Конструкция грузовых танков.
Первые суда для СПГ имели грузовые танки типа Conch, но они не получили широкого распространения. Всего было построено 6 судов с этой системой танков. Система базировалась на призматических самоподдерживающих танках, сделанных из алюминия с изоляцией из бальсы, которая в дальнейшем была заменена полиуретановой пеной. При строительстве судов большого размера, до 165000 м3 грузовые танки хотели сделать из никелевой стали, но эти разработки так и не воплотились в жизнь, так как были предложены боле дешевые проекты.
Первые мембранные танки были построены на двух судах в 1969 году по технологии Газ Транспорт и Техник Газ. Одно из ИНВАР стали толщиной 0.5 мм, а другое из рифленой нержавеющей стали толщиной 1.2 мм. Они использовали перлит как изоляционный материал для ИНВАР стали, и ПВХ блоки для нержавеющей стали. Дальнейшее развитие изменило конструкцию TG. Изоляцию заменили на бальсу и фанерные панели. Отсутствовала и вторая мембрана из нержавеющей стали. Роль второго барьера играл триплекс из алюминиевой фольги, покрытой стеклом с обеих сторон для прочности.
В 1994 году GT и TG слились в одну компанию GTT и обе системы стали использоваться при постройке с одинаковым успехом. Это GT № 96 и TG Марк III. Идет работа и над новыми системами GT 2000 и CS-1 (комбинированная система).
Сферические танки системы MOSS были взяты с судов перевозящих нефтяные газы и очень быстро завоевали популярность.
Последние построенные суда с танками MOSS снабжены УПСГ, а также значительно улучшилось качество изоляции. При общем количестве судов СПГ около 170, половина из них имеет танки системы MOSS. В Японии построили два метановоза с танками своей собственной системой SPB.
Почему, несмотря на видимые недостатки,- большой вес и малый объем, танки типа MOSS пользуются популярностью?
Причины здесь две. Первая, - это то, что они самоподдерживающиеся с дешевой изоляцией, а вторая, - они могут быть построены отдельно от судна.
Мембранные танки GTT строятся только после спуска судна на воду, очень дорогие и время их постройки довольно большое, около 1.5 года.
Недостаток сферического танка в том, что необходимо охлаждать большую массу алюминия, так как они на порядок тяжелее мембранных танков. MOSS предложил для избежания этого внутреннюю изоляцию из полиуретановой пены, но это так и осталось на бумаге. До конца 1990-х, конструкция MOSS была доминирующей в строительстве грузовых танков, но в последние годы, в связи с изменением цен, почти две трети танков заказанных судов, - это GTT конструкции, которые разделяются примерно поровну между GT и TG.
Основные задачи судостроения на сегодняшний день, - это увеличение грузовместимости при неизменных размерах корпуса, уменьшение стоимости изоляции, уменьшение времени постройки судов.
Главные двигатели судов СПГ.
В основном суда, перевозящие СПГ, оборудованы паровыми турбинами. Однако анализ показывает, что есть весомые экономические и экологические причины в пользу отказа от паровой турбины. В течение последних 40 лет, самый легкий путь для обработки выкипевшего газа, было его сжигание в котлах паровой установки. Последние разработки показали, что его можно использовать как топливо непосредственно в дизелях, или сжижать и возвращать в танки, тем не менее, паровая турбина остается основным выбором.
Рисунок В1
Система обычно состоит из двух котлов, подающих пар на турбины высокого и низкого давления, которые вращают вал через редуктор.
Электричество производится двумя паровыми генераторами и одним дизельным генератором.
Ее достоинства, - это несложное обслуживание, практическое отсутствие расходов на смазку, и способность сжигать мазут и газ в любой пропорции.
Система подачи выкипа очень проста, она позволяет избавляться от избытков газа его сжиганием, а затем сбросом излишка пара на конденсатор. Основной недостаток, - это низкая эффективность, высокая стоимость топлива и высокая эмиссия СО2. Размеры МО очень большие. Последнее время ощущается недостаток квалифицированных кадров.
Сегодня большинство судов СПГ работают по фиксированным контрактам. И только
в 2001 году трамповый рынок СПГ составил 5% и ожидается его дальнейшее увеличение.
Увеличение трампового рынка означает, что будущие конструкции судов для СПГ должны быть гибкими. Во Франции и Корее уже построены суда нового поколения. Их эксплуатация должна подтвердить надежность изменения концепции главного двигателя для судов перевозящих СПГ.
Существуют несколько вариантов такого изменения:
- Низкооборотный дизель с УПСГ
- Двух топливный дизель электрический движитель
- Газовая турбина
- Комбинированные системы движения.
Мы рассмотрим два первых варианта, как наиболее перспективные модели ГД.
Большинство судов сегодня двигаются при помощи одного дизеля, - испытанная и одобренная система. Основное достоинство, - это высокая эффективность, на 60% больше, чем у турбины. Небольшое помещение МО и сравнительно низкая начальная стоимость.
Это также низкая стоимость излишков, по сравнению с паровой турбиной.
В случае неисправности дизеля, установленный на его валу электромотор, работающий от дизель-генератора, сможет вращать винт, что позволит судну двигаться с безопасной скоростью. Это уже сделано на некоторых судах химовозах.
Другое достоинство, - это количество доставленного СПГ в порт выгрузки. Оно значительно увеличивается, так как прекращается его сжигание. Один из потенциальных недостатков, - увеличение NOx и SOx эмиссии, так как ГД работает на мазуте, однако количество СО2 снижается.
Рисунок В2.
Двух топливный дизель-электрический движитель, где дизеля могут использовать газ как топливо. Газ впрыскивается в воздушный приемник и к нему добавляется небольшое количество топлива в камере сгорания для воспламенения смеси газ/воздух. Здесь можно применить только MDO, полное переключение на которое, возможно в течение одного оборота дизеля. Система очень экологична. При использовании СПГ получается очень небольшое количество NOx и SOx и без твердых частиц продуктов сгорания.
Уменьшится и количество СО2, приблизительно на 100000 м3 в год по сравнению со стандартной паровой установкой.
Рисунок В2.
Четыре дизеля вращают генераторы, которые вырабатывают электроэнергию для главных электромоторов и других потребителей.
Это дает высокую гибкость при различных операций. Общая потребляемая мощность меньше, чем в других системах движителей из-за этой гибкости. Здесь отпадает необходимость системы ГД – Редуктор – Вал. Дизеля могут располагаться на более высокой палубе, что уменьшит размер МО.
Даже в случае неисправности 2-х дизелей, судно будет иметь возможность двигаться с 75% построечной скорости. На судне с грузовместимостью 145000м3, оно сможет взять на 5000м3 больше груза, чем с паровой турбиной. Недостаток этой системы, - более высокая начальная цена и потеря некоторой эффективности в процессе генерирования электроэнергии.
Рисунок В3.
На примере судна с грузовместимостью 145000 м3 произведем сравнение характеристик при различных системах движителя.
Рисунок В4 показывает разницу в грузовместимости, которая может быть достигнута при различных вариантах использования движителя. Скорость выкипа 0.15 % в сутки.
| Длина максимальная | 280.0 метров |
| Длина между перпендикулярами | 268.0 метров |
| Ширина максимальная | 43.2 метра |
| Высота борта | 26.1 метра |
| Груз (100% - паровая турбина) | 145500 м3 |
| Груз (100% - дизель) | 149000 м3 |
| Груз (100% - дизель- электрический) | 150500 м3 |
| GRT | 95500 тонн |
| Осадка (пар / дизель-электрический) | 11.95 метра |
| DWT | 72700 тонн |
| Осадка (дизель) | 12.1 метра |
| DWT | 74300 тонн |
| Скорость | 19.5 узла |
График В5 и таблицы В6 и В7 показывают количество необходимой энергии, начальной стоимости и эффективности различных систем.
Разница в потребляемой мощности не большая из-за различных потерь между винтом и машиной или турбиной. Так как дизель-электрический вариант производит электроэнергию, потеря эффективности больше, чем для механического вращения винта.
Таблица В6. Сравнение эффективности движителей
| Паровая турбина | Двух топливный ГД | 2-х тактный ГД | |||
| Топливо/газ | 1.00 | Топливо/Газ | 1.0 | Топливо | 1.0 |
| Котлы | 0.88 | Генераторы | 0.97 | 2-х тактный ГД | 0.49 |
| Турбина | 0.35 | Преобразователи | 0.98 | ||
| Редуктор | 0.98 | Электромоторы | 0.96 | ||
| Вал | 0.99 | Вал | 0.99 | 0.99 | |
| Двух топливный ГД | 0.98/0.46 | ||||
| ВСЕГО | 0.30 | 0.98/0.43 | 0.48 |
Таблица В7. Сравнение первоначальной стоимости в млн. дол. США. (2002 г.)
| Паровая турбина | Двух топливный ГД | 2-х тактный ГД | |||
| Турбина + Котлы | 13.5 | 4 двух топл. ГД | 11.50 | ГД | 7.20 |
| Редуктор | 3.0 | 2 электромотора | 5.50 | УПСГ | 6.00 |
| 2 турбо генератора | 1.6 | Редукторы 2-х топл | 2.20 | Котел для сжигания | 0.30 |
| 1 дизель генератор | 0.9 | Котел для сжигания | 0.30 | 3 дизель генератора | 2.70 |
| Винт + Вал | 0.65 | Термоокислитель | 0.50 | Винт + Вал | 0.65 |
| Рулевое устройство | 0.25 | Винт + Вал | 0.65 | Рулевое устройство | 0.25 |
| Рулевое устройство | 0.25 | ||||
| ВСЕГО | 19.90 | 20.90 | 17.10 |
Рисунок В8, показывает стоимость расходуемого топлива в процентном соотношении со «стандартным» судом, расходы которого принимаются за 100%.
На рисунках В9, В10, и В11 показаны сравнения экономических показателей «стандартного» судна с судами на разных направления , на которых используются различные типы двигателей.
Рисунок В9.
Рисунок В10.
Рисунок В11.
Рисунок В12, показывает пример возможностей УПСГ. Кривая показывает потребность в СПГ для дизель-электрического движителя при заданной скорости и скорости выкипа 0,15% в день, что составляет около 100 тонн в сутки для судна вместимостью 142000 м3.
Заштрихованная часть к верху от кривой, обозначает чрезмерное выпаривание. Если, для примера, судно работает со скоростью 18 узлов, тогда 25 тонн лишнего выкипа будет теряться каждый день, если на судне отсутствует УПСГ. Чем ниже скорость эксплуатации судна, тем выгоднее иметь на борту УПСГ. Это делает судно более гибким к выбору топлива в будущем, в случае резкого повышения цен на него.
Рисунок В12.
Анализ показывает, что есть веские причины для отказа от паровой турбины.
Дизель электрическое судно с УПСГ, возможно является наиболее обещающим решением для текущего и будущего судостроения судов для СПГ, особенно в уменьшении эмиссии NOx, SOx, CO2, гибкость в выборе топлива и развития перевозок СПГ
Коды и Правила.
Существуют три различных кода для газовозов:
Код для существующих судов перевозящих сжиженный газ наливом (построенных до 31 декабря 1976)
Код для постройки и оборудования судов перевозящих сжиженный газ наливом ( суда построенных после 31 декабря 1976, но до 1 июля 1986)
Международный код постройки и оборудования судов, перевозящих сжиженный газ наливом (суда построенные после 1 июля 1986)
Оригинальный IGC MSC.5(48) был изменен MSC.30(61), который действует с 1 октября 1994, и MSC.32(63) + MSC.59(67), оба действуют для судов построенных после 1 июля 1998.
Certificate of Fitness (COF) – сертификат годности к перевозке сжиженных газов наливом, - его наличие на борту обязательно для газовозов, а проформа приведена в приложении к IGC Коду.
Сжиженный газ, - это жидкая форма вещества, которое при обычной температуре (окружающей среды) и атмосферном давлении находится в газообразном состоянии.
IMO IGC Гл.3
Жидкость с давлением паров, превышающем 2,8 бар абс. (40 psi), при температуре 37.8 (100 F), называется сжиженным газом(для транспортировки).
Точка кипения может быть настолько низка, что вещество трудно перевозить методом, отличным от перевозки сжиженных газов
Давление паров, опасность для человека и огнеопасность, - определяющие факторы
В IGC Гл.19, приведен список веществ, обозначенных как сжиженные газы при транспортировке морем.
Некоторые из них указываются как в IGC, так и в BCH и IBC кодах.
| Сжиженный газ | Давление паров ( бар абсолютное) при Т= 37.8 С | Точка кипения при атмосферном давлении (С) |
| Метан | Газ (-82.5/44.7) | - 161.5 |
| Пропан | 12.9 | - 42.3 |
| Бутан (Н) | 3.6 | - 0.5 |
| Аммиак | 14.7 | - 33.4 |
| Винилхлорид | 5.7 | - 13.8 |
| Бутадиен | 4.0 | - 5.0 |
| Этилен оксид | 2.7 | + 10.7 |
USCG внес некоторые изменения в определение понятия сжиженный газ, изменив давление 2.8 бар на 1.76 бар. Это изменение не было одобрено ММО, хотя и не встретило особых возражений.
Некоторые правила вообще не внесены в МГК, так, например замещение воздуха в воздушном шлюзе (3.6.1), хотя оно и предполагается как 12 объемов в час.
Также предполагается, что межбарьерное пространство должно быть снабжено осушительной системой для откатки соответствующей жидкости в случае утечки или повреждения танка. Такое оборудование должно возвращать откатанный груз в танк.
Глава 4 МГК включает положение для оценки изоляции и противостояния стали корпуса, в целях расчета конструкции, подразумевая, что грузовой танк и вторичный барьер, если установлен, соответствуют расчетной температуре груза и расчетным температурам окружающего воздуха и воды???
В общем, для всего мира:
Воздух +5С (+41 Ф)
Вода 0С (+32 Ф)
Глава 4 также дает возможность администрации устанавливать более высокие или низкие температуры окружающей среды:
Для всего мира, исключая Аляску:
Воздух (5 узлов) - 18С (+/-0 Ф)
Вода (спокойная) 0С (+32Ф)
Для Аляски Воздух (5 узлов) - 29С (-20Ф)
Вода (спокойная) -2С (+28Ф)
Код требует, чтобы грузовая система судна перевозящего сжиженный газ, была способна выдерживать полное давление паров груза или иметь средства поддерживать давление в танках ниже безопасного установочного давления. Для судов метановозов эта система должна выполнять эту функцию не менее 21 дня. Есть несколько способов работы такой системы,- сжижение пара, сжигание в котле или каталитическом подогревателе, использование пара как топливо, комбинация этих методов. Использование испарившегося газа для метановозов ограничено. Использование нефтяных газов как топлива запрещено, так как они тяжелее воздуха.
Свойства СПГ.