2411-3336 2541-9404 Записки Горного института Journal of Mining Institute Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины ΙΙ Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University 10.31897/PMI.2021.5.12 pmi-14647 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/14647 Геотехнология и инженерная геология Geotechnical Engineering and Engineering Geology Natural gas methane number and its influence on the gas engine working process efficiency Метановое число природного газа и его влияние на эффективность рабочего процесса газового двигателя Didmanidze Otari N. Дидманидзе О. Н. Didmanidze Otari N. didmanidze@rgau-msha.ru 0000-0003-2558-0585 Российский государственный аграрный университет им. К.А.Тимирязева (Россия) Russian State Agrarian University named after K.A.Timiryazev (Russia) Afanasev Aleksandr S. Афанасьев А. С. Afanasev Aleksandr S. a.s.afanasev@mail.ru 0000-0002-0272-2387 Санкт-Петербургский горный университет (Санкт-Петербург, Россия) Saint Petersburg Mining University (Saint-Petersburg, Russia) Khakimov Ramil T. Хакимов Р. Т. Khakimov Ramil T. haki7@mail.ru 0000-0003-4858-3586 Санкт-Петербургский государственный аграрный университет (Санкт-Петербург, Россия) Saint Petersburg State Agrarian University (Saint Petersburg, Russia) 16 12 2021 2021 251 730 737 24 12 2020 18 10 2021 16 12 2021 © 2021 О. Н. Дидманидзе, А. С. Афанасьев, Р. Т. Хакимов © 2021 Otari N. Didmanidze, Aleksandr S. Afanasev, Ramil T. Khakimov 2021 О. Н. Дидманидзе, А. С. Афанасьев, Р. Т. Хакимов Otari N. Didmanidze, Aleksandr S. Afanasev, Ramil T. Khakimov Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC BY 4.0) https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/14647

Использование природного газа в качестве моторного топлива в горнодобывающей промышленности является одной из приоритетных задач государства. В статье уделяется особое внимание компонентному составу природного газа с точки зрения его тепловой эффективности в процессе сжигания в камере сгорания энергосиловой установки на большегрузном автомобиле в сложных карьерных условиях. Для этого рассматриваются отечественные и зарубежные методики определения основного показателя, характеризующие детонационную стойкость топлива в процессе сгорания, – метанового числа. Улучшение технико-экономических показателей будет осуществляться путем изменения состава газовой смеси на основе метана под конструктивные особенности газовой энергосиловой установки, определяющим показателем станет метановое число. Представлен теоретический анализ влияния метанового числа на такие показатели двигателя, как степень сжатия и максимум скорости распространения фронта пламени во второй фазе сгорания в цилиндре двигателя, выражаемый через угол поворота коленчатого вала. По результатам теоретических и экспериментальных исследований получены зависимости влияния метанового числа на эффективность рабочего процесса двигателя и его внешняя скоростная характеристика.

The natural gas usage as a vehicle fuel in the mining industry is one of the priority tasks of the state. The article pays special attention to the component composition of natural gas from the point of view of its thermal efficiency during combustion in the combustion chamber of a power plant on a heavy-duty vehicle in difficult quarry conditions. For this, domestic and foreign methods for determining the main indicator characterizing the knock resistance of fuel in the combustion process – the methane number – are considered. Improvement of technical and economic indicators will be carried out by changing the composition of the gas mixture based on methane to fit the design features of the gas power plant, the methane number will be the determining indicator. A theoretical analysis of the influence of the methane number on such engine parameters as the compression ratio and the maximum speed of the flame front propagation in the second phase of combustion in the engine cylinder, expressed through the angle of rotation of the crankshaft, is presented. Based on the results of theoretical and experimental studies, the dependences of the influence of the methane number on the efficiency of the working process of the engine and its external speed characteristic were obtained.

