Тенденции развития энергетики супер-СПГ-танкеров



В статье рассматривается состав энергетических установок супер-СПГ-танкеров. Определяются наиболее перспективные направления развития их главных и вспомогательных энергетических установок. Характеризуются ограничения, существующие для энергетики судов типа. С учётом этих ограничений определяется уровень ходовых характеристик, достижимый при оснащении газовозов ныне предлагаемым на рынке энергетическим оборудованием. Даётся численное выражения эффекта от совершенствования элементов судовой энергетической установки.

Описание объекта исследования

Под супер-СПГ-танкерами понимаются газовозы грузовместимостью большей, чем у больших стандартных газовозов, т. е. более 180 тыс. м³ СПГ. На практике, к ним относят газовозы классов Q-flex — грузовместимостью, порядка, 220 тыс. м³ и Q-max — грузовместимостью, порядка, 260 тыс. м³ [1, с. 8]. Сегодня этот класс газовозов менее распространён чем большие стандартные СПГ-танкеры. Во многом это связано со сложностями оптимизации эксплуатационных показателей их энергетических установок. Область их рационального применения — это дальние морские перевозки с протяжённостью плеча рейса более 3000 морских миль. Учитывая физические особенности перевозимого груза (активное испарение при транспортировке), судно должно преодолевать эти дистанции на достаточно высоких скоростях (порядка 20 уз). Обеспечение такой скорости хода судам водоизмещением 200 тыс. т и более с одновременным соблюдением экологических требований, предъявляемых к их энергетическим установкам, — это одна из сложных инженерных задач, стоящих перед инженерным судостроительным сообществом сегодня.

На настоящий момент, с этой технической задачей наиболее эффективно справляются судовые энергетические установки (СЭУ) с главными малооборотными двухтактными двухтопливными двигателями. В состав СЭУ входит два таких двигателя, установленных побортно, приводящих через прямую механическую передачу гребные винты. Корма супергазовозов имеет твинскеговое (двухкорпусное) исполнение, обеспечивающее оптимальный пропульсивный коэффициент. Ныне существующие супер СПГ-танкеры оснащены главными двигателями (ГД) фирм MAN Diesel & Turbo [2, с. 5] либо Winterthur Gas & Diesel [3, с. 16–32].

Первые иначе называют двигателями с высоким давлением нагнетания газа (GI-concept). Их принципиальная особенность — это работа по циклу Тринклера. То есть на такте сжатия поршнями сжимается чистый воздух и только при приближении к верхней мёртвой точке в цилиндры подаётся газ и запальное дизельное топливо (ДТ). Главное преимущество такой схемы организации рабочего процесса — это максимизация надёжности работы агрегата, являющаяся следствием исключения возможности детонаций в цилиндрах на такте сжатия. GI концепт распространяется на весь типоразмерный ряд ME фирмы MAN D&T, что позволяет обеспечить необходимые ходовые характеристики супергазовозу любого проекта. Но, с другой стороны, процесс сгорания топлива в таких ГД более продолжителен, менее экономичен и для воспламенения газа требуется большее количество запального ДТ. Хотя, при работе в дизельном режиме эти двигатели и более экономичны. К тому же, чтобы обеспечить нагнетание газа в цилиндр, объём которого сокращается до объёма камеры сгорания, ему необходимо передать значительное количество энергии, обеспечив давление газа в форсунках порядка 30 МПа. Этот процесс требует включения в состав СЭУ высокомощных криогенных компрессоров высокого давления (КВД).

Вторые — это двигатели с низким давлением нагнетания природного газа, работающие по циклу Отто. В их цилиндры газ нагнетается за время такта сжатия. Таким образом, достаточно обеспечить давление нагнетаемого газа не более 1,6 МПа. С другой стороны, снижается надёжность работы ГД, поскольку используемый газ — это выпар СПГ, перевозимого в грузовых танках. Он имеет переменный химический состав. Переменность химического состава учитывается системой автоматики ГД при дозировании топлива, с целью поддержания его калорийности в цилиндрах на необходимом уровне, во избежание детонаций. Фактор надёжности во многом объясняет меньшую распространённость двигателей фирмы Win GD на СПГ-танкерах. К тому же типоразмерный ряд фирмы значительно менее развит, что усложняет подбор ГД для обеспечения необходимых ходовых характеристик судну конкретного проекта.

Обеспечение соответствия СЭУ супергазовозов нормам по конструктивному коэффициенту энергетической эффективности (ККЭЭ)

Требования по ККЭЭ устанавливаются пятым и шестым приложениями Конвенции МАРПОЛ 73/78. В соответствии с [4, с. 5], ККЭЭ газовоза может быть рассчитан по формуле:

,(1)

где N_ref, N_СЭС — соответственно, референтная мощность пропульсивной установки (75 % от номинальной) 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 (порядка 50 % от полной грузовместимости — W — в соответствующих единицах);

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

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

Проектный ККЭЭ определяется, в первую очередь, экономичностью и экологичностью СЭУ. ККЭЭ газовоза должен быть как можно ниже и должен соответствовать требованиям по базовой линии ККЭЭ (ККЭЭ_max) по шестому приложению [5, с. 42–46].

Первое слагаемое числителя формулы 1 определяется энергетической эффективностью главной энергетической установки и напрямую зависит от типа и модели, выбранных ГД. Второе же слагаемое выражает энергетическую эффективность вспомогательной судовой электростанции (СЭС), а именно, приводов её электрогенераторов (вспомогательных двигателей — ВД).

Рис. 1 характеризует влияние требований по ККЭЭ на ходовые характеристики супер СПГ-танкеров с ГД фирмы MAN D&T. Кривые ККЭЭ проектов построены по расчётным точкам характеристик вариантов СЭУ.

Рис. 1. Ограничения ходовых характеристик супергазовозов с ГД MAN D&T ME-GI

На Рис. 1 не рассматривается скорость хода менее 18 уз, поскольку дальнейшее её снижение не обосновано экономически. Предлагается два варианта комплектации СЭС газовозов: дизельными и двухтопливными электрогенераторными агрегатами. График наглядно показывает возможность значительного повышения энергетической эффективности СЭУ (снижения ККЭЭ) при переводе её СЭС на газовый режим питания ВД. Из графика следует, что, даже при снижении скорости хода до 18 уз (вместо желаемых 19–20 уз), соответствие требованиям ККЭЭ невозможно обеспечить для проектов газовозов крупнее класса Q-max. В области же газовозов класса Q-flex скорость может быть увеличена до 18,5 уз.

На рис. 2 приведён аналогичный график для СЭУ с ГД Win GD.

Рис. 2. Ограничения ходовых характеристик супергазовозов с ГД Win GD X-DF

Из рисунка следует, что на рассмотренном диапазоне по DWT требования по ККЭЭ совершенно не влияют на ходовые характеристики СПГ-танкера с СЭУ, оснащённой ГД фирмы. Явно виден избыточный запас СЭУ по параметру, который мог бы быть использован на увеличение скорости хода судна. Нынешний типоразмерный ряд фирмы не позволяет этого осуществить, поскольку в нём отсутствуют высокомощные ГД повышенной оборотности.

Влияние СЭС на ККЭЭ супер-СПГ-танкера

В первом приближении, мощность СЭС газовоза может быть определена по эмпирической зависимости [6, с. 76–80]:

,(2)

где N_ГД — номинальная мощность одного ГД;

Displ — водоизмещение судна (порядка 75 % от полной грузовместимости — W — в соответствующих единицах);

P_СП — мощность специальных потребителей электроэнергии.

Первым, вторым и предпоследним слагаемыми определятся электрическая нагрузка на СЭС от стандартных потребителей (в первую очередь, вспомогательной энергетической установкой — ВЭУ). Третьим — нагрузка от общесудовых потребителей (ОСП). Важность исследования влияния СЭС на ККЭЭ проекта объяснятся последним слагаемым формулы 2. СПГ-танкеры — это суда со значительной мощностью специальных потребителей электроэнергии. К ним относятся: установка повторного сжижения газа (УПСГ); система инертизации (СИ); КВД. Если мощность СИ определяется грузовместимостью судна, то мощности УПСГ и КВД напрямую зависят от комплектации СЭУ и режима её работы. Примеры нагрузок на СЭС для различных схем комплектации СЭУ приведены на рис. 3. Диаграмма построена для газовоза класса Q-flex, идущего со скоростью 20 уз.

Рис. 3. Мощность СЭС газовоза класса Q-flex на ходовом режиме

на диаграмме — это относительная мощность СЭС (эксплуатационная мощность СЭС отнесённая к полной мощности, развиваемой СЭУ на ходовом режиме).

Из диаграммы видно насколько значительную нагрузку создают на СЭС КВД двигателей ME-GI. Также видно, что при переводе СЭС на газ в два раза снижается нагрузка на СЭС от УПСГ. Поскольку выпар газа потребляется СЭС, и от УПСГ требуется меньшая производительность. Для СЭУ с ГД Win GD относительная нагрузка на СЭС от УПСГ в два раза выше, поскольку, во-первых, из-за отсутствия КВД снижается мощность самой СЭС, а, во-вторых, ГД Win GD более экономичны и создают большую избыточность выпара, перерабатываемого УПСГ. Перевод СЭС на газ также позволяет сократить мощность УПСГ, но на меньшую величину, потому что абсолютное значение мощности СЭС меньше и СЭС будет потреблять меньше газа. Как следствие, перевод СЭС на газ сказывается на энергетической эффективность СЭУ с ГД Win GD в меньшей степени, что видно по рис. 1 и 2 (разница в приросте энергетической эффективности, в среднем, на 1 %).

Выводы по исследованию

1. Существующие образцы малооборотных двухтактных двухтопливных ГД в достаточной степени отвечают требованиям по энергетической эффективности, предъявляемым к супер-СПГ-танкерам.
2. Двигатели фирмы Winterthur Gas & Diesel обеспечивают наилучшие ходовые характеристики газовозам класса.
3. Вспомогательная СЭС оказывает значительное влияние на энергетическую эффективность супергазовоза.
4. СЭС в составе СЭУ с ГД Win GD имеют меньшую эксплуатационную мощность, чем с ГД MAN D&T — на 20 % в приведённом примере.
5. Перевод ВД СЭС на работу на газе позволяет, примерно, на 6 % повысить энергетическую эффективность СЭУ.

Литература:

1. Propulsion trends in LNG carriers, MAN Diesel & Turbo, Copenhagen, 2013.
2. Dual-fuel, low-speed engine, MAN B&W ME-GI, Copenhagen, 2016.
3. Low-speed Engines 2017, Win GD, 2017.
4. MARPOL 73/78 ANNEX 5, RESOLUTION MEPC.245(66), Guidelines on the method of calculation of the attained EEDI for new ships, 2014.
5. МАРПОЛ 73/78 Приложение 6 (пересмотренное), Резолюция MEPC.203(62), 2014.
6. Даниловский А. Г. Проектирование судовых энергетических установок на основе САПР, СПб., СПбГМТУ, 2014.