Газовоз: базовые принципы морской транспортировки газов

Глава 1. Перевозка газовых грузов в море

Существует много типов газовозов, перевозящих широкий спектр газовых грузов с использованием различных систем хранения и охлаждения. Этот учебный материал поможет вам разобраться в способах перевозки газовых грузов и в ключевых требованиях безопасности для таких судов.

1. Перевозка газовых грузов в море. Добро пожаловать в модуль по основам работы газовозов. В этой главе мы рассмотрим разные способы перевозки газовых грузов в море. После прохождения главы вы сможете:

– вспомнить, что температура кипения жидкости зависит от давления;

– различать конструкции газовозов, позволяющие перевозить углеводородные газы в жидкой фазе;

– в общих чертах описать требования ИМО к холодильным установкам газовозов.

Начмём не на судне и даже не на уровне моря, а… на горе.

Представьте, что мы поднялись на высокую гору, например Эверест. В базовом лагере на уровне моря воду для чая кипятят примерно при атмосферном давлении – 1 бар – и она закипает при 100 °C. А у нас ближе к вершине давление воздуха примерно в три раза ниже, и при таком давлении вода закипит уже при 72 °C. Чай получится так себе – но это будет не самая большая наша проблема.

Вы, вероятно, знаете, что этой связью между точкой кипения и давлением мы пользуемся и на судах при опреснении. Создавая вакуум, мы заставляем морскую воду кипеть уже при 40 °C. Благодаря этому в качестве греющей среды можно использовать охлаждающую воду рубашки дизеля – отличное решение: одновременно охлаждаем двигатель и утилизируем «потерянное» тепло.

Конечно, можно и наоборот: повышая давление, мы повышаем температуру кипения. Этим пользуются в скороварках: внутри выше давление – выше температура кипения – меньше время и затраты энергии на приготовление. Вот ключевая зависимость, которую нужно помнить: чем выше давление, тем выше температура кипения.

Газовые грузы почти всегда очень летучи: они кипят при температурах намного ниже обычных окружающих. Чтобы их было экономично перевозить, их нужно перевозить в жидкой фазе – так объм груза в разы меньше, чем в газовой.

Жидкость или газ? Мы говорили, что как жидкость груз занимает намного меньше места. Насколько меньше? Для LPG газообразной фазы нужно приблизительно в 270 раз больше объма, чем для его жидкости, а для LNG – в 600 раз больше.

Значит ли это, что такие грузы всегда надо перевозить при очень низких температурах? И да, и нет. Помните: если поднять давление, поднимется и температура кипения. Многие газы можно хранить при комнатной температуре – если сосуд достаточно прочный, чтобы выдерживать давление.

Если налить летучую жидкость в герметичный баллон, она начнт кипеть, над жидкостью накопится пар, и давление вырастет. Но по мере роста давления растт и температура кипения. Если окружающая температура ниже критической температуры (температуры, выше которой вещество не может существовать в жидкой фазе), система придт к равновесию: температура кипения станет немного выше окружающей, и кипение прекратится.

К слову, видели иней на стенках газового баллона, когда зимой с него берут газ для плиты? По мере расхода газа давление в баллоне падает, температура кипения снижается, и из жидкости испаряется новая порция газа. На испарение нужна теплота – она отнимается у окружающего воздуха через стенку баллона. Воздух у поверхности охлаждается, и содержащийся в нм водяной пар намерзает на баллоне. Побочный плюс – по верхней границе инея можно прикинуть уровень жидкости.

Из этого следует ещ один важный момент перевозки газовых грузов: чтобы жидкость превращалась в пар, нужна теплота. Если мы теплоизолируем грузовые танки, единственный источник теплоты – сам оставшийся жидкий груз. Он охлаждается, а вместе с понижением температуры падает и давление.

Итак, летучие углеводородные грузы (LPG, LNG) можно удерживать в жидкой фазе давлением, охлаждением или комбинацией обоих методов. Если используем охлаждение, разумно хорошо теплоизолировать танки – это снижает приток тепла извне и мощность (стоимость) холодильной установки.

Один и тот же груз можно перевозить разными способами. Исключение – LNG, который перевозится при низком давлении. Критическая температура метана (основной компонент LNG) столь низка (−83 °C), что при нормальной окружающей температуре метан остатся газом при любом давлении – поэтому LNG относят к газам. (Все давления далее – избыточные, т. е. сверх атмосферного.) Перевозка горючих газов при избыточном давлении делает возможным «утечку наружу» при негерметичности, препятствуя подсосу воздуха и образованию взрывоопасной смеси.

Мы относим LNG к категории «полностью охлажднных», но у LNG есть отличия: хотя его перевозят холодным и при низком давлении, судовой холодильный контур обычно не используется. Поскольку LNG – это в основном метан, который легче воздуха, его пары можно сжигать как топливо для ГЭУ. Хорошая теплоизоляция и утилизация паров испарения («boil-off») на нужды движения одновременно охлаждают танки и сдерживают давление.