 Ключевые слова природный газ газовая энергосиловая установка метановое число газовые смеси энергоэффективность многофакторный регрессионный анализ Keywords natural gas gas power plant methane number gas mixtures energy efficiency multivariate regression analysis Афанасьев А.С. Влияние режимов использования дизеля на дымность отработавших газов / А.С.Афанасьев, Р.Т.Хакимов, С.М.Загорский // Технико-технологические проблемы сервиса. 2014. № 2 (28). С. 56-58. Afanasyev A.S., Khakimov R.T., Zagorski S.M. Effect of smoke on the use of diesel exhaust gases. Tekhniko-tekhnologicheskie problemy servisa. 2014. N 2 (28), p. 56-58 (in Russian). Барсук Н.Е. «Зеленый» газ в газотранспортной системе Европы / Н.Е.Барсук, М.П.Хайдина, С.А.Хан // Газовая промышленность. 2018. № 10. С. 104-109. Barsuk N.E., Khaidina M.P., Khan S.A. "Green" gas in the gas transmission system of Europe. Gazovaya promyshlennos. 2018. N 10, p. 104-109 (in Russian). Выбор работы малолитражного двигателя работающего на смеси природного газа и водорода / Ф.И.Абрамчук, А.Н.Кабанов, Р.Маамри и др. // Автомобильный транспорт. 2011. № 29. С. 152-159. Abramchuk F., Kabanov O., Maamri R. et al. Choosing of performance parameters of light-duty engine running on natural gas and hydrogen mixture. Avtomobilnyi transport. 2011. N 29, p. 152-159 (in Russian). Газомоторные топлива на основе метана. Анализ требований к качеству и исходному сырью / Л.А.Гнедова, К.А.Гриценко, Н.А.Лапушкин и др. // Вести газовой науки. Современные технологии переработки и использования газа. 2015. № 1 (21). С. 86-97. Gnedova L.A., Gritsenko K.A., Lapushkin N.A. et al. Gas engine fuels based on methane. Analysis of requirements for quality and raw materials. Vesti gazovoi nauki. Sovremennye tekhnologii pererabotki i ispolzovaniya gaza. 2015. N 1 (21), p. 86-97 (in Russian). Гилязиев М.Г. Учет совместного влияния потерь давления во входном и выхлопном трактах газоперекачивающих агрегатов на мощность и расход топливного газа газотурбинной установки // Новые направления инновационной деятельности на предприятиях газовой промышленности. М.: Конверт, 2018. С. 175-184. Gilyaziev M.G. Taking into account the combined effect of pressure losses in the inlet and exhaust ducts of gas-pumping units on the power and fuel gas consumption of a gas turbine unit. Novye napravleniya innovatsionnoi deyatelnosti na predpriyatiyakh gazovoi promyshlennosti. Мoscow: Konvert, 2018, p. 175-184 (in Russian). Дидманидзе О.Н. Исследования показателей тепловыделения газовых двигателей / О.Н.Дидманидзе, А.С.Афанасьев, Р.Т.Хакимов // Записки Горного института. 2018. Т. 229. С. 50-55. DOI: 10.25515/PMI.2018.1.50 Didmanidze O.N., Afanasev A.S., Khakimov R.T. Research of heat generation indicators of gas engines. Journal of Mining Institute. 2018. Vol. 229, p. 50-55. DOI: 10.25515/PMI.2018.1.50 Жоу Д. Расширенная необратимая термодинамика / Д.Жоу, Х.Касас-Баскес, Дж.Лебон. Ижевск: Научно-исследовательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2006. 528 с. Zhou D., Kasas-Baskes Kh., Lebon Dzh. Extended irreversible thermodynamics. Izhevsk: Nauchno-issledovatelskii tsentr “Regulyarnaya i khaoticheskaya dinamika”, Institut kompyuternykh issledovanii, 2006, p. 528 (in Russian). Зайченко В.М. Пиролиз углеводородов на углеродных матрицах / В.М.Зайченко, И.Л.Майков. М.: Недра, 2014. 235 с. Zaichenko V.M., Maikov I.LPyrolysis of hydrocarbons on carbon matrices. Мoscow: Nedra, 2014 , p. 235 (in Russian). Иванов С.С. Требования к подготовке растворенного газа для питания газопоршневых двигателей / С.С.Иванов, М.Ю.Тарасов // Нефтяное хозяйство. 2011. № 1. С. 102-105. Ivanov S.S., Tarasov M.Yu. Requirements for the associated gas treatment for gas-cylinder engines supply. Oil Industry. 2011. N 1, p. 102-105 (in Russian). Ильина М.Н. Требования к подготовке попутного нефтяного газа для малой энергетики // Известия Томского политехнического университета. Энергетика. 2007. Т. 310. № 2. С. 167-171. Ilina M.N. Requirements for the preparation of associated petroleum gas for small-scale power generation. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Energetika. 2007. Vol. 310. N 2 , p. 167-171 (in Russian). Проблемы оценки детонационной стойкости КПГ / Л.