Особенности морской перевозки сжиженного природного газа

С началом эксплуатации первых надежных судов для доставки СПГ, стремления к инновациям в дизайне и связанные с ними риски стали неприемлемы для основных игроков рынка, включая продавцов и покупателей, участвующих в проектах. Активность в сфере строительства СПГ-танкеров оставалась невысокой среди судостроительных компаний и владельцев судов. Специализированные верфи были редкостью, однако Испания и Китай заявили о своих планах по расширению производства таких судов. В то же время, динамика рынка СПГ наблюдает стремительное развитие, привлекая новых участников к сотрудничеству в данной отрасли.

В середине 20го века, инженерный прогресс открыл путь для транспортировок сжиженного газа по воде на достаточно приличные расстояния. Пионером в этой области был адаптированный сухогруз "Marlin Hitch", построенный в 1945 году. Он был оснащен алюминиевыми танками с изоляцией из бальсового дерева, размещенными в трюме без дополнительной фиксации. После проведенной модификации вновь созданный газовоз переименовали в "Methane Pioneer" и в 1959 году он реализовал первый рейс, доставив 5000 кубометров газа из Соединенных Штатов Америки в Соединенное Королевство.

Уже в 1964 году был спроектирован специализированный газовоз "Methane Princess" на верфях "Vickers Armstrong Shipbuilders", предназначенный для транспортировки газа из Алжира в Британию. Этот газовоз отличался грузоподъемностью в 34,5 тысячи кубических метров метана и был оборудован алюминиевыми танками и паровой турбиной, что позволяло использовать испарившийся газ в качестве топлива.

С начала коммерческой эксплуатации газовозов, изменения в их размерах были минимальными. За первые десять лет эксплуатации их грузоподъемность увеличилась с 27 500 кубических метров до 125 000 кубических метров, а затем расширилась до 216 000 кубических метров в последующие годы. В ранний период использования газовозов, судовладельцы не несли затрат на сжигание газа, ведь в отсутствие технологий для сжижения природного газа (СПГ), излишки газа выбрасывались в атмосферу, причем покупатели часто были частью консорциума. Современные же контракты теперь учитывают стоимость сжигаемого газа, обязывая покупателя покрывать эти расходы, что делает доставку максимально возможного объема газа приоритетной задачей. Это обстоятельство стало толчком к разработке новаторских подходов в судостроении, включая оптимизацию использования газа в качестве топлива и его эффективное сжижение.

В начальный период совершенствования судоходства с целью транспортировки СПГ использовались грузовые танки типа "Conch", однако из-за ограниченного использования было сконструировано лишь 6 таких судов. Они были основаны на использовании самонесущих призматических емкостей из алюминия с бальсовым слоем изоляции, позже замещенной на полиуретановую пену. Для проектов крупнотоннажных судов, способных вмещать до 165 000 кубических метров, рассматривалось использование цистерн из никелевой стали, однако эти планы так и не были реализованы.
Большей популярностью пользовались цистерны системы «MOSS» с их характерными сферическими емкостями, вдохновленные конструкцией танкеров для перевозки нефтяных газов, благодаря их самоподдерживающей конструкции, экономичности изоляции и удобству в строительстве отдельно от корпуса судна.

Ключевой проблемой сферических цистерн является важность охлаждения большого количества алюминия. Компания из Норвегии «Moss Maritime», занимающаяся созданием сферических резервуаров, предложила использовать в качестве внутренней изоляции полиуретановую пену вместо традиционных материалов, однако эта новаторская идея пока не нашла применения на практике.

Возведение мембранных танков происходит после спуска судна на воду, это делает процесс относительно дорогостоящим и длительным. В новейшем судостроении приоритетами являются увеличение грузоподъемности при сохранении размеров судна и сокращение затрат. В этом контексте активно используются три главных вида грузовых танков: сферические системы «MOSS», мембранные системы «Gaz Transport №96», и мембранные системы «Technigaz Mark III», каждый из них имеет свои особенности и преимущества для перевозки сжиженного газа по морю.
Интегрированные танки являются частью структуры корпуса газовоза и испытывают такие же нагрузки. Мембранные же танки, не имеют самоподдерживающейся конструкции и имеют тонкую мембрану, толщиной от 0,5 до 1,2 мм, удерживаемая благодаря изоляционному слою, примыкающему к внутренней части корпуса. Термические нагрузки на танки компенсируются за счет использования материалов для мембраны, таких как никель или алюминиевые сплавы, которые обеспечивают сохранение целостности конструкции в экстремальных условиях.

СПГ — это микс углеводородов, который в сжиженном состоянии становится прозрачной бесцветной ничем не пахнущей жидкостью, обычно транспортируемой и хранимой при температуре около -160°C. Состав сжиженного газа может изменяться в зависимости от месторождения и метода сжижения, преимущественно включает в себя метан, но также может содержать этан, пропан, бутан, пентан и немного азота. Для точных инженерных расчетов, включая определение тепловой энергии и плотности СПГ, важно учитывать его конкретный состав.

В процессе морской транспортировки через изоляцию танков проникает тепло, воздействуя на СПГ и вызывая его частичное испарение — явление, известное как феномен выкипания. Этот процесс изменяет состав СПГ, поскольку компоненты с более низкой точкой кипения испаряются в первую очередь, что влияет на свойства оставшегося груза. В итоге СПГ, доставляемый к месту назначения, имеет большую плотность и отличается содержанием — имеет меньшее количество метана и азота и большее количество этана, пропана и бутана.

Метан воспламеняется в атмосфере при концентрации от 5 до 14%. Чтобы минимизировать риски воспламенения из танков перед загрузкой СПГ выкачивается воздух и заменяется азотом до достижения уровня кислорода в 2%. Считается, что взрыв невозможен, если концентрация кислорода в смеси меньше 13% относительно объема метана.

Перед началом загрузки СПГ в танки судна происходит замещение инертного газа метаном. Этот шаг критичен, поскольку при охлаждении до -60°C углекислый газ, составляющий часть инертного газа, кристаллизуется, образуя твердые частицы, которые могут засорить форсунки, клапаны и фильтры. Избежать этого позволяет вытеснение инертного газа газообразным метаном, нагретым до повышенной температуры, что обеспечивает удаление компонентов, способных к замерзанию, и готовит танки к загрузке.

Далее СПГ подается из береговой станции через жидкостной трубопровод, проходит через систему очистки и направляется в испаритель. Здесь газ преобразуется в газообразный метан при температуре около +20°C и через паровой трубопровод поступает в верхнюю часть грузовых танков. После того, как концентрация метана в системе достигает 5%, выходящий газ либо перенаправляется обратно на берег через компрессоры для дальнейшего использования, либо направляется в котлы для сжигания через газовую линию, что обеспечивает безопасность и эффективность процесса загрузки.
Завершение процесса загрузки определяется достижением концентрации метана в размере 80% объема в верхней части грузовой системы. Сразу после заполнения танков метаном начинается их охлаждение — важный этап, который инициируется немедленно после завершения загрузки и проводится с использованием СПГ, подаваемого из береговой инфраструктуры.

СПГ поступает в систему через грузовой манифолд, далее по распылительной линии и напрямую в грузовые емкости. Завершив охлаждение танков, сжиженный газ перенаправляется в грузовую систему для дальнейшего снижения температуры. Завершение процесса наступает тогда, когда температура внутри резервуаров стабилизируется на уровне -130°C.

Для отгрузки газовозов все выгрузные трубопроводы предварительно заполняются СПГ с помощью очистного насоса. Этот шаг критически важен для предотвращения гидравлического удара. Затем, соблюдая инструкции по грузовым операциям, запускаются насосы в строго фиксированной последовательности, что инициирует процесс выгрузки емкостей.

В процессе выгрузки поддерживается необходимое давление в танках для исключения кавитации насосов и обеспечения их эффективной работы. Это обычно достигается за счет подачи пара с береговой инфраструктуры. Если невозможно получить пар с берега включается судовой испаритель, производящий нужное количество пара. Выгрузка завершается, когда достигнуты предварительно заданные уровни, учитывающие необходимый остаточный объем газа для поддержания оптимальной температуры в емкостях до прибытия в порт.

После ремонта или длительного простоя газовоза необходимо провести процедуру осушения грузовых танков. Целью является предотвращение образования льда и минимизация риска коррозии, вызванной влагой и оксидами серы и азота. Осушение достигается за счет применения сухого воздуха, производимого установками инертного газа без использования сжигания топлива.

В современных конструкциях газовозов уделяется большое внимание минимизации риска расплескивания груза, что приводит к повреждению емкостей и их оборудования. Танки спроектированы таким образом, чтобы уменьшать ударную нагрузку от движения жидкости, и обладают при этом высокой прочностью. Экипаж внимательно контролирует уровень жидкости в танках, поддерживая его на 10% длины танка и не менее 70% его высоты.
Дополнительным способом управления риском расплескивания груза является адаптация маневров газовоза, особенно контроль за его раскачиванием, и избегание условий, провоцирующих плескание.

Компания «Kvaerner Masa-Yards» внесла значительный вклад в производстве газовозов, запустив строительство линейки судов типа «Moss». Эти газовозы выделяются улучшенной экономичностью, превосходя по экономии ресурсов предыдущие модели на 25%. Инновации включают расширение грузоподъемности за счет более крупных сферических танков, возможность рециркуляции и повторного сжижения испарившегося газа с использованием компактного оборудования для сжижения природного газа, а также значительную экономию топлива благодаря дизель-электрической силовой установке.

Установка для сжижения природного газа работает по принципу компрессии метана под давлением и его последующего охлаждения в "холодном ящике" с помощью закрытой рефрижераторной системы, функционирующей по циклу Брайтона. В роли охлаждающего агента используется азот. Грузовой цикл УПСГ включает компрессор, криогенный пластинчатый теплообменник, отделитель жидкости и насос, что позволяет возвращать охлажденный метан обратно в систему, обеспечивая эффективность и экономичность эксплуатации газовозов.