Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ практики технической эксплуатации газобаллонных автомобилей на современном этапе 6
1.1 Физико-химические свойства сжиженного углеводородного газа как моторного топлива и перспективы его использования на автомобильном транспорте 11
1.2 Этапы и тенденции развития газобаллонных автомобилей 19
1.3 Современные требования нормативно-правовой базы технической эксплуатации газобаллонных автомобилей, работающих на сжиженном углеводородном газе 25
1.4 Проблемы технической эксплуатации газобаллонных автомобилей 32
1.5 Выводы по первой главе 40
2 Теоретические исследования процессов технической эксплуатации газобаллонных автомобилей 42
2.1 Технологические процессы технической эксплуатации газобаллонных автомобилей 42
2.2 Технологический процесс слива сжиженного углеводородного газа 51
2.3 Рекомендуемый вариант модернизированной системы питания двигателя газобаллонного автомобиля, с целью обеспечения слива сжиженного углеводородного газа из автомобильного газового баллона 52
2.4 Рекомендуемые варианты технологических схем постов слива сжиженного углеводородного газа на автогазозаправочной станции и автотранспортном предприятии
2.4.1 Пост слива сжиженного углеводородного газа на автогазозаправочной станции 55
2.4.2 Пост слива сжиженного углеводородного газа на автотранспортном предприятии
2.5 Исследование параметров состояния сжиженного углеводородного газа 63
2.6 Математическая модель технологического процесса слива сжиженного углеводородного газа из автомобильного газового баллона 73
2.7 Алгоритм определения параметров технологического процесса слива
сжиженного углеводородного газа из автомобильного газового баллона 79
2.7.1 Закономерности влияния параметров состояния газа и конструктивных параметров магистрали слива на параметры технологического процесса слива
2.8 Выводы по второй главе 86
3 Экспериментальные исследования по определению параметров технологического процесса слива сжиженного углеводородного газа из автомобильного газового баллона
3.1 Объект экспериментальных исследований 89
3.2 Применяемая измерительная аппаратура и определение погрешности измерений 90
3.3 Методика испытаний 98
3.4 Результаты испытаний 99
3.5 Обработка результатов экспериментальных испытаний 102
3.6 Оценка сходимости теоретических результатов с результатами экспериментальных исследований 106
3.7 Выводы по третьей главе 108
4 Рекомендуемые изменения требований к газобаллонным автомобилям для приведения в соответствие с требованиями технической эксплуатации 109
4.1 Рекомендуемые дополнения в действующую нормативно-техническую документацию с учетом разработанного комплекса технических решений по обеспечению слива сжиженного углеводородного газа из автомобильного газового баллона 109
4.1.1 Рекомендуемые дополнения в ОСТ 37.001.653-99 111
4.1.2 Рекомендуемые дополнения в ТУ 152-12-008-99 114
4.1.3 Рекомендуемые дополнения в РД 3112194-1098-03 115
4.1.4 Рекомендуемые дополнения в РД 3112199-1094-03 117
4.2 Выводы по четвертой главе 118
5 Определение экономического эффекта при обеспечении безопасного слива сжиженного углеводородного газа из автомобильных газовых баллонов 120
5.1 Методика определения экономического эффекта от внедрения комплекса технических решений по обеспечению безопасного слива сжиженного углеводородного газа 120
5.2 Определение объема несанкционированно сливаемого сжиженного углеводородного газа из автомобильных газовых баллонов в атмосферу 127
5.3 Определение экономического ущерба окружающей среде от несанкционированного слива сжиженного углеводородного газа из автомобильных газовых баллонов в атмосферу 130
5.4 Выводы по пятой главе 133
Заключение 134
Список сокращений и условных обозначений 135
Список литературы
- Современные требования нормативно-правовой базы технической эксплуатации газобаллонных автомобилей, работающих на сжиженном углеводородном газе
- Пост слива сжиженного углеводородного газа на автогазозаправочной станции
- Оценка сходимости теоретических результатов с результатами экспериментальных исследований
- Определение объема несанкционированно сливаемого сжиженного углеводородного газа из автомобильных газовых баллонов в атмосферу
Современные требования нормативно-правовой базы технической эксплуатации газобаллонных автомобилей, работающих на сжиженном углеводородном газе
В настоящее время сложилась следующая структура потребителей газомоторного топлива: 82% всех автомобилей, использующих пропан-бутан, составляют легковые автомобили преимущественно отечественного производства и принадлежащих частным автовладельцам, а также малотоннажные грузовые автомобили (типа автомобиля «Газель») [2, 36]; 10% приходится на грузовой автотранспорт. Нужно отметить, что большинство газобаллонных автомобилей характеризуются высокими среднегодовыми пробегами до 30 тыс. км в год [54].
Применение газового топлива носит локальный характер [1, 8]. Предприятия по использованию газового топлива (СУГ либо КПГ) формируются в тех местах, где осуществляется добыча газа либо переработка нефти.
К примеру, в Омской области функционирует нефтеперерабатывающий завод, на котором в результате переработки нефти получают сжиженный нефтяной газ различного компонентного состава. Часть его идет в качестве сырья на завод СК, завод пластмасс, а остальное перекачивается на газораздаточную станцию, откуда он реализуется как газомоторное топливо и для коммунально-бытовых нужд. Перевод автомобильной техники на газомоторное топливо ведет к сокращению стоимости автоперевозок за счет разницы в цене на газомоторное топливо и бензин, что влечет за собой снижение издержек во всех отраслях экономики и социальной сфере, обеспечивает рост промышленного производства и жизненного уровня населения [54].
Процесс появления ГБА в нашей стране имел несколько исторических этапов, обусловленных экономическими и хозяйственными потребностями [120].
Газобаллонным считается автомобиль, у которого установлен газовый баллон. При этом автомобиль может работать на любом виде газомоторного топлива [109].
Первым этапом развития ГБА были 1938-1940 годы, когда были подготовлены к производству газобаллонные модификации автомобилей ЗИЛ и ГАЗ, а также ЗИС-156А (в последующем ЗИЛ-166А) и ГАЗ-51Ж. Данные автомобили выпускались с универсальной системой питания, т.е. приспособленной для работы как на бензине, так и на газовом топливе. Газобаллонная аппаратура была разработана в Научно-исследовательском автомоторном институте (НАМИ) и изготовлена на Московском карбюраторном заводе (МКЗ-НАМИ).
Второй этап развития ГБА, в послевоенные годы, связан с разработкой унифицированной газобаллонной аппаратуры, предназначенной для автомобилей ЗИЛ-130, ГАЗ-53, а также для модификаций автомобилей, использующих сжиженный нефтяной и сжатый природный газ в карбюраторных и газодизельных двигателях. Унифицированная газобаллонная аппаратура была разработана НАМИ и подготовлена к производству в 1960 г. В 1975 г. она стала производиться на вновь организованном Рязанском заводе автомобильной аппаратуры (РЗАА). С этого момента газобаллонная аппаратура называлась РЗАА-НАМИ. С Рязанского завода аппаратуру поставляли на автозаводы, которые на конвейерах выпускали газобаллонные автомобили ЗИЛ-138 (бортовой), ЗИЛ-138 В1 (седельный тягач), ЗИЛ-ММЗ-45023 (самосвал), ГАЗ-52-07 (бортовые и автомобили-фургоны), ГАЗ-53-07.
Третьим этапом в развитии ГБА следует считать период, начиная с 1985 года, когда вышло Постановление Правительства о широком использовании на автотранспорте альтернативных топлив. Разработанная в НАМИ газобаллонная аппаратура производилась в г. Новогрудок (Белоруссия), по технической документации СибАДИ комплекты ГБО для автомобилей ЖКХ изготавливались на предприятиях г. Омска. С 1990 г. производство комплектов ГБО для легковых автомобилей начали осваивать в г. Ленинграде (завод «Компрессор») по лицензии «Полиавто», в Перми (авиационный завод) – по техдокументации МАМИ (САГА), в Нижнем Тагиле (вагоностроительный завод) и в Москве (завод им. Хруничева) – по техдокументации НАМИ. Все разработанные комплекты ГБО предназначались для эжекционных систем питания. Эти комплекты дополнялись газовыми баллонами с вентилями, которые устанавливали на обечайке баллона либо на днище.
На сегодняшний день заводы-изготовители начали осваивать серийное производство ГБА. Так, ОАО «КамАЗ» налаживает выпуск автомобильной и сельскохозяйственной техники, работающей на КПГ [59]. С апреля 2010 г. компания «Группа ГАЗ» начала производство коммерческого автомобиля ГАЗ-33025 «ГАЗель-Бизнес», работающего на бензине и на СУГ [2].
С принятием в 2005 году в России технического регламента «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ» большая доля автопарка приходится на автомобили, оснащенные инжекционной системой подачи топлива и электронной системой управления работой двигателя (ЭСУД). В связи с этим, системы ГБО по конструктивным решениям и особенностям работы группируются по так называемым поколениям. Большая доля (88%) приходится на ГБО четвертого поколения, особенностью которого является управление работой газовых дозаторов (форсунок) специальным электронным блоком на основе обработки управляющих сигналов штатных бензиновых форсунок [28, 29]. Наряду с изменением принципов подачи газа в двигатель, менялась и конструкция запорно-предохранительной арматуры автомобильных баллонов. Газовые баллоны предназначены для хранения необходимого запаса газа на автомобиле. Количество газовых баллонов на автомобиле в настоящее время не ограничено [122].
Большая доля ГБА появляется в результате дооборудования серийных автомобилей с бензиновой системой питания различными комплектами ГБО, собранными на базе сертифицированного для конкретной категории транспортных средств подкапотного комплекта, как правило, брендового производителя (Lovato, BRC, OMVL, Valtec, ELPIGAS, НЗГА, САГА и т.д.) (рисунок 1.5).
Подкапотный комплект в этом случае дополняется газовым баллоном, как правило, отечественного производства и недорогой, но хорошо зарекомендовавшей себя запорно-предохранительной арматурой (Lovato, Atiker, BRC), называемой мультиклапаном (рисунок 1.6). Конструкция мультиклапана разработана в Италии и производится в различных странах.
Пост слива сжиженного углеводородного газа на автогазозаправочной станции
Пост проверки герметичности газовой системы питания располагается на контрольно-пропускном пункте (КПП). Контроль за герметичностью перед выездом автомобиля на линию и при возвращении его в АТП осуществляет дежурный механик.
На территории предприятия по обслуживанию газобаллонных автомобилей должен быть предусмотрен пост слива СУГ. Функциональное назначение поста связано с обеспечением безопасного проведения работ, связанных с нарушением герметичности, заменой и переосвидетельствованием баллонов, а также сварочных и малярных работ и хранения ГБА в помещениях, не отвечающих требованиям пожарной безопасности. На посту слива СУГ производится также дегазация внутренней полости баллонов.
Зона диагностики и ТО газобаллонной аппаратуры предназначена для диагностирования Д-1, Д-2 и выполнения контрольных, регулировочных, смазочных работ при ТО-1, ТО-2, сезонном обслуживании. Диагностирование является заключительным видом технических воздействий после проведения ТР и переоборудования. Въезд автомобилей в зону диагностики допускается своим ходом при работе двигателей на сжиженном газе. Регулировка газовой системы питания и снятие мощностных параметров при диагностировании разрешаются также при работе двигателя на СУГ.
В зоне ТР на двух постах производится текущий ремонт газовой системы питания (агрегатным методом) и принудительная замена конструктивных элементов, обеспечивающих безопасность эксплуатации газобаллонных автомобилей. Здесь же на специализированных постах осуществляется переоборудование бензиновых автомобилей (грузовых, легковых) для работы на СУГ. В зону ТР и переоборудования въезд автомобилей должен производиться только при работе двигателя на бензине, при закрытых расходных (магистральных) вентилях и выработанном из системы питания сжиженном газе.
Агрегаты, снятые с автомобиля, поступают на участок ремонта газовой аппаратуры. Здесь выполняют разборочно-моечные, слесарно-сборочные и кон 46 трольно-регулировочные работы. Участок имеет непосредственную связь с оборотным складом газовой аппаратуры.
