Судовой двигатель СПГ - Marine LNG Engine

А судовой двигатель СПГ это двухтопливный двигатель который использует натуральный газ и бункерное топливо преобразовывать химическую энергию в механическую. Благодаря более чистым свойствам горения природного газа, использование природного газа в силовых установках торговых судов становится вариантом для компаний, стремящихся соблюдать ИМО и МАРПОЛ экологические нормы. Природный газ хранится в жидком состоянии (СПГ ), а отпарный газ направляется и сжигается в двухтопливных двигателях.[1] Судоходные компании осторожно подходят к выбору силовой установки для своего флота. В паровая турбина Система была основным выбором в качестве основного двигателя газовозов СПГ в течение последних нескольких десятилетий. В системе паровых танкеров-газовозов, созданной несколько десятилетий назад, используется BOG (отпарный газ). Танкеры СПГ имеют прочную изоляцию, чтобы поддерживать температуру СПГ около -160 ° C - чтобы он оставался сжиженным. Что происходит, так это то, что даже со всей изоляцией в зону удержания СПГ проникает тепло, что позволяет образовывать испарительный газ естественным путем (BOG).[2]

Танкер-химовоз с двигателем СПГ Крачка океан на Ферт-оф-Клайд

История

Доставка СПГ стала возможной в 1959 году, когда переоборудованное грузовое судно времен Второй мировой войны Methane Pioneer безопасно доставило сжиженный природный газ в Соединенное Королевство. После доказательства того, что СПГ можно безопасно транспортировать через океан, индустрия судоходства СПГ пережила бум и теперь использует 200 миллиардов долларов ежегодно капитала. С момента создания отрасли СПГ в 1964 году международная торговля увеличилась в 50 раз, производственные мощности увеличились в 10 раз, а вместимость отдельных судов увеличилась в 5 раз. Конструкция танкера для СПГ была первоначально разработана Worm's and Co. Эта конструкция теперь называется «Транспортная конструкция газа». Изначально резервуары были рассчитаны на 34 000 кубических метров, но их конструкция была преобразована в 71 500 кубических метров. Сферические резервуары для СПГ появились в 1973 году, когда Хог построил Norman Lady. Сферические резервуары распространены среди современных судов для СПГ. В 1999 году компания Samsung Heavy Ind. Создала крупнейший танкер-газовоз нового мембранного типа для своего времени. Он был самым большим однокорпусным судном своего времени, его длина составляла 278,8 метра, а скорость - 20,7 узлов. Arctic Princess, поставленный в 2006 году, был самым большим танкером СПГ из когда-либо созданных. Ее длина - 288 метров, объем - 147 тысяч кубометров. С 2006 года производственные мощности продолжали 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. По крайней мере, один судостроитель заявляет, что возможно строительство СПГ-судна объемом 200000 кубометров. https://www.gastechevent.com/sites/default/files/D2_T2_Johan%20Petter-Tutturen-Odin%20Kwon_DSME.pdf

Отпарный газ

Природный газ, который используется в двухтопливных двигателях, перевозится на судах в виде кипящей жидкости и транспортируется при давлении, немного превышающем атмосферное. Когда через изоляцию резервуара попадает тепло, это вызывает повышение температуры сжиженного природного газа, что приводит к его испарению 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, теплоизоляция резервуаров проникает сквозь тепло. Выкипание происходит во время плавания судов. Во время шторма груз СПГ перемещается и плещется в резервуарах. Отпарный газ составляет 0,1% - 0,25% от суточной мощности судов. В резервуарах необходимо поддерживать постоянное давление. Если давление в резервуарах не контролируется, сброс или предохранительные клапаны принудительно открываются, выпаривание происходит в атмосферу до тех пор, пока давление не будет сброшено. На данный момент было доказано, что повторное сжижение СПГ на борту судна неэкономично для большинства судов. Вместо этого газ, производимый этим эффектом выкипания, направляется в двигательную установку корабля и используется в качестве топлива для электростанций, таких как паровые котлы и судовые дизельные двигатели, работающие на двух видах топлива. Это сокращает использование бункерного топлива, снижает затраты на топливо и затраты на обслуживание оборудования.[3]

