CC BY-NC
32
СЕКЦИЯ E
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-208-215 УДК 629.551.2.001.63
Г.В. Егоров, И.А. Ильницкий, А.Г. Егоров
Морское инженерное бюро, Санкт-Петербург, Россия
ОБОСНОВАНИЕ ГЛАВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПАРОМА-ГАЗОХОДА ДЛЯ ЛИНИИ УСТЬ-ЛУГА - БАЛТИЙСК
Представлены результаты комплекса работ по оптимизации концепта первого железнодорожного парома LNG для линии Санкт-Петербург - Калининград с учетом ледовых и экологических требований Балтийского региона. Ключевые слова: Балтийское море, морской железнодорожный паром, проектирование, экология, эффективность, экономика, газ, инновация.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-208-215 UDC 629.551.2.001.63
G.V. Egorov, I.A. Ilnitsky, A.G. Egorov Marine Engineering Bureau (MEB), St. Petersburg, Russia
JUSTIFICATION OF MAIN PARAMETERS FOR UST' LUGA -BALTIYSK LNG-FUELED TRAIN FERRY
This paper presents optimization results for the conceptual design of the first LNG-fueled train ferry for navigation between St. Petersburg and Kaliningrad, taking into account ice conditions and environmental requirements of the Baltic. Keywords: Baltic Sea, sea-going train ferry, design, environment, efficiency, cost efficiency, LNG, innovation.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Постановка проблемы содержанием серы становится крайне дорогим
Большинство организаций из системы ООН, в том и существенно увеличивает расходы на перевозку числе ИМО, включило в свою деятельность суще- грузов морем. Газомоторное топливо позволяет ственную экологическую составляющую, ориен- полностью исключить выброс окислов серы и твер-тированную на переход к устойчивому развитию дых частиц, снизить на 90 % выбросы окислов азо-человечества. Примером является поэтапное уже- та и уменьшшъ выбр°сы С°2 га 30 %. сточение в соответствии с Приложением VI Поэтому возникла насущная необходимость
МК МАРПОЛ требований к выхлопным газам дви- в паромах нового поколения, работающих на сжи-гателей судов по содержанию в них оксидов серы, женном природном газе (СПГ), отвечающих самым азота и твердых частиц. Балтийское море - особая современным требованиям по безопасности: новые зона по контролю выбросов окислов азота (NECA) железнодорожные паромы для Калининградской и серы (SECA). области проекта CNF19M [1] будут эксплуатиро-
С 1 января 2015 года в зонах особого контроля ваться как раз в зоне ECA. за выбросами (SulphurEmissionControlAreas - Целью статьи является поиск таких техниче-
SECA) вступило в силу требование о том, что со- ских решений, которые позволят создать эффектив-держание серы в судовом топливе не должно пре- ный концепт перспективного парома проек-вышать 0,1 %. Обычное жидкое топливо с таким та CNF19M для линии Усть-Луга - Балтийск.
Для цитирования: Егоров Г.В., Ильницкий И.А., Егоров А.Г. Обоснование главных параметров железнодорожного парома-газохода для линии Усть-Луга - Балтийск. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 1: 208-215.
For citations: Egorov G.V., Ilnitsky I.A., Egorov A.G. Justification of main parameters for Ust' Luga - Baltiysk LNG-fueled train ferry. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; Special Edition 1: 208-215 (in Russian).
Изложение основного материала
На Балтийском море присутствует весь спектр паромных перевозок, включая круизные перевозки на линиях, грузопассажирские, грузовые и железнодорожные, причем паромные перевозки осуществляются регулярно и практически без сбоев в расписании. Всего на Балтике работает более 50 паромных сервисов. Из них железнодорожных всего лишь шесть. Количество железнодорожных линий сокращается.
Новые железнодорожные паромы, соединяющие Калининград с остальной частью Российской Федерации, жизненно необходимы, так как основной грузопоток области сейчас следует по железной дороге через Литву и Беларусь. Кроме того, практически полностью отсутствует альтернативные варианты доставки специфических грузов, включая военные (паромное сообщение - единственный вариант доставить груз без транспортировки его по соседним государствам). Нет действующих паромов с максимально возможными габаритными размерениями и характеристиками под линию Усть-Луга -Балтийск. Необходимы паромы, способные эффективно работать в ледовых условиях порта Усть-Луга.
Исследования по концепту грузового парома проекта СЫП9М для линии Усть-Луга - Балтийск ведутся Морским Инженерным Бюро с 2014 года (этапы представлены на рис. 1).
При этом новый концепт является, в отличие от ранее предлагаемых, чисто грузовым - без функции перевозки пассажиров. Учитывая, что на линии Усть-Луга - Балтийск пассажирская функция является дотационной и что пассажирские требования существенно влияют на общее расположение судна и его конструкцию, а также на его скорость и мощность, и, тем самым, заметно снижают вагоновме-стимость и увеличивают себестоимость грузовых перевозок, решение сделать новый концепт чисто грузовым сделало этот проект окупаемым.
Концепт. Новый концепт железнодорожного парома для Балтики проекта СЫП9М (см. рис. 2, 3) -200-метровый автомобильно-железнодорожный паром-газоход ледовой категории Дге4 с закрытой грузовой палубой для вагонов, носовым расположением жилой надстройки и кормовым машинного отделения, с двухвинтовой пропульсивной установкой, кормовым подруливающим устройством, и двумя носовыми подруливающими устройствами, с размещением газовых емкостей в трюме в средней части на безопасном удалении от надстройки и от машинного отделения, с двойным дном и двойными борта-
ми, с возможностью бункеровки газом одновременно с четырех автопоездов с помощью судового бу-стерного модуля, а также с судна-бункеровщика и от береговой бункер-базы СПГ.
Основные характеристики парома указаны в табл. 1. Главные размерения, автономность были получены на основании анализа путевых условий района эксплуатации парома проекта СЫП9М. Идея концепта - размещение автопоездов на верхней палубе (крыше надстройке) дополнительно к грузу вагонов на главной палубе. Это позволило обеспечить выгрузку автопоездов с причала на верхнюю палубу параллельно с погрузкой-выгрузкой железнодорожных вагонов на главную палубу (см. рис. 4).
Судно предназначено для перевозки железнодорожных составов российского стандарта с шириной колеи 1520 мм, а также других накатных грузов, включая опасные грузы (см. табл. 2). На верхней палубе предусмотрена перевозка грузовых автоприцепов (15 шт. по 40 т.).
К обводам корпуса предъявлялись высокие требования:
■ Высокие скоростные характеристики (относительно низкий коэффициент общей полноты 0,661 при осадке по ЛГВЛ 6,0 м, острые углы ватерлиний в носовой части корпуса).
■ Форма корпуса соответствует требованиям, предъявляемым к судам с высоким ледовым классом Дге4 (регламентируются углы наклона ЛГВЛ, шпангоута на уровне ЛГВЛ, ЛГВЛ на носовом перпендикуляре, форштевня на уровне ЛГВЛ) - см. рис. 5.
Рис. 1. Этапы создания железнодорожного парома проекта СЫР19М
Рис. 2. Общий вид парома проекта CNF19M
Рис. 3. Общее расположение железнодорожного парома-газохода проекта CNF19M
■ Грузовая главная палуба размещает максимальное количество вагонов (широкие обводы в носовой части - см. рис. 6). Оптимизация обводов корпуса с помощью СРБ моделирования и последующие испытания в бассейне позволили существенно улучшить форму корпуса и снизить расход топлива, в том числе за счет рационального подхода к выбору скорости и организации линии (см. рис. 7-9).
Согласно результатам предварительного расчета ходкости, скорость хода 18 уз на тихой и глубокой воде достигается при мощности главных двигателей 2 х 8100 кВт, при их нагрузке по мощности 85 % и отборе валогенератором 1200 кВт.
Таблица 1. Основные характеристики парома проекта CNF19M
Параметр Величина
Длина максимальная, м 199,90
Длина по КВЛ, м 196,62
Ширина габаритная (с учетом привальных брусьев), м 27,40
Ширина, м 27,00
Высота борта до ГП, м 8,60
Высота борта до ВП, м 14,70
1 х В х Н 199,90 х 27,40 х 14,70 = 80 516
Осадка по ЛГВЛ, м 6,0
Дедвейт при осадке по ЛГВЛ (около), т 11062
Дальность плавания, морских миль 3000
Автономность, сут.:
- по запасам топлива и масла (при эксплуатационной скорости 15 уз), провизии, воды 10
- по сточным водам (в районах, где запрещен сброс) 3
Протяженность рельсовых путей, м 970
Класс Российского Морского Регистра Судоходства KM ® Arc4 AUT1-ICS ОМВО ECO GFS Ro-ro ship
Винто-рулевой комплекс 2 х ВРШ +2 полуподвесных полубалансирных руля
Таблица 1. Окончание
Параметр Величина
Носовое / кормовое подруливающее устройство, кВт 2 х 1000 / 1 х 1000
Вспомогательная энергетическая установка (ДГ / валогенератор) + АДГ, кВт (2 х 1140 / 2 х 2400) + 1 х 400
Экипаж / мест, чел. 24 / 36
Спасательные моторные шлюпки 2 х 36 чел. Одна из шлюпок укомплектована как дежурная
Сбрасываемые плоты 4 х 20 чел. + 1 х 6 чел.
Рис. 4. Параллельная загрузка ж/д вагонов и прицепов грузовых авто
Таблица 2. Грузовместимость судна по железнодорожным составам габарита 1-Т на главной палубе
Тип вагона Длина между Кол-во,
автосцепками, мм ед
Ж/д цистерна (4-х осная) 12020 80
Полувагон 17670 54
Полувагон 13920 70
Грузовой вагон 24620 36
Хопер 14720 64
Автомобилевоз 11-1291 26720 34
Автомобилевоз 11-287 24260 36
Грузовой автомобиль с полуприцепом имеющим длину 12-13,5 м (без перевозки ж/д составов) (автопоезд 16,5 м) 58
Общая прочность корпуса удовлетворяет требованиям РМРС в соответствии с классом. Наибольший перегиб отмечен в случае нагрузки «Судно с 80 ж/д грузовыми вагонами массой 94 т на главной палубе и 15 грузовыми прицепами массой 40 т на верхней палубе, 10 % запасов с обледенением» - 70,7 % от допускаемого. Требования к моменту сопротивления нового корпуса по палубе выполняются с 8,1 % запасом, по днищу - с 10,4 % запасом. Толщины бортовой обшивки и обшивки продольных переборок удовлетворяют требованиям с заметным запасом. Расчеты
выполнялись с помощью МКЭ в программе ЭльБрус, разработанной МИБ (см. рис. 10).
Выбор вида топлива. Существует несколько способов решения проблемы соответствия требованиям конвенции МАРПОЛ по содержанию вредных газов, в том числе использование малосернистого дизельного топлива; использование тяжелого топлива (ТТ) при условии оборудования судов скрубберами - системами очистки выхлопных газов от окислов серы; использование в качестве топлива природного газа (ПГ).
Рис. 5. Подкрепления в условиях ледового класса Arc4
Рис. 6. Размещение вагонов на главной палубе парома проекта СЫР19М
Вариант 1
Рис. 7. Оптимизация обводов парома проекта CNF19M
Применение СПГ в качестве основного судового топлива для паромов проекта CNF19M для решения проблемы соответствия требованиям по выбросам в атмосферу обладает принципиальными преимуществами:
■ Позволяет полностью исключить выбросы серы, существенно сократить выбросы оксидов азота (на 85 %) и углерода (на 25 %), а также твердых частиц [7].
■ Уровень выбросов окислов азота (NOX), в случае применения природного газа, будет соответствовать требованиям МАРПОЛ Tier III без применения дополнительных систем очистки газов [1].
При проектировании и эксплуатации судов с СПГ на борту, особое внимание уделено обеспечению безопасности. В настоящий момент еще не разработаны отечественные правила для судов, на которых используется СПГ в качестве топлива и которые не являются газовозами. Поэтому при проработке комплекса мероприятий, обеспечивающих повышение безопасности, были приняты во внимание требования DNV [4], учтены рекомендации ИМО [5] и требования Правил классификации и постройки газовозов РС [2] в том объеме, в каком они применимы к этому проекту.
Для обеспечения безопасного использования СПГ приняты следующие основные конструктивные меры: система подачи газа, расположенная
Рис. 8. CFD моделирование в программе FlowVision. Распределение давления
Рис. 9. CFD моделирование в программе FlowVision. Свободная поверхность
Рис. 10. Расчеты прочности с помощью МКЭ в программе ЭльБрус МИБа
в пределах машинного отделения, заключена в газонепроницаемую оболочку, т.е. представляет собой систему трубопроводов с двойными стенками; для каждого двигателя в районе машинного отделения предусматривается отдельная линия подачи газа с возможностью дистанционного автоматического отключения в случае обнаружения утечек; возможность мгновенного автоматического перехода с газового топлива на жидкое в случае отключения подачи газа; датчики контроля утечек природного газа в местах наиболее вероятных утечек (машинное отделение, межтрубное пространство двойных трубопроводов подачи газа и т.п.);
выдача сигнала в судовую АПС об утечке газа (20 % взрывоопасной концентрации); автоматическое отключение подачи природного газа к оборудованию (60 % взрывоопасной концентрации) с выдачей сигнала АПС; искусственная вентиляция межтрубного пространства трубопроводов с двойным стенками и внутренних пространств блоков газовых клапанов; вентиляция газовыпускных трактов ГД при остановленных двигателях; подача инертного газа, например азота, для продувания трубопроводов подачи газа к двигателям; предварительная вентиляция топок котлов перед их розжигом.
Рис. 11. Размещение LNG емкостей и станции приема LNG
>;р t i^J.
1 п -
Рис. 12. Автономность на СПГ при эксплуатационной скорости 18 уз
Были рассмотрены два возможных варианта применяемых криогенных емкостей: криогенные емкости LNG-Рас, поставляемые фирмами WARTSILA и MAN.
Криогенная емкость LNG-Рас представляет собой комплексную конструкцию, состоящую из: криогенной емкости с изоляцией и внешней защитной оболочкой; блока испарителя и подогревателя газа с арматурой и трубопроводами; необходимыми датчиками и КИП; присоединений к внешним трубопроводам и интерфейсов обмена информацией с судовой ИСУ ТС. Способ налива и слива СПГ -верхний, слив за счет создания давления в криогенной емкости сторонним наддувом.
Размещение LNG емкостей и станции приема LNG см. на рис. 11.
Общий объем емкостей для СПГ составляет 800 м3 (2 х 400 м3). С учетом мертвого запаса 10 % доступно для расхода около 720 м3. Кроме того, предусматриваются цистерны запаса ДТ суммарным объемом около 450 м3 (см. рис. 12).
Бункеровка СПГ. Частичная бункеровка предполагается при каждом заходе в Балтийск / Усть-Лугу. При скорости 18 уз время кругорейса занимает 58 ч, время простоя у причала по 3 ч в каждом порту. Общее время кругорейса 64 ч.
Расход топлива при скорости 18 уз составляет:
■ 2030 кг/ч, грузовые операции в порту 300 кг/ч (для ГД MAN);
■ 2135 кг/ч, грузовые операции в порту 300 кг/час (для ГД Wartsila). Автономность на СПГ составляет 2 полных кругорейса - 128 ч (около 5 суток);
■ При скорости 15 уз время кругорейса занимает 70 ч, время простоя у причала по 3 ч в каждом порту. Общее время кругорейса 76 ч.
Расход топлива при скорости 15 уз составляет:
■ 1128 кг/ч, грузовые операции в порту 300 кг/ч (для ГД MAN);
■ 1172 кг/ч, грузовые операции в порту 300 кг/ч (для ГД Wartsila). Автономность на СПГ составляет 3 полных кругорейса - 223 ч (около 10,0 суток).
Варианты заправки: с автоцистерн-газовозов, с судна-бункеровщика, с портовой бункер-станции, с помощью газовых танк-контейнеров. Примеры всех решений по заправке газомоторным топливом в мировой практике уже есть.
Заключение
Технической особенностью разработанного проекта парома нового поколения, является соответствие самым современным требованиям по безопасности, включая требования по экологической безопасности - он работает на СПГ. Паром проекта CNF19M спроектирован и строится с максимально возможными габаритными размерениями и характеристиками под линию Усть-Луга - Балтийск.
Это современное, безопасное и экономичное судно, которое позволит совершать 135 круговых рейсов в год, перевозить 8910 вагонов в год или 534 600 т груза. Продолжительность рейса при условии бункеровки во время грузовых операций -2,7 суток.
Применение СПГ в качестве основного судового топлива на железнодорожных паромах обладает принципиальными преимуществами по сравнению с использованием малосернистого ДТ или ТТ с скруббер-системами очистки выхлопных газов от окислов серы, так как позволяет полностью исключить выбросы серы, существенно сократить выбросы оксидов азота и углерода, а также твердых частиц и уровень выбросов окислов азота (NOX) соответствует требованиям МАРПОЛ Tier III, которые вступили в силу с 1 января 2016 года, без применения дополнительных систем очистки газов.
Использование отечественного технического опыта и возможностей криогенной техники позволит за короткий срок обеспечить широкое применение СПГ на судах. Создание береговой инфраструктуры заправки судов природным газом не потребует продолжительного времени и больших капитальных затрат. По оценкам специалистов, при наличии средств на проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию опытного комплекса может потребоваться не более полутора лет. Экономические и экологические результаты позволят окупить затраты за 5-7 лет [3, 6].
Библиографический список
1. Егоров ГВ, Ильницкий И А, Черников ДВ. Особенности проектирования конструкции железнодорожного парома для линии Усть-Луга - Балтийск -
Засниц - Мукран // Труды НТК по СМК памяти проф.
П.Ф. Папковича. - СПб: Крыловский государственный научный центр, 2015. - С.24-25.
2. Правила классификации и постройки судов для перевозки сжиженных газов наливом. - СПб: Российский морской регистр судоходства, 2016. - 109 с.
3. Пронин Е.Н. Зеленый свет «Голубому коридору». -Сайт Национальной газомоторной ассоциации. URL.: http://www.ngvrus.ru/st6_1.shtml (дата обращения 31.01.2019).
4. Det Norske Veritas. Rules for classification of ships. Newbuildings. Special equipment and systems additional class. Part 6, chapter 13. Gas fuelled engine installations/ January 2001.
5. International Maritime Organization. Resolution MSC.285(86). Interim Guidelines on safety for natural gas-fuelled engine installations in ships.
6. McArthur R. Gas-fuelled mechanical propulsion solutions offer major emissions reductions // Twentyfour7, 2011. - Vol. 1. - С.66-68.
7. North European LNG Infrastructure Project: A feasibility study for an LNG filling station infrastructure and test of recommendations. Draft Feasibility Report/ URL.:
http://www.lngbunkering.org/sites/default/files/2012%20 DMA%20North%20European%20LNG%20Infrastructur e%20Project_0.pdf (дата обращения 31.01.2019). 8. Wartsila Engines. Wartsila 20DF. - Wartsila Corporation Book's Office, 2009. - 2 c.
Сведения об авторах
Егоров Геннадий Вячеславович, д.т.н., проф., генеральный директор Морского Инженерного Бюро-СПб. Адрес: 197101, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Мира, 15/1, офис 76Н. Телефон: +7 (812) 233-64-03. E-mail: [email protected].
Ильницкий Игорь Анатольевич, первый заместитель генерального директора, главный конструктор Морского Инженерного Бюро-СПб. Адрес: 197101, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Мира, 15/1, офис 76Н. Телефон: +7 (812) 233-64-03. E-mail: [email protected]. Егоров Александр Геннадьевич, к.т.н., старший научный сотрудник Морского Инженерного Бюро-СПб. Адрес: 197101, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Мира, 15/1, офис 76Н. Телефон: +7 (812) 233-64-03. E-mail: [email protected].
Поступила / Received: 26.02.19 Принята в печать / Accepted: 09.04.19 © Коллектив авторов, 2019
