Газовоз — танкер , предназначенный для перевозки сжиженного природного газа (СПГ).
Первым в мире океанским танкером для перевозки сжиженного природного газа был Methane Pioneer , который был введен в эксплуатацию в 1959 году с грузоподъемностью 5500 кубических метров (190 000 кубических футов). [1] С тех пор строились газовозы все большего размера, что привело к появлению современного флота, в котором по всему миру курсируют гигантские суда Q-Max LNG, каждое из которых может перевозить до 266 000 м 3 (9 400 000 кубических футов).
Бум в добыче природного газа в США был обусловлен гидроразрывом пласта («фрекингом»), что привело к значительному росту добычи природного газа с 2010 года. [2] Первый экспортный объект СПГ в США был завершен в 2016 году, за ним последовали и другие. [3] Растущие поставки природного газа в США и экспортные объекты увеличили спрос на газовозы для транспортировки СПГ по всему миру. [4]
Вторжение России в Украину в 2022 году резко увеличило спрос на поставки СПГ по всему миру. Поставки США в Европу в 2022 году выросли более чем вдвое, до 2,7 триллиона кубических футов. [5]
По состоянию на 2023 год в мире насчитывалось 772 действующих газовоза, однако «в эту цифру входят и плавучие хранилища» [6] .
Первый газовоз Methane Pioneer (5034 DWT ) с грузом 5500 кубических метров (190 000 кубических футов), классифицированный Bureau Veritas, вышел из реки Калкасье на побережье залива Луизиана 25 января 1959 года. Перевозя первый в мире морской груз СПГ, он отплыл в Великобританию, где груз был доставлен. [1] Успех специально модифицированного стандартного судна типа C1-M-AV1 Normarti , переименованного в Methane Pioneer , побудил Газовый совет и Conch International Methane Ltd. заказать строительство двух специально построенных газовозов: Methane Princess и Methane Progress . Суда были оснащены независимыми алюминиевыми грузовыми танками Conch и вошли в алжирскую торговлю СПГ в 1964 году. Эти суда имели вместимость 27 000 кубических метров (950 000 кубических футов).
В конце 1960-х годов появилась возможность экспортировать СПГ из Аляски в Японию , и в 1969 году была начата торговля с TEPCO и Tokyo Gas . Два судна, Polar Alaska и Arctic Tokyo , каждое вместимостью 71 500 кубических метров (2 520 000 кубических футов), были построены в Швеции. В начале 1970-х годов правительство США поощряло американские верфи строить танкеры для перевозки СПГ, и в общей сложности было построено 16 судов для перевозки СПГ. Конец 1970-х и начало 1980-х годов принесли перспективу создания арктических судов для перевозки СПГ, и ряд проектов были изучены.
С увеличением грузовместимости примерно до 143 000 кубических метров (5 000 000 кубических футов) стоимостью 250 миллионов долларов [7] были разработаны новые конструкции резервуаров: от Moss Rosenberg до Technigaz Mark III и Gaztransport No.96.
Размер и вместимость газовозов значительно возросли, [8] до 170 000 кубических метров (6 000 000 кубических футов). Стоимость судна может составить 200 миллионов долларов. [7]
С 2005 года Qatargas является пионером в разработке двух новых классов газовозов, называемых Q-Flex и Q-Max . Каждое судно имеет грузовместимость от 210 000 до 266 000 кубических метров (от 7 400 000 до 9 400 000 кубических футов) и оснащено установкой повторного сжижения.
Сегодня [ когда? ] мы видим интерес к малогабаритным бункеровщикам СПГ. Некоторые из них должны оставаться ниже спасательных плотов круизных лайнеров и судов Ropax. Примерами являются Damen LGC 3000 [9] и Seagas.
К 2005 году было построено 203 судна, из которых 193 все еще находились в эксплуатации. В конце 2016 года мировой флот по перевозке СПГ состоял из 439 судов. [10] В 2017 году, по оценкам, в любой момент времени в эксплуатации находилось 170 судов. [11] В конце 2018 года мировой флот насчитывал около 550 судов. [12]
В 2021—2022 годах отгрузка СПГ из США в Европу может принести прибыль в размере $133—200 млн. Стоимость доставки составляет $100 000 в день [13] даже для 5-летних контрактов, но может варьироваться от $60 000 до $250 000. [14]
В 2021 году было заказано 90 новых газовозов. [16] К 2022 году высокий спрос сместил поставки новых заказов на 2027 год. [14]
В ноябре 2018 года южнокорейские судостроители заключили 3-летние крупномасштабные контракты на поставку СПГ-носителей — более 50 заказов — на сумму 9 миллиардов долларов. Южнокорейские судостроители получили 78% контрактов на строительство судов, связанных с СПГ, в 2018 году, из которых 14% достались японским судостроителям, а 8% — китайским. Новые контракты увеличат мировой флот СПГ на 10%. Из мирового флота, исторически, около двух третей судов были построены южнокорейцами, 22% — японцами, 7% — китайцами, а остальные построены Францией, Испанией и Соединенными Штатами. Успех Южной Кореи обусловлен инновациями и ценой; южнокорейские судостроители представили первые суда для перевозки СПГ ледокольного типа, и южнокорейские судостроители успешно удовлетворили возросшее предпочтение клиентов судов Q-max по сравнению с судами типа Moss. [17]
В 2018 году южнокорейская верфь Hyundai Mipo Dockyard (HMD) поставила первый в мире балкер на СПГ. Он имеет самую большую в мире грузоподъемность в 50 000 дедвейт. [18]
По данным SIGTTO, в 2019 году было заказано 154 танкера СПГ, а в эксплуатации находилось 584 танкера СПГ. [19]
В 2017 году компания Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering поставила Christophe de Margerie , ледокольный танкер для перевозки СПГ дедвейтом 80 200 тонн. Его вместимость 172 600 м 3 (6 100 000 куб. футов) — это потребление Швеции за месяц. [20] Он совершил свой первый коммерческий рейс из Норвегии по Северному морскому пути в Северном Ледовитом океане в Южную Корею. [21] У верфи есть еще четырнадцать заказов. [22]
В случае малотоннажных газовозов (газовозов объемом менее 40 000 м3 ( 1 400 000 куб. футов)) оптимальный размер судна определяется проектом, для которого оно построено, с учетом объема, пункта назначения и характеристик судна. [23]
Список производителей малотоннажных газовозов:
Типичный газовоз имеет от четырех до шести танков, расположенных вдоль центральной линии судна. Танки окружены комбинацией балластных танков , коффердамов и пустот; по сути, это придает судну конструкцию двухкорпусного типа.
Газовозы, как и авианосцы, являются одними из самых сложных в строительстве судов, на их постройку уходит до 30 месяцев. [24]
Внутри каждого резервуара обычно находятся три погружных насоса. Есть два основных грузовых насоса, которые используются при операциях по выгрузке груза, и гораздо меньший насос, который называется распылительным насосом. Распылительный насос используется либо для откачки жидкого СПГ для использования в качестве топлива (через испаритель), либо для охлаждения грузовых резервуаров. Его также можно использовать для «зачистки» остатков груза при операциях по выгрузке. Все эти насосы находятся внутри так называемой насосной башни, которая висит наверху резервуара и проходит по всей глубине резервуара. Насосная башня также содержит систему измерения уровня в резервуаре и линию заполнения резервуара, все из которых расположены около дна резервуара.
В судах мембранного типа также имеется пустая труба с подпружиненным донным клапаном, который может открываться под действием веса или давления. Это аварийная насосная башня. В случае отказа обоих основных грузовых насосов верхняя часть может быть снята с этой трубы, а аварийный грузовой насос опущен вниз на дно трубы. Верхняя часть устанавливается на место на колонне, а затем насосу разрешается надавить на донной клапан и открыть его. Затем груз может быть откачан.
Все грузовые насосы отводят воду в общую трубу, проходящую вдоль палубы судна; она ответвляется по обе стороны судна к грузовым коллекторам, которые используются для погрузки или выгрузки.
Все паровые пространства грузовых танков соединены паровым коллектором, который проходит параллельно грузовому коллектору. Он также имеет соединения с бортами судна рядом с погрузочно-разгрузочными коллекторами.
Типичный грузовой цикл начинается с танков в состоянии «без газа», то есть танки заполнены воздухом, что позволяет проводить техническое обслуживание танка и насосов. Груз нельзя загружать непосредственно в танк, так как присутствие кислорода создаст взрывоопасные атмосферные условия внутри танка, а быстрое изменение температуры, вызванное загрузкой СПГ при температуре −162 °C (−260 °F), может повредить танки.
Во-первых, резервуар должен быть «инертизирован», чтобы исключить риск взрыва. Установка инертного газа сжигает дизельное топливо в воздухе для получения смеси газов (обычно менее 5% O2 и около 13% CO2 плюс N2 ) . Это вдувается в резервуары до тех пор, пока уровень кислорода не станет ниже 4%.
Затем судно заходит в порт для «заправки» и «охлаждения», поскольку загрузка непосредственно в резервуар по-прежнему невозможна: CO2 замерзнет и повредит насосы, а холодовой шок может повредить насосную колонку резервуара.
СПГ доставляется на судно и по линии распыления поступает в главный испаритель, который превращает жидкость в газ. Затем он нагревается примерно до 20 °C (68 °F) в газовых нагревателях, а затем вдувается в резервуары для вытеснения «инертного газа». Это продолжается до тех пор, пока весь CO2 не будет удален из резервуаров. Сначала IG (инертный газ) выпускается в атмосферу. Как только содержание углеводородов достигает 5% (нижний диапазон воспламеняемости метана), инертный газ перенаправляется на берег через трубопровод и коллекторное соединение с помощью HD (высокопроизводительных) компрессоров. Затем береговой терминал сжигает этот пар, чтобы избежать опасности наличия большого количества углеводородов, которые могут взорваться.
Теперь судно заполнено газом и прогрето. Резервуары все еще имеют температуру окружающей среды и заполнены метаном.
Следующий этап — охлаждение. СПГ распыляется в резервуары через распылительные головки, который испаряется и начинает охлаждать резервуар. Избыточный газ снова выдувается на берег для повторного сжижения или сжигания в факельной трубе . Как только резервуары достигают температуры около −140 °C (−220 °F), они готовы к загрузке.
Начинается массовая загрузка, и жидкий СПГ перекачивается из резервуаров для хранения на берегу в резервуары судна. Вытесненный газ выдувается на берег компрессорами HD. Загрузка продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто обычно 98,5% заполнения (чтобы учесть тепловое расширение/сжатие груза).
Теперь судно может следовать в порт выгрузки. Во время прохода могут использоваться различные стратегии управления испарением. Газ испарения может сжигаться в котлах для обеспечения движения или может быть повторно сжижен и возвращен в грузовые танки, в зависимости от конструкции судна.
По прибытии в порт выгрузки груз перекачивается на берег с помощью грузовых насосов. По мере опорожнения танка паровое пространство заполняется либо газом с берега, либо путем испарения части груза в грузовом испарителе. Либо судно может быть откачано насколько возможно, причем последнее откачивается с помощью распылительных насосов, либо часть груза может быть сохранена на борту в качестве «пятки».
Обычной практикой является хранение на борту от 5% до 10% [ требуется ссылка ] груза после выгрузки в одном резервуаре. Это называется пяткой, и она используется для охлаждения оставшихся резервуаров, у которых нет пятки, перед загрузкой. Это необходимо делать постепенно, иначе резервуары будут подвержены холодному шоку, если их загрузить непосредственно в теплые резервуары. Охлаждение может занять около 20 [25] часов на судне Moss (и 10–12 часов на судне мембранного типа), поэтому наличие пятки позволяет выполнить охлаждение до того, как судно достигнет порта, что дает значительную экономию времени.
Если весь груз выкачивается на берег, то на балластном переходе танки прогреваются до температуры окружающей среды, возвращая судно в загазованное и теплое состояние. Затем судно можно снова охладить для загрузки.
Если судно должно вернуться в состояние без газа, резервуары должны быть нагреты с помощью газовых нагревателей для циркуляции теплого газа. После того, как резервуары нагреты, установка инертного газа используется для удаления метана из резервуаров. После того, как резервуары становятся свободными от метана, установка инертного газа переключается на производство сухого воздуха, который используется для удаления всего инертного газа из резервуаров, пока они не получат безопасную рабочую атмосферу.
Транспортировка природного газа как в виде СПГ, так и по трубопроводу вызывает выбросы парниковых газов, но по-разному. При использовании трубопроводов большая часть выбросов связана с производством стальных труб; при использовании СПГ большая часть выбросов связана с сжижением. Как для трубопроводов, так и для СПГ, движение вызывает дополнительные выбросы (наддув трубопровода, движение танкера СПГ). [8]
Сегодня для новых судов используются четыре системы удержания. Две из конструкций являются самонесущими, а две другие — мембранными, и сегодня патенты принадлежат Gaztransport & Technigaz (GTT).
Существует тенденция к использованию двух различных типов мембран вместо самонесущих систем хранения. Это, скорее всего, связано с тем, что призматические мембранные резервуары более эффективно используют форму корпуса и, таким образом, имеют меньше пустого пространства между грузовыми танками и балластными цистернами. В результате этого конструкция типа Мосса по сравнению с мембранной конструкцией равной емкости будет намного дороже для транзита через Суэцкий канал . Однако самонесущие резервуары более прочны и имеют большую устойчивость к силам выплескивания и, возможно, будут рассмотрены в будущем для хранения в открытом море, где плохая погода будет существенным фактором.
Названные в честь компании, которая их спроектировала, норвежской компании Moss Maritime, сферические резервуары IMO типа B для СПГ имеют сферическую форму. Большинство судов типа Moss имеют четыре или пять резервуаров.
Снаружи резервуаров имеется толстый слой пенной изоляции, которая либо вмонтирована в панели, либо в более современных конструкциях намотана вокруг резервуара. Поверх этой изоляции находится тонкий слой «фольги», которая позволяет сохранять изоляцию сухой в атмосфере азота. Эта атмосфера постоянно проверяется на наличие метана, который мог бы указывать на утечку из резервуара. Кроме того, внешняя часть резервуара проверяется каждые три месяца на наличие холодных пятен, которые могли бы указывать на пробой изоляции.
Бак поддерживается по окружности экваториальным кольцом, которое поддерживается большой круглой юбкой, известной как дата-пара, которая представляет собой уникальное сочетание алюминия и стали, которое переносит вес бака на конструкцию корабля. Эта юбка позволяет баку расширяться и сжиматься во время операций охлаждения и разогрева. Во время охлаждения или разогрева бак может расширяться или сжиматься примерно на 60 см (24 дюйма). Из-за этого расширения и сжатия все трубопроводы в баке проходят сверху и соединяются с судовыми линиями через гибкие сильфоны.
Внутри каждого резервуара имеется набор распылительных головок. Эти головки установлены вокруг экваториального кольца и используются для распыления СПГ на стенки резервуара для снижения температуры.
Обычно рабочее давление в танках составляет до 22 кПа (3,2 фунта на кв. дюйм), но его можно поднять для аварийного сброса. Если оба главных насоса выходят из строя, то для удаления груза предохранительные клапаны танка регулируются на подъем при 100 кПа (1 бар). Затем открывается линия наполнения, которая идет на дно танка, вместе с линиями наполнения других танков на борту. Затем давление повышается в танке с неисправными насосами, что выталкивает груз в другие танки, откуда его можно откачать. [26]
Разработанный Ishikawajima-Harima Heavy Industries, самонесущий призматический резервуар типа B (SPB) в настоящее время используется только на двух судах. Резервуары типа B ограничивают проблемы с плеском, что является улучшением по сравнению с мембранными резервуарами для перевозки СПГ, которые могут сломаться из-за удара плескания, тем самым разрушая корпус судна. Это также имеет первостепенное значение для FPSO LNG (или FLNG).
Кроме того, резервуары IMO типа B LNG могут подвергаться внутренним случайным повреждениям, например, из-за внутренних выбросов оборудования. Это было включено в конструкцию после нескольких инцидентов, произошедших внутри мембранных резервуаров LNG. [ необходима цитата ]
Разработанные компанией Technigaz , эти резервуары являются резервуарами мембранного типа. Мембрана состоит из нержавеющей стали с «вафлями» для поглощения теплового сжатия при охлаждении резервуара. Первичный барьер, изготовленный из гофрированной нержавеющей стали толщиной около 1,2 мм (0,047 дюйма), находится в прямом контакте с грузовой жидкостью (или паром в пустом резервуаре). За ним следует первичная изоляция, которая, в свою очередь, покрыта вторичным барьером, изготовленным из материала, называемого «триплекс», который в основном представляет собой металлическую фольгу, зажатую между листами стекловаты и сжатую вместе. Она снова покрыта вторичной изоляцией, которая, в свою очередь, поддерживается конструкцией корпуса судна снаружи. [27] [28]
Изнутри резервуара наружу слои следующие:
Разработанные Gaztransport , резервуары состоят из первичной и вторичной тонкой мембраны, изготовленной из материала Invar , который практически не имеет термического сжатия. Изоляция сделана из фанерных коробок, заполненных перлитом и непрерывно продуваемых азотом. Целостность обеих мембран постоянно контролируется путем обнаружения углеводорода в азоте. NG2 предлагает эволюцию с заменой азота аргоном в качестве продуваемого инертного и изоляционного газа. Аргон имеет лучшую изоляционную способность, чем азот, что может сэкономить 10% выкипающего газа. [28] [29]
CS1 означает Combined System Number One (комбинированная система номер один). Она была разработана ныне объединенными компаниями Gaztransport & Technigaz и состоит из лучших компонентов систем MkIII и No96. Первичный барьер изготовлен из инвара 0,7 мм (0,028 дюйма), а вторичный — из Triplex. Первичная и вторичная изоляция состоит из панелей из пенополиуретана.
Три судна с технологией CS1 были построены [ когда? ] одной верфью, но существующие верфи решили сохранить производство MKIII и NO96. [ нужна ссылка ]
Для облегчения транспортировки природный газ охлаждается примерно до −163 °C (−261 °F) при атмосферном давлении, после чего газ конденсируется в жидкость. Резервуары на борту танкера СПГ фактически выполняют функцию гигантских термосов , сохраняя жидкий газ холодным во время хранения. Однако ни одна изоляция не идеальна, и поэтому жидкость постоянно кипит во время рейса.
По данным WGI, в типичном рейсе примерно 0,1–0,25% груза ежедневно превращается в газ, в зависимости от эффективности изоляции и сложности рейса. [30] [31] В типичном 20-дневном рейсе может быть потеряно от 2 до 6% от общего объема изначально загруженного СПГ. [30]
Обычно [ по мнению кого? ] танкер СПГ приводится в действие паровыми турбинами с котлами. Эти котлы являются двухтопливными и могут работать как на метане, так и на нефти или на их комбинации.
Газ, получаемый при испарении, традиционно направляется в котлы и используется в качестве топлива для судна. Перед использованием этого газа в котлах его необходимо нагреть примерно до 20 °C с помощью газовых нагревателей. Газ либо подается в котел под давлением в резервуаре, либо его давление повышается с помощью компрессоров Low Duty [ необходимо разъяснение ] .
Выбор топлива, используемого судном, зависит от многих факторов, включая продолжительность рейса, необходимость иметь запас топлива для охлаждения, соотношение цены на нефть и цены на СПГ, а также требования портов к чистоте выхлопных газов .
Доступны три основных режима: [ необходима ссылка ]
Минимальное выкипание/максимальное количество нефти : в этом режиме давление в резервуаре поддерживается высоким, чтобы свести выкипание к минимуму, а большая часть энергии поступает из мазута. Это максимизирует количество поставляемого СПГ, но допускает повышение температуры в резервуаре из-за отсутствия испарения. Высокая температура груза может вызвать проблемы с хранением и разгрузкой.
Максимальное выкипание/минимальное количество нефти : в этом режиме давление в танках поддерживается на низком уровне, и выкипание больше, но все равно используется большое количество мазута. Это уменьшает количество поставляемого СПГ, но груз будет поставляться холодным, что предпочитают многие порты.
100% газ : давление в резервуарах поддерживается на уровне, аналогичном максимальному выкипанию, но поскольку этого может быть недостаточно для обеспечения всех потребностей котлов, необходимо «заставить» испариться дополнительный СПГ. Небольшой насос в одном резервуаре подает СПГ в нагнетательный испаритель, где он нагревается и испаряется обратно в газ, который можно использовать в котлах. В этом режиме не используется мазут.
Недавние [ когда? ] достижения в области технологий по установке установок для повторного сжижения на судах, позволяющие повторно сжижать и возвращать испарения в резервуары. Благодаря этому операторы и строители судов смогли рассмотреть возможность использования более эффективных низкооборотных дизельных двигателей (ранее большинство газовозов были оснащены паровыми турбинами ). Исключениями являются газовоз Havfru (построенный как Venator в 1973 году), который изначально имел двухтопливные дизельные двигатели, и его сестринская модель Century (построенная как Lucian в 1974 году), также построенная с двухтопливными газовыми турбинами до того, как была переоборудована в дизельную двигательную систему в 1982 году. [ нужна цитата ]
В настоящее время в эксплуатацию введены суда, использующие двух- или трехтопливные дизель-электрические, соответственно DFDE/TFDE, двигательные установки. [32]
В последнее время появился интерес к возвращению к использованию в качестве двигателя отпарного газа. Это является результатом антизагрязнительного регламента IMO 2020 , который запрещает использование судового мазута с содержанием серы более 0,5% на судах, не оборудованных установкой очистки дымовых газов. Ограничения по пространству и вопросы безопасности обычно не позволяют устанавливать такое оборудование на газовозах, вынуждая их отказываться от использования более дешевого мазута с высоким содержанием серы и переходить на топливо с низким содержанием серы, которое стоит дороже и имеется в меньшем количестве. В этих обстоятельствах отпарный газ может стать более привлекательным вариантом. [33]
По сравнению с нефтью, общественность меньше обеспокоена утечкой сжиженного природного газа (СПГ) из судов, перевозящих его, поскольку газ быстро испаряется и превращается в атмосферный метан . [34]
До 2004 года не было зафиксировано ни одного существенного аварийного выброса СПГ в ходе почти 80 000 транзитных перевозок судов-газовозов через порты. [35]
Анализ нескольких сферических контейнеровозов показал, что суда могут выдержать боковое столкновение под углом 90 градусов с другим аналогичным контейнеровозом СПГ на скорости 6,6 узлов (50% от нормальной скорости порта) без потери целостности груза СПГ . [36] Этот показатель снижается до 1,7 узлов при столкновении полностью загруженного нефтяного танкера дедвейтом 300 000 тонн с контейнеровозом СПГ. В отчете также отмечается, что такие столкновения редки. [35]
HAZID провела оценку риска разлива СПГ. Принимая во внимание меры предосторожности, обучение, правила и изменения технологий с течением времени, HAZID подсчитала, что вероятность разлива СПГ составляет примерно 1 на 100 000 поездок. [35]
В случае нарушения целостности резервуара для перевозки СПГ существует риск возгорания содержащегося в нем природного газа, что может привести к взрыву или пожару. [37]
