CC BY
467
УДК 621.436.05.018.7:629.5 ББК 39.455:31.354
А. Ф. Дорохов, И. А. Апкаров, Хоан Коанг Лыонг
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ ТОПЛИВ В СУДОВЫ1Х ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
A. F. Dorokhov, I. A. Apkarov, Hoang Quang Luong
CHARACTERISTICS OF THE USE OF THE GASEOUS FUEL IN MARINE POWER PLANTS
Рассмотрены особенности применения газообразных топлив в различных видах судовых энергетических установок. Рассматривается применение газообразного топлива зарубежными фирмами. Показаны проблемы, связанные с применением природного газа в сжатом и сжиженном состоянии. Приведены примеры использования газодизельного процесса в судовых энергетических установках ведущими зарубежными фирмами.
Ключевые слова: судовая энергетическая установка, газодизель, газовоз, компримирован-ный природный газ, сжиженный природный газ, двухтопливный двигатель.
The characteristics of the use of gaseous fuel in different types of marine power plants are considered. The use of gaseous fuels by foreign firms is described. The problems associated with the use of compressed and liquefied natural gas are presented. The examples of the application of gas diesel process in marine power plants by leading foreign firms are given.
Key words: marine power plant, gas diesel, liquefied natural gas carrier, ship gas flue, liquefied natural gas, compressed natural gas, liquefied natural gas, dual fuel engine.
Введение
Судовые энергетические установки (СЭУ) различных типов (кроме ядерных), наряду с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), являются одними из основных потребителей топлив нефтяного происхождения, запасы которых в отдельных регионах мира весьма ограничены и исчерпываются довольно быстро. По прогнозам западных специалистов, запасов нефти, с учетом её запасов на Ближнем Востоке, хватит на 50-60 лет. Следует отметить, что стоимость добычи и переработки нефти непрерывно повышается. Резко обостряются проблемы, связанные с экологией, которые приобретают все большее значение, выходя на первое место. Компенсировать ожидаемый дефицит моторных топлив удастся главным образом за счёт использования альтернативных видов топлива, и в первую очередь компримированного природного газа, на 90 % состоящего из метана. Считается, что природных ресурсов этого горючего хватит более чем на 100 лет.
В соответствии с требованиями Приложения VI МК МАРПОЛ происходит планомерное ужесточение требований к содержанию оксидов серы, азота и углерода, а также твердых частиц в выбросах морских судов [1].
Допустимое содержание серы в топливе,%
5.0 %
4.5 %
4.0 %
3.5 %
3.0 %
2.5 %
2.0 %
1.5 %
1,0 %
0,5 %
0,0 %
Рис. 1. Требования Приложения VI МК МАРПОЛ к содержанию серы в топливе
Допустимое содержание NOx, г/(кВт • ч)
Скорость двигателя, об/мин
Рис. 2. Требования Приложения VI МК МАРПОЛ к содержанию концентрации NOx в выбросах
В частности, система международных стандартов устанавливает, что для судов, построенных после 1 января 2011 г., должно быть обеспечено снижение выбросов окислов азота на 20 % по отношению к уровню 2000 г., а для судов, построенных после 1 января 2016 г., - на 80 % [2].
При этом наиболее жесткие требования устанавливаются для районов контроля выбросов (Emission Control Areas - ECA), к числу которых относятся Балтийское и Северное моря, прибрежные воды США и Канады, Карибское море, Средиземное море, побережье Японии, Малаккский пролив и др. В этих районах новые экологические требования поэтапно вводятся в действие в первую очередь. Для России переход на новые экологические стандарты имеет особую актуальность, т. к. маршруты основной части её морских грузоперевозок проходят через районы контроля выбросов, в частности через Балтийское и Северное моря.
Особенности применения и хранения газового топлива. К числу важнейших качеств природного газа, делающих его привлекательным для судовой энергетики и позволяющих создавать эффективные двигатели с низким содержанием вредных выбросов, относится прежде всего высокая экологичность. У газовых видов топлива отношение водород/углерод составляет 2,5-4,0, а молекулы химически устойчивы и просты по строению. Это обеспечивает высококачественное протекание процесса сгорания топлива, бездетонационную работу двигателя и более высокую экологическую чистоту продуктов сгорания (чем выше отношение водород/углерод в топливе, тем меньше CO2 образуется в продуктах сгорания).
Преимущества газового топлива по энергетическим свойствам по отношению к топливу на основе нефти определяются более высоким октановым числом, удельной теплотой сгорания, стехиометрическим отношением (количеством воздуха, необходимого для полного сгорания, топлива) и более низкой теплотой сгорания стехиометрической смеси. По удельным затратам труда, капиталовложениям и потребительской стоимости газ значительно экономичнее угля и нефтяного топлива. Огромное значение имеет также удобство использования газа: нет необходимости в устройствах для предварительной подготовки и подачи, которые требуются при использовании твёрдых и жидких топлив, регулирование подачи газа несложно, газ легко смешивается с воздухом и другими газами.
Применение газового топлива позволяет существенно сократить количество вредных выбросов в сравнении с топливом на основе нефти - полностью исключить выбросы серы, кардинально (на 90 %) снизить выбросы оксидов азота (NOx) и существенно (на 30 %) снизить выбросы диоксида углерода (CO2) и твердых частиц [3]. Одним из наиболее перспективных путей сокращения расхода дизельного топлива, снижения вредных выбросов при одновременном выполнении задачи по увеличению моторесурса двигателей и широкого применения газа является перевод СЭУ на газовое топливо.
Существенным недостатком газовых топлив по сравнению с жидкими является необходимость создания более сложной инфраструктуры, обеспечивающей снабжение потребителей. Причиной этого является низкая плотность газов в нормальном состоянии, которая примерно в тысячу раз меньше плотности жидких топлив. Из этого следует, что двигатели, использующие
газ, необходимо располагать непосредственно вблизи мест его добычи или в местах, куда он доставляется в ходе транспортировки к другим потребителям. К этой же группе можно отнести газовые двигатели, устанавливаемые на судах, перевозящих природный газ в криогенном состоянии (танкеры-метановозы). При хранении и перевозке газ частично испаряется (0,2-0,3 % в сутки от перевозимого объема), что при грузоподъемности в десятки и сотни тысяч тонн составляет достаточно значительные количества. Энергетически и экономически целесообразно использовать это топливо в судовой энергоустановке. Одной из проблем при этом является согласование количества испаряющегося газа с потребностью двигателей в топливе. Именно поэтому в таких установках целесообразно использовать газодизели, допускающие широкое варьирование соотношений между газовым и дизельным топливом - от работы в дизельном режиме в порожнем рейсе до подачи жидкого топлива в количестве, минимально необходимом для осуществления газодизельного процесса. С начала 1960-х гг. все классификационные общества разрешают применение испаряющегося газа для питания судовых двигателей газовозов. Двигатели для этих целей выпускают фирмы «МАЛ», «Пилстик», «Зульцер», «Мицуи» и другие крупные изготовители судовых двигателей.
Но для малоразмерных СЭУ предпочтительнее сжиженный газ, сравнительно высокая плотность которого, в сочетании с умеренными значениями давления в баллонах, обусловила достаточно широкое их применение на транспорте. Например, опытные судовые установки, работавшие на сжиженном газе, были созданы в Каспийском пароходстве еще в 1960-е гг. В настоящее время сжиженный газ достаточно широко используется на железнодорожном и автомобильном транспорте. Этому способствует распространенность сжиженных газов как топлива для бытовых нужд. Созданная для этих целей разветвленная инфраструктура обеспечивает и потребности транспорта.
Однако некоторые особые свойства этих газов заставляют с осторожностью относиться к их применению на транспорте. В первую очередь велика взрывоопасность даже очень бедных их смесей с воздухом (при содержании газа порядка 2-2,5 %). Эти газы токсичны, а их высокая плотность может привести к образованию и накоплению опасных смесей, особенно там, где газ в случае утечки может попадать в замкнутые объемы.
Несмотря на эти недостатки сжиженных газов, большая доступность и меньшая стоимость природного газа, содержащего в основном метан, определяет возрастающий интерес к нему. Вдвое меньшая, чем у воздуха плотность и высокий коэффициент диффузии обеспечивают легкое удаление метана из помещений даже при естественной вентиляции. Нижний предел его взрывоопасной концентрации в воздухе вдвое выше, чем у пропан-бутана. Однако критическая температура метана составляет -82 °С. Это означает, что такой газ при нормальных значениях температуры окружающей среды не может быть переведен в жидкую фазу, поэтому он может храниться в сжатом виде, в баллонах под высоким давлением или в криогенных емкостях в сжиженном виде. Сравнение этих двух способов хранения представлено в табл. 1.
Таблица 1
Сравнение различных способов хранения природного газа
Способ хранения Давление, МПа Удельная теплота запаса топлива Энергозатраты, % теплотворной способности
объемная, кДж/л массовая, кДж/кг
Сжатый газ, баллоны из углеродистой стали 20-25 900-1100 3 500 1,8
32-40 1400-1700 3 500 1,9
Сжатый газ, баллоны из легированной стали 20-25 900-1100 5 000 1,8
32-40 1400-1700 5 000 1,9
Сжатый газ, металлопластиковые и пластиковые баллоны 20-35 1500-2000 7000-10 000 1,8—1,9
Сжиженный газ (+111 К) 0,1 2 500 14 000 5,0
Жидкое топливо 0,1 7 000 30 000 0,8
Как видно из табл. 1, при хранении сжатого газа в стальных баллонах удельные показатели емкости хранения уступают соответствующим данным для жидкого топлива в 6-8 раз по массе и в 4-7 раз по объему. Переход на более прочные материалы значительно улучшает показатели по массе, но не влияет на объем. Выделение дополнительных объемов для хранения
топлива вызывает в основном проблемы с компоновкой транспортного средства и часто решается достаточно просто путем размещения баллонов на крышах или под днищем наземных транспортных средств или на палубах судов.
Использование природного газа в качестве моторного топлива на речных судах позволяет решить ряд проблем, обусловленных его физико-химическими свойствами. Основным компонентом природного газа является метан с плотностью 0,717 кг/м3 при нормальных условиях, что в 1 200 раз ниже, чем у дизельного топлива [1]. При этом низшая удельная теплота сгорания природного газа (в среднем 48 МДж/кг) лишь немного превышает теплоту сгорания дизельного топлива (42,7 МДж/кг) и, таким образом, решается еще одна проблема - рациональное размещение на судах необходимых запасов газового топлива [4].
Увеличение массы запаса топлива, необходимой для обеспечения определенного пробега, увеличивает время между заправками топливом, но снижает грузоподъемность, увеличивая тем самым затраты топлива на единицу производительности транспорта. Именно этому показателю уделяется наибольшее внимание. Решение проблемы идет по двум направлениям - снижение массы баллонов и развитие схем хранения сжиженного газа в криогенных емкостях.
В первом направлении имеются определенные успехи, связанные с использованием облегченных материалов. Так, фирмой Diehl разработана многослойная конструкция, включающая внутреннюю алюминиевую втулку и чередующиеся слои кольцевой и винтовой пластиковой обмотки. На этой технологической основе создано семейство баллонов емкостью от 4 до 150 л, рассчитанных на рабочее давление 200 или 300 бар. Отношение массы баллона к его емкости составляет около 0,6 кг/л. В конструкции фирмы Mannesman внутренняя часть баллона выполнена из высоколегированной стали, а наружная представляет собой армирующую обмотку из волокнистого материала, удельная прочность которого в 10 раз выше, чем у стали. Рабочее давление здесь также составляет 200 или 300 бар, объем от 60 до 165 л, а масса от 46 до 110 кг, т. е. удельное значение также составляет от 0,6 до 0,8 кг/л. Фирма Brunswick предлагает полностью пластиковый вариант, выполненный из трех слоев материалов, имеющих различные свойства. По данным изготовителя, масса таких баллонов при равных значениях объема и давления хранимого газа в 1,5 раза меньше, чем у емкостей из армированного алюминия, в 2 раза по сравнению с армированной сталью и почти в 4 раза - по отношению к цельностальным конструкциям.
Проблемы безопасного хранения сжиженного природного газа в криогенных емкостях на судах различного назначения и применения природного газа в судовых энергоустановках разрешены, в частности, в Норвегии. Несмотря на очевидное преимущество в отношении понижения токсичности отработавших газов энергетических установок и выгоду от потребления ими природного газа, применение газа на судах водного транспорта не нашло широкого распространения [5]. Основная причина - неразрешенные вопросы безопасной бункеровки сжиженного природного газа и безопасного применения природного газа в энергетических установках.
Типы СЭУ для применения газовых топлив
Паротурбинные установки (ПТУ). Наиболее просто организовать сжигание газового топлива в судовых котлах ПТУ. Преимущества ПТУ при работе на газе: практически неограниченная агрегатная мощность установки, которая может быть использована для работы на винт непосредственно; двухтопливность и нечувствительность к качеству топлива, как газового, так и жидкого. Опасность, свойственная всем ПТУ, независимо от используемого топлива - наличие высоконагруженных трубопроводов пара высокого давления, возможность образования газовоздушной смеси взрывоопасной концентрации при утечке газа в топке неработающего котла, газоходах и воздуховодах.
Газотурбинные установки (ГТУ). В конце 2010 г. судостроительная компания Incat (Австралия) получила контракт на строительство первого в мире высокоскоростного парома-катамарана, рассчитанного на 1 000 пассажиров и 153 автомобиля, использующего в качестве топлива сжиженный природный газ. В каждом корпусе катамарана предусмотрена газовая турбина компании General Electric GE Energy LM2500, которая будет служить приводом для водометного движителя Wartsila LJX 1720 [5]. В данном варианте турбина будет модифицирована таким образом, чтобы обеспечивалась возможность использовать либо природный газ, либо нефтяное топливо.
Двигатели внутреннего сгорания. Способ организации рабочего процесса в ДВС, предназначенном для работы на природном газе, влияет на токсичность отработавших газов. Выбор способа образования газовоздушной смеси (конвертирование) влияет на конструкцию двигателя и связан с его стоимостью. Двигатели на природном газе классифицируют по признакам, приведенным в табл. 2.
Таблица 2
Классификация двигателей на природном газе
Двигатели, работающие на природном газе
По способу смесеобразования По типу воспламенения топливно-воздушной смеси По принципу регулирования
Двигатели с внешним смесеобразованием Г азовые двигатели с принудительным воспламенением от электрической искры Двигатели с количественным регулированием
Двигатели с внутренним смесеобразованием (раздельная подача газа и воздуха в цилиндрах) Г азовые двигатели с форкамерно-факельным зажиганием Двигатели с качественным регулированием
Г азодизели с самовоспламенением от запальной дозы дизельного топлива Двигатели со смешанным регулированием
Фирма Energy Conversion указывает на то, что дизель может работать в двухтопливном режиме, на котором используется природный газ с незначительным количеством дизельного топлива в качестве запального [6].
Проблема возможной детонации, ограничивающей возможность сжатия газовоздушной смеси в цилиндре, решается путем использования обедненной газовоздушной смеси - чем беднее газовоздушная смесь, тем большее сжатие допустимо в цилиндре. Фирма Rolls-Royce предлагает двигатели внутреннего сгорания, работающие по циклу Отто на «бедной» смеси с внешним источником воспламенения (форкамерно-факельный процесс). Это позволяет значительно увеличить цилиндровую мощность двигателя при высоких значениях экономичности [7].
После того как дизелестроительные фирмы организовали производство двухтопливных ДВС, работающих на природном газе по циклу Дизеля с воспламенением топлива в цилиндре от сжатия, этот тип двигателя стал получать все большее распространение на судах-газовозах, а затем - и на судах других типов, использующих газ в качестве топлива. Существенным преимуществом газодизельного цикла является то, что мощность источника зажигания в нем значительно больше, чем в двигателе с искровым зажиганием, кроме того, рабочая смесь поджигается не в одной точке у холодной стенки, а в центре заряда. Благодаря этому одной из важных особенностей газодизельного процесса является возможность надежной работы двигателя на обедненной рабочей смеси.
При таком способе сохраняется возможность быстрого перехода с газового топлива на дизельное и обратно. У быстроходных дизельных двигателей расход жидкого топлива, используемого для воспламенения и полного сгорания газовоздушной смеси, составляет 10-20 % количества, расходуемого при обычном дизельном процессе. В средне- и малооборотных двигателях требуется лишь 5-8 % дизельного топлива для воспламенения. В настоящее время уже есть опытные модели двигателей, использующие 1 % пилотного топлива, и ведутся работы по дальнейшему уменьшению его количества. Именно такой способ воспламенения реализован фирмой Wartsila в двухтопливном двигателе 20DF.
Газодизельный процесс при внутреннем смесеобразовании с непосредственным впрыском газа в цилиндр реализован фирмой MAN в двигателе L51/60DF. В конструкции двигателя L51/60DF предусмотрен впрыск в цилиндр газового топлива и жидкого дизельного топлива, причем минимальное необходимое количество жидкого топлива зажигания (пилотного) уменьшено до 1 % от общего потребления. Помимо экономии жидкого топлива уменьшение пилотного топлива очень важно для уменьшения выбросов NOx. Так, при работе на газовом топливе двигатель L51/60DF выделяет всего 1,5 г/(кВт • ч) NOx, что полностью соответствует требованиям Приложения VI к МК МАРПОЛ 73/78 (уровень Tier III) для особых районов контроля выбросов NOK. Аналогичный показатель для двигателей с 6 % пилотного топлива составляет 14 г/(кВт • ч) NOx.
Заключение
Экономические и экологические преимущества газового топлива очевидны, однако при его использовании на обычных судах возникают опасности, связанные с его хранением и использованием, имевшие место ранее только на судах-газовозах. Вследствие этого при разработке нормативных документов Российского морского регистра судоходства по использованию такого топлива необходимо учитывать опыт и статистику аварий на газовозах. При этом, безусловно, необходимо учитывать особенности энергетических установок и способы размещения топлива на таких судах, но хотя объем топливных танков СПГ значительно меньше объема грузовых танков газовозов, можно предположить, что все основные опасности сохранятся.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Епифанов B. C. Применение природного газа в судовых энергетических установках // Речной транспорт. - 2008. - № 4. - С. 77-84.
2. Галышев Ю. В., Магидович Л. Е., Новичков М. Ю. Принципы анализа рабочих процессов газовых двигателей // Двигателестроение. - 2003. - № 2. - Прил. 1. Материалы Всерос. конгресса двигателестрои-телей. - СПб., 2003. - С. 3.
3. DNV class for fi rst ever LNG-fuelled high speed light craft / LNG update / Managing risk DNV. - 2010. - № 1.
4. Лиханов В. А. Природный газ как моторное топливо для тракторных дизелей. - Киров: ГИПП «Вятка», 2002. - 277 с.
5. Епифанов B. C. Эксплуатация судовых энергетических установок на природном газе. - М.: ТрансЛит, 2010. - 216 c.
6. Переоборудование энергоустановок речных теплоходов городских линий Московского региона (на примере теплохода пр. Р 51 «Москва») для работы на сжатом природном газе.: Отчет о НИР. Центр. гос. регистр. 01.97.0004875 / Моск. гос. акад. водного транспорта; рук. В. И. Толшин; отв. исп.
B. C. Епифанов, исп. А. А. Фомин и др. - М., 1997. - 105 с.
7. Апкаров И. А., Колосов К. К. Внешние показатели различных способов смесеобразования в малоразмерных судовых дизелях // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Моротая техника и технология. -2011. - № 2. - С. 55-58.
Статья поступила в редакцию 18.07.2012
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Дорохов Александр Фёдорович - Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; [email protected].
Dorokhov Alexander Fedorovich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Department "Shipbuilding and Energy Complexes of Marine Equipment"; [email protected].
Апкаров Идрис Адамович - Грозненский государственный нефтяной технический университет; доцент кафедры «Автомобильный транспорт»; [email protected].
Apkarov Idris Adamovich - Grozny State Oil Technical University; Assistant Professor of the Department "Automobile Transport"; [email protected].
Хоанг Куант Лыонг - Астраханский государственный технический университет; магистр техники и технологий; аспирант кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; [email protected].
Hoang Quang Luong - Astrakhan State Technical University; Master of Engineering and Technology; Postgraduate Student of the Department "Shipbuilding and Energy Complexes of Marine Equipment"; [email protected].