Пункт освидетельствования предназначен для поддержания высокой надежности работы автомобильных газовых баллонов путем периодического их освидетельствования (1 раз в 2 года). В пункт для обеспечения достаточной производственной программы должны поступать на техническое переосвидетельствование баллоны из других автотранспортных предприятий, независимо от их ведомственной принадлежности и форм собственности. Работа пункта организуется в тесной связи со складом автомобильных газовых баллонов. В состав пункта освидетельствования входят: - участок пропарки автомобильных газовых баллонов; - участок испытания газовых баллонов; - участок ремонта запорно-предохранительной арматуры; - участок окраски и сушки автомобильных газовых баллонов; - компрессорная, предназначенная для обеспечения сжатым воздухом (давлением 0,5...0,6 МПа и 1,6...1,8 МПа) всех производственных участков, постов диагностики и ТО газобаллонной аппаратуры, зоны ТР и переоборудования автомобилей. На участке испытания газовых баллонов рабочее давление должно быть не менее 2,5 МПа, оно создается гидравлическим насосом шестеренчатого либо поршневого типа.
Склад служит для хранения новых, снятых с автомобилей порожних и дегазированных, а также прошедших переосвидетельствование баллонов.
Основные и возможные перемещения автомобилей и газобаллонной аппаратуры, взаимосвязь между отдельными подразделениями отражены на структурной схеме комплекса (рисунок 2.2).
Таким образом, для обеспечения эксплуатации ГБА согласно требованиям нормативных документов необходимо наличие описанного выше комплекса для ТО и ТР ГБА.
На сегодняшний день по данным Омской транспортной инспекции в г. Омске и Омской области зарегистрировано порядка 35 тыс. автомобилей, работаю 47 щих на СУГ. В г. Омске количество работающих АГЗС – 51 (рисунок 2.3), предприятий по монтажу ГБО и обслуживанию газобаллонных автомобилей – 28. Учитывая все это, следует отметить достаточную развитость инфраструктуры, обеспечивающей техническую эксплуатацию ГБА.
Необходимо отметить, что с 1985 года в регионе произошел интенсивный рост количества газобаллонных автомобилей (рисунок 2.4). До 1991 г. разрешение на переоборудование автомобилей для работы на СУГ получали только автомобили, находящиеся в предприятиях. Например, грузовые автомобили АТП и легковые автомобили (такси), зарегистрированные в таксопарках. К 1991 г. количество ГБА было около 1500 единиц. После 1991 г. возможность переоборудования автомобилей в газобаллонные получили и частные владельцы автомобилей. Именно это стало толчком в интенсивном росте количества ГБА в регионе, т.к. стоимость газового топлива была ниже в 4 раза по сравнению с бензином. К 2000 г. количество ГБА достигло 20 тыс. В этот период в городе интенсивно развивалась газовая инфраструктура, появились около 30 пунктов по переоборудованию и обслуживанию ГБА, а также АГЗС во всех районах города. В 2000-2013 гг. количество ГБА увеличивалось, но уже не так интенсивно (рисунок 2.4).
Оценка сходимости теоретических результатов с результатами экспериментальных исследований
Для проверки теоретически обоснованных параметров технологического процесса слива СУГ из автомобильного газового баллона были проведены экспериментальные испытания. Для проведения испытаний изготовлена экспериментальная установка, принципиальная схема которой представлена на рисунке 3.1.
Задачами экспериментов являются: - оценка работоспособности разработанного варианта поста слива СУГ и магистрали слива газа СУГ из автомобильного газового баллона, оборудованного мультиклапаном; - исследование изменений параметров технологического процесса слива СУГ от температуры окружающей среды.
Для проверки результатов теоретических исследований параметров технологического процесса слива СУГ (изменение массы жидкой фазы СУГ и времени слива СУГ от температуры окружающей среды) необходимо определить экспериментально:
Для исследования параметров технологического процесса слива СУГ была разработана экспериментальная установка, включающая пост слива СУГ из автомобильного газового баллона, оборудованного мультиклапаном и магистралью слива СУГ. Принципиальная схема и общий вид экспериментальной установки представлены на рисунках 3.1, 3.2. – баллон со сжатым природным газом; 2 – аккумуляторная батарея; 3 – редуктор ДКП-1-65;
Экспериментальная установка состоит из системы вытеснения СУГ, системы слива СУГ в резервуар и системы хранения СУГ. Система вытеснения СУГ включает в себя баллон со сжатым природным газом 1 объемом 50 литров, понижающий газовый редуктор 3, напорную магистраль в виде медной трубки диаметром 8 мм. Система слива СУГ представляет собой магистраль слива СУГ 9 из медной трубки диаметром 6 мм, соединяющую мультиклапан 7 и вентиль жидкой фазы 13 сливного резервуара 18. Магистраль слива СУГ подключена к расходной магистрали через тройник со скоростным клапаном 10 и имеет вентиль слива газа 11. Система хранения СУГ состоит из резервуара 18, в качестве которого предложен автомобильный газовый баллон емкостью от 130 л с ЗПА в виде отдельных вентилей на днище и контрольного манометра 12.
Для оценки работоспособности поста слива СУГ и магистрали слива СУГ из автомобильного газового баллона, оборудованного мультиклапаном, были проведены испытания.
Предел допускаемой абсолютной погрешности измерения температуры, С: в диапазоне -50,00...+199,99 С в диапазоне +200,0...+300,0 С ±0,05 ±0,2 Цена единицы младшего разряда измеряемой температуры, С: в диапазоне -50,00...+199,99 С в диапазоне +200,0...+300,0 С ±0,01 ±0,1 Рисунок 3.4 – Термометр лабораторный электронный ЛТ-300 Для измерения продолжительности слива СУГ применялся секундомер механический СОПпр-2а-2-000 (рисунок 3.5). Секундомер механический однострелочный простого действия с прерываемой работой часового механизма СОПпр-2а-2-000 предназначен для измерения интервалов времени. Основные технические характеристики секундомера механического СОПпр-2а-2-000 представлены в таблице 3.2.
Диапазон рабочих температур, С -4040 Срок энергетической автономности, ч, не менее Рисунок 3.5 – Секундомер механический СОПпр-2а-2-000 Для определения давления паров СУГ в сливном резервуаре применялся манометр точных измерений типа МТИ-1216. Технические характеристики манометра представлены в таблице 3.3. Таблица 3.3 – Технические характеристики манометра точных измерений МТИ-12 Параметр Значение
Для понижения давления сжатого природного газа, отбираемого из баллона, и автоматического поддержания этого давления в напорной магистрали неизменно применялся редуктор кислородный ДКП-1-65, технические характеристики которого представлены в таблице 3.4.
Максимальное давление газа на входе, МПа 25 Рабочее давление, МПа 0,1 до 2,5 Расход газа, м3/ч 7,5 до 60 Цена деления, МПа 0,1 Класс точности 4,0 Для определения скорости перемещения жидкой фазы СУГ из автомобильного газового баллона необходимо определить массу жидкой фазы СУГ, перетекающую из баллона в сливной резервуар. Для этого в экспериментальной установке использовались электронные весы МИДЛ-П 150. Технические характеристики весов представлены в таблице 3.5. Таблица 3.5 – Технические характеристики электронных тензометрических весов
Систематическая погрешность – составляющая погрешность измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющейся при повторных измерениях одной и той же величины [107]. К систематической погрешности в нашем случае относятся: погрешности секундомера, термометра, манометра, редуктора, весов.
Случайная погрешность – составляющая погрешность измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины [6, 33]. К случайной погрешности в нашем случае относится неточность, возникшая по вине лиц, проводящих эксперимент. Основным способом уменьшения случайных погрешностей является многократное измерение одной и той же физической величины [33]. Произведем расчет выборочной совокупности измерений, полученных при проведении эксперимента [107].
В элементарной теории ошибок, разработанной Гауссом, мерой случайной погрешности отдельного измерения является разница между среднеквадратичным значением измеряемой величины и конкретным замером значения [107].
Для повышения точности наблюдений экспериментов, они повторялись несколько раз в зависимости от их воспроизводимости. Обработка получаемых результатов осуществлялась с использованием методики, основанной на законах математической статистики [42, 107, 124]. После проведения экспериментов вычислялось среднее арифметическое значение отдельных наблюдений у.
Определение объема несанкционированно сливаемого сжиженного углеводородного газа из автомобильных газовых баллонов в атмосферу
Собранная информация обрабатывалась с помощью методов теории вероятности и математической статистики [107]. Вычислялись значения выборочной дисперсии ошибок измерений и средняя квадратичная ошибка. Допустимые отклонения среднего арифметического Ау от истинного значения измеряемой величины у определялось по формуле
Значение критерия Стьюдента определялось по таблице из источника [107] для доверительной вероятности 0,95. Расчет величины доверительных интервалов производился по методике, приведенной в [107]. Результаты расчетов представлены в приложении Б.
Результаты расчетов объема сливаемого газа и величины доверительных интервалов представлены на рисунке 5.2.
Исходя из проведенного анализа статистической информации, можно сказать, что ежегодно из-за нарушения технологии обслуживания ГБА в атмосферу города Омска выбрасывается Q=5082±166 кг сжиженного пропан-бутанового газа с доверительной вероятность 0,95.
Определение экономического ущерба окружающей среде от несанкционированного слива сжиженного углеводородного газа из автомобильных газовых баллонов в атмосферу Необходимо определить экономический ущерб, наносимый загрязнением. Под экономическим ущербом понимаются негативные изменения основных свойств окружающей природной среды, выраженные в денежной форме [3, 7, 10]. Для определения экономического ущерба разработаны и применяются два методических подхода: метод прямого счета и метод обобщающих косвенных оценок. Метод прямого счета, разработанный К.Г. Гофманом, А.А. Гусевым в 70-е годы, охватывает широкий спектр потерь: от затрат на ликвидацию последствий загрязнения окружающей среды до расходов в здравоохранении и социальном обеспечении, связанных с ростом заболеваемости [27, 129]. Для столь объемных расчетов требуется привлечение специалистов разного профиля, поэтому на практике применяют упрощенный метод, изложенный в нормативном документе, разработанном Государственным комитетом Российской Федерации по охране окружающей среды [13, 52].
Согласно приложению 6 типовой методики [13, 52], экономическая оценка ущерба, причиняемого годовыми выбросами загрязнений в атмосферный воздух, определяется по формулам (5.23)-(5.25). Результаты расчета массы годового выброса загрязнений от слива СУГ в окружающую среду при эксплуатации в г. Омске 35 тыс. ГБА приведены в таблице 5.2.
Эффект природоохранных мероприятий представляет собой предотвращенный ущерб в результате улучшения состояния окружающей среды [32, 34]. Разность предотвращенного ущерба и необходимых для этого издержек показывает величину абсолютного эффекта.
Для предотвращения ущерба окружающей среде необходимо оборудовать пост слива СУГ. Расчет капитальных вложений в строительство поста на АГЗС и АТП представлен в таблице 5.3, цены взяты из Интернет-сайтов www.azs-snab.ru и www.juza.ru.
При строительстве поста слива СУГ на АГЗС эффект природоохранных мероприятий составит 11441000 руб., на АТП – 12209000 руб.
Авторами предложены варианты оборудования поста слива СУГ на АГЗС [96] и на АТП [93], причем на вариант оборудования поста слива СУГ на АТП получен патент на полезную модель [72].
Для обеспечения слива газа из автомобильного газового баллона необходимо внести изменения в схему питания двигателя газом, а именно, добавить тройник 9, вентиль 10 и ВЗУ без обратного клапана 11 [87]. На модернизацию системы питания авторами получен патент на полезную модель [71]. 1. Предложена методика определения экономического эффекта от внедрения комплекса взаимосвязанных технических решений по обеспечению безопасного слива СУГ. 2. В результате сбора статистической информации определен объем газа, ежегодно сливаемого в атмосферу города Омска. 3. Определен экономический эффект при предотвращении ущерба окружающей среде при организации постов слива СУГ и соблюдении требований нормативно-технической документации при технической эксплуатации ГБА, работающих на СУГ.
