CC BY-NC
24
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-1-S-I-58-60 УДК 621.436+629.543
А.А. Иванченко, В.Г. Тюргашкин, Д.К. Черенов
ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова, Санкт-Петербург
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВУТОПЛИВНЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК НА ГАЗОВОЗАХ ЛЕДОВОГО КЛАССА ТИПА «YAMALMAX»
В докладе рассмотрены предпосылки, нормативно правовые и материальные предпосылки создания судов - газовозов типа «YAMALMAX» класса Arc7. Рассмотрены их характеристики, особенности конструкции ПК и особенности эксплуатации двухтопливных двигателей Wartsila50DF в составе СГЭУ судна.
Ключевые слова: газовоз ледового класса, двухтопливные дизельные двигатели, сжиженный природный газ. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-1-S-I-58-60 UDC 621.436+629.543
A.A. Ivanchenko, V.G. Tiurgashkin, D.K. Cherenov
GUMRF them. Admiral S.O. Makarova, St. Petersburg
PREREQUISITES FOR THE CREATION AND PECULIARITIES OF OPERATION OF DUAL-FUEL DIESEL INSTALLATIONS ON ICE-CLASS GAS CARRIERS OF THE"YAMALMAX"TYPE
The report considers the prerequisites, legal and material prerequisites for the creation of vessels - gas carriers of the
"YAMALMAX" type of Arc7 class. Their characteristics, PC design features and operation features of Wartsila50DF dual-fuel
engines as part of the ship's power plant are considered.
Key words: ice class LNG carrier, dual fuel engines, liquefied natural gas.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Основной характеристикой развития морского флота на современном этапе является стремительный рост количества и энерговооруженности судов. Это требует поиска для него дешевых доступных топ-лив с одновременным обеспечением снижения выбросов N0» 80х и СО2 при их использовании в СЭУ. Ситуация на флоте усугубляется вступлением в силу в 2010 г. новой редакции Приложения 6 к Конвенции Марпол 73/78.
В сложившихся условиях внимание специалистов привлек природный газ (ПГ), запасы которого
среди органических топлив занимают второе место после каменного угля и сгорание которого в цилиндрах ДВС при определенных условиях обеспечивает одновременное снижение выбросов всех нормируемых вредных веществ. Соответственно в особом положении оказались арктические шельфы, где запасы ПГ, газового конденсата и каменного угля оценены в размере 646 млрд б.н.э. (баррелей нефтяного эквивалента), в том числе 233 млрд б.н.э. разведанных и ориентировочно 413 млрд б.н.э. неразведанных. Это порядка 1/5 от общего объема
Для цитирования: Иванченко А.А., Тюргашкин В.Г., Черенов Д.К. Предпосылки создания и особенности эксплуатации двутопливных дизельных установок на газовозах ледового класса типа «YAMALMAX». Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; Специальный выпуск 1: 58-60.
For citations: Ivanchenko A.A., Tiurgashkin V.G., Cherenov D.K. Prerequisites for the creation and peculiarities of operation of dual-fuel diesel installations on ice-class gas carriers of the "YAMALMAX" type. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; Special Edition 1: 58-60 (in Russian).
A.A. Ivanchenko, V.G. Tiurgashkin, D.K. Cherenov Prerequisites for the creation and peculiarities of operation of dual-fuel diesel installations on ice-class gas carriers of the "YAMALMAX" type
мировых запасов углеводородных ресурсов, причем ПГ в структуре этих запасов занимает наибольшую часть и составляет 73,8% от общего объема. В пределах российского арктического пространства локализовано около 17% всей арктической нефти и 70% всего арктического ПГ [1, 2].
Одновременно встал вопрос о транспортировке ПГ, где рассматриваются транспортировка газа в газообразном виде при помощи трубопроводов и перевозка газа специальными судами газовозами в сжиженном виде. Реально в виду явного преимущества объем экспорта сжиженного природного газа (СПГ) растет стремительнее, чем транспортировка трубопроводного газа. Это рождает серьезный интерес к проектированию и постройке специальных судов для перевозки СПГ. Этому располагает на 40% более низкая стоимость доставки 1000 м3 метана морским путем по отношению доставке этого объема при помощи трубопровода [3].
