CC BY
67Водный транспорт на сжиженном природном газе: мировые тенденции и первое российское судно-газоход на СПГ
■
Н.Г. Кириллов, зам. генерального директора
ООО «НПО «Санкт-Петербургская электротехническая компания», д.т.н.
Статья посвящена анализу решения проблем при создании первого российского судна, работающего на сжиженном природном газе (СПГ). Изложены уникальные отечественные технологии по переводу судовых дизелей на двухтопливный режим и использованию быстросъемных криогенных емкостей СПГ. Приведен мировой опыт по использованию сжиженного природного газа на морском и речном транспорте.
__Ключевые слова:
сжиженный природный газ, судно на СПГ, двухтопливная энергетическая установка, газодизель.
Мировые тенденции по применению СПГ на морском и речном транспорте
В настоящее время среди всех видов транспорта проблема повышения экологической чистоты отработавших газов (ОГ) наиболее остро стоит для водного транспорта и, прежде всего, морского. Возрастание актуальности этой проблемы для морских судов обусловлено существующими и планируемыми к введению нормами по контролю за выбросами оксидов серы и азота и созданием особых районов морских акваторий, где эти выбросы будут контролироваться. В соответствии с Требованиями Приложения VI МК МАРПОЛ наиболее жесткие нормы устанавливаются для районов контроля выбросов (Emission Control Areas - ECA), к числу которых относятся Балтийское, Северное, Карибское и Средиземное моря, прибрежные воды США
и Канады, побережье Японии, Малакк-ский пролив (рис. 1).
Так, уже с 1 января 2015 г. в зонах особого контроля над выбросами серы (Sulphur Emission Control Areas - SECA), в число которых входят Балтийское и Северное моря, содержание серы в судовом топливе не должно превышать 0,1 % (это в 10 раз меньше, чем было разрешено до 2015 г.).
Особые требования для дизельных двигателей разработаны Европейским союзом. В частности, выброс серы при нахождении в портах Евросоюза не должен превышать 0,1.. .0,2 %. При невыполнении этого требования судно должно получать более дорогую береговую электроэнергию, а с 2016 г. в ЕС использование высокосернистого мазута будет караться конфискацией судна.
С 2020 г. будет введено ограничение на содержание серы в судовом топливе на уровне не более 0,5 % по всему миру. В 2022 г. начинает действовать
Рис. 1. Районы контроля выбросов (ECA)
международное соглашение о придании Балтийскому морю статуса NECA (Nitrogen Emission Control Area) - это зона особого контроля над выбросами оксидов азота. В соответствии с положениями Конвенции МАРПОЛ статус района NECA предполагает, что все суда, построенные после 1 января 2022 г. и эксплуатируемые в таком районе, должны иметь дизельные установки, отвечающие стандартам Уровня III.
Мазут как традиционное судовое топливо не сможет удовлетворять новым требованиям. Это означает, что судовладельцам и операторам судов придется либо устанавливать дорогостоящее оборудование (скрубберы) по очистке судовых отработавших газов, либо переходить на использование альтернативных, экологически более чистых видов моторного топлива. В настоящее время практически все судовладельцы, готовясь к вводимым ограничениям, в качестве наиболее эффективного варианта рассматривают переход на использование природного газа для судовых энергетических установок. Природный газ позволяет полностью исключить выброс оксидов серы и твердых частиц, снизить содержание в ОГ оксидов азота на 90 % и СО2 на 30 % [1].
Природный газ как моторное топливо на судах может находиться в двух состояниях: сжиженном (СПГ) и ком-примированном (КПГ). Во всех случаях в цилиндры двигателя он подается в газообразном виде. Однако для таких видов транспорта, как авиационный, железнодорожный и водный, использование КПГ весьма проблематично. Это связано с тем, что применение СПГ позволяет существенно улучшить технические показатели транспортных средств по сравнению с использованием КПГ: уменьшить габариты и массу системы хранения бортового топлива; увеличить полезную грузоподъемность и запас хода на одной заправке; сократить за счет более редких заправок непроизводительные затраты, связанные с холостыми пробегами. Преимущества сжиженного природного газа при использовании в качестве моторного топлива объясняются более высокой его плотностью (в 3 раза) по отношению к КПГ. Сжижение позволяет уменьшить объем газа, занимаемый в обычных условиях, почти в 600 раз, что приводит по сравнению со сжатием газа к уменьшению массы системы хранения природного газа на транспортном средстве в 3-4 раза, а объема в 1,5-3 раза [2].
'**оци»Г'
28
Мировой опыт показывает, что в судовой энергетике природный газ может использоваться только в виде СПГ ввиду наиболее приемлемых мас-согабаритных характеристик топливной системы. Поэтому если сегодня в мире насчитывается около 100 морских и речных судов на СПГ, то к 2030 г. по прогнозам их будет в 370 раз больше, то есть 3700.
В соответствии со стратегией, подготовленной Европейской комиссией, к 2020 г. все морские порты ЕС, а к 2025 г. также все крупные речные порты должны быть оборудованы пунктами бункеровок сжиженным природным газом. При этом портовые власти будут вольны определять конкретные способы бункеровок и логистики СПГ. Пункты бункеровок предполагается оборудовать не только в портах Северного и Балтийского морей (зоны ECA), но и во всех других портах, включая средиземноморские. Спрос на судовое газомоторное топливо возрастет с 0,6 млн до почти 16 млн т/год к 2030 г.
Маршруты основной части морских грузоперевозок России проходят через районы контроля выбросов, в частности
через Балтийское и Северное моря. Соответственно для нашей страны переход на новые экологические стандарты имеет особую актуальность. Принятие указанных выше ограничений неминуемо повлечет за собой существенное уменьшение грузооборота морским транспортом со странами ЕС и Англии и, как следствие, - существенное уменьшение торгового оборота в случае, если заранее не побеспокоиться о необходимых технических мероприятиях для достижения соответствия новым экологическим требованиям.
Тема использования сжиженного природного газа актуальна и для речных судов. С одной стороны, из-за большой агрегатной мощности энергетических установок речные суда являются основным источником загрязнения атмосферы в таких локальных зонах как порты в черте городов, гидротехнические сооружения и акватории рек. С другой, переход на природный газ позволит снизить себестоимость перевозок речным транспортом и переключить на него часть грузов с автомобильного и железнодорожного видов транспорта [3, 4].
Рис. 2. Заправка судна смешанного плавания сжиженным природным газом в порту Роттердама
Перевод речных судов на СПГ -общемировой тренд в развитии судовой энергетики (рис. 2). Так, в ноябре 2015 г. исследовательская компания DNV GL Netherlands завершила работы по оценке создания Трансевропейской транспортной сети на основе СПГ-коридора на маршруте рек Рейн - Майн и Дунай. Исследования финансировал консорциум, состоящий из 50 европейских компаний, включающий Группы портов Рейна, порты Роттердама, Антверпена, Страсбурга и Мангейма. Эти порты играют ведущую роль в Европе по развитию использования СПГ в качестве топлива для внутренних водных путей.
Представители DNV GL отмечают, что исследование помогло завершить дискуссии вокруг вопроса использования СПГ в качестве судового топлива для речного транспорта и начать развитие данного инновационного направления. Кроме Европы, и другие развитые страны мира разрабатывают меры по улучшению экологической обстановки на внутренних водных путях. Так, по инициативе китайской национальной газовой компании CNGC на всем протяжении судоходной части реки Янцзы (более 2500 км) строятся береговые комплексы для заправки судов сжиженным природным газом и вводятся в опытную эксплуатацию суда на СПГ. Например, в китайском прибрежном районе Тангу, где размещаются свободные экономические зоны Binhai New Area и Тяньцзиньская зона экономического и технического развития, успешно завершен демонстрационный проект по переводу рыболовных судов на сжиженный природный газ. Аналогичную процедуру по переводу на газовое топливо планируется провести еще на 50 судах. В результате будет получен стратегически важный опыт эксплуатации целого флота судов на СПГ.
В Российской Федерации одним из наиболее перспективных направлений использования природного газа на судах внутреннего и смешанного плавания
является перевод на газомоторное топливо судов, работающих в черте крупных городов: прогулочных и экскурсионных, буксиров, теплоходов портового флота и лоцманских катеров. С одной стороны, именно для этих судов проблема экологической безопасности стоит особенно остро, а с другой - для их заправки топливом может быть использована городская газовая инфраструктура. В этой области использование СПГ в качестве моторного топлива целесообразно, в первую очередь, для судов Волжского, Московского, Камского, Волго-Донского, Северо-Западного, Кубанского и Западно-Сибирского пароходств.
Перспективным является также использование судов-газоходов смешанного и внутреннего плавания в районах Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера, где находятся предприятия по добыче природного газа, в том числе заводы по сжижению природного газа, и отсутствуют нефтеперерабатывающие предприятия, что вызывает трудности в обеспечении флота топливом нефтяного происхождения.
Российский опыт создания судна-газохода на СПГ
Ранее сжиженный природный газ на отечественном водном транспорте не использовался. Основной причиной являлось отсутствие российского опыта в создании судовых энергетических установок, использующих СПГ в качестве моторного топлива. Однако в настоящее время ситуация кардинально изменилась - создано первое отечественное судно-газоход на СПГ, что явилось технологическим прорывом использования СПГ в судовой энергетике.
В 2014 г. под руководством автора специалистами компании ООО «НПО «Санкт-Петербургская электротехническая компания» (ООО «НПО «СПбЭК») впервые в России была выполнена опытно-конструкторская работа (ОКР) по
30
созданию опытного образца судовой энергетической установки для работы на сжиженном природном газе. Для проведения ее натурных испытаний на двухтопливном режиме «дизельное топливо - сжиженный природный газ» был выбран теплоход «Нева-6» валовой вместимостью около 210 рег. т.
В ходе выполнения ОКР специалистами ООО «НПО «СПбЭК» был проведен целый комплекс научных исследований по обоснованию технической возможности и экономической целесообразности частичного перевода судов внутреннего и смешанного плавания на сжиженный природный газ, включающий решение следующих задач: определение области применения СПГ на речном и морском транспорте; анализ зарубежного опыта использования СПГ в качестве топлива на водном транспорте; разработку концепции технических решений для перевода судовых дизелей на двухтопливный газодизельный режим работы с использованием СПГ в качестве основного моторного топлива; разработку концепции технических решений по конструктивному исполнению и эксплуатации в условиях судна изотермических емкостей с криогенным топливом; определение экономической оценки целесообразности использования СПГ в качестве топлива на речных и морских судах в РФ, а также разработку комплекта рабочей конструкторской документации опытной судовой энергетической установки на СПГ.
Основные проблемы, которые необходимо было решать при создании судна-газохода, были связаны с технологией перевода судовых дизелей 3Д6 теплохода «Нева-6» на двухтопливный газодизельных режим, выбором типа и размещения криогенных изотермических емкостей с СПГ на судне, способа газификации криогенного топлива и обеспечения взрывобезопасности машинного отделения, а также с технологией бункеровки (заправка) криогенных емкостей сжиженным природным
газом и разработкой системы автоматического управления двухтопливным режимом. Трудность решения указанных задач определялась полным отсутствием отечественного практического опыта по использованию СПГ в судовой энергетике.
При переводе судовых дизелей 3Д6 модернизируемого судна «Нева-6» на двухтопливный режим был выбран вариант внешнего смесеобразования. При таком смесеобразовании природный газ подается во впускной воздушный коллектор, из которого газовоздушная смесь поступает в цилиндры дизельного двигателя. В конце такта сжатия в цилиндр впрыскивается запальная доза дизельного топлива (около 30 % номинальной цикловой подачи), которое необходимо вследствие того, что давление в конце сжатия не обеспечивает достижения температуры самовоспламенения метана, составляющей 650...720 °С и значительно превышающей температуру самовоспламенения дизельного топлива
Рис. 3. Газодизель 3Д6 с комплектом навесного газового оборудования, размещенного на боковой стенке машинного отделения судна-газохода «Нева-6» на СПГ, для подачи природного газа
(350...400 °С). Такой способ воспламенения обеспечивает возможность быстрого перехода с газового топлива на дизельное и обратно.
Уникальность указанной ОКР заключается в том, что перевод судовой энергетической установки пассажирского судна типа «Нева» на двухтопливный газодизельный режим работы производится без демонтажа штатных судовых дизелей. Судно дооснащается комплектом навесного газового оборудования (рис. 3) с системой автоматического управления двухтопливным режимом, оптимизированной на береговом испытательном стенде для замещения 70 % дизельного топлива при работе на номинальной мощности. Такой подход в значительной степени позволяет снизить затраты на перевод судна или другого транспортного средства на газодизельный цикл.
Основные рабочие параметры газодизеля (например, температура выхлопных газов, масла и охлаждающей жидкости) остаются в пределах допусков, установленных заводом-изготовителем. Как только в двигатель поступает газ, регулятор уменьшает подачу дизельного топлива, сохраняя номинальные обороты и обеспечивая необходимую выходную мощность. Система автоматизированного управления двухтопливным режимом позволяет обеспечивать автоматический перевод работы судовых двигателей с газового топлива на дизельное и ручной перевод с дизельного топлива на газовое. Контролируемые параметры газодизеля: температура выхлопных газов; давление и температура воздуха во впускном коллекторе; разрежение на впуске и вибрация двигателя; давление природного газа на входе и на выходе из регулятора и др.
Система автоматического управления двухтопливным режимом переводит работу двигателя на использование только дизельного топлива с сохранением необходимого уровня выходной
мощности при возникновении одной из следующих ситуаций: отсутствие природного газа; предельно низкое или высокое давление природного газа после испарителя; высокая температура выхлопных газов; низкая нагрузка по сравнению с номинальной мощностью (менее 15 %); нагрузка более 100 % от номинальной мощности. Пуск и остановка газодизеля на основе модернизированного двигателя 3Д6 происходит только на дизельном топливе.
Следующим оригинальным решением специалистов ООО «НПО «СПбЭК», не имеющим аналогов в мире, при создании судна-газохода на СПГ являлась разработанная технология применения быстросъемных криогенных модулей для хранения СПГ на борту судна. При выборе данной технологии в первую очередь руководствовались тем, что модули должны иметь приемлемые габариты для их установки практически на любом речном судне, достаточный объем СПГ и легкость транспортировки от места заправки до конечного потребителя.
Критериями определения места размещения быстросъемных криогенных модулей СПГ на теплоходе «Нева-6» были безопасность будущей эксплуатации судна-газохода и минимизация длины трубопроводов всех материальных сред (газовые магистрали, контуры промежуточного теплоносителя и т.д.) для уменьшения стоимости оборудования и работ по его монтажу. На основе данных критериев был выбран вариант размещения быстросъемных криогенных модулей СПГ на верхней палубе теплохода «Нева-6» непосредственно над машинным отделением.
В соответствии с разработанной технологией на открытой палубе судна заблаговременно было подготовлено место для быстросъемных криогенных модулей, которое представляет собой каркас из сваренных металлических двутавровых балок, прикрепленных к бортам судна (рис. 4).
32
Рис. 4. Подготовка металлического каркаса для установки быстросъемных криогенных модулей с СПГ на верхней палубе теплохода «Нева-6»
Разработанная технология предусматривает погрузку уже заправленных сжиженным природным газом быстро-съемных криогенных модулей (рис. 5), что снижает затраты потенциальных судовладельцев и исключает все проблемы, связанные с вопросами технологического обслуживания модулей (заправка, расхолаживание, захолажи-вание, дегазация, слив, хранение СПГ и т.д.), которое осуществляется непосредственно на месте заправки модулей сжиженным природным газом квалифицированными специалистами по криогенной технике.
Рис. 5. Погрузка быстросъемных криогенных модулей с СПГ на теплоход «Нева-6»
Доставка быстросъемных криогенных модулей может быть осуществлена от места производства (или места заправки) СПГ до места бункеровки (например, речного порта) специализированными грузовыми автомобилями. Замена криогенных модулей с СПГ может проводиться в любом месте, где возможна швартовка судна и есть площадка для установки погрузчика (например, автомобильного крана), и будет занимать не более 3 часов.
Решения по обеспечению безопасности опытной эксплуатации судна, переоборудованного для работы на СПГ, основывались на положениях, предусмотренных дополнением № 2 «Временные технические требования к судам-газоходам, использующим компримированный природный газ» к Правилам классификации и постройки судов внутреннего плавания Российского Речного Регистра, которые были утверждены распоряжением Министерства транспорта Российской Федерации № НС-17-р от 30.01.2004 г.
В настоящее время, с учетом накопленного опыта, специалисты ООО «НПО «СПбЭК» готовы разработать техническую документацию по дооборудованию отечественных судов смешанного и внутреннего плавания для работы на СПГ. Швартовые и ходовые испытания судна-газохода показали (рис. 6), что использование сжиженного природного газа в качестве моторного топлива на судах внутреннего плавания возможно и целесообразно.
Анализ результатов швартовых испытаний судна-газохода «Нева-6» выявил ряд принципиальных положений:
• при эксплуатации снижение финансовых расходов на топливо практически пропорционально соотношению цен дизельное топливо - сжиженный природный газ;
• газосмесительное оборудование конструктивно просто, не содержит сложных и прецизионных деталей
Рис. 6. Судно-газоход «Нева-6» на ходовых испытаниях в районе речного порта Волгограда
и узлов, при серийном выпуске сравнительно недорого;
• существенную статью расхода составляет оборудование для хранения запаса СПГ, его стоимость зависит от вида емкостей и способа их размещения на судне;
• при использовании двухтопливного режима было достигнуто значительное снижение концентрации вредных веществ в отработавших газах (от 20 до 40 %).
Использование СПГ как универсального моторного топлива XXI века -
интенсивно развивающееся направление, которое уже в ближайшее время может превратиться в самостоятельную высокорентабельную отрасль отечественной экономики. В рамках этого направления полученный специалистами ООО «НПО «СПбЭК» уникальный опыт по созданию первого в России судна-газохода на СПГ с судовой энергетической установкой, работающей в двухтопливном режиме, даст уже в ближайшее время мощный толчок российским судостроителям к созданию высокоэкономичных и экологичных судов речного и смешанного плавания.
Однако для масштабного перехода водного транспорта на использование сжиженного природного газа предусматриваются следующие меры:
• стимулирование разработки и производства судов внутреннего и смешанного плавания, работающих на СПГ, повышение их надежности, безопасности и энергоэффективности, развитие сопутствующей сервисной инфраструктуры;
• развитие заправочной инфраструктуры СПГ на внутренних водных путях Российской Федерации;
• разработка механизмов стимулирования использования природного газа в качестве газомоторного топлива и совершенствование нормативно-правового обеспечения в сфере использования СПГ и др.
Литература
1. Кириллов Н.Г. Сжиженный природный газ как универсальное моторное топливо XXI века: технологии производства и системы долгосрочного хранения. - М.: ИРЦ «Газпром», 2002. - 64 с.
2. Кириллов Н.Г. Новые технологии в применении сжиженного природного газа как моторного топлива и хладагента для авторефрижераторной техники и автотранспортных средств. - М.: ИРЦ «Газпром», 2003. - 30 с.
3. Кириллов Н.Г., Лазарев А.Н. Сжиженный природный газ: анализ мирового рынка и перспективы отечественного производства // Газохимия. - 2011. - № 6. - С. 23-29.
4. Кириллов Н.Г. Природный газ как моторное топливо и экология автомобильного транспорта России. - М.: ИРЦ «Газпром», 2003. - 31 с.
