В настоящее время в РФ тепловозами осуществляется около 25 % общего объема перевозок грузов. В стране более 47 тыс км не электрифицированных дорог. Многие проектируемые железные дороги, особенно к местам добычи полезных ископаемых, вообще не целесообразно электрифицировать. На этих дорогах тяга поездов может осуществляться только тепловозами. С учетом дефицита дизельного топлива и экологических преимуществ перевод тепловозов на газовое топливо является важной задачей.
Работы по созданию газотепловозов были начаты в 1980-х гг. На Луганском тепловозостроительном заводе были построены три опытных магистральных газодизельных тепловоза, каждый из которых состоял из двух тяговых секций и одного тендера с двумя криогенными емкостями производства НПО «Криогенмаш» для размещения . На тепловозах 2ТЭ/ОГ в качестве силового агрегата был применен двухтактный газодизель типа ЮД 100 производства Харьковского завода, на тепловозе 2ТЭ116Г — четырехтактный дизель типа Д49 производства Коломенского завода.
К настоящему времени в России наиболее полно проработана проблема создания маневрового газотепловоза, работающего на , создан и испытан макетный образец маневрового газотепловоза типа ТЭМ2УГ. В составе этого газотепловоза на испытательном полигоне проведены сдаточные межведомственные испытания газодизельгенератора ГДГ50, которые подтвердили ожидаемые результаты. Его мощностные показатели находятся на уровне дизельного прототипа, а удельный расход топлива в среднем на 2 % ниже, выбросы токсичных веществ с отходящими газами в 1,4—2,5 раза меньше, чем у прототипа.
По результатам этих разработок спроектированы и изготовлены два опытных маневровых газотепловоза типа ТЭМ18Г, эта техника снабженна баллонами со сжатым газом под давлением до 20 МПа. Их дизель-генераторы работают на сжатом (компримированном) природном газе с подачей в цилиндры запальной порции дизельного топлива (15 %). При этом обеспечивается конвертируемость дизеля с минимальным повышением удельного расхода топлива (до 3 %) при обратном переходе на дизельное топливо.
Применение СПГ на железнодорожном транспорте следует рассматривать на основе анализа состояния парка тепловозов. В настоящее время требуется списание до 70 % общего парка магистральных и 50 % маневровых тепловозов по их техническому состоянию и выработанному ресурсу (тепловозы ТЭ10, ТЭ116, М62).
В этой связи заслуживает внимания предложение Государственного научного центра авиационного моторостроения им. П.И. Баранова (ЦИАМ) о создании нового унифицированного газотурбинного двигателя, использующего в качестве топлива СПГ, что позволяет создать семейство высокоэффективных силовых установок (СУ) для линейных локомотивов, а также других транспортных средств, в том числе судов различного назначения. По данным ЦИАМа, начиная с мощности 3,5 МВт, газотурбинные двигатели (ГТД) на СПГ дешевле, чем работающие на нефтяных топливах. Их КПД составит 45…53 %. Мощность нового предлагаемого двигателя на СПГ достигает 4,5 МВт, а потребность в них составляет 700… 900 ед./г. Применение ГТД с регенерацией и утилизацией, работающего на СПГ, улучшит топливную экономичность на 22 %, уменьшит занимаемый объем более чем в 4 раза, снизит вес более чем в 9 раз. Исследования, проведенные во ВНИИ железнодорожного транспорта подтвердили, что использование газотепловоза с эффективными криогенными баками СПГ и новыми двигателями разработки ЦИАМа позволяет осуществлять пробеги без дозаправки протяженностью до 2000 км. Газотепловозы будут применяться на неэлектрифицированных участках железных дорог, там, где сейчас используются тепловозы, работающие на дизельном топливе.
Помимо экономии на стоимости топлива, которая составляет 40…45%, при использовании СПГ на 7..10% сокращается расход топлива, в 3—5 раз снижается токсичность отработанных газов, в 1,2— 1,5 раза — объем вредных выбросов в атмосферу.
19 октября 2004 г. председатель ОАО «Газпром», президент ОАО «Российские железные дороги» и губернатор Свердловской области подписали совместную Программу организации на полигоне Свердловской железной дороги опытной эксплуатации тепловозов на сжатом и сжиженном природном газе, основными задачами которой являются создание магистральных тепловозов на СПГ и получение СПГ на трассе этой железной дороги. Его предполагается получать с использованием дроссель-эффекта на имеющихся вблизи железнодорожной трассы газораспределительных станциях производительностью до 1 т/ч по технологии, разработанной ЗАО «Крионорд», входящим в ООО «Лентрансгаз».
В настоящее время на Коломенском тепловозостроительном заводе разрабатывается новый газотурбовоз для работ на СПГ, а в районе Свердловской железной дороги строится установка для получения СПГ с использованием перепада давления на ГРС и детандера производительностью до 3 т/ч разработки ОАО «НПО Гелиймаш».
Использование СПГ в качестве топлива для тепловозов имеет ряд преимуществ по сравнению с использованием компримированного природного газа (КПГ).
Газодизель, являющийся признанным двигателем при использовании газа на тепловозах, всегда работает на газообразном топливе. В случае КПГ газ в двигатель попадает через газовый редуктор, в случае СПГ — через испаритель, которым должен быть оснащен тепловоз.
Сравнительные массогабаритные показатели систем хранения газомоторного топлива являются важнейшими для газовых тепловозов, так как определяют возможность размещения на борту локомотива необходимого, так называемого межэкипировочного, запаса при жестких конструктивных и эксплуатационных ограничениях. Поскольку кратность уменьшения объема газа при использовании СПГ составляет 600 ед., бортовой запас криогенного топлива на тепловозе может втрое превосходить возможный запас КПГ, находящегося под давлением 200 атм.
Применение КПГ на тепловозах повлечет за собой уменьшение межэкипировочного пробега по сравнению с существующим, что не согласуется с действующей на железных дорогах системой эксплуатации и периодического технического обслуживания локомотивов. Одновременно для тепловозов на КПГ потребуется не железнодорожная, а автотранспортная система доставки газа, так как железнодорожные перевозки сжатого газа при всех допущениях вряд ли могут быть экономически оправданными. Передвижные автозаправщики, предлагаемые в качестве средств доставки и заправки тепловозов КПГ, имеют весьма низкие показатели производительности: масса баллонов 16,5…17 т, коэффициент опорожнения 0,5…0,9, суточное количество рейсов — не более трех. Кроме того, по варианту КПГ невозможно реализовать требование локомотивного хозяйства о резервировании запасов топлива на срок от 10 до З0 суток.
При использовании на тепловозах газового топлива по криогенной технологии названные эксплуатационные вопросы становятся вполне решаемыми благодаря приемлемым значениям рабочего запаса СПГ на тепловозе и возможностям резервирования криотоплива в стационарных хранилищах.
Расчеты и опыт показывают, что при эксплуатации газотепловозов на СПГ по сравнению с эксплуатацией на дизельном топливе эксплуатационные расходы не увеличиваются.
Большие преимущества дает применение СПГ (по сравнению с КПГ) с точки зрения техники безопасности, что связано прежде всего с физическими характеристиками СПГ и конструктивными решениями его хранения в секциях тепловоза.
По вопросам безопасности в НИИЦ «Криотрансэнерго» (г. Ростов-на-Дону) были проведены сравнительные исследования и натурные эксперименты с КПГ и СПГ, а также комплексная оценка безопасности по 11 параметрам. Анализ сравнительной безопасности газотопливных систем СПГ и КПГ для железнодорожного транспорта показал явные преимущества СПГ.
Для экипировки магистральных газотепловозов СПГ необходимо наличие в структуре газового хозяйства страны заправочных станций. Заправка маневровых газотепловозов может осуществляться на площадках для экипировки тепловозов по схеме заправки дизельным топливом. В сложившейся структуре экипировочного хозяйства железнодорожного транспорта пункты заправки дизельным топливом располагаются на расстоянии 200 . 700 км друг от друга и имеют расходы 50 ..400 т топлива в сутки для обеспечения работы магистральных тепловозов. Для маневровых тепловозов, количество которых, как правило, составляет 10…40 ед. в пункте приписки, требуется 10…35 т дизельного топлива в сутки. При указанных выше объемах замещения суточный расход СПГ для снабжения магистральных газотепловозов будет составлять 35…120 т/сут, для снабжения маневровых газотепловозов — 5… 19 т/сут.
Заправочная станция для тепловозов должна размещаться вблизи экипировочного хозяйства и иметь с последним общую позицию для снабжения газотепловозов СПГ, дизельным топливом, смазочным и другими экипировочными материалами.
Для ускорения работ по газификации тепловозов и уменьшения капитальных вложений необходимо в первую очередь внедрять газотепловозы в районах, где проходят магистральные газопроводы и имеются предприятия с возможностью организации производства КПГ и СПГ, а также в районах, требующих улучшения экологической обстановки (Москва, Санкт-Петербург и др.)
Первые реальные работы по переводу газодизельных тепловозов на СПГ проводятся на Свердловской железной дороге на перегонах Серов — Приобье, Егоршино — Устье — Аха (Урал), Тюмень — Тобольск — Сургут — Новый Уренгой — Надым. Другим перспективным районом внедрения СПГ является Северная железная дорога: Коноша — Воркута — Лабытнанги (Салехард), Коноша — Архангельск. При этом следует принять во внимание, что на этом направлении планируется введение в строй новой железной дороги на полуостров Ямал, где открыты богатые газовые месторождения. Эти две дороги связывают промышленные районы страны с речными портами на реках Обь и Иртыш.
В процессе переоснащения локомотивного парка северных районов железных дорог можно ввести в эксплуатацию около 640 магистральных и около 510 маневровых газотепловозов. Для обеспечения СПГ газотепловозов Свердловской железной дороги планируется ввести в эксплуатацию станции по производству СПГ общей производительностью 210 тыс. т/г., а для Северной железной дороги — 420 тыс. т/г.
В дальнейшем целесообразно внедрение СПГ как топлива для тепловозов на других дорогах, в частности на Саратовской железной дороге.
Быстрое внедрение СПГ и КПГ как топлива для маневровых тепловозов можно выполнить путем модернизации части эксплуатируемого парка, которую можно совместить с капитальным ремонтом. Учитывая необходимость улучшения экологической обстановки, ввод в эксплуатацию маневровых газотепловозов необходимо организовать на Московском и Санкт-Петербургском железнодорожных узлах.
Проведенный специалистами технико-экономический анализ показал преимущество перевода тепловозной тяги на СПГ с учетом капитальных затрат и эксплуатационных расходов при использовании как внешнего (6….9 %), так и внутреннего кредитов (5…16 %) со сроком окупаемости не более 8—10 лет.