CC BY
171
УДК [621.565.93/.94:629.553]: [622.242.4:621.59]
В. В. Вязанкин, М. К. Овсянников СОВРЕМЕННЫЕ БОРТОВЫЕ СИСТЕМЫ ПОВТОРНОГО СЖИЖЕНИЯ ГАЗА
V. V. Vyazankin, M. K. Ovsyannikov MODERN ON-BOARD SYSTEMS OF GAS RELIQUEFACTION
Рассмотрены схемы реконденсационных установок с азотным хладагентом для метановозов классов Q-Flex и Q-Max (разработаны и эксплуатируются в течение последних пяти лет на судах класса LNGC большой вместимости). Материал в высокой степени актуален в связи с активизацией добычи и международного транспорта природного газа Штокмановского и Ямальского шельфовых месторождений природного газа.
Ключевые слова: сжиженный природный газ, бортовая реконденсационная установка, компрессор, расширительная турбина, криогенный теплообменник, сепаратор, конденсатор, газовозы класса Q-Flex, Q-Max.
The schemes of recondensing works with nitrogen refrigerant for methane carriers of Q-Flex and Q-Max types (designed and operated during last five years at LNGC of big capacity) are considered.
The material is of current importance in the connection with realization of extraction and international marine transportation of the natural gas from Stockman and Yamal peninsula shelf natural gas fields.
Key words: liquefied natural gas, on-board recondensing works, compressor, expansion turbine, cryogenic heat exchanger, separator, condenser, gas carriers of Q-Flex and Q-Max types.
В течение последних пяти лет экспортерами сжиженного газа в Катаре (компании Qatargas 2-4, RasGas 3) успешно эксплуатируются морские газовозы Q-Flex и Q-Max (45 судов) с новыми технологиями в пропульсивном комплексе и в системе обслуживания груза. Их вместимость как минимум на 50 % выше вместимости обычных судов класса LNG (Liquefied Natural Gas) при заметном снижении себестоимости перевозок. Этому способствует установка в качестве главных двигателей малооборотных дизелей, расходы на топливо КПД снижены до 60 % от обычных для LNGC (Liquefied Gas Carriers) аналогичной вместимости с паротурбинными главными двигателями при снижении примерно на 30 % эмиссии вредных компонентов в отработавших газах.
Новая технология удержания допустимого давления в больших сферических и, особенно, призматических танках была окончательно отработана, освоена в производстве, испытана и сдана в эксплуатацию в варианте судовой реконденсационной установки (РУ) сравнительно недавно, в 2008 г. В настоящее время две весьма сходные схемы такой РУ устанавливаются на теплоходах Q-Flex и Q-Max, что обеспечивает полный возврат в танки испаряющегося груза (BOG - Boil of Gas). Обе системы являются результатом длительной интенсивной работы соответствующих подразделений Qatargas-2 и Exxon Mobil.
Основой проектных разработок послужила известная информация о возможной скорости объемного выхода пара чистого метана из танков на судах Q-Flex и Q-Max на уровне Boil of Rate, BOR = 0,14 %/сут [1]. Можно считать, что реальное значение BOR зависит от ряда меняющихся факторов, включая погоду, состояние моря, температуру окружающей среды, состояния судна и изоляции танков, режимов работы судна. Например, сразу после погрузки, в процессе продолжающегося снижения температуры стенок танка, BOR может в 1,5 раза превзойти расчетное значение. Еще большие всплески значения BOR могут возникать в связи с существенными нарушениями изоляции стенок танка или в условиях какого-либо, вплоть до аварийного, подвода к танку теплоты. Последние случаи в проектировании РУ, естественно, не рассматриваются, и непревышение номинального (расчетного) давления в куполе танка обеспечивается надежной работой предохранительного клапана с необходимым запасом площади проходного сечения в нем. Отметим, что в аварийном случае интенсивного испарения и сверхвысокого значения BOR простой отвод газа в котел (в отсутствие РУ) также не спасает положения без предохранительного клапана, стравливающего BOG в атмосферу. Дополнительно к этому следует отметить, возможно не в пользу РУ, что последняя, в сравнении с отводом пара груза в котел, значительно более чувствительна к изменению величины BOR и требует при ее судовой эксплуатации надежной системы автоматического регулирования режима работы всех предметно составляющих ее компонентов. Это объясняет, почему на первых LNGC большой вместимости (например «Jamal», 2003) РУ устанавливалась наряду с паровой турбиной в качестве главного двигателя [2].
Все эти факторы, включая требования по обеспечению безопасности автоматического контроля и управления, должны быть с необходимым запасом учтены в проектах и при постройке LNGC с РУ в соответствии с положениями Г азового кодекса Международной морской ассоциации (ИМО) и положениями Международной ассоциации классификационных обществ (МАКО). Специалисты Qatargas-2 и Exxon Mobil дополнительно разработали спецификацион-ные требования в производстве и эксплуатации бортовых РУ.
1. Бортовая РУ должна иметь практически удвоенную производительность для проектной полной реконденсации естественно испаряющегося в любом грузовом рейсе метана из всех судовых танков.
2. Вся вращающаяся техника РУ должна быть с двойным запасом мощности.
3. В системе РУ должны быть предусмотрены в качестве резерва агрегат для сжигания пара груза, сообщающийся в случае необходимости с куполами танков.
Безусловно, фактором, значительно влияющим на режим работы элементов РУ, является состав груза, в частности присутствие в нем азота. Больше азота в поставленном грузе в жидкой фазе, в еще большем количестве он будет присутствовать в куполе танка (BOG). При отводе испаряющегося груза в топку котла этот фактор не имеет никакого значения, тогда как в РУ он обусловливает наличие в ней специального сепаратора и приемника неконденсирующегося газа.
Азот как хладагент (рефрижерант) в бортовой РУ нетоксичен, негорюч и может в нужном количестве производиться в судовых условиях в азотных генераторах с электроприводом с небольшим расходом электроэнергии.
Система реконденсации для судов Qatargas-2 поставляется двумя различными компаниями -Hamworthy Gas Systems (HGS) - для газовозов Q-Flex и Cryostar - для Q-Max. Основа конструкций обеих систем одна и та же. На рис. 1 представлена принципиальная схема Hamworthy потоков реконденсируемого пара груза (BOG) и участвующего в процессе в качестве хладагента азота.
©
Рис. 1. Схема реконденсации испаряющегося в танках метана (РУ) Hamworthy (HGC MarkI System)
Пар груза из купола по трубопроводу l танка поступает в предварительный охладитель 2, откуда забирается двухступенчатым компрессором З. Сжатый в нем газ подается на криогенную платформу 4 с установленным на ней трехканальным теплообменником З. Охлажденный в нем низкотемпературным азотом, уже в жидкой фазе, BOG поступает в сепаратор, из верхней газовой части которого оставшийся в нем после азотного теплообменника пар через дроссель поступает либо обратно в купол танка, либо отводится в агрегат для сжигания (обычно в топке вспомогательного котла). BOG в жидкой фазе через трехходовой кран 7 в небольшой части через дроссель 8 уходит на предварительный охладитель 2, а его основная часть через дроссель Я как конденсат поступает в грузовой танк. Весь ход пара груза от купола танка до его возвращения в танк обеспечивается работой компрессора З. Азотный цикл РУ обеспечивает работа трехступенчатого компрессора Юс промежуточными охладителями. Сжатый в нем азот по трубопроводу 11 направляется в трехходовой противоточный теплообменник З, после которого охлажденный для дальнейшего сжижения метан поступает в расширительную турбину (экспандер) 12. На выходе из нее с необходимо низкой температурой конденсат азота по трубопроводу 13 в качестве главного хладагента (рефрижеранта) направляется в криогенный теплообменник З. На схеме показан резервуар 14. В нем под давлением, которое выше давления, создаваемого компрессором 1O, содержится резервный запас азота для компенсации возможных потерь в азотном цикле РУ.
Предварительный охладитель 2, как это видно на рис. 1, встроен в вертикальный цилиндрический коллектор для сбора тяжелых компонентов конденсата и предотвращает их попадание в компрессор 3. Охлажденный в нем BOG сжимается в двухступенчатом центробежном компрессоре «Atlas Copco» примерно до 4,5 бар. Облопатывание сужающейся проточной части обеих ступеней регулирует поток в зависимости от интенсивности парообразования в танках (BOR). Сжатый газ входит в криогенный охладитель З, в котором охлаждается азот в противо-точном оребренном пластинчатом теплообменнике. Трехпроточный теплообменник поставляется Nordon Gryogenic.
В нем одновременно с охлаждением до конденсации пара груза (BOG) осуществляется предварительное (перед экспандером 12) охлаждение сжатым трехступенчатым компрессором 1O азотом в азотном цикле РУ. Сконденсированный в теплообменнике метан, как уже было отмечено, попадает в сепаратор б, из которого в жидкой фазе уходит через трехходовой кран 7 в танк с давлением, регулируемым дросселем Я. Криогенный теплообменник и сепаратор компонуются на одном фундаменте термоизолированного отсека 4 во избежание (или по крайней мере снижения) протечек теплоты в систему реконденсации груза.
Азотный отсек РУ HGS MarkI поставляется также Atlas Copso. Поступающий из криогенного теплообменника азот с давлением порядка 13,5 бар в трехступенчатом компрессоре 1O сжимается до 57 бар и проходит, как видно на рис. 1, через три охлаждаемых пресной водой охладителя, после чего в трехходовом криогенном охладителе он охлаждается примерно до -110 °С. Далее
в расширительной турбине 12 (экспандер) эта температура понижается до —163______— 165 °С
для конденсации метана (BOG) в трехходовом криогенном теплообменнике З.
Степень эффективности азотного цикла РУ (холодопроизводительность) регулируется массовым содержанием в нем азота, т. е. дополнением или изъятием азота в цикле за счет соответствующего изменения давления на линии ступеней компрессора 1O в совокупности с азотным резервуаром высокого давления 14.
На судне этот толстостенный цилиндр устанавливается на палубе. Азот производится на судне специальной установкой, очищается и высушивается перед сжатием в специальном многоступенчатом компрессоре, подающим его в резервуар 14. Кроме этого способа, холодо-производительность азотного цикла может быть регулируема изменением профиля проточной части расширительной турбины поворотом лопаток на входе в импеллер, а также частичным байпассированием подачи азота на экспандер 1З. Разворотом лопаток импеллера экспандера можно пользоваться для быстрого относительного подогрева самого экспандера во избежание конденсации азота на выходе из него в случае быстрого протекания процесса его расширения в проточной части.
Реконденсационная установка HGS MarkI способна обеспечить скорость переработки испаряющегося в танках метана на уровне 6 т/ч. В максимальном случае для LNGC вместимостью 3OO тыс. м3 при BOR = O,15 %/сут часовой выход пара составит 9,6 т/ч = 2,6 кг/с.
При максимальной производительности, т/ч, РУ HGS MarkI общая потребная мощность электроприводов составляет 5,8 МВт.
Все газовозы Qatar 2 Q-Max оборудованы РУ, поставленными фирмой Cryostar SAS. Эта система также сертифицирована Qatargas и Exxon Mobil перед тем как принять решение об их установке. Название системы - Eco Rel. Её принципиальная схема (рис. 2) практически одинакова с рассмотренной выше HGS MarkI.
