Оценка факторов, определяющих тип главного двигателя газовозов сжиженного природного газа



В статье рассматривается проблема многофакторности процесса выбора типа ГД газовозов СПГ. Объясняются порождающие её причины. Собираются и кратко охарактеризовываются основные факторы процесса проектного поиска в этой области. Даётся актуальная оценка степени влияния наиболее глобальных из них.

Принятые сокращения

ГД — главный двигатель;

ГК — главный котёл;

ГЭУ — главная энергетическая установка;

ДВС — двигатель внутреннего сгорания;

ДГ — дизель-генератор;

ДТ — дизельное топливо;

МО — машинное отделение;

МОД — малооборотный дизель;

ОС — окружающая среда;

ПГ — природный газ;

ПУ — пропульсивная установка;

ПТУ — паротурбинная установка;

СОД — среднеоборотный дизель;

СПГ — сжиженный природный газ;

СЭУ — судовая энергетическая установка;

ТТ — тяжёлое топливо;

УПСГ — установка повторного сжижения газа.

Причина многофакторности процесса проектного поиска

На сегодняшний день газовозы СПГ — это один из немногих типов судов, для которого не существует “традиционного” проектного решения по выбору ГД. Т. е. решения наиболее типичного, доказавшего десятилетиями эксплуатации свою практическую ценность. ГД без сомнения можно назвать основным элементом пропульсивной установки — установки приводящей судно в движение –, т. к. все остальные её элементы (валопроводы, главные передачи, движители) определяются типом и количеством главных двигателей на борту. В наши дни газовозы одного и того же водоизмещения различных проектов чаще всего комплектуются следующими типами главных двигателей: паровыми турбинами; малооборотными дизельными ГД; среднеоборотными двух- и трёхтопливными ДВС. Такое разнообразие типов ГД для одного типа судна не говорит о хаосе в области проектирования этого типа судов, а, напротив, свидетельствует о проведении очень тонких исследовательско-проектных работ в этой индустрии, обеспечивающих максимальный экономический эффект от конкретного проекта в детерминированных условиях эксплуатации. Дело в том, что газовоз (а в особенности газовоз СПГ) — это крайне специализированный тип судов, предназначенных, как правило, для эксплуатации на одной грузовой линии (между терминалом экспортёра и импортёра СПГ) в течение всего срока службы. В этих условиях действуют конкретные факторы, определяющие выбор того или иного типа ГД.

Факторы, влияющие на комплектацию ПУ

Наиболее очевидные факторы, влияющие на целесообразность комплектации ПУ тем или иным типом двигателя следующие: плечо рейса (морские мили), вместимость газовоза (м³); количество груза на балластный переход (м³); эксплуатационная скорость хода (узлы); средняя суточная доля испарений груза (% от грузовместимости); изменение полного водоизмещения судна (тонны); изменение удельной массы ГЭУ (кг/кВт); соотношения цен на типы топлива (ПГ/ДТ, ПГ/ТТ);...

Плечо рейса — это важнейший элемент технического задания, представляемого проектной организации для разработки. Вместе с районом плавания представляющий собой основу условий эксплуатации как ПУ, так и судна в целом.

Вместимость газовоза — она определяется планируемым или имеющимся флотом газовозов, обслуживающим линию грузоперевозки, исходя из потребной интенсивности грузоперевозки (м³/ч). Вместимость определяет, в первую, очередь тип газовоза и, как следствие, тип и мощность его ГД.

Количество груза на балластный переход — эта величина определяет способ утилизации испарившегося газа при переходе в балласте. При различных схемах комплектации СЭУ количество газа, оставляемого на балластный переход в танках, изменяется от 1 % до 5 % от полной грузовместимости. Установка величины по нижнему пределу требует наличия бортовой УПСГ, обеспечивающей полное сжижение выпара. Если такая установка не предусмотрена, то, в среднем, на балластный переход достаточно 5 %. Этот газ будет испаряться, охлаждая танки, и дожигаться в элементах СЭУ.

Эксплуатационная скорость хода — это фактор, от которого напрямую зависит потребная пропульсивная мощность и, как следствие, тип и мощность ГД.

Средняя суточная доля испарений груза — это фактор, учитываемый, главным образом, при проектировании газовозов рефрижераторного типа. На газовозах рефрижераторного типа используются сферические и мембранные танки, соответственно со средними минимальными значениями суточного выпара груза 0,125 % и 0,1 % (от полной грузовместимости). Минимальное расчётное значение выпара, как правило, не принимается ниже 0,15 % (на практике 0,18 %) [1, с. 9]. Этот запас предусматривает условия морской грузоперевозки (всплески груза на волнении, внутрижидкостное трение).

Изменение полного водоизмещения судна — при одинаковой грузовместимости наблюдается в условиях выбора между ГД, работающими на ДТ/ТТ и на природном газе (с добавлением запального топлива). Если ПУ работает на газовом режиме, то водоизмещение судна несколько уменьшается, т. к. запас ДТ/ТТ необходим, главным образом, на балластный переход, что приводит к некоторому снижению сопротивления движению судна и, как следствие, потребной мощности его ГД. Влияние этого фактора неоднозначно, т. к. одновременно снижается и полезная грузовместимость.

Изменения удельной массы ГЭУ, а также её габаритов в первую очередь важно в условиях необходимости обеспечения избыточной мощности ПУ, когда в МО должно быть размещено несколько ГД. В этой связи, например, проектами стандартных газовозов (до 180000 м³ СПГ) предусматривается отказ от МОД в пользу менее экономичных СОД.

Соотношения цен на типы топлива — фактор предопределяющий схему снабжения системы топливоподачи ГД и позволяющий выбрать тип двигателя, приспособленный к работе на том или ином типе топлива.

Определяющие факторы комплектации ПУ

Из множества факторов, вкратце рассмотренных выше, в [2, с. 124], были выделены наиболее существенные. Т. е. факторы, к которым наиболее чувствительны, используемые в процессе проектного поиска, принятые критерии эффективности. Это три основных фактора: фактор скорости, фактор дальности и соотношение цен на типы топлива. Однако оценка этих факторов проводилась на этапе становления отрасли, когда не была известна стоимость сжижения природного газа, совершенно отсутствовали судовые УПСГ, не было эффективных промышленных образцов судовых газовых ДВС, отсутствовали строгие экологические требования. Эти и многие другие факты говорят о необходимости переоценки значимости перечисленных факторов в реалиях второго десятилетия 21 века.

Как было отмечено ранее, от скорости хода напрямую зависит мощность ГД, но в условиях перевозки СПГ фактор приобретает дополнительную силу, поскольку от потребной скорости зависит возможность питания ГД природным газом. Рассмотрим влияние этого фактора на примере стандартных газовозов грузовместимостью (W) 75, 140 и 177 тыс. м³, оснащённых среднеоборотными ГД, газ в которые нагнетается при значительном удалении поршней от верхней мёртвой точки. За прототипы, соответственно, приняты газовозы СПГ: «CHEIKH EL MOKRANI», «GOLAR VIKING», «ENERGY HORIZON». Влияние этого фактора однозначно определяется потребным расходом ПГ на ГД при ходе на различных скоростях (в приведённом расчёте это: 15, 20 и 25 уз). Часовой расход газового топлива [м³/ч] на режиме определяется по формуле:

где — массовая доля газового топлива в топливной смеси ПГ-ТТ;

g_e — удельный расход стандартного топлива двигателем (для СОД принимается 180 );

N_e — мощность двигателя на режиме (находится в кубической зависимости от скорости);

— плотность СПГ (424,3 кг/м³ — плотность метана при [3, с. 69]);

k_B — коэффициент пересчёта расхода топлива для принятой топливной смеси (0,904).

Расчёт ведётся при максимальной (0,0018 %) и средней (0,0015 %) долях выпара. Результаты расчёта приведены в таблице 1.

Таблица 1

Доля выпара от потребного расхода газа на ГД

W, м3	75000				140000				177000
Ne, МВт	8,50	20,15		39,36	11,10	26,32		51,40	12,24	29,02		56,69
w15, м3/ч	4,688				8,750				11,063
w18, м3/ч	5,625				10,500				13,275
k15	1,51		1,82		2,16		2,60		2,48		2,98
k20	0,64		0,77		0,91		1,09		1,05		1,26
k25	0,33		0,39		0,47		0,56		0,54		0,64

здесь N_e — мощность двигателя на трёх ходовых режимах (15, 20 и 25 уз);

w₁₅, w₁₈ — часовой объём груза, испаряющегося в танках для долей выпара, соответственно, 0,0015 % и 0,0018 %;

k₁₅, k₂₀, k₂₅ — доля часового выпара от потребного часового расхода СПГ на ГД (из расчёта доли ПГ в топливной смеси — 95 %) на трёх ходовых режимах при w₁₅ (первые столбцы) и w₁₈ (вторые столбцы).

Скорость в 20 узлов для стандартных рефрижераторных газовозов типична. Полученные результаты говорят о том, что ГД малых стандартных газовозов не способны работать на газовом режиме, если на судне отсутствует система принудительного выпара груза. С другой стороны, на больших стандартных газовозах должны быть предусмотрены дополнительные эффективные средства утилизации избыточного выпара. Например, двухтопливные ДГ или УПСГ.

Фактор дальности (плечо рейса) — на сегодняшний день это элемент комплексной экономической модели использования газовозного флота компании. Т. е. неразрывно связанный с грузовместимостью имеющегося флота газовозов. Например, если судно предназначается для региональной перевозки груза в условиях интенсивности грузоперевозки, поддерживаемой значительным по количеству флотом однотипных судов, то большая вместимость судна экономически не целесообразна. Это объясняется тем, что в условиях интенсивного грузового потока и малой производительности экспортного терминала, во-первых, будут увеличиваться простои газовозов в портах, а, во-вторых, малые внутренние грузовые терминалы, элементарно, не приспособлены к обслуживанию газовозов большой грузовместимости (это требует значительных мощностей портовых нагнетателей — насосов и компрессоров газа, значительной мощности портовых регазификационной и сжижающей установок). В таких случаях предпочтение отдаётся газовозам напорного типа, т. е. газовозам, хранящим груз в танках под значительным давлением. Требования к системе хранения груза всегда продиктованы физическими свойствами груза и, в первую очередь, параметрами его критической точки. ПГ на 95 % и более, в зависимости от месторождения, состоит из метана. Для метана эти параметры следующие: критическая температура метана — 190,77 К (), критическое давление — 4,626 МПа, критическая плотность 163,5 кг/м³. Таким образом “чисто напорный” газовоз в идеале должен поддерживать в своих танках давление порядка 4 МПа, перевозя груз при температуре около . Необходимо отметить, что концепция напорного газовоза появилась раньше, чем газовоз СПГ как тип и предполагала перевозку груза в сжиженном состоянии при атмосферной температуре. Но, ввиду “сложных” параметров критической точки ПГ, сама по себе концепция видоизменяется. Т. к., даже при “запредельных” давлениях, в грузовой системе сохраняется температурный перепад с ОС в и более, т. е. газ всё равно испаряется. Следовательно, поддерживать такое давления не рационально, и проблема решается иначе. Условиями хранения груза допускается его испарение, а танки газовоза (сосуды давления) приспособлены к повышению давления при постепенном испарении груза. В этом случае прочность танков определяется дальностью плавания судна. Как правило, танки таких газовозов рассчитаны на избыточные давления не более 0,5 МПа. Питание ГД природным газом на напорных газовозах исключается, с целью удешевления крупносерийных судов. ПУ комплектуется среднеоборотными дизелями. Наглядной иллюстрацией заключениям, приведённым выше, может служить газовоз «SHINJU MARU № 1» перевозящий ПГ между островами Японии. Его характеристики приведены ниже [4, с. 103].

Размерения корпуса (LxBxT), м х м х м	80,3 x 15,1 x 4,18
Грузовместимость, м3	2613
Предельное избыточное давление в танке, МПа	0,3
Плечо рейса, морские мили	500
Эксплуатационная скорость, уз	12,7
Тип, марка, мощность ГД	1 x СОД, Hanshin LH36LA, 1912 кВт

С другой стороны, океанские газовозы могут иметь на порядок более протяжённое плечо рейса. Например, от Катара до прибрежных промышленных центров Китая газовозы СПГ проходят порядка 5000 морских миль. Использовать на таких рейсах напорные газовозы неэффективно — они мало вместительны, имеют низкий коэффициент использования полезного объёма корпуса, транспортируют груз при пониженной плотности. Использование же газовозов рефрижераторного типа имеет свои особенности. Груз они перевозят при давлении, приближенном к атмосферному, температуре порядка и повышенном термическом сопротивлении системы изоляции. На такие суда, также, как и на танкеры, распространяются требования по избыточности пропульсивной мощности, связанные с большим количеством горючего груза на борту (до 260000 м³ СПГ). Эти требования предполагают поддержание управляемости судна при маневрировании в узкостях (каналах, проливах, зонах интенсивного судоходства) в условиях отказа одного из ГД. Т. е. ПУ газовозов повышенной грузовместимости, с одной стороны, должны комплектоваться несколькими ГД, а, с другой стороны, желательно обеспечить утилизацию ПУ значительного объёма испаряющегося газа (на рефрижераторных газовозах интенсивность испарений выше, в первую очередь, из-за приближения температурного перепада с ОС к ).

Фактор соотношения цен на типы топлива сегодня можно назвать основным, определяющим фактором комплектации ПУ. Потому что, в 21 веке появились судовые газовые (двухтопливные) средне- и малооборотные ДВС, которые, как показывает таблица 1, в ряде случаев, способны работать на газовом режиме в течение всего рейса, потребляя не более 5 % запального нефтяного топлива. Таким образом ПГ становится полноценным типом судового топлива, а не просто незначительным компонентом в общей калорийности топливной смеси, сжигаемой в ГК ПТУ. Учитывая, что затраты на топливо — это порядка 25 % и более от годовых затрат по судну, то экономическая целесообразность использования груза в качестве топлива предопределяет рациональность комплектации всей СЭУ. Сегодня рыночная цена 1 тыс. м³ регазифицированного СПГ составляет 250$ при цене даже на ТТ (IFO 380) в 280$ за тонну. При таких ценах на энергоресурсы использование СПГ в качестве топлива ПУ — очевидное благо.

Литература:

1. Газовозы, проектируемые АО «Северное ПКБ», СПб, АО «Северное ПКБ».
2. Влялько А. М. Исследование и определение областей рационального применения установок повторного сжижения газа на судах-метановозах, Диссертация на соискание учёной степени к. т.н., Николаев, 1979.
3. Загорученко В. А., Журавлев А. М. Теплофизические свойства газообразного и жидкого метана, М., Издательство комитета стандартов, мер и измерительных приборов при совете министров СССР, 1969.
4. SIGNIFICANT SHIPS of 2003, London, The Royal Institution of Naval Architects, 2004.