Каковы особенности компоновки двухтопливной системы на судах

Обновлено: 27.04.2024

Двигатель морской СПГ является двойным двигателем внутреннего сгорания , который использует природный газ и бункерного топлива для преобразования химической энергии в механическую энергию с. Благодаря более чистым свойствам горения природного газа, использование природного газа в силовых установках торговых судов становится возможностью для компаний соблюдать экологические нормы IMO и MARPOL . Природный газ хранится в жидком состоянии ( СПГ ), а отходящий газ направляется и сжигается в двухтопливных двигателях. Судоходные компании осторожно подходят к выбору силовой установки для своего флота. Система паровой турбины была основным выбором в качестве тягача на танкерах СПГ в течение последних нескольких десятилетий. Система паровых танкеров-газовозов, созданная несколько десятилетий назад, использует BOG (отпарный газ). Танкеры СПГ имеют прочную изоляцию, чтобы поддерживать температуру СПГ около -160 ° C - чтобы он оставался сжиженным. Что происходит, так это то, что даже со всей изоляцией в зону удержания СПГ проникает тепло, что позволяет образовывать испарительный газ естественным путем (BOG).

СОДЕРЖАНИЕ

История

Отпарный газ

Природный газ, используемый в двухтопливных двигателях, перевозится на судах в виде кипящей жидкости и транспортируется при давлении, немного превышающем атмосферное. Когда через изоляцию резервуара проникает приток тепла, это вызывает повышение температуры сжиженного природного газа, что способствует его испарению из жидкости в газ. Когда тепло проникает в резервуар, давление в резервуаре увеличивается из-за кипения. Изоляция резервуаров разработана с использованием самых передовых технологий. Тем не менее, теплоизоляция резервуаров проникает сквозь тепло. Выкипание происходит во время плавания судов. Во время шторма груз СПГ перемещается и плещется в резервуарах. Отпарный газ составляет 0,1% - 0,25% от мощности судов в сутки. В резервуарах необходимо поддерживать постоянное давление. Если давление в резервуарах становится слишком высоким, открываются предохранительный и предохранительный клапаны, выбрасывая испарение в атмосферу до тех пор, пока не будет сброшено избыточное давление. В связи с тем, что повторное сжижение СПГ на борту неэкономично для большинства судов, газ, производимый при кипячении, направляется в двигательную установку корабля и используется в качестве топлива для электростанций, таких как паровые котлы и двухтопливные судовые дизельные двигатели. . Это сокращает использование бункерного топлива, тем самым сокращая расходы на топливо и техническое обслуживание оборудования.

Технология

Samsung Supreme был контейнеровозом для сжиженного природного газа типа Mark-III, который был самым большим в своем роде. У Supreme были новейшие технологии, которые можно было увидеть на судах, работающих на СПГ. Она имеет танки, полностью окруженные двойным дном корпуса, и перемычку между танками. Каждый танк хранит свой груз при -163 градусах Цельсия. Это стандартная температура хранения СПГ. Это достигается за счет изоляции 250 мм и мембраны из нержавеющей стали толщиной 1,2 мм. В каждом грузовом танке есть погружные центробежные насосы для быстрой выгрузки груза. Это стандартный метод разгрузки резервуаров для СПГ. Максимальная засуха для судов, работающих на СПГ, обычно составляет 12 метров. Это связано с размерами портовых сооружений и ограничениями. Наиболее распространенный размер судов для СПГ составляет от 120 000 до 180 000 кубических метров из-за габаритов судов. ( Тенденции движения в двухтактных двигателях газовозов-газовозов , 2017 г.).

Два распространенных типа танкеров-газовозов - моховые и мембранные. Танкеры мохового типа имеют сферические резервуары для хранения СПГ, а танкеры мембранного типа имеют более традиционные прямоугольные резервуары с мембраной из нержавеющей стали. Мембранные танкеры более распространены, потому что они меньше, чем моховые корабли, для того же количества перевозимого СПГ-топлива, но они производят больше отпарного газа, чем корабли в моховом стиле.

Исследование, проведенное MEC Intelligence, показало, что СПГ будет основным источником топлива для всех торговых судов в течение 40 лет. Многие компании уже начали рассматривать процесс перевода своего флота на силовые установки на СПГ.

Двигательные установки судов, работающих на СПГ, обычно оснащены WHR, поскольку они могут привести к снижению выбросов, снижению расхода топлива и повышению эффективности. Переход на суда, работающие на СПГ, представляет собой сложную задачу для компаний, но в сочетании с современными системами сокращения тепловых отходов (WHR) суда для СПГ могут быть более эффективными, чем суда с дизельными или паровыми двигателями.

Тепловые потери стандартного двигателя внутреннего сгорания:

Двигательные установки

В большинстве силовых установок танкеров-газовозов используется BOG и жидкое топливо. В паровой установке BOG используется для зажигания котлов и производства пара. Пар приводит в движение турбины и движет корабль. Преимущество этого типа заключается в том, что при повышении давления в грузовом танке СПГ избыточный BOG сжигается одновременно с жидким топливом. Если BOG недостаточно, используется жидкое топливо ( мазут или HFO) для поддержания работы завода. Альтернативой паротурбинному двигателю является судовой двухтопливный дизельный двигатель. Производители силовых установок для коммерческих судов, такие как финская Wärtsilä и немецкая MAN Diesel , производят двухтопливные дизельные двигатели с большим диаметром цилиндра. Двигатели MAN B&W ME-GI имеют чрезвычайно гибкие топливные режимы, которые варьируются от 95% природного газа до 100% HFO и где-то между ними. Требуется минимум 5% HFO для пилотного масла, поскольку это двигатели с воспламенением от сжатия, а природный газ не является самовоспламеняющимся. Паровые турбины являются исключительно основным двигателем для судов, работающих на СПГ, хотя двухтактные дизельные двигатели более эффективны. Это связано с тем, что необходимо использовать отпарный газ из СПГ.

Рентабельность

Недавние исследования были сосредоточены на использовании СПГ в качестве топлива на судах, кроме танкеров СПГ. Эти исследования показывают, что СПГ отличается сокращением выбросов и сокращением эксплуатационных расходов. Было показано, что некоторые экономические стимулы выгодны для эксплуатации силовой установки на СПГ. Когда к электростанции добавляются определенные системы, такие как утилизация отработанного тепла (использующая отработанное тепло для работы, а не для рассеивания), можно наблюдать значительную экономию. Одно исследование показывает, что двигатель на СПГ с системой WHR экономит деньги по сравнению с дизельным двигателем с WHR. Первоначальные инвестиционные затраты выше, но это рентабельный и экологически безопасный метод.

Экологические проблемы

Природный газ состоит в основном из метана, который имеет гораздо более сильный парниковый эффект, чем CO2 ref: Потенциал глобального потепления . Воздействие метана на климат в значительной степени связано с его утечкой. Например, есть проблема под названием проскок метана. Проскок метана - это утечка несгоревшего газа через двигатель. У метана GWP (20) (20-летний потенциал глобального потепления) в 86 раз выше, чем у CO2. Если проскок метана не контролируется, экологические выгоды от использования природного газа уменьшаются и могут свести на нет преимущества перед дизельным или бункерным топливом из-за высокого парникового эффекта метана. Еще одна проблема - опасность, связанная с хранением СПГ при очень низких температурах. Изоляция резервуара имеет решающее значение, и существует вероятность структурной хрупкости и травм персонала от обморожения. По сути, поскольку установлено, что СПГ для движения судов снижает выбросы CO2 и других загрязняющих веществ по сравнению с обычным тяжелым топливом, внедрение СПГ зависит от следующих ключевых факторов: наличие газа, спрос для судов, ограничения выбросов (зоны с контролируемыми выбросами), установка резервуаров для СПГ, и требования безопасности. Следует принимать во внимание проблемы, связанные с использованием СПГ. Такие проблемы, как отсутствие инфраструктуры в большинстве торговых портов, ограниченный опыт работы экипажа с двигателями на газовом топливе, будущая цена на газ и необходимые меры безопасности - все это критические моменты, которые следует учитывать.

Использование СПГ снижает содержание оксидов серы почти на 100 процентов и снижает выбросы оксида азота примерно на 85 процентов. Ведутся серьезные споры о том, приводит ли использование СПГ к снижению выбросов парниковых газов, и исследования показывают, что утечка метана сводит на нет выгоды для климата.

Сегодня мы хотим рассказать о своей разработке — система управления двухтопливным двигателем (бензин-газ СНГ или КПГ), которая внедрена на автомобилях ВАЗ и УАЗ (и может быть установлена на большинство бензиновых двигателей различных автопроизводителей, например, для повышения степени локализации или для расширения функциональных свойств автомобиля, что приведет к усилению интереса потребителя), а также ответить на ваши уточняющие вопросы.

Расширение функций КСУД М86 до конфигурации системы управления двухтопливным двигателем благодаря подключению модуля MR и самих газовых компонентов

Идея разработки состояла в максимальном использовании аппаратно-программного обеспечения базового серийного контроллера М86 для управления современным 4-цилиндровым двигателем при его питании как бензином, так и газовым топливом (КПГ или СНГ) в сочетании с выносным компактным электронным устройством (модуль MR), непосредственно подключаемым к компонентам системы подачи газа.

Компоненты газовой системы питания

Модуль MR работает только как дополнение к основному контроллеру М86. Он получает сигналы от подключенных к нему датчиков газовой системы, преобразует их в цифровой код, передаёт его по CAN-шине в М86 и получает назад от М86 готовые коды управляющих сигналов для функционирования газовых клапанов и форсунок.

Взаимодействие контроллеров системы управления двухтопливным двигателем

Что даёт такой подход при решении задачи двухтопливности автомобиля?

При этом оптимизируются на высоком технологическом уровне все процессы перехода с одного вида топлива на другой, аварийные режимы переключения работы системы при отказе компонентов, регламентируемые законодательством функции самодиагностики и визуальной информации.

Реализуется возможность одновременной подачи двух видов топлива: и бензина, и газа.

Минимизируются коммутационные цепи благодаря подключению модуля к базовому блоку по CAN-шине и подключению газовых компонентов отдельным жгутом к газовым компонентам.

При этом жгут проводов модуля MR носит законченный конструктив, позволяющий его устанавливать, как в условиях сборки автомобиля на конвейере, так и в условиях дооборудования бензинового автомобиля газовыми компонентами находящегося в эксплуатации без введения изменений в основной кабель бензиновой СУД.

Повышается надёжность, комфортабельность управления двигателем (автомобилем) в эксплуатации, обеспечивается технологичность обслуживания и ремонта.

Схема жгута проводов подключения газовых компонентов к контроллеру

Для нужд нового грузового автомобиля потребовался новый двигатель повышенной мощности, который был создан специалистами Заволжского моторного завода на базе ЗМЗ-40906. В двигателе повышена степень сжатия, что благоприятно для работы на газовом топливе. Благодаря ряду технических изменений двигатель получил улучшенные мощностные показатели.

Это новый двигатель ЗМЗ-409052

Тип двигателя — с искровым зажиганием
Топливо — Бензин/СНГ
Рабочий объем — 2,693 л
Степень сжатия — 9,8
Максимальная мощность, на бензине/СНГ — 108,1/104,4 кВт при 5000 об./мин.
Максимальный крутящий момент на бензине/СНГ — 235/225,6 Н·м при 2650 об./мин.

Что важно, в двигателе уже предусмотрено заводское решение по установке газовых форсунок.

Размещение газовых форсунок и подвод газа во впускной коллектор

Газовые форсунки

Базовый контроллер М86

Ключевые функции и особенности ПО КСУД М86

Автомобильный CAN
Калибровочный CAN
Диагностика CAN ISO 15765

Модуль MR газовой системы питания

При разработке модуля MR учитывались все требования к внешним воздействующим факторам, предъявляемые к базовому бензиновому контроллеру: герметичность IP 67, работоспособность при температуре от -40 до +105 ºС, стойкость к вибрациям, что необходимо для размещения устройства в подкапотном пространстве автомобиля. При этом новый модуль должен был быть минимально возможных размеров для компоновки в существующем автомобиле.

Габаритный чертеж модуля MR

Конструкция корпуса выполнена из литого основания и штампованной крышки, что позволило обеспечить необходимую жесткость конструкции, теплоотвод от электронной платы и при этом сэкономить на недорогой технологии штампованной крышки.

Принципиальная конструкция модуля MR

Внешний вид готового рабочего модуля МR

Функции модуля MR управления газовыми компонентами:

Первичная обработка сигналов с датчиков газовой системы питания:
— датчик уровня/высокого давления газа в баллоне
— датчик низкого давления газа в газовой рампе
— датчик температуры газа в рампе
— датчик температуры редуктора
— состояние переключателя вида топлива
— датчик температуры отработавших газов (опция).
Передача по выделенной CAN-шине в блок управления M86 информации о рабочих параметрах и параметрах диагностики датчиков газовой системы для применения в алгоритме расчёта управления исполнительными устройствами с использованием остальной информации, регистрируемой и формируемой в M86.
Реализация управления исполнительными устройствами подачи газа и первичная диагностика выходов по сигналам, получаемым (передаваемым) по CAN-шине от блока (блоку) управления M86.
ПО модуля не содержит калибровочных параметров управления рабочим процессом двигателя.

Стенд лабораторной проверки КСУД М86 с модулем MR УАЗ

Допустим, крупный международный концерн захочет выйти на российский рынок, повысить уровень локализации производства своих автомобилей.

Тогда мы можем ему предложить вместо того, чтобы тратить деньги на разработку двухтопливного контроллера и, главное, время, воспользоваться нашим решением и установить двухтопливную систему на свои автомобили. Это будет проходить в несколько этапов.

Под требования заказчика конфигурируется ПО и адаптируются алгоритмы. Подготавливается ПО, аппаратная часть блока. Производятся калибровки начального уровня на безмоторном стенде (1-2 месяца).
Заказчик передает 2-3 двигателя с компонентами: автомобильная система впуска, выпуска, система охлаждения и прочее.
Один двигатель монтируется на моторный стенд (остальные в запасе), в котором есть тормоз и есть обеспечение режимов по частоте и нагрузке. Начинаем настраивать калибровочные карты на всех режимах. Процесс калибровки на двигателе может занимать от 3 до 6 месяцев.
После завершения испытаний на моторном стенде мы переходим на автомобили, которые так же передает заказчик (2 шт.). Тестируем ездовые качества, требования токсичности, безопасности. Все алгоритмы также донастраиваются. Испытания происходят на роликовом стенде. Зажимается автомобиль, ставится на ролики, происходит имитация движения автомобиля по дороге (6 месяцев).
Автомобиль проходит дорожные испытания в несколько этапов: в летний период — горные испытания в различных условиях жаркого климата, высокогорья, в зимний период — низкотемпературные испытания. Эти испытания позволяют нам вместе с заказчиком оценить качество произведенной работы, внести коррективы при необходимости (2-3 недели на каждый вид испытания).
После завершения всех основных калибровочных работ проводится сертификация автомобиля на соответствие Правилам ООН № 83. Испытания проводятся на бензине и на газе. В результате испытаний подтверждается соответствие автомобиля уровню токсичности Евро-5.
Но и это еще не всё. Для запуска в серию необходимо пройти пробеговые испытания. Обычно на пробег запускается 3-5 автомобилей, которые проезжают по несколько десятков тысяч километров. Через каждые 15 тысяч км осуществляется контрольное испытание с отбором проб ОГ для оценки уровня токсичности по Правилам ООН № 83.
После завершения всех испытаний запускается опытная партия, а потом начинается серийный выпуск.

У вас будет возможность разрабатывать софт разного уровня, тестировать, запускать в производство и видеть в действии готовые автомобильные изделия, к созданию которых вы приложили руку.

В компании организован специальный испытательный центр, дающий возможность проводить исследования в области управления ДВС, в том числе и в составе автомобиля. Испытательная лаборатория включает моторные боксы, барабанные стенды, температурную и климатическую установки, вибрационный стенд, камеру соляного тумана, рентгеновскую установку и другое специализированное оборудование.

Если вам интересно попробовать свои силы в решении тех задач, которые у нас есть, пишите в личку.

Вакансии

Мы большая компания-разработчик automotive компонентов. В компании трудится около 2500 сотрудников, в том числе 650 инженеров.

Мы, пожалуй, самый сильный в России центр компетенций по разработке автомобильной электроники. Сейчас активно растем и открыли много вакансий (порядка 30, в том числе в регионах), таких как инженер-программист, инженер-конструктор, ведущий инженер-разработчик (DSP-программист) и др.

У нас много интересных задач от автопроизводителей и концернов, двигающих индустрию. Если хотите расти, как специалист, и учиться у лучших, будем рады видеть вас в нашей команде. Также мы готовы делиться экспертизой, самым важным что происходит в automotive. Задавайте нам любые вопросы, ответим, пообсуждаем.

Дизельные двигатели Kawasaki отличаются высоким качеством, основанным на более чем 100-летнем богатом опыте производства, а также высоким уровнем технологий, созданных нами, как производителем продукции для различных отраслей промышленности. Работая в условиях действия стандартов IMO (Международной морской организации) NOx Tier III, вступивших в силу в 2016 году, Kawasaki создала экологически безопасную систему "ЭКОлогии и ЭКОномии" или “K ECOS”, включающую функцию автоматического отключения вторичного турбонагнетателя, систему рециркуляции выхлопных газов (EGR) и/или применение водо-топливной эмульсии (WEF) для двухтактных дизелей. Kawasaki продолжает работать над новыми морскими технологиями, уделяя должное внимание сохранению окружающей среды.

Особенности

Самая большая в мире программа двухтактных дизельных двигателей с гибкой компоновкой обеспечивает Вам широкий выбор пропульсивных систем.
Низкий удельный расход горючего и выбор оптимальной скорости двигателя.
Низкий низкий удельный расход горючего в с широком рабочем диапазоне неполных нагрузок.
Отвечает стандартам IMO по выбросам NOx

Продукция

Двухтактный дизельный двигатель Kawasaki-MAN B&W

Двигатель ME-C/ME-B		В двигателях ME-C синхронизация впрыска топлива, открытие выпускных клапанов, а также смазка клапанов и цилиндров управляются с помощью электроники. В двигателях ME-B впрыск топлива управляется с помощью электроники. Выпускные клапаны приводятся в действие кулачками и имеют функцию переменного времени закрытия.
Двухтопливные двигатели GI/ LGI		Двигатели с обозначением GI (впрыск газа), ME-C/ME-B, доступны как двухтопливные, работающие на природном газе . Двигатели с обозначением LGI (впрыск жидкого газа), ME-C/ME-B, поставляются как двухтопливные, для работы на жидком топливе с низкой температурой вспышки (LFL), таких как метанол, этанол, сжиженный углеводородный газ и диметоксиэтан (DME).

Экологически безопасный продукт

ЭКО-СИСТЕМА КАВАСАКИ “K ECOS”		“K ECOS” - это экологически безвредная система, использующая автоматическое переключение главного и вспомогательного турбонагнетателей, рециркуляцию выхлопных газов (EGR) и/или водо-топливную эмульсию (WEF) для двухтактных дизельных двигателей. K ECOS отвечает требованиям IMO NOx Tier III - по топливосбережению и экономичности. Двухтактный дизельный двигатель с новой системой K ECOS установлен на флагмане компании KAWASAKI KISEN KAISHA, LTD - DRIVE GREEN.
GREEN Экотурбина от Kawasaki - “K-GET”		K-GET - это турбосистема для двухтактных дизельных двигателей. K-GET, с помощью высокоэффективной турбины разработки Kawasaki позволяет снизить потребение топлива.

Модельный ряд

Применение

Kawasaki Kisen Kaisha,Ltd.
“Shanghai Highway”
Судно-автовоз
7S60ME-C

Kawasaki Kisen Kaisha,Ltd.
“Houston Bridge”
Контейнерное судно 8 600 TEU
9K98ME

Kawasaki Kisen Kaisha,Ltd.
“Corona Queen”
Балкер
5S60MCC

Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ

Этот универсальный двигатель может использоваться в силовых установках ледоколов, грузовых и пассажирских судов. Найдёт он применение и на объектах нефтегазового комплекса. Все материалы и комплектующие двигателя изготовлены в России, что делает его привлекательным и для военных. Переговоры на этот счёт уже ведутся.

Генеральный конструктор предприятия Юрий Шмотин отметил, что в Е70/8РД использован унифицированный газогенератор пятого поколения. На его базе можно создать перспективный газогенератор для новой серии авиационных и промышленных двигателей. В области двигателестроения Россия вернула себе утраченные некогда позиции и может производить агрегаты, которые соответствуют мировым стандартам качества.

Е70/8РД – морской двухтопливный газотурбинный двигатель (ГТД) для применения в составе силовых установок судов, привода электрогенераторов и газовых компрессоров в составе морских и приморских промышленных объектов малой и средней мощности (от 8 МВт и выше).

10-ступенчатый компрессор высокого давления
кольцевая камера сгорания
2-ступенчатая турбина высокого давления
3-ступенчатая силовая турбина

Двигатель	Е70/8РД
Мощность на выходном валу, МВт	8.48
Мощность электрическая, МВт	8.0
Мощность тепловая, Гкал/час	10.69 … 11.43
КПД на выходном валу, %	34.2
КПД на клеммах генератора, %	32.9
N выходного вала, об/мин	6 000
Применяемое топливо	газовое / дизельное
Расход топлива (на номинальном режиме), кг/час	1 800 / 2 100
Температура газа на выходе, °С	500
Расход газа на выходе, кг/с	30
Габариты (L x B x H), м	4.00 х 2.00 х 2.00
Масса (на раме), т	5.0

Справочные данные. Характеристики зависят от типа энергообъекта и применяемого оборудования.

возможность работы на различных видах топлива: газообразном (природный газ, попутный нефтяной газ) и жидком (керосин, дизельное топливо).
возможность переключения с одного вида топлива на другое без останова двигателя.
высокий КПД и топливная эффективность.

конструкция, специально разработанная для применения в морских условиях, одобрена Российским Морским Регистром Судоходства.
высокие показатели надежности и ресурсов ГТД и агрегатов на их основе (газогенератор, проверенный в эксплуатации в составе газотурбинных приводов ГПА).

Е70/8РД – основа газотурбинного электрогенератора СГТГ-8 электрической мощностью 8 МВт для применения в составе силовых установок широкого спектра судов, а также теплоэлектростанций промышленных и муниципальных объектов (в т.ч. морских и приморских).

СГТГ-8 имеет все преимущества Е70/8РД, а также: наилучшие массогабаритные характеристики; возможность эксплуатации без потребления воды; высокий уровень ремонтопригодности; низкий уровень потерь масла. Варианты применения Е70/8РД и СГТГ-8:

судовые системы электродвижения;
суда/платформы разведочного бурения; суда/платформы для добычи, переработки и хранения углеводородов;
буровые платформы, обеспечивающие эксплуатацию морских нефтегазовых месторождений (добыча, погрузка/перекачка по трубопроводам нефти и газа);

береговые/припортовые/плавучие комплексы по переработке, погрузке, перекачке углеводородов, сжижению природного/попутного газа;
трубопроводные магистрали (перекачивающие станции) для транспортировки углеводородов, эксплуатируемые в условиях морского/арктического климата.

СГТГ-8 может применяться в составе любых промышленных и муниципальных объектов для выработки тепловой и электрической энергии.

Читайте также: