Особенности эксплуатации газовозов

            A. M. Пичурин





                ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОВОЗОВ





Учебное пособие


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 629.123:665.614
ББК 39.46
     П36

Печатается по решению редакционно-издательского совета ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет водного транспорта»



Рецензенты:
доктор технических наук, заведующий кафедрой технологий транспортного машиностроения и эксплуатации машин ФГБОУ ВО «СТУПС» Виктор Иванович Кочергин; доктор технических наук, профессор кафедры теории корабля, судостроения и технологии материалов ФГБОУ ВО «СГУВТ» Александр Олегович Токарев




        Пичурин, А. М.

П36    Особенности эксплуатации газовозов : учебное пособие /
     А. М. Пичурин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -124 с. : ил., табл.
        ISBN 978-5-9729-1133-2

     Рассмотрены схемы холодильных установок, применяющихся на газовозах. Показаны характерные конструктивные особенности отдельных элементов систем охлаждения и повторного сжижения газов. Приведены особенности эксплуатации газовозов. Дана оценка основным аварийным ситуациям, которые возможны на судах данного типа. Изложены физико-химические свойства газов, перевозимых водным транспортом, а также прикладные вопросы термодинамики.
     Для студентов, обучающихся по программе 26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок».

УДК 629.123:665.614
                                              ББК 39.46






ISBN 978-5-9729-1133-2 © Пичурин А. М., 2023
                      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                      © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            ОГЛАВЛЕНИЕ



Введение....................................................4
1. Краткие сведения о развитии перевозок сжиженных газов....5
2. Основные свойства углеводородных газов, учитывающиеся при транспортировке.........................................9
3. Термодинамические задачи, решаемые на газовозах.........17
4. Типы газовозов..........................................29
5. Основные системы газовозов..............................41
   5.1. Способы и системы повторного сжижения газов .......41
   5.2. Циклы установок повторного сжижения газов .........43
   5.3. Использование азота на газовозах...................59
   5.4. Система подогрева груза............................61
   5.5. Система инертного газа.............................62
   5.6. Гликолевая система.................................67
   5.7. Спиртовая система..................................68
6. Главные двигатели газовозов.............................71
7. Агрегаты специальных установок газовозов................75
   7.1. Грузовые насосы....................................75
   7.2. Грузовые компрессоры...............................78
   7.3. Грузовые трубопроводы..............................81
8. Грузовые операции.......................................83
9. Меры безопасности на газовозах..........................89
10. Безопасность и охрана здоровья экипажа газовоза........97
11. Аварии и аварийные мероприятия........................106
Приложение................................................113
Литература................................................120

3

            ВВЕДЕНИЕ



       В настоящее время отмечается значительный рост потребления энергетических ресурсов в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте. Долгие годы источниками энергии служили древесина, уголь, позднее к ним прибавилась нефть и ее фракции. В 20-е гг. нынешнего столетия был промышленно освоен новый тип топлива - газ, которому отводится все более важная роль в энергетике большинства стран. Этот вид топлива характеризуется при сжигании меньшим отравляющим воздействием на окружающую среду, чем уголь и нефтепродукты. При использовании природного газа нет потенциальной опасности, характерной для установок, где используется атомное топливо. Но, к сожалению, крупные освоенные газовые месторождения оказались географически удаленными от стран, наиболее интенсивно потребляющих газ на десятки тысяч километров, и поэтому доставка этого вида топлива к потребителю имеет очень важное значение. Эта задача выполняется трубопроводным, автомобильным, железнодорожным и водным транспортом. Транспортировка природного газа в пункты назначения, отделенные от мест добычи морями и океанами, возможна только морскими судами. Природные условия эксплуатации морских судов в сочетании с опасным перевозимым грузом требуют повышенных мер безопасности. Катастрофы этого типа судов сопряжены со значительным материальным ущербом, экологическим бедствием и гибелью людей, находящихся на судне и в прибрежной зоне, если это происходит в морских портах и местах временных стоянок у причальных стенок. Поэтому эти суда должны быть оснащены дополнительным комплексом устройств в отличие от обычных танкеров и иных морских судов. Знание специальных устройств, систем, их принципов работы и эксплуатации является обязательным и важнейшим условием работы на этих судах.

4

            1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ
            О РАЗВИТИИ ПЕРЕВОЗОК СЖИЖЕННЫХ ГАЗОВ



       Первые сведения о перевозках сжиженных газов морем относятся к 1929-1931 гг., когда компания Шелл временно переоборудовала танкер «Мегара» (рисунок 1.1) дедвейтом около 11 тыс. тонн в судно для перевозки сжиженного газа и построила в Голландии судно «Агни-та» (рисунок 1.2) дедвейтом 4,5 тыс. тонн, предназначенное для одновременной перевозки нефти, сжиженного газа и серной кислоты. На судне «Агнита» в 12 грузовых танках было установлено 12 вертикальных цилиндрических цистерн, выступающих над верхней палубой.


Рисунок 1.1. Танкер «Мегара»

Рисунок 1.2. Танкер «Агнита»

5

       Пространство в танках, не занятое цистернами, заполнялось нефтепродуктами. Главным двигателем служил дизель, позволяющий судну развивать скорость около 13 узлов. Широкое развитие морские перевозки сжиженного газа получили после второй мировой войны. Первоначально для перевозок использовались суда, переоборудованные из танкеров или сухогрузных судов. Так, в 1947 г., был переоборудован танкер «Эссе Сальвадоре». Корпус танкера удлинили на 4,2 м и в 8 грузовых танках установили 8 горизонтальных цилиндрических цистерн длиной 6,1 м диаметром 4,5 м. Общая вместимость цистерн составляла 780 м³. Остальное пространство в танках заполнялось нефтью. В 1947-1949 гг. для норвежских судовладельцев было переоборудовано несколько сухогрузных судов в суда для перевозки сжиженных газов. Переоборудование заключалось в том, что в трюмах этих судов устанавливались вертикальные цилиндрические цистерны, горловины которых выводились на открытую палубу. Количество установленных в трюмах судна цистерн достигало 68. Примером может служить судно «Мондогаз вест», переоборудованное в 1947 г. из сухогрузного судна постройки 1944 г. Главным двигателем служила паровая турбина мощностью 4450 л. с., позволяющая судну развивать скорость 14 узлов.
       Круг стран, заинтересованных в развитии морских перевозок газа, из года в год расширялся. В 1952 г. во Франции в экспериментальных целях был переоборудован танкер «Шеллфолт» дедвейтом около 3,5 тыс. т. В центральном танке этого судна была установлена цилиндрическая цистерна для бутана. В 1962 г. на этом судне установили изолированную цистерну для перевозки газа в охлажденном состоянии.


Рисунок 1.3. Газовоз «Расмус Толстрап»

6

       Первым, специально спроектированным газовозом являлось построенное в 1953 г. в Швеции для датских судовладельцев судно «Расмус Толстрап» (рисунок 1.3) грузоподьемностью 670 м³ и скоростью хода 10,5 узлов. Главный двигатель - дизель MAN имел максимальную мощность 520 л. с. при 375 об/мин.
       Первые газовозы как специальной постройки, так и переоборудованные из судов других типов, предназначались для перевозки сжиженных нефтяных газов (пропана и бутана) и аммиака в цистернах высокого давления. Накопленный опыт проектирования, постройки и эксплуатации первых газовозов позволил перейти к поиску наиболее выгодных способов транспортировки названных газов в сжиженном состоянии.
       В 1959 г. во Франции был построен газовоз «Декарт», перевозивший сжиженный газ в изолированных горизонтальных цилиндрических цистернах комбинированным способом, т. е. под небольшим давлением с соответствующим охлаждением.
       В конце 1961 г. в Японии был построен газовоз «Бриджстон Мару», предназначенный для перевозки сжиженного газа, охлажденного до температуры кипения, в восьми изолированных танках.
       Перевозки метана, который может сохраняться в сжиженном состоянии лишь в условиях глубокого охлаждения (до минус 161 °C), начались значительно позже, чем перевозки бутана, пропана и аммиака. Экономические и технологические исследования возможности транспортировки метана в сжиженном виде на судах начались в 1950 г., когда американцами был разработан проект перевозки сжиженного метана на специальных баржах. В 1954 г. закончилась постройка первых барж.
       Проведенные исследования позволили выработать предварительные требования к конструкции судов, перевозящих газы при низкой температуре, и приступить к постройке экспериментального судна для перевозки сжиженного метана.
       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 «Метан Пионер », с грузом около 2000 тонн сжиженного газа на борту вышло в рейс из США в Англию. Судно совершило 7 опытных рейсов с грузом сжиженного метана.

7

       Сжиженный метан перевозился на судне в пяти изолированных цистернах из алюминиево-магниевого сплава, установленных в двух трюмах.
       В 1962 г. начались испытания французского экспериментального судна «Бове», переоборудованного из американского стандартного сухогрузного судна типа «Либерти» и предназначенного для опытных перевозок сжиженного метана.
       Целью переоборудования являлась проверка в условиях эксплуатации различных конструкционных материалов, применяемых для изготовления цистерн, а также проверка различных теплоизоляционных материалов, насосов и т. п. На судне были установлены три цистерны -прямоугольной, цилиндрической и сложной формы (так называемой многодолевой). Общая ёмкость этих цистерн составила около 700 м³. В качестве изоляции использовались различные измельченные и пористые материалы, бальзовое дерево и асбест.
       После завершения экспериментальных работ во Франции и в Англии началось строительство метановозов.
       В Советском Союзе перевозки сжиженного газа начались в 1960 г., когда в первый рейс вышел танкер «Фрунзе», переоборудованный для одновременной перевозки нефти и аммиака. Переоборудование танкера заключалось в установке на палубе железнодорожных цистерн для аммиака, закрепленных на специальных фундаментах с седлами.
       Первые специализированные газовозы «Кегумс» и «Краслава», построенные по заказу Советского Союза в Японии, вступили в строй в 1965 г. Каждое судно перевозит в четырех сферических цистернах примерно по 1000 тонн сжиженных газов (пропана, и бутана).
       К 2015 году существующий в мире парк газовозов составил 365 единиц. Мировой центр строительства этого флота находится в Ю. Корее (более 50 % мировых заказов), а также в Японии и Китае. Тенденция роста заказов и ввода этих судов в эксплуатацию сохраняется достаточно высоким.
       Россия находится в начале пути по производству сжиженного природного газа (СПГ) и его перевозке водным транспортом. В 2015 году доля России в производстве сжиженного газа составила 5 % мирового рынка.
       В 2015 году у России в эксплуатации находилось 10 газовозов. На верфях КНДР (судостроительные заводы HMD (Хёндай Мино Докярд) и STX (Судостроение и оффшор энжинеринг) строятся еще 6 судов этого класса.

8

            2.             ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ, УЧИТЫВАЮЩИЕСЯ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ


       Обычно, говоря о сжиженных газах, мы имеем ввиду вещества, которые при нормальном атмосферном давлении и температуре окружающей среды находятся в газообразном состоянии. Наиболее важной характеристикой сжиженных газов, которая часто используется в процессе их переработки и транспортировки, является давление насыщенных паров, характеризующее равновесное состояние жидкой и газовой фаз груза при заданной температуре.
       Международная морская организация (ИМО) с целью классификации грузов, перевозимых на танкерах, определяет понятие «сжиженный газ» следующим образом:
       Сжиженным газом называется жидкость, абсолютное давление насыщенных паров которой при tо = -37,8 °C составляет менее 0,28 МПа. Дополнительной характеристикой сжиженных газов является температура кипения при атмосферном давлении. Эта температура определяет возможные условия транспортировки груза. Информация о температурах кипения при атмосферном давлении наиболее распространенных газов, перевозимых газовозами, представлена в таблице 5 приложения А.

        Основные группы газов, перевозимых морем

       Сжиженные газы, перевозимые морем, можно разделить на шесть основных групп:
       LPG - Liquefied Petroleum Gases (сжиженные нефтяные газы), NGL - Natural Gas Liquids (природный газовый конденсат), LEG - Liquefied Ethylene Gas (сжиженный этилен), LNG - Liquefied Natural Gas (сжиженный природный газ), NH₃ - Ammonia (аммиак), CI2 - Chlorine (хлор).
       В основе деления грузов на такие группы - различные характеристики газов, а также их температура кипения при атмосферном давлении, химическая совместимость с другими газами и материалами конструкции судна, токсичность, взрывоопасность и другие свойства.
       Рассмотрим несколько подробнее характеристики каждой из этих групп в отдельности.


9

       Сжиженные нефтяные газы. LPG производят в результате крекинг-процесса природного газа или из сырой нефти путем дистилляции на нефтеперерабатывающих заводах. Примерно 1-3 % сырой нефти составляют нефтяные газы. Термин «сжиженные нефтяные газы» используют в нефтяной индустрии для обозначения углеводородов или их смесей, большей частью состоящих из пропана и бутана. По общепринятым меркам к числу сжиженных нефтяных газов относят обычно следующие:
       Пропан (СзНв)
       Пропилен (СН2=СН-СНз)
       Нормальный бутан (CH3-CH2-CH2-CH3)
       Изобутан (отличается от нормального бутана структурой CH(CH3)3)
       Бутилен (C4H8).
       Все эти газы имеют температуру кипения при атмосферном давлении от -50 до 0 °С. Нефтяные газы используют в основном как сырье для химической и газовой промышленности, а также в качестве топлива.
       Природный газовый конденсат, или, как его называют, мокрый газ, обычно находится в растворенном состоянии в сырой нефти. При его очистке и стабилизации происходит его отделение. Газовый конденсат представляет собой смесь этана, пропана, бутана и тяжелых углеводородов, причем состав газа можем меняться в зависимости от вида нефтяного месторождения. В основном природный конденсат используют для производства этилена.
       Сжиженный этилен в природе в свободном состоянии практически не встречается. В химической и нефтяной промышленности его получают как побочный продукт производства при переработке натурального газового конденсата, сырой нефти или нефтяных газов. Температура кипения этилена при атмосферном давлении -104 °С, поэтому часто его называют еще «холодным газом».
       Основное применение этилен находит в химической промышленности при производстве множества продуктов, таких как пластик, полиэтилен, пищевые красители. Используют его также при сварке металла.
       Сжиженный природный газ представляет собой смесь различных газов, которые находятся в земле в виде месторождений, также как и нефть. В основном природный газ состоит из метана (95-98 %), содержит и неорганические примеси газов: азот, углекислый газ, окислы серы, пары воды. Температура кипения метана при атмосферном давлении -164 °С. Промышленное применение метан нашёл в качестве топ

10

лива взамен угля или нефти, а также при производстве минеральных удобрений и аммиака.
       Аммиак не встречается в природе в свободном виде, его производят при каталитических процессах при обработке природного газа. Температура кипения аммиака при атмосферном давлении -33 °C. Свое основное применение аммиак находит при производстве минеральных удобрений, пластмасс, красителей, взрывчатки и различных чистящих жидкостей.
       Хлор в свободном виде в природе не встречается, однако, легко получается искусственным путем. Например, при электролизе раствора обычной поваренной соли. Температура кипения хлора при атмосферном давлении -34 °C. Промышленное применение хлор нашел в химической индустрии и в целлюлозно-бумажной промышленности как отбеливатель.
       Прочие химические грузы. В дополнение к вышеперечисленным газам существует множество различных химических веществ, которые в силу своих свойств также перевозятся на судах-газовозах. Их нельзя отнести ни к одной из перечисленных выше категорий. Это, например, такие грузы, как винилхлорид мономер (CH2 = CHCI), пропадиен (CH)---С----СН)) и бутадиен (CH) = CH - CH = CH)).
       Полимеризация - это способность молекул соединяться друг с другом и образовывать макромолекулы, т. е. очень большие молекулы, в некоторых случаях состоящих из нескольких тысяч простых молекул этого вещества.
       Демиризация - это начальная стадия полимеризации, при которой только две молекулы непредельных углеводородов соединяются между собой. Однако из-за внешних условий (давление, температура) дальнейшее соединение молекул между собой не происходит. В большинстве случаев при соединении двух одинаковых молекул углеводородов образуется новое вещество, которое делает груз непригодным для его использования. Наиболее часто реакция димеризации происходит при транспортировке бутадиена (С₄Н₆), в результате чего образуется новое вещество - винилциклогектан (С₈Н₁₄). Наличие в грузе димеров строго лимитировано, например, в бутадиене их концентрация не должна превышать 50 ррм «Part per million» (частей на миллион). Образование димеров в бутадиене имеет линейную зависимость от температуры.
       Катализаторы полиперизации - это перекиси, содержащие в молекуле 2 атома кислорода, соединенных между собой. Примером может служить перекись водорода Н-О-О-Н. Во время полимеризации протекает цепная реакция, вовлекая в процесс все большее и большее количество молекул до тех пор, пока вся жидкость не превратится в

11