Особенности бункеровки топлива для судов на сжиженном природном газе Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 662.691.4(204.1)

ОСОБЕННОСТИ БУНКЕРОВКИ ТОПЛИВА ДЛЯ СУДОВ НА СЖИЖЕННОМ ПРИРОДНОМ ГАЗЕ

И.И. ХАСАНОВ, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа А.Р. ГИМАЕВА, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1). E-mail: [email protected]

В статье рассмотрены вопросы испарения сжиженного природного газа (СПГ), представлены варианты и схемы бункеровки танкеров СПГ. Показаны требования международных организаций по экологичности морских судов и рассмотрены современные нормативные документы, которые ужесточают нормы выбросов в атмосферу. Предложено применить промежуточный буферный резервуар для сокращения потерь и приведена методика расчета холодильной установки, которая показала значительную экономию топлива. Был сделан вывод о возможной экономии топлива путем применения испарившегося газа в качестве топлива в двухтопливных двигателях и, как следствие, о существенном снижении выбросов в атмосферу.

Ключевые слова: морской транспорт СПГ, танкер, буферный резервуар, система бункеровки, испарившийся газ.

Сжиженный природный газ (СПГ) в качестве топлива на морских судах используется уже многие годы, но это характерно для танкеров-метановозов, где неизбежно происходит испарение СПГ во время рейса. Здесь испарившийся газ используется для сжигания в котлах паровых турбин либо в двухтопливных двигателях. Но в последнее время наблюдается повышенный интерес к СПГ как к топливу на судах в Европе. Это обусловлено ужесточением экологических требований к выбросам в европейских портах. На фоне общей ухудшающейся экологической ситуации в развитых и развивающихся странах доля выбросов при морских транспортировках представляется весьма значительной и составляет (от общемировых выбросов) 2-4% CO2, 10-20% NOx, 4-8% SOx [1].

Согласно документу MARPOL Annex VI, Regulation 13 Международной морской организации (IMO), для сокращения вредных выбросов из судовых установок с 1 января 2015 года должно применяться топливо с содержанием серы не более 0,1%, что почти на 90% меньше, чем сейчас, при этом также должны сокращаться выбросы CO2 и NOx. Многие крупные морские экспертные организации, например такие как DNV (Det Norske Veritas), отмечают, что для выполнения обозначенных требований морским перевозчикам придется идти по трем путям:

- оснащать суда системой очистки выхлопных газов (скруббер);

- переводить на более дорогое жидкое топливо с меньшим содержанием серы;

- ориентировать флот на использование в качестве топлива СПГ [2].

В настоящее время одной из важнейших проблем, волнующих человечество, является поиск альтернативных энергоносителей. Это связано не только с наступающим дефицитом нефтяного сырья, но и с экологическими проблемами, поскольку использование углеводородного топлива в двигателях внутреннего сгорания сопровождается выбросами в атмосферу огромного количества вредных веществ.

Россия обладает приблизительно 40% всех мировых разведанных запасов природного газа. Поэтому к

перспективным видам альтернативных моторных топлив могут относиться синтетические топлива, первичным сырьем для получения которых является природный газ, а также сжиженный природный газ. В настоящее время в России и за рубежом ведутся интенсивные работы по созданию эффективных процессов переработки природного газа в различные синтетические моторные топлива [3].

Схемы бункеровки кораблей сжиженным природным газом не отличаются от заправки традиционными видами топлива (рис. 1). К основным вариантам относятся:

- береговой пункт - корабль;

- автоцистерна - корабль;

- корабль - корабль.

Существующие технологии бункеровки СПГ в основном сводятся к применению автомобильных цистерн (КриоПАГЗ). Эта технология давно отработана, позволяет принимать оптимальные логистические решения, обеспечивает заправку судна сжиженным метаном в нужное время в удобном для клиента месте и требуемом количестве. Кроме того, эта же заправочная техника может использоваться в интересах автомобильного транспорта и объектов автономной газификации.

Рис. 1. Схемы бункеровки судов сжиженным метаном

Бункеровка судна с автоцистерны в Италии

Автомобильные метановозы позволяют максимально адаптировать эксплуатацию под нужды как потребителя, так и поставщика (фото вверху). В ожидании следующей бункеровки КриоПАГЗ может доставлять СПГ другим потребителям.

Баржи-бункеровщики начинают применяться в различных портах мира. Однако они жестко привязаны к району эксплуатации и потребителям. Хотя бункеровочные суда и обладают определенной автономностью, они все же ориентированы на ограниченное количество потребителей (фото внизу).

В качестве примера использования СПГ как судового топлива можно привести компанию AGA Gas AB, входящую в Linde Group, и Viking Line ABP, которые подписали соглашение на поставку СПГ для бункеровкинового круизного парома на 2800 пассажиров компании Viking Line водоизмещением 57 000 т, длиной 214 м M/S Viking Grace.

СПГ хранится в специальных криогенных танках в кормовой части судна. На судне четыре главных двигателя Wartsila 8L50 DF (на двух видах топлива - СПГ и морском дизельном топливе).

Новое судно VikingLine работает на участке Стокгольм-Або начиная с января 2013 года.

Ввиду увеличивающегося интереса к развитию Северного морского пути задача использования экологически чистых видов топлива для судов, которые в перспективе там будут работать, приобретает все большую актуальность. Вместе с этим развитие в Арктическом регионе морских транспортных путей ставит задачу создания целой инфраструктуры, включающей суда сопровождения и бункеровочные пункты. С учетом уязвимости экологии Арктики применение сжиженных газов в качестве топлива представляется

Бункеровка судна танкером

весьма перспективным, особенно принимая во внимание тот факт, что базой для получения данного вида топлива могут являться непосредственно газовые и газоконден-сатные месторождения, расположенные на Арктическом шельфе и п-ве Ямал, которые сейчас уже разрабатываются или планируются к разработке. Доставку сжиженных газов на пункты хранения и бункеровки возможно осуществлять в низкотемпературных транспортных емкостях. Причем пункты раздачи сжиженных газов на суда также могут базироваться на воде в специальных надводных системах хранения и заправки [4].

При операциях со сжиженными газами неизбежно происходит их естественное испарение, поэтому потери холода должны быть компенсированы каким-либо образом. Например, на судах-газовозах испарившийся газ либо используется в качестве топлива, либо с помощью специальных систем конденсации превращается в жидкость и направляется обратно в емкости. В системах хранения также устанавливаются компрессоры, откачивающие испарения, направляющие их в систему конденсации и обратно в резервуары.

Система бункеровки является связующим звеном между хранилищами сжиженных газов и баками морских транспортных средств. И в данном случае испарение будет происходить именно в баках при наполнении и в дальнейшем в рейсе. Поэтому при проектировании транспортных комплексов, включающих бункеровочные пункты, необходимо предусмотреть управление процессом испарения и минимизировать количество испаряющегося газа.

При заполнении баков основное поступление тепла происходит с жидкой фазой, подаваемой из хранилищ:

0Хр = С (7"х - Tб), (1)

где V - скорость наполнения бака, кг/ч; Сж - теплоемкость жидкой фазы, Дж/кг*К; Тх, 7б - температура хранилища и бака, К.

К примеру, скорость наполнения трех низкотемпературных баков по 60 м3 составит V = 30-35 т/ч, что требует достаточно мощных холодильных установок. При этом они будут работать на полную мощность всего несколько часов в сутки, остальное время - лишь служить для поддержания нормального режима хранения. Из опыта эксплуатации рейдовых морских терминалов нам известно, что в предлагаемой технологии, когда бункеровочная система расположена непосредственно на воде, испарение составляет 0,3-0,5% от общей массы находящегося в емкости сжиженного газа. Тогда можем определить используемую мощность холодильной установки:

QXM = 0,004 Mr/24,

(2)

где М - масса хранящегося в резервуаре сжиженного газа, кг; г - теплота парообразования, Дж/кг.

Для более равномерной загрузки холодильной установки целесообразно предложить внедрение промежуточного буферного резервуара, используемого для налива/слива сжиженного газа. Из буферного резервуара сжиженный газ при меньшей скорости и более низкой температуре поступает равномерно в топливные емкости судна. При этом расчет мощности холодильной установки предлагаем свести к следующему.

Определяем количество поступающего с продуктом тепла:

МСж

Q

24

- Г6),

(3)

где M - масса заправляемого за сутки сжиженного газа, кг; Тбр - температура в промежуточном (буферном) резервуаре, К.

Рассчитываем количество холода на компенсацию испарения по формуле (2). Общая потребная хладопроизводительность равна:

Q = О + (4)

Емкость промежуточного резервуара находим как

^бр = МИ

24 V

(5)

где -ж - плотность сжиженного газа, кг/м3; т - время заправок в течение суток, ч.

Расход испаряющегося газа при заправке можно определить как

Ми = М0 ехр

(Тх-

Г

Т]

(6)

где Мо - общее количество заправляемого сжиженного газа, кг.

В качестве иллюстрирующего примера, показывающего необходимость использования буферной емкости, рассмотрим следующую характерную для бункерного пункта ситуацию.

Определим мощность холодильной установки для обеспечения заправки 1000 т сжиженного газа (пропан-бутан) в емкости транспортных судов. Средняя скорость заправки V = 35 т/ч, температура внутри бака на судне 231 К. Температура жидкой фазы 239 К. Количество испаряющегося газа составляет 0,004 М в сутки, теплота парообразования г = 376,8 кДж/кг, теплоемкость жидкой фазы пропан-бутана Сж = 2,22 кДж/(кгтрад).

Мощность холодильной установки зависит от необходимого количества тепла на сжижение газа, испаряющегося при заправках Охм, и от количества тепла, поступающего с жидкой фазой из хранилищ Охр:

о» = _ Ц004-1°6 -376'8 _ 62800-КДЖ _ 17,4 кВт;

24

24

двигателя не зависят от используемого вида топлива, будь то мазут или природный газ. В частности, это относится к удельному расходу топлива.

По своим энергетическим параметрам природный газ в качестве судового топлива практически равноценен традиционно применяемым на судах видам мазута в соотношении: 1 т мазута равна 1 тыс. м3 природного газа.

С учетом этого может быть определен необходимый запас газового топлива, который обеспечит равную варианту использования традиционного топлива продолжительность работы судна без бункеровки СПГ при том же режиме работы главных двигателей.

С учетом того что в сжиженном состоянии объем природного газа в 600 раз меньше, чем в состоянии при нормальных условиях, можно оценить суммарный объем криогенных танков СПГ, которые необходимы для его размещения на борту судна. Удельный вес сжиженного природного газа равен 0,73 Н/м3.

Согласно данным [5] при номинальной мощности двигателя 2400 кВт, средней расчетной мощности 60 % от номинальной и расчетной продолжительности работы судна без бункеровки 10 суток характеристика судна будет такой как показано в табл. 1.

Из таблицы видно, что для заправки одного судна может потребоваться более 90 т СПГ. Исходя из предположения, что в сутки будет заправляться около 5-6 судов и принимая во внимание двукратный запас топлива на пункте бункеровки, можно сделать вывод, что емкость резервуарного парка должна быть не менее 1000 т.

Исходя из вышесказанного, оценим необходимую мощность холодильной установки для обеспечения работы топливозаправочной системы емкостью 1000 т, если скорость заправки 35 т/ч, в сутки заправляются 5 судов по 60 т. Теплоемкость СПГ Сспг = 5,5 кДж/(кгтрад). Теплота парообразования Гспг = 511 кДж/кг.

Определим мощность холодильной машины, необходимую для компенсации испарений из резервуаров бункерного пункта:

о _ 0,004МспгГспг

0,004-106 -511 24

Оур _ УОж (ТУ - Тб) _ 35000 - 2,22 - (239 - 231) _ 621600 кДЧж _ 173 кВт

24

: 85166 кДж _ 23кВт.

Общую мощность холодильной установки Q определяем как О = Охм + Охр = 17,4 + 173 = 190,4 кВт.

Данное значение было получено при использовании в качестве судового топлива пропан-бутановой смеси и соответственно ее бункеровки. Понятно, что в данном случае достаточно использования обычного компрессорно-холо-дильного оборудования.

Далее проведем оценку объема танков СПГ для судна с двигателями, работающими на природном газе. Если принять в качестве исходных данных номинальную мощность двигателя, среднюю расчетную мощность двигателя в течение периода между бункеровками и продолжительность этого периода, можно оценить необходимый запас традиционного топлива (мазута), который должен быть размещен на судне.

Главные двигатели на природном газе разрабатываются на основе опыта создания судовых двигателей на традиционном топливе и являются на сегодняшний день наиболее энергетически эффективными. Однако для сугубо предварительной оценки можно условно принять, что параметры

Рассчитаем поступление тепла с жидкой фазой по формуле (3), которое должно быть компенсировано при условии установки промежуточного (буферного) резервуара при бункеровке судов:

От _ ^ ( - Тб)_ (114 -111)_

24

24

= 206250 кДж _ 57 кВт.

Определяем мощность холодильной установки: Оспг = 23 + 57 = 80 кВт.

Из проведенных расчетов по хладопотреблению для пропан-бутана и СПГ видно, что при использовании СПГ мощность холодильных установок должна быть более чем в два раза меньше (для пропан-бутана О = 190 кВт), но это, конечно, при условии применения буферной емкости. Данный вывод связан с тем, что в бункерной системе СПГ температурный перепад между баком судна и береговой емкостью составляет примерно 2-3 градуса.

ч

Таблица 1

Характеристика удельных расходов судна

Тип двигателя

Показатель Ед. изм. малообо- среднеобо- высокообо-

ротный ротный ротный

Удельный расход топлива г/кВт-ч 150,00 175,00 215,00

Запас традиционного топлива (мазут) т 51,84 60,48 74,30

Запас альтернативного топлива (природный газ при нормальных условиях (по энергетической эффективности 1000 м3 природного газа примерно равны 1 т мазута) тыс. м3 51,84 60,48 74,30

Объем криогенных танков СПГ (объем газа при сжижении уменьшается в 600 раз) м3 86,40 100,80 123,84

Масса СПГ т 63,07 73,58 90,40

Необходимый объем буферного резервуара найдем следующим образом. Определим время слива:

мспг 5 ■ 60000

: 8,5ч.

V 35000 Из основных хранилищ за час будет отбираться

= Мспг = 5 ■60000 = 12500^:, р 24 24 ч ,

то есть, буферный резервуар должен вмещать Мбр = Мспг - Урт = 5 ■ 60000 -12500 ■ 2,5 = 268750 кг и 269 т.

При средней плотности СПГ р =425 кг/м3 и степени заполнения в =0,85 необходимый объем буферного резервуара должен быть не менее 750 м3.

Мощность холодильной установки без использования буферного резервуара должна была бы составить.

Q = Q + Q

^спг WXM т wт

00 5 • 60000 • 5,5 ■ 3-1000 сто D = 23 +-= 573 кВт.

2,5-3600

Таким образом, применение буферного резервуара позволяет снизить мощность холодильной установки в 7,2 раза, что с точки зрения ресурсоэнергосбережения может быть весьма существенным показателем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Brett, B.C., Potential Market for LNG Fuelled Marine Vessels in the United States, Massachusetts Institute of Technology, 2006.

2. Хасанов И.И., Шаммазов А.М., Терегулов Р.К. Развитие морского транспорта сжиженных газов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2014. № 3. С. 13-19.

3. Гимаева А.Р., Фаттахов М.М., Мастобаев Б.Н. Особенности производства диметилового эфира и его использование в качестве перспективного моторного топлива // Нефтегазовое дело. 2015. № 3. С. 42-45.

4. Бахтизин Р.Н., Дорожкин В.Ю., Терегулов Р.К., Мастобаев Б.Н. Сжиженный природный газ на суше и в море. Производство, хранение, транспорт, регазификация. СПб.: Недра, 2016. 427 с.

5. Природный газ - топливо будущего для автомобилей и судов. URL:http://www.accessify.com/g/gasin4m.com(дата обращения 19.04.2017).

FEATURES OF FUEL BUNKERING FOR SHIPS ON LIQUEFIED NATURAL GAS

KHASANOV I.I., Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of Department of Transport and Storage of Oil and Gas GIMAEVA A.R., Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of Department of Transport and Storage of Oil and Gas Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia). E-mail: [email protected]

ABSTRACT

The article examines the evaporation of liquefied natural gas (LNG) and presents the bunkering schemes of LNG and their variants. International organization's requirements on environmental performance of ships and current regulations that tighten emissions are considered. It was proposed to use an intermediate surge tank to reduce the losses, and new calculation method of the refrigeration unit, which demonstrated significant fuel savings. It was concluded about possibility of fuel savings by applying the evaporated gas as a fuel in dual-fuel engines and, as a consequence, a significant reduction in emissions.

Keywords: offshore LNG transportation, tanker, surge tank, bunkerage's system, the evaporated gas. REFERENCES

1. Brett B. C. Potential Market for LNG Fuelled Marine Vessels in the United States. Massachusetts, Institute of Technology Publ., 2006.

2. Khasanov I.I., Shammazov A.M., Teregulov R.K. The development of sea transport of liquefied gases. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2014, no. 3, pp. 13-19 (In Russian).

3. Gimayeva A.R., Fattakhov M.M., Mastobayev B.N. Features of the production of dimethyl ether and its use as a promising motor fuel. Neftegazovoye delo, 2015, no. 3, pp. 42-45 (In Russian).

4. Bakhtizin, R.N., Dorozhkin V.YU., Teregulov R.K., Mastobayev B.N. Szhizhennyy prirodnyy gaz na sushe i v more. Proizvodstvo, khraneniye, transport, regazifikatsiya [Liquefied natural gas on land and at sea. Production, storage, transport, regasification]. Saint Petersburg, Nedra Publ., 2016. 427 p.

5. Prirodnyy gaz - toplivo budushchego dlya avtomobiley i sudov (Natural gas is the fuel of the future for cars and ships) Available at: http://www.accessify.com/g/gasin4m.com (acceessed 19 April 2017)