Перспективы использования малооборотных главных двигателей на больших стандартных СПГ-танкерах



В статье рассматриваются технические задачи, решаемые при оснащении больших стандартных СПГ-танкеров малооборотными двухтопливными главными двигателями. Определяются их преимущества в сравнении с классическими энергетическими установками с электродвижением. Исследуются основные факторы, ограничивающие применение рассматриваемого типа двигателей на судах класса. Делается прогноз по возможному улучшению ходовых характеристик больших стандартных газовозов, при их оснащении малооборотными двухтопливными главными двигателями.

Описание объекта

Большие стандартные СПГ-танкеры (англ. large conventional LNG carrier) — наряду с малыми стандартными, являются наиболее широко применяемым классом газовозов для морской транспортировки СПГ на дальние дистанции. К этому классу относятся СПГ-танкеры с геометрическим объёмом грузовых танков 150–180 тыс. м³ и скоростью хода 17–20 уз [1, с. 8].

С момента появления на рынке среднеоборотных двухтопливных (газодизельных) двигателей внутреннего сгорания, ими оснащается превалирующее большинство газовозов этого класса. Тем не менее, если для малых стандартных газовозах оснащение судовой энергетической установки (СЭУ) этим типом ГД — оптимальное техническое решение, то для больших стандартных газовозов оно, скорее, вынужденное. В первую очередь, имеется в виду то, что малые стандартные газовозы имеют достаточно ограниченное пространство машинно-котельного отделения (МКО) и для них среднеоборотные двухтопливные ГД с электрической главной передачей мощности — это тип двигателей, с одной стороны, обеспечивающий эффективную утилизацию выпара перевозимого груза, а, с другой стороны, имеющий приемлемую экономичность и обеспечивающий высокие ходовые характеристики. Большие стандартные газовозы, как правило, располагают значительно большими объёмами МКО, которые долгое время не удавалось рационально использовать, поскольку на рынке отсутствовали двухтопливные малооборотные ГД, способные обеспечить СЭУ наивысшую энергетическую эффективность.

Главное преимущество СЭУ со среднеоборотными ГД и главной электрической передачей мощности — это отсутствие механической связи между ГД и движителями судна. Эта особенность позволяет обеспечить независимость числа двигателей от числа движителей, а также располагать ГД и гребные электродвигатели в МКО в несколько ярусов. Экономичность для таких СЭУ отходит на второй план. Например, удельный расход энергии СЭУ такого типа составляет порядка 7740 кДж/кВт∙ч [2, с. 21–39]. Чаще всего в таких СЭУ применяются двигатели фирмы Wärtsilä, модели 50DF. Это двухтопливные среднеоборотные двигатели, работающие по циклу Отто.

С другой стороны, с появлением первых двухтопливных малооборотных ГД, мгновенно был поставлен вопрос о пересмотре концепции СЭУ больших стандартных СПГ-танкеров. Малооборотные ГД приводят движители напрямую — механически. Специфика газовозов как класса судов вынуждает эти ГД располагать побортно, т. е. если газовоз оснащается малооборотными ГД, то их в МКО должно быть два. Такая схема СЭУ требует значительного запаса ширины МКО, который, как раз-таки, долгое время оставался слабо востребованным на рассматриваемом классе судов. Оснащение СЭУ малооборотными ГД обеспечивает ей максимальную энергетическую эффективность. Например, удельный расход энергии малооборотными двухтопливными ГД фирмы MAN Diesel & Turbo составляет порядка 7010 кДж/кВт∙ч [3, с. 5], а двигателями Winterthur Gas & Diesel — 5790 кДж/кВт∙ч [4, с. 16–32]. То есть преимущество малооборотных ГД по экономическим показателям очевидно. Между собой малооборотные ГД значительно различаются по энергетической эффективности в силу особенностей организации термодинамических процессов в цилиндрах. Например, двигатели фирмы MAN D&T работают по циклу Тринклера, а Win GD — по циклу Отто.

В статье рассматривается влияние малооборотных двухтопливных ГД на экономичность и экологичность СЭУ, а также анализируются возможности по расположению таких ГД в МКО газовоза конкретного проекта. Анализ производится на основании данных по техническим характеристикам газовозов, полученных проведением расчётов в системе автоматизированного проектирования, созданной для обобщения свойств судов типа различных проектов и классов.

Ограничения, накладываемые на СЭУ конструктивным коэффициентом энергетической эффективности (ККЭЭ)

ККЭЭ — это универсальная характеристика экономичности и экологичности (энергетической эффективности) судов различных типов. В соответствии с Приложением 5 МАРПОЛ 73/78 [5, с. 5], для газовозов, в общем виде, ККЭЭ определяется по формуле:

,(1)

где N_ref, N_СЭС — соответственно, референтная мощность пропульсивной установки и мощность судовой электростанции;

v_ref — скорость, развиваемая на мощности N_ref;

g_ГД, g_{ген —} удельные расходы топлива главными и вспомогательными двигателями;

DWT — дедвейт судна;

C_ГД, C_{ген —} удельная производительность двигателей по CO₂;

f_i, f_j — поправочные коэффициенты ледового класса судна (принимаются на класс Ice 3).

Энергетическая эффективность, рассчитанная по формуле 1, сравнивается со значением ККЭЭ на базовой линии. Для СПГ-танкеров, в соответствии с Приложением 6 МАРПОЛ 73/78 [6, с. 42–46], базовая линия определяется выражением:

(2)

В статье значение ККЭЭ_max берётся с поправкой в 10 % на первом этапе (см. [6, с. 44]). Дедвейт СПГ-танкера (в тоннах) приближённо определяется как 50 % от его полной грузовместимости (в м³).

На рис. 1 приведены примеры изменения ККЭЭ для газовозов со среднеоборотными двухтопливными ГД, с различной скоростью хода (v_s) и грузовместимостью (W).

Рис. 1. График зависимости ККЭЭ газовоза от его скорости хода и дедвейта (СЭУ со среднеоборотными ГД)

Из рис. 1 следует, что, в соответствии с требованиями по ККЭЭ, при оснащении газовоза среднеоборотными ГД, на всём диапазоне грузовместимости возможно обеспечить скорость хода лишь в 17 уз, а на первой трети диапазона — до 17,5 уз. Полученные характеристики определяются сравнительно малой экономичностью среднеоборотных ГД как таковых, а также относительно большой долей дизельного топлива в составе их топливной смеси (порядка 1 %), снижающей их экологичность.

Аналогичный график для СЭУ с малооборотными ГД приведён на рис. 2.

Рис. 2. График зависимости ККЭЭ газовоза от его скорости хода и дедвейта (СЭУ с малооборотными ГД)

На рис. 2 расчётные точки соединены кривыми условно — в реальности ряд расчётных значений будет дискретен, а характеристики будут несколько изменяться в зависимости от конкретной модели малооборотного ГД. Дискретность объясняется жёсткой механической связью ГД с движителями и, как следствие, более жёсткими требованиями к техническим характеристикам первых. Из рис. 2 видно, что на всём рассматриваемом диапазоне двигателями MAN B&W возможно обеспечить скорость хода в 18,5 уз, с возможностью её увеличения до 19 уз в первой трети. С другой стороны, на рассматриваемом диапазоне требование по ККЭЭ совершенно не является лимитирующим для высоэнергоэффективных двигателей Win GD. Тем не менее, малооборотные двигатели этой фирмы для большого стандартного газовоза подобрать значительно сложнее, ввиду слабой развитости типоразмерного ряда, проявляющейся в более явно выраженной дискретности характеристик, обеспечиваемых ГД.

Ограничения, накладываемые на СЭУ шириной МКО

Поскольку большие стандартные газовозы — это переходный класс газовозов, находящийся между малыми стандартными газовозами, комплектуемыми исключительно среднеоборотными ГД (либо паротурбинными установками), и супер газовозами классов Q-flex и Q-max, комплектуемыми малооборотными ГД, то для каждого нового проекта газовоза рассматриваемого класса необходимо тщательно проверять возможность размещения в МКО малооборотных двигателей. В первом приближении, ширину МКО, требуемую для размещения двух малооборотных ГД, можно определить по формуле:

,(3)

где N_e — номинальная эффективная мощность одного ГД;

N_s — энергонасыщенность МКО по площади (порядка 35 кВт/м²);

α_L — относительная длина МКО (отношение длины МКО к L_ГД — порядка 4,4);

L_ГД — длина ГД;

L_МЦ — межцилиндровое расстояние ГД;

L_ДОП — сумма расстояний от вертикальной оси крайнего носового цилиндра ГД до кожуха маховика и от оси крайнего кормового цилиндра до фланца отбора мощности;

z — число цилиндров одного ГД.

На рис. 3 приведён ряд зависимостей ширины МКО газовозов от проектной грузовместимости.

Рис. 3. Графики зависимостей вида B_МКО=f(W)

Точками показаны значения ширины МКО действительных проектов СПГ-танкеров. Синяя линия — эмпирическая кривая средних значений ширины МКО. Красная линия — аналогичная кривая предельных значений ширины МКО. Тонкими линиями показаны изменения ширины МКО в зависимости от обеспечиваемой эксплуатационной скорости хода (v_s) для СЭУ с ГД MAN D&T по рис.2.

Последние зависимости разнонаправлены, поскольку, с изменением W изменяется не только N_e и число цилиндров (z), но и сама модель двигателя (т. е. L_МЦ и L_ДОП), т. к. одновременно решаются задачи минимизации потребной ширины МКО и минимизации избыточной мощности ГД.

Из рис. 3 видно, что ширина МКО, необходимая для обеспечения v_s более 18,5 уз, стабильно выше средней, т. е., хотя, в ряде случаев, ввиду своей более высокой энергоэффективности, малооборотные ГД способны обеспечить большую скорость хода, по габаритным ограничением, размещение таких ГД в МКО может оказаться невозможным.

Выводы по исследованию

1. Оснащение СЭУ больших стандартных газовозов малооборотными двухтопливными ГД обеспечивает значительный прирост их энергетической эффективности (при одинаковой скорости хода — на 10 % и более).
2. Малооборотные ГД позволяют, в среднем, повысить эксплуатационную скорость хода больших стандартных газовозов на 1,5–2 уз.
3. Более значительному повышению скорости препятствуют как экологические ограничения, так и имеющиеся размерения МКО.
4. Наибольшую универсальность по диапазону технических характеристик, требуемых СПГ-танкерами данного класса, показывают ГД типоразмерного ряда фирмы MAN Diesel & Turbo.
5. Наибольшую энергетическую эффективность газовозам рассмотренного класса обеспечивают малооборотные ГД фирмы Winterthur Gas & Diesel.

Литература:

1. Propulsion trends in LNG carriers, MAN Diesel & Turbo, Copenhagen, 2013.
2. WӒRTSILӒ 50DF Product Guide, Wärtsilä, Marine solutions, Vaasa, November 2016.
3. Dual-fuel, low-speed engine, MAN B&W ME-GI, Copenhagen, 2016.
4. Low-speed Engines 2017, Win GD, 2017.
5. MARPOL 73/78 ANNEX 5, RESOLUTION MEPC.245(66), Guidelines on the method of calculation of the attained EEDI for new ships, 2014.
6. МАРПОЛ 73/78 Приложение 6 (пересмотренное), Резолюция MEPC.203(62), 2014.