Снабжение потребителей энергоносителями в замерзающих морях РФ: комплексный подход
18.04.2017
Судостроение
Большинство морей, омывающих берега России, являются замерзающими. Даже некоторые южные порты (например, Махачкала или Владивосток) в холодное время года не могут обойтись без ледокольного обеспечения. Ледовые условия Балтийского, Азовского, Каспийского и Охотского морей порой вполне сопоставимы с арктическими.
Андрей Крестьянцев, начальник 504 самостоятельного сектора проектирования морских систем освоения шельфа ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
Антон Луцкевич, ведущий инженер отделения управления системной интеграцией в области гражданского судостроения ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
Основные тенденции, влияющие на снабжение
Омывающие берега РФ моря в той или иной мере освоены, обжиты и вовлечены в хозяйственную деятельность. Соответственно, имеется спрос на необходимые для такой деятельности энергоносители. В целом можно выделить следующие основные тенденции, влияющие на снабжение энергоносителями потребителей в Российской Арктике и замерзающих морях РФ:
• Ужесточение требований к экологичности водного транспорта (Приложение VI к МК МАРПОЛ).
• Ужесточение требований к судоходству в арктических водах (Арктический кодекс).
• Возрастание интереса к СМП, восстановление и модернизация его инфраструктуры.
• Возрастание добычи углеводородов в Арктическом регионе, в т.ч. на шельфе арктических морей. Увеличение объемов транспортировки углеводородов в арктических водах.
• Развитие российских СПГ-проектов. Возрастание роли СПГ и СУГ на отечественном рынке энергоносителей.
• Восстановление российской стратегической инфраструктуры в Арктике.
• Возрастание значимости социальной составляющей поставок энергоносителей потребителям в Арктическом регионе.
• Назревшая необходимость радикальной модернизации муниципальной и коммунальной инфраструктуры потребления энергоносителей.
Однако при наличии ряда общих аспектов и тенденций развития между различными бассейнами имеются принципиальные различия, обусловленные как разницей в условиях судоходства, так и локальными особенностями потребления энергоносителей.
Наиболее существенны различия между бассейнами арктических и неарктических морей.
К побережьям арктических морей выходят Мурманская и Архангельская области, Ненецкий АО, Ямало-Ненецкий АО, Республика Саха (Якутия), Красноярский край, Чукотский АО. Необходимо учитывать географический аспект: арктические побережья и примыкающие к ним регионы – пожалуй, наименее обжитые и вовлеченные в хозяйственную деятельность. Транспортная инфраструктура развита здесь очень слабо. В то же время сейчас набирает силу процесс возрождения российских территорий, примыкающих к арктическим морям. Среди разрухи и запустения, пришедших после распада СССР, постепенно появляются очаги развития, порою бурного. Можно выделить несколько драйверов формирования таких очагов развития:
• Шельф арктических морей РФ и прилегающие участки побережий – наиболее богатый углеводородами отечественный регион. Успешно развивается несколько крупных проектов. Выделено значительное число лицензионных участков для разведки и добычи углеводородов – залог будущего развития региона.
• СМП – наиболее короткий морской путь из европейских вод в АТР (из Норвегии в Японию – ок. 14 000 км против 23 000 км через Суэцкий канал и 29 000 км вокруг Африки). Кроме того, поскольку он проходит преимущественно в российских водах, движение по нему связано с меньшими геополитическими рисками. На фоне роста интереса к СМП как к глобальной транспортной артерии возрождается, обустраивается и приводится в соответствие с современными требованиями инфраструктура СМП, получают стимул к развитию местные порты.
• Ведется восстановление российской стратегической инфраструктуры в Арктике – сейчас это один из государственных приоритетов.
При этом арктические регионы – весьма значимая часть России, в которой формируется порядка 10% ВВП и проживает почти 2 млн человек. Из них более 900 тыс. человек зависят от так называемого северного завоза – доставки в «навигационный» период всех необходимых в течение года запасов, так как в холодное время года сделать это будет затруднительно (см. Рис. 1).
Рис. 1. Потребители энергоносителей в арктических морях РФ и основные пути их доставки
Необходимо отметить, что востребована весьма широкая номенклатура энергоносителей и их потребление существенно различается как для различных потребителей, так и с учетом региональных особенностей (см. Табл. 1).
Табл. 1. Основные виды энергоносителей и их потребители в Российской Арктике
Наиболее востребованные энергоносители
На сегодняшний день наиболее востребованные в Российской Арктике энергоносители – дизтопливо, а также твердые энергоносители: каменный уголь и дрова-долготье (см. Рис. 2). Дизтопливо – наиболее универсальный и наиболее стабильно потребляемый энергоноситель для всех групп потребителей. Основными потребителями твердого топлива (каменного угля и дров) являются муниципальные и коммунальные потребители, а также население. Инфраструктура, ориентированная на потребление твердого топлива, характеризуется предельным износом и требует немедленной модернизации. В то же время необходимо учитывать, что в Сибири, и в частности в верховьях Енисея, действует мощнейший лесопромышленный комплекс (отсюда обилие несортовой древесины, поставляемой на дрова), на Чукотке имеются собственные разработки высококачественного угля, а статистические данные учитывают ряд крупных промышленных потребителей.
Рис. 2. Объемы поставок энергоносителей по регионам в ходе северного завоза 2015 г.
Некоторые виды энергоносителей (дрова-долготье и каменный уголь), по всей вероятности, будут становиться все менее востребованными, поскольку оборудование, ориентированное на их использование (печи, автономные отопительные системы и т.п.), устарело физически и морально и постепенно будет заменяться на более прогрессивные модели, как правило, ориентированные на использование других видов топлива. По этой же причине будет расти потребление стабильного газового конденсата и пропан-бутана (сжиженных углеводородных газов, СУГ), а также возникнет и будет нарастать опережающими темпами потребление сжиженного природного газа (СПГ), производство которого в регионе сейчас развертывается. СПГ (при достаточности его предложения) может частично заменить как жидкие моторные топлива (включая дизтопливо), так и твердое топливо. Однако сейчас потребители не готовы к этому, требуется значительная модернизация энергопотребляющей инфраструктуры. Кроме того, доступность СПГ для региональных нужд, несмотря на скорый запуск производства в проекте «Ямал СПГ», в ближайшей перспективе пока не подтверждена, поскольку значительная часть продукции этого производства законтрактована на десятилетия вперед. Впрочем, на подходе и другие СПГ-проекты.
Расположение большей части потребителей энергоресурсов вдоль берегов рек, мелководность большинства портов в Российской Арктике, особенности логистики доставки основных видов энергоносителей и ряд других причин привели к тому, что значительная (порядка 85%) доля энергоносителей (главным образом твердых) доставляется потребителям речными судами по рекам с юга на север. Там расположены предприятия-производители энергоресурсов (например, Лесосибирский лесопромышленный комплекс и Омский НПЗ) и к рекам подходят железнодорожные ветки. Далее грузы транспортируются вниз по течению до устьев и на прилегающие к устьям участки морских побережий. Морские суда доставляют грузы в немногочисленные, сравнительно глубоководные порты либо на рейды с достаточными глубинами, где грузы перегружаются на небольшие мелкосидящие суда и уже на них достигают потребителей. Эта ситуация обусловила относительно небольшую долю морского транспорта в северном завозе – порядка 15% (см. Рис. 3). В результате большая часть грузов в северном завозе достигает получателей по рекам, в т.ч. малым. К твердому топливу это относится в большей степени, чем к дизтопливу.
Рис. 3. Доля видов водного транспорта в северном завозе
Отдельные крупные потребители могут существенно влиять на потребление энергоносителей в регионе. Так, в 2015 г. в Ямало-Ненецкий АО в рамках северного завоза в целом завезено (всеми видами транспорта) около 80 тыс. т дизтоплива. В то же время потребление дизтоплива портовыми ледоколами терминала «Ворота Арктики» (Новопортовское месторождение) могло бы составить 15…20 тыс. т в год, а одним офшорным объектом класса «Приразломная» – 20…30 тыс. т в год. При этом следует отметить, что количество перспективных шельфовых проектов достаточно велико (только в Обско-Тазовской губе осваивается не менее 4 шельфовых месторождений).
Также необходимо отметить, что ниша бункеровки судов как в Обско-Тазовской губе (где действует весьма многочисленный флот нефтяных компаний и их подрядчиков, а также расположены порты Сабетта и Новый Порт, в которые должны заходить линейные крупнотоннажные танкеры и газовозы), так и на трассах СМП пока никем не занята. При этом одним линейным танкером ледового плавания грузоподъемностью около 80 тыс. т потребляется порядка 25 тыс. т дизтоплива в год – часть этого топлива может потребоваться на месте загрузки судна.
Морские суда для снабжения
Ранее созданные морские суда для снабжения потребителей в Арктике энергоносителями можно условно разделить по следующим признакам:
• по номенклатуре перевозимых энергоносителей (универсальные – способные перевозить как жидкие, так и твердые энергоносители (см. Рис. 4 и Рис. 5), а также танкера (см. Рис. 7 и Рис. 8), предназначенные исключительно для перевозки жидких энергоносителей);
Рис. 4. Многоцелевое ледокольно-транспортное судно снабжения типа «Витус Беринг» (пр. 10620)
Рис. 5. Универсальное судно снабжения типа «Вавчуга» (пр. 1878)
Рис. 6. Научно-экспедиционное судно «Академик Трешников» (пр. 22280)
• по размерам, осадке и ледопроходимости (относительно крупные суда с высоким ледовым классом и достаточно большой осадкой (см. Рис. 4 и Рис. 7), а также относительно небольшие суда (см. Рис. 5 и Рис. 8) с небольшой осадкой и умеренным ледовым классом).
Рис. 7. Арктический танкер «Енисей» (судно типа «Норильский никель», конвертированное при постройке в танкер)
Рис. 8. Универсальный танкер – судно снабжения «Ишим» (пр. 15010)
К крупным универсальным судам снабжения идеологически и конструктивно близки научно-экспедиционные суда для арктических и антарктических экспедиций (см. Рис. 6). Собственно, как минимум четыре судна пр. 10620/10621 (см. Рис. 4) используются именно в этом качестве в Чили, ЮАР, Австралии и КНР. Вероятно, это можно рассматривать как признание уровня судов отечественной разработки и постройки…
Указанные суда – наиболее современные и совершенные (для своих групп) из числа используемых в Российской Арктике. Примечательно, что указанные суда в основном отечественной разработки. Исключение, танкер «Енисей» – модификация проекта «Норильский никель», разработанного компанией Aker (Финляндия) специально для отечественного заказчика (ОАО «ГМК «Норильский никель») по представленному им подробному ТЗ. Причина вполне понятна: огромный отечественный опыт в проектировании, постройке и эксплуатации судов для работы в Арктике. Каждое из указанных судов по-своему уникально и хорошо подходит для задач, под которые создавалось. Однако ни одно из них не является настолько универсальным, чтобы решать весь комплекс задач по снабжению потребителей в Арктике, пусть даже только энергоносителями.
Приоритеты снабжения
Российскими неарктическими замерзающими морями следует считать: Балтийское море, Черноморско-Азовский бассейн, Каспийское море, дальневосточные моря. Эти бассейны в контексте снабжения потребителей энергоресурