Технико-экономическая обоснованность и рациональность выбора АКТ являются важнейшей задачей проектирования судов-газовозов. Понятие АКТ представляет собой совокупность основных архитектурных и конструктивных особенностей судна. Архитектурные признаки, в основном, определяют внешний вид судна, а конструктивные – конкретные конструктивные особенности и решения, реализующие предварительные архитектурные проработки. АКТ газовозов в значительной степени зависят от вида перевозимого груза, его свойств, способа сжижения газа, технологической схемы транспортировки СГ, температуры, давления и т.п. На АКТ судов-газовозов оказывает также влияние наличие специальных систем и устройств.
АКТ судна характеризуется формой и количеством корпусов, главными размерениями, размещением машинного помещения, общиы расположением, количеством, расположением и размерами надстроек и рубок, формой и конструкцией корпуса, мидель-шпангоута, форштевня и ахтерштевня, количеством и конструкцией палуб, продольных и поперечных переборок, системой набора, количеством и конструкцией грузовых емкостей и танков, мощной изоляцией, высотой надводного борта и др. Суда-газовозы отличаются большой разновидностью АКТ, связанной с различными способами транспортировки СГ и разнообразием конструкций грузовых емкостей. Последние конструктивно делятся на встроенные, вкладное, мембранные, полумембранные и по форме – на призматические, цилиндрические, трубчатые, долевые, сферические и др.
Особенностью всех АКТ судов-газовозов является кормовое расположение машинного помещения и надстройки, отделение машинного помещения от трюмных помещений коффердамом или огнестойкой переборкой, высокий надводный борт, наличие двойного дна, а часто и двойных бортов, установка цистерн изолированного балласта, мощная изоляция. Грузовые емкости судов-газовозов нередко разделяются продольными, а иногда и поперечными переборками с целью снижения влияния свободной поверхности жидкого груза на остойчивость. Ниже рассмотрены некоторые АКТ судов-газовозов.
Первые суда-газовозы, как указывалось уже, был& предназначены для транспортировки СГ под давлением в цистернах, рассчитанных по нормам для сосудов давления. Очень часто их корпуса бывают образованы поверхностями тел вращения. Газовоз «Galileo», построенный во Франции для чилийских судовладельцев, предназначен для перевозки пропана в 13 вертикальных и 1 горизонтальной цилиндрических цистернах 2 вместимостью 1888 м3 при температуре до 45 °С и авиационного бензина в четырех танках, расположенных в средней части судна. Длина судна 73,5 м, ширина – 11,9 м, форпик наклонный. Кормовая надстройка соединяется с баком, как и у нефтеналивных танкеров, переходным мостиком, проложенным поверх грузовых цистерн. Насосно-компрессорное отделение 3 расположено в носовой оконечности, а грузовое насосное отделение – в средней части судна. Машинное отделение 6 газовоза размещено в корме.
На первых советских газовозах «Кегумс» и «Краслава» СГ перевозился в четырех сферических цистернах вместимостью по 520 мэ, имеющих диаметр 10,0 м, под давлением до 1,8 МПа. В корму от форпика расположены диптанк, насосно-компрессорное отделение и отделение приводных двигателей, а также промежуточная цистерна. Машинное отделение размещено в корме. Топливные 9 и топливно-балластные цистерны расположены вблизи миделя. Чисто балластные цистерны находятся в начале и конце грузовой зоны. На первом ярусе надстройки размещается станция углекислотного пожаротушения.
Примером полурефрижераторного газовоза может служить судно «Gaston Micard» постройки ФРГ. Судно предназначено для перевозки СГ в шести горизонтальных цистернах вместимостью 1400 м3, рассчитанных на рабочее давление 0,9 МПа при температуре до 24 °С. Из шести грузовых цистерн четыре размещены в трюме, а две – на верхней палубе. Все цистерны имеют по три проницаемые поперечные переборки, установленные с целью уменьшения площади свободной поверхности жидкого груза. Каждая цистерна в центральной части имеет горловину, на крышке которой установлены приемные патрубки грузовой системы, предохранительные клапаны и контрольно-измерительные приборы. Цистерны установлены на металлические фундаменты, обшитые деревом. Изоляция цистерн выполнена из минеральной ваты толщиной 70 мм, закрытой алюминиевыми листами. Цистерны на верхней палубе, кроме того, покрыты еще слоем полиэтилена толщиной 5 мм. В верхней части форпика размещена балластная цистерна, а за таранной переборкой – дифферентная цистерна, используемая для улучшения мореходных качеств газовоза. Насосно-компрессорное отделение и отделение приводных электродвигателей расположены в надстройке бака, а машинное отделение в корме. Система инертных газов (СИГ) обслуживается генератором инертных газов (ИГ), установленным в специальном помещении на верхней палубе. Газовоз «Gaston Micard» приспособлен для приема СНГ при любых температурах и давлениях.
Рис. 1. Судно «Galileo» для перевозки СГ и бензина
Рис. 2. Первый советский газовоз «Кегумс»
Другой полурефрижераторный газовоз постройки ФРГ «Юрмала» значительно отличается по АКТ от предыдущего. Он представляет собой одновинтовой теплоход с бульбообразной формой носовой оконечности, транцевой кормой, полубаком, кормовой надстройкой и одноярусной надстройкой в средней части судна. В средней надстройке размещены насосно-компрессорное и электромоторное отделения, рефрижераторная установка и абсорберы для осушки ИГ , станции углекислотного и порошкового объемного химического пожаротушения. Транспортировка СНГ осуществляется в Двух сдвоенных (долевых) цилиндрических и одной цилиндрококи-ческой (носовой) вкладных грузовых емкостях суммарной вместимостью 12000 м3. Аналогичная конструкция грузовых цистерн применена на газовозе «Сигулда».
Суда-газовозы с призматическими, мембранными и полумембранными грузовыми танками внешне весьма схожи с обычными танкерами. Единственное яркое отличие их от последних заключается в Увеличенной высоте надводного борта. Примером такого судна может служить построенный в Италии фирмой «Бреда» рефрижераторный газовоз «Смольный», предназначенный для перевозки СНГ, аммиака и винилхлорида при минимальной температуре груза до -48 °С и максимальном давлении 26 кПа. Судно является одновинтовым, с кормовым расположением машинного отделения, с буль-бообразной носовой оконечностью и транцевой кормой, с шестиярусной надстройкой в корме над машинным отделением и рубкой в средней части судна, двойным дном и подпалубными балластными цистернами, переходным мостиком над грузовой палубой. Грузовое пространство газовоза размещено между носовым и кормовым коффердамами и разделено водонепроницаемыми переборками на четыре трюма, в каждом из которых располагаются вкладные призматические танки. Каждый танк в диаметральной плоскости заканчивается куполом, возвышающимся над верхней палубой, на крыше которого установлены приборы контроля за уровнем СГ, температурой и давлением в танке, а также предохранительные клапаны, срабатывающие при опасном повышении давления в танке. В средней рубке размещен пост управления грузовыми операциями (ПУГО), оборудованный приборами и другими техническими средствами, позволяющими обеспечивать дистанционное управление грузовой системой. Здесь же располагается компрессорное и электромоторное отделения.
Рис. 3. Газовоз «Gaston Micard».
Среди АКТ рефрижераторных газовозов-метановозов все более устойчивые позиции занимают суда со сферическими грузовыми цистернами. Примером таких судов может служить серия сверхкрупнотоннажных газовозов типа «Aquarius» американской постройки вместимостью 125 тыс.м3.
Рис. 4. Газовоз «Юрмала»
Рис. 5. Газовоз «Смольный»
Газовоз представляет собой одновинтовой однопалубный теплоход с пятью одинаковыми сферическими грузовыми цистернами, двойным дном и двойными бортами, с кормовым расположением машинно-котельного помещения, жилых и служебных помещений, бульбообразным носом, наклонным форштевнем, транцевой кормой. Грузовые цистерны диаметром 37,0 м и массой в сборе 680 т опираются на цилиндрические фундаменты. Изоляция цистерн состоит из пенополиуретана специальной марки толщиной -203 мм. ПУГО расположен между грузовыми цистернами № 2 и 3. Здесь же находится платформа грузовых коллекторов жидкого и газообразного метана и компрессорная. В носовой оконечности размещаются кладовая, шкиперская, подруливающее устройство, насосное отделение и диптанк. В кормовой части судна расположены румпельное отделение, станция углекислотного пожаротушения и кормовое насосное отделение, плавательный бассейн. Для уменьшения качки в средней части судна установлена успокоительная цистерна. По всей длине судна поверх грузовых цистерн устроен переходный мостик с пятью площадками над каждым танком. Кроме того, побортно предусмотрены палубный проход и забортный трап. Для обеспечения грузовых операций в районе грузовой площадки установлены два гидравлических крана, а за надстройкой – монорельсовый фан. Для подъема и отдачи становых якорей на палубе в носу установлены две якорно-швартовные лебедки. Швартовка газовоза обеспечивается шестью од-нобарабанными и двумя двухбарабанными лебедками. В состав спасательного оборудования входят две моторные шлюпки и спасательные плоты. Для предотвращения взрывоопасной атмосферы пространство в трюме вокруг грузовых танков заполняется азотом, хранящимся в жидком виде в двух резервуарах на верхней палубе. Каждый грузовой танк снабжен вентиляционной колонной от системы газоотвода для сброса паров метана в случае аварийного повышения давления в грузовой цистерне.
Стремление повысить конкурентоспособность узкоспециализированных судов с целью наибольшего их использования при прямых и обратных рейсах привело к появлению комбинированных судов га-зовозов-химовозов. К таким судам, например, можно отнести судно Для транспортировки сжиженного аммиака плотностью 0,681 т/м3 при температуре -33 °С и ортофосфорной кислоты плотностью 2,0 т/м3 при температуре на несколько десятков градусов выше температуры окружающей среды (рис.ЭЬ Аммиак в количестве 70 тыс м3 транспортируется в призматических вкладных грузовых танках 1 в одном направлении, а ортофосфорная кислота, заполняющая коффердамы из высококачественной стали, в количестве 40 тыс.т – в другом направлении. Пространство между корпусными конструкциями и грузовыми танками заполнено теплоизоляцией в виде перлита, а купола грузовых танков изолированы стекловатой. Грузообработка такого судна ведется двумя независимыми грузовыми системами. При этом возможны одновременная погрузка одного груза и выгрузка другого.
Рис. 6. Газовоз «Aquarius»
Рис. 7. Судно газовоз-химовоз
Активное освоение месторождений газа в арктических районах привело к разработке целой серии проектов судов-газовозов для плавания во льдах толщиной не менее 2,1 м. На рис. 8 приведен боковой вид одного из таких судов с четырьмя сферическими грузо-, выми цистернами суммарной вместимостью 140 тыс.м3. Оригинальная носовая оконечность ложкообразной формы с выступом должна обеспечить повышенную льдопроходимость судна. Корпус отличается часто расставленными усиленными флорами и ледовыми зубьями. Многоярусная кормовая надстройка соединена с носовым наблюдательным постом переходным мостиком. В качестве движителей предусмотрены гребные винты регулируемого шага, помещенные в насадке. Ледовая разведка осуществляется с помощью вертолета.
Рис. 8. Газовоз ледового плавания
Другой вариант АКТ газовоза ледового плавания представлен на рис.11. Как и в предыдущем случае, перевозка СГ осуществляется в четырех сферических грузовых цистернах общей вместимостью 140 тыс.м3. Кормовая и носовая надстройки соединены переходным мостиком. Форма носовой оконечности принята из условий всхожести судна на лед. Как на ледоколах, на газовозе предусмотрены две группы бапластно-дифферентных цистерн: носовая и кормовая, предназначенных для предупреждения затирания газовоза во льдах. В корме размещены вертолетная площадка и гребные винты регулируемого шага в насадке. Предполагаемые размере-ния газовоза: длина – 311,0 м; ширина в районе расширяющегося форштевня – 51,6 м; осадка – 12.5 м и высота борта 27,0 м при диаметре сферических грузовых цистерн 40,8 м. Для снижения сопротивления трения при контакте со льдом предполагается покрыть носовую оконечность пластиковой футеровкой.
Рис. 8. Газовоз для плавания в арктических широтах
Однако, несмотря на значительное внимание к проблеме создания надводных транспортных судов повышенной ледопроходимости с усиленными ледовыми подкреплениями корпуса, увеличенной энерговооруженностью и наличие мощных ледоколов для их проводки, до сих пор не удается обеспечить круглогодичную навигацию по всему Северному морскому пути, а летняя навигация практически продолжается 2-3 месяца и не является устойчивой. Кроме того, эксплуатация надводных судов в арктических широтах даже в период навигации характеризуется повышенным аварийным риском и не может обеспечить регулярности вывоза и завоза грузов и тем более не обеспечит в перспективе транспортировку углеводородов из районов их добычи на арктическом шельфе.
Газовозы являются одним из самых дорогостоящих транспортных средств. Стоимость постройки газовоза-метановоза почти в три раза превышает стоимость танкера с аналогичными размерами, что объясняется применением дорогостоящих материалов и оборудования. При увеличении размеров метановоза его полезный грузовой объем увеличивается пропорционально размерам в третьей степени, а поверхность грузовых танков, определяющая расход материалов (стали, изоляции), возрастает пропорционально размерам во второй степени. Это позволяет уменьшить долю расходов на материалы в общей стоимости судна. Например, изменение грузовместимости газовоза от 125 до 200 тыс.м3 приводит к увеличению изолируемой поверхности от 27 до 37 тыс.м2, а это уменьшает относительную площадь поверхности грузовых танков (отношение площади поверхности к грузовместимости) от 0,216 до 0,185 м2/м3. В результате и относительная стоимость снижается. Для метановоза грузовместимостью 200 тыс.м3 она составляет 86% от относительной стоимости метановоза грузовместимостью 125 тыс.м3. С увеличением размеров метановозов уменьшается и себестоимость перевозок. Например, себестоимость перевозки 1 м3 СПГ судном грузовместимостью 200 тыс.м3 почти в два раза ниже, чем судном грузовместимостью 35 тыс.м3.
С целью повышения экономической эффективности морской транспортировки СГ шведские фирмы «Ml Engineering» и «Hoyer» разработали криогенную систему «MICROAN», предназначенную для транспортировки сжиженных аргона, азота и кислорода на обычных накатных судах. Система состоит из контейнера-резервуара (КР) с необходимой арматурой и системами и трейлера «Mafi». Наружная обшивка, ребра жесткости, опорная рама и подъемные угловые рамы
КР изготовлены из нержавеющей стали. Внутри КР установлена отбойная стальная переборка. Системы предварительного охлаждения, глубокого вакуума и изоляции сводят потери газа к минимуму. КР поставляются в четырех модификациях, имеющих одинаковую ширину 2,5 м, длину 6,1; 7,15; 8,05 и 8,97 м и емкость 20050, 24200, 27560 и 31000 л, соответственно. Базовым модулем является КР длиной 7,15 м и массой 7150 кг, в котором возможна также перевозка углекислого газа и закиси азота. Спроектирован КР массой 35 т для транспортировки этилена. Предполагается, что предлагаемая система позволит частично отказаться от дорогостоящих судов-газовозов при перевозке СГ.
Экономическая эффективность и стоимость морской транспортировки газа определяется ценой на газ, расходами по сжижению, объемом транспортируемого газа и дальностью его доставки, затратами на сооружение причальных линий и газохранилищ. Если конкурентоспособность различных видов транспортировки газа рассматривать только лишь в зависимости от расстояния, то, как показывают расчеты, морские суда предпочтительнее трубопроводного транспорта при расстояниях доставки, превышающих 1500 миль. Например, многие годы действуют судоходные линии по перевозке СГ Алжир – США (ежегодный объем перевозок 20,7 млрд.м3 на расстояние 3300 миль), Калимантан – Япония (соответственно, 16,0 млрд.м3 и 2430 миль), Индонезия – США (10,0 млрд.м3 и 10200 миль). Морская транспортировка газа более гибка в эксплуатационном отношении. Она меньше зависит от характера и стабильности грузопотока, расходы по перевозке в зависимости от расстояния растут раза в два медленнее, чем при использовании трубопроводного транспорта. Кроме того, ряд высокоразвитых стран Европы, Скандинавские страны, Англия, Япония, Австралия вообще не могут обеспечить свои все возрастающие потребности в энергетическом и химическом сырье без использования морского транспорта.