CC BY-NC
2
СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
УДК 629.5.063.6+504.6 ЕБ№ А^БЖ
Г.Ф. Демешко1, В.М. Кашаев2
1 ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет», Санкт-Петербург, Россия
2 ООО «ССК «Звезда», Большой Камень, Россия
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ СПОСОБОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СООТВЕТСТВИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИМ НОРМАМ ВЫБРОСОВ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ СУДОВ
Объект и цель научной работы. Принятые IMO1 требования по нормам вредных выбросов в выхлопных газах судовых энергетических установок (СЭУ) вызвали резкий рост издержек в мировом судоходстве. Безальтернативный характер введенных норм, которые к тому же продолжат ужесточаться вплоть до 2050 г., вызывает необходимость в поиске наиболее экономных способов реализации этих требований. Это относится как к постройке новых судов (либо переоборудованию существующих), так и к снижению дополнительных эксплуатационных издержек. Материалы
и методы. В статье использован обширный список отечественных и зарубежных источников: информационные сетевые ресурсы, научные публикации, нормативные материалы, профильные обзоры и монографии. Сравнение способов реализации указанных требований производится в технических, эксплуатационных и стоимостных аспектах.
Основные результаты. Дан сравнительный анализ технических средств и проектных решений по обеспечению соответствия требованиям 1МО по нормам вредных выбросов в выхлопных газах СЭУ на современных судах. Заключение. Из всех возможных вариантов реализации рассматриваемых требований 1МО в ближайшие 1015 лет будут актуальны только два: 1) использование дополнительного спецоборудования для очистки выхлопных газов (скрубберов); 2) перевод судов на сжиженный природный газ (СПГ) - т.н. чистое топливо. Оба эти способа технически и организационно наиболее освоены, при этом оба весьма затратны. Приведенное в работе сравнение выявляет предпочтительность второго варианта, т.к. СПГ является наиболее дешевым на сегодня топливом. Что касается внедрения альтернативных видов чистого топлива, то и материально, и по времени - это дело неблизкого будущего. Ключевые слова: экологические требования, ограничение выбросов серы, низкосернистый мазут, СПГ в качестве топлива, газомоторные суда, скрубберы, очистка выхлопных газов, экономическая эффективность, экономия на топливе. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
SHIP POWERING AND ELECTRIC GENERATION SYSTEMS
UDC 629.5.063.6+504.6 EDN: ARLSNL
G.F. Demeshko1, V.M. Kashaev2
1 St. Petersburg State Marine Technical University, St. Petersburg, Russia
2 Zvezda Shipbuilding Complex, Bolshoy Kamen, Russia
1 IMO, International Maritime Organization - ИМО, Международная морская организация, специализированное учреждение ООН.
2 Приложение VI к МАРПОЛ 73/78 «Правила предотвращения загрязнения воздушной среды с судов».
Для цитирования: Демешко Г.Ф., Кашаев В.М. Сравнительный анализ альтернативных способов обеспечения соответствия экологическим нормам выбросов выхлопных газов судов. Труды Крыловского государственного научного центра. 2024; 4(410): 111-126.
For citations: Demeshko G.F., Kashaev V.M. Comparative analysis of alternative ways to meet the limits of exhaust gas emissions by ships. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2024; 4(410): 111-126 (in Russian).
COMPARATIVE ANALYSIS OF ALTERNATIVE WAYS TO MEET THE LIMITS OF EXHAUST GAS EMISSIONS BY SHIPS
Object and purpose of research. IMO1 regulations limiting harmful exhaust gas emissions by ship engines2 have caused drastic increase in world shipping costs. Mandatory introduction of exhaust limits with a view to make them ever more stringent up to 2050 drives us to seek more economic ways for meeting these requirements. It is related to newbuildings (or refitting existing vessels) as well as reduction of extra operating costs.
Materials and methods. The paper covers an ample range of Russian and foreign references: network resources, research papers, normative regulations, specialist reviews and monographs. Approaches to implementation of these requirements are compared from technical, operational and economic angles of view.
Main results. The paper gives a comparative analysis of engineering tools and design solutions to meet IMO requirements on limiting noxious substances in engine exhausts of modern ships.
Conclusion. Among the host of possible solutions there only two valid options that are viable for the next 10-15 years to implement IMO standards: 1) application of special-purpose equipment for cleaning exhaust gases (scrubbers); 2) change of ships to liquefied natural gas (LNG), i.e. clean fuel. Technical solutions along with organizational arrangements are more developed for these two options, but both methods are quite costly. Comparisons drawn in the paper show that the second option is preferable because LNG is the cheapest fuel type today. As for the application of alternative pure fuel it is a matter of distant future both in terms of time and physical implementation.
Keywords: environment protection, SOx limits, low-sulfur residue, LNG fuel, gas-engine vessel, scrubbers, exhaust gas purification, economic efficiency, fuel saving. The authors declare no conflicts of interest.
Введение
Introduction
В последние годы резко ужесточены экологические нормы вредных выбросов в выхлопных газах судов, в частности, в отношении допустимых концентраций оксидов серы и азота - SOx и NOx. Особые трудности возникают при реализации требований по содержанию серы.
Выполнение установленных норм приводит, среди прочего, к исключению дальнейшего использования дешевого высокосернистого мазута как основного на данный момент вида судового топлива. Это значительно увеличивает затраты судовладельцев, вынужденных переходить на т.н. очищенное топливо, т.е. прошедшее дорогостоящую очистку от источников вредных оксидов. Оснащение судна скруббером допускает продолжение использования дешевого традиционного топлива, но и это сопряжено с потерями. Они возникают за счет снижения технико-эксплуатационных характеристик (ТЭХ) судна из-за немалых массогабаритных характеристик такого оборудования, из-за высокой стоимости самого скруббера, а также дополнительных затрат на его эксплуатацию.
Одним из наиболее перспективных способов решения данной проблемы признается постройка судов, использующих в качестве чистого топлива относительно недорогой сжиженный природный газ.
СПГ привлекателен тем, что его производство и использование во всем мире в полной мере освоены и обеспечены технологически. Использование же водорода, метанола, аммиака экологически весьма привлекательно, но требует обширных временнь1х и финансовых затрат (это касается и установки работающих на таком топливе двигателей, и, особенно, обеспечения безопасности обращения с этими продуктами). Их применение, вероятно, станет возможным к 2050 г. как к дате полной реализации программы ИМО по экологическим ограничениям.
Однако надо иметь в виду, что для использования СПГ в качестве топлива потребовалось создание т.н. газомоторного судна (ГМС), оснащенного уникальной газотопливной системой, специальными средствами пожаротушения и взрывопожаро-безопасности, особыми криогенными емкостями для хранения на судне запасов СПГ, а главное, более дорогими двигателями, на нем работающими. Кроме этого для эксплуатации ГМС необходима дорогостоящая организация постоянной бункеровки СПГ, надежные поставки последнего, наличие в составе портофлота СПГ-бункеровщиков или устройства стационарных оборудованных мест заправки судов СПГ в портах. Отметим, что на мировом рынке уже имеются в продаже двигатели, работающие на СПГ, от известных производителей (например, MAN и Wartsila).
1 IMO, International Maritime Organization is a United Nations specialized agency.
2 Annex VI to MARPOL 73/78 "Prevention of air pollution from ships".
Ниже освещены проектные аспекты реализации названных способов решения обозначенной проблемы на судах и произведено сравнение их эффективности, в т.ч. экономической.
В Приложении VI к Конвенции IMO МАРПОЛ 73/78 [10] приведены введенные с 1 января 2020 г. особые требования к составу выхлопных газов судов: содержание серы в любом сжигаемом на судах топливе не должно превышать 0,5 % его массы. Еще более жесткие ограничения действуют в указанных в Приложении VI зонах особого контроля выбросов (рис. 1, см. вклейку), в которые входят Балтийское и Северное моря. В данных акваториях содержание серы в жидком топливе не должно превышать 0,1 %3.
Рассматривается вопрос о дальнейшем ужесточении этих требований с 1 января 2025 г. со снижением содержания серы в выхлопных газах повсеместно до 0,1 %. Этим автоматически подвергается запрету использование дешевого по сравнению с другими нефтяными топливами широко применяемого мазута марки IFO 380.
Рынок бункеровочного топлива уже предлагает мазут VLSFO (Very low sulphur fuel oil), содержание серы в котором по массе не превышает 0,5 %, что пока позволяет использовать его в акваториях по всему миру, за исключением зон особого контроля выбросов. В таких зонах допускается использование мазута ULSFO (Ultra low sulphur fuel oil), содержание серы в котором не превышает 0,1 %. При этом и VLSFO, и тем более ULSFO отличаются от мазута IFO 380 значительно более высокой стоимостью (рис. 2, см. вклейку). И, если принять во внимание, что затраты на топливо уже составляют -30 % от общей суммы затрат на эксплуатацию судна [16], то переход на предлагаемое низкосернистое топливо значительно увеличивает ее стоимость, а значит, и стоимость транспортировки товара.
Таким образом, использование чистого вида топлива как соответствующего вводимым нормам содержания вредных примесей в выхлопных газах двигателей судов чрезвычайно затратно, и альтернативой этому рассматриваются упомянутые выше способы: ■ использование в качестве чистого топлива природного газа;
3 При этом администрации отдельных стран или портов могут устанавливать и свои ограничения на выброс с судов веществ, загрязняющих атмосферу. Так, с 1 января 2019 г. Морская администрация Китая в пределах своих акваторий установила ограничения по содержанию серы в выбросах судовых выхлопных газов не более 0,5 % по их массе.
■ установка в системе газовыхлопа судна, использующего дешевое традиционное топливо, скрубберов для очистки выхлопных газов (в данном случае от оксидов серы и азота). Природный газ при атмосферном давлении из-за малой плотности занимает значительные объемы, поэтому для хранения и в значительной мере для транспортировки на судах его либо сжимают до давления 200-250 бар (КПГ - компримированный природный газ, обычно закачиваемый в этом виде в прочные цилиндрические емкости), либо сжижают, охлаждая до температуры -163 °С и поддерживая ее затем в этом состоянии в специальных цистернах, что сопряжено с использованием криогенного оборудования и хладостойких материалов.
Хотя технологически сжатие природного газа проще, а способы и условия хранения изучены в полной мере, предпочтение по ряду объективных причин отдано использованию в качестве топлива на судах природного газа в сжиженном виде.
Следует отметить, что наряду с необходимостью решения проблемы повышенной пожароопас-ности СПГ значительно усложняется весь процесс бункеровки и хранения на судне этого вида топлива по сравнению с традиционным.
Свойства СПГ как топлива, а также особенности его получения, хранения и транспортировки в России и за рубежом изучены в достаточной мере [5, 8, 15]. Этому способствовали также разработка методологии проектирования судов-бункеровщиков СПГ [14], изучение последствий аварий на судах-газовозах [13], разработка технических решений и нормативных требований по переводу ДВС на использование ими природного газа в качестве топлива [4], исследования экологической эффективности газопоршневых двигателей [3].
Говоря о СПГ как о чистом топливе, следует констатировать, что при сжижении природный газ проходит детальную очистку (и искусственную, и естественную) от всякого рода примесей, и потому при сжигании СПГ выделяются только «безобидные» вода и углекислый газ и дополнительной очистки выхлопных газов у ГМС не требуется. При этом использование в качестве судового топлива компримированного природного газа надо рассматривать отдельно, особенно учитывая большое разнообразие состава исходного газа, получаемого из разных месторождений. В процессе сжатия природный газ очищается в меньшей мере, чем при сжижении.
СПГ имеет плотность, меньшую, чем дизельное топливо и, тем более, мазут: она лежит в интервале
Эксплуатируется Заказано
Ш 356 379 379 379 379 379 379
157 186 __124
Рис. 3. Количество газомоторных судов в мировом флоте по годам
Fig. 3. Number of gas-engine ships in the world fleet by years
0,42-0,49 т/м3. При этом его теплотворная способность высока:
■ при сжигании единицы массы СПГ/дизельного топлива/мазута выделяется энергии - 50 [25] / 42,7 [26] / 41 [26] МДж/кг;
■ при сжигании единицы объема тех же видов топлива4 - 22,5 / 36,3 / 36,9 кДж/дм3.
В России существует опыт постройки газомоторных судов по отечественным проектам [1] и двухтопливных танкеров класса «Афрамакс» на ООО «ССК «Звезда» [2].
Производство СПГ в РФ достигло объемов -20 млн т в год, и ставится задача доведения годового производства до 100 млн. Запасов природного газа в нашей стране хватит более чем на 50 лет. Из-за отсутствия экологических ограничений на использование природного газа и его относительно низкой стоимости по сравнению с другими видами топлива газомоторные суда получают все более широкое распространение.
Вместе с этим альтернативе применению всех видов чистого топлива - очистке выхлопных газов тепловых двигателей от вредных примесей с помощью специальных устройств - посвящен ряд работ отечественных ученых [9, 11, 12], и этот способ решения экологической проблемы находит применение в различных отраслях промышленности. В последние годы выполняются работы, направленные на изучение вопросов использования систем очистки выхлопных газов на судах и на повышение эффективности таких систем [6].
Таким образом, при создании каждого нового судна выбирается один из названных выше способов, благодаря чему удовлетворяются экологические требования по ограничению вредных выбросов.
4 Данная величина определяется отношением теплотворной способности топлива (МДж/кг) к его плотности.
Очевидно, что при выборе того или иного способа должны быть проанализированы все аспекты их реализации на судне, но в итоге решающим критерием является экономическая эффективность, для чего необходим численный метод сравнения. Каждый из названных способов обеспечения соответствия введенным нормам требует оригинальной компоновки и оснащения судна специальным оборудованием.
Газомоторные суда
Gas-engine ships
В настоящее время в мире существует более 350 судов различного назначения, использующих СПГ в качестве топлива, а к 2026 г. планируется построить еще более 500 ед. (рис. 3). Очевидно, что ужесточение экологических норм, рост цен на низкосернистое топливо и инфляция на рынке бункеровки привели к значительному повышению спроса на газомоторные суда.
ГМС оснащаются двухтопливными дизельными двигателями, принцип работы которых заключается в предварительном поджигании природного газа как основного топлива в цилиндре с помощью возгорания вводимой дозы пилотного запального топлива, в роли чего выступает мазут (или дизельное топливо, или газойль 5 ). Суммарное потребление пилотного запального топлива таким двигателем обычно составляет не более 2-5 % по массе от количества потребляемого природного газа.
Такой двигатель способен работать в режимах дизельном (без природного газа), газовом и сме-
5 Газойль (Marine gas oil, MGO) - вид дизельного топлива (ДТ), пришедший на замену традиционному ДТ из-за экологических требований к содержанию серы. Содержание серы в газойле - до 0,5 % по массе.
шанном (с заданием соотношения дозы запального и газового топлив оператором). Это чрезвычайно важно, например, в условиях отсутствия бункеровки СПГ, что вполне возможно в необорудованных соответствующим заправочным оборудованием портах.
Очевидно, что перевод двигателя на двухтопливный вариант значительно его удорожает, что подтверждается фирмой Wartsila (рис. 4, см. вклейку), оценивающей повышение стоимости СЭУ судна на 29 %.
Система подачи топлива таких двигателей имеет следующие особенности:
■ Для впрыска газового топлива в каждом цилиндре дополнительно установлены клапаны подачи газового топлива, к которым подведен газ давлением -250 бар.
■ Для предотвращения утечек газа через шпиндель клапана последний, помимо уплотнитель-ных колец, снабжается системой уплотнитель-ного масла, давление которого на 25-30 бар выше, чем давление природного газа.
■ Управление клапанами подачи газа реализуется системой управляющего масла.
■ Подача топлива происходит через трубопроводы с двойными стенками, во внешней трубе которых циркулирует инертный газ с контролируемым составом. При обнаружении утечки природного газа его подача прекращается, трубопроводы продуваются инертным газом, и двигатель автоматически переключается на традиционный дизельный режим.
Для осуществления работы на газе судовая газотопливная система двигателя ГМС должна быть обеспечена:
■ емкостями хранения СПГ как топлива (ЕХТ);
■ помещением обработки газового топлива, где осуществляется испарение СПГ и подогрев газа до необходимой для потребителей температуры;
■ бункеровочной станцией.
Емкости для хранения СПГ по возможным типам разделяются на три группы:
■ вкладные, которые считаются самонесущими, т.е. не являются частью корпуса судна и не участвуют в его общей прочности (танки типа А, В, С);
■ встроенные, которые являются частью корпуса судна и испытывают те же нагрузки, что и прилегающие к ним конструкции корпуса;
■ мембранные и полумембранные, которые считаются несамонесущими, образуемые тонкой непроницаемой оболочкой (мембраной из спе-
циальных сплавов металлов), которая поддерживается через изоляцию смежными конструкциями корпуса.
Газомоторные суда, как правило, оснащены вкладными емкостями типа С, которые имеют следующие преимущества:
■ с ними можно не использовать полезные внутренние объемы корпуса судна, предназначенные под размещение груза;
■ из-за ограниченных размеров и формы в них обычно отсутствуют значительные внутренние динамические нагрузки от плескания груза (слошинга);
■ танк можно изготовить отдельно от корпуса судна и смонтировать на верфи, т.к. танк имеет прочную и жесткую конструкцию и устанавливается на судно уже в собранном виде, часто с установленными элементами систем газотопливной и пожаротушения и в комплекте с фундаментными опорами;
■ их использование наиболее рационально при переоборудовании существующего судна, т.к. можно избежать необходимости изменять конструкцию корпуса судна для установки танка, разместив его на открытой палубе. Конструктивно танки хранения СПГ типа С
представляют собой цилиндр, с двух сторон ограниченный доньями (рис. 10). Поперечное сечение такого танка в общем виде представлено на рис. 5.
Криогенная емкость хранения топлива (ЕХТ) изолируется от окружающей среды слоем криогенной теплоизоляции. Поскольку емкости хранения СПГ не оборудуются специальными криогенными системами охлаждения, уменьшения количества образующегося в результате естественного нагрева СПГ т.н. отпарного газа можно достичь лишь за счет характеристик и толщины изоляции.
ЕХТ оснащена трубопроводами различного назначения, в число которых входят распылительный, топливный и бункеровочный. Их функции определяются особенностями процессов ввода цистерны в эксплуатацию и ее бункеровки. При вводе в эксплуатацию (т.е. ее наполнении СПГ) цистерну сначала продувают осушенным воздухом, заполняют азотом (как инертным газом) высокой чистоты, и только после достижения концентрации азота установленного уровня заполняют теплым природным газом. Новый газ вводится в танк в зависимости от соотношения плотностей сред (если он более легкий - то в верхней части, если более тяжелый -то в нижней) для последовательного замещения одного газа на другой.
Распылительный трубопровод Топливный трубопровод Бункеровочный трубопровод
Барьер
(непроницаемый корпус)
Топливный насос
Сжиженный природный газ
Полиуретановая пена (теплоизоляция) плотностью 40 кг/м3
Полиуретановая пена (теплоизоляция) плотностью 60 кг/м3
Барьер трещин
Сетка из стекловолокна
Внешнее покрытие толщиной 2,5 мм
Пластик, армированный стекловолокном
Рис. 5. Основные элементы емкости хранения сжиженного природного газа Fig. 5. Main details of LNG storage tank
Охлаждение танка производится путем распыления в нем СПГ. Испарившиеся при этом объемы природного газа, выходящие из цистерны, сжигаются. При достижении средней температуры внутри цистерны порядка -130 °С охлаждение прекращается и начинается процесс заполнения танка сжиженным природным газом.
Поскольку процесс охлаждения танка довольно продолжителен (для снижения тепловых деформаций конструкций емкости допускается скорость понижения температуры -10 °/ч), для исключения этого затратного по времени процесса при последующих бункеровках уже использовавшейся цистерны запас СПГ из нее не расходуют полностью, а оставляют часть топлива, которая за счет испарения позволяет сохранить необходимую температуру внутри танка.
Т.к. ЕХТ не имеют системы охлаждения, процесс хранения СПГ сопровождается постоянным его кипением, в результате чего выделяется ОГ6 и давление в цистерне повышается. Для каждого танка РМРС7 определяет следующие предельные значения давления: MARVS - максимально допустимое установочное давление предохранительных клапанов, устанавливаемое в пределах до 1 МПа, и MAWP - максимально допустимое рабочее давление в ЕХТ, составляющее не более 90 % MARVS.
Давление внутри емкости хранения топлива, согласно правилам РМРС, может регулироваться одним из следующих методов:
■ отбор ОГ для повторного сжижения;
■ сжигание ОГ;
6 Отпарный газ - природный газ при температуре кипения СПГ, испаряющийся в результате его нагревания.
7 Российский морской регистр судоходства
■ аккумулирование давления;
■ охлаждение сжиженного газового топлива.
Наиболее часто применяется второй метод,
и реализован он подогревом ОГ и его последующим сжиганием в судовых котлах. Однако, если давление в цистерне все же превысит МЛЯУ8, то через предохранительные клапаны часть ОГ поступает в вентиляционную мачту и сбрасывается в атмосферу в безопасном районе судна.
В помещении обработки газового топлива размещаются различного рода теплообменники, предназначенные для испарения и нагрева СПГ, при этом обе функции могут быть как совмещены в одном агрегате, так и разнесены по нескольким. Нагрев происходит за счет передачи тепла от циркулирующей жидкости (греющего агента) к СПГ. В качестве греющего агента, как правило, выступает водный раствор этилен- или пропиленгликоля, который в отдельном теплообменнике нагревается паром, поступающим от судовой котельной установки. В состав системы гликолевой воды также входят циркуляционные насосы и бак хранения данной воды.
Необходимо отметить, что газомоторное судно обязано либо иметь генератор инертного газа, либо периодически пополнять его запас. Инертный газ используется для продувки трубопроводов перед бункеровкой, он циркулирует в трубопроводах с двойными стенками (где природный газ протекает во внутренней трубе), а также используется для инертизации межбарьерного пространства танков (кроме танков типа С).
Бункеровочный манифольд газомоторного судна имеет, по меньшей мере, три приемно-отливных патрубка, по которым судно обменивается с бунке-ровочной станцией (бункеровщиком) тремя среда-
ми: СПГ, ОГ, инертным газом (азотом). При бункеровке СПГ поступает на судно, а ОГ, выделяющийся вследствие неизбежных притоков тепла в трубопроводе и цистерне, возвращается на берег для сжигания или сжижения. Азот подается на судно перед началом и после окончания непосредственного процесса бункеровки для продувки им трубопроводов. В этих целях также возможно использовать судовой генератор азота.
Подача СПГ на потребление осуществляется насосами (минимум двумя на цистерну для обеспечения резервирования и высокой эффективности работы в штатных режимах), которые по своему типу обычно относятся к погружным. СПГ, проходя через дистанционно-управляемый отсечный запорный клапан, направляется в испарители, а далее -в подогреватели природного газа. Для этого используются криогенные кожухотрубные и кожухо-пластинчатые теплообменники. Температура газа на выходе регулируется либо расходом греющего агента, либо впрыскиванием малых доз ОГ в подогретый газ после прохождения теплообменника. Таким образом, теплый природный газ, проходя через систему дистанционных запорных клапанов, подается на его потребление.
Суда, оборудованные скрубберами
Ships equipped with scrubbers
На рис. 6 видно резкое увеличение применения скрубберов на судах мирового флота по мере ужесточения экологических требований по содержанию оксидов серы и азота в их выхлопных газах.
Скруббер на судне (также называемый абсорбером) есть устройство для очистки выхлопных газов от нежелательных примесей методами физической и химической абсорбции. Первый метод заключается в поглощении отдельных компонентов газовой смеси абсорбентом (поглотителем), в ка-
честве которого выступает специальная жидкость. Второй - в поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями, в результате чего образуются малолетучие и малорастворимые соединения. Отработавший абсорбент (жидкость, с которой вступает в контакт очищаемый газ) в обоих методах может очищаться и регенерироваться.
В настоящее время скрубберы на судах применяются для очистки выхлопных газов всех энергетических агрегатов (за исключением аварийных) от окислов серы и азота.
Очистка выхлопных газов от окислов серы возможна при использовании в качестве абсорбента забортной морской воды. Однако при необходимости обеспечения высокой степени очистки (более 70 %) в качестве абсорбента используется водный раствор щелочей, таких как NaOH, KOH. В результате взаимодействия диоксида серы SO2 с водой и щелочью образуются хорошо растворимые соли, что не создает опасности забивки и повреждения форсунок распыления абсорбента. Кроме того, отработавший абсорбент может быть регенерирован известью, а продукты очистки - использованы в химической промышленности.
Для дизельных двигателей с мощностью более 130 кВт согласно стандарту Tier III IMO (введен для новых судов, построенных после 2015 г.) ограничения на выброс NОx определяются согласно [10] использованием следующей зависимости в функции от частоты вращения выходного вала n:
■ 3,4 г/кВт-ч при n менее 130 об/мин;
■ 9,0n(-02) г/кВт-ч при n, равном или более 130, но менее 2000 об/мин;
■ 2,0 г/кВт-ч при n, равном или более 2000 об/мин.
Как видно на рис. 7 (см. вклейку), в соответствии с действующим теперь стандартом Tier III IMO допустимый уровень выбросов NOx снижен на 80 % в сравнении со стандартом Tier I IMO (т.е. ужесточен в 5 раз).
Рис. 6. Количество судов, использующих скрубберы
Fig. 6. Number of ships with scrubbers
6 тыс.
4 тыс.
2 тыс.
0 тыс.
2007 2008 2009 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025
Очистка выхлопных газов от окислов азота с целью получения сертификата по введенным стандартам Tier III успешно реализуется выборочной каталитической нейтрализацией (SCR -Selective Catalytic Reduction). Система SCR включает такие компоненты, как резервуар для мочевины, контроллеры, насос для мочевины, форсунки, катализаторы и датчики. Принцип работы этого метода довольно прост. Водный 40%-ный или 32,5%-ный раствор (NH2)2CO (высокоочищенной мочевины, произведенной из природного газа) впрыскивается в выпускной трубопровод. Там под действием температуры мочевина разлагается на аммиак и углекислый газ. В результате химической реакции содержащиеся в отработанном выхлопе оксиды азота и аммиак превращаются в безвредные азот и водяной пар.
Эффективность очистки отходящих газов от окислов азота довольно высока и достигает 90 %, а необходимость утилизации отработавшего абсорбента отсутствует. Из особенностей эксплуатации агрегатов очистки следует отметить необходимость периодической продувки катализаторов для удаления твердых частиц, осаживающихся в ходе очистки. Срок службы катализаторов - от 4 до 6 лет.
Расход мочевины и массогабаритные характеристики такого газоочистного агрегата, разработанного компанией Wärtsilä, представлены в [22]. Например, для повышения экологического класса двигателя MAN 6L21/31 с Tier II до Tier III8, расход 40%-ного раствора мочевины составит 13,1 л/ч. Согласно [22] при мощности этого двигателя 1290 кВт размеры блока реактора весьма значительны и составят: по высоте - 3,23 м, по длине -1,32 м, по ширине - 1,16 м. Масса газоочистного агрегата - 2,1 т. Важно, что очистка выхлопных газов от окислов серы в таких скрубберах в описываемом процессе не производится.
Для очистки выхлопных газов на судне наиболее рационально применять два скруббера: для очистки от окислов азота, работающий по принципу SCR (первая ступень), и для очистки от окислов серы (вторая ступень). Это позволяет использовать на первой ступени очистки дешевый и доступный раствор мочевины для нейтрализации окислов азота, а на второй ступени - морскую воду в качестве абсорбента.
Необходимо также отметить, что вопрос очистки выхлопных газов от окислов азота решается
8 Итерации ограничений по выбросам оксида азота согласно Приложению VI к Конвенции МАРПОЛ 73/78.
и в процессе проектирования самих двигателей, например, применением рециркуляции отработавших газов (система БОЯ9). Это, как правило, позволяет снизить уровень выбросов окислов азота в атмосферу на 50 %, однако применением только этого способа очистки невозможно обеспечить соответствие уровня выбросов современным экологическим нормам.
Основной задачей при проектировании абсорбера является обеспечение необходимой площади контакта очищаемого газа с абсорбентом, поскольку сам процесс очистки (переход улавливаемых веществ из очищаемого газа в абсорбент) происходит на границе двух сред.
На судах используют три конструктивных типа скрубберов: насадочные, полые распыливающие и скрубберы Вентури.
Насадочный абсорбер (рис. 8а, см. вклейку) включает:
■ корпус с входным трубопроводом очищаемого газа в нижней части и выходным трубопроводом очищенного газа в верхней части;
■ форсунки, распыляющие абсорбент в верхней части агрегата;
■ множество тел определенной формы (насадок), уложенных в определенном порядке или насыпью в средней части агрегата, которые предназначены для увеличения площади контакта жидкости с газом;
■ каплеуловитель, предотвращающий унос абсорбента.
В таком абсорбере очищаемый газ поступает в нижнюю часть агрегата и движется вверх, встречая на своем пути смоченные абсорбентом насадки. Эффективность очистки газа в данных скрубберах достигает 90 %.
Полые распыливающие абсорберы (рис. 8в, см. вклейку) представляют собой пустые колонны, внутри которых жидкость через форсунки, расположенные на нескольких уровнях, распыляется встречно или поперек газового потока. Такие агрегаты отличаются простотой устройства, малым гидравлическим сопротивлением, но сравнительно невысокой эффективностью, что делает целесообразным их использование для улавливания хорошо растворимых газов при сильной загрязненности.
К распыливающим абсорберам относится также скруббер Вентури (рис. 8б, см. вклейку). Принцип его работы основан на дроблении капель абсорбента,
9 Exhaust Gas Recirculation - рециркуляция выхлопных
газов.
впрыскиваемых в очищаемый газ, при помощи ускорения потока путем уменьшения поперечного сечения трубы, по которой движется смесь газа и абсорбента. Согласно уравнению Бернулли, с увеличением скорости потока давление в нем падает.
Таким образом, понижение давления в горловине (самом узком месте трубы Вентури) наряду с завихрениями, возникающими за счет увеличения скорости потока, приводит к диспергированию10 абсорбента и обеспечивает значительную площадь контакта абсорбента и газа и, как следствие, очистку газа. Как правило, скруббер Вентури не используется без дополнительных устройств, таких как сепараторы, предназначенных для извлечения абсорбента из газа путем закручивания и/или замедления скорости потока. Вместо сепаратора также могут использоваться упомянутые ранее полые распыливающие или насадочные абсорберы, которые в таком случае будут представлять собой вторую ступень очистки (рис. 9).
Скрубберы, используемые на морских судах, также разделяют на открытые, закрытые и гибридные.
Скрубберы открытого типа используют в качестве абсорбента морскую воду, забирая ее из кингстонных ящиков и сбрасывая после прохождения через скруббер за борт. Работа агрегата по этой схеме может стать причиной ограничения доступа судна в порт ввиду сброса загрязненной продуктами очистки выхлопных газов воды, что приводит к необходимости отключения скруббера и использования в этих условиях в качестве топлива дорогостоящего низкосернистого мазута.
Скрубберы закрытого типа используют в качестве абсорбента щелочные водные растворы. Продукты очистки не сбрасываются за борт, а накапливаются в предназначенных для этого цистернах, поэтому такие устройства не могут стать причиной ограничений на доступ судна в порты. Однако эксплуатация скрубберов закрытого типа связана с затратами на периодическое пополнение запасов щелочи и сдачу шлама на берег.
Гибридные агрегаты совмещают преимущества технологий открытого и закрытого типов, имея возможность использования в качестве абсорбента как забортную воду, так и щелочные растворы и накапливая запасы отработанного абсорбента только при прохождении акваторий, где его выбросы запрещены.
Требования к составу сбрасываемого абсорбента скрубберов открытого типа указаны в Резолюции
10 Диспергирование - тонкое измельчение жидкостей.
Рис. 9. Монтаж двухступенчатого скруббера производства Alfa Laval в кожухе дымовой трубы
Fig. 9. Installation of Alfa Laval two-stage scrubber in exhaust pipe casing
МЕРС.259(68)П и регламентируют их уровень кислотности, концентрации ПАУ12, мутности и содержания нитратов.
Перед проектированием скруббера необходимо определить два уровня выбросов - во входящем и выходящем потоках выхлопного газа. Первый определяется из документации на каждый агрегат, выхлопные газы которого подлежат очистке. Второй - исходя из допускаемых значений выбросов, указанных в Правилах РМРС13. Исходя из этих значений для окислов серы и азота рассчитывается эффективность очистки выхлопных газов, от которой наряду с количественной величиной их потока зависит конструктивное исполнение скруббера (следовательно, и его масса и габариты), а также расход абсорбента.
Проверка концентрации загрязняющих веществ в выхлопных газах проводится либо непрерывно с помощью специальных анализаторов, либо периодически (рекомендуемый интервал - раз в сутки) в специально оборудованной на судне лаборатории.
11 На данный документ ссылается РМРС в Правилах по предотвращению загрязнения с судов, эксплуатирующихся в морских районах и на внутренних водных путях Российской Федерации.
12 Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) -соединения, являющиеся неотъемлемым компонентом индустриальных и антропогенных выбросов и обладающие канцерогенными, мутагенными и другими токсичными свойствами.
13 Правила по предотвращению загрязнения с судов, эксплуатирующихся в морских районах и на внутренних водных путях Российской Федерации.
Выбор судна для выполнения сравнительного анализа альтернативных способов обеспечения соответствия экологическим нормам выбросов выхлопных газов Ship selection for comparative analysis of alternative ways to meet environment standards of exhaust gas emissions
Переходя к сравнительному рассмотрению двух описанных альтернативных способов выполнения требований по ограничению принятых норм вредных выбросов с судна по оксидам серы и азота,
Рис. 10. Танкер «Владимир Мономах» (114K LNG) на стапеле ССК «Звезда»
Fig. 10. Vladimir Monomakh tanker (114К LNG) on the berth of Zvezda SBC
следует констатировать, что для обеспечения надежности результатов такого сравнения назначение, технические характеристики, режимы и условия эксплуатации сравниваемых судов, использующих тот или иной способ, должны быть у этих судов близки или, лучше, совпадать. Здесь рассматривается сравнение судов одного и того же проекта, но оснащенных каждое всем необходимым оборудованием, которое выше было описано соответственно для варианта ГМС и для варианта судна, оснащаемого скрубберами.
Выбор был сделан в пользу танкеров класса «Афрамакс», широко распространенных в составе мирового флота и насчитывающих количественно более 300 ед. Среди них из отвечающих вводимым экологическим нормам существуют как газомоторные варианты, так и суда, оснащенные газоочистными системами (скрубберами).
Танкеры класса «Афрамакс» указанного проекта уже не первый год строятся на южнокорейской верфи Hyundai Samho Heavy Industries как в традиционном варианте (пр. 114K), так и в варианте со скруббером (здесь - пр. 114K SCR).
В варианте газомоторных танкеры класса «Афрамакс» пр. 114К, отвечающие рассматриваемым нормам выбросов выхлопных газов, уже строятся и в России на ООО «ССК «Звезда», в г. Большой Камень (рис. 10). Здесь и далее они обозначаются как танкеры пр. 114K LNG.
Основные ТЭХ трех вариантов танкеров класса «Афрамакс» рассматриваемого проекта представлены в табл. 1.
Таблица 1. Технико-эксплуатационные характеристики танкеров класса «Афрамакс» Table 1. Aframax-type tanker characteristics
Характеристика 114К 114К SCR 114К LNG
Длина наибольшая, м 250
Ширина, м 44
Осадка, м 15
Высота борта, м 21,1
Дедвейт, тыс. т 114
Скорость, уз 14,6
Главный двигатель (ГД) MAN - B&W 7S60MC Hyundai - Wartsila 7X62DF
Мощность ГД, МВт 14,28 13,8
Дальность плавания, миль 17 200 17 200 - в дизельном режиме 5000 - в газовом режиме
Рис. 11. Скруббер танкера класса «Афрамакс»
Fig. 11. Scrubber for Aframax-type tanker
Очищенные выхлопные газы
Скруббер (колонна абсорбера)
Коллектор выхлопных газов
Глушитель-искрогаситель
Выхлопные газы от ГД
Слив очищенного абсорбента (морской воды)
Резервный выпуск газа в обход скруббера
Трубопровод отвода отработавшего абсорбента
Циркуляционный танк абсорбента Система очистки | и регенерации абсорбента
Выхлопные газы от ДГ (3 шт.)
Подача абсорбента
(забортная вода - открытый цикл)
На рассматриваемом танкере пр. 114K LNG «Владимир Мономах», как и на большинстве ГМС, газ хранится в сжиженном состоянии в цистернах на верхней палубе (рис. 10). На этих судах в качестве главных устанавливаются двухтопливные двигатели Hyundai - Wartsila 7X62DF и все дополнительное оборудование, описанное в разделе «Газомоторные суда».
Скрубберы для установки на танкеры класса «Афрамакс» пр. 114K SCR поставляются компанией DuPont [17] (рис. 11). Этот агрегат относится к полым распыливающим абсорберам гибридного типа. В качестве абсорбента при закрытом цикле используется NaOH, расход которого при полной нагрузке на скруббер составляет 200 кг/ч. Размер колонны абсорбера - 3,2 м (диаметр) х 11,5 м (высота). Энергопотребление агрегата при полной нагрузке составляет 75 кВт-ч при открытом цикле и 150 кВт-ч - при закрытом.
В состав газоочистной установки, помимо самого скруббера, входят следующие компоненты:
■ коллектор выхлопных газов,
■ циркуляционный танк абсорбента14,
■ циркуляционный насос абсорбента,
■ отстойный танк отработавшего абсорбента,
■ блок очистки отработавшего абсорбента,
■ шламовый танк.
Ниже приводится сравнительный анализ этих вариантов решения задачи реализации норматив-
14 Такие танки, как и очистная колонна скруббера, изго-
тавливаются из материала, не подверженного коррозии при контакте с агрессивными средами (обычно из нержавеющей стали).
ного соответствия нормам экологии, используя стоимостные аспекты.
Расчет и анализ экономических показателей сравниваемых вариантов судов с альтернативными способами обеспечения соответствия нормам экологии Estimation and analysis of economic indicators for ships with alternative methods of meeting environment standards
Таким образом, имеется возможность сравнить капитальные и эксплуатационные затраты на судах одного назначения, одной грузоподъемности, с идентичными обводами корпуса, но различных по способам выполнения экологических норм.
Важно отметить, что все три рассматриваемых варианта судов оборудованы скруббером SCR для очистки выхлопных газов от окислов азота. Необходимость наличия такого оборудования на газомоторном танкере обусловлена возможностью последнего использовать в качестве топлива не только природный газ, но и мазут, и дизельное топливо, при сжигании которых выделяются вредные выбросы окислов азота.
Строительные стоимости указанных судов представлены в табл. 2. Стоимость газомоторного танкера по сравнению с двумя другими вариантами является наибольшей, что можно объяснить дороговизной и широкой номенклатурой компонентов газотопливной системы, большей стоимостью двухтопливного двигателя по сравнению с традиционным, высокой стоимостью криогенных
Таблица 2. Показатели для стоимостного сравнения трех вариантов судов класса «Афрамакс» Table 2. Cost comparison of three Aframax-type tankers
Вариант проекта 114K (традиционное очищенное топливо) 114K SCR (со скруббером) 114K LNG (газомоторное)
Стоимость постройки, млн долл. 50,5 [21] 57,9* 60 [ 2]
Используемое топливо VLSFO 0,5% / ULSFO 0,1% IFO 380 СПГ MGO
Потребление топлива в год, тыс. т 9,5 [20] 9,5** 7,79 0,12
Средняя стоимость используемого топлива, долл./т 633/876 541 607 814
* Исходя из стоимости скруббера в $7,43 млн. согласно [20]. Предполагается, что потребление топлива проекта 114K SCR такое же, как и у проекта 114K.
материалов и работы по изготовлению и установке оборудования.
Из всех эксплуатационных затрат отдельный интерес представляют затраты на топливо для указанных судов. Эти затраты можно оценить, исходя из следующего:
■ Расчетная цена на мазут №0 380 принята с учетом актуальной на 15.05.2024 в порту Гамбург и составляет 541 долл./т [18].
■ Годовая инфляция цен на топливо в среднем за период сравнения принята равной 7,68 %.
■ Стоимость низкосернистого мазута VLSF0 с содержанием серы до 0,5 % принимается в 1,17 раза большей, чем стоимость мазута №0 380 (рис. 2).
■ Стоимость низкосернистого мазута ЦЪ8Р0 с содержанием серы до 0,1 % принимается в 1,62 раза большей, чем стоимость мазута №0 380 (рис. 2).
■ Стоимость СПГ, исходя из актуальной на 19.05.2024 в порту Роттердам, составляет 607 долл./т.
■ Расчетная цена на газойль15 (ЫвО), исходя из актуальной на 15.05.2024 в порту Гамбург, составляет 814 долл./т [18].
■ Для традиционного танкера принято процентное соотношение потребления топлив УЬ8Р0 0,5 % / иЬ8Б0 0,1 % = 80/20.
Допускается, что потребление топлива в год для газомоторного судна вычисляется исходя из соотношения теплотворных способностей мазута и СПГ (41 МДж/кг и 50 МДж/кг соответственно) и равно 7,79 тыс. т в год.
15 Газойль в данном случае используется в качестве пилотного топлива для газомоторного танкера.
Также допускается, что газомоторный танкер использует в качестве основного топлива только природный газ, несмотря на небольшую дальность плавания в газовом режиме относительно чисто дизельного (табл. 1). При этом потребление пилотного топлива главным двигателем составляет здесь порядка 1 % по массе от используемого природного газа. Для дизель-генератора WartsiШ 8Ь20БР, устанавливаемого на таких судах, данная величина составляет 2-3 % (в зависимости от нагрузки). Здесь суммарное потребление пилотного топлива для газомоторного танкера принято в количестве 1,5 % по массе от количества потребляемого природного газа.
Величина ежегодных затрат на поставку щелочи для скруббера определяется следующими параметрами:
■ продолжительность эксплуатации скруббера при закрытом цикле Т. Здесь принято, что 20 % времени судно эксплуатируется в акваториях, где сброс отработавшего абсорбента запрещен. Таким образом, Т = 365-24-20 % = 1752 ч./год;
■ средняя стоимость щелочи (№0И чешуиро-ванный 16 или натр едкий, сода каустическая) 0,31 долл./кг [19];
■ расход щелочи при закрытом цикле 0 = 200 кг/ч.
Ежегодный расход щелочи Мщ определен следующим образом:
Мщ = Т0 = 350 400 кг.
Нетрудно теперь подсчитать и затраты на щелочь, которые составят 0,11 млн долл. в год.
16 Натр едкий чешуированный - твердое вещество белого цвета в виде чешуированных кристаллов. Реагент является самой распространенной в мире сильнейшей щелочью.
На рис. 12 (см. вклейку) представлена зависимость указанных выше эксплуатационных затрат для пр. 114K, 114K SCR и 114K LNG.
Из приведенного на рис. 12 графика можно сделать выводы:
■ разница между рассматриваемыми эксплуатационными затратами для пр. 114K и 114K SCR за 6 лет составит 8,9 млн долл., что превысит величину стоимости оснащения судна скруббером, равную 7,4 млн долл. (табл. 1);
■ для судов 114K и 114K LNG разница рассматриваемых эксплуатационных затрат превзойдет разницу строительных стоимостей (9,5 млн долл.) через 5 лет эксплуатации и составит 9,6 млн долл. Необходимо принять во внимание, что окончательная оценка результатов сравнения должна включить не обсуждавшиеся здесь дополнительные затраты, связанные с эксплуатацией скруббера на судне пр. 114K SCR и, соответственно, для ГМС пр. 114K LNG также дополнительные затраты, связанные с наличием спецоборудованиия по сравнению с традиционными судами.
Для судов пр. 114K SCR затраты на обслуживание скруббера связаны с такими работами как:
■ периодический ремонт скруббера (обслуживания требуют распыливающие форсунки, насосы абсорбента и другие компоненты);
■ обслуживание блока очистки сбрасываемой воды;
■ периодическая калибровка системы непрерывного контроля выбросов;
■ периодическая проверка состояния конструкций блока скруббера и обслуживающих систем. Затраты на эксплуатацию ГМС пр. 114K LNG,
помимо прочего, дополнительно связаны с:
■ увеличенным относительно традиционных судов размером оплаты труда экипажа, т.к. использование газомоторного топлива связано с риском для людей. Согласно ч. 2 ст. 147 ТК РФ минимальный размер повышения оплаты труда работникам, занятым на работах с опасными условиями труда, составляет 4 %. Фактически такие надбавки составляют до 20 % от оклада;
■ периодической дефектацией и обслуживанием систем подачи газового топлива двухтопливных двигателей и др. агрегатов (например, котлов);
■ периодической заменой греющего агента и топливных фильтров;
■ обслуживанием генератора инертного газа или периодическим пополнением запаса инертного газа.
Также необходимо учитывать увеличение затрат на страхование и амортизацию газомоторного судна и судна со скруббером относительно традиционного судна ввиду большей строительной стоимости первых.
Очевидно, что эти дополнительные расходы на эксплуатацию каждого из сравниваемых альтернативных вариантов значительно меньше рассмотренных основных затрат; они могут быть оценены только приближенно и в зависимости от условий эксплуатации, а также меняющихся ставок и нормативов. Определяющими, таким образом, принимаются факторы, рассмотренные выше.
Выводы
Conclusions
На основе исследования сделаны следующие выводы:
1. Достижение норм по выбросам NOx осуществляется путем совершенствования судовых дизелей (Tier I, Tier II) или применения катализаторов (Tier III), а по SOx - путем снижения содержания сернистых примесей в судовом топливе и в выхлопных газах.
2. В условиях ужесточения экологических норм и запрета на использование высокосернистого мазута увеличиваются эксплуатационные затраты судовладельцев, что связано с реализацией различных способов соблюдения экологических норм. Например, оборудование судна, продолжающего работать на традиционных видах углеводородного топлива, скруббером. Возможно также использование очищенного (разбавлением, барботированием) топлива или чистого топлива, прежде всего сжиженного природного газа (как вариант - биотоплива, метанола, водорода, аммиака).
3. Скрубберы, допуская использование дешевого традиционного мазута, затратны из-за высокой стоимости самих устройств и значительных расходов на их эксплуатацию (не говоря уже о больших габаритах такого оборудования и бай-пасировании газовыхлопных трубопроводов).
4. Использование водорода, метанола, аммиака экологически привлекательно, но требует обширных временных и финансовых затрат (это касается и установки работающих на таком топливе двигателей, и, особенно, обеспечения безопасности обращения с этими продуктами).
5. Преимущества использования СПГ - освоенность в производстве и энергетике, а также наличие технических регламентов по обслужи-
ванию и безопасности эксплуатации оборудования для хранения и транспортировки.
6. Основным барьером перевода судов на альтернативные, чистые виды топлива (включая СПГ) является недостаток (либо отсутствие) инфраструктуры в большинстве портов для соответствующей бункеровки судов, что в перспективе преодолимо, но при значительных инвестициях.
7. В ближайшие 10-15 лет ожидается, что соответствие принятым ИМО требованиям будет достигаться путем оборудования имеющихся судов скрубберами (на 2023 г. таких судов -5000) и постройкой газомоторных судов (таких сейчас -350, и их количество быстро увеличивается).
8. По мере ужесточения ограничительных требований по содержанию вредных выбросов вариант газомоторных судов по сравнению с судами, оснащенными скрубберами, будет окупаться еще быстрее. Выполненные расчеты показали, что по сравнению с традиционным вариантом оборудование судна скруббером позволяет снизить затраты на топливо на 20-25 % (с учетом расходов на абсорбент), а использование природного газа в качестве топлива позволяет сэкономить уже 30-40 %.
9. Чем больше судно потребляет топлива, тем значительнее экономия на топливе газомоторного судна и судна со скруббером по сравнению с традиционным вариантом.
10. Суда со скрубберами комплектуются значительным количеством специальных систем, аппаратуры и оборудования. И обеспечение поставщиками оптимальности состава их комплектации и номенклатуры может гарантировать значительную экономию в стоимости как комплекта, так и эксплуатации (путем уменьшения количества расходных материалов -абсорбентов).
Список использованной литературы
1. Первый рейс «Чайки» на сжиженном природном газе // Корабел.ру : [сайт]. 2020. 31 авг. URL: https ://www. korabel.ru/news/ comments/pervyy_rey s_ chayki_na_szhizhennom_prirodnom_gaze.html (дата обращения: 27.09.2023).
2. Стоимость 5 танкеров типа «Афрамакс» для «Роснефти» может составить $1-1,25 млрд // Корабел.ру : [сайт]. 2017. 27 сент. URL: https://www.korabel.ru/ news/comments/stoimost_5_tankerov_tipa_aframaks_ dlya_rosnefti_mozhet_sostavit_1...1_25_mlrd.html (дата обращения: 27.09.2023).
3. Безюков О.К., ЖуковВ.А., Воробей К.А. Анализ энергоэкологического эффекта применения газопоршневых двигателей в судовых энергетических установках // Вестник гос. ун-та морского и речного флота им. адм. С.О. Макарова. 2015. № 6(34). С. 143-149.
4. О технических решениях при переводе транспортных и судовых ДВС на использование газообразного топлива / В.Р. Ведрученко, В.В. Крайнов, М.В. Кок-шаров [и др.] // Омский научный вестник. 2014. № 3. С. 186-189.
5. Природный газ как моторное топливо / Ф.Г. Гай-нуллин, А.И. Гриценко, Ю.Н. Васильев, Л.С. Золота-ревский. Москва : Недра, 1986. 255 с.
6. Вострикова М.А. Анализ эффективности работы систем очистки дымовых газов морских судов от примесей при использовании абсорберов и скрубберов // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2015. № 4. С. 66-69.
7. Гришанов П.А. Физико-химические процессы образования окислов азота в дизельном двигателе (обзор состояния вопроса) // Символ науки. 2023. № 5-2. С. 27-33.
8. Епифанов В.С. Эксплуатация судовых энергетических установок на природном газе. Москва : ТрансЛит, 2010. 212, [2] с.
9. Живлюк Г.Е., Петров А.П. Техническое обеспечение для соответствия судовых энергетических установок новым требованиям 2021 г. по выбросам оксидов азота // Вестник Гос. ун-та морского и речного флота им. адм. С.О. Макарова. 2020. № 12, № 1. С. 122-138. Б01: 10.21821/2309-5180-2020-12-1-122-138.
10. Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов 1973 г., измененная протоколом 1978 г. к ней : МАРПОЛ 73/78 : [в 3 кн.]. Кн. 3. Санкт-Петербург : ЦНИИМФ, 2017. 411 с.
11. Кузнецов И.Е., Троицкая Т.М. Защита воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами химических предприятий. Москва : Химия, 1979. 340 с.
12. Рамм В.М. Адсорбция газов. Изд. 2-е, перераб. и доп. Москва : Химия, 1976. 654, [1] с.
13. РахимовВ.О., Коробков Г.Е. Определение радиуса аварийного разлива сжиженного природного газа на водной поверхности // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2011. № 3. С. 21-24.
14. Реуцкий А.С. Особенности проектирования судов-бункеровщиков сжиженным природным газом : дис. ... канд. техн. наук : 05.08.03. Санкт-Петербург, 2020. 197 с. + Прил. (146 с.).
15. Фёдорова Е.Б. Современное состояние и развитие мировой индустрии сжиженного природного газа:
технологии и оборудование. Москва : РГУ нефти и газа, 2011. 159 с.
16. Ятчук К.В. Совершенствование методов планирования расходов на топливо судоходных компаний речного флота : дис. канд. экон. наук : 08.00.05 / Сиб. гос. ун-т водн. трансп. Новосибирск, 2017. 145 с.
17. Dupont marine scrubber. SOx removal technology for ship engines and boilers : brochure. Parsippany, 2016. 8 p.
18. OilMonster. Bunker fuel prices : [site]. URL: https://www.oilmonster.com/bunker-fuel-prices/ gothenburg-vlsfo-price/239/224 (Accessed: 27.09.2023).
19. Натр едкий, доставка из Новосибирска // PromPortal.su : [сайт]. URL: https://sankt-peterburg.promportal.su/ goods/41629473/natr-edkiy.htm (дата обращения: 17.09.2024).
20. An Aframax with a scrubber could recoup US$20 million // Riviera Maritime Media : [site]. 2016. 27 Apr. URL: https://www.rivieramm.com/opinion/ opinion/an-aframax-with-a-scrubber-could-recoup-us20-million-33348 (Accessed: 27.09.2023).
21. BockmannM.W. VLCC orders push newbuilding crude tanker activity 47.7 % higher // Lloyd's List : [site]. 2021. 26 May. URL: https://www.lloydslist.com/ LL1136907/VLCC-orders-push-newbuilding-crude-tanker-activity-477-higher(Accessed: 27.09.2023).
22. Environmental : product guide / Wartsila. Vaasa, 2017. Pag. var. URL: https://www.wartsila.com/docs/ default-source/product-files/egc/product-guide-o-env-environmental-solutions.pdf?sfvrsn= 14 (Accessed: 17.09.2024).
23. Демешко Г.Ф., ВласьевМ.В. Анализ состояния и организации работы мирового транспортного флота как основного звена международной торговли // Труды Крыловского государственного научного центра. 2023. Вып. 4(406). С. 146-161.
24. Levander O. Turning the page in ship propulsion, by switching to LNG // Martin's Marine Engineering Page : [site]. 2008. 3 March. URL: https://www.dieselduck.info/ library/05%20environmental/2008%20Wartsila%20 propulsion%20alternatives.pdf (Accessed: 27.09.2023).
25. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : отрав. : [в 2 кн.] / А.Н. Баратов, А.Я. Корольченко, Г.Н. Кравчук [и др.]. Москва : Химия, 1990. 2 т.
26. Кухлинг Х. Справочник по физике : пер. с нем. 2-е изд. Москва : Мир, 1985. 519 с.
27. Новое в международной политике снижения эмиссии парниковых газов и необходимые мероприятия в морском секторе. Ч. 3. Альтернативное топливо как мера для достижения целевых показателей эмиссии парниковых газов / В.В. Магаровский, В.Н. Поло-винкин, А.В. Пустошный, О.В. Савченко // Труды
Крыловского государственного научного центра. 2023. Вып. 4(406). С. 174-190.
References
1. Maiden voyage of the "Chaika" on LNG fuel // Korabel.ru : [site]. 2020. 31 August. URL: https://www.korabel.ru/ news/comments/pervyy_reys_chayki_na_szhizhennom_ prirodnom_gaze.html (Accessed: 27.09.2023) (in Russian).
2. 5 Aframax tankers may cost US $1-1.25 billion for Ros-neft // Korabel.ru : [site]. 2017. 27 September. URL: https://www.korabel.ru/news/comments/stoimost_5_ tankerov_tipa_aframaks_dlya_rosnefti_mozhet_sostavit_ 1.1_25_mlrd.html (Accessed: 27.09.2023) (in Russian).
3. Bezyukov O.K., Zhukov V.A., Vorobey K.A. Analysis of the energy-ecological effect from application of gas reciprocating engines in ship powerplants // Herald of Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping (Vestnik gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S.O. Ma-karova). 2015. No. 6(34). С. 143-149 (in Russian).
4. On technical solutions in change-over of transport and ship internal combustion engines to gas fuel / V.R. Ved-ruchenko, V.V. Krainov, M. V. Koksharov [et al.] // Omsk Scientific Bulletin. 2014. No. 3. P. 186-189 (in Russian).
5. Natural gas as a motor fuel / F.G. Gainullin, A.I. Gri-tsenko, Yu.N. Vasiliev, L.S. Zolotarevsky. Moscow : Nedra, 1986. 255 p. (in Russian).
6. VostrikiovaM.A. Analysis of exhaust gas purification efficiency for systems using absorbers and scrubbers // Vestnik BGTU im. V.G. Shukhova. 2015. No. 4. P. 66-69 (in Russian).
7. Grishanov P.A. Physical & chemical processes involved in NOx formation in diesel engines (state-of-the-art review) // Symbol of Science. 2023. No. 5-2. P. 27-33 (in Russian).
8. Epifanov V.S. Operation of ship powerplants fueled by natural gas. Moscow: TransLit, 2010. 212, [2] p. (in Russian).
9. Zhivlyuk G.E., Petrov A.P. Technical support for compliance of ship powerplants with new requirements of 2021 on NOx emissions // Herald of Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping (Vestnik gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S.O. Makarova). 2020. No. 12(1). P. 122-138. DOI: 10.21821/2309-5180-2020-12-1-122138 (in Russian).
10. International Convention for the Prevention of Pollution from Ships of 1973 as modified by the Protocol of 1978: MARPOL 73/78: [in 3 books]. Book 3. St. Petersburg: TsNIIMF, 2017. 411 p. (in Russian).
11. Kuznetsov I.E., Troitskaya T.M. Protection of air environment from noxious substances of chemical industries. Moscow : Chemistry, 1979. 340 p. (in Russian).
12. Ramm V.M. Adsorption of gases. 2nd Edition revised and complemented. Moscow : Chemistry, 1976. 654, [1] p. (in Russian).
13. Rakhimov V.O., Korobkov G.E. Determination of LNG sleek radius on water surface // Transportation and storage of oil products and crude hydrocarbons. 2011. No. 3. P. 21-24 (in Russian).
14. Reutskiy A.S. Design specifics of LNG bunkering ships : Dissertation of Candidate of Technical Sciences: 05.08.03. St. Petersburg, 2020. 197 p. + Appendix (146 p.) (in Russian).
15. FyodorovaE.B. State-of-the-art of world's LNG industry: technology and equipment. Moscow : Gubkin University, 2011. 159 p. (in Russian).
16. YatchukK.V. Improvement of fuel cost sheduling of inland shipping companies : Dissertation of Candidate of Economic Sciences: 08.00.05 / Siberian State University of Water Transport. Novosibirsk, 2017. 145 p. (in Russian).
17. Dupont marine scrubber. SOx removal technology for ship engines and boilers : brochure. Parsippany, 2016. 8 p.
18. OilMonster. Bunker fuel prices : [site]. URL: https://www.oilmonster.com/bunker-fuel-prices/ gothenburg-vlsfo-price/239/224 (Accessed: 27.09.2023).
19. Sodium hydroxide, delivery from Novosibirsk // PromPortal.su : [site]. URL: https://sankt-peterburg. promportal.su/goods/41629473/natr-edkiy.htm (in Russian) (Accessed: 17.09.2024).
20. An Aframax with a scrubber could recoup US$20 million // Riviera Maritime Media : [site]. 2016. 27 Apr. URL: https://www.rivieramm.com/opinion/opinion/an-aframax-with-a-scrubber-could-recoup-us20-million-33348 (Accessed: 27.09.2023).
21. Bockmann M.W. VLCC orders push newbuilding crude tanker activity 47.7 % higher // Lloyd's List : [site]. 2021. 26 May. URL: https://www.lloydslist.com/LL1136907/ VLCC-orders-push-newbuilding-crude-tanker-activity-477-higher_(Accessed: 27.09.2023).
22. Environmental : product guide / Wartsila. Vaasa, 2017. Pag. var. URL: https://www.wartsila.com/docs/default-source/ product-files/egc/product-guide-o-env-environmental-solutions.pdf?sfvrsn=14 (Accessed: 17.09.2024).
23. Demeshko G.F., VlasievM.V. State-of-the-art analysis of world's merchant fleet and its operation as a main link of international trade // Transactions of the Krylov
State Research Centre. 2023. Vol. 4(406). P. 146-161 (in Russian).
24. Levander O. Turning the page in ship propulsion, by switching to LNG // Martin's Marine Engineering Page : [site]. 2008. 3 March. URL: https://www.dieselduck.info/library/05%20environmenta l/2008%20Wartsila%20propulsion%20alternatives.pdf (Accessed: 27.09.2023).
25. Fire and explosion safety of substances and materials, fire suppression equipment: hadbook: [in 2 books]/ A.N. Baratov, A.Ya. Korolchenko, G.N. Kravchuk [et al.], Moscow: Chemistry, 1990. 2 vol. (in Russian).
26. Kuhling H. Handbook on physics : translated from German. 2nd edition. Moscow : Mir, 1985. 519 p. (in Russian).
27. Novelties in the international policy of curbing greenhouse gas emissions and measures in marine sector. Part 3. Alternative fuel as a way to reach target levels of greenhouse gas emissions / V. V. Magarovskii, V.N. Po-lovinkin, A. V. Pustoshny, O. V. Savchenko // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2023. Vol. 4(406). P. 174-190 (in Russian).
Сведения об авторах
Демешко Геннадий Федорович, д.т.н., профессор кафедры проектирования судов ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет». Адрес: 190008, Россия, Санкт-Петербург, Лоцманская ул., д. 3. E-mail: [email protected]. Катаев Владислав Михайлович, инженер-конструктор ООО «ССК «Звезда». Адрес: 692806, Россия, Приморский край, Большой Камень, ул. Аллея Труда, зд. 19 В. E-mail: [email protected]. https://orcid.org/0009-0006-4915-4504.
About the authors
Gennady F. Demeshko, Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department of ship design, St. Petersburg State Marine Technical University. Address: 3, Lotsmanskaya st., St. Petersburg, Russia, post code: 190008. E-mail: [email protected]. Vladislav M. Kashaev, design engineer, Zvezda Shipbuilding Complex. Address: 19V, Alleya Truda, Primorsky Krai, Bolshoy Kamen, Russia, post code 692806. E-mail: [email protected]. https://orcid.org/0009-0006-4915-4504.
Поступила / Received: 21.06.24 Принята в печать / Accepted: 13.11.24 © Демешко Г.Ф., Кашаев В.М., 2024
Рис. 1. Зоны особого контроля выбросов серы SECA (SECA - SOx emission control areas) согласно [10] на 2023 г.: синим цветом обозначены действующие зоны SECA, голубым - акватории, рассматривающиеся как добавление в список зон SECA
Fig. 1. SECA - SOx emission control areas as per [10] for 2023:
dark blue - effective SECA areas, light blue - SECA areas considered for inclusion
Рис. 2. Динамика цен на топливо с различным содержанием серы в порту Гамбург [18] (здесь и далее долл. -это доллары США)
Fig. 2. Prices of fuels with different sulfur content in Hamburg port [18] (US dollars)
Стоимость, долл./т
400
2021, октябрь 2022, май 2022, декабрь 2023, июнь 2024, январь - IFO 380 - VLSFO - ULSFO
Рис. 4. Сравнительная оценка стоимости энергетических установок с дизельным и газодизельным двигателями Wärtsilä [24]
Fig. 4. Comparative cost assessment of ship power plants with Wärtsilä diesel engines and LNG engines [24]
Инвестиционные затраты на оборудование 140%
О Топливная система
□ Рулевое устройство
□ Трансмиссия
■ Судовая электростанция
□ Главный двигатель
HFO
N0X Limit, g/kWh 18
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
Rated Engine Speed, rpm
Рис. 7. Нормативы выбросов оксидов азота в г/кВтч по стандартам IMO Tier I, Tier II, Tier III для дизельных двигателей в зависимости от частоты вращения их выходного вала
Fig. 7. NO emission limits in g/kW-h by IMO Tier I, Tier II, Tier III for diesel engines versus output shaft rpm
Выход чистого воздуха
Форсунки орошения
Каплеуловитель
'»спылен»
Вода для форсунок L I
Подвижные насадки
Рециркуляционный бак
абсорбент
Рис. 8. Виды скрубберов: а) насадочный; 6) скруббер Вентури с сепаратором; в) полый распыливающий Fig. 8. Types of scrubbers: a) packed bed scrubber; b) Venturi scrubber; c) wet scrubber
Затраты, млн долл.
10
Время, годы
Рис. 12. Затраты на топливо для проектов 114К, 114К SCR и 114К LNG
Fig. 12. Fuel costs for Projects 114K, 114K SCR, and 114K LNG