Рис. 2. Принципиальная схема РУ Cryostar Ecorel
Пар метана из грузовых танков поступает в двухступенчатый центробежный компрессор (Cryostar) с промежуточным охладителем 2, прокачиваемым частью рефрижеранта (N2), отработавшего в главном конденсаторе З и отводимого на промежуточный охладитель 2 в трехходовом кране 4 через дроссель З. Основная часть рефрижеранта прокачивает теплообменник б, в котором осуществляется предварительное охлаждение всей массы выходящего из танков метана после компрессора 4 перед поступлением его в главный конденсатор З. Из него конденсат BOG поступает либо через трехходовой кран 7 и дроссель 8 напрямую в танк, либо в сепаратор 19. Из верхней части объема сепаратора оставшийся пар метана отводится через дроссель 11 в танк или в агрегат сжигания. Конденсат из сепаратора через отдельный дроссель 9 уходит в трубопровод слива его в танк. Так замыкается метановый цикл РУ. Элементы азотного цикла (азотного компандера Cryostar) перечислим от главного конденсатора З (в системе Ecorel двухходового противоточного, в отличие от трехходового в HGS Mark I). Как уже отмечалось выше, из главного конденсатора отработавший в нем криогенный азот продолжает работать в качестве рефрижеранта в промохладителе 2 компрессора 1 и предварительном охладителе б. Соединяясь через трехходовой кран 12 в один поток, азот поступает в противоточный оребренный пластинчатый теплообменник 13 (производитель - Linde), в котором продолжает свою работу как рефрижерант по отношению к азоту, поступающему к нему в противоток от трехступенчатого компрессора 14 с промежуточными охладителями 13 и 1б. Из теплообменника 1З азот для завершения штатного охлаждения уходит в расширительную турбину
(expander) 17, из которой с температурой —163_—165 °С направляется в главный противоточный
конденсатор. Как видно на рис. 2, небольшая часть азотного хладагента, регулируемая дросселем
3, после главного конденсатора через трехходовой кран уходит на промохладитель 2 между ступенями главного метанового компрессора 1. Основная часть азота идет в предшествующий главному конденсатору 5 теплообменник 6. После него азот возвращается в главный азотный компрессор 14, на чем и завершается азотный цикл РУ (цикл компандера). В нем, как и в компандере HGS, имеется отдельный (вне общего фундамента) прочный контейнер с запасом азота для компенсации возможных утечек в соединениях трубопровода под высоким давлением.
Что касается номинальной массовой производительности по реконденсации системы Cry-ostar Ecorel, она, при примерно тех же размерах, что и HGS Markl, для метана, по стандарту Qatar2 LNG, может обеспечить ее на уровне 7 т/ч. При этом на газовых Q-Max BOR, при прочих равных условиях, считается несколько более высоким из-за больших размеров судна. Потребная мощность приводов на номинальном проектном режиме работы Ecorel несколько выше 6 МВт. Само последовательное перечисление процессов в агрегатах обеих систем РУ демонстрирует необходимость оснащения их сложной, отлаженной и надежной системой автоматического контроля и регулирования с большим числом контролируемых и регулируемых характеристик в многочисленных местах расположения датчиков (температуры, давления, расхода), возможность ее настройки на необходимую холодопроизводимость с учетом всех данных по грузу и условий его морской перевозки, включая перегрузочные операции.
Например, в простейших случаях обеспечения сравнительно низкой холодопроизводи-тельности может быть целесообразно в азотном цикле байпассировать расширительную турбину с ее регулируемым импеллером. Возможны даже случаи отсутствия необходимости самого повторного сжижения испарившегося груза (BOG), когда в азотном цикле может быть отключен (байпассирован) противоточный теплообменник 13. В автоматическом управлении режимами должна быть предусмотрена высокая чувствительность к резкому изменению температуры обеих сред и температурному перепаду в бронзоалюминевых элементах оребренных пластинчатых теплообменников, с высоким значением температурного коэффициента объемного расширения (сжатия) в, c-1, и низким значением коэффициента теплопроводности материала. Можно ввести критерий опасности конструкционного разрушения теплообменника:
С = BfiE — , st
в котором критерий Био: Bi = ^ —B— - разность коэффициентов теплоотдачи
1 (м2 • К)
на обеих поверхностях пластины; l, м - конструкционная характеристика пластины; 1 B
(мК)
коэффициент теплопроводности материала пластины; b, — - температурный коэффициент объ-
c
емного расширения (сжатия) материала пластины; E, МПа - его модуль нормальной упругости; Ot, МПа - предел текучести.
При выборе материала элемента конструкции этот критерий объективно укажет на большую или меньшую вероятность конструкционного разрушения теплообменника (появление трещин или ненормальных деформаций в теплопередающих пластинах или трубах и т. п.). Эти явления возможны в ходе эксплуатации, особенно в условиях смены температурного режима работы. Ее скорость должна быть по возможности минимальной. Тем не менее в случаях, когда давление в танках поднимается выше нормы, в самом начале этого процесса автоматически должен включаться второй метановый компрессор, и, если массовая реконденсации находится на номинальной отметке, избыточный выход также автоматически переключается на агрегат его сжигания. Если холодильный отсек (HGS) или компандер (Cryostar Ecorel) не в рабочем состоянии, метановые компрессоры автоматически подают пар груза (BOG) из куполов танка непосредственно на агрегат сжигания. То же самое осуществляется в случае чрезмерного выхода пара при нормальном процессе реконденсации в номинальном режиме, автоматически
включается резервный компрессор с подачей от него BOGа в агрегат сжигания. В балластном переходе РУ работает при выходе пара из танков со скоростью 2 т/ч с полной его реконденсацией и возращением в танк в жидкой фазе.
Системы автоматического контроля и управления на суда Q-Flex и Q-Max поставляются фирмами Honeywell и Kongsberg Maritime. Их установке предшествует тщательный анализ взаимодействия агрегатов самих РУ и их реакции на управляющие сигналы от системы автоматического контроля. Первоначально эти исследования выполнялись на компьютерных моделях в лабораториях производителей, а окончательная настройка и испытания системы - на судах с участием специалистов Qatar-2 и Exxon Mobil, в том числе в грузовых рейсах. Первой прошла испытание по такой большой и жесткой программе система полной автоматизации контроля и управления РУ HGS Markl для судов Q-Flex и только в 2010-2011 гг. - система для Cryostar Ecorel.
Бортовая РУ LNGC, наряду с главным двигателем и его системами, является энергопотребляющим комплексом, непосредственно выполняющим транспортную функцию LNGC. Корпорации Qatar-2 и Exxon Mobil приложили максимум усилий для ее всестороннего технологического развития и конструкционно-схемного совершенствования, в том числе:
1. Внимательное изучение каждого привлекаемого поставщика в отношении его индустриального потенциала, накопленного опыта, качества современной продукции и т. п.
2. Постоянное систематическое взаимодействие с разработчиками и производителями узлов РУ непосредственно в процессах создания системы и их элементов, а также на различного вида конференциях, саммитах и интервью.
3. Детальный придирчивый контроль за обеспечением безотказности и безопасности в отдельных узлах.
4. Неослабное внимание и требовательность к исполнению установки РУ и квалификации обслуживающего ее персонала на уровне, апробированном на головных судах Q-flex и Q-Max на всех этапах изготовления и приемосдаточных испытаний.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Shipboard reliquefaction for Large LNGC / T. N. Anderson, M. Ehrhardt, R. E. Foglesong et al. // Proceedings of the first Annuol Gas Processing Symposium, 2009.
2. Ioneyama H., Irie T., Hatamake N. The first reliquefaction system on board ship in the world «LNG Jamal» // World Gas Conference, 2003.
Статья поступила в редакцию 2.12.2011
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Вязанкин Виталий Валерьевич - Астраханский государственный технический униврситет; соискатель кафедры «Эксплуатация водного транспорта»; [email protected].
Vyazankin Vitaliy Valerievich - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Exploitation of Water Transport"; [email protected].
Овсянников Михаил Константинович - Государственная морская академия им. адмирала О. С. Макарова, Санкт-Петербург; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры «Теплотехника, судовые котлы и вспомогательные установки»; [email protected].
Ovsyannikov Mikhail Konstantinovich - State Marine Academy named after O. S. Makarov, St. Petersburg; Doctor of Technical Science, Professor; Professor of the Department "Heat Engineering, Marine Boilers and Auxiliary Installations"; [email protected].