А.Гнедова, К.А.Гриценко, Н.А.Лапушкин и др. // Транспорт на альтернативном топливе. 2011. № 5 (23). С. 53-56. Gnedova L.A., Gritsenko K.A., Lapushkin N.A. et al. Evaluation of CNG knock resistance. Alternative Fuel Transport. 2011. N 5 (23), p. 53-56 (in Russian). Разработка технологии глубокой перекачки газа из ремонтируемых участков магистральных газопроводов с использованием мобильной компрессорной станции / Р.А.Кантюков, И.М.Тамеев, С.А.Зимняков и др. // Наука и техника в газовой промышленности. 2011. № 1 (45). С. 49-52. Kantyukov R.A., Tameev I.M., Zimnyakov S.A. et al. Development of technology for deep pumping of gas from the repaired sections of main gas pipelines using a mobile compressor station. Nauka i tekhnika v gazovoi promyshlennosti. 2011. N 1 (45), p. 49-52 (in Russian). Разработка математической модели участка газотранспортной системы / Р.Р.Кантюков, М.С.Тахавиев, М.Г.Гилязиев и др. // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2015. № 2. С. 3-7. Kantyukov R.R., Tahaviev M.S., Gilyaziev M.G. et al. The development of mathematical model of gaz-transport system area. Transport and storage of oil products and hydrocarbons. 2015. N 2, p. 3-7 (in Russian). Тарасов М.Ю. Подготовка нефтяного газа для питания газо-поршневых электростанций / М.Ю.Тарасов, С.С.Иванов // Нефтяное хозяйство. 2009. № 2. C. 46-49. Tarasov M.Yu., Ivanov S.S. Preparation of petroleum gas to power gas piston power plants. Neftyanoe khozyaistvo. 2009. N 2, p. 46-49 (in Russian). Утилизация нефтяного попутного газа на промыслах / А.Г.Гумеров, С.Г.Бажайкин, Е.З.Ильясова, Л.А.Авдеева. Уфа: Институт проблем транспорта энергоресурсов Республики Башкортостан, 2010. 111 с. Gumerov A.G., Bazhaikin S.G., Ilyasova E.Z., Avdeeva L.A. Utilization of associated petroleum gas in the fields. Ufa: Institut problem transporta energoresursov Respubliki Bashkortostan, 2010, p. 111 (in Russian). Хакимов Р.Т. Методы определения метанового числа компонентного состава природного газа / Р.Т.Хакимов, О.Н.Дидманидзе, М.И.Шереметьева // Сборник трудов III Всероссийской (с международным участием) научно-практической конференции научных, научно-педагогических работников, аспирантов и студентов «Современные транспортные технологии: задачи, проблемы, решения», 22 марта 2019, Челябинск, Россия. Южно-Уральский институт управления и экономики, 2019. С. 74-84. Khakimov R.T., Didmanidze O.N., Sheremeteva M.I. Methods for determining the methane number of the component composition of natural gas Sbornik trudov III Vserossiiskoi (s mezhdunarodnym uchastiem) nauchno-prakticheskoi konferentsii nauchnykh, nauchno-pedagogicheskikh rabotnikov, aspirantov i studentov “Sovremennye transportnye tekhnologii: zadachi, problemy, resheniya”, 22 March 2019, Chelyabinsk, Rossiya. Yuzhno-Uralskii institut upravleniya i ekonomiki, 2019, p. 74-84 (in Russian). Хакимов P.Т. Влияние характеристик выгорания на показатели рабочего цикла газового двигателя при использовании электронной системы управления // Грузовик. 2008. № 4. С. 27-29. Khakimov P.T. Influence of burnout characteristics on the performance of a gas engine operating cycle when using an electronic control system. Gruzovik. 2008. N 4, p. 27-29 (in Russian). Шахтный газ – моторное топливо для двигателей внутреннего сгорания / В.А.Пылев, А.А.Прохоренко, С.А.Кравченко и др. // Общие проблемы двигателестроения. 2007. № 1. С. 10-15. Pylev V.A., Prohorenko A.A., Kravchenko S.A. et al. Mine gas – motor fuel for explosion engines. Internal Combustion Engines. 2007. N 1, p. 10-15 (in Russian). Anthropogenic and natural radiative forcing // Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, 2013. P. 659-740. DOI: 10.1017/CBO9781107415324 Anthropogenic and natural radiative forcing. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, 2013, p. 659-740. DOI: 10.1017/CBO9781107415324 Backman M. Biomethane use in Sweden / M.Backman, M.Rogulska // The Archives of Automotive Engineering. 2016. Vol. 71. № 1. P. 7-19. DOI: 10.14669/AM.VOL71.ART1 Backman M., Rogulska M. Biomethane use in Sweden. The Archives of Automotive Engineering. 2016. Vol. 71. N 1, p. 7-19. DOI: 10.14669/AM.VOL71.ART1 Billig E. Renewable methane – A technology evaluation by multi-criteria decision making from a European perspective / E.Billig, D.Thraen // Energy. 2017. Vol. 139. P. 468-484. DOI: 10.1016/j.energy.2017.07.164 Billig E., Thraen D. Renewable methane – A technology evaluation by multi-criteria decision making from a European perspective. Energy. 2017. Vol. 139, p. 468-484. DOI: 10.1016/j.energy.2017.07.164 Coupled weather research and forecasting-stochastic timeinverted lagrangian transport (WRF-STILT) model / T.Nehrkorn, J.Eluszkiewicz, S.C. Wofsy et al. // Meteorol Atmos Phys. 2010. Vol. 107. P. 51-64. DOI: 10.1007/s00703-010-0068-x Nehrkorn T., Eluszkiewicz J., Wofsy S.C. et al. Coupled weather research and forecasting-stochastic timeinverted lagrangian transport (WRF-STILT) model. Meteorol Atmos Phys. 2010. Vol. 107, p. 51-64. DOI: 10.1007/s00703-010-0068-x Effects of hydraulic resistance and heat losses on deflagration-to-detonation transition / L.Kagan, D.Valiev, M.Liberman et al. // Pulsed and continuous detonation. 2010. P. 108-112. Kagan L., Valiev D., Liberman M. et al. Effects of hydraulic resistance and heat losses on deflagration-to-detonation transition. Pulsed and continuous detonation. 2010, p. 108-112. Fallde M. Towards a sustainable socio-technical system of biogas for transport: the case of the city of Linköping in Sweden / M.Fallde, M.Eklund // Journal of Cleaner Production. 2015. Vol. 98. P. 17-28. DOI: 10.1016/j.jclepro.2014.05.089 Fallde M., Eklund M. Towards a sustainable socio-technical system of biogas for transport: the case of the city of Linköping in Sweden. Journal of Cleaner Production. 2015. Vol. 98, p. 17-28. DOI: 10.1016/j.jclepro.2014.05.089 Malenshek M. Methane number testing of alternative gaseous fuels / M.Malenshek, D.B.Olsen // Fuel. 2009. Vol. 88. P. 650-656. DOI: 10.1016/j.fuel.2008.08.020 Malenshek M., Olsen D.B. Methane number testing of alternative gaseous fuels. Fuel. 2009. Vol. 88, p. 650-656. DOI: 10.1016/j.fuel.2008.08.020 Mathematical Model and 3D Numerical Simulation of Heat and Mass Transfer in Metal-hydride Reactors / V.I.Artemov, O.V.Borovskih, D.O.Lazarev et al. // 17th World Hydrogen Energy Conference (WHEC 2008), 15-19 June 2008. Brisbane, Australia. WHEC, 2008. P. 628-631. Artemov V.I., Borovskih O.V., Lazarev D.O. et al. Mathematical Model and 3D Numerical Simulation of Heat and Mass Transfer in Metal-hydride Reactors. 17th World Hydrogen Energy Conference (WHEC 2008), 15-19 June 2008. Brisbane, Australia. WHEC, 2008, p. 628-631. Quantifying sources of methane using light alkanes in the Los Angeles basin, California / J.Peischl, T.B.Ryerson, J.Brioude et al. // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2013. Vol. 118. Iss. 10. P. 4974-4990. DOI: 10.1002/jgrd.50413 Peischl J., Ryerson T.B., Brioude J. et al. Quantifying sources of methane using light alkanes in the Los Angeles basin, California. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2013. Vol. 118. Iss. 10, p. 4974-4990. DOI: 10.1002/jgrd.50413 Study on Performance and Exhaust Gas Characteristics of Directly Injected CNG Engine / S.W.Lee, Doo-Sung Baik, T.Rogers, P.Petersen // International Journal of Bio-Science and Bio-Technology. 2014. Vol. 6. № 2. P. 179-186. DOI: 10.14257/ijbsbt.2014.6.2.18 Lee S.W., Baik Doo-Sung, Rogers T., Petersen P. Study on Performance and Exhaust Gas Characteristics of Directly Injected CNG Engine. International Journal of Bio-Science and Bio-Technology. 2014. Vol. 6. N 2, p. 179-186. DOI: 10.14257/ijbsbt.2014.6.2.18 Schart J. ERGaR: Tool for Cross Border Transfer and Mass Balancing Biomethane within the European Natural Gas Network / J.Schart, A.Kovacs // Workshop: Biomethane in the Natural Gas Network. Brussels, 2017. URL: http://www.ergar.org/wp-content/uploads/2016/11/Jesse-Scharf-ERGaR-Greenweek.pdf (дата обращения: 17.11.2021). Schart J., Kovacs A. ERGaR: Tool for Cross Border Transfer and Mass Balancing Biomethane within the European Natural Gas Network. Workshop: Biomethane in the Natural Gas Network. Brussels, 2017. URL: http://www.ergar.org/wp-content/uploads/2016/11/Jesse-Scharf-ERGaR-Greenweek.pdf (дата обращения: 17.11.2021).