🦖 Введение
Водный вид транспорта, «внезапно», актуален как никогда по объективным причинам. Вместе с тем год от года регулирующие структуры (а в морских грузоперевозках тоже действуют правила) вводят в действие все больше ограничений на различные выбросы с целью защитить нашу единственную планету от нас самих же. Не лучшим образом сказывается на грузоперевозках и постоянно дорожающее топливо. Поэтому индустрия и находится в постоянном поиске альтернативных источников энергии, альтернативных видов топлива и методах снижения расхода таковых. Сжиженный природный газ,… именно к нему практически всегда приходят изыскания. Он дешевле, экологически более чист и его значительно больше, чем разведанной нефти…
🦖 База
Использование СПГ в качестве топлива для судов торгового флота - не нововведение. Газ давно используется в качестве основного топлива для котлов паротурбинных судов. Источником газа может выступать как отдельно стоящий газгольдер, так и испарения перевозимого груза. Но, относительно недавно начала разрабатываться инфраструктура для судов, отличных от газовозов. В Норвегии прибрежный флот ( в основном паромы) переведены на газ, и довольно успешно.
В апреле 2010-го компания DNV представила концепт контейнеровоза, главный двигатель которого способен работать на СПГ, являясь при этом привычным нам поршневым крейцкопфным длинноходным ДВС.
На момент 2010-го технологии были действительно прорывными. Газ использовался как топливо для главного двигателя и для вспомогательных дизель-генераторов. Помимо этого проект включал в себя широкий спектр периферийных устройств, повышающих эффективность силовых установок и снижающий вредное их воздействие на окружающую среду.
Касательно двигателя… Изначальный проект предусматривал электрический движитель. То есть: главные генераторы, работающие на СПГ, вырабатывают электроэнергию, что потребляется главными электродвигателями. Хорошая технология, особенно если это АЗИПОД. Конструкция проста и надежна, ходовые качества судна на высоком уровне. Но есть и недостатки: это дорого и непрактично для контейнеровоза. Дело в том, что избыточность технологичности пагубно влияет на экономическую сторону любого проекта.
Оптимальное решение было предложено компанией МАН - двигатель MAN ME-GI.
🦖 Ограничения выбросов
MAN ME-GI соответствует требованиям Tier 3 (третий этап снижения выбросов) при условии, что установлена система рециркуляции выпускных газов (EGR). Кстати, статьи по этапам перехода и ЕГР уже есть, а ссылки на них я приведу в конце этой статьи.
🦖 Концепт
Концепт «Квантум 9000» разработан как более экологичная альтернатива существующим судам, не применяющая слишком сложные и слишком новые технологии и процессы. Почему? Техническая и кадровая база существующего на сегодняшний день флота не готова принять очень «технологически прорывную» единицу торгового флота. Нужна инфраструктура, кадры (людей готовить дольше, чем строить терминалы). Задача «Квантум 9000» - интегрировать более чистые технологии в существующий флот, обеспечив тем самым плавный переход на что-то более новое.
🦖 Машинное отделение
Так, чем конкретно подкупает проект «Квантум 9000»?
- Простая конструкция
- Машинное отделение традиционной компоновки
- Двухтопливный главный двигатель, соответствующий современным требованиям к эффективности, экономичности и экологичности
- Корпус судна с двумя надстройками, что положительно сказывается на использовании ограниченного объема
- Газ для двигателей хранится под давлением, что снижает необходимый для этого объем (Рисунок 2)
- Сниженное сопротивление корпуса (Рисунок 1)
- 4-х лопастной пропеллер с лопастями оптимизированной формы
Получается, экипаж живет прямо над огромным баллоном с СПГ ,скажешь ты? Да, отвечу я. Но, это нормально… при соблюдении правил техники безопасности, разумеется.
Более подробные данные по проекту приведены на Рисунке 4.
Немного про приведенные параметры.
Ширина 48 метров, значит, в старый Панамский канал не пройдет… зато пройдет в новый. Вывод - судно класса Нео Панамакс.
Дедвейт - 81 155 тонн… Хороший показатель для судов класса Нео Панамакс. На судах примерно таких же габаритов дедвейт редко превышает 80 000 тонн, обычно около 78 000.
Проектная скорость 22 узла. Отлично. На лицо тенденция снижения проектных скоростей с целью экономии топлива. Суда прошлых поколений спроектированы на ход примерно 25 узлов.
По запасам топлива.
Газ - 6 500 кубических метров, Тяжелое топливо - 4 000 кубически метров, Дистиллятное топливо - 1 600 тонн.
Автономность плавания - 16 000 морских миль.
Меня в этих параметрах настораживает наличие танков для тяжелого топлива в объеме 4 000 кубических метров. Это солидный бункер, на котором можно пройти через Тихий океан из Азии в США, например. А как-же газ? Видимо, для перестраховки на случай нештатных ситуаций с системой питания двигателей газом.
Груз. На 8708 стандартных мест для морских контейнеров (TEU) приходится 1203 розетки для рефрижераторных контейнеров. Это очень много, хочется отметить. При 8 000 TEU количество реф мест редко превышает 500. При этом странной выглядит общая мощность судовых генераторов: 4 установки по 2500 кВт каждая. Суммарный запас генерации 10МВт - это те суда, на которых я довольно часто работал и количество реф мест там, как я и сказал, не превышает 500. На одном из судов, на которых я имел возможность работать, было около 1500 мест для реф контейнеров, но и судовая электростанция состояла из 4-х генераторов по 4200 кВт каждый. Да, в описании указано, что есть еще и система глубокой утилизации тепла, что позволяет генерировать еще 2709 кВт электроэнергии, но на нее нельзя полагаться, так как для утилизации тепла это самое тепло нужно получить. То есть, если судно будет идти слишком медленно, а так будет часто, то остаются только основные генераторы. Странно…
🦖 Торговый маршрут
Ну конечно же США - АЗИЯ. Этот маршрут является самым «жирным» даже на момент начала 2024-го года. Почему даже? Потому что компаний, снимающих свои суда с этой линии в конце 2023-го года было настолько много, что это стало достоянием общественности. Суда с линии снимают по двум причинам - нет груза или издержки слишком велики ( проход Суэцкого канала в конце 2023-го - начале 2024-го например).
Почему мы обсуждаем маршрут? Все просто. Вся торговая инфраструктура имеет ограничения по габаритам. Именно поэтому нельзя построить контейнеровоз 600 метров в длину, 100 в ширину и с осадкой 50 метров. Он просто никуда не сможет зайти. Хочешь ходить на оба побережья США? - Проектируй судно так, чтобы оно вместилось в шлюзы Панамского канала.
🦖Двигатель
MAN ME-GI. Газовый двухтактник крейцкопфной конструкции. Технология далеко не нова… Первые рабочие машины были протестированы в 1987-м году в Японии и Дании. Это был модифицированный 6L35MC.
Технология использования газа в качестве топлива для ДВС пришла в морскую индустрию с береговых электростанций. Да, в той-же Японии электростанций с такими первичными двигателями очень много. В 1994-м году первый двигатель 12K80MC-GI-S был введен в эксплуатацию на электростанции в Токио. Двигатель зарекомендовал себя как надежный, отработав на максимальной мощности 20 000 часов, используя в качестве топлива СПГ под высоким давлением. И в этом же году классификационные общества одобрили двигатели серии GI в качестве силовых агрегатов для береговых и морских сооружений.
Надежность… как она достигается?
- Газопроводы представляют собой конструкцию «труба в трубе», причем пространство между трубами постоянно вентилируется.
- Разделенные системы управляющего и уплотняющего масла для контроля впрыска.
- Система инертного газа, что является системой защиты. Инертный газ в случае аварии вытесняет СПГ из труб, исключая возможность неконтролируемого горения газа.
- Разветвленная система датчиков и систем анализа, постоянно контролирующая состояние установки.
Концепция системы безопасности выглядит как «вернуть в безопасное состояние». Что?
Вот представь, что на таком двигателе лежит серьезная нагрузка: генератор, питающий небольшой городок или винт, несущий судно через океан. Если при любой нештатной ситуации двигатель будет останавливаться - дело будет заканчиваться веерными отключениями электричества на берегу или внезапной потерей хода в море (тоже очень не хорошо).
«Вернуть в безопасное состояние» означает переход на более стабильное и менее опасное топливо в случае проблем с системой подачи газа. Таковым топливом является традиционный флотский мазут или дистиллятные сорта топлива. Переход при этом происходит бесшовно. Это важно.
А теперь самое интересное…
Бесшовный переход с одного топлива на другой подразумевает работу на обоих видах топлива какой-то промежуток времени. Так? Но это не все. Двигатель способен работать на обоих сортах топлива одновременно в любой пропорции, в зависимости от поставленных задач.
В любом случае малое количество традиционного жидкого топлива впрыскивается в цилиндр в качестве запального, но пропорции могут сильно меняться в зависимости от режима работы. Смотри Рисунок 7.
🦖 Глубокая утилизация тепла
Наиболее эффективные способ повысить эффективность силовой установки - использовать теплоту уходящих газов двигателя.
Тут и хвостовые поверхности теплообмена в системе газовыпуска и сепараторы пара и утилизационные паровые и силовые газовые турбины. Отдельные статьи на эту тему тоже есть. Все ссылки дам в конце этой публикации.
Единственным показателем, что действительно может быть интересен в рамках этого проекта является мощность системы утилизации тепла - 2709 кВт. Тут подразумевается довольно мощная утилизационная паровая турбина, а может и комбинированная. Я имел дело с паровыми турбинами в качестве первичных двигателей для генераторов мощностью не выше 1250 кВт. И снова нужно углубляться в расчеты, так как на основе предоставляемой информации не совсем понять как выжать столько энергии с уходящих газов при мощность главного двигателя в 40 590 кВт… Я конечно понимаю, что это расчет номинального режима, а еще я понимаю, что на этом режиме судно будет ходить крайне редко.
🦖 Экология
ЕГР…
Рециркуляция выпускных газов является одним из самых эффективных методов снижения образования соединений NOx. Система давно используется на средне и высокооборотных двигателях, но коммерчески эффективный процесс для малооборотных 2-х тактных ДВС появился сравнительно недавно.
Система очистки выхлопа проекта «Квантум 9000» включает в себя еще и скруббер, поэтому проблема с соединениями серы тоже решена. А еще, присмотревшись к Рисунку 10, можно понять, что скруббер замкнутого типа. что дает возможность использовать его и в портах с повышенными требованиями к выбросам.
🦖 Опыт эксплуатации системы EGR
С августа 2008 по март 2010 компания МАН Дизель и Турбо разработала и произвела самую первую систему рециркуляции выпускных газов для 2- тактника морского исполнения.
В кооперации с компанией «МАЕРСК» система была испытана в действии на борту грузового судна «Alexander Maersk». Это был контейнеровоз 1998-го года постройки на 1092 TEU (так называемый фидер), что работал на линии южная европа - северная африка.
В качестве главного двигателя был установлен Hitachi B&W 7S50MC Mk6 на 10 126 кВт с двумя газотурбокомпрессорами.
Задачей подобной апробации было - определить влияние системы ЕГР на состояние двигателя, его втулок в частности, систему газовыпуска и саму систему ЕГР.
Система ЕГР для «Александр Маерск» была способна перепускать до 20% газов и снижать концентрацию NOx до 50% относительно первоначального уровня.
В марте 2010-го начались испытания. Систему проверяли через 500 и через 3000 часов работы на тяжелом топливе. Ожидания специалистов оправдались.
🦖 Система подачи газа в цилиндры
Работа на двух разных топливах подразумевает наличие двух разных систем впрыска. Двигатель ME-GI в дополнение к традиционным форсункам имеет дополнительных комплект таковых для газа. При этом и газ и обычное топливо впрыскиваются одновременно; традиционное жидкое топливо необходимо в качестве запального для интенсификации и стабилизации горения.
Все системы, разумеется, должны соответствовать требованиям классификационных сообществ, а для газа они следующие: давление 300 бар, температура 45 градусов (допустимое отклонение 10 градусов).
В настоящее время существует выбор между несколькими компаниями, производящими криогенное оборудование и оборудование высокого давления. Смотри Рисунок 11.
Все эти производители предлагают готовые решения полного цикла: хранение, транспортировка, сжигание.
Газ нужно хранить и дешевле всего это делать при повышенном давлении, так как не нужда в криогенной системе отпадает и газ остается жидким при атмосферном давлении. Подачей сжиженного газа занимается специальный насос высокого давления. Нужно полагать, что только на входе в насос будет около 300 бар; серьезный агрегат.
Все, что в процессе работы с газом будет неизбежно испаряться нужно подвергать сжижению и возвращать в оборот. В борьбе за лидерство снова победили компрессоры высокого давления, так как криогенное оборудование дорогое и сложное (в сравнении с компрессорами).
🦖 Газгольдер
Тут стоит подумать. Если объем хранилища большой - то подойдет вариант газгольдера высокого давления. Если объем не велик - подойдет небольшой танк под относительно низком давлением ( около 20 бар) и спаренная с ним охлаждающая установки. Корень всего - материальная выгода.
🦖 Эффективный корпус
Корпус - архиважная часть проектирования. Когда становится ясной торговая линия и специфика работы на ней, приходит время рассчитать корпус. Расчетная скорость - 22 узла, но авторы концепта делают расчет на широкий диапазон скоростей, учитывая как можно больше режимов работы.
Взгляни еще раз на Рисунок 2. Нос судна слева и он имеет минимальное сопротивление, да и в целом, ярких пятен на картинке не так много, что говорит о хороших показателях обтекаемости, о низком сопротивлении корпуса судна. Более полная, но перегруженная ( для публицистической статьи) информация имеется в первоисточнике, ссылку на который я дам в конце.
🦖 Надстройка. Одна - хорошо, а две - лучше
Разработчики сравнивали оба варианта. Две надстройки в итоге «победили» с существенным отрывом. Дело в том, что распределять груз по судне намного проще с двумя надстройками и грузить судно «вверх» можно больше потому что впереди расположенная надстройка и ходовой мостик дают больший обор и соблюдать требования конвенции СОЛАС можно при большей загруженности.
Также под надстройкой будут расположены газгольдеры, что положительно скажется на «развесовке» судна.
🦖СПГ газгольдеры
Предлагается разместить два независимых газгольдера по 2500 кубометров под жилой надстройкой и один на 1500 кубометров в качестве расходного, но уже в машинном отделении.
Под газгольдерами в танках двойного дна будет находиться запас традиционного жидкого топлива.
🦖 Безопасность
Так, экипаж живет на газовых баллонах. Разумный вопрос - что будет, если произойдет утечка?
Специалисты из МАН изучали и моделировали ситуации гильотинного разрыва обеих труб (внутренней и внешней) обеих магистралей.
Вводных данных было много, учитывался как объем газа, так и объем помещения, в которых расположены газгольдеры. Учитывались конструкция и объем смежных помещений. Симулировались утечки и пожары.
Естественно, расчеты показали, что конструкция безопасна. Безопасна так-же как и бензобак вашего личного автомобиля. При любой утечке подача газа в машинное отделение прекращается (машина потребляет газ только из своего танка), а помещение интенсивно вентилируется и заполняется инертным газом.
Реальную степень безопасности покажет лишь время.
🦖 К чему все это?
Что мы имеем в сухом остатке? Смысл любого концепта всегда сводится к финансовой выгоде, ведь на разработку нужно тратить ресурсы, а это нужно обосновать.
Посмотри на Рисунок 14, отражающий прогноз стоимости разных видов топлива. График не учитывает геополитические риски и был сделан сильно раньше 2022-го, но тенденция ясна - газ существенно дешевле.
Авторы концепта заявляют, что время его окупаемости 5 - 10 лет, что не является чем-то выдающимся. Это средний показатель по мировому флоту. В оригинале статьи не учитывается и экспоненциальный рост цены фрахта контейнера и цена возврата пустого ящика. В разгар пандемии Коронавируса Китай поднял цену за возврат пустого ящика в Китай так, что возить только лишь пустые «коробки» стало экономически целесообразно.
🦖 Резюме…
Я ничего выдающегося в этом концепте не углядел. Я считаю, что «Квантум 9000» является планомерным продолжением совершенствования и обновления мирового торгового флота.
А теперь предлагаю перейти на статьи, на которые я ссылался выше: