Моделирование энергокомплексов с термохимической регенерацией тепла для судов-газовозов

УДК 629.12.03

А.К. ЧЕРЕДНИЧЕНКО

Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова, Украина

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ С ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ТЕПЛА ДЛЯ СУДОВ-ГАЗОВОЗОВ

В данной статье обсуждается эффективность применения термохимической регенерации сбросного тепла в энергетических комплексах современных судов-газовозов. Основной целью исследования является анализ состава и характеристик перспективных энергетических установок газовозов и разработка схемных решений комбинированных дизель-газотурбинных установок с термохимической регенерации сбросного тепла. Проведен анализ температурных потенциалов сбросного тепла малооборотного, среднеоборотного дизельного двигателя и газотурбинного двигателя. Предложена схема комбинированной дизель-газотурбинной установки с термохимической регенерацией тепла отходящих газов путем конверсии испаряющегося при перевозке груза, приведены основные положения математической модели энергетической установки с термохимической регенерацией. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании энергетических установок современных судов-газовозов. Установлено, что для располагаемого температурного диапазона отходящих газов современных серийных газотурбинных двигателей соотношение мощностей дизельного и газотурбинного двигателя лежит в пределах 56.

Ключевые слова: ЬЫО-газовоз, энергетическая установка, конверсия топлива, термохимическая регенерация тепла, двигатель внутреннего сгорания, газотурбинный двигатель, синтез-газ.

Введение

Применение альтернативной энергетики, основанной на использовании возобновляемых источниках энергии, в ближайшие десятилетия компенсирует не более четверти мирового энергопотребления. Основным энергоносителем будет оставаться ископаемое углеводородное топливо, в том числе природный газ. Несмотря на то, что трубопроводы останутся основным методом транспортировки данного сырья, к 2035 году почти половина этого энергоносителя будет транспортироваться в виде сжиженного природного газа (ЬКО) судами-газовозами ЬКО [1]. Доля таких судов в мировом флоте растет (рис. 1).

6 7

S 8% 3% '[

14% 21%

Рис. 1. Состав мирового флота на 01.01.2015: 1 — балкеры; 2 — универсальные сухогрузные суда: 3 — танкеры-продуктовозы; 4 — контейнеровозы; 5 — танкеры-химовозы; 6 — Ро-Ро/пассажирские суда; 7 — газовозы LNG

© О.К. Чередниченко, 2016

Таблица 1 Рост показателей индустрии LNG за 20 лет [2]

Характеристики 1993 2003 2013

Количество заводов по сжижению природного газа 11 15 26

Количество приемных терминалов 31 46 104

Количество газовозов ЬКО 76 152 393

Количество стран-импортеров 9 13 29

Импорт ЬКО (млн. т) 61,0 125,2 236,9

Основным компонентом сжиженного природного газа является метан (87.. .98 %), а также этан (1,4.9,5 %), пропан (0,4.2,5 %), бутан (0,1.0,5%) и азот (0,1.0,5%). Сжиженный природный газ транспортируется при атмосферном давлении и при температурах ниже точки кипения метана (-161,5 °С). Это позволяет уменьшить объем перевозимого груза примерно в 600 раз.

Газовозы выполняются по двум конструктивным схемам: с автономными резервуарами, например типа Moss (сферические) и c мембранными резервуарами. Суда второго типа получили в настоящее время наибольшее распространение и составляют 75% мирового флота газовозов LNG [3]. Наиболее крупными судами являются построенные в период 20072010 годы 31 судно класса Q-flex и 14 судов

класса Q-max. Для заказов 2014 года средний размер грузовместимости газовоза составил

161 тыс. м3.

В качестве критерия оценки потерь испарившегося в процессе перевозки газа (BOG — Boil-Off Gas) принята величина скорости испарения груза (BOR — Boil Of Rate), которая определяется как процентное отношение потерь за сутки Vbog к общему объему перевозимого груза VLNg

BOR=VgOG VLNG

где BOR - %/сут.

По данным [4] для современных газовозов в грузовом рейсе BOR = 0,1-0,15%, в балластном рейсе 0,06-0,1%, в зависимости от конструктивной схемы и поколения судна.

Важными показателями эффективности любого транспортного судна, в том числе газовоза, являются характеристики пропуль-сивной и вспомогательной установок, образующих единый энергокомплекс. В последние десятилетия все больше внимания уделяется экологическим аспектам эксплуатации судовых энергетических установок (СЭУ). Существует большое разнообразие вариантов комплектации энергетической установки газовоза LNG, конкурирующих между собой по критериям энергоэффективности и экологичности.

В настоящее время энергетические установки газовозов составляют две основные группы:

- с обработкой испаряющегося груза в установке повторного сжижения;

- с использованием испарившегося груза в качестве топлива в энергетической установке.

С точки зрения определения перспективных путей повышения эффективности энергоиспользования наибольший интерес представляет второй вариант.

При исследовании эффективности СЭУ газовоза целесообразно рассматривать установку как энергокомплекс из трех основных взаимосвязанных компонентов: главных двигателей, электроэнергетического оборудования и системы обработки испаряющегося в процессе транспортировки газа.

Перспективным путем повышения эффективности энергокомплексов является термохимическая конверсия углеводородного топлива за счет вторичных энергоресурсов тепловых двигателей.

2. Постановка задачи

Комплексное решение научно-прикладной проблемы повышения эффективности и эколо-

гичности энергетических установок судов газовозов на базе рационального использования естественного выпара груза в энергетической установке, требует анализа существующих схемных решений СЭУ, разработки перспективных схем, а также исследования путем математического и экспериментального моделирования процессов в подсистемах и элементах оборудования.

3. Результаты исследования

Проведенные ранее исследования выявили, что основными факторами, которые влияют на эффективность энергокомплекса с термохимической регенерацией являются:

- температурный потенциал потоков энергоносителей сбросного тепла главных двигателей и их расходы (рис. 2, 3);

- зависимость прироста теплотворной способности продуктов конверсии от температуры реакции.

Анализ ряда публикаций, посвященных исследованию BOG показывает, что основными компонентами испаряющегося в процессе транспортировке груза являются метан (92... 98%) и азот (2.8%) [5, 6]. Азот является балластной составляющей и в процессе конверсии углеводородного топлива не участвует. В связи с этим, была проанализирована зависимость разницы АНу теплотворной способности про дуктов конверсии метана НуКМ и метана Ну от температуры реакции T. Расчет выполнен с использованием констант равновесия основных реакций при давлении 0,1 МПа с обработкой результатов методом регрессионного анализа для располагаемого диапазона температур. Результаты представлены в виде зависимости АНу = f(T) и в дальнейшем использовались при математическом моделировании процессов в комбинированной установке с термохимической регенерацией тепла:

ДНМ = -(6,0197345 • Ю-18) • Т7 + (2,5780853 • 10~14) • Т6 --(4,4700353 • Ю-11) • Т5 + (4,02533939 • 10"8) • Т4 --(2,0191104 • КГ5) • Т3 + 0,0056732  Т2 - 0,830873  Т + +49,1241714

Анализ состава и характеристик существующих и перспективных энергетических установок газовозов LNG позволил выявить следующие основные типы энергетических комплексов на базе двухтопливных (DF - dual-fuel) малооборотных (МОД) и среднеоборотных (СОД) ДВС, двухтопливных паротурбинных и газотурбинных установок:

- DFDM (low-speed diesel mechanical propulsion) - пропульсивная установка с МОД и прямой передачей мощности на винт;

M

- DFSM

— паротурбинная пропульсивная установка;

- DFDE (medium-speed diesel electric propulsion) - дизель-электрическая пропульсивная установка;

- DFGE (gas turbine electric propulsion) — газо-турбоэлектрическая пропульсивная установка;

- DFCOGES (combined gas and steam turbines electric propulsion) — комбинированная газопаро-турбоэлектрическая пропульсивная установка;

- DFCODMDE (combined low-speed diesel mechanical and diesel electric propulsion) — комбинированная пропульсивная установка с МОД и прямой передачей мощности на винт совместно с дизель-электрической пропульсивной установкой;

- DFCODMGE

— комбинированная пропульсивная установка с МОД и прямой передачей мощности на винт совместно с газотурбоэлектрической пропуль-сивной установкой;

- DFCODMSE

— комбинированная пропульсивная установка с МОД и прямой передачей мощности на винт совместно с паротурбоэлектрической пропуль-сивной установкой;

- DFCODMCOGES (combined low-speed diesel mechanical and steam turbine electric propulsion) — комбинированная пропульсивная установка с МОД и прямой передачей мощности на винт совместно с газопаротурбоэлектрической пропульсивной установкой.

Кроме того, перспективными являются и трехтопливные (TF — triple fuel) установки TFDE. В установках такого типа предусматривается использование тяжелого (HFO), легкого (MDO, MGO) и газообразного топлива, что обеспечивает эксплуатационную гибкость с возможностью оптимизации нагрузки энергетической установки на различных скоростях движения судна.

Методами математического моделирования были проанализированы характеристики энергетических установок разного состава для судов-газовозов. При моделировании учитывались энергетические затраты, связанные с ком-примированием BOG при подаче в двигатель.

Сопоставление тепловых потенциалов сбросного тепла перспективных к применению в составе энергокомплексов современных газовозов малооборотных, среднеоборотных дизельных двигателей и газотурбинных двигателей (ГТД) (рис. 2,3), показало, что температурный потенциал вторичных энергоресурсов ГТД более перспективен, чем у СОД и МОД для термохимической конверсии метана.

В результате анализа характеристик существующих и альтернативных мобильных энергетических установок сформулирована рабочая гипотеза научного исследования, о том, что на судах-газовозах использование газа естественного выпара груза как топлива энергетической установки рационально осуществлять в комбинированной установке с термохимической регенерацией (ТХР) вторичных энергоресурсов СЭУ.

(Т-2-3),К

200

N

----- % s

N

5 10 .......Масло —

15

-Вода

20 25

Отходящие газы

30 35 40

Q. МВт - Оумыарное'значенпе

Рис. 2. Потенциал вторичных энергоресурсов судового МОД мощностью » 42,3 МВт [7]

45(1

40(1

350

3(1(1

- 25(1

2(1(1

- 15(1

н 1(1(1

50

(1

UGT6000

4000 6000 8000 10000 Тепловая МОЩНОСТЬ. кВт

a

ГТД - UG тюооо

две - Wartsila 5L64 -ч

2(10(1 4(1(1(1 (1(1(1(1 «(1(1(1 1(1(1(1(1 12(1(1(1 14(1(1(1 16000 18000 Тепловая мощность. кВт б

Л 300 _

| 200 i 100

ГТ Ц-UGTK 000

две - Wartsila 18 V46

О 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 Тепловая мощность, кВт В

Рис. 3. Зависимость между температурой теплоносителей и тепловой мощностью сбросного тепла для ГТД и СОД: а) мощность » 6,5 МВт; б) » 10,5 МВт; в) » 16 МВт

Применение современных объектно-ориентированных подходов к проектированию сложных технических систем [8, 9] при совмещении принципов стратегии функциональной декомпозиции с инкапсуляцией подсистем, позволило при моделировании представить данную энергетическую установку в виде си-

стемы из трех функционально взаимосвязанных подсистем:

- энергетической подсистемы, в которой химическая энергия топлива преобразуется в механическую, электрическую и тепловую энергию;

- подсистемы утилизации тепла, предназначенной для преобразования сбросной теплоты энергетической подсистемы в механическую, электрическую и тепловую виды энергии;

- технологической подсистемы конверсии топлива.

Связь между элементами подсистем осуществляется потоками энергоносителей (теплоносителей и рабочих тел циклов), посредством которых осуществляются процессы энергетического взаимодействия между подсистемами и в целом, в энергетической установке.

--ИЮЖОЦТу

При моделировании процессов испарения перевозимого груза использовались методики и алгоритмы, сформулированные в [6, 10].

Укрупненный анализ взаимосвязей термодинамических параметров газотурбинной установки с термохимической регенерации теплоты и характеристик ДВС, который работает на продуктах конверсии BOG, базируется на положениях, предложенных автором в работах [11-13].

В качестве критерия эффективности энергокомплекса принят удельный расход топлива Cn, кг/(кВт-час).

Данные подходы позволили реализовать блочную схему для отдельного моделирования процессов в элементах комбинированной энергетической установки как при теоретическом (рис. 4), так и при экспериментальном исследовании (рис. 5).

Рис. 4. Фрагмент модели энергокомплекса на базе газотурбинного двигателя с термохимической регенерацией тепла отходящих газов

Рис. 5. Пример функциональной декомпозиции экспериментальной установки при исследовании характеристик

дизель-газотурбинной установки с ТХР

Расчеты показывают, что теплового потенциала отходящих газов современного ГТД при отношении мощностей дизельного среднеоборотного и газотурбинного двигателя ^ДВС/ ^ГТД » 56 достаточно, для получения объема синтез-газа, необходимого для работы ДВС.

Заключение

Проведенные научные исследования позволили сформулировать следующие научные положения:

1. Применение на судах-газовозах термохимической регенерации естественного выпара груза за счет вторичных энергоресурсов в комбинированной энергетической установке повышает эффективность на 4... 5% за счет рационального использования температурного потенциала вторичных энергоресурсов.

2. Рациональное соотношение мощности газотурбинной и дизельной части комбинированной энергетической установки с ТХР судна-газовоза составляет 0,2.0,3.

3. Представляет интерес исследование характеристик индекса энергоэфективности судна газовоза при применении термохимической регенерации теплоты вторичных энергоресурсов в комбинированной энергетической установке.

Литература

1. BP Energy Outlook 2035 [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://www.bp.com/ content/dam/bp/pdf/energy-economics/energy-outlook-2015/bp- energy- outlook-203 5 -booklet. pdf.

2. LNG SHIPPING AT 50. A COMMEMORATIVE SIGTTO/GIIGNL PUBLICATION. OCTOBER 2014.

3. IGU World LNG Report - 2016 Edition [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://www.giignl.org/sites/default/files/PUB-LIC_AREA/Publications/lng-shipping-at-50-compressed.pdf.

4. Gomski P. Problems with Determination of Evaporation Rate and Properties of Boil-off Gas on Board LNG Carriers [Text] / P. Gomski, R. Michalski // Journal of Polish Cimac, Energetic aspects. — Gdask. — 2011. — Vol. 6, №. 1. — Р. 133—140.

5. Dobrota D. Problem of Boil - off in LNG Supply Chain [Text] / D. Dobrota, B. Lalik,

V. Komar // Transactions on maritime science. — 2013. — Vol. 02. — P. 91-100.

6. A Dynamic Model for Liquefied Natural Gas Evaporation During Marine Transportation [Text] / George G. Dimopoulos, Christos A. Frangopoulos // Int. J. of Thermodynamics. — 2008. — Vol. 11, № 3. — Р. 123-131.

7. Утилизация низкопотенциального тепла ДВС 9G80 ME металлогидрид-ной установкой непрерывного действия [Электронный ресурс] / М. Р. Ткач, Б. Г. Тимошевский, С. М. Доценко [и др.] // Двигатели внутреннего сгорания. - 2014. - № 1. -С. 35-41. - Режим доступу : http://nbuv.gov.ua/ UJRN/dvs_2014_1_10.

8. Handling Complexity Aspects in Conceptual Ship Design [Text] / H. M. Gaspar, A. Ross, D.H. Rhodes, S. Erikstad [at al] // Int'l Maritime Design Conference.— UK. : Glasgow, — 2012. - р. 150-160.

9. Erikstad S.O., A Ship Design and Deployment Model for Non-Transport Vessels [Text]/ S.O Erikstad, S. Solem, K. Fagerholt // Ship Technology Research.

— 2011. — vol. 58, № 3. — P. 132-141.

10. Dimopoulos G. G. Thermoeconomic Simulation of Marine Energy Systems for a Liquefied Natural Gas Carrier [Text] / George G. Dimopoulos, Christos A. Frangopoulos // Int. J. of Thermodynamics. — 2008. — Vol. 11, №. 4. — P. 195-201.

11. Ткач М. Р. Эффективность газотурбинной установки с термодинамической и термохимической регенерацией тепла отходящих газов [Текст] / М. Р. Ткач, А. К. Чередниченко // Авиационно-космическая техника и технология. — 2009. — № 7 (64). — С. 19—22.

12. Чередниченко А. К. Оценка эффективности термохимической регенерации тепла в дизель-газотурбинной энергетической установке [Текст] / А. К. Чередниченко // Науко-вий в1сник Херсонсько! державно! морсько! академи. — Херсон, ХДМА. — 2014. — №2(11).

- С. 89-96.

13. Чередниченко А. К. Повышение эффективности комбинированной энергетической установки термохимической регенерацией тепла [Текст] / А. К. Чередниченко, М. Р. Ткач // Авиационно-космическая техника и технология. — 2015. — № 7(124). — С. 94-99.

Поступила в редакцию 12.07.2016

O.K. Чередниченко. Моделювання енергокомплексу з TepMoxÍMÍ4Horo регенеращею тепла для сyдeн-гaзoвoзiв

У данш cmammi обговорюетъся ефектившстъ застосування mepMoxÍMÍ4HoiрегенерацИ скидного тепла в енергетичних комплексах сучасних cудeн-гaзoвoзiв. Основною метою до^дження е aнaлiз складу i характеристик перспективних енергетичних установок гaзoвoзiв i розробка схемних ршенъ комбтованих дизелъ-газотурбтних установок з mepмoхiмiчнoi регенерацИ скидного тепла. Проведено aнaлiз температурних пomeнцiaлiв скидного тепла малооборотного, середнъооборотного дизелъних двигушв i газотурбтного двигуна. Запропоновано схему кoмбiнoвaнoi дизeлъ-гaзomуpбiннoiустановки з mepмoхiмiчнoю регенеращею тепла вiдхiдних гaзiв шляхом конверси випаровуетъся при перевезены вантажу. Резулътати до^дженъ можутъ бути використаш при проектуванш енергетичних установок сучасних cудeн-гaзoвoзiв. Встановлено, що для наявного температурного дiaпaзoну гaзiв, що вiдхoдяmъ сучасних сершних газотурбтних двигушв cпiввiднoшeння потужностей дизелъного i газотурбтного двигуна лежитъ в межах 56.

Ключов1 слова: LNG газовоз, енергетична установка, кoнвepciя палива, mepмoхiмiчнa регенеращя тепла, двигун внутршнъого згоряння, газотурбтний двигун, синтез-газ.

O.K. Cherednichenko. Modeling of efficiency of ship power plants with thermochemical heat recovery for liquefied natural gas carriers

This article discusses efficiency of thermochemical heat recovery of waste heat for liquefied natural gas carriers. Some results of research have been shown. The main aim of the research is the enlarged analysis of characteristic of combined diesel-gas turbine power plant. The power plant consist of gas turbine engine with the thermochemical heat recovery and internal-combustion engine specification which operates on the conversion of fuel. The analysis of the temperature potentials of waste heat of the slow, medium speed diesel engine and gas turbine engine is provided. A scheme of combined diesel-gas turbine power plant with the thermochemical heat recovery of exhaust gases with the conversion of Boil Of Gas is considered. The results of research may be used in the development of ship power plants of liquefied natural gas carriers.

Key words: LNG carrier, power plant, conversion of fuel, thermochemical heat recovery, ethanol, internal combustion engine, gas turbine engine, synthesis gas.