Широкому развитию морской транспортировки СПГ способствовала разработка ИМО МК по газовозам (IGC), где в главе 16 изложены требования по применению газа (перевозимого груза) в качестве топлива. В 1996 г. МАКО были разработаны унифицированные требования: UR М59 - Control and Safety Systems for Dual Fuel Diesel Engines (Системы управления и безопасности двухтопливных дизельных двигателей). В последствии Требования UR М59 изложены в Правилах классификации и постройки судов Регистра в разделе 9 «Двухтопливные ДВС» части IX «Механизмы», а также в главе 13.12 «Применение природного газа (метана) в качестве топлива» части VIII «Системы и трубопроводы».
В процессе создания судов-газовозов для транспортировки добываемого на российском арктическом шельфе газа по СМП встал ряд дополнительных проблем, влияющих на грузоперевозки. Это ледовые условия, навигационно-гидрографи-ческое обеспечение, аварийно-спасательная готовность, законодательная база, тарифная политика, инфраструктура СМП и др. [4]. Указанные проблемы поставили перед судостроительной отраслью ряд задач, таких как: способность судна осуществлять самостоятельное плавание в ледовых условиях, повышенная автономность, приспособленность к суровым климатическим условиям, повышенная надежность установок и механизмов.
Этот перечень задач смогли решить при проектировании газовозов типа «YAMALMAX» ледового класса Arc7 (по российским стандартам классификации), которые были спроектированы для проекта «Ямал СПГ» для обеспечения круглогодичной
навигации без ледокольной проводки по маршрутам западного плавания, а в летний период навигации - в восточном направлении через СМП. Головное судно проекта «Кристоф де Маржери». Суда имеют габариты: 299 м в длину и 50 м в ширину, вместимость более 170 тыс. м3 и водоизмещение более 140 тыс. т. Их ПК состоит из трех полноповоротных ВРК типа Azipod суммарной мощностью 45 МВ. В составе СГЭУ используются 4 дизель-генератора Wartsila 12V50DF и 2 дизель-генератора 9L50DF суммарной мощностью 61900 КВт, способные работать на ПГ и жидком топливе (ЖТ). Они работают при постоянных оборотах в широком диапазоне нагрузок, что способствует устойчивому сгоранию газа в рабочих цилиндрах, a так же есть возможность варьировать количеством дизель -генераторов, работающих в параллель.
Ссуда типа «YAMALMAX» способны осуществлять движение в ледовых условиях как передним, так и задним ходом. Их спецификационная ледопроходимость при движении носом составляет 1,5 м, а кормой вперёд - 2,1 м [5, 6]. Высокие требования к надежности инициировали проектирование судов рассматриваемого проекта с двойным МО. В штатном режиме МО и системы охлаждения забортной водой, паровые системы функционируют как единое целое, но в случае возникновения серьезных проблем правая или левая часть МО может быть полностью изолирована, что значительно повышает безопасность судна в целом. Учитывая особенности перевозки СПГ, на судне реализован экономически обоснованный способ поддержания давления в грузовых танках путем использования паров груза (BOG) в качестве топлива.
Двухтопливные двигатели (ДД) Wartsila50DF оборудованы системой подачи газа низкого давления (~5 бар). Метан подается в цилиндр вместе с продувочным воздухом через впускной клапан и воспламеняется от запальной форсунки, подача которой составляет 1-2% от общего тепловыделения на номинальном режиме. Их конструкция предназначена для обеспечения одинаковой мощности независимо от вида используемого топлива, что дает неоспоримые преимущества при эксплуатации дизельной установки. ДД при работе на ГТ имеют эффективность, подобную традиционному дизельному двигателю одновременно с отсутствием выбросов оксидов серы (SOJ, гораздо более низким выбросом NOx и твердых частиц. Это позволяет судну беспрепятственно заходить в особые районы, в которых действуют ограничения по SOх на уровне 0,1% и по NOx на уровне Tier - III. При работе на
ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
59
ЖТ двигатели соответствуют требованиям по NOx на уровне Tier - II. К дополнительным преимуществам ДД можно отнести: снижение разжижения смазочного масла при попадании ЖТ за пределы камеры сгорания, снижение отложений нагара на ответственных деталях ЦПГ, что способствует снижению их износов и позволяет значительно увеличить срок службы рассматриваемых деталей. Модульная же конструкция двигателей позволяет значительно сократить время и затраты на ТО.
Важной особенностью, установленных на судне двигателей компании Wartsila является оснащение их системой электронного управления процессами. Особого внимания заслуживает в этом аспекте электронное управление процессом топливоподачи, которое производится посредством оснащения двигателя электронно-управляемой системой Common Rail с высоким давлением распыла и электронно-управляемыми форсунками. Увеличенное давление распыла является критически важным для полного равномерного сгорания топлива по всему объёму камеры сгорания с однородным температурным полем без зон локального перегрева. Для реализации качественного сгорания ГТ компанией Wartsila предложена идея использования форкамеры специально для запальной форсунки. В такой камере образуются завихрения, которые в виде плазменных струй выбрасываются в пространство основной камеры с большой скоростью, обеспечивая равномерное воспламенение обеднённой газовоздушной смеси по всему ее объёму. Это позволило использовать мазут в качестве запального топлива для воспламенения основного заряда. В процессе эксплуатации ДД перевод их работы с ГТ на ЖТ осуществляется автоматически, что при технической неисправности газовой топливной системы позволяет продолжить их эксплуатацию на ЖТ. Этому способствует автоматическое обеспечение требуемого избытка воздуха, необходимого для устойчивого сгорания, путем перепуска воздуха в турбокомпрессоре, сохранение степени сжатия, характерной для традиционных дизелей. Это делает рассматриваемый вариант системы автоматического управления ДД устойчивым к работе в тяжелых условиях плавания судна.
Слабым местом современных ДД являются риски возникновения детонации, которая является крайне опасной для двигателя. Узкая область допу-
стимого состава смеси, при которой протекает устойчивое сгорание без детонации оказывается критичным при изменении состава газового топлива при длительных рейсах и бункеровке газом в различных регионах мира. Автоматика при возникновении детонаций переводит двигатель в режим работы на жидком топливе. А в сложной ледовой обстановке, при работе на высоких нагрузках, переход обратно на газ вызывает затруднения.
Таким образом, опыт эксплуатации ДД газовозов на ПГ открывает широкие возможности использования СПГ на судах, не являющихся газовозами. Однако стоит учесть, что для СПГ-танкеров требует совершенствования система мониторинга и управления рабочими процессами ДВС, т.к. они берут на борт газ напрямую из месторождений и его испарения не сопоставимые по составу используют в качестве топлива, что означает отсутствие экономически оправданной возможности стандартизации СПГ.
Список использованной литературы
1. Балмасов С.А. Основные факторы, влияющие на развитие транзитной навигации на СМП // Транспорт Российской Федерации. 2014. № 2(51). С. 58-62.
2. Журавель В.П. Проект «Ямал СПГ» - пример эффективного международного сотрудничества в освоении и развитии Арктики // Научно-аналитический вестник института Европы РАН. 2018. № 3. С. 95-100.
3. Козьменко С.Ю. Обоснование экономического преимущества морской транспортировки арктического природного газа в виде СПГ / Козьменко С.Ю., Маслобоев В.А., Матвиишин Д.А. // Записки Горного института. 2018. Т. 233. С. 554-560.
4. Сравнение самостоятельного движения и движения под проводкой ледокола газовозов типа «Yamalmax» / Соколова Ю.В., Девятаев О.С., Афанасьева Е.В., Титова Ю.М. // Российская Арктика. 2020. № 11. С. 39-58. DOI: 10.24411/2658-4255-2020-12515.
5. Фисенко А.И. Риски организации судоходства в Арктике по Северному морскому пути // Транспортное дело России. 2015. № 6. С. 260-263.
6. Штрек А.А. Современные тенденции и вызовы при проектировании арктических транспортных судов [Электронный ресурс] // Российская Арктика: [электронный журнал]. 2019. № 5. С. 30-35. URL: https://russian-arctic.info/projects/2019/5/ (дата обращения: 10.01.2021).
Поступила / Received: 15.11.21 Принята в печать / Accepted: 08.12.21 © Иванченко А.А., Тюргашкин В.Г., Черенов Д.К., 2021
