Admin

Мировые тенденции применения природного газа на локомотивах

Компанией «Caterpillar» (США) были разработаны две технологии для работы дизелей EMD 710 на сжиженном природном газе (LNG). Первая технология основана на динамическом смешивании газа (DGB), вторая — на непосредственном впрыске газа (DIG).

Технология DGB позволяет заместить природным газом более 60 % потребляемого дизельного топлива. При использовании данной технологии управляемый компьютером небольшой клапан открывается и газовоздушная смесь подается в цилиндр, где происходит ее сжатие. Перед достижением верхней точки хода поршня через инжектор поступает дизельное топливо, воспламенение которого инициирует горение природного газа. Локомотив при этом может также эксплуатироваться только на дизельном топливе. Данная технология обеспечивает поддержание уровня мощности и технических характеристик в переходных режимах, а также надежности дизельных двигателей; сохранение на прежнем уровне интервалов технического обслуживания как у обычных тепловозов. Эксплуатационные испытания технологии DGB проводятся на протяжении более чем двух лет. Пробег локомотива составил около 64 тыс. км.

Технология DIG предполагает подачу природного газа в двигатель на стадии сжатия. Тем самым устраняется проблема чрезмерно раннего самовоспламенения топлива, что дает возможность двигателю работать так же, как при использовании дизельного топлива. Поскольку при подаче природного газа необходимо преодолеть давление в цилиндре, а впрыск должен быть произведен в течение короткого промежутка времени, то газ поступает под высоким давлением с помощью специального инжектора. При использовании такого инжектора для воспламенения смеси требуется небольшое количество дизельного топлива (5 % объема смеси). Испытания двигателей по данной технологии проводились в течение более чем 100 тыс. ч.


Серийное производство локомотивов, работающих на сжиженном природном газе по обеим технологиям, должно начаться в ближайшее время. Администрация по энергетической информации США (EIA) оценила преимущества использования сжиженного природного газа на локомотивах.

В 2016 г. железной дорогой Florida East Coast (FECR, США) был начат полный цикл эксплуатационных испытаний локомотивов на двух видах топлива (дизельном и LNG) на линии Джексонвилл — Майами. Железная дорога FECR проводила ранее испытания локомотивов на сжиженном природном газе на линии Джексонвилл — Нью-Смирна Бич. Расположенная в Нью-Йорке компания «Fortress Investment Group» владеет железной дорогой FECR и компаниями «New Fortress Energy» и «Florida East Coast Industries». Заводы по производству сжиженного природного газа расположены в Майами и Титусвилле (Мыс Канаверал). Компания «New Fortress Energy» отмечает, что железная дорога FECR планирует перевести весь парк магистральных локомотивов на LNG. Производственная мощность завода в Майами составляет порядка 450 тыс. м3 LNG ежедневно.

Компания «Union Pacific» (США) оценивает сжиженный природный газ как потенциальное топливо для локомотивов, обеспечивающее безопасность, энергоэффективность и экологичность. Путем проведения испытаний и анализа компания намерена определить, является ли LNG в качестве локомотивного топлива надежным и экономичным. В первую очередь оценивается безопасность. Являясь членом Ассоциации американских железных дорог, «Union Pacific» постоянно подготавливает стандарты LNG, которые включают требования безопасности и интероперабельности для железных дорог США.


В России также планируется внедрять локомотивы и поезда на природном газе, особенно для пассажирских перевозок. Поезда дальнего следования на природном газе будут являться конкурентами такого транспорта как автобус Керчь - Киев - Керчь.

«Union Pacific» планирует испытывать LNG в качестве локомотивного топлива. Компания имеет долгосрочную оперативную программу обучения персонала. Все сотрудники, принимающие участие в испытаниях LNG, получают соответствующее образование. Компания будет всесторонне освещать ход проведения испытаний для всех участников процесса, особенно это касается вопросов безопасности.

Железные дороги Индии (IR) приняли решение об использовании сжиженного природного газа для пассажирских перевозок. В планах оператора имеется перевод всего парка собственных локомотивов на двойное питание дизельным топливом и LNG. Моторные вагоны дизель-поездов должны быть переоборудованы для использования LNG в качестве топлива. Ожидается сокращение потребления дизельного топлива на 20 %. Для достижения этого показателя все локомотивы должны быть переоборудованы на использование LNG с обеспечением необходимого уровня безопасности.

Внедрение LNG происходит на фоне роста цен на нефть. Большинство компаний подняли цены на дизельное топливо более чем 1,8 индийских рупий за 1 л. Использование LNG должно принести значительную экономию для железных дорог. Правительство Индии заключило в декабре 201 б г. долгосрочное соглашение с компанией «Petronet LNG Ltd», которое предусматривает сокращение стоимости LNG почти в 2 раза.

IR разработали программу, согласно которой должны быть переоборудованы новые и эксплуатируемые моторные вагоны дизель-поездов для использования двух видов топлива. Переоборудованные моторные вагоны будут иметь большую безопасность и защиту. Первоначально предполагается подвергнуть переделке все новые и имеющие пробег 18 тыс. ч двигатели Cummins 1400 HP.

При этом должно также быть обеспечено безопасное хранение LNG. Используемые топливные баки для LNG будут изготавливаться с особой тщательностью, поскольку они устанавливаются на платформы, движущиеся с большой скоростью. Необходимо также предусмотреть установку автоматических систем безопасности и сигнализации с ручным управлением.

Использование сжатого природного газа (CNG) как альтернативы топливу также было исследовано на дизелях для дизель-поездов. Они показали экономию до 30 % в эксплуатации и техническом обслуживании, что составляет примерно 2,7 млн. индийских рупий на 1 двигатель в год. Однако использование LNG более экономически целесообразно для коммерческой эксплуатации.

IR планируют отправить группу специалистов в Россию и США с целью проработки организации поставки локомотивов, способных работать на сжиженном и сжатом природном газе.

Железнодорожной отрасли Индии была поставлена задача сокращения к 2030 г. выбросов углеродов на 33 %. IR намерены не только приобрести, но и разработать собственный опытный образец LNG локомотива. Газовые двигатели рассчитаны также и на внутрисистемный спрос со стороны индийских исследовательских космических структур и других организаций. IR располагают всеми возможностями для выполнения подобных разработок. Также IR намерены нарастить долю CNG в качестве топлива для дизельного моторвагонного подвижного состава с электрической передачей. Начиная с января 2016 г., IR начали применять такую систему тяги на направлении Ревари — Рохтак.

В качестве демонстрации новой технологии был представлен первый поезд на CNG. Изначально IR планируют изучить количество требуемых модификаций, подготовить технико-экономическое обоснование и разработать базовые экологические требования. Итоговой задачей станет создание газотурбинного LNG двигателя.

IR ежегодно потребляет огромное количество электроэнергии. Согласно заявлениям официальных лиц, будущее производство электроэнергии будет базироваться на газотурбинных установках. Однако наличие запасов природного газа в Индии достаточно низкое. Его потребление выросло с 35,80 млрд, м3 в 2006 — 2007 гг. до 46,62 млрд, м3 в 2015 — 2016 гг. Поставки импортного газа в Индию подскочили с 9,03 млрд, м3 в 2006 — 2007 гг. до 21,31 млрд, м3 в 2016 г. Основным поставщиком газа в Индию является Катар.


Предпринимаемые усилия помогут Индии в стремлении сократить объем вредных выбросов, заявленный на Конференции ООН по климату в Париже в 2015 г., и консолидировать свою позицию в плане борьбы за экологию.

Индонезийская железнодорожная корпорация и частная нефтегазовая компания «Pertamina» в опытном режиме осуществляют поставку LNG для станций заправки поездов. Ожидается, что начиная с апреля 2018 г. LNG потребуется для коммерческого использования.

Испытания доказали, что LNG намного более эффективен для станций заправки. Его применение оказывается до 80 % эффективнее по сравнению с дизельным топливом.

Поезд на LNG может эксплуатироваться на линии Джокьякарта — Сурабая (Восточная Ява). Министерство энергетики и минеральных ресурсов Индонезии считает, что использование LNG для тяги поездов является важным этапом для правительства, так как оно широко поддерживает переход топлива для транспорта от нефтяного к газовому.

На сегодняшний день потребление топлива в Индонезии для перевозок достигает 82 %, что пока еще очень далеко от планов, поставленных правительством (до 20 % к 2025 г.).

Национальный оператор железных дорог Испании «Renfe» планирует провести экспериментальные исследования для оценки возможностей использования LNG в качестве топлива.

В них примут участие газовые компании «Gas Natural Fenosa» и «Enagas», институт «Cerda», предприятие по ремонту подвижного состава ARMF и сертификационная компания «Bureau Veritas».

На двухвагонном дизель-поезде серии 2600, предназначенном для линий колеи 1000 мм, планируется заменить один из двух дизелей двигателем, работающим на LNG, и сравнить характеристики двигателей в процессе эксплуатации. Переоборудованный поезд будет курсировать по участку Трубия — Фигаредо (провинция Астурия) протяженностью 20 км.

Предполагается, что применение LNG позволит снизить уровень вредных выбросов и сократить затраты на топливо, в связи с чем может представлять собой потенциальную альтернативу электрификации на отдельных участках. Проведение испытаний поможет оператору оценить технические возможности реализации проекта (в частности, определить необходимую потребность в хранилищах газа).

Оператор «Rente» работает над решением задачи сокращения к 2020 г. выбросов диоксида углерода ниже уровня 20 г на 1 пассажиро-км. В настоящее время доля дизельной тяги на железных дорогах Испании составляет 32 % по сравнению с 41 % в 1990 г.

Серийное производство газотурбовозов ГТ1 h планируется начать в России на Людиновском тепловозостроительном заводе (входит в холдинг АО «Синара — Транспортные Машины). На ведущем в России предприятии ПАО «Кузнецов» в Самаре налажено производство газотурбинных двигателей.

Сегодня ГТ1 h — самый мощный локомотив. В качестве силовой установки на нем используется газотурбинный двигатель, который работает на LNG. Газотурбовоз ГТ1 h в 2009 г. был занесен в Книгу рекордов Гиннеса — тогда он провел грузовой состав из 159 вагонов весом 15 тыс. т.

Первый магистральный газотурбовоз TTIh-OOl успешно выдержал сертификационные испытания и сейчас работает на Свердловской дороге.

Позднее был выпущен второй образец газотурбовоза ГТ1 h-002. Подконтрольная его эксплуатация на той же дороге проходит успешно. От первого локомотива он отличается экипажной частью, конструкцией кузова и емкости для сжиженного природного газа, гибридной силовой энергетической установкой с накопителями электрической энергии (мощной тяговой аккумуляторной батареей), а также более безопасной системой газоподготовки.

Газотурбовоз ГТ1 h с двигателем НК-361, выпущенным ПАО «Кузнецов», показал ббльшую удельную мощность по сравнению с современным грузовым электровозом. По расчетам производителей, дальнейшее совершенствование силовой турбины двигателя НК-361 позволит снизить расход топлива на 9,5 %.

Стоимость жизненного цикла газотурбовоза на 15 % меньше, чем электровоза, а сервисное обслуживание силового блока как минимум на треть дешевле, чем дизельных двигателей. На сегодня ключевым вопросом расширения парка газотурбовозов становится строительство для них газозаправочных станций. Соответствующая программа уже утверждена ОАО «РЖД» и ПАО «Газпром».

Людиновский тепловозостроительный завод готов к серийному выпуску газотурбовозов. Так, на предприятии были запущены специальные стенды, оборудованные роботизированным комплексом по сварке несущих металлоконструкций. Планируется роботизировать также сварку шкворневых балок тележек.


Опыт эксплуатации первых машин на газомоторном топливе позволяет ученым приступить к проектированию газотурбовоза следующего поколения с КПД, достигающим величины 35 — 43% (у ГТ1 h он составляет 30 %) в широком диапазоне нагрузок. По прогнозам ученых МГТУ им. Баумана, данный проект может стать реальностью уже через 5 — 7 лет.
По материалам журналов «Railway Аде», «Railway Gazette International», информации компаний «Florida East Coast», «Union Pacific»

Инж. П.А. ПОЛИН, г. Москва

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК