Крупный газовоз берет на борт больше 170 тысяч кубометров сжиженного природного газа. Главная инженерная проблема скрывается не в размере судна, а в температуре груза. СПГ перевозят примерно при −162 °C, рядом с температурой кипения при атмосферном давлении. Через теплоизоляцию постоянно проникает тепло, часть метана испаряется, а обычная судовая сталь при контакте с криогенной жидкостью может потерять прочность.
Охлаждение решает проблему объема. После сжижения природный газ занимает примерно в 600 раз меньше места. Один кубометр СПГ после регазификации превращается примерно в 600 кубометров газа при стандартных условиях. Поэтому морской танкер способен перевезти объем, для которого в газообразном состоянии потребовалось бы около 100 миллионов кубометров пространства. Температуру и коэффициент уменьшения объема одинаково приводит американское энергетическое ведомство и другие отраслевые источники.
Газовоз при этом не служит плавучим заводом по сжижению. Природный газ очищают и охлаждают на береговом предприятии, затем готовый СПГ загружают на судно. После перехода груз выгружают на приемном терминале, где жидкость обычно снова превращают в газ и подают в трубопровод.
Почему СПГ перевозят при −162 °C и где прячутся огромные резервуары
Природный газ состоит преимущественно из метана, но исходный поток содержит воду, углекислый газ, сернистые соединения, азот и более тяжелые углеводороды. Перед сжижением мешающие компоненты удаляют. Вода и углекислый газ при глубоком охлаждении способны замерзнуть и заблокировать оборудование, поэтому в криогенный цикл поступает уже очищенный газ.
Большинство крупных LNG-танкеров хранит груз при давлении, близком к атмосферному. Жидкое состояние поддерживает низкая температура, а не сильное сжатие. Подход отличает СПГ от пропана и бутана, которые можно перевозить под заметно более высоким давлением. По той же причине LNG carrier и LPG carrier представляют разные классы газовозов, хотя в русском языке оба судна часто называют одним словом.
Грузовые резервуары LNG-танкеров бывают разных типов. Сферические танки Moss легко узнать издалека по большим полусферам над палубой. Каждый алюминиевый резервуар представляет самостоятельную несущую конструкцию. Мембранная система устроена иначе: тонкая герметичная оболочка повторяет форму грузового отсека, а нагрузки через изоляцию передаются внутреннему корпусу судна.
Толщина мембраны способна удивить сильнее размеров самого корабля. В системе NO96 первичный и резервный барьеры сделаны из инвара, сплава железа с 36% никеля, толщиной всего 0,7 мм. За металлическими слоями находится массивная теплоизоляция. Второй барьер нужен на случай утечки через первый. В других мембранных системах применяется гофрированная нержавеющая сталь, складки которой компенсируют температурные деформации. Устройство NO96 подробно описывает разработчик системы GTT.
Сам корпус не охлаждают до температуры груза. Криогенная система должна не допустить контакта СПГ с обычными конструкционными сталями. Международный кодекс перевозки сжиженных газов отдельно учитывает риск хрупкого разрушения материалов при аварийной утечке. Поэтому LNG-танкер получает двойной корпус, барьеры, изоляцию, датчики и системы аварийного отключения.
Почему газ в танке постоянно кипит и куда уходит испарившийся метан
Идеальной теплоизоляции не существует. СПГ медленно получает тепло от окружающей среды, небольшая часть жидкости кипит и превращается в boil-off gas, или BOG. Оставить испарившийся метан внутри герметичного резервуара без контроля нельзя: давление будет постепенно расти.
Современный газовоз умеет использовать испарение с пользой. BOG подают в двухтопливные двигатели и превращают в энергию для движения судна либо направляют в установку повторного сжижения. Конкретная схема зависит от проекта. На старых LNG-танкерах испарившийся газ часто сжигали в котлах паротурбинной установки.
Скорость естественного испарения измеряют показателем Boil-Off Rate. Значение зависит от конструкции танка, площади поверхности, качества изоляции и режима эксплуатации. Для разных вариантов мембранной системы NO96 производитель указывает ориентиры от примерно 0,15% объема груза в сутки у старых решений до менее 0,1% у новых. При 170 тысячах кубометров даже десятая доля процента означает заметный объем газа каждый день.
Пустой теплый резервуар нельзя сразу наполнить СПГ. Резкий перепад температуры создает сильные термические напряжения и резко увеличивает испарение. Перед загрузкой танки и трубопроводы постепенно охлаждают небольшим количеством холодного газа и распыленного СПГ. После выгрузки часть жидкости нередко оставляют на борту. Такой остаток называют heel, запас помогает сохранить танки холодными и подготовить систему к следующему рейсу.
У мембранных танков есть менее очевидная проблема. Полупустой резервуар иногда опаснее почти полного. Жидкость начинает раскачиваться вместе с судном и ударять по стенкам, возникает sloshing. Удары способны создавать большие локальные нагрузки на мембрану и изоляцию. Поэтому обычные LNG-танкеры часто работают либо с высоким, либо с низким уровнем заполнения, а допустимые промежуточные уровни зависят от конструкции. Инженеры отдельно моделируют поведение жидкости при волнении моря.
С точки зрения пожара жидкий СПГ тоже ведет себя не как бензин. Горит не сама криогенная жидкость, а испарившийся газ после смешивания с воздухом в подходящей концентрации и появления источника зажигания. Разлив одновременно опасен сильным охлаждением: контакт с СПГ вызывает холодовые повреждения и способен сделать неподходящий металл хрупким.
Что меняется, когда газовоз отправляют в Арктику
Арктическому LNG-танкеру недостаточно усилить нос. Корпус, винты, рулевые механизмы, энергетическая установка и оборудование должны работать при низкой температуре и значительных ледовых нагрузках. При этом грузовая система продолжает круглосуточно удерживать десятки тысяч тонн СПГ возле точки кипения.
Хороший пример современного судна Arc7 дает «Алексей Косыгин». Грузовместимость составляет 172 600 кубометров СПГ, длина достигает 300 метров, ширина 48,8 метра. Пропульсивный комплекс развивает 45 МВт и состоит из трех полноповоротных винторулевых колонок мощностью по 15 МВт. Серия рассчитана на самостоятельную работу во льду толщиной свыше двух метров при предусмотренных проектом условиях.
Полноповоротная колонка отличается от классической связки «винт плюс руль». Винт вместе с приводом может поворачиваться вокруг вертикальной оси и направлять тягу в нужную сторону. Газовоз получает высокую маневренность, полезную при движении среди льда и работе в порту.
Некоторые арктические LNG-танкеры используют принцип Double Acting Ship. В открытой воде или легком льду судно идет носом вперед, а в тяжелых ледовых условиях способно двигаться кормой. У газовозов семейства Yamalmax кормовые обводы и три мощных азимутальных движителя специально рассчитаны на подобный режим. Для таких судов подтверждена работа кормой в ровном льду толщиной около 2,1 метра.
Ледовый класс не означает способность прорваться через любой лед. Большую роль играют торосы, сжатие ледового поля, ветер, скорость, температура и структура льда. Даже мощному Arc7 при сложной обстановке может потребоваться ледокольная поддержка. Цифра «два метра» описывает проектные возможности при заданных условиях, а не универсальный предел для любого участка Арктики.
Газовоз поэтому объединяет сразу несколько сложных инженерных систем. Судно должно управлять огромной массой криогенной жидкости, контролировать испарение, не допускать контакта СПГ с неподходящими материалами и одновременно сохранять мореходность. На арктическом варианте добавляется еще одна задача: несколько сотен метров корабля приходится проталкивать через лед, не нарушая работу грузовой системы.
Вопросы и ответы
Почему СПГ охлаждают именно до −162 °C?
Примерно при −162 °C и атмосферном давлении природный газ переходит в жидкое состояние. Объем уменьшается приблизительно в 600 раз, поэтому большие количества газа можно перевозить морем.
СПГ хранится на газовозе под высоким давлением?
Крупные LNG-танкеры обычно хранят СПГ при давлении, близком к атмосферному. Жидкое состояние поддерживается главным образом низкой температурой.
Куда девается газ, который испаряется в танках?
Boil-off gas можно использовать как топливо для судовой энергетической установки или повторно сжижать. Система постоянно контролирует давление в грузовых резервуарах.
Почему газовоз не заполняет танки наполовину?
При промежуточном уровне заполнения СПГ сильнее перемещается внутри резервуара и ударяет по стенкам. Для мембранных танков sloshing создает серьезные динамические нагрузки, поэтому проект может ограничивать некоторые уровни заполнения.
Чем LNG-газовоз отличается от LPG-газовоза?
LNG-танкер перевозит преимущественно метан при глубоком охлаждении. LPG-газовоз предназначен главным образом для пропана и бутана, которые можно хранить под давлением, при охлаждении или при сочетании двух способов.
Может ли газовоз Arc7 ходить без ледокола?
Arc7 рассчитан на самостоятельную работу в тяжелых ледовых условиях, но фактическая возможность прохода зависит от толщины и структуры льда, торосов, сжатия ледового поля и погоды. При сложной обстановке может понадобиться ледокольное сопровождение.
