В статье анализируются особенности пропульсивных комплексов малых и малых стандартных СПГ-танкеров. Даётся оценка эффективности энергетических установок ныне существующих судов этих классов. Определяются основные источники повышения их ходовых характеристик. Делается прогноз по возможному увеличению скорости хода, при применении предлагаемых подходов по повышению энергетической эффективности. Рассматриваются наиболее перспективные варианты применения исследуемых технических решений.
Описание объекта исследования
В статье рассматриваются СПГ-танкеры грузовместимостью 40–150 тыс. м3. По существующей классификации, этот диапазон включает два класса газовозов: малые стандартные (small conventional) грузовместимостью 120–150 тыс. м3 и малые (small) газовозы с грузовместимостью меньшей чем у малых стандартных [1, с. 8]. Наименование “малые” — условно, т. к., даже на нижней границе рассматриваемого диапазона, суда имеют водоизмещение более 30 тыс. тонн.
Повышение скорости хода — это задача, стоящая для СПГ-танкеров как для типа судов наиболее остро. Поскольку, они перевозят скоропортящийся (интенсивно испаряющийся) груз, теряющий рыночную стоимость с каждым лишним часом в пути. Способ повышение ходовых характеристик, рассматриваемый в статье — это совершенствование энергетической установки газовоза. Которая, к тому же, должна эффективно утилизировать выпар перевозимого груза. На сегодняшний день, все газовозы рассматриваемых классов оснащаются либо энергетическими установками с электродвижением, либо паротурбинными установками. С позиции обеспечения судну наибольшей возможной энергетической эффективности, второй вариант отбрасывается, т. к., несмотря на свои многочисленные преимущества, в этом свойстве он значительно уступает первому.
К рассмотрению предлагаются судовые энергетические установки (СЭУ), оснащённые двумя различными типами главных двигателей (ГД). Первые — это двухтопливные ГД (в статье — фирмы Wärtsilä модели 50DF). Двигатели способны работать в газовом режиме, но для воспламенения газового топлива они оснащаются второй топливной системой, работающей на дизельном топливе (ДТ). Таким образом, топливная смесь, примерно, на 1 % состоит из ДТ. Удельный расход энергии такими двигателями составляет 7740 кДж/кВт∙ч [2, с. 21–39]. Также ГД 50DF способны работать и в дизельном режиме — не используя природный газ. Этот тип ГД на сегодняшний день наиболее распространён на флоте газовозов.
Второй тип ГД — это газовые двигатели (в статье — фирмы Rolls-Royce Bergen модели B35:40). От предыдущей модели они отличаются работой исключительно на газе, воспламенение газа — искровое. Т. е. эти ГД совершенно не потребляют ДТ. С другой стороны, они не способны работать в дизельном режиме. Для ГД Bergen удельный расход энергии топлива составляет 7500 кДж/кВт∙ч [3, с. 44–45], т. е. они экономичнее двигателей Wärtsilä. Сейчас, двигатели RR Bergen применяются лишь на нижней границе рассматриваемого диапазона.
Особенности СЭУ сэлектродвижением
Независимо от типа применяемого ГД, пропульсивную установку судна предполагается оснащать главной электрической передачей мощности движителям. Этот тип передачи используется, практически, на всех СПГ-танкерах рассматриваемой грузовместимости, оснащаемых двигателями внутреннего сгорания. Электрическая передача мощности позволяет обеспечить:
– независимость числа ГД от числа движителей;
– произвольное размещение ГД на судне;
– хорошие тяговые характеристики при отсутствии жёсткой связи между ГД и движителями;
– использование нереверсивных ГД;
– использование ГД для производства электроэнергии общесудового назначения (единая электроэнергетическая система).
Схема пропульсивной установки (ПУ) с электродвижением приведена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема СЭУ с ЕЭЭС
Схема ПУ, в том виде, в котором она приведена на рис. 1, применяется на малых и больших стандартных СПГ-танкерах, для передачи на гребные винты (ГВ) механической мощности порядка 30–40 МВт. Из рис. 1 видно, что между главными электрогенераторными агрегатами (ГД судна) и ГВ расположены следующие элементы: кабельная сеть и главный распределительный щит (КС), блоки статического преобразования частоты (БСПЧ) канализируемого тока, гребные электродвигатели (ГЭД), главные редукторы (ГР), валопроводы (ВП). Совокупность этих элементов — это главная электрическая передача. Её КПД определяется по формуле:
Из формулы следует главный недостаток ГЭП — потеря более 8 % канализируемой энергии, вследствие двойного преобразования.
Сама по себе, ПУ может быть одновальной, либо двухвальной (как на рис. 1). Двухвальные установки применяются на более крупных газовозах, либо если предполагается работа газовоза в тяжёлых ледовых условиях — для обеспечения надёжности ПУ. При этом, если применяется твинскеговая (двухкорпусная корма), то эффективность двухвальной установки будет выше, поскольку, с уменьшением частоты вращения ГВ, будет происходить увеличение пропульсивного КПД. Однако, одновременно будет увеличиваться элементный состав СЭУ и возрастать построечная стоимость.
Анализ ресурса увеличения ходовой скорости малых СПГ-танкеров
Современные малые СПГ-танкеры достаточно тихоходны в сравнении с более крупными газовозами. Хотя, мощности среднеоборотных двигателей достаточно для обеспечения им скорости хода порядка 20-ти уз, в среднем, сейчас она не превышает 17-ти уз. Это объясняется пониженной энергетической эффективностью судов класса. Связанной, с одной стороны, с низкой экономичностью классических двухтопливных среднеоборотных ГД, а, с другой стороны, с большими потерями при передаче мощности от этих ГД к ГВ посредством ГЭП. Дополнительно эффективность СЭУ снижается при уменьшении КПД самих винтов, в случае завышение их оптимальных частот вращения в одновальных ПУ.
Требования по энергетической эффективности СЭУ регулируются приложениями 5 и 6 Конвенции МАРПОЛ 73/78. В приложении 5 приводится методика расчёта конструктивного коэффициента энергетической эффективности судна (ККЭЭ) [4, с. 1–19]; а в приложении 6 — правила определения предельных значений ККЭЭ (ККЭЭmax) для судов [5, с. 42–46].
Для оценки ресурса увеличения скорости, был рассчитан ряд характеристик рассматриваемых вариантов СЭУ. Расчётным путём были определены формы зависимости ККЭЭ малого СПГ-танкера от его полезной грузовместимости, при обеспечении СЭУ конкретных ходовых характеристик. Результаты расчётов приведены на рис. 2 и 3.
Рис. 2. Зависимости вида ККЭЭ=f(DWT) для СЭУ с ГД Wärtsilä
Рис. 3. Зависимости вида ККЭЭ=f(DWT) для СЭУ с ГД RR Bergen
Графики были построены в зависимости от дедвейта (DWT) судов в тоннах, как этого требуют приложения Конвенции. Дедвейт, примерно, составляет 50 % от W в соответствующих единицах.
Для СЭУ с ГД Wärtsilä графики были построены для скорости хода в 17 и 18 уз. Было установлено, что, на рассматриваемом диапазоне, 17 уз для одновальной СЭУ с ГД Wärtsilä — это максимальная скорость, при которой обеспечивается соблюдение требований по ККЭЭ. График 17-ти узлового хода отражает уровень энергетической эффективности ныне эксплуатируемых СПГ-танкеров. Уже при 18-ти узловом ходе, для одновальных ПУ, ККЭЭ проекта оказывается выше базовой кривой (ККЭЭmax). Также приведён график 18-ти узлового хода и для двухвальной ПУ. По нему видно, что двухвальная ПУ обеспечивает данный ход, с достаточной энергетической эффективностью, при грузовместимости менее 114 тыс. м3.
В случае использования ГД RR Bergen, была установлена возможность повышения скорости хода малого одновального газовоза до 17,5 уз на всём диапазоне (это наглядно видно на рис. 3). Также было определено, что двухвальная установка с этим типом двигателей позволяет повысить скорость хода до 18 уз (на рис. 3 не показано). Рассмотрена скорость хода в 18,5 уз. При соблюдении требований Конвенции она однозначно недостижима одновальными ПУ. Двухвальные же ПУ (как это видно на рис. 3) позволяют обеспечить эту скорость для газовозов грузовместимостью менее 98 тыс. м3.
Заключение
Было установлено, что двухтопливные среднеоборотные ГД (например, фирмы Wärtsilä) не являются безальтернативными для малых СПГ-танкеров. При возможности обеспечения постоянной работы СЭУ на газе, их могут эффективно заменять газовые ГД (например, фирмы Rolls-Royce Bergen), обеспечивая при этом большую скорость хода (минимум на 1 уз).
Повысить скорость хода с использованием ныне существующих СЭУ на базе ГД Wärtsilä возможно при создании двухвальных ПУ. Такое техническое решение требует совершенствования кормовой части корпуса газовоза, с переходом к твинскеговой конфигурации. Поскольку, корма классической формы негативно влияет на пропульсивный КПД двухвальных установок. В первую очередь, таким способом возможно повысить скорость хода и энергетическую эффективность СПГ-танкеров арктического района плавании, т. к. для них двухвальная схема ПУ продиктована условиями эксплуатации.
Наилучшие результаты — с повышением скорости хода на 1,5 уз — могут быть достигнуты для СЭУ с ГД RR Bergen и двухвальной ПУ. Тем не менее, оснащение сравнительно крупных судов “чисто газовыми” ГД — это риск, к которому мировое судостроительное сообщество не готово в полной мере. Во многом потому, что топливо на котором работают такие ГД — это выпар перевозимого груза, т. е., в случае дорожания природного газа, эксплуатация газовых ГД рискует потерять экономическую обоснованность. Поэтому возможен переходный вариант с комбинированным составом ГД СЭУ, когда часть двигателей дизельные, либо двухтопливные, а другая часть — газовые.
Примером такого технического решения может служить газовоз «Сoral methane», спущенный на воду в Польше в 2009 году. Судно имеет полную грузовместимость 7,5 тыс. м3 и эксплуатационную скорость хода 15,5 уз. Его СЭУ оснащена двумя газовыми и двумя дизельными двигателями фирмы RR Bergen с ГЭП. Поскольку газовоз предназначен для перевозки различных химических веществ, то при транспортировке СПГ работают газовые двигатели, использующие в качестве топлива выпар перевозимого груза, а при перевозке других видов грузов работают дизельные двигатели [6, с. 34–35]. Такой состав СЭУ обеспечивает судну высокую универсальность, но при значительной избыточности мощности — номинальная мощность СЭУ в два раза больше необходимой. Как следствие, возрастает и построечная стоимость.
Литература:
- Propulsion trends in LNG carriers, MAN Diesel & Turbo, Copenhagen, 2013.
- WӒRTSILӒ 50DF Product Guide, Wärtsilä, Marine solutions, Vaasa, November 2016.
- Marine products and systems, Rolls-Royce, UK, 2017.
- MARPOL 73/78 ANNEX 5, RESOLUTION MEPC.245(66), Guidelines on the method of calculation of the attained EEDI for new ships, 2014.
- МАРПОЛ 73/78 Приложение 6 (пересмотренное), Резолюция MEPC.203(62), 2014.
- SIGNIFICANT SHIPS of 2009, London, The Royal Institution of Naval Architects, 2010.
