Новый вид технического флота - Морские вести России

Новый вид технического флота

31.10.2019

Судостроение

Новый взгляд на суда технического флота – универсальная платформа, электродвижение, экологически чистые источники энергии.

Геннадий Егоров, Морское Инженерное Бюро

Владимир Маркин, ФГБУ «Канал имени Москвы»

Электроход, т.е. судно, движущееся на электрической энергии, идея далеко не новая.

Можно вспомнить танкер «Вандал», который был первым в мире дизель-электроходом, судном с гребными электродвигателями. Судно построили на Сормовском заводе в Нижнем Новгороде в 1903 году, а двигатели мощностью по 120 л.с. были установлены в Санкт-Петербурге. Электрическая передача на винты осуществлялась с помощью трех генераторов и электромоторов и позволяла обеспечить реверс главных двигателей и менять мощность и скорость в широком диапазоне.

Сейчас электроходы применяются осознанно, например, когда требуется работа судна на разных скоростях и с разными упорами на винте (паромы, ледоколы, многофункциональные суда обеспечения, суда технического флота) или когда много потребителей электроэнергии помимо движения (пассажирские суда).

Многофункциональное судно-электроход

Например, один из самых удачных современных российских спасателей – проект Морского Инженерного Бюро MPSV07 типа «Спасатель Карев» – дизель-электроход.

Именно он стал и первой удачной универсальной платформой для реализации сразу нескольких различных функций (см. рис. 1).

Рис. 1. Общий вид судна проекта MSPV07 – «Спасатель Кавдейкин». Фото К. Титаренко

Четыре многофункциональных электрохода серии типа «Спасатель Карев» на сегодняшний день являются самыми большими и значимыми спасательными судами, построенными на российских верфях за счет средств ФЦП по развитию транспортной системы страны.

Они предназначены для решения разнообразных задач, требующих различных режимов движения и тяги:

– патрулирование, аварийно-спасательное дежурство в районах судоходства, рыбного промысла, морских нефтяных и газовых промыслов;

– оказание технической поддержки и помощи в районах, опасных для мореплавания и добычи морепродуктов, обслуживание транспортных операций в портах;

– поиск и оказание помощи терпящим бедствие судам;

– поиск, спасение, эвакуация и размещение людей, оказание им медицинской помощи;

– снятие с мели и рифов аварийных судов, откачка воды из затопленных отсеков;

– буксировка аварийных судов и объектов к месту убежищ, а также выполнение морских буксировок судов, плавучих объектов и сооружений во льдах и на чистой воде;

– оказание помощи судам и выполнение спасательных работ в ледовых условиях и на чистой воде;

– оказание помощи в тушении пожаров на плавучих и береговых объектах, доступных для подхода с моря;

– тыловое и техническое обеспечение, в том числе выполнение подводно-технических работ водолазов на глубинах до 60 метров и выше;

– тушение горящего на воде топлива, ликвидация аварийных разливов нефти и нефтепродуктов (ЛАРН);

– освидетельствование и очистка подводной части корпуса судов, плавучих и береговых объектов;

– обследование морского дна и поврежденных объектов на глубинах до 1000 м.

Наличие сложного сочетания функций приводит к взаимно противоречивым тенденциям в выборе пропульсии, обводов, главных размерений и других свойств судна.

В частности, при выборе пропульсивного комплекса приходится одновременно выполнять условия по пяти возможным режимам эксплуатации:

– переход с эксплуатационной скоростью (примерно 70% от полного хода), характерный для нахождения в заданном районе и для обычных переходов судна;

– режим полного хода при выходе на спасение – достижение высокой скорости свободного хода, что обеспечивает снижение времени подхода к аварийному судну;

– буксировка плавучих объектов – обеспечение необходимой тяги на гаке при выполнении буксировочных операций;

– обеспечение достаточного упора для стягивания аварийного судна с мели;

– эксплуатация во льдах, в том числе обеспечение ледокольных функций, для судов ледового плавания обеспечение требуемой мощности.

Кроме того, при нахождении спасаемого судна на мели спасателю желательно иметь минимальную осадку, тогда он сможет ближе подойти к объекту, а в некоторых случаях – обойти аварийное судно за бровкой глубоководного фарватера.

Понятно, что для судов с ограниченной осадкой скорость свободного хода и тяга движителей ограничивается условием полной переработки мощности главных двигателей, что, в свою очередь, определяется ограничением диаметра гребных винтов для предотвращения их аэрации и кавитации.

Форма корпуса проекта MPSV07 создавалась с использованием методов вычислительной гидромеханики (CFD-моделирования), с проведением последующих проверочных модельных испытаний в опытовых бассейнах (глубоководном и ледовом). В качестве основных средств движения и управления суда типа «Спасатель Карев» оборудованы полноповоротными винторулевыми колонками (ВРК). Гребные винты диаметром 2600 мм изготовлены из нержавеющей стали. Привод каждой ВРК осуществляется от гребного электродвигателя мощностью 2265 кВт. Винторулевые колонки обеспечивают судну скорость не менее 15 узлов и упор на швартовых около 75 т (см. рис. 2). Максимальная скорость, достигнутая на испытаниях, составила 15,6 узла.

Рис. 2. Буксировка подводной лодки электроходом проекта MPSV07 «Спасатель Карев» из Санкт-Петербурга в Калининград

Корпус и винторулевой комплекс судна проекта MPSV07 спроектирован на ледовую категорию Arc5, при этом предусмотрена возможность эксплуатации судна при температурах до минус 40 °С.

Главная энергетическая установка – дизель-электрическая, состоящая из четырех главных дизель-генераторов переменного тока 690 В, 50 Гц электрической мощностью 1370 кВт каждый.

Отечественное круизное судно-электроход

31 мая 2017 года в Санкт-Петербурге состоялось крещение первого построенного в XXI веке круизного пассажирского судна смешанного река-море плавания «Штандарт» проекта PV09 (строительный номер 100).

Круизное пассажирское судно проекта PV09 предназначено для совершения круизных рейсов по внутренним водным путям европейской части страны, в том числе через Волго-Балт, Волго-Дон, Беломорско-Балтийский канал, по Волге, Москве-реке, на линиях, соединяющих порт Москва, порт Санкт-Петербург и порт Беломорск через Беломорско-Балтийский канал, с возможностью выхода в Белое море и на Соловецкие острова, в Финский залив, Каспийское, Азовское и Черное моря.

Оно стало прототипом для концепта PV300VD. Это, по сути, начало той линейки круизных судов, к постройке которых приступили астраханский завод «Лотос» и нижегородский завод «Красное Сормово».

Все главные общепроектные решения концепта PV300VD были отработаны на PV09, в том числе архитектура и особенно боковой вид, свойственный яхтам и круизным судам XXI века; помещения и каюты с максимальным остеклением (большими окнами); «плавучая гостиница» с устройством полноценных балконов, носовым обзорным салоном; двухуровневой «солнечной» палубой с баром, бассейном, в плохую погоду часть палубы закрывается при помощи сдвижного тента; дизель-электрическая пропульсия; полноповоротные винторулевые колонки в качестве единого средства движения и управления судном.

Крайне сложным было сочетание ограничения по осадке и длине (для работы на реке Оке), по надводному габариту (для прохода под мостами на Москве-реке в центральной части города), по ширине судна (для работы на ББК).

Движение и управляемость судна обеспечивается двумя кормовыми полноповоротными двухвинтовыми винторулевыми колонками с винтами фиксированного шага с механической мощностью на входном валу по 1100 кВт каждая с приводами от гребных электродвигателей электрической мощностью 1200 экВт каждый.

