Судовой двигатель СПГ — это двухтопливный двигатель , который использует природный газ и бункерное топливо для преобразования химической энергии в механическую. Благодаря более чистым свойствам горения природного газа использование природного газа в силовых установках торговых судов становится вариантом для компаний, чтобы соответствовать экологическим нормам IMO и MARPOL . Природный газ хранится в жидком состоянии ( СПГ ), а газ испарения направляется и сжигается в двухтопливных двигателях. [1] Судоходные компании были осторожны при выборе двигательной установки для своих флотов. Система паровой турбины была основным выбором в качестве основного двигателя на танкерах СПГ в течение последних нескольких десятилетий. Десятилетняя система на паровых танкерах СПГ использует BOG (газ испарения). Танкеры СПГ надежно изолированы, чтобы поддерживать СПГ при температуре около -160 °C — чтобы он оставался сжиженным. Несмотря на изоляцию, область содержания СПГ пронизана теплом, что позволяет естественным образом генерировать газ испарения (BOG). [2]
.jpg/1280px-Tern_Ocean_(ship,_2017).jpg)
Перевозка СПГ впервые стала возможной в 1959 году, когда Methane Pioneer, переоборудованное грузовое судно времен Второй мировой войны, безопасно перевезло сжиженный природный газ в Соединенное Королевство. После того, как было доказано, что СПГ можно безопасно перевозить через океан, отрасль перевозок СПГ процветала и теперь ежегодно использует 200 миллиардов долларов капитала. С момента начала индустрии СПГ в 1964 году международная торговля выросла в 50 раз, производственные мощности увеличились в 10 раз, а вместимость отдельных судов увеличилась в 5 раз. Первоначально конструкция танкера для перевозки СПГ была разработана Worm's and Co. Сейчас эта конструкция называется Gaz Transport Design. Изначально резервуары были созданы для хранения 34 000 кубических метров, но конструкция трансформировалась в 71 500 кубических метров. Сферические резервуары для СПГ появились в 1973 году, когда Hoegh построил Norman Lady. Сферические резервуары широко распространены среди современных судов для перевозки СПГ. В 1999 году Samsung Heavy Ind. создала крупнейший в свое время танкер для перевозки СПГ New Membrane-type. Он был крупнейшим однокорпусным судном своего времени длиной 278,8 метров и мощностью 20,7 узлов. Arctic Princess, спущенный в 2006 году, был крупнейшим когда-либо созданным танкером для перевозки СПГ. Его длина составляет 288 метров, а вместимость — 147 000 кубических метров. С 2006 года вместимость продолжала расти. Новые суда для перевозки СПГ, поставленные клиентам в 2018 году, часто спроектированы так, чтобы проходить через расширенный Панамский канал (neopanamax), и имеют вместимость 170 000 кубических метров.
Природный газ, который питает двухтопливные двигатели, перевозится на судах в виде кипящей жидкости и транспортируется при давлении немного выше атмосферного. Когда через изоляцию резервуара проникает поток тепла, это приводит к повышению температуры сжиженного природного газа , что позволяет испаряться из жидкости в газ. Когда тепло проникает в резервуар, давление в резервуаре увеличивается из-за выкипания. Изоляция резервуаров разработана с использованием самых передовых технологий. Тем не менее, через изоляцию резервуаров проникает тепло. Выкипание происходит во время плавания судна. Во время шторма груз СПГ перемещается и плещется в резервуарах. Выкипающий газ составляет 0,1% - 0,25% от вместимости судна в день. Резервуары необходимо поддерживать под постоянным давлением. Если давление в резервуарах становится слишком высоким, открываются предохранительные клапаны, выпуская выкипание в атмосферу до тех пор, пока избыточное давление не будет сброшено. В связи с тем, что повторное сжижение СПГ на борту неэкономично для большинства судов, газ, полученный в результате испарения, направляется в двигательную установку судна и используется в качестве топлива для электростанций, таких как паровые котлы и двухтопливные судовые дизельные двигатели. Это снижает использование бункерного топлива, тем самым снижая расходы на топливо и обслуживание оборудования. [3]
Supreme от Samsung был контейнеровозом типа Mark-III для перевозки СПГ, который был крупнейшим в своем роде. Supreme имел новейшие технологии, которые можно увидеть на судах для перевозки СПГ. Он оснащен резервуарами, полностью окруженными двойным дном, и коффердамом между резервуарами. Каждый резервуар хранит свой груз при температуре -163 градуса по Цельсию. Это стандартная температура хранения для СПГ. Это достигается за счет 250-миллиметровой изоляции и мембраны из нержавеющей стали толщиной 1,2 мм. Каждый грузовой резервуар имеет погружные центробежные насосы для быстрой выгрузки груза. Это стандартный метод выгрузки для резервуаров для СПГ. Максимальная осадка для судов для перевозки СПГ обычно составляет 12 метров. Это связано с размерами и ограничениями портовых сооружений. Наиболее распространенный размер судов для перевозки СПГ составляет от 120 000 до 180 000 кубических метров из-за габаритов судна. ( Тенденции движения в двухтактных двигателях судов для перевозки СПГ , 2017).
Два распространенных типа танкеров СПГ — это Moss и Membrane. Танкеры типа Moss оснащены сферическими резервуарами для хранения СПГ, в то время как танкеры типа Membrane оснащены более традиционными прямоугольными резервуарами с мембраной из нержавеющей стали. Мембранные танкеры более распространены, поскольку они меньше, чем суда типа Moss, для того же количества перевозимого СПГ-топлива, но они создают больше испаряющегося газа, чем суда типа Moss.
Исследование MEC Intelligence показало, что СПГ станет основным источником топлива для всех торговых судов в течение 40 лет. Многие компании уже начали рассматривать процесс перевода своих флотов на системы СПГ.
Системы пропульсивного движения судов на СПГ обычно оснащаются WHR, поскольку они могут привести к снижению выбросов, снижению расхода топлива и повышению эффективности. Переход на суда на СПГ является сложной задачей для компаний, но в сочетании с современными системами снижения отходящего тепла (WHR) суда на СПГ могут быть более эффективными, чем дизельные или паровые суда.
Большинство пропульсивных систем на газовозах используют BOG и жидкое топливо. В паровой установке BOG используется для сжигания котлов и производства пара. Пар приводит в движение турбины и приводит в движение судно. Преимущество этого типа заключается в том, что при повышении давления в грузовом танке СПГ избыточный BOG сжигается одновременно с жидким топливом. Если BOG недостаточно, для поддержания работы установки используется жидкое топливо ( тяжелое дизельное топливо или HFO). [2] Альтернативой паровой турбине является двухтопливный морской дизельный двигатель. Производители коммерческих судовых пропульсивных систем, такие как финская Wärtsilä и немецкая MAN Diesel , производят двухтопливные дизельные двигатели большого диаметра. Двигатели MAN B&W ME-GI имеют чрезвычайно гибкие топливные режимы, которые варьируются от 95% природного газа до 100% HFO и любого промежуточного значения. Требуется минимум 5% HFO для пилотного масла, поскольку это двигатели с воспламенением от сжатия, а природный газ не является самовоспламеняющимся. [4] Паровые турбины являются исключительно основным движущим источником для судов СПГ, хотя двухтактные дизельные двигатели более эффективны. Это связано с тем, что газ, выделяющийся при испарении СПГ, необходимо утилизировать.
Недавние исследования были сосредоточены на использовании СПГ в качестве топлива на судах, отличных от танкеров СПГ. Эти исследования показывают, что СПГ выделяется с точки зрения сокращения выбросов и снижения эксплуатационных расходов. [1] Было показано, что некоторые экономические стимулы выгодны для эксплуатации двигательной установки СПГ. Когда определенные системы, такие как рекуперация отработанного тепла (использование отработанного тепла для выполнения работы, а не рассеивания), добавляются к электростанции, можно наблюдать значительную экономию. Одно исследование показывает, что двигатель СПГ с системой WHR экономит деньги по сравнению с дизельным двигателем с WHR. Существует более высокая начальная инвестиционная стоимость, но это экономически эффективный метод и экологически безопасный. [5]
Природный газ в основном состоит из метана, который имеет гораздо более сильный парниковый эффект, чем CO 2 ref: Global warming potential . Климатические воздействия метана в значительной степени обусловлены утечкой метана . Например, существует проблема, называемая проскоком метана. Проскок метана происходит, когда газ просачивается несгоревшим через двигатель. [ требуется ссылка ] Метан имеет GWP(20) (20-летний потенциал глобального потепления), который в 86 раз выше, чем CO 2 . Если проскок метана не контролируется, экологические преимущества использования природного газа уменьшаются и могут свести на нет преимущества по сравнению с дизельным или бункерным топливом из-за высокого парникового эффекта метана. [6] Еще одна проблема — опасности, связанные с хранением СПГ при очень низких температурах. Изоляция резервуара имеет решающее значение, и есть вероятность структурной хрупкости и обморожений персонала. [1] По сути, поскольку установлено, что СПГ для судовых двигателей снижает выбросы CO2 и других загрязняющих веществ по сравнению с обычными тяжелыми нефтяными топливами, внедрение СПГ зависит от следующих ключевых факторов: доступность газа, спрос на суда, пределы выбросов (зоны контроля выбросов), установка резервуаров для СПГ и требования безопасности. [1] Необходимо учитывать проблемы, связанные с использованием СПГ. Такие проблемы, как отсутствие инфраструктуры в большинстве торговых портов, ограниченный опыт экипажа в эксплуатации двигателей с газовым топливом, будущая цена на газ и требуемые меры безопасности, являются критическими моментами, которые следует учитывать. [5]
Использование СПГ снижает выбросы оксидов серы почти на 100 процентов, а также снижает выбросы оксидов азота примерно на 85 процентов. [ необходима ссылка ] Ведутся серьезные споры о том, приводит ли использование СПГ к сокращению выбросов парниковых газов, при этом исследования показывают, что утечка метана сводит на нет преимущества для климата. [7] [8]
Требования, касающиеся использования СПГ-топлива в судоходстве, в частности технические требования и требования безопасности, изложены в Международном кодексе безопасности судов, использующих газы или другие виды топлива с низкой температурой вспышки , сокращенно Кодексе IGF. [9]