Технологии

Самсунг Supreme был контейнеровозом для перевозки СПГ типа Mark-III, который был самым большим в своем роде. У Supreme были новейшие технологии, которые можно было увидеть на судах СПГ. Она имеет танки, полностью окруженные двойным дном корпуса, и перемычку между танками. Каждый танк хранит свой груз при -163 градусах Цельсия. Это стандартная температура хранения СПГ. Это достигается за счет изоляции 250 мм и мембраны из нержавеющей стали толщиной 1,2 мм. В каждом грузовом танке есть погружные центробежные насосы для быстрой выгрузки груза. Это стандартный метод разгрузки резервуаров для СПГ. Максимальная засуха для судов СПГ обычно составляет 12 метров. Это связано с размерами портовых сооружений и ограничениями. Наиболее распространенный размер судов для СПГ составляет от 120 000 до 180 000 кубических метров из-за размеров корабля. (Тенденции движения в двухтактных двигателях газовозов-газовозов, 2017).

Два распространенных типа танкеров для перевозки СПГ - это моховые и мембранные. Танкеры мохового типа имеют сферические резервуары для хранения СПГ, а танкеры мембранного типа имеют более традиционные резервуары прямоугольной формы с мембраной из нержавеющей стали. Мембранные танкеры более распространены, потому что они меньше, чем моховые корабли, для того же количества перевозимого СПГ-топлива, но они производят больше отпарного газа, чем корабли в моховом стиле.

Исследование, проведенное MEC Intelligence, показало, что СПГ будет основным источником топлива для всех торговых судов в течение 40 лет. Многие компании уже начали рассматривать процесс перевода своего флота на силовые установки на СПГ.

Двигательные установки судов, работающих на СПГ, обычно оснащены WHR, поскольку они могут привести к снижению выбросов, снижению расхода топлива и повышению эффективности. Переход на суда, работающие на СПГ, - сложная задача для компаний, но в сочетании с современными системами сокращения тепловых отходов (WHR) суда для СПГ могут быть более эффективными, чем суда с дизельными или паровыми двигателями.

Тепловые потери стандартного двигателя внутреннего сгорания:

Двигательные установки

В большинстве силовых установок танкеров для перевозки СПГ используется BOG и жидкое топливо. В паровой установке BOG используется для розжига котлов и производства пара. Пар приводит в движение турбины и движет корабль. Преимущество этого типа заключается в том, что при повышении давления в грузовом танке СПГ избыточный BOG сжигается одновременно с жидким топливом. Если не хватает БОГ, жидкое топливо (мазут или HFO) используется для поддержания работы завода.[2] Альтернативой паротурбинному двигателю является судовой двухтопливный дизельный двигатель. Производители силовых установок коммерческих судов, такие как Финляндия Wärtsilä и Германии MAN Дизель SE производят двухтопливные дизельные двигатели с большим диаметром цилиндра. Двигатели MAN B&W ME-GI имеют чрезвычайно гибкие топливные режимы, которые варьируются от 95% природного газа до 100% HFO и где-то между ними. 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 двигателем для судов, работающих на СПГ, хотя двухтактные дизельные двигатели более эффективны. Это связано с тем, что необходимо утилизировать отпарный газ из СПГ.

Рентабельность

Недавние исследования были сосредоточены на использовании СПГ в качестве топлива на судах, кроме танкеров СПГ. Эти исследования показывают, что СПГ отличается сокращением выбросов и сокращением эксплуатационных расходов.[1] Было показано, что некоторые экономические стимулы выгодны для эксплуатации силовой установки на СПГ. Когда к электростанции добавляются определенные системы, такие как утилизация отработанного тепла (использующая отработанное тепло для работы, а не для рассеивания), можно наблюдать значительную экономию. Одно исследование показывает, что двигатель на СПГ с системой WHR экономит деньги по сравнению с дизельным двигателем с WHR. Первоначальные инвестиционные затраты выше, но это рентабельный и экологически безопасный метод.[5]

Экологические проблемы

Природный газ состоит в основном из метана, который имеет гораздо более сильный парниковый эффект, чем CO2 ref: Потенциал глобального потепления. Воздействие метана на климат в значительной степени связано с утечкой метана. Например, есть проблема под названием проскок метана. Проскок метана - это утечка несгоревшего газа через двигатель.[нужна цитата ] У метана GWP (20) (20-летний потенциал глобального потепления) в 86 раз выше, чем у CO2. Если проскок метана не контролируется, экологические выгоды от использования природного газа уменьшаются и могут свести на нет преимущества перед дизельным или бункерным топливом из-за высокого парникового эффекта метана.[6] Еще одна проблема - это опасности, связанные с хранением СПГ при очень низких температурах. Изоляция резервуара имеет решающее значение, и есть вероятность структурной хрупкости и обморожения персонала.[1] По сути, поскольку установлено, что СПГ для движения кораблей снижает СО2 и другие загрязняющие вещества по сравнению с обычным тяжелым топливом, реализация СПГ зависит от следующих ключевых факторов: наличие газа, спрос на суда, пределы выбросов (зоны с контролируемыми выбросами), установка резервуаров для СПГ и требования безопасности.[1] Следует учитывать проблемы, связанные с использованием СПГ. Такие проблемы, как отсутствие инфраструктуры в большинстве торговых портов, ограниченный опыт работы экипажа с двигателями на газовом топливе, будущая цена на газ и необходимые меры безопасности - все это важные моменты, которые следует учитывать.[5]

Использование СПГ снижает содержание оксидов серы почти на 100 процентов и снижает выбросы оксида азота примерно на 85 процентов.[нужна цитата ] Ведутся серьезные споры о том, приводит ли использование СПГ к сокращению выбросов парниковых газов, и исследования показывают, что утечка метана сводит на нет выгоды для климата.[7][8]

использованная литература

  1. ^ а б c d Бурель, Фабио; Таккани, Родольфо; Зулиани, Никола (2013). «Повышение устойчивости морского транспорта за счет использования сжиженного природного газа (СПГ) в качестве двигателя». Энергия. 57 (1): 412–420. Дои:10.1016 / j.energy.2013.05.002.
  2. ^ а б Чанг, Дэджун; Ри, Тэджин; Нам, Киил; Чанг, Квангпиль; Ли, Дунхун; Чон, Самхон (2008). «Исследование доступности и безопасности новых силовых установок для газовозов». Надежность и безопасность системы. 93 (12): 1877–1885. Дои:10.1016 / j.ress.2008.03.013.
  3. ^ Тусиани, М. Д., и Ширер, Г. (2007). СПГ: нетехническое руководство. Талса, Окла: PennWell.
  4. ^ MAN Дизель и Турбо. (2013, 28 февраля). Гибкое двойное будущее - двигатель MAN B&W ME-GI [Видео файл]. Полученное из https://www.youtube.com/watch?v=V0MVdIQYonM
  5. ^ а б Ливанос, Джордж А .; Богородица, Герасим; Пагонис, Димитриос-Николаос (2014). «Технико-экономическое исследование альтернативных энергетических установок для паромов и судов типа RoRo». Преобразование энергии и управление. 79: 640–651. Дои:10.1016 / j.enconman.2013.12.050.
  6. ^ Поспех, Питер (21 апреля 2014 г.). "Вреден ли скольжение метана в двигателе внутреннего сгорания для окружающей среды?". Морской репортер и инженерные новости. Получено 27 сентября 2019.
  7. ^ https://www.theguardian.com/environment/2015/jun/24/natural-gas-leaks-methane-environment
  8. ^ Brandt, A.R .; Heath, G.A .; Kort, E.A; и другие. (2014). «Утечки метана из систем природного газа Северной Америки». Наука 343 (6172): 733-735, DOI: 10.1126 / science.1247045.