Экологически безвредное судоходство

Дизельные двигатели являются главным источником энергии
жёсткая связь отсутствует. Кроме того, при этом запасы мощности
на большинстве современных судов. Однако, с экологической точ-
можно использовать для работы бортовой системы энергоснаб-
ки зрения эти двигатели не самые безвредные. Всё же при этом
жения, что снижает общую установленную мощность судна и по-
надо отметить, что уровни вредных выбросов у двигателей этого
вышает надёжность. Более того, по сравнению с валами кабели
типа зависят от режима работы. В оптимальном рабочем режиме
дают больше свободы при выборе места размещения двигателя.
эффективность использования топлива значительно выше, а уро-
Это может повысить полезную грузоподъемность судна и позво-
вень загрязнения ниже, чем на низких оборотах. Поэтому пробле-
ляет более эффективно осуществлять его погрузку и разгрузку.
му снижения выбросов можно решить путём обеспечения работы
Все эти преимущества приводят к повышению продуктивности
двигателей в таком оптимальном режиме.
использования судов и экономии средств владельцев судов.
При использовании традиционного механического привода
Эффективность использования топлива также повышается
это невозможно, поскольку скорость двигателя жёстко связана
при использовании гребных винтов противоположного вращения.
со скоростью гребного винта. При использовании электрического
При этом улучшаются гидродинамические свойства пропульсивной
привода (генераторов и двигателей, соединённых кабелями) такая
установки судна, и ещё более снижается потребление топлива.
Экологически
безвредное судоходство
Соответствие более жёстким требованиям природоохранительного законодательства
при улучшении эффективности использования топлива
Матти Туртианиен
54
АББ Ревю 3/2005
Экологически безвредное судоходство
Г
лобальное потепление и его механизм, известный как парниковый эффект, в средствах
массовой информации обсуждаются почти
каждый день. Причины и влияние этого явления
во многом определяются деятельностью людей.
Решения, влияющие на потребление энергии
и экологические вопросы, принимаются каждый
день – сколько топлива будет потреблять тот
или иной автомобиль, какую отопительную систему выбрать для нового дома и т. д.
В морском судоходстве знают об отношении
общественности к вопросам охраны природы
и с пониманием относятся к экологическим
законам, которые непосредственно влияют
на их бизнес. На большинстве пропульсивных
установок морских судов в качестве главного
двигателя используются дизельные двигатели.
Были проведены широкие исследования по разработке дизельных двигателей с низким уровнем
выбросов, в которых применяются альтернативные виды топлива, например, газ, и разработке
методов очистки выхлопных газов, позволяющих
обеспечить соответствие уровней выбросов более
жёстким требованиям.
Выбросы в морском судоходстве
Выбросы монооксида азота (NO) и диоксида азота (NO2) вызывают выпадение кислотных дождей.
Это приводит к избытку удобрений в водоёмах
и образованию смога. На уровень выброса NOх
значительное влияние оказывает температура
сгорания топлива в двигателях.
Сернистый газ (SO2) и серный газ (SO3) имеют
общее название – окислы серы (SOх). Эти газы
также входят в состав кислотных дождей и оказывают большое влияние на растительность,
здоровье людей и состояние зданий. Выбросы
(SOх) прямо пропорциональны содержанию серы
в топливе и потреблению топлива.
Углекислый газ (СO2) вносит основной вклад
в парниковый эффект, способствующий глобальному потеплению. Прогнозируемое среднее
глобальное повышение температуры в 21-м веке
оценивается в 0,5 – 4°С. Повышение температуры даже на 0,5°С окажет значительное влияние
на климат Земли, приведёт к подъёму уровня
моря, и, возможно, даже вызовет изменения в системах океанических течений. Выбросы СO2 двигателей прямо пропорциональны потреблению
топлива (см. вставку).
Дизель-электрические пропульсивные установки
используются в морском судоходстве в течение
нескольких десятилетий. Способность электрического двигателя развивать большой момент
при низкой скорости – мощный аргумент в пользу использования дизель-электрических установок, особенно на ледоколах. Эта, так называемая,
концепция «электростанции» позволяет эксплуатировать дизельные двигатели в оптимальном
режиме независимо от скорости гребного винта.
Ещё один шаг в сторону увеличения эффектив-
АББ Ревю 3/2005
1
Применение концепции «электростанции» снижает общую требуемую установленную мощность
а) Традиционная система энергоснабжения судна.
б) Принцип «электростанции» с дизельным двигателем.
450 В
6600 В
G
3~
G
3~
G
3~
G
3~
ности использования топлива сделан внедрением
новейшей технологии гребного винта противоположного вращения (CRP).
Принцип «электростанции»
Обычно движение судна и электроснабжение
оборудования осуществляются с использованием
двух отдельных не соединённых друг с другом
агрегатов (рис. 1а). Расположение двигательных
отсеков определяется типом используемого гребного вала и системой выхлопа двигателя.
В дизель-электрической электростанции нет
непосредственной механической связи между
двигателем и гребным винтом (рис. 1б), что даёт
больше свободы выбора при размещении и установке машинного оборудования. Для создания
дополнительной площади для кают и груза можно
изменить размещение машинного оборудования
на судне. При этом повышается гибкость и продуктивность судна, повышается конкурентоспособность оператора морского судоходства.
Уменьшается также общая установленная мощность двигателей: две энергетические установки
могут использовать ресурсы друг друга и при запуске мощных приводов, таких как подруливающие устройства, не происходит больших перепадов напряжения в электросети судна.
Доля судоходства
в загрязнении воздуха
■ Пять процентов общего мирового потребления нефтепродуктов – около 140 млн.
тонн.
■ Пять процентов мировых выбросов СО2,
связанных с использованием нефтепродуктов – 450 млн. тонн СО2 ежегодно.
■ От двух до трёх процентов общего мирового потребления ископаемого топлива.
■ Тринадцать процентов общих выбросов
NOx, связанных с использованием топлива.
■ От двух до трёх процентов общих мировых выбросов SOx.
(Источник: А. А. Райт, Серия MEP, том 3, часть 20:
«Выхлопные газы устройств внутреннего сгорания», опубликовано Институтом инженеров
морского судоходства в 2000 году).
G
3~
M
3~
M
3~
~
~
~
~
G
3~
G
3~
G
3~
G
3~
Количество необходимых дизельных двигателей
также снижается, так как они могут иметь более
крупный размер. Достигается бóльшая степень
модульности конструкции, благодаря чему снижаются необходимое количество запасных частей
и затраты на техническое обслуживание.
Надёжность и безопасность
Количество используемых главных двигателей
может варьироваться в зависимости от нагрузки, что позволяет эксплуатировать дизельные
двигатели на оптимальном участке рабочей
характеристики. При этом снижаются потребление топлива, уровень выбросов и износ
двигателей.
Принцип «электростанции» позволяет поддерживать заданную скорость и грузоподъемность
судна даже при нескольких не работающих
главных двигателях. Большая силовая установка
также способна справляться с коммутационными
помехами в электросети, такими как выбросы тока в результате пуска большого подруливающего
устройства или компрессора системы кондиционирования воздуха.
Вопросы экономии топлива и защиты
окружающей среды
При работе дизельных двигателей на оптимальной и постоянной рабочей скорости потребление
топлива ниже, чем при работе с переменной скоростью. Кроме того, в пропульсивных установках
с передаточными механизмами, при работе которых необходимы замедления и переключения
с режима с двумя двигателями в режим с одним
двигателем, во избежание перегрузки дизельных
двигателей необходимо контролировать скорость
и шаг гребного винта. Это снижает к. п. д. гребного винта, и для компенсации этого снижения
необходима дополнительная установленная
мощность.
В дизель-электрической силовой установке
гребной электродвигатель способен развивать
нужный момент вращения в любое время, во всём
диапазоне скоростей, даже при нулевой скорости и реверсировании. Поэтому она идеально
подходит для приведения в движение гребных
винтов с фиксированным шагом. Это повышает
к. п. д. системы: при низкой скорости гребной
55
Экологически безвредное судоходство
винт с управляемым шагом потребляет энергию
только для поддержания своего вращения.
понент прямой вращательной скорости главного
гребного винта.
На судах, работающих в режиме динамического
позиционирования, в течение большей части
времени работы тяговая мощность очень низка. Электрические пропульсивные установки
с фиксированным шагом гребного винта при необходимости могут за короткое время развить
большую тягу, но потребление энергии не движущегося судна остаётся минимальным.
Исследование гидродинамических
свойств гребного винта противоположного вращения
Компания АББ провела исследование систем,
использующих гребной винт противоположного
Кроме потребления топлива, острой проблемой
стали вредные выбросы судов, в особенности
в экологически чувствительных регионах, таких
как Аляска и Балтийское море. Выбросы NOx
дизельных двигателей значительно возрастают,
когда невозможно обеспечить работу двигателя
в оптимальном диапазоне скоростей и мощностей (рис. 3). Здесь отчётливо видны преимущества
электрической силовой установки перед системой прямого привода.
Концепция пропульсивной установки
CPR Azipod®
Эта концепция гребного винта противоположного вращения (CPR) характеризуется новой
комбинацией традиционной пропульсивной установки и установки Azipod®1). Обе пропульсивные
установки устанавливаются соосно, но между
ними нет непосредственного соединения. Такое
расположение позволяет восстанавливать ком-
56
Участок оптимальной работы / электрический привод
Участок оптимальной работы / механический
привод
Пропульсивная установка Azipod / четыре
главных двигателя / оптимальная форма корпуса судна
Дизель-электрическая пропульсивная установка / четыре главных двигателя
Механическая пропульсивная установка /
один главный двигатель
К. п. д передачи энергии от дизеля
к гребному винту η, %
Работу механических силовых установок можно
оптимизировать для конкретной рабочей точки.
На рис. 2 показано очень высокое значение
к. п. д., достигаемое при оптимизации работы
механической силовой установки. Гибкость электрической силовой установки дает возможность
получать необходимую мощность от различных
комбинаций главных двигателей, что позволяет
поддерживать оптимальный режим нагрузки
двигателей почти во всём диапазоне мощностей
силовой установки. Для судов, работающих на переменной скорости или в режиме динамического
позиционирования, применение «электростанции» и соответствующей пропульсивной установки во многих случаях является лучшим решением.
Сравнение к. п. д. пропульсивных установок
50
45
40
25
50 60
100
Мощность пропульсивной
установки P, %
3
При высоких нагрузках двигателя выбросы NOx
самые низкие (Источник – Wartsila Diesel.)
40
Относительные значения
выбросов NOx, %
При использовании концепции традиционных
судов на выполнение такого же объёма перевозок
требуется на 20 и более
процентов топлива больше, чем при использовании силовой установки
с гребным винтом противоположного вращения
и системой Azipod®.
2
30
Механическая
пропульсивная установка
20
10
Дизель-электрическая установка с постоянной скоростью
0
--25
50
75
100
Мощность, %
4
При использовании гребного винта противоположного вращения улучшаются гидродинамические характеристики
вращения, и серию модельных испытаний на судах различных типов. Выигрыш в к. п. д. при использовании этой новой пропульсивной установки зависит от ряда факторов, таких как тип,
скорость судна, уровень мощности, нагрузка,
скорость вращения и используемое машинное
оборудование. Как правило, при использовании
гребного винта противоположного вращения достигается повышение к. п. д. от 5 до 15 процентов.
На рис. 5 показаны результаты испытаний высокоскоростного судна Ropax2).
ENVIROPAX был совместным исследовательским
проектом, частично финансированным правительством Финляндии. В нем участвовали компания
АББ и две финские компании – Kvaerner Masa-Yards
и Wartsila. Успех проекту принесло объединение
знаний и опыта всех этих трёх компаний – АББ,
как ведущего игрока на рынке электрических
и гондольных пропульсивных установок, Kvaerner
Masa-Yards, как ведущей судостроительной компании, и Wartsila, как компании, специализирующейся в морских силовых установках.
В проекте ENVIROPAX были исследованы две быстроходные концепции судов типа Ropax с системами, использующими гребной винт противоположного вращения. Основное внимание в проекте
было уделено изучению гидродинамических
свойств пропульсивных установок с гребным винтом противоположного вращения. Были изучены
следующие аспекты.
■ Влияние распределения мощности на к. п. д
пропульсивной установки.
■ Характеристики пропульсивной установки при
использовании двух гондол разного размера.
■ Кавитация, вызываемая гребными винтами
в различных условиях.
■ Уровни импульсов давления на корпусе.
Для однозначного определения влияния типа
гребных винтов и гондол на гидродинамические
свойства силовых установок использовались суда
с одним и тем же типом корпуса.
Распределение мощности между гребными винтами
Влияние распределения мощности между гребными винтами на общий к. п. д. очень важно, потому
что от него в значительной мере зависит стоимость пропульсивной установки. Важно знать,
как выбирать такое распределение мощности
между гребными винтами, которое не вызывает
большого снижения к. п. д. силовой установки.
Были проведены несколько расчётов для разных
распределений мощности между гребными винтами. Эти расчёты показывают, что с точки зрения экономичности, чем меньше установленная
мощность гондолы, тем лучше, но с точки зрения
гидродинамики преимущество имеют более крупные и более мощные гондолы. С точки зрения судостроителей самый важный фактор – стоимость
судна, а с точки зрения владельца судна затраты
на его эксплуатацию также существенно важны.
АББ Ревю 3/2005
Экологически безвредное судоходство
5
Сравнение гребного винта противоположного
вращения и двухвинтового судна Ropax
6
Гибкое распределение мощности без существенного снижения к. п. д. пропульсивной установки
CRP
Двойной винт
Pdaks
Разница 10 % при скорости
29 узлов
30.00
P, МВт
Ps, кВт
Plot
40.00
60000
50000
Pdpod
40000
20.00
10.00
30000
0.00
20000
26
27
28
29
30
Результаты показывают, что к. п. д. силовой
установки остаётся практически неизменной
в широком диапазоне разделения мощностей. Это
означает, что мощность гондолы можно выбирать
небольшую, что даёт конструкторам судов большую гибкость при выборе машинного оборудования для судна.
31
35
32
40
45
50
55
Соотношение мощностей
Vs, узлы
Распределение мощности между гребными винтами – пожалуй, самый важный вопрос при оценке
возможности использования пропульсивной
установки такого типа на том или ином судне. Необходимо тщательно взвесить несколько факторов.
Важное значение имеет размер электрического
силового агрегата, так как он влияет на эффективность всей пропульсивной установки. Потери
в электрической системе между генераторами
и гребным винтом Azipod® выше, чем потери
в механической части. Этим объясняется важность
размеров установки Azipod®. При выборе типа
Azipod® необходимо учитывать эффективность
системы в целом с механической, электрической
и гидродинамической точки зрения. После исследования нескольких вариантов были выбраны
следующие конфигурации силовых установок.
ми винтами и распределения мощности между
ними потребовалось множество расчётов.
Конфигурация номер 1.
■ Система Azipod® на 10 МВт.
■ Гребной винт противоположного вращения
Lips, приводимый в движение двумя среднескоростными дизельными двигателями Wartisila c
общей установленной мощностью в 33,6 МВт.
■ Общая пропульсивная мощность (Azipod®+гребной винт противоположного вращения): 43,6 МВт.
Результаты гидродинамического исследования
Целью этого проекта было исследование влияния
разделения мощностей движителя на общий
к. п. д. пропульсивной установки и требуемую
мощность судна. В течение всех испытаний использовалась одна и та же форма корпуса судна.
Полученная информация важна, потому что разделение мощности между электрической силовой
установкой гондолы и механическим приводом
гребного винта оказывает влияние на многие
аспекты конструкции и на общие рабочие характеристики судна, такие как: требуемые размеры
инвестиций, потери в приводе и площадь, требуемая для размещения машинного оборудования.
При исследовании ставилась задача определения
влияния разделения мощностей на гидродинамическую эффективность и энергетическую
потребность судна.
Конфигурация номер 2.
■ Система Azipod® на 19 МВт.
■ Гребной винт противоположного вращения
Lips, приводимый в движение двумя среднескоростными дизельными двигателями Wartisila c
общей установленной мощностью в 23,2 МВт.
■ Общая пропульсивная мощность (Azipod® +
гребной винт противоположного вращения):
42,2 МВт.
Конструкция гребных винтов
С учётом уровня кавитации и импульсов давления
были сконструированы две пары гребных винтов
противоположного вращения, имеющие наилучший возможный к. п. д. Из-за высоких нагрузок
гребного винта и усложнения анализа гребных
винтов противоположного вращения вследствие
применения концепции гондолы эта задача была
очень трудной.
Для определения влияния разделения мощности
между главным гребным винтом и гребным
винтом гондолы были проведены испытания пропульсивных установок с использованием гребных
винтов и систем Azipod®. Испытания состояли
из двух серий: были взяты две разные пары главный гребной винт/установка Azipod®, и каждая
пара проверялась при четырёх разных распределениях мощности. При всех этих испытаниях
скорость судна была одинаковой – 29 узлов.
Испытания показали, что распределение мощности можно гибко изменять без существенного снижения к. п. д. пропульсивной установки (рис. 6).
7
Паром Akashia, работающий в Японии
Но гондолу нельзя делать слишком маленькой.
Предел уменьшения определяется не частью
мощности, приходящейся на неё, а тем, какая
мощность может быть приложена к механическому гребному винту. Если нагрузка этого гребного
винта слишком высока, могут возникать такие
нежелательные явления, как кавитация и импульсы давления.
Пропульсивная установка CPR Azipod®
в действии
Концепция была применена на двух быстроходных паромах, работающих в Японии. Паромы
Hamanasu и Akashia, принадлежащие компании
Shin Nihonkai, эксплуатируются с июня 2004 года.
Они были построены на судоверфи Mitsubishi
Heavy Industry в Нагасаки. Концепция работы
паромов предусматривает использование высоких скоростей (30,5 узлов). Суда имеют главный
гребной винт мощностью 24,4 МВт, приводимый
в движение среднескоростными дизелями и установкой Azipod® мощностью 17,6 МВт.
Расход топлива, получаемый при применении
этой концепции, сравнили с расходом судов,
имеющих традиционный привод. По сообщениям
оператора при использовании концепции традиционных судов на выполнение такого же объёма
перевозок требуется на 20 и более процентов
топлива больше, чем при использовании силовой
установки с гребным винтом противоположного
вращения и системой Azipod®. Уровень выбросов
уменьшается на такую же величину.
Заключение
Использование электрической передачи энергии
и технологии гребного винта противоположного
вращения обеспечивает значительную экономию
средств оператора судна благодаря низкому
потреблению топлива, низким затратам на техническое обслуживание и большей гибкости
при выборе конструкции судна. Ещё один важный
фактор – снижение уровня загрязнения, и значение этого фактора будет возрастать по мере ужесточения природоохранного законодательства.
Матти Туртиаинен
ABB Drives
Хельсинки, Финляндия
matti. turtianen@fi. abb. com
Сноски
1
См. также статью «Критический поворот – CRP Azipod®
увеличивает КПД морской силовой установки» Матти Туртиаинена в журнале «АББ Ревю» №1/2003 г.
Для выбора диаметра гребного винта, скорости
вращения вала, расстояния между двумя гребныАББ Ревю 3/2005
2
Cудно Ropax – трейлеровоз (ролкер), который также
имеет комфортабельные пассажирские каюты.
57