы на газе; конвертируемость дизеля при минимальном повышении удельного расхода топлива в случае обратного перехода на дизельное топливо; возможность использования для снабжения газом разветвленной сети (ок. 200 ед.) автомобильных газонаполнительных компрессорных станций; готовность газа к подаче в цилиндры дизеля (в отличие от сжиженного газа, который требует применения испарителя), что обеспечивает быстрое протекание переходных процессов при изменении режима работы. Последнее особенно важно для маневровой работы, поскольку число переключений контроллера машиниста на маневровом тепловозе достигает 100 операций в час. Недостатком использования сжатого природного газа является пониженный до 2,5-3,5 суток межэкипировочный срок. Однако при доставке газа на место работы маневрового газотепловоза с помощью автогазозаправщика такой срок вполне приемлем. Теоретически запас газа на тепловозе можно было бы увеличить в 2-3 раза за счет применения сжиженного природного газа. Однако на практике необходимость применения газификатора с системой подачи в него горячей воды из дизеля, увеличение тепловой инерционности газификатора при резко переменных режимах нагрузки тепловоза и вызванная этим необходимость установки на тендере резервной емкости для сжатого газа не позволяют использовать преимущество большей плотности сжиженного газа. Практически это увеличение не превышает 20-25%. Кроме того, сжиженный природный газ (СПГ), безусловно, в технологическом и эксплуатационном планах является более сложным видом топлива. Он представляет собой криогенную жидкость, сохраняющуюся при сверхнизких температурах. Температура кипения СПГ, т. е. температура, при которой он начинает испаряться, равна -160 °С. Получение СПГ, его хранение и транспортировка требуют специального оборудования, дополнительных территорий и специальных помещений, отвечающих требованиям безопасности, а также квалифицированной рабочей силы.
Испытания газодизель-генератора ГДГ50 подтвердили, что показатели его работы соответствуют техническим условиям. На большинстве режимов работы удельный расход топлива по теплу ниже аналогичного расхода при дизельном топливе. Токсичность выпускных газов по выбросу вредных веществ на газодизеле в 1,5 раза меньше, чем на серийном дизель-генераторе, и значительно ниже допускаемой по ГОСТ 24585-81. Запальная порция дизельного топлива на всех режимах работы находится в пределах 13,9-16,5% от суммарного эквивалентного по теплу расхода дизельного топлива и газа.
Особенность конструкции
Запас дизельного топлива на газотепловозе ТЭМ18Г хранится в четырех топливных баках, расположенных в средней части главной рамы тепловоза. Сжатый природный газ под давлением 20 МПа размещается в газовых баллонах, объединенных в блок, который прикреплен к раме тепловоза между тележками. Трубопроводы, подведенные к баллонам, оборудованы запорными вентилями, обратными клапанами и заправочными штуцерами и позволяют выполнить заправку газотепловоза газом с двух его сторон. Газорегулирующее оборудование скомпоновано в основном в отдельном блоке, размещенном в отсеке холодильной камеры, изолированном от нее, и сообщается только с атмосферой и воздуховодом для его вентиляции. Блок соединен трубопроводами с газовыми баллонами и с газодизелем. Трубопровод к газовым баллонам и большая часть трубопровода к газодизелю расположены вне кузова тепловоза. Тепловоз оборудован системой пожаровзрывобезопасности, в которую входят устройства: контроля концентрации газа в закрытых помещениях; контроля параметров газа в газовых системах; вентиляции и противопожарной защиты; аварийной защиты газовых баллонов. Для контроля концентрации природного газа в холодильной камере, дизельном помещении и в высоковольтной камере размещены восемь датчиков-сигнализаторов концентрации природного газа, а в кабине машиниста установлены восемь показывающих приборов-сигнализаторов. В случае появления в месте установки датчика концентрации природного газа, начиная с 0,8% от объема воздуха, сигнализатор выдает сигнал. При этом электрическая схема газотепловоза обеспечивает автоматическое включение системы вентиляции газотепловоза, а также отключение подачи газа в газодизеле и перевод его на дизельное топливо. Сигнализатор работает в автоматическом режиме как при остановленном газодизеле, блокируя запуск газодизеля при взрывоопасной концентрации природного газа, так и при работе газодизеля на всех позициях контроллера машиниста. Для предотвращения соприкосновения газа с возможными источниками его воспламенения высоковольтная камера (ВВК), находящаяся под давлением, и тяговый генератор изолированы от подкапотного помещения.
Газотепловоз оборудован принудительной вентиляцией блока газового оборудования, высоковольтной камеры, кожуха над газодизелем, кабины машиниста, а также помещения, где размещены генератор и компрессор. Вентиляция осуществляется с помощью трех электровентиляторов взрывозащищенного исполнения переменного трехфазового тока, получающих питание от инвертора. Для вентиляции отсека с блоком газового оборудования в главной раме газотепловоза проложен воздухопровод от системы вентиляции тяговых двигателей передней тележки. Инвертор, преобразующий постоянный ток напряжением 64-75 В в переменный напряжением 220 В, установлен в отсеке над аккумуляторной батареей, комплект электрооборудования переменного тока – в нише между задними песочницами.
Горловины газовых баллонов оборудованы разрывными клапанами, обеспечивающими автоматическое запирание баллонов при разрыве газопроводов в случае аварий или крушений, а также плавкими вставками для сброса давления в баллонах в случае возникновения пожара и опасности их взрыва.
Меры предосторожности пожарной безопасности на газотепловозе
Таким образом, пожаровзрывобезопасность газотепловоза обеспечивают следующие мероприятия: максимально возможное размещение газового оборудования и газопроводов вне закрытых помещений; контроль концентрации газа в закрытых помещениях газотепловоза (газоанализатор с датчиками в восьми точках); автоматическая вентиляция подкапотного помещения и кабины машиниста перед пуском газодизеля и при возникновении концентрации, составляющей 0,1% от опасной; отделение источников воспламенения от объемов, в которых возможна опасная концентрация газа, за счет уплотнения высоковольтной камеры и наддува ее воздухом; применение взрывобезопасного оборудования, в т. ч. электродвигателей привода вентиляторов и светильников; автоматическое запирание газовых баллонов при разрыве газопроводов в случае аварий и крушений, сброс давления в баллонах в случае возникновения пожара. В результате реализованных конструктивных решений вероятность возникновения взрыва или пожара на газотепловозе составляет 3,8-10~8, что значительно меньше 0,000001, регламентируемых ГОСТ 12.1.10-76.
Система газоподачи на локомотиве предназначена для регулирования количества и качества подаваемого в цилиндры газа (рис. 5.28). При работе газодизеля на газе, начиная с 4-й и по 8-ю позиции контроллера машиниста включительно, сжатый природный газ поступает из баллонов через отсечные (разрывные) клапаны, вентиль, газовый фильтр и электромагнитный вентиль к редуктору давления первой ступени, где его давление снижается с 20 до 5 МПа. После редуцирования газ нагревается в двух водяных нагревателях и поступает в редуктор давления второй ступени, где его давление понижается с 50 до 1,6 МПа. Затем газ проходит третий водяной нагреватель, поступает в регулятор давления третьей ступени и в газовый коллектор газодизеля. В этом регуляторе давление газа преобразуется по величине в зависимости от уровня сигналов, поступающих от управляющего регулятора. Далее из газового коллектора газ поступает в дозаторы, управляемые регулятором числа оборотов дизеля, и затем через газовые клапаны, приводимые от впускных клапанов дизеля, – во впускные полости цилиндровых крышек. Температура газа на входе в дизель регулируется с помощью электромагнитных вентилей, управляемых температурными реле. Основные технические характеристики маневрового газотепловоза: масса 126 т, запас дизельного топлива 3180 кг, запас сжатого газа при давлении 20 МПа и температуре 20 °С – 850 кг, мощность газодизеля 882 кВт (как и на серийном тепловозе), запальная порция дизельного топлива 15%.