Главная энергетическая установка – дизель-электрическая. Состоит из четырех главных дизель-генераторов электрической мощностью по 830 экВт каждый, питающих главную электрическую сеть судна, от которой в том числе питается гребная электрическая установка.

Для обеспечения полного контроля над движением судна при маневрировании на малом ходу, швартовых операциях и постановке судна в док предусматривается установка системы управления судном, которая связывает все движители судна (винты, ВРК и подруливающие устройства) в единый модуль и при этом управление всеми этими движителями осуществляется при помощи одного джойстика.

Для круизного пассажирского судна, у которого потребности пассажирской части в энергии соизмеримы с потребностями в энергии для движения, применение электродвижения обеспечивает значительные преимущества при постройке и в особенности при эксплуатации.

Электродвижение позволило при постройке исключить один дизель-генератор по мощности и сократить в целом количество дизелей – установлено 4 главных дизель-генератора вместо 3 главных двигателей и 3 дизель-генераторов.

Во время нормальной эксплуатации гребные электродвигатели и остальные судовые потребители обеспечиваются энергией двумя главными дизель-генераторами. Третий дизель-генератор находится в резерве или работает при ходе с увеличенной скоростью либо при плохих погодных условиях. На четвертом дизель-генераторе можно проводить техническое обслуживание.

Дизель-электрическая СЭУ обеспечивает более высокую экономичность на малых и средних ходах, а также во время рейсов судна с частыми остановками и маневрами. Электрическая передача позволяет применять гребные винты с наилучшим коэффициентом полезного действия и использовать первичные двигатели в наиболее экономичном режиме, так как между первичным двигателем и винтом может быть выбрано практически любое передаточное число.

Сейчас также обсуждаются перспективы танкеров-электроходов.

Источник энергии

Меняем источник энергии – переходим от нефти к возобновляемым источникам электроэнергии. Всегда главным был вопрос об источнике энергии. Двигатели внутреннего сгорания, паровые машины, паровые турбины…

Фактически сжигалось топливо, как правило, нефтепродукты преобразовывались в электрическую энергию, которая в свою очередь шла на гребные электродвигатели, далее на винты, водометы, гребные колеса.

Развитие науки и техники позволило найти и иные источники электроэнергии, причем возобновляемые. От солнца – солнечные батареи и от электрических сетей через накопители – аккумуляторы к движителям.

Такое решение приводит к заметному снижению выбросов в окружающее пространство, вплоть до «нулевого». Это действительно технологии будущего.

Пример судна, работающего от энергии солнца, – пассажирское прогулочное судно компании CIG проекта FS 1850 (см. рис. 3).

Рис. 3. Общее расположение пассажирского судна, работающего на солнечных батареях

Примером объекта, работающего от береговых сетей, являются некоторые типы земснарядов. Если земснаряд получает электроэнергию с берега, то его судовая энергетическая установка так же, как и сам земснаряд, оказывается значительно проще в постройке и обслуживании. Поэтому по возможности, в частности в гидромеханизации при строительстве, стремятся использовать земснаряды именно с такими СЭУ.

Отечественная промышленность строила такие землесосы шести типов большими сериями с диаметром нагнетательного грунтопровода 0,3-0,8 м и мощностью двигателя грунтового насоса до 4400 кВт.

В таблице 1 приведены основные характеристики этих снарядов.

Таблица 1. Основные характеристики землесосов, оборудованных электрическими установками

Характеристика

Значение характеристики для землесоса

100-40К

300-40

350-50Л

350-50Т

500-60

1000-80

Диаметр нагнетательного грунтопровода, мм

300

500

500

500

600

800

Дальность отвода грунта, м

1300

1000

2000

2000

2500

3500

Мощность, кВт

общая

481,5

1227

1450

2300

2900

5130

главного двигателя

380

864

1250

1250

2437

4400

Параметры грунтового насоса на воде в оптимальном режиме

подача, м3

1200

3000

3600

3600

5600

11000

напор, м

43

45

60

60

60

80

Размеры корпуса LxBxHxT, м

22,21х8,0х1,61х0,74

30х9,5х2,0х1,0

31х9,5х2,0х1,1

38х10,4х2,7х1,7

37х10х2,3х1,1

45х12х2,85х1,42

Электроснабжение осуществляется обычно по воздушным линиям электропередач и гибким шланговым кабелем, проложенным по плавучему грунтопроводу. Главные электродвигатели на отечественных судах работают на напряжении 6 кВт.

Другие потребители, за исключением мощных двигателей механического разрыхлителя, питаются напряжением 380-220 В. На землесосе часто предусматривают резервный дизель-генератор 380/220 В мощностью 50-100 кВт.

В качестве главных обычно используют синхронные двигатели, позволяющие компенсировать реактивную мощность, но не допускающие регулирования частоты вращения. Из-за этого при эксплуатации на укороченный грунтопровод, чтобы избежать перегрузки двигателей, приходится использовать наиболее неэкономичный дроссельный способ регулирования.

Много землесосов с электрической СЭУ строится в США и Японии. В Японии почти половина землесосов с механическими разрыхлителями не имеет автономной СЭУ. Мощность главных двигателей японских землесосов достигает 4000 кВт, однако чаще она составляет 1000-1500 кВт.

Земснаряды других типов с электрической СЭУ обычно не строят.

Но вот насколько такие технические решения, привлекательные для экологически чувствительных зон (природоохранные территории, мегаполисы), экономически оправданы?

Этот вопрос действительно сдерживает широкое применение батарей на флоте.

Для солнечных батарей требуется соответствующая погода, для работы от сетей – дешевая электроэнергия в сети. Предпосылки экологические – налицо.

А вот с точки зрения экономики абсолютно удачным является наличие в Москве и Московской области предприятия «Канал им. Москвы», которое само генерирует энергию на своих гидроэлектростанциях. За счет неравномерного графика потребления электроэнергии резервы временной свободной мощности достигают 15-17 млн кВт-ч из общего годового объема выработки, которые могут использоваться для зарядки перспективных судов технического флота на электротяге, а также других судов, работающих в бассейне, например пассажирских.

Необходимость создания экологического транспорта для региона и возможности «Канала им. Москвы» привели к обсуждению идеи создания единой судовой универсальной платформы на электротяге.

Кроме того, существующий флот предприятия требует обновления по возрасту и техническому состоянию. Средний возраст всего технического флота ФГБУ (193 единицы) составляет 39,5 лет. По данным ФГБУ «Канал им. Москвы», на начало 2018 года 11 судов из 193 имели техническое состояние «негодное», 8 судов в навигацию 2017 года не эксплуатировалось. Большинство единиц флота в силу физического и морального старения нуждается в обновлении и модернизации, всего 2 судна находилось в процессе переоборудования в 2017 году, 4 судна ожидало слипования.

Этот флот требует замены на новые суда. Такие суда должны быть многоцелевыми, а также учитывать современные требования к экологической безопасности.

Перспективное судно

Для решения поставленной задачи была выполнена научно-исследовательская работа, в результате которой сформирован облик перспективного судна, работающего на электротяге проекта BLV03 (см. рис. 4).

Рис. 4. Общий вид единой универсальной платформы технического флота на электротяге проекта BLV03

В зависимости от установленного модуля электроход сможет выполнять подводно-технические работы, использоваться при перевозке грузов, тралении и промерах глубин, а также как буксир.

Основные характеристики судна следующие: длина габаритная 29,22 м, длина по ватерлинии 26,89 м, ширина расчетная 5,00 м, высота борта 2,70 м, осадка 1,10 м, мощность гребного электродвигателя 2х180 кВт, экипаж 5 человек, скорость хода 20 км/ч.

В соответствии с предполагаемыми районами выполнения промерных и других работ выбран класс Р 1,2 (лед 10) А РРР.

Общее расположение судна проекта BLV03 можно увидеть на рис. 5.

Рис. 5. Общее расположение единой универсальной платформы технического флота на электротяге проекта BLV03

Помещения для экипажа, осуществляющего дневное и ночное дежурство, расположены в носовой части судна.

На основании выполненного анализа, ввиду явного преимущества монокорпусного судна по сравнению с катамараном при строительстве (более низкая трудоемкость, что важно при серийной постройке), при проектировании нового обстановочного судна проекта BLV03 применялась монокорпусная конструкция.

Основным преимуществом катамарана, работающего на реке, является увеличенная по сравнению с однокорпусным судном площадь грузовой палубы, помещений и палуб, но на проекте BLV03 за счет удлинения корпуса удалось увеличить полезную рабочую площадь грузовой палубы, причем в перспективе на базе такой платформы можно сделать вполне рациональное пассажирское судно местных линий или прогулочное.

В качестве движительно-рулевого комплекса приняты полноповоротные винторулевые колонки как наиболее оптимальные для предполагаемых работ.Прорабатывались также варианты работы классического комплекса винт – руль и водометного движителя.

Основным преимуществом пропульсивного комплекса с ВРК является существенное улучшение маневренности судна (особенно важно при эксплуатации судна в стесненных условиях) при относительной дешевизне изделия, простоте монтажа и возможности модульной замены без постановки судна в док.

Для выполнения работ по обслуживанию буев судно оборудовано телескопическими кранами-манипуляторами.

Для выполнения промерных работ судно получило многолучевой эхолот, который позволяет визуализировать в реальном времени рельеф дна.

Особый интерес на разработанном концепте представляет специально созданная ООО «НПК Морсвязьавтоматика» для проекта BLV03 единая электроэнергетическая система с гребной электрической установкой.

Был проведен анализ современных технологий накопления и выдачи электрической энергии с помощью Li-ion аккумуляторных батарей.

На основании выбранного типа аккумуляторных батарей разработали структурную схему и определили состав оборудования единой электроэнергетической системы с гребной электрической установкой на базе статических преобразователей частоты с общей шиной постоянного тока, включающих активный выпрямитель и автономный инвертор для управления асинхронным короткозамкнутым электродвигателем.

Также были определены состав единой системы управления энергетическими комплексами судна и ожидаемые массогабаритные характеристики применяемого оборудования.

Единая электроэнергетическая система с гребной электрической установкой (ЕЭЭС с ГЭУ) универсальной платформы на электротяге проекта BLV03 включает в себя:

– главную энергетическую установку на основе Li-ion аккумуляторных батарей, предназначенных для обеспечения движения судна на номинальной мощности в течение 5 часов и обеспечения работы всего вспомогательного оборудования в течение 12 часов (время полного заряда аккумуляторных батарей не более 5 часов);

– вспомогательную энергетическую установку в составе одного аварийного дизель-генератора мощностью 30 кВт;

– два гребных электрических движителя (ГЭД) мощностью 180 кВт каждый с инвертором и синус-фильтром;

– вспомогательные механизмы и аппараты, обслуживающие энергетическую установку, включая активные выпрямители напряжения и систему питания с берега;

– питание для второстепенных потребителей 380 В и 220 В.

Основным фактором в использовании напряжения постоянного тока для распределения электроэнергии от источника питания к потребителям является применение источников постоянного напряжения – Li-ion аккумуляторных батарей. Неоспоримым преимуществом такой схемы является малое количество преобразований напряжения, а значит, и более высокий коэффициент полезного действия.

Каждая аккумуляторная батарея состоит из нескольких батарей, подключенных параллельно, каждая через свой коммутационный аппарат. Выход из строя одной батареи не оказывает влияния на работу всей системы. Таким образом, обеспечивается высокая надежность.

Была определена расчетная энергоемкость аккумуляторных батарей W с учетом загрузки и потери энергоемкости за 10 лет (см. таблицу 2).

Таблица 2. Расчетная энергоемкость аккумуляторных батарей W, кВт-ч

Скорость судна, км/ч

Круглогодичная эксплуатация (потеря емкости 30%)

Эксплуатация 250 дней (потеря емкости 20%)

10

767

675

15

1375

1210

20

2556

2250

Учитывая невозможность круглогодичной эксплуатации на ВВП, за расчетный был принят вариант восьмимесячной эксплуатации при скорости судна 20 км/ч – 2250 кВт-ч.

Под выбранную энергоемкость 2250 кВт-ч ООО «НПК Морсвязьавтоматика» были предложены Li-ion аккумуляторные батареи собственного производства (см. таблицу 3, где приведено сравнение с батареями компании Corvus Energy).

Таблица 3. Массогабаритные характеристики выбранного оборудования

W, кВт-ч

Corvus Energy

ООО «НПК Морсвязьавтоматика»

Мощность аккумуляторов, кВт-ч

Масса аккумуляторов, т

Габаритные размеры, ШxВxГ, мм

Мощность аккумуляторов, кВт-ч

Масса аккумуляторов, т

Габаритные размеры, ШxВxГ, мм

2250

25 стоек = 2260

31,3

21 625х1750х738

24 стойки = 2342

26,4

20688х1688х710

Оборудование ООО «НПК Морсвязьавтоматика» более компактное и меньше весит, что для рассматриваемой задачи является определяющим.

В средней части судна расположено аккумуляторное отделение, совмещенное с ГРЩ.

Предполагается в будущем, что судно сможет курсировать и как беспилотник – на дистанционном управлении. С помощью камер, радаров, системы GPS-мониторинга и других датчиков судно сможет без экипажа на борту прокладывать маршрут и подходить к причалу.

Таким образом, создан уникальный инновационный концепт единой универсальной платформы судна технического флота на электротяге проекта BLV03, который соответствует требованиям и пожеланиям «Канала им. Москвы», в том числе с точки зрения обеспечения «нулевых» выбросов в атмосферу близ Москвы.

Заключение

Единая универсальная платформа-электроход проекта BLV03 отличается от «классических» судов технического флота:

– экономией топлива. Li-ion аккумуляторные батареи рассчитаны на 12 часов хода. Их можно будет подзарядить на причалах «Канала им. Москвы» во время стоянки. На это уходит примерно до двух часов. Цена 12 часов хода – 8,5 тыс. рублей из расчета 3,6 руб. за 1 кВт. Столько придется выложить за электроэнергию по рыночной цене. Но электроэнергия, вырабатываемая собственными ГЭС на гидроузлах «Канала им. Москвы», сильно дешевле. Один киловатт уже будет стоить 80 копеек, то есть за 12 часов хода – 1,9 тыс. руб. Для сравнения: 12-часовая работа судна на дизельном топливе обходится в 17,52 тыс. руб. В итоге рыночные киловатты дешевле дизеля в два раза, а собственная электроэнергия канала – в девять раз;

– пониженным уровнем шума и вибрации;

– экологичностью;

– модульностью (имеется возможность установки различного оборудования в зависимости от поставленных задач).

Учитывая потребности «Канала им. Москвы» в обновлении технического флота, разработанный концепт вполне представляется своевременным решением проблемы и может быть рекомендован к запуску в серийное строительство.

Морские вести России №9 (2019)

ПАО СКФ
IV ежегодная конференция ежегодная конференция: «SMART PORT: ЭФФЕКТИВНОСТЬ, БЕЗОПАСНОСТЬ, ЭКОЛОГИЧНОСТЬ»
Восточный Порт 50 лет
НПО Аконит
Подписка 2024
Вакансии в издательстве
Журнал Транспортное дело России
Морвести в ТГ