Вопрос целесообразности применения в морском и речном транспорте коренным образом связан с экономикой его топливо-обеспечения. За последнее время объем перевозок водным транспортом в России значительно сократился, что связано в основном с удорожанием дизельного топлива и, как следствие, с увеличением эксплуатационных расходов. Исследования, выполненные в системе Речфлота в конце 1980-х гг., показали, что применение может обеспечить его конкурентоспособность.
Что же касается создания (или перевода) морских судов на , то зарубежный опыт показал, что это может оказаться эффективным при организации крупнотоннажного производства СПГ, которое в России может базироваться на Ямало-Ненецком месторождении, на Сахалине. Танкеры для провозки СПГ с этих месторождений необходимо проектировать с двигательными установками, работающими на газифицированном СПГ, в том числе испарившемся в процессе транспортировки из емкостей хранилища. По имеющимся данным, стоимость емкостей на танкере составляет до 40 % стоимости крупного завода по сжижению природного газа, стоимость танкера вместимостью 60тыс. т СПГ (без стоимости емкостей для его хранения) — более 200 млн долл..
Подробный анализ экономических показателей применения газового топлива в речном и морском флоте выявил ряд принципиальных положений, однако следует учитывать конкретные условия, время и место действия:
- экономичность сжигания газовых топлив (КПД двигателя) при грамотной организации рабочего процесса по крайней мере не ниже, чем у аналогичных двигателей, работающих на жидком топливе. Имеющиеся опытные данные показывают, что существующие газовые и газодизельные двигатели («Берген», «Пил-стик», «Аякс» и др.) соответствуют современному уровню средне- и высокооборотных дизелей. Следовательно, снижение финансовых расходов на топливо практически пропорционально соотношению цен;
- износ газовых двигателей, как показывает опыт их эксплуатации, ниже, чем у дизелей, за счет уменьшения образования нагара и отсутствия разжижения смазки, что снижает расходы на обслуживание и ремонт;
- газосмесительное оборудование конструктивно просто, не содержит сложных и прецизионных деталей и узлов и при серийном выпуске сравнительно недорого;
- существенную статью расхода составляет оборудование для хранения запаса газового топлива. Его объем, масса и стоимость зависят от его вида и способа хранения;
- для малоразмерных судов необходимо учитывать уменьшение грузоподъемности за счет создания дополнительных емкостей для хранения газа;
- расходы на собственно эксплуатацию двигательной установки при работе на газе остаются практически такими же, как и для жидкотопливных двигателей.
С учетом всех этих факторов, экономические расчеты, проводившиеся в разное время независимыми исследователями, неизменно показывают существенную экономию средств за счет применения газового топлива совместно с вентиляторами канальными ГВП. На сегодня такие двигатели созданы или разрабатываются крупнейшими фирмами, специализирующимися на судовом двигателестроении.
Речной флот является потребителем топлива с резко выраженной неравномерностью запасов на заправку: топливо необходимо только в период положительных температур. Это обстоятельство с учетом особенностей газопотребления других отраслей хозяйства в течение года дает возможность эффективно использовать мощности системы снабжения топливом, высвобождающиеся в весенне-летне-осенние месяцы в связи с сезонным падением спроса на газ.
В связи с этим обеспечение речного флота газовыми видами моторного топлива целесообразно рассматривать совместно с обеспечением потребностей транспорта, коммунально-бытового и промышленного секторов экономики.
Потенциальные возможности заправки СПГ судов речного флота имеются практически во всех пароходствах. По данным Речфло-та, при наличии финансирования количество замещаемого газом топлива при перевозках грузов речным флотом к 2010 г. может превысить 1 млн т/г..
Предлагается в первую очередь реализовать газоснабжение судов, перевозящих сухие грузы, основной объем которых составляют строительные материалы (Московское, Волжское, Камское, Иртышское пароходства), каменный уголь и лесные грузы (Ленское и Беломоро-Онежское пароходства), со средней дальностью перевозок менее 200 км (за исключением Волжского пароходства, где средняя дальность 330 км).
Для обеспечения перевозок основной массы строительных грузов и автономности плавания на 250…270 км суда с мощностью двигателя 450 л. с. должны быть оборудованы емкостью для СПГ объемом порядка 3 м3. Этот объем может быть увеличен до 10… 15 м3, что обеспечит автономность плавания до 800…850 км. Размещение на судах емкостей такого объема представляется вполне реальным.
Указанный объем емкостей для СПГ обеспечит перевозку около 50 % всей массы сухих грузов при условии не более одной заправки на круговой рейс; перевозку почти всех грузов при условии не более двух заправок за рейс (до 1700 км) и практически всех сухих грузов
при условии не более трех заправок за рейс (до 2500 км). Следует отметить, что подавляющее количество сухих грузов перевозится на расстояния менее 2000 км, при этом средняя дальность перевозок превышает 400 км только по Ленскому (720 км) и Беломоро-Онежскому (1100 км) пароходствам.
Тем самым выбранные объемы хранилищ на судах могут рассматриваться как удовлетворяющие практически все потребности при перевозке сухих грузов и при этом обеспечивающие рентабельность замещения традиционного топлива газом в системе речфлота. На других судах (грузоподъемностью 100…5000т и более) объемы хранилищ СПГ будут выбираться в соответствии с условиями их заправки.
В настоящее время судов, использующих СПГ, в речном флоте России нет. Только в Санкт-Петербурге осуществляется эксплуатация пассажирского теплохода «Нева-1» (проект Р-51) с использованием природного газа в качестве моторного топлива (разработчик АО «Сигма-Газ»), эксплуатация которого подтвердила эффективность и перспективность этого вида топлива.
Исследования показали, что более высокая экономическая эффективность может быть достигнута при использовании СПГ для быстроходных судов на подводных крыльях (типа «Метеор») и на воздушной подушке (типа «Линда»).
Если предположить, что газообеспечение на базе СПГ коммунально-бытового и промышленного секторов сельского хозяйства получит достаточно широкое распространение, а также будут реализованы соответствующие программы в авиации, железнодорожном транспорте и резервировании газоснабжения, то создание системы газообеспечения речного флота не потребует существенных капиталовложений.
Заправка судов СПГ может быть осуществлена непосредственно от автомобильных или железнодорожных цистерн типа 15-147У, от береговых или плавучих установок производства и хранения СПГ, а также от плавучих бункеровщиков (плавучих хранилищ СПГ).
По мере увеличения количества судов-газовозов может оказаться целесообразной организация в системе речного флота собственных газозаправочных подразделений и специализированных установок для производства СПГ. Очевидно, что внедрение СПГ в речной флот необходимо начинать с одного региона, с тем чтобы полученный опыт распространить на другие.
В 1994 г. в КБОМ им. В.П. Бармина были разработаны технические предложения по созданию криогенного технологического оборудования для обеспечения и заправки СПГ речных судов местного и рейсового флота Московского региона.
Проработан вопрос обеспечения СПГ речного флота Московского региона для судов типа толкач-буксир класса «Р» (проект №908, 15 шт.) и сухогрузных теплоходов класса «Р» (проект № Р86А, 30 шт.). Для разработки были приняты следующие исходные данные:
- в процессе навигации по маршрутам Кимры — Северный речной порт, Южный речной порт — Коломна задействованы 45 теплоходов;
- среднемесячный расход СПГ на каждый теплоход не более 23,3 т;
- запас СПГ в бортовой топливной системе должен обеспечивать работу двух дизелей 6ЧНСП 18/22 в течение 8 сут автономного плавания, что составляет не более 13,5 т;
- заправка теплоходов в начале навигации должна обеспечиваться в течение 10 сут;
- продолжительность навигации с 15 апреля до 15 ноября.
Было принято, что в момент первоначальной заправки теплоходов они должны находиться в районе базирования основного хранилища СПГ.
Необходимое количество СПГ, определенное исходя из условия обеспечения заправки всех действующих теплоходов и двух плавбаз к началу навигации, — 1210,5 т (2815 м3). Объем берегового хранилища был принят равным 3000 м3.
Дальнейший расход СПГ в процессе навигации определялся из условия среднемесячного расхода при эксплуатации 45 теплоходов и был равен 1048,5 т. Исходя из этого, среднемесячная производительность производства СПГ 1440 т/месяц с соответствующим пополнением стационарных береговых хранилищ.
Для обеспечения СПГ заданного количества судов речного флота Московского региона были рассмотрены два варианта схемы снабжения.
Вариант 1. В качестве производителя СПГ выступил Московский газоперерабатывающий завод (пос. Развилка Московской области), СПГ находился в береговом хранилище объемом 3000 м3, расположенном в районе Южного порта, и на двух заправочных плавбазах, каждую из которых предполагалось использовать на южном и северном участках маршрута теплоходов.
Вариант 2. Производство СПГ осуществлялось на вновь разработанных модульных установках сжижения, смонтированных на ГРС в г. Коломне и Дубне, откуда СПГ поступал в береговые хранилища (в Коломне объемом 3000 м3, в Дубне объемом 1000 м3), с условием возможности заправки из них как теплоходов, так и двух заправочных плавбаз, каждую из которых, как и в первом варианте, предлагалось использовать на южном и северном участках маршрута теплоходов.
В обоих вариантах для доставки СПГ от производства до берегового хранилища использовались автомобильные транспортировщики.
В принципе для снабжения СПГ флота могут быть использованы и установки, созданные для авиации, автотранспорта и других отраслей хозяйства в Москве и Московской области.
Анализ состояния ГРС в Московской области показал, что для размещения установки по производству СПГ производительностью 1000 кг/ч может быть использована ГРС в г. Коломне с давлением на входе 42…45 атм и с давлением на выходе батм, с минимальным расходом 24 нм3/ч, которая обеспечит получение СПГ как в летний, так и в зимний период.
На северном участке движения теплоходов аналогичная установка может быть размещена в районе г. Дубна. Однако она сможет обеспечить выдачу СПГ только в летний период, так как в зимний период давление в сети падает до 15 атм, а расход газа — до 6,7 тыс. нм/ч.
Полученный на установках сжижения СПГ заливается в автомобильные транспортировщики и доставляется в места базирования стационарных береговых хранилищ, где сливается в резервуары или в случае необходимости направляется для заправки плавбаз либо непосредственно баков теплоходов.
По мере опорожнения резервуаров заправочных плавбаз и баков теплоходов производится их дозаправка из береговых хранилищ. Заправочные плавбазы обеспечивают заправку теплоходов по всему маршруту их движения. Для местного и рейдового флота Московского региона оптимальным является создание на базе ГРС двух установок получения СПГ по схеме разомкнутого дроссельного цикла с использованием детандерной ступени предварительного охлаждения с системой очистки и осушки природного газа адсорбционным способом.
Расчет себестоимости СПГ показал высокую эффективность использования СПГ как заменителя нефтяного топлива и экономическую целесообразность его внедрения с окупаемостью в течение трех лет. Обеспечение СПГ речного флота должно осуществляться с учетом специфики региона и парка приписанных к нему судов.
Интерес к двигателям, работающим на газе, в том числе и судовым, стимулируется не только чисто экономическими соображениями, но и ужесточающимися требованиями по токсичности. Известно, что судовые дизели по сравнению с наземными имеют более высокие уровни форсажа по среднеэффективному давлению, а это, как правило, сопряжено с большим уровнем выброса окислов азота. В настояшее время ожидается ужесточение требований к судовым двигателям. В США и европейских странах действует ряд нормативов, токсичность по которым значительно ниже фактически выбрасываемых судами в России. В США предлагают ввести в качестве норматива по окислам азота для главных судовых двигателей, работающих на нефтяных топливах, 7 г/кВт ч. У лучших же образцов зарубежных газовых двигателей выброс окислов азота составляет 2…3 г/кВт-ч.