Влияние режима питания двухтопливного судового главного двигателя на эффективность эксплуатации метановоза



В статье рассматривается вопрос влияния выбора типа топлива для двухтопливного главного судового двигателя метановоза, используемого в прямом (грузовом) и обратном (балластном) рейсах, на экономичность его эксплуатации. Предлагаются три режима питания главных двигателей топливом. Характеризуются основные факторы, влияющие на экономичность каждого из вариантов. Формулируются условия сравнения этих вариантов и проводится сравнение экономичности этих вариантов по расходу топлива.

Основная область применения двухтопливных главных двигателей (ГД) на современном торговом флоте — это танкеры-газовозы, перевозящие сжиженный природный газ (СПГ). Поскольку СПГ на 95 % и более состоит из метана, то их условно называют метановозами. Под режимом питание понимается продолжительность работы ГД на том или ином типе топлива, а именно: на дизельном топливе (ДТ), тяжёлом нефтяном топливе (ТТ, мазуте) и природном газе (ПГ). Выбор режима питания таких ГД во многом предопределяет эффективность эксплуатации судна в целом. Поскольку цена типов топлива может различаться, порой, более чем в два раза, а экологические требования ряда акваторий препятствуют эксплуатации ГД на некоторых сортах топлива. В статье будет рассмотрено влияние режима питания на эффективность эксплуатации пропульсивной установки с ГД типоразмерного ряда фирмы MAN B&W модели ME-GI.

Такими двигателями оснащаются супергазовозы, с целью обеспечения их наибольшей экономичности. К супергазовозам принято относить газовозы с грузовместимостью на уровне семейств газовозов Q-flex и Q-max, т. е. от 200000 м³. Увеличенные размерения корпуса таких газовозов позволяют обеспечить выполнение требования избыточности мощности наиболее экономичным из имеющихся способов — размещением в машинных отделениях (как правило раздельных) двух малооборотных двигателей с прямыми передачами мощности на два гребных винта.

Впервые такое проектное решение было применено на газовозах Q-flex в 2007 году. Тогда это были ГД MAN B&W типоразмерного ряда ME. Начиная с 2014 года фирма MAN B&W предлагает доработанную линейку двигателей ME (ME-GI), предназначенных для установки на газовозах и любых других судах с предпочтительным питанием ГД ПГ. При этом ПГ подаётся в цилиндры ГД при приближении поршней к верхней мёртвой точке под давлением в 30 МПа на номинальном режиме. Один из способов обеспечения такого давления — это включение в состав судовой энергетической установки (СЭУ) пятиступенчатых компрессоров высокого давления (КВД) поршневого типа, нагнетающих в ГД газ, испаряющийся в грузовых танках.

При этом ГД может работать на ПГ либо только при ходе в грузу, либо всё ходовое время. В зависимости от чего изменяется количество нефтяного топлива, потребного главному двигателю. При этом, для процесса проектирования актуальными остаются как вопросы выбора схемы использования груза для газовозов с ГД ME-GI, так и сравнительной оценки с СЭУ укомплектованной ГД ME, имеющей меньшую построечную стоимость. Теоретическим способом ответа на эти вопросы является создание математических моделей эксплуатации перечисленных типов СЭУ и сравнение их эффективности.

Методика сравнительной оценки схем комплектации СЭУ

В качестве базового будет рассмотрен газовоз с полной грузовместимостью (W_полн) 210 тыс. м³ СПГ, с СЭУ, укомплектованной двумя малооборотными дизельными двигателями 6S70ME, обеспечивающими суммарную мощность на эксплуатационном режиме в 26130 кВт (90 % максимальной длительной мощности). Пропульсивная установка обеспечивает эксплуатационную скорость хода (v_б) в 20 уз. Весь испаряющийся ПГ в прямом рейсе обрабатывается бортовой установкой повторного сжижения газа (УПСГ).

В качестве альтернативы базовому варианту предлагаются СЭУ с ГД ME-GI, различающиеся схемами питания ГД на балластном переходе. Установки также укомплектованы УПСГ. Обработка выпара по первой схеме подразумевает работу ГД на ПГ (с добавлением запального нефтяного топлива) только при ходе в грузу. При этом УПСГ при ходе в грузу полностью сжижает и возвращает в грузовые танки объём выпара, не востребованный ГД. Вторая схема утилизации испаряющегося природного газа — ГД работает на ПГ при ходе судна и в грузу и в балласте. УПСГ обрабатывает часть выпара невостребованную ГД в грузу.

Независимо от схемы питания ГД на балластном переходе, в танках газовоза всегда оставляется до 5 % от перевозимого груза. Этот запас частично испаряется во время балластного перехода, поддерживая температурный режим танков. Если при ходе в балласте выпар не востребован ГД, то он утилизируется системами инертизации, дожигания, электрогенераторными агрегатами и прочими общесудовыми системами. УПСГ при ходе в балласте не используется, т. к. потребная производительность не будет соответствовать её рабочему диапазону (слишком мала).

Сравнение трёх перечисленных вариантов производится по среднечасовой стоимости затраты энергоресурса на ГД и УПСГ (С_э, $/ч). С_э определяется по формуле:

Где первое слагаемое — это произведение цены одной тонны тяжёлого топлива (либо дизельного) на среднечасовой расход этого типа топлива за круговой рейс; второе слагаемое — аналогичное произведение для ПГ. Расход ПГ считается в тысячах нормальных кубических метров в час.

Принятый критерий отличается простотой для понимания, физичностью и чувствительностью к изменению оцениваемых параметров.

Принятые схемы сравниваются исходя из условия использования газовозов на одной грузовой линии. Т. е. подчиняются требованию сохранения постоянной интенсивности грузоперевозки на линии, выражаемому формулой:

Формула наглядно характеризует обратную зависимость между полезной грузовместимостью газовоза и его скоростью хода в условиях, когда импортёр должен получать неизменное количество газа в час. Полезная грузовместимость, т. е. количество груза, получаемое импортёром, при одинаковой вместимости грузовых танков, для рассматриваемых вариантов, непостоянна.

Принципы формулирования математических моделей

ДЭУ с МОД ME с УПСГ (базовый вариант)

Для базового варианта полезная грузовместимость определяется по следующей формуле:

Формулой учитывается лишь один фактор снижения полной грузовместимости танков — это объём груза, специально невыгружаемый в порту разгрузки и оставляемый на балластный переход. В соответствии с [1, с. 23] принимается равным 2 %. Т. е. порядка 4200 м³ СПГ будут оставаться невыгруженными импортёру.

Базовый вариант должен иметь запас нефтяного топлива, на котором ГД будут работать всё время кругового рейса. Тем не менее, объём груза оставленный на балластный переход рассматривается как затраченный газовозом. В прямом рейсе потери груза практически отсутствуют, поскольку судно оснащено УПСГ.

Важно понимать, что УПСГ, сама по себе, — это крупный потребитель электроэнергии. Современные бортовые УПСГ, работающие по обратному циклу Брайтона, требуют не менее 310 кВт электрической мощности на производство (повторное сжижение) 1 м³ СПГ в час.

Вариант 1 — ДЭУ с МОД ME-GI с УПСГ (работа ГД на ПГ только в грузу)

Формула определения полезной грузовместимости будет иметь вид:

Последнее слагаемое формулы учитывает расход ПГ на ГД при ходе в грузу, т. е., в отличии от базового варианта, допускаются значительные потери груза в прямом рейсе, а УПСГ будет сжижать не более 50 % от часового объёма выпара груза (остальной объём расходуется на ГД).

Таким образом, соответствие критерию постоянной интенсивности грузоперевозки будет требовать от этого варианта увеличения скорости хода. Следовательно, учитывая кубическую зависимость между мощностью ГД и скоростью хода, вариант будет потреблять в час энергии больше, чем базовый.

При работе ГД на ПГ (с примесью запального нефтяного топлива) в прямом рейсе затрата энергии СЭУ будет дополнительно увеличена работой КВД. При работе на номинальном режиме он обеспечивает степень повышения давления 250 и выше, и в среднем на КВД приходится до 4 % от мощности ГД [2, с. 8].

Дополнительно учитывается то, что при работе на нефтяном топливе двухтопливный ГД будет менее экономичен, чем дизельный, что обуславливается адаптацией организуемого распыла топлива в камере сгорания к окислению ПГ. В среднем экономичность снижается на 1 % [3, с. 12].

Вариант 2 — ДЭУ с МОД ME-GI с УПСГ (работа ГД на ПГ в грузу и балласте)

Принципиальным отличием от варианта 1 будет питание ГД ПГ при ходе в балласте, т. е. и в прямом и в обратном рейсе нефтяное топливо главными двигателями используется только как запальное. Таким образом, этот вариант обеспечивает минимальный расход нефтяного топлива, т. к. часовой расход запального топлива составляет не более 3 % от расхода топливной смеси ГД. Поскольку запас газа на балластный переход со значительным избытком покрывает потребность ГД в топливе, то полезная грузовместимость будет аналогична определяемой для варианта 1.

Работа ГД в обратном рейсе будет экономичнее чем в прямом, поскольку КВД при ходе в балласте не эксплуатируются либо эксплуатируются на долевых режимах. Это объясняется тем, что большая доля ПГ нагнетается в топливную систему ГД в жидком состоянии (ввиду недостаточности выпара) насосами высокого давления (НВД). Работа НВД требует на порядок меньшего расхода электроэнергии.

Также эффективность ГД при ходе в балласте повышается у всех вариантов за счёт смещения вниз рабочей точки по рабочему полю ГД, чему соответствует снижение среднеэффективного давления цикла и уменьшение удельного расхода топлива.

Сравнительный анализ расчётных моделей

Сравнение принятых математических моделей проводится при средних за 20 лет ценах типов топлива, приведённых в таблице. В конечном итоге экономичность работы на конкретном типе топлива будет определяться стоимостью одного МДж энергии, получаемой в процессе химического окисления. Эта величина также приведена в таблице.

Тип топлива	Удельная стоимость топлива	Стоимость одного МДж, $/МДж∙103
ПГ	316,54 $/тыс. нм3	9,28
ТТ	324,90 $/нт	8,02
ДТ	505,75 $/нт	11,84

В качестве примера на рис. 1 приводятся результаты расчёта часового расхода топлива по типам для трёх рассмотренных вариантов на плече рейса в 8000 морских миль.

Рис. 1. Часовой расход топлива

Базовый вариант характеризуем повышенным расходом нефтяного топлива и минимальным, среди вариантов, расходом ПГ. Это объясняется тем, что ПГ расходуется только на нужды охлаждения грузовых танков в балластном переходе, а ГД работает исключительно на ТТ либо ДТ.

Первый вариант характеризуем значительным снижением затраты нефтяного топлива и соответствующим увеличением затраты ПГ, используемого в варианте в качестве топлива при ходе в грузу.

Наконец, у второго варианта расход ПГ на порядок выше расхода ТТ/ДТ, поскольку нефтяное топливо используется ГД только как запальное. При этом два последних варианта не различаются по расходу ПГ, т. к. второй вариант не требует дополнительных запасов газа на работу ГД при ходе в балласте.

Увеличение массового расхода нефтяного топлива при переходе с ДТ на ТТ обозначено заштрихованными областями.

На рис. 2 показано сравнение расчётных вариантов по ранее предложенному критерию на различном плече рейса, при условии отказа от ТТ.

Рис. 2. Графики зависимостей C_э=f(S)

Из рис. 2 видно, что работа ГД на ПГ лишь в прямом рейсе не обеспечивает значительного повышения экономичности по топливу. С другой стороны, сам двухтопливный двигатель дороже дизельного, а его топливная система, представляющая собой, по сути, две независимые системы питания ГД различными типами топлива, в два раза более насыщена элементной базой. Т. е. такой вариант эксплуатации ГД допустим только при повышенной стоимости нефтяного топлива, а при средней стоимости (приведённой в таблице) экономия по топливу, в среднем, составит не более 5 %.

Если же организуется питание ГД природным газом в течение всего кругового рейса, то в среднем, будет достигнут прирост экономичности по топливу в 28 %. Что делает этот режим питания ГД экономически целесообразным в широком диапазоне колебаний цен на типы топлива.

Литература:

1. LNG A glossary of terms, PRICEWATERHOUSECOOPERS, Germany, Schotte GmbH & Co. KG, November 2006.
2. LABY-GI compressors, Burckhardt Compression, Winterthur, November 2017.
3. ME-GI Dual Fuel MAN B&W Engines, MAN Diesel & Turbo, Copenhagen, August 2014.