Развитие морского транспорта сжиженных природных газов

УДК 662.691.4

Развитие морского транспорта сжиженных природных газов

и.и. ХАСАНОВ, аспирант

А.М. ШАММАЗОВ, д-р техн. наук, профессор

Р.к. ТЕРЕГУЛОВ, канд.техн.наук

Уфимский государственный нефтяной технический университет

E-mail: ilnur.mt@mail.ru

Статья посвящена анализу возможности транспортирования метана и сжиженных газов на танкерах в морских условиях. Кратко рассмотрены факторы, которые положили начало транспортировке газа в сжиженном состоянии. Рассмотрены первые морские суда для перевозки сжиженного природного газа (СПГ). Показаны их внешний вид и основные конструктивные особенности с их характеристиками. Отмечены люди, стоявшие у истоков зарождения морского транспорта СПГ. Описаны основные источники загрязняющих веществ и выбросов в атмосферу. Представлены требования международных организаций по экологичности морских судов. В статье рассмотрены возможные варианты использования испарившегося газа в качестве моторного топлива в газодизельных установках. Представлен первый в России двухтопливный газотурбинный двигатель морского исполнения. Был сделан вывод о возможности экономии топлива и расходов на обслуживание, а также существенного снижения выбросов вредных веществ в атмосферу за счет использования двухтопливных двигателей.

Ключевые слова: морской транспорт, сжиженный газ, СПГ, СНГ, двухтопливный двигатель, испарившийся газ, газотурбинный двигатель.

ааорская транспортировка природного газа в сжиженном виде зародилась и начала развиваться под влиянием двух факторов. Первый — рост мирового потребления газа в районах с дефицитом этого вида топлива, куда не всегда было возможно (или совсем невозможно) доставить газ традиционным способом — по трубопроводам. Вторым фактором послужило изобретение криогенных технологий, которые позволили сжижать газ за счет его охлаждения до экстремальной температуры (-163°С) и сильного сжатия (в 600 раз). Последующее развитие и удешевление криогенных технологий открыло путь к их коммерческому использованию и широкому распространению.

Идея водной транспортировки сжиженного природного газа на судах и баржах принадлежит Уильяму Вудиринсу, который в 1951 г. предложил перевозить сжиженный газ по реке Миссисипи от газовых месторождений Луизианы до города Чикаго (США). Потенциальный холод сжиженного природного газа предполагалось использовать на чикагских скотобойнях. Созданная для реализации этой идеи исследовательско-конструкторская группа разработала в 1954 г. детальный проект, получивший название «Проекта Моррисона». Была построена плавучая баржа с полной установкой для сжижения производительностью по природному газу 185 тыс.м3/сут.

Впервые для транспортировки газа была запроектирована сдвоенная баржа длиной 80 м и шириной

16 м, на которой устанавливались пять цилиндрических вертикальных резервуаров из недорогостоящей стали, изолированных изнутри слоем прессованной бальзовой древесины толщиной 35,5 см. В качестве топлива для двигателей барж должен был использоваться испаряющийся сжиженный метан. Несмотря на готовность обеих барж, весь проект в целом не был осуществлен по экономическим причинам.

Удачные попытки перевозки сжиженного нефтяного газа, аммиака еще более настроили исследователей на дальнейшие разработки технологий перевозки сжиженных природных газов.

Второй проект морского транспорта сжиженного природного газа появился в 1955 г. («Проект Крекко»). В нем предлагалось переоборудовать существующие сухогрузные суда для перевозки сжиженного метана из США и Венесуэлы в Англию.

Восемь больших и два мелких резервуара для хранения сжиженного метана предполагалось установить вдоль центральной линии судна, а на бортах и в трюме намечалось поставить топливные резервуары для мазута. Двигатели судна могли потреблять как мазут, так и испаряющийся метан в качестве топлива.

В 1958 г. на верфи в г. Мобил (США) началось переоборудование сухогрузного судна «Нормарти» в судно для перевозки метана. Переоборудование проводилось в соответствии с временными требованиями Береговой охраны США и было согласовано

Рис. 1. Сухогруз класса C1-M-AV1, «Марлин Хитч»

- Корпус

Рис. 2. Призматическая форма резервуара типа В

Рис. 3. Танкер «Метан Пионер»

Рис. 4. Танкер СПГ «Метан Принцесс»

Рис. 5. Танкер СПГ «Метан Прогресс»

с Американским бюро судоходства и Английским Регистром Ллойда [1].

Компания сознательно отказалась от нефтеналивного судна, так как сжиженный газ и оборудование для его перевозки имеют сравнительно небольшой вес, а для обеспечения устойчивости судна необходимо наличие в нем вместительных трюмов для балласта (вода или мазут). Для переоборудования было выбрано торговое судно грузоподъёмностью 5000 т.

Этим судном был сухогруз класса C1-M-AV1 «Марлин Хитч», построенный для правительства США в июле 1945 г. (рис. 1).

Основные размеры судна: длина — 103 м, ширина — 15,3 м, высота борта — 6,5 м. Емкость пяти резервуаров составляла 5000 м3, расчетный объем груза сжиженного природного газа — 2200 т. Три алюминиевых призматических резервуара емкостью по 1033 м3 размещались в носовом отсеке, два резервуара емкостью соответственно 950 и 1030 м3 — в кормовом отсеке корабля (конструктивная схема представлена на рис. 2).

Поскольку танкер «Метан Пионер», именно такое название получило первое судно для перевозки метана (рис. 3), был рассчитан только на экспериментальную транспортировку сжиженного метана через Атлантический океан в течение ограниченного периода, было экономически нецелесообразно переводить дизельные двигатели судна на газ, образующийся в результате испарения сжиженного метана в резервуарах. Поэтому получаемый газ выпускался в атмосферу.

Полученные в результате опытных рейсов танкера «Метан Пионер» данные показали полную техническую возможность морского транспорта сжиженного природного газа.

В 1964 г. для компании-оператора «Шелл» на верфи «Викерс Армстронг Шипбилдинг», Великобритания, построен первый специализированный танкер СПГ «Метан Принцесс» (рис. 4).

В том же 1964 г. для компании «Шелл» на верфи «Харланд энд Вольф» выпущен второй танкер СПГ «Метан Прогресс» (рис. 5).

Оба танкера имели одинаковые характеристики и архитектурное исполнение. Эти суда имели грузовые танки типа «Конк», сделанные из алюминия с изоляцией из бальзы. Танкеры «Метан Принцесс» и «Метан Прогресс» использовались в течение 20 лет для перевозки СПГ из Алжира в Великобританию. На этих судах в качестве двигателя использовалась паровая турбина мощностью 13750 л.с. Длина танкеров 189 м, ширина — 25 м, скорость — 17,5 узла. Оба судна совершили более 1000 рейсов. Вместимость судов около 27000 м3. «Метан Принцесс» был разобран в 1997 г. в Индии, «Метан Прогресс» был разобран в 1986 г. в Испании.

Основные элементы грузовых судов типа «Конк» показаны на рис. 6.

Первые специальные суда для перевозки сжиженного природного газа имели грузовые танки

Рис. 6. Танк типа А «Конк» стандартной конструкции

Рис. 7. Танкер СПГ «Арктик Токио», перевозивший сжиженный газ из Залива Кука в Японию

Рис. 8. Танкер «Арктик Токио» на причале Кенайского завода СПГ

типа «Конк», но они не получили широкого распространения.

Для обеспечения поставок сниженного природного газа с Кенайского завода СПГ (Аляска) в Японию на верфи «Кокрумс» (Швеция) в 1969 году были построены два судна «Полар Аляска» и «Арктик Токио» (рис. 7,8). Объём транспортных емкостей был 71500 м3, дедвейт — 36896 т.

На танкерах «Арктик Токио» и «Полар Аляска» впервые были использованы мембранные танки (система «Газ Транспорт Мембран»).

В 1971 г. компания «Мосс Розенберг», входящая в состав норвежской промышленной компании «Кварнер», завершила разработку нового сферического танка вместимостью 87600 м3. Разработки судовых конструкций и резервуаров велись на верфи «Мосс Розенберг Верф» [2].

Работы в направлении разработки нового дизайна емкости для перевозки СПГ длились с 1960 по 1970 гг. и в них были задействованы не только специалисты «Мосс Розенберг» и «Кваернер». Вместе с ними выполняли свои исследования сотрудники «Норск Веритас», Норвежского исследовательского университета и морского управления.

Основные элементы сферического танка и его расположение на танкере представлены на рис. 9.

Первым танкером, построенным по технологии «Мосс», был танкер «Норман Леди» (рис. 10).

Танкер СПГ «Норман Леди» ходил изначально под флагом Норвегии. Объём танков на танкере — 87600 м3; дедвейт — 50922 т, тоннаж — 71489 GRT. Основные размеры танкера: длина — 249,5 м, ширина — 40 м, высота борта — 10,6 м. На танкере были установлены две турбины компании «Дженирал Электрик» мощностью 30400 л.с., которые обеспечивали скорость 19 узлов.

В связи с тем, что, несмотря на изоляцию, происходит испарение метана в количестве примерно 0,1% в сутки, этот газ можно использовать в качестве дополнительного топлива на корабле, либо же выпускать его в воздух, предварительно разбавив воздухом до безопасной, с точки зрения возможности взрыва, концентрации [3].

Рис. 9. Ключевые элементы сферического резервуара LNG системы «Мосс»

Рис. 10. Танкер-газовоз «Норман Леди»

Uli

к две

Рис. 11. Схема судового газодизеля танкера-газовоза:

I — резервуар; 2, 8, 9, 9а — трубопроводы; 3 — магистраль; 4 — предохранительный клапан; 5 — отвод;

6 — компрессор; 7 — регулятор; 10 — регулятор давления;

II — манометр; 12, 18 — регулировочные стержни-рейки; 13, 16 — насосы; 14, 17 — трубки подвода топлива у форсункам и системе управления газовпускными органами соответственно; 15 — двуплечный рычаг; 19 — регулятор скорости двигателя; 20 — рычаг ручного управления регулятора; 21 — вал; 22 — винт газовоза; 23 — измеритель крутящего момента; 24 — профильный кулачок;

25 — корректор-регулятор

Рис. 12. Газовоз «British Emerald»

С 2015 г. на Балтике начнут действовать установленные Международной морской организацией требования к экологичности морских судов, жестко регламентирующие выбросы в атмосферу соеди-

нений серы и углерода. В акватории Балтийского и Северного морей содержание серы в топливе не должно превышать 0,1%, а сейчас это ограничение составляет 1%. С 2020 г. для всех портов Евросоюза начнет действовать ограничение с планкой 0,5% (сейчас — 1,5%). Предполагается, что с 2025 г. лимит в размере 0,5% содержания серы в топливе установят для всего мира [4].

Выходов из этой ситуации у судовладельцев всего три: оснащать свои суда системой очистки выхлопных газов (скруббер), переводить на более дорогое жидкое топливо с меньшим содержанием серы (Marine Gas Oil) или ориентировать флот на использование в качестве топлива СПГ.

Природный газ успешно применяется в качестве основного топлива на судах-газовозах.

Перевозимый на них СПГ в небольших количествах (0,15-0,18% от общей вместимости танков в сутки) постоянно испаряется. Одним из способов его утилизации является его использование в качестве топлива энергетической установки судна.

В практике перевода дизелей на газовое топливо достаточно широкое распространение получили газодизели. Этому не в последнюю очередь способствовала простота перевода двигателя с одного топлива на другое при минимальных изменениях конструкции (рис. 11).

В 2007 г. на воду был спущен газовоз «British Emerald» (рис. 12) с двухтопливной дизель-электрической установкой, способной работать и на газе, и на обычном дизельном топливе.

Он стал флагманом серии, состоящей из четырех однотипных кораблей, британского танкерного флота: «British Ruby», «British Sapphire» и «British Diamond».

Все газовозы построены в 2008 г. на верфи Hyundai Heavy Industries» в Южной Корее. При разработке проекта судна инженеры руководствовались принципами экономичности и безопасности.

Первый принцип был реализован благодаря новой концепции «DFDE» (dual-fuel diesel-electric), что означает два топлива в одной дизель-электрической установке. Технология «DFDE» позволяет для двигателей использовать в качестве топлива пары перевозимого газа, и, кроме этого, дизельное топливо как стандартное. Эта технология не нова, но прежде она не использовалась на таких морских судах. Такая новация придаёт газовозу уникальность. Новая электромеханическая система при установке обходится дороже, но уже через год окупается за счет высокой эффективности газовоза.

Этот принцип позволяет значительно сократить расходы на дизельное топливо, которое используется на судах такого класса, а также уменьшить выброс вредных веществ в атмосферу. Безопасность газовоза, в первую очередь, была достигнута за счет двойного корпуса.

водное транспортирование

Рис. 13. Танкер «Мозах» после спуска на воду

Рис. 14. Двухтопливный газотурбинный двигатель Е70/8РД морского исполнения

В декабре 2008 г. был сдан заказчику «Катар Газ Транспорт Компани» крупнейший в мире танкер для перевозки сжиженного природного газа «Мозах» (рис. 13).

Танкер был построен на верфи «Самсунг Хэви Индастрис Шипярд» на острове Геодже, Корея. Танкер «Мозах» относится к классу «Кью-Макс» и может перевозить 266000 м3. Дедвейт танкера — 125600 т. Основные размеры: длина — 345 м; ширина — 50 м; осадка 12 м. Сжиженный газ перевозится в пяти танках мембранного типа. Танкер имеет собственную установку сжижения газа для сжижения испарений в танках, что обеспечивает практически 100%-ю сохранность груза при транспортировке. В качестве главных двигателей установлены два низкооборотных дизеля, работающих на два винта.

Все предпринимаемые мероприятия по сокращению выбросов в атмосферу привели к созданию первого двухтопливного газотурбинного двигателя Е70/8РД морского исполнения научно-производственным объединением «Сатурн» (Россия) (рис. 14) [5].

ГТД Е70/8РД позволяет в автоматическом режиме переходить без потери мощности с жидкого (дизельного) топлива на газообразное и наоборот. По своим высоким техническим характеристикам двигатель находится на уровне мировых аналогов.

Этот универсальный двигатель может быть использован в составе главных энергетических установок ледоколов, грузопассажирских судов, газовозов, а также на объектах нефтегазового комплекса страны.

В этой разработке использован унифицированный перспективный газогенератор, отвечающий требованиям двигателя 5-го поколения. В частности, эмиссионные характеристики камеры сгорания улучшены на 30%. На её базе может быть создан перспективный газогенератор для нового семейства двигателей морского и промышленного применения.

Применение двухтопливной дизель-электрической энергетической установки на газовозе СПГ позволит снизить расходы на эксплуатацию судна примерно на 50% в сравнении с вариантом оснащения судна паротурбинной энергетической установкой. При этом существенно снижаются выбросы серы, NOx, CO2 и твёрдых частиц [6-8].

Учитывая нехватку специалистов в области перевозок сжиженного газа, ведущим морским учебным заведениям необходимо осуществлять переподготовку моряков для работы на судах СПГ. Еще одной важной задачей судовладельцев является существенный вклад в подготовку специалистов для работы на судах СПГ, осуществляя целевой заказ на них, что обеспечит в будущем безопасность эксплуатации энергетической установки и мореплавания.

список литературы

1. Морская библиотека. Адрес доступа: http://sea-library.ru/.

2. Судостроение. Энергетика. Транспорт. Адрес доступа: http://www.setcorp.ru/main/pressrelease. phtml?news_id=21618.

3. Халилов НА., Страхова НА. Опыт эксплуатации судовых двухтопливных дизелей. // Морская техника и технология. — 2011. — № 2.

4. Власов А.В. Придет ли природный газ на смену мазуту? // Новые технологии. — 2010. — Вып. 4 (10).

5. В России создан двухтопливный газотурбинный двигатель морского исполнения. Адрес доступа: http://sky-bux.net/texnologii/ 11955-v-rossii-sozdan-dvyhtoplivnyi-gazotyrbinnyi-dvigatel-morskogo-ispolneniia.

6. Кириллов Н.Г. Новые отечественные технологии в морской транспортировке СПГ // Газовая промышленность. — 2004. — № 4.

7. Рябчиков ПА. Морские суда. — М.: Морской транспорт, 1959.

8. Векслер В.М. Некоторые вопросы проектирования танкеров. — Л.: Судостроение, 1967.

THE FORMATION OF MARITIME TRANSPORT OF LIQUEFIED NATURAL GASES

Hasanov I.I., Graduate Student, E - mail: ilnur.mt@mail.ru

Shammazov A.M., Dr. of Tech. Scie., Professor

Teregulov R.K., Candidate of Tech. Scie.

Ufa State Petroleum Technological University

ABSTRACT

The article is devoted to analysis of methane and liquefied gases by tankers on offshore conditions. Factors that initiated the gas in a liquefied state are briefly considered. First offshore ships for liquefied natural gas are briefly considered. The appearance and constructional peculiarities with their characteristics are shown. The key persons, who founded the maritime transport of liquefied natural gas (LNG) are highlighted. Main sources of pollutants and emissions into the atmosphere are described. The international organization's requirements on the ecology of offshore ships are presented. Different ways of evaporated gase's using as a motor fuel in gas-diesel installations are described in this article. The first offshore dual fuel gas-turbine engine is presented in Russia. It was concluded that economy of fuel and maintenance costs, as well as significantly reduce the emissions of harmful substances into the atmosphere by dual fuel engines using.

Keywords: maritime transportation, liquefied gas, LNG, LPG, dual fuel engine, evaporated gas, gas-turbine engine.

REFERENCES

1. Morskaya biblioteka [Maritime Library]. Available at: http://sea-library.ru/.

2. Sudostroyeniye. Energetika. Transport [Shipbuilding. Energy. Transport.]. Available at: http://www.setcorp.ru/main/pressrelease. phtml?news_id=21618.

3. Khalilov N.A., Strakhova N.A. Morskaya tekhnika i tekhnologiya — Marine engineering and technology. 2011, no.2.

4. Vlasov A.V. Novyye tekhnologii — New Technologies. 2010, Is. 4 (10).

5. VRossii sozdan dvukhtoplivnyy gazoturbinnyy dvigatel' morskogo ispolneniya [In Russia, created dual fuel gas turbine engine marine applications]. Available at : http://sky-bux.net/texnologii/ 11955-v-rossii-sozdan-dvyhtoplivnyi-gazotyrbinnyi-dvigatel-morskogo-ispolneniia.

6. Kirillov N.G. Gazovayapromyshlennost' — Gas industry. 2004, no. 4.

7. Ryabchikov P.A. Morskiye suda [Marine vessels]. Moscow: Morskoy transport Publ., 1959.

8. Veksler V.M. Nekotoryye voprosy proyektirovaniya tankerov [Some design issues tankers]. Leningrad: Sudostroyeniye Publ., 1967.

вниманию подписчиков!

Открыта подписка на 2015 г. на журнал «Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья»

• Подписка проводится:

1. В почтовых отделениях:

- по каталогу «Издания органов научно-технической информации». Подписной индекс 53752.

- по каталогу «Пресса России».

2. В ООО «ОБРАКАДЕМНАУКА». Заявки принимаются по E-mail: chranenie@rambler.ru.

Заказчики могут оформить заявку на архивные номера.

• Стоимость подписки на полугодие - 1580 руб. НДС не облагается.

Приглашаем к сотрудничеству специалистов в области транспортировки и хранения углеводородного сырья.

Телефон для справок: +7 926 460 8824 E-mail: chranenie@rambler.ru http://thnp.ru/