Способ обеспечения газовым топливом энергетических установок танкеров сжиженного природного газа - RU2546050C1

Описание

Область техники

Изобретение относится к судостроению и морскому транспорту, в частности к танкерам сжиженного природного газа (СПГ), использующим в качестве основного энергоносителя перевозимый в сжиженном состоянии природный газ, и более конкретно к системам обеспечения газовым топливом судовых потребителей за счет эффективного использования в первую очередь постоянно генерируемого газа в грузовых танках за счет естественного испарения СПГ.

Уровень техники

СПГ представляет собой в основном метан (СH₄), сжиженный при температуре - 162°C и атмосферном давлении, с объемным соотношением жидкой фазы к газообразной примерно 1:600, и удельной плотностью жидкой фазы от 0,43 до 0,50 т/м³. Танкер СПГ представляет собой судно для его транспортировки водным путем от мест производства к портам нахождения потребителей. В настоящее время все чаще главные энергетические установки танкеров СПГ комплектуются несколькими двухтопливными дизель-генераторами, которые могут работать как на природном газе, так и на нефтяных топливах: дизельном (MDO) и мазутах (NFO). При этом повышенные экологические требования многих стран по содержанию вредных выбросов в выхлопных газах судов привели к необходимости использования в качестве основного топлива именно природного газа, как наиболее экологически чистого. Конфигурация главной энергетической установки из нескольких двухтопливных дизель-генераторов позволяет использовать на каждом из них любое из этих топлив, а также переключаться с одного на другое при необходимости.

Конструктивно современные танкеры СПГ имеют несколько вкладных шарообразных или призматических грузовых танков, а также мембранного типа. Все виды грузовых танков имеют мощную тепловую защиту, что, однако, не препятствует полностью нагреванию стенок танков от воздействия внешней среды и повышению температуры перевозимого СПГ, что, в свою очередь, вызывает кипение СПГ и переход с определенной интенсивностью из жидкой в газообразную фазу.

Образующийся в результате данного процесса газ принято называть выпарным (отпарным). Давление испарившегося газа нарастает под куполом грузовых танков, что в итоге приводит к необходимости его отвода с целью предотвращения аварийной ситуации. Интенсивность генерирования газа в грузовых танках мембранного типа может лежать в пределах до 0,15% от вместимости танков в сутки при следовании танкера СПГ в грузу и 0,1% при следовании в балласте. При погрузочных операциях интенсивность генерации газа может кратковременно возрастать в 1,5-2 раза. Так для танкера СПГ грузовместимостью 200 тыс.м³ за сутки стояния в загруженном состоянии может превратиться в газообразное состояние до 300 м³ СПГ, что соответствует 180000 м³ газа, в то время как внутреннее потребление газа в режиме стояния может составить приблизительно 10% от этого объема.

Мощность и скорость танкера СПГ, при которых потребление газа энергетическими установками судна равно интенсивности его генерирования в грузовых танках, принято называть эквивалентными. Современные большегрузные танкеры СПГ вместимостью до 200 тыс.м³ и более конструируются на эксплуатационную скорость в грузу от 19 до 21 узлов, в то время как эквивалентная скорость в грузу лежит на уровне 17-18 узлов, из чего следует, что, как правило, при нормальном режиме движения танкеры СПГ потребляют газа больше, чем его генерируется в грузовых танках естественным путем. Недостающее количество газа восполняется путем регазификации СПГ, т.е. принудительного перевода забираемого из грузовых танков нужного количества СПГ из жидкой фазы в газообразную в специализированной судовой регазификационной установке. В другом варианте дефицит топливных ресурсов может быть восполнен переключением одного или нескольких дизель-генераторов главной энергетической установки судна на нефтяное топливо. Если за основу выбирается эксплуатационная скорость ниже эквивалентной, то имеет место постоянное превышение генерируемого в грузовых танках газа над потребляемым энергетическими установками судна. Это превышение в значительной степени увеличивается при замедлении судна, а также стоянии.

При вынужденном движении танкеров СПГ по участкам маршрутов, где требования к скорости ограничены установленными регламентами ниже эквивалентной, например в проливах, каналах, в припортовых и портовых акваториях, в том числе ожиданиями при полной остановке, в грузовых танках продолжается практически с той же интенсивностью естественная генерация газа, который должен удаляться оттуда всегда в любом случае и который в своей значительной части становится избыточным, так как основным потребителем энергии является движительный комплекс судна.

Известны два основных способа решения данной проблемы, заключающиеся в том, что избыточный выпарной газ, образующийся за счет превышения его генерации в грузовых танках над потреблением газа энергетическими установками судна, либо просто утилизируется (выбрасывается в атмосферу, сжигается на факеле, используется для нагрева пара, который выпускается в атмосферу, и другими подходящими способами), либо повторно сжижается на специализированных судовых установках повторного сжижения газа и возвращается в сжиженном виде в грузовые танки. Вариант с повторным сжижением избыточного газа можно проследить на примере патента RU 2481234 «Устройство и способ для обработки отпарного газа на танкере СПГ с электрической гребной установкой и с функцией повторного сжижения» (выбран в качестве аналога изобретения). Из указанных способов утилизация используется также всегда, как технически необходимая, т.е. когда интенсивность генерации газа в грузовых танках по каким-либо причинам становится суммарно выше производительности установки повторного сжижения газа и потребления судовыми энергетическими установками. Из способов утилизации выпуск газа в атмосферу является аварийным и требует выполнения установленных особых требований по безопасности исполнения данной операции.

Выбор подходящего способа в значительной степени зависит от эксплуатационной скорости судна и предусмотренных графиком движения замедлений и стоянок на маршруте и является отдельной технико-экономической задачей. Так, если эксплуатационная скорость судна ниже эквивалентной, то избыток постоянно генерируемого в грузовых танках газа будет иметь место в течение всего времени кругового рейса, со значительным возможным возрастанием до 100% генерации при замедлении и стоянии. В этом случае может быть эффективен способ повторного сжижения генерируемого в танках газа и возврат его в виде СПГ в грузовые танки. К недостаткам указанного способа относится высокая стоимость судовых установок повторного сжижения газа, их технологическая сложность и высокое удельное энергопотребление. Если эксплуатационная скорость судна выше эквивалентной, основную часть времени кругового рейса при его значительной продолжительности (например, 20 и более суток), а движение со скоростью ниже эквивалентной или стояние судна носит кратковременный характер, например, при прохождении Суэцкого канала, а также в припортовых и портовых акваториях пунктов погрузки и разгрузки, то избыток постоянно генерируемого в грузовых танках газа также носит кратковременный характер, но может доходить до 100% нормальной генераций и выше. В этом случае может применяться способ утилизации всего избыточного выпарного газа. При использовании способа утилизации происходит уничтожение достаточно ценного и дорогостоящего энергоносителя - природного газа.

В свою очередь, задачей предлагаемого изобретения является обеспечение рационального использования в энергетической установке судна газа, постоянно генерируемого в грузовых танках танкера СПГ, за счет применения иного, нежели существующие, способа организации системы обеспечения газовым топливом судовых потребителей и, прежде всего, эффективному и полному использованию для этих целей постоянно генерируемого в грузовых танках газа за счет естественного испарения СПГ. То есть, предлагаемое изобретение снизит расход СПГ, используемого в качестве топлива танкеров СПГ.

Раскрытие изобретения

Указанный выше технический результат достигается при использовании способа обеспечения газовым топливом энергетических установок танкеров СПГ, предусматривающего отбор выпарного газа из грузовых танков в магистраль его подачи судовым потребителям с контролем расхода и отводом части его потока из упомянутой магистрали. В отличие от аналога одновременно контролируют, по меньшей мере, естественную генерацию выпарного газа, и потребление газа судовыми потребителями. Исходя из результатов указанного контроля, управляют потоком выпарного газа в упомянутой магистрали, в том числе между упомянутой магистралью и резервуарами высокого давления, аккумулирующими выпарной газ. При диагностике роста естественной генерации выпарного газа и/или сниженного расхода судовыми потребителями, выпарной газ отбирают из магистрали его подачи судовым потребителям в указанные резервуары высокого давления. При диагностике снижения естественной генерации выпарного газа и/или увеличения расхода судовыми потребителями, выпарной газ отбирают из указанных резервуаров высокого давления для обратной отдачи в магистраль его подачи судовым потребителям. При диагностике снижения естественной генерации выпарного газа и/или роста его расхода судовыми потребителями, превышающих отбор газа из грузовых танков и резервуаров высокого давления в магистраль подачи выпарного газа судовым потребителям, в нее вводят газ, прошедший судовую регазификационную установку.

При диагностике значительного роста естественной генерации выпарного газа при одновременной невозможности его использования судовыми потребителями и принятия в резервуары высокого давления выполняют утилизационный сброс газа. При диагностике падения давления в грузовом танке ниже атмосферного магистраль подачи выпарного газа судовым потребителям используют для закачки грузового танка газом из резервуаров высокого давления и/или от судовой регазификационной установки. Указанные резервуары высокого давления опорожняют выкачиванием сжатого газа на берег.

Краткое описание чертежей

Принципиальная схема управления газовыми потоками топливной системы танкера СПГ как вариант для осуществления предложенного способа приведена на прилагающемся чертеже.

Осуществление изобретения

Под термином «грузовой танк», используемым в изобретении, следует понимать все грузовые танки танкера СПГ, подкупольные пространства которых связаны между собой единой трубопроводной системой, которая подключена соответственно на вход компрессора низкого давления (КМ НД). Для поддержания в подкупольном пространстве грузовых танков давления в диапазоне примерно 107÷130 кПа генерируемый в танках газ постоянно откачивается из их подкупольного пространства КМ НД и подается через клапан 4 при необходимом давлении (4÷7 bar) в основную магистраль М1 обеспечения газовым топливом судовых потребителей. Если приборами контроля диагностируется, что постоянно генерируемый в грузовых танках газ, поступающий после КМ НД в основную магистраль М1 обеспечения газовым топливом судовых потребителей, ими не потребляется в полном объеме, то избыточное количество газа направляется по магистрали М2 через клапан 5 на компрессор высокого давления (КМ ВД), который сжимает избыточный газ до давления, примерно, 250 бар или выше и через клапан 2 закачивает сжатый газ в резервуары высокого давления. Резервуары высокого деления, для примера, соединены между собой последовательно, как показано на чертеже, однако могут быть соединены и любым другим способом. Если потребление газа судовыми потребителями превышает его постоянную генерацию в грузовых танках, то для компенсации недостающего количества газа прежде всего используется закаченный в резервуары высокого давления сжатый газ, который через клапан 6 после его редуцирования редукционным клапаном до установленного номинального давления в магистрали М1 выпускается из резервуаров высокого давления и подается по магистрали М3 в основную магистраль М1 обеспечения газовым топливом судовых потребителей.

Если потребление газа судовыми потребителями превышает суммарно его постоянную генерацию в грузовых танках и поступление из резервуаров высокого давления, то для компенсации недостающего количества газа из грузовых танков выкачивается насосом СПГ (как правило, погружным насосом) необходимое количество СПГ, который подается в судовую регазификационную установку, и после регазификации газ через клапан 7 дополнительно поступает по газовой магистрали М4 в основную магистраль М1 обеспечения газовым топливом судовых потребителей при необходимом давлении и температуре. В таком режиме возможно снабжение части дизель-генераторов судна нефтяным топливом. Если возникают условия, когда естественная постоянная генерация газа в грузовых танках превышает его потребление судовыми энергетическими установками при полностью заполненных сжатым газом резервуарах высокого давления или отсутствует возможность по техническим или другим причинам принять в резервуары высокого давления излишки газа, то избыточный газ из магистрали М1 через клапан 8 по магистрали М5 направляется на утилизацию, которая должна осуществляться подходящими для этого устройствами и способами с соблюдением условий безопасности и экологической приемлемости. В процессе стояния танкера СПГ у погрузочных или разгрузочных терминалов с подключенной выпускной газовой магистралью М11 к соответствующей приемной газовой магистрали терминала избыточный газ из магистрали М1 при открытом клапане 10 по магистралям М8 и далее М11 выкачивается на терминал для последующего использования. В исключительных (аварийных) случаях избыточный газ может быть выпущен через клапан 1 (управляемый, в том числе, в ручном режиме) непосредственно из подкупольного пространства грузовых танков на мачту в атмосферу с соблюдением особых мер безопасности.

Если в процессе выполнения разгрузки СПГ и других случаях в грузовых танках образуется дефицит газа, что может привести к падению давления в танках ниже атмосферного, попаданию в танки воздуха и образованию взрывоопасной смеси газа с кислородом воздуха, то для поддержания в танках установленного значения избыточного давления газа может использоваться газ, поступающий в грузовые танки при закрытом клапане 4 и выключенном компрессоре КМ НД через клапан 3 по магистрали М6 из основной магистрали М1, в которую в этом случае газ будет поступать либо через клапан 6 и редуктор по магистрали М3 из резервуаров высокого давления, если в них имеется сжатый газ, либо после регазификации СПГ через клапан 7 по магистрали М4. Если к моменту начала погрузочных или разгрузочных работ резервуары высокого давления заполнены сжатым газом; то после соединения судовой выпускной газовой магистрали М11 с соответствующей приемной газовой магистралью терминала резервуары при открытом клапане 9 по магистрали М7 и далее М11 могут быть освобождены от сжатого газа путем выкачивания его на берег (при необходимости с редуцированием давления до применяемого на терминале) для последующего использования.

Описанное выше управление потоками газа топливной системы танкера СПГ осуществляется, как правило, в автоматическом режиме на основании показаний контрольно-измерительных приборов, основу которых составляют датчики давления, измеряющие давление практически во всех газовых магистралях и сосудах, датчики температуры, расхода газа, контроля газовой смеси и другие. Непрерывно поступающие в центр управления результаты измерения параметров обрабатываются системами автоматического управления, анализируются на вычислительном комплексе, в результате чего выдаются управляющие сигналы на исполнительные механизмы и устройства: компрессоры, насосы, клапаны, редукторы, дроссели и другие исполнительные механизмы, устройства и системы танкера СПГ.

Таким образом, предложен способ обеспечения газовым топливом энергетических установок танкеров СПГ, обеспечивающий рациональное снабжение судовой энергетической установки на всех этапах и режимах рейса. В дальнейшем предложенный подход к способу обеспечения топливом энергетических установок сможет быть использован при решении инженерных задач в различных отраслях транспорта, энергетики, промышленности. Описанное выше изобретение позволяет специалистам сделать и использовать то, что считается в настоящее время лучшим, специалисты поймут и оценят наличие вариаций, сочетаний, эквивалентов конкретного воплощения способа и примеров, описанных выше. Изобретение поэтому должно быть ограничено не только вышеописанными вариантами, методами и примерами, а также всеми вариантами и методами в рамках и духе изобретения.

Реферат

Изобретение относится к техническим решениям, касающимся обеспечения газовым топливом судовых потребителей на танкерах для перевозки СПГ, использующих в качестве основного энергоносителя перевозимый в сжиженном состоянии природный газ. Предложенный способ основан на постоянном использовании в первую очередь генерируемого в грузовых танках газа в качестве основного энергоносителя для энергетических установок танкера СПГ, сжатии компрессором избыточного газа, что может иметь место при низких скоростях движения или стоянии судна, накоплении его в резервуарах высокого давления (200 bar и более) и последующем использовании, когда потребление газа становится выше его генерации в грузовых танках. Технический результат заключается в повышении эффективности эксплуатации танкеров для перевозки СПГ, использующих в качестве основного энергоносителя перевозимый в сжиженном состоянии природный газ. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула