2 Выбор судовой энергетической установки
2.1 Обоснование выбора пгу
Сжиженный природный газ (СПГ) – один из значимых продуктов международной торговли. Сжиженный газ в последние десятилетия стал находить все большее применение во многих отраслях хозяйства Технология сжижения газа и его транспортирования и хранения уже вполне освоена.
Главными причинами, по которым нередко транспортировка осуществляется с помощью специализированных судов-газовозов, являются территориальный разрыв между районами добычи и потребления природного газа, а также межконтинентальный характер маршрутов транспортировки газа, при котором невозможно использовать трубопроводы.
Конструкция современного газовоза определяется перевозимым грузом. Перевозимые морем газы разделяют на природные (в основном метан) и нефтяные (в основном бутан). Природный газ переводится в сжиженное состояние при температуре –162 °С, и перевозка должна осуществляться в условиях глубокого охлаждения. Суда для перевозки сжиженного природного газа называют газовозами СПГ (или LNG – Liquefied Natural Gas).
Нефтяные газы переводятся в сжиженное состояние повышением давления примерно до 0,17 МПа при нормальной температуре или их охлаждением до –52 °С при атмосферном давлении, либо комбинацией этих двух способов. Их называют газовозами СНГ (LPG), либо «бутановозами».
На метановозах, где газ перевозится при низких температурах (около –162 °С), ежесуточно испаряется около 0,1…0,25 % метана, в связи с чем требуются повышенные скорости (20…25 узлов) и использование испаряющегося газа в качестве топлива. Это связано с тем, что организация систем реконденсации и возвращения испаряющегося груза в танк имеет некоторые принципиальные технические трудности. Количество испаряющегося газа зависит от условий погрузки, окружающей температуры, температуры и давления в танках.
Перевозки СПГ – это совершенно новый сегмент на российском судоходном рынке. Российские судовладельцы нарабатывают ценный опыт, необходимый для будущих проектов СПГ в России. В перспективе «Сахалинская энергия» планирует контролировать флот из 5 газовозов и 4 нефтетанкеров класса «Афрамакс», которые будут осуществлять поставки в страны Азии и Северную Америку.
Газовые двигатели искрового зажигания могут работать только на газе, поэтому они не могут обеспечить требуемой топливной гибкости, из-за чего их применение на газовом флоте ограничено. Из-за доступных размеров данные двигатели могут применяться только на судах грузовместимостью до 10000 м3. Пока что только двухтактные дизельные двигатели в комбинации с установкой для повторного сжижения испарившегося груза и двигатели с применением двух видов топлива уверенно вошли на рынок судов-газовозов.
Наиболее перспективным, по мнению многих зарубежных авторов, является применение двухтактных газодизельных двигателей в качестве приводов генераторов, приводящих в движение главные электродвигатели, которые, в свою очередь, через редуктор приводят в движение гребной винт. Последнее время данная система приобретает всё большую популярность. Наличие в системе четырёх-пяти двигателей делает её весьма гибкой в использовании различных видов топлива, надёжной в плане взаимозаменяемости при возможном выходе из строя одного из двигателей, а также обеспечивается удобство обслуживания и ремонта.
Сравнение двигателей разных типов показало, что эффективность двух дизельных двигателей с бортовой установкой повторного сжижения с учётом всех потерь составляет 48 %, газо-дизель-электрической установки – 43 %, а паротурбинной – всего 29 %.
Эффективность выработки электроэнергии системы с двумя двигателями составляет около 43 %, системы с газо-дизель-электрической установкой – в пределах до 47 %, паротурбинной установки не выше 25 %.
Несмотря на более высокий КПД дизельной установки, по отношению к газодизельной, значительная часть энергии расходуется на питание агрегатов повторного сжижения газа, поэтому общая эффективность газодизельной установки выше, чем дизельной. Паротурбинная установка без промежуточного перегрева пара потребляет гораздо больше энергии, чем альтернативные, однако незначительные затраты для переоборудования на газообразное топливо, высокая надежность и долговечность главных турбозубчатых агрегатов (ГТЗА), непрерывность рабочего процесса и, как следствие, отсутствие циклических термических напряжений, более низкие затраты на строительство, техническое обслуживание и ремонт обеспечивают достаточно низкие фрахтовые ставки и способствуют дальнейшему поступлению заказов на постройку газовозов с ПТУ. Кроме того, перспективными являются ПТУ с промежуточным перегревом пара, КПД которых достигает 35…37 %, которые в комплексе энергосберегающими мероприятиями по выработке электроэнергии легко могут конкурировать с альтернативными поршневыми двигателями.
Одним из направлений развития энергетики является широкое внедрение комбинированных парогазовых установок (ПГУ), в которых используется тепло выхлопных газов газотурбинной установки (ГТУ). В ряде случаев в котлах-утилизаторах ПГУ для увеличения температуры газового потока используются схемы со сжиганием топлива в выхлопных газах ГТУ. После рассмотрения различных энергетических установок, была выбрана СЭУ ПГУ, так как именно эти установки получили наибольшее распространение на береговых электростанциях и учитывая общую мировую тенденцию оморячивания береговых электростанций, было принято решение в пользу ПГУ.
Ярко выраженными преимуществами ПГУ являются следующие:
1.Парогазовая установка — самый экономичный двигатель, используемый для получения электроэнергии. На рис. 2.1 показано, как изменялся КПД ПГУ по мере их развития. Кривая 1представляет собой так называемый теоретический КПД, т.е. максимальный КПД, который может быть получен при достигнутом уровне температуры перед газовой турбиной. Одноконтурная ПГУ с ГТУ, имеющей начальную температуру примерно 1000 °С, может иметь абсолютный КПД около 42 %, что составит 63 % от теоретического КПД ПГУ. Коэффициент полезного действия трехконтурной ПГУ с промежуточным перегревом пара, в которой температура газов перед газовой турбиной находится на уровне 1450 °С, уже сегодня достигает 60 %, что составляет 82 % от теоретически возможного уровня. Нет сомнений в том, что КПД можно увеличить еще больше (и это раньше или позже произойдет). Весь вопрос состоит только в том, какой ценой будет достигаться это повышение в настоящее время.
2.Парогазовая установка — самый экологически чистый двигатель. В первую очередь это объясняется высоким КПД — ведь вся та теплота, содержащаяся в топливе, которую не удалось преобразовать в электроэнергию, выбрасывается в окружающую среду и происходит ее тепловое загрязнение. Поэтому уменьшение тепловых выбросов от ПГУ по сравнению с паросиловой будет ровно в той степени, на сколько меньше расход топлива на производство электроэнергии.
3.Далее ПГУ дают существенно меньшие выбросы оксидов азота (N0x) не только потому, что в ГТУ сжигается газ, а многие паросиловые ТЭС работают на угле, но и потому, что в топках энергетических котлов используется диффузионный (а те кинетической) принцип сжигания с большими избытками воздуха и длительным пребыванием топливо - воздушной смеси при высокой температуре.
4.Парогазовая установка — очень маневренный двигатель, с которым в маневренности может сравниться только автономная ГТУ. Потенциально высокая маневренность ПТУ обеспечивается наличием в ее схеме ГТУ, изменение нагрузки которой происходит в считанные минуты. Для реализации этих потенциальных маневренных возможностей ПТУ должна быть оснащена байпасной трубой. Для возможности глубокого разгружения ПГУ она должна быть многовальной.
5.При одинаковой мощности паросиловой и парогазовой ТЭС потребление охлаждающей воды ПГУ примерно втрое меньше. Это определяется тем, что мощность паросиловой части ПГУ составляет 1/3 от общей мощности, а ГТУ охлаждающей воды практически не требует.
6.ПГУ имеет умеренную стоимость установленной единицы мощности, что связано с меньшим объемом строительной части, с отсутствием сложного энергетического котла, дорогой дымовой трубы, системы регенеративного подогрева питательной воды, использованием более простых паровой турбины и системы технического водоснабжения.
7.ПГУ имеют существенно меньший строительный цикл. ПГУ, особенно одновальные, можно вводить поэтапно. Это упрощает проблему инвестиций.
Парогазовые установки практически не имеют недостатков, скорее следует говорить об определенных ограничениях и требованиях к оборудованию и топливу. Установки, о которых идет речь, требуют использования природного газа. Попытки использования тяжелых сортов жидкого и тем более твердого топлива требуют сложных систем подготовки топлива и очистки образующегося газа, что приводит к существенному уменьшению КПД (до 42—44 %). Впрочем, для России, где доля используемого для энергетики относительно недорого газа превышает 60 % и половина его используется по экологическим соображениям на ТЭЦ, имеются все возможности для сооружения ПГУ.