Природный газ на водном транспорте

Газовое моторное топливо на водном транспорте нашло практическое применение на морских судах-газовозах для транспортировки сжиженного природного газа, где во время перевозок СПГ происходит непрерывное испарение газов – 0,2-0,3 % в сутки от объема груза. Для уменьшения потерь можно повторно сжижать испаряющийся газ и перекачивать его в грузовые танки либо использовать в качестве топлива для главных двигателей.

Анализ показывает, что применение испарившихся жидких газов в качестве топлива для главных двигателей позволяет покрыть годовой убыток от испарения за счет экономии расходов на нефтяные топлива и на некоторых типах метановозов бывает экономически выгоднее повторного сжижения, которое требует дорогостоящих специальных установок. Однако применение только испаряющегося газа как топлива в главных двигателях невозможно из-за неравномерного его испарения, зависящего от многих факторов: эффективности теплоизоляции, формы, объема, конструкции и степени заполнения грузовых танков, характеристик устойчивости и качки судна, погодных условий. Поэтому для равномерной подачи газа в двигатель необходимо сбрасывать в атмосферу лишний газообразный метан или его недостаток восполнять обычным нефтяным топливом. В связи с этим энергетические установки современных метановозов приспосабливаются для работы на двух видах топлив. К числу таких установок, которые наиболее просто могут быть переоборудованы для работы на природном газе и жидком топливе, относятся газодизели. Однако это не исключает применение на морских метановозах в качестве главных двигателей паротурбинных и газотурбинных установок.

В перспективе возможно применение на метановозах главных газовых двигателей, работающих по чисто газовому циклу. В этих целях топливные танки жидкого топлива должны быть заменены на криогенные емкости для хранения в них СПГ, выполненные по типу грузовых танков-метановозов.

В настоящее время для перевозки СПГ на метановозах применяют разнообразные конструкции грузовых танков, которые можно подразделить на два основных типа — объединенные с корпусом или самонесущие. К танкам объединенного типа (составная часть судового корпуса) относятся встроенные (интегральные) танки, образованные двойным дном и двойными бортами газовоза, причем изоляция располагается на балластной стороне перекрытий. Газовозы этого типа строятся в Японии для перевозки нефтяных газов. К типу объединенных танков относятся мембранные танки с вторичным барьером (а).

Конструктивные решения грузовых танков-газовозов

Некоторые конструктивные решения грузовых танков-газовозов
1 – изоляция; 2 – грузовой танк; 3 – балластный отсек; 4 – первичный барьер; 5 – фанера; 6 – переборка; 7 – полихлорвинильный пенопласт; 8 – вторичный барьер (нержавеющая сталь); 9 – трубопроводы; 10 – внутренний борт; 11 – насосы; 12, 13 – верхнее и нижнее опорное перекрытие; 14 – горизонтальный резервуар; 15 – вертикальные резервуары; 16 – сборный лоток.

Промежуточный вариант между мембранными и самонесущими танками составляют танки полумембранного типа (б), которые изготавливаются в виде вставных призматических емкостей с закругленными углами и гранями. Такое конструктивное решение позволяет танкам этого типа воспринимать температурные деформации и собственный вес в порожнем состоянии, но после заполнения жидким газом давление груза (как в мембранных танках) передается через изоляцию на судовой корпус. В объединенный тип танков входят танки с внутренней изоляцией (в), выполненной из пенополиуретана. К танкам самонесущего типа относятся призматические плоскостенные, цилиндрические (г), многорезервуарные (д), сферические и цилиндрические.

Сферические танки изготовляются из холодостойких материалов и изолируются с наружной стороны. Несмотря на трудности сварки толстых листов холодостойкой стали, применение сферических танков дает ряд преимуществ. В частности, удается отказаться от вторичного барьера, поскольку такие танки проектируются как сосуды высокого давления, упрощается расчет прочности таких танков, появляется возможность повышения давления внутри танка (до 0,3 МПа), что позволяет в случае отказа насосов выгружать газ выдавливанием. Кроме того, повышается безопасность эксплуатации, так как уменьшается вероятность повреждения танка при столкновении благодаря тому, что только незначительная его часть расположена у наружной обшивки корпуса. Сюда следует добавить относительную простоту изоляции сферических танков. Цилиндрические танки также выполняются из свариваемой стали, стойкой при низких температурах, и устанавливаются вдоль или поперек корпуса судна. В США разработаны цилиндрические танки из железобетона.

Для изготовления грузовых танков применяются металлы, сохраняющие высокую ударную вязкость при низких температурах, обладающие малым коэффициентом расширения и хорошей свариваемостью. Вкладные грузовые танки изготовляются обычно из 9%-ной никелевой стали, алюминиевых сплавов и нержавеющей стали. Для изготовления мембран применяют сталь «инвар» с содержанием 36 % никеля и высоколегированную хромоникелевую сталь с 10 % никеля и 18 % хрома.

Изоляция танков представляет собой сложную конструкцию и обычно состоит из нескольких компонентов. В качестве изоляционных материалов наиболее широко применяются бальзовое дерево, полиуретановая и поливинилхлоридная пена, стекловата, стекловолокно и перлит.

Основные характеристики изоляционных материалов
Материал Коэффициент теплопроводности, Вт/(м · °С) Плотность, кг/м3
Бальзовое дерево 0,0442-0,0582 (при 0°С) 100-170
Поливинилхлорид 0,0326 40
Полиуретановая пена 0,0547-0,0663 (при 20°С) 100-220
Стекловата 0,0407 60

Особый интерес представляют многорезервуарные грузовые танки, выполненные в виде объединенных в группы вертикальных сварных алюминиевых труб диаметром приблизительно 3 м. Эти трубчатые резервуары устанавливаются в трюмы, образуя готовую конструкцию, позволяющую хорошо использовать внутренний объем корпуса судна. Разделение общего объема грузовых: танков на большое число самостоятельных трубчатых резервуаров снижает транспортный риск до минимума, одновременно значительно уменьшая влияние свободной поверхности жидкого груза (СПГ) и сводя практически к нулю динамические нагрузки от гидравлических ударов. Изоляция укладывается на внутренние поверхности двойного корпуса судна, а не на танки, и при выборе типа изоляции основным требованием является обеспечение термической защиты, а не восприятие веса танков, так как дополнительные механические нагрузки, возникающие при несущих конструкциях танков, здесь отсутствуют.

Объединение отдельных трубчатых резервуаров в группы обеспечивает их равномерное заполнение при погрузке СПГ, а также создает эксплуатационную гибкость в отношении возможности одновременной перевозки различных жидких грузов.

Опытные емкости для СПГ аналогичного типа были сооружены и испытывались в 50-х годах в составе оборудования для сжижения природного газа Московского газоперерабатывающего завода.

Таким образом, разнообразие конструкций грузовых танков для перевозки СПГ свидетельствует о том, что конструктивный тип метановоза еще не сложился. Однако рассмотренные конструктивные особенности грузовых танков-метановозов являются основой для проектирования топливных емкостей СПГ, которыми могут оборудоваться не только метановозы, но и морские и речные сухогрузные суда. При этом необходимо учитывать, что СПГ по сравнению с традиционными нефтяными топливами имеет приблизительно вдвое меньшую плотность. Поэтому вместимость судовых топливных емкостей для СПГ, обеспечивающая сохранение дальности плавания от одной бункеровки, также должна быть вдвое большей, чем для дизельного топлива. Это практически во всех случаях потребует внесения изменений в конструкцию судна, обеспечивающих размещение бункера увеличенного объема.

Применение природного газа в сжатом (КПГ) или сжиженном (СПГ) виде на морских и речных сухогрузных судах связано с развитием сети заправочных комплексов (газонаполнительных компрессорных станций или баз производства СПГ) для бункеровки природным газом указанных судов.

В первую очередь такая сеть может быть создана внутри страны для бункеровки морских судов прибрежного плавания и судов, плавающих в закрытых бассейнах, таких, как, например, Каспийское и Азовское моря, а также речных судов и судов портового флота. Для этих целей в береговой зоне морей, рек и вблизи портов сооружаются заправочные комплексы (в случае отсутствия свободных от застройки участков такие комплексы могут размещаться в прибрежной зоне на плавучих основаниях). При этом организация бункеровки судов может осуществляться следующим образом:

  • строительство мощной кустовой газонаполнительной компрессорной станции (ГНКС) или мощной базы по производству СПГ в прибрежных районах максимального приближения к существующим магистральным газопроводам;
  • создание парка плавучих бункеровочных баз сжатого и сжиженного природного газа для заправки судов во время рейса (по типу передвижных автозаправщиков).

Потребление газового топлива на речном флоте характеризуется резко выраженной сезонностью. Производительность заправочных газовых комплексов выбирается, естественно, исходя из потребления в летний период. В этой связи необходимо, чтобы производимое газовое топливо в зимнее время года использовалось железнодорожным и автомобильным транспортом. Взаимная увязка потребления топлива различными видами транспорта на этих комплексах может быть осуществлена путем сооружения хранилищ СПГ, обеспечивающих создание необходимых запасов.

В этом отношении комплексы для снабжения речного транспорта будут аналогичны комплексам СПГ для резервирования запасов газа в отдельных промышленных районах.

Источник: Гайнуллин Ф.Г., Гриценко А.И., Васильев Ю.Н., Золотаревский Л.С. - «Природный газ как моторное топливо на транспорте» (Москва, Издательство «НЕДРА», 1986)