На правах рукописи ХАСАНОВ ИЛЬНУР ИЛЬДАРОВИЧ РАЗВИТИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И ТЕХНОЛОГИЙ МОРСКОГО
advertisement
На правах рукописи ХАСАНОВ ИЛЬНУР ИЛЬДАРОВИЧ РАЗВИТИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И ТЕХНОЛОГИЙ МОРСКОГО ТРАНСПОРТА СЖИЖЕННЫХ ГАЗОВ Специальность: 07.00Л0 - История науки и техники АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Уфа-2015 2 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» Научный руководитель: Официальные оппоненты: Мастобаев Борис Николаевич доктор технических наук, профессор Ах1иадова Хава Хамидовна доктор технических наук, доцент/ФГБОУ ВПО «Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллионщикова», профессор кафедры «Химическая технология нефти и газа» Пантелеев Дмитрий Вячеславович кандидат технических наук / ЗакЬаИп Епег§у 1пуе81теп1; Сотрапу Пс!., ведущий инженер Ведущая организация: ГУП «Институт нефтехимпереработки Республики Башкортостан» Защита диссертации состоится «17» декабря 2015 года в 16:00 на заседании диссертационного совета Д 212.289.01 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Уфимского государственного нефтяного технического университета и на сайте т\^у.ги8о11.пе1:. Автореферат диссертации разослан « -/^- » о/сУЛарЛ года. Ученый секретарь диссертационного совета профессор Сыркин А.М. 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.В настоящее время потребности энергетических ресурсов в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте повсеместно возрастают. Долгие годы источниками энергии служили древесина, уголь, позднее к ним прибавилась нефть и ее фракции. В 1920-е гг. нынешнего столетия был промышленно освоен новый тип топлива газ, которому отводится все более важная роль э энергетике большинства развитых стран. Природный газ служит в качестве сырья для промышленности, из которого получают химически чистые продукты, например, синтетический каучук, синтетические спирты и прочие. Со временем выяснилось, что крупные газовые месторождения отдалены от стран, наиболее интенсивно потребляющих газ, морями и океанами. Так, предполагаемые запасы газа в районе Ближнего Востока составляют 19 007 млрд. м3, а странах Западной Европы всего 5744 млрд. м3. Поэтому морские суда являются единственными экономически выгодными средствами его транспортировки потребителю. Об этом свидетельствует рост мирового флота судов-газовозов. Суда этого типа выделены в особый класс в силу специфики перевозимого ими груза. При их проектировании приходится решать ряд особых вопросов и задач, обычно не возникающих при проектировании судов других типов. Важнейшей проблемой международной торговли сжиженными углеводородными газами как сырьем для химической промышленности и топливом является способ доставки их из районов добычи в районы потребления. Страны, не имеющие собственных значительных месторождений газа и разделенные морскими бассейнами, например, Япония, страны Западной Европы и другие, вынуждены прибегать к услугам морского транспорта. В некоторых случаях морские перевозки сжиженных газов и в пределах одной страны являются наиболее целесообразным и экономичным видом транспорта. Проблема доставки сжиженных газов морем стала особенно актуальной в последние годы в связи с бурным ростом потребления газов в областях, достаточно удаленных от мест добычи. В последнее время мировая общественность и средства массовой информации особенно пристально фокусируют внимание на возрастающем значении российской Арктики как ресурсной базы, крупной транспортной артерии и стратегически важного плацдарма для обороны северных границ нашей Родины. Более того, возобновилось обсуждение стратегической значимости Арктики для России, как с точки зрения социальноэкономического развития, так и расширения глобального геополитического влияния. Основной акцент делается на трех составляющих значимости Арктики: во-первых, природные богатства (колоссальные нефтегазовые запасы); во-вторых, привлекательность 4 Северного морского пути, который является наиболее короткой, и в перспективе удобной и надежной транспортной артерией, связывающей Европу со странами АТР; в-третьих, военное значение Арктики, обусловленное, в том числе, потенциальными «поползновениями» других стран на интересы России в регионе. Таким образом, изучение истории развития технических средств и технологий морского транспорта сжиженных газов является актуальной и может способствовать развитию топливно – энергетического комплекса России. Цель работы: проведение исторического анализа развития технологий и технических средств при проектировании и сооружении морских судов для транспортировки сжиженного природного и нефтяного газов с момента зарождения необходимости транспорта газов до настоящего времени. Реализация поставленной цели обусловила необходимость решения следующих задач: - историко-технический анализ развития технологий и технических средств при эксплуатации, проектировании и сооружении морских судов; - рассмотрение вопросов освоения Арктики, приведены различные варианты конструкций судов для использования их в арктических условиях; - исследование эволюции двигателей внутреннего сгорания, используемых на судах для транспорта СПГ и СНГ и перспективы их развития; - исследование возможности использования СПГ в качестве топлива в двигателях танкеров для транспорта СПГ и СНГ; - рассмотрение системы бункеровки между хранилищами сжиженных газов и баками морских транспортных средств. Научная новизна. Впервые проведен анализ становления, развития и перспективы танкеров для транспортировки сжиженных газов, проведен анализ существующих конструктивных особенностей танкеров. Были установлены этапы развития танкеров в зависимости от их конструктивного исполнения. Проведен анализ развития технологии и технических средств по транспортировке СПГ в арктических условиях. Выявлены особенности техники транспортировки СПГ. Дана оценка перспектив дальнейшего применения данных технологий в транспорте при этих условиях. Впервые предложено использование промежуточного буферного резервуара для слива/налива сжиженного газа. Разработана методика расчета его установки, которая позволяет снизить мощность холодильника для охлаждения СПГ в несколько раз. 5 Методы исследований. Поставленные цели и задачи были решены путем систематизации результатов статистических анализов и проработки отечественного и зарубежного опыта эксплуатации морских судов для транспортировки газов на основе широкого спектра печатных и электронных источников. Практическая ценность работы. Материалы диссертационной работы могут быть использованы при создании обобщающих историко-технических трудов, посвященных развитию нефтяного дела в России и за рубежом. Результаты работы будут полезны при выборе маршрутов поставки сжиженных газов, а также технических средств для доставки СНГ и СПГ (путей маршрута по северному морскому пути). Материалы работы используются в учебном процессе для подготовки магистров на кафедре «Транспорт и хранение нефти и газа» в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по программе «Морские сооружения транспорта и хранения нефти и газа». Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований автора представлены: - на международном научно-практическом семинаре «Рассохинские чтения», г. Ухта, 2014 г.; - на международных учебно-научно-практических конференциях «Трубопроводный транспорт – 2012, 2013», г. Уфа; - на 63, 64, 65 научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Уфа, 2012, 2013, 2014 г.; - на международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России», г. Уфа, 2014 г. Публикации. По материалам диссертации опубликованы 17 печатных изданий, в том числе: 3 статьи опубликовано в ведущих журналах, рекомендуемых перечнем ВАК и 14 тезисов докладов на научно-технических конференциях. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов, содержит 160 страниц машинописного текста, в том числе 15 таблиц, 78 рисунков, библиографический список из 116 наименований. 6 ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и основные задачи исследование, отражена научная новизна и практическая ценность работы. В первой главе выполнен анализмирового опыта использования танкерного флота для транспортировки сжиженного нефтяного газа морем. Значительные запасы природного газа находятся в удаленных районах, где нет местного рынка и откуда его транспортировка по трубопроводам может оказаться нерентабельной. Все чаще этот газ сжижается и отправляется на приемные терминалы по всему миру. Сжиженный природный газ становится одним из главных экологически чистых энергоносителей с низким уровнем вредных выбросов при сжигании. Практическое применение сжиженного нефтяного газа начинается в 1918 году, когда топливо было использовано для пайки ламп и металлорежущих паяльных ламп. Тем не менее, промышленное производство не начиналось до 1920-х годов. Продажи сжиженного газа в США превысила 223000 галлонов в 1922 году, в то время как в следующих 3 года эта цифра выросла до 400 тысяч галлонов. В 1928 году, сжиженный газ впервые был использован в качестве моторного топлива (в грузовике) и первый СНГ холодильник был сделан в этом же году. В 1929 году уровень продаж топлива превысил 10 миллионов галлонов в США. В 1914 году в США Годфри Лауелл Кабот зарегистрировал свое изобретение и получил первый патент на метод транспортировки сниженного газа на барже. Первое упоминание о перевозках сжиженных газов морем относится к 1929-1931 г. В это время нефтегазовые компании Европы и США начали переоборудовать суда различного типа под танкеры для транспортировки сжиженных нефтяных газов. Танкер «Мегара» компании «Шелл», спущенный на воду в 1929 году под флагом Голландии в 1939 году был переделан под перевозку сжиженного газа для «Шелл Танкерс Великобритания». Тоннаж танкера - 11469 GRT. В 1931 году для компании «Шелл» спущены на воду несколько танкеров одного типа: «Агнита», «Алдегонда», «Аполония», «Анастасия», «Ангелина», ходящие под флагом Голландии. В 1939 году танкер «Агнита» был переоборудован под перевозку нефти, сжиженного газа и серной кислоты одновременно. Тоннаж танкера составлял 3522 GRT. На танкере «Агнита» в 12 грузовых танках было установлено 12 вертикальных цилиндрических цистерн, выступающих над верхней палубой. Пространство в танках, не занятое цистернами, заполнялось нефтепродуктами. Главным двигателем служил дизель, 7 позволявший судну развивать скорость около 13 узл. Танкер «Агнита» перевозил сжиженные газы с острова Кюрасао (Карибское море) в западноевропейские страны. Проектирование новых и реконструкция существующих судов под перевозку сжиженных нефтяных газов прекратилась с началом Второй мировой войны. Возобновилась эта работа в 1947 году, когда компания «Уоррен Петролеум Корп.» приобрела сухогрузное судно «Кэйп Даймонд» (рисунок 1). Рисунок 1 - Сухогруз компании «Уоррен Петролеум Корп.», переоборудованный под перевозку сжиженного газа в Бомонте, Техас. Судно было переименовано в «Натали О Уорен» и оборудовано 68 вертикальными резервуарами общим объёмом 6050 м3. Стальные резервуары были рассчитаны на давление 17 кг/см2, имели большую толщину стенки и значительный вес. Резервуары размещались на высоких стойках для того, чтобы они находились выше главной палубы, для обеспечения безопасности эксплуатации, легкого тестирования и осмотра. Схема реконструированного судна представлена на рисунке 2. Судно было разобрано в 1967 году. Развитие рынка и расширение географии транспортировки СНГ необходимость сооружения специализированных судов для этих целей. Рисунок 2 - Судно «Натали О Уорен» после реконструкции показали 8 Так, в 1953 году компания «Косангас» заказала и получила в эксплуатацию первое в мире судно, построенное для транспортировки газа – «Расмус Солструп» (владельцем был Кнуд Солструп (12.07.1904 – 24.03.1989), в1941 году купил фирму «Данск Фланкегас» (датский газ в баллонах), позже названную «Косан Групп», с 1941 по 1974 году был директором этой фирмы), принимающее на борт 600 м3 СНГ (рисунок 3). Рисунок 3 - Танкер «Расмус Солструп» Сжиженный газ перевозился на судне в 12 вертикальных цилиндрических цистернах, установленных в трюме в два ряда. Цистерны, диаметром 3,3 и высотой 7,1 м, рассчитаны на давление 28 кг/см2, толщина обшивки цистерн 34 мм. На танкере находились компрессионные установки для перекачки сжиженного газа в береговые хранилища. Первым в мире газовозом, предназначенным для перевозки сниженных газов полуизотермическим способом являлся французский танкер «Декарт» (рисунок 4) одновинтовое однопалубное судно с баком и ютом, с двойным корпусом по всей длине, в котором находились пресная вода, топливо и балласт. Этот танкер был создан в компании «Гасошуен», позже названной «Текнигас». Судно было построено на верфи «Ла Сиатат Ярд», Франция. Сжиженный газ (пропан, бутан) на танкере «Декарт» перевозили в восьми цилиндрических горизонтальных резервуарах, шесть из которых были установлены в грузовых трюмах, а два на верхней палубе. Два нижних кормовых и верхние резервуары предназначены для перевозки бутана и рассчитаны на рабочее давление 9 кгс/см2. Остальные рассчитаны на перевозку пропана и бутана. Дальнейшее развитие технологии транспорта газа в охлажденном состоянии позволило после 1960 года сократить давление до 5-7 кг/см2 при этом грузовая способность резервуара увеличилась до 2000 м3, а позже до 6500 м3. 9 В феврале 1962 года начались испытания французского судна «Бове». Судно было переоборудовано из американского стандартного сухогруза типа «Либерти» и было предназначено для перевозок сжиженного метана. Грузоподъемность судна 11 тысяч тонн, длина 134 метра, ширина 17 метров. Рисунок 4- Газовоз «Декарт», первое судно для транспортировки СНГ полуизотермическим способом. Становление транспортной системы СНГ наливными судами в СССР берет свое начало после Второй мировой войны. Сжиженный газ СССР стал доступным для зарубежных стран с середины 1960 годов. В декабре 1960 года в первый рейс вышел танкер «Фрунзе», переоборудованный из нафталинного судна, для одновременной перевозки нефти и аммиака. Первые специализированные газовозы СССР для перевозки сжиженных углеводородных газов «Кегумс» и «Краслава» были построены по заказу Советского Союза в Японии на судостроитлеьной верфи «Митсубиси» в 1965 году. Конструкция газовоза «Кегумс»показана на рисунке5. Следует отметить, что большинство танкеров-газовозов сооружались для СССР в странах Европы, под заказ. Так, в 1979-80 годы флот СССР пополнился газовозами «Моссовет» и «Ленсовет». На них было установлено 4 танка общим объемом 75756 м 3. Конструкция показывает общие подходы в проектах судов того времени. 10 1 - форпик; 2 - диптанк; 3 - насосно-компрессорное отделение; 4 - отделение приводных двигателей; 5 - промежуточный резервуар; 6 - грузовые резервуары; 7 машинное отделение; 8 - станция углекислотного пожаротушения; 9 - топливные цистерны; 10 - топливно-балластные цистерны; 11 - ахтерпик Рисунок 5 - Советский газовоз «Кегумс» Существуют три типа судов для транспорта сжиженных нефтяных газов. 1. Танкеры с резервуарами под давлением. Резервуары этих танкеров рассчитываются на максимальную упругость паров продукта при плюс 45 °С, что составляет около 18 кгс/см2. Танкеры с резервуарами под давлением (рисунок 6). Вес грузовых резервуаров значительно превышает вес аналогичных устройств при других способах перевозки сжиженных газов, что соответственно увеличивает размеры и стоимость судна. Рисунок 6 - Конструкция танкера с резервуарами под давлением Танкеры грузовместимостью резервуаров до 4000 м3, производительностью налива слива 30-200 т/ч применяются при сравнительно небольших грузопотоках и отсутствии специального оборудования на береговых базах и танкерах. 11 2. Танкеры с теплоизолированными резервуарами под пониженным давлением полуизотермические (полуохлажденные). Сжиженный газ транспортируется при промежуточном охлаждении (от минус 5 до плюс 5°С) и пониженном давлении (3 - 6 кгс/см2). Полуизотермические танкеры характеризуются универсальностью приема с береговых баз сжиженного газа при разнообразных температурных параметрах. В связи с уменьшением массы грузовых резервуаров и возможностью придания им прямоугольной формы уменьшаются размеры танкера и улучшается использование объема резервуаров. Вместимость резервуаров - 2000-15 000 м3. Производительность налива-слива 100-420 т/ч. Применяются эти танкеры при значительных грузооборотах и при наличии соответствующего оборудования на береговых базах и танкерах. На рисунке 7 показана конструкция полуизотермического танкера. Рисунок 7 - Конструкция полуизотермического танкера Скорость полностью загруженного танкера равняется 16,5 узлов. Маневровые и грузовые операции в порту управляются с мостика. Конструкция киля позволяет танкеру загружаться и разгружаться в мелководных портах. Насосно-компрессорное оборудование и резервуар палубы объемом 95 м3 позволяет производить грузовые операции без помощи берегового оборудования. На борту танкера предусмотрено производство азота для обеспечения взрывопожаробезопасности. Хорошо поставленный киль вспомогательного винта и откидные створки делают маневр танкера в порту быстрым и безопасным. Система швартовки танкера позволяет ему быстро и эффективно швартоваться в порту. Вспомогательные двигатели могут использоваться в случае выхода из строя главного двигателя. Руль и винт движения обеспечивают надежность курса и маневров танкера. Грузовые резервуары цилиндрической формы со сферическими днищами. Грузовые насосы способны освободить танкер от сжиженного газа за 8 часов. 12 3. Танкеры с теплоизолированными резервуарами под давлением, близким к атмосферному, - изотермические (низкотемпературные). В изотермических танкерах сжиженные газы транспортируются при давлении, близком к атмосферному, и низкой отрицательной температуре (минус 40°С для пропана, аммиака; минус 104°С для этилена и минус 161°С для сжиженного природного газа). По форме устанавливаемых на танкере резервуаров газовозы могут быть разделены на танкеры, оборудованные сферическими, цилиндрическими и прямоугольными резервуарами. Изотермические танкеры являются наиболее совершенными, они позволяют увеличить производительность налива-слива и соответственно пропускную способность береговых баз, и оборачиваемость флота. Вместимость резервуаров свыше 10000 м3. Производительность налива-слива 500-1000 т/ч и более. Характеризуются большими размерами и применяются при значительных грузооборотах. На рисунке 8 показана конструкция изотермического (низкотемпературного) танкера. Рисунок 8- Конструкция изотермического (низкотемпературного) танкера Выбор способа транспортировки газа зависит от целого ряда технических и экономических факторов, связанных не только с размерами и конструкцией судна, но и с глубиной воды в порту, на погрузку-разгрузку, а также с условиями хранения сжиженного газа на берегу. Во второй главе рассмотрен сжиженный природный газ, его основные физические свойства и сделан анализ развития танкерного флота для перевозки СПГ. Сжижение природного газа увеличивает его плотность в 600 раз, что сокращает объем при транспортировке и хранении. Сжиженный природный газ (СПГ) - криогенная жидкость с содержанием метана не менее 86% об. (ТУ 05-03-03-85) и температурой кипения от минус 162°С, при регазификации которой из 1м3 получают около 600 м3 газа при нормальных условиях (760 мм рт. ст., 0°С).СПГ является перспективным энергоносителем и 13 обеспечивает экономическую и экологическую эффективность по отношению к другим видам топлива. Экономичность транспортировки природного газа морем по сравнению с трубопроводным транспортом повышается: по мере увеличения дальности перевозки (по расчетам, морская перевозка СПГ на расстояние 5000 км обходится не дороже перекачки по магистральному трубопроводу на расстояние 2500 км); по мере увеличения полезной грузоподъемности танкеров-метановозов и повышения коэффициента загрузки этих танкеров; при комбинировании процесса сжижения метана с другими процессами глубокого охлаждения, обычно используемыми для получения кислорода, азота и водорода. О сжижении природного газа стали серьезно думать после открытия в 20...30-х годах этого столетия в США крупных месторождений, расположенных вдали от крупных городов. Транспортировать газ по дальним магистральным трубопроводам тогда еще не умели. Вот потому-то и начались исследования по сжижению газа для его перевозки по железным дорогам и в наливных судах. Однако первая промышленная установка по производству жидкого метана была сооружена для других целей. В 1941 г. в Кливленде (США) построен завод сжижения для покрытия суточных «пиковых» нагрузок потребления газа в зимнее время. Сейчас в мире широко используются три основных типа систем хранения груза: - сферические вкладные танки типа Moss (Норвегия); - призматические вкладные танки типа SPB (Япония); - мембранные грузовые танки фирмы GTT (Франция). Идея водной транспортировки сжиженного природного газа на судах и баржах принадлежит Уильяму Вудиринсу, который в 1951 г. предложил перевозить сжиженный газ по реке Миссисипи от газовых месторождений Луизианы до города Чикаго (США). Потенциальный холод сжиженного природного газа предполагалось использовать на чикагских скотобойнях. Созданная для реализации этой идеи исследовательско- конструкторская группа разработала в 1954 г. детальный проект, получивший название «Проекта Моррисона». Была построена плавучая баржа с полной установкой для сжижения производительностью по природному газу 185 тыс. м3/сутки. В 1958 г. на верфи в г. Мобил (США) началось переоборудование сухогрузного судна «Нормарти» в судно для перевозки метана. Все резервуары были свободностоящего типа (рисунок 9). 14 1 - стальной наружный корпус; 2 - вентильные устройства. 3 - теплоизоляция из базового дерем: 4 - внутренний алюминиевый корпус Рисунок 9 - Один из резервуаров танкера «Метан Пионер» В 1958 г. на верфи в г. Мобил (США) началось переоборудование сухогрузного судна «Нормарти» в судно для перевозки метана. Переоборудование проводилось в соответствии с временными требованиями Береговой охраны США и было согласовано с Американским бюро судоходства и Английским Регистром Ллойда. В начале 1959 г. первое судно для перевозки метана, получившее название «Methane Pioneer» (рисунок 10), с грузом около 2000 т сжиженного газа на борту вышло в рейс из США в Англию. Рисунок 10 – Танкер «Метан Пионер» Первым специально спроектированным газовозом явилось построенное в 1953 г. в Швеции для датских судовладельцев судно «Расмус Толструп».Основные элементы и характеристики в таблице 1. Таблица 1 - Основные элементы и характеристики танкера «Расмус Толструп» Наименование показателя Длина между перпендикулярами, м Ширина, м Осадка, м Дедвейт, т Грузоподъемность, м3 Скорость хода эксплуатационная, узл. Значение 45,90 10,10 3,65 445 670 10,5 15 В 1965 году на верфи «Ателиерс энд Шатирес Де Ла Сьен Маритайм ЛеТрэйт», Франция, для компании «Газ Де Франс» был построен танкер СПГ «Жюль Верн» (рисунок 11). Танкер осуществлял перевозки из Алжира. Основные параметры: Общая длина 201,2 м; Высота верхней палубы 15,9 м; Осадка танкера 7,5 м; Внутренний объем всех резервуаров 25,5 тыс. м3; Средняя коммерческая скорость 17 узлов; Нормальная мощность двигателей в эксплуатационных условиях 13000 л.с.; Предельная (максимальная) мощность двигателей 15000 л.с.; Объем максимальной балластировки 18200 м3; Объем отсеков для пресной воды 490 м3; Объем отсеков для жидкого топлива 2170 м3. 1 – нижняя палуба; 2 – верхняя палуба; 3 – рулевая рубка; 4 – контрольное помещение; 5 – поперечные связи жесткости; 6 – палуба бака; 7 – нижняя палуба; 8 – верхняя палуба; 9 – отделение генераторов абсорбции холодильной установки; 10 – турбинное отделение; 11 – резервуар емкостью 4081 куб. м; 12 – резервуар емкостью 1126 куб. м. Рисунок 11 – Схема танкера-метановоза «Жюль Верн» в разрезе Первые специальные суда для перевозки сжиженного природного газа имели грузовые танки типа «Конк», но они не получили широкого распространения. Всего было построено шесть судов с этой системой. На танкерах «Арктик Токио» и «Полар Аляска» впервые были использованы мембранные танки (система «Газ Транспорт Мембран»). При проектировании газовозов должны быть решены несколько принципиальных задач. Во-первых, они касаются выбора типа системы хранения груза, от которой полностью зависят архитектурно-конструктивные особенности будущего судна; во-вторых - выбора типа и состава энергетической установки. При выборе типа грузовых емкостей необходимо учитывать целый ряд обстоятельств: надежность конструкции, технологичность, экономические показатели судна в целом и т. д. Для отечественного судостроения немаловажен и объем первоначальных вложений в освоение нового производства, так как 16 до настоящего времени газовозы в России не проектировались и не строились. Судовладелец не заинтересован в существенном повышении цены на судно, обусловленном дополнительными затратами. В этом случае система хранения груза с наименьшими первоначальными затратами может получить некоторые дополнительные преимущества. Сейчас в мире широко используются следующие типы систем хранения груза: - внутренние изолированные танки; - кессоны; - полу-мембранные танки; - мембранные танки (Газ-Транспорт и Текнигаз); - независимые танки; - тип А (тип Конк); - тип В (SPB и Мосс); - тип С. Классификация систем хранения СПГ представлена на рисунке 12. Рисунок 12 – Классификация систем хранения СПГ В третьей главе проанализированы конструктивные особенности танкеров для транспортировки сжиженных газов в арктических условиях, выявлены конструктивные особенности и перспективы развития использования Северного морского пути. Арктика обладает уникальным природно - ресурсным и инфраструктурным потенциалом, а ее освоение обоснованно становится приоритетом политики обеспечения национальной безопасности, реализуемой нашим государством. Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации (АЗРФ) осуществляется по двум основным направлениям: широкого освоения минерально - 17 сырьевого потенциала и развития транспортной системы, в том числе обеспечивающей транзитные перевозки по Северному морскому пути. Морская деятельность в Арктике на современном этапе многогранна, она складывается из нескольких компонентов: - завоз грузов, необходимых для обеспечения жизнедеятельности, для строительства; - вывоз продукции, добываемой или производимой в Арктике; - транзитные перевозки грузов по Северному морскому пути; - морская деятельность, связанная с освоением шельфа; - морская исследовательская и другая деятельность. Суммарный объем грузоперевозок в Арктике составил 10 млн т в год. Потенциальный грузопоток Севморпути оценивается в 50 млн т в год. Создание арктического ледокола является для России стратегической задачей, т.к. даст возможность обеспечивать промышленную проводку во льдах Арктики как собственных крупнотоннажных транспортных судов, так и судов иностранных судовладельцев, увеличив грузооборот на СМП до 20 млн. т и более в год. Скорость проводки крупнотоннажных транспортных судов водоизмещением 50 тыс. т в арктических льдах толщиной 1,5-2,5 м должна быть не менее 5-6 уз. и безостановочной. При выполнении этих требований можно говорить о создании круглогодичной транспортной арктической системы. Существующий в настоящее время уровень мощности атомных ледоколов типа «Арктика» не позволяет обеспечить промышленную проводку крупнотоннажных танкеров и газовозов на создаваемой круглогодичной транспортной арктической системе. Целесообразно одновременно проводить разработку арктического ледокола с главной энергетической установкой мощностью 200 - 250 МВт и соответствующего ему крупнотоннажного транспортного судна для их совместной работы в суровых условиях Арктики. В четвертой главе рассмотрены двигатели, используемы на танкерах для перевозки СПГ и СНГ. Транспортный сектор является одним из основных потребителей нефтяного топлива, а также одним из главных источников углекислого газа (СО2). По данным Еврокомиссии, европейский транспортный сектор на 94% зависит от нефти, 84% из которой импортируется, следствием чего являются ежедневные затраты в €1 млрд., а также постоянное негативное воздействие на окружающую среду. Кроме того, мировые запасы 18 нефти уменьшаются, цены растут, а количество автомобилей в мире стремительно увеличивается. Принимая во внимание вышеуказанные факты, становится очевидной необходимость перехода транспортного сектора на альтернативные источники энергии. В связи с этим на протяжении последних лет во всем мире ведется активная научная деятельность, направленная на поиск и совершенствование альтернативных источников энергии, которые смогли бы в будущем заменить традиционные ископаемые виды топлива. На сегодняшний день можно выделить 5 основных альтернативных источников энергии, которые с технической и экономической точек зрения могут быть использованы в транспортном секторе. Данными источниками являются сжиженный углеводородный газ, природный газ в сжиженной и компримированной форме, электричество, жидкое биотопливо и водород. В начале XX в. начали появляться судовые двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Первое в мире датское судно «Зеландия» с дизельной установкой, построенное в 1912 г., имело два дизеля мощностью по 147,2 кВт. Эти ДВС приводили в движение непосредственно по одному гребному винту. После этого ДВС стали совершенствоваться довольно быстро. Процесс особенно ускорился после второй мировой войны. В настоящее время основную часть устанавливаемых на судах главных энергетических установок составляют ДВС. Паротурбинные установки имеют только суда с мощностью двигателей от 14700 до 22 100 кВт. В некоторых странах по традиции, а также исходя из имеющихся производственных мощностей турбинный двигатель применяют и на судах меньшей мощности. Это особенно характерно для судов торгового флота США. Приблизительно до конца 60-х гг. на судах устанавливали реверсивные главные двигатели, позволяющие судну осуществлять задний ход. Только при малых мощностях для реверса ДВС использовали специальные устройства (реверсредукторы), дающие возможность маневрирования. В 60-х гг. одновременно с появлением винтов регулируемого шага начали в качестве главного двигателя применять нереверсивные ДВС вначале на малых судах, траулерах и буксирах, а затем и на больших торговых судах. За счет этого конструкция двигателей упростилась (рисунок 13). Двухтактные дизели изготовляют в виде многоцилиндровых рядных двигателей с 10 12 цилиндрами. Диаметр цилиндров больших двухтактных дизелей достигает 1000 мм, ход – 1500 - 2000 мм. Мощность цилиндра при общей мощности двигателя более 29 440 кВт составляет от 2900 до 3700 кВт. В связи с этим ДВС можно использовать в качестве главных двигателей и на крупных судах. Двухтактные дизели имеют очень большие размеры и 19 массу. Их удельная масса достигает 40 - 55 кг/кВт. При мощности, например, 14720 кВт, масса составляет 600 - 800 т. Рисунок 13 - Машинное отделение (дизель со вспомогательными механизмами). Четырехтактные дизели применяют на судах либо в составе дизель-генераторных установок, либо в качестве главного двигателя в многовальных энергетических установках (по одному дизелю на один движитель) и, соответственно, в многодвигательных установках для одного движителя. Применение среднеоборотных дизелей в качестве главного двигателя дает следующие преимущества: - увеличение надежности (при выходе из строя одного двигателя остальные продолжают работать); - уменьшение габаритов и собственной массы деталей (например, клапанов, поршней, кривошипных механизмов, подшипников и т. д.); - уменьшение удельной массы, которая в зависимости от мощности составляет от 14 до 35 кг/кВт (для мощностей около 2200 кВт). Судоходные компании во всём мире всё чаще заказывают на верфях Супертанкеры. Это бурно развивающийся сектор судостроительного рынка. Этим судам требуется всё более и более совершенная начинка, в том числе судовые двигатели. И именно для таких судов на дизеле строительных заводах в Финляндии строят самые большие в мире единичные судовые ДВС мощностью около 100 тыс кВт. Компания «Wartsila» - один из мировых лидеров в области судовых дизелей большой единичной мощности. С 1990-х годов она разработала линейку судовых двигателей «Wartsila - Sulzer - RTA96-C». Сжиженный природный газ (СПГ), как топливо на морских судах, используется уже многие годы, но это характерно для танкеров-метановозов, где неизбежно происходит испарение СПГ в рейсе. Здесь испарившийся газ используется для сжигания в котлах 20 паровых турбин, либо в двухтопливных двигателях. Но в последнее время наблюдается повышенный интерес к СПГ как к топливу на судах в Европе. Это обусловлено ужесточением экологических требований к выбросам в европейских портах. На фоне общей ухудшающейся экологической ситуации в развитых и развивающихся странах доля выбросов при морских транспортировках представляется весьма значительной и составляет, от общемировых, порядка 2-4 % CO2, 10-20 % NOx, 4-8 % SOx. При операциях со сжиженными газами неизбежно происходит их естественное испарения. Поэтому потери холода должны быть компенсированы каким-либо образом. Например, на судах-газовозах испарившийся газ используется либо в качестве топлива, либо с помощью специальных систем конденсации превращается в жидкость и направляется обратно в ёмкости. В системах хранения также устанавливаются компрессоры, откачивающие испарения, направляют их в систему конденсации и обратно в резервуары. Система бункеровки является связующим звеном между хранилищами сжиженных газов и баками морских транспортных средств. И в данном случае испарение будет происходить именно в баках при наполнении и в дальнейшем в рейсе. Поэтому при проектировании транспортных комплексов, включающих бункеровочные пункты, необходимо предусмотреть управление процессом испарения и минимизировать количество испаряющегося газа. Применение буферного резервуара позволяет снизить мощность холодильной установки в несколько раз, что с точки зрения ресурсо-энергосбережения может быть весьма существенным показателем. В случае морского транспорта СПГ приобретает особую привлекательность в связи с уменьшением предельно допустимого содержания серы в морском топливе. Согласно принятому законодательству, с января 2015 года, предельное содержание серы в топливе судов, находящихся в водах Ла-Манша, Балтийского и Северного морей, снизится 1% до 0,1 %. Данное постановление затронет около половины из 10000 судов, занимающихся перевозкой грузов внутри ЕС. Кроме того, с 1 января 2020 года, вступят в силу новые мировые нормы, которые предусматривают снижение предельного содержания серы в морском топливе с 3,5% до 0,5 %. На ряду с экологической составляющей, использование СПГ в качестве морского топлива принесет также значительный экономический эффект. Из вышесказанного очевидно, что СПГ имеет огромный потенциал уже в ближайшие годы стать заменой транспорте. традиционному нефтяному топливу, использующемуся в морском 21 ВЫВОДЫ Рассмотрены вопросы транспорта сжиженного нефтяного и сжиженного 1. природного газа и проведен анализ методов транспортировки газа, позволивший выявить особенности морского танкерного и трубопроводного транспорта СНГ и СПГ. Установлено, что в сложившейся структуре расположения мест добычи и потребления СНГ и СПГ преимущественным является морской танкерный транспорт. На основе проведенного анализа морских перевозок СНГ и СПГ выделены 2. основные временные этапы разработки новых типов танкеров (1. 1939 – 1947 гг.; 2. 1948 – 1953 гг.; 3. 1954 – 1964 гг.; 4. 1965 – 1980 гг.; 5. 1981 – 2000 гг.; 6. 2001 – по настоящее время). Представлены тенденции изменения конструктивных особенностей танкеров, перспективные направления развития в области судостроения. Представлена роль ученых, конструкторов и инженеров, которые внесли 3. огромный вклад в развитие танкерного флота СПГ и СНГ. Показаны возможности осуществления переработки продукции скважин 4. Арктики и последующей ее транспортировки на специализированных судах по Северному морскому пути. Рассмотрена эволюция силовых установок танкеров для перевозки СПГ. 5. Установлено, что использование двухтопливных двигателей одновременно могут решить экономическую и экологическую проблемы. Разработана методика расчета слива/налива сжиженного газа. Предложено 6. внедрить буферный резервуар, что влечет за собой снижение мощности холодильной установки. Основное содержание работы изложено в 18 научных трудах, из них статьи (№ 13) опубликованы в журналах из перечня ВАК: 1. Хасанов, И.И. Влияние изменения свойств попутного нефтяного газа на транспорт по магистральному трубопроводу / И.И. Хасанов, А.М. Шаммазов, Р.К. Терегулов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. – 2012. - №2. – С. 3 – 6. 2. Хасанов, И.И. Становление межконтинентальных морских перевозок сжиженного газа / И.И. Хасанов, А.Р. Гимаева, А.И. Иванов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. – 2013. - №4. – С. 91 – 96. 22 3. Хасанов, И.И. Развитие морского транспорта сжиженных природных газов / И.И. Хасанов, А.М. Шаммазов, Р.К. Терегулов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. – 2014. - №3. – С. 13 – 19. 4. Хасанов, И.И. Влияние изменения свойств попутного нефтяного газа на транспорт по магистральному трубопроводу / И.И. Хасанов, Б.Н. Мастобаев, Р.К. Терегулов // Реактив – 2011: Матер XXVЮб. Междунар. научно-техн. Конф. / Уфа: «Реактив», 2011. – C. 130-131. 5. Хасанов И.И. Транспорт попутного нефтяного газа по трубопроводу с учетом изменения его свойств / И.И. Хасанов,Б.Н.Мастобаев, Р.К. Терегулов// Рассохинские чтения: материалы межрегионального семинара (3-4 февраля 2012 года) / под ред. Н.Д. Цхадая. – Ухта: УГТУ, 2012. – С. 377-380. 6. Хасанов, И.И. Проблема транспорта и переработки попутных газов морских месторождений в моторные топлива / / И.И. Хасанов // 63-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: Материалы конференции / УГНТУ. - Уфа, 2012. - Кн.1. 7. Хасанов, И.И. Проблемы утилизации, переработки и транспорта попутных нефтяных газов / И.И. Хасанов, Б.Н.Мастобаев // Трубопроводный транспорт - 2012: Матер VIIIМеждунар. учебно-научно-практ. конф. / УГНТУ. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2012. – C. 151153. 8. Хасанов, И.И. Развитие морского транспорта сжиженных нефтяных газов / И.И. Хасанов, Т.В.Дмитриева // Реактив – 2012: Матер XIIМеждунар. научн. конф. / Уфа: «Реактив», 2012. – C. 192-194. 9. Хасанов, И.И. Анализ морского транспорта сжиженных нефтяных газов/ И.И. Хасанов, Р.К. Терегулов // Рассохинские чтения: материалы межрегионального семинара (89 февраля 2013 года) / под ред. Н.Д. Цхадая. – Ухта: УГТУ, 2013. – С. 151-153. 10. Хасанов, И.И. Становление танкерного флота для перевозки сжиженного нефтяного газа / И.И. Хасанов, А.И. Иванов // 64-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: Материалы конференции / УГНТУ. - Уфа, 2013. Кн.1.- С.52-53. 11. Хасанов, И.И. Транспортировка сжиженного нефтяного газа по морю / И.И. Хасанов, А.И. Иванов // Трубопроводный транспорт - 2013: Матер IХ Междунар. учебнонаучно-практ. конф. / УГНТУ. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2013. – C. 141-143. 23 12. Хасанов, И.И. Варианты и источники получения сжиженного нефтяного газа (СНГ) / И.И. Хасанов, Б.Н.Мастобаев // Трубопроводный транспорт - 2013: Матер IХ Междунар. учебно-научно-практ. конф. / УГНТУ. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2013. – C. 143-145. 13. Хасанов, И.И. Становление морских перевозок сжиженного газа / И.И. Хасанов // Реактив – 2013: Матер. XIII Междунар. научн. конф. / Уфа: «Реактив», 2013. – C. 110-113. 14. Хасанов, И.И. Морской транспорт сжиженного газа и его использование на судах / И.И. Хасанов, Б.Н.Мастобаев // Рассохинские чтения: материалы международного семинара (6-7 февраля 2014 года) / под ред. Н.Д. Цхадая. – Ухта: УГТУ, 2014. – С. 184-187. 15. Хасанов, И.И. Транспортировка сжиженного нефтяного газа в морских условиях / И.И. Хасанов // Проблемы строительного комплекса России: Матер. XVIIIМеждунар. научно-техн. конф. / Уфа: РИЦ УГНТУ, 2014. – C. 256-257. 16. Хасанов, И.И. Морской транспорт сжиженного газа и его использование на судах / И.И. Хасанов, Б.Н. Мастобаев // 65-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: Материалы конференции / УГНТУ. - Уфа, 2014. - Кн.2.С.115-116. 17. Хасанов, И.И. Совершенствование энергетических установок танкеров для перевозки сжиженных природных газов / И.И. Хасанов, А.И. Иванов // Реактив – 2014: Матер. XIV Междунар. научн. конф. / Уфа: «Реактив», 2014. – C. 47. 18. Хасанов, И.И.Применение двухтопливного двигателя при перевозке сжиженного газа / И.И. Хасанов // Трубопроводный транспорт - 2015: Матер Х Междунар. учебно-научно-практ. конф. / УГНТУ. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2015. – C. 249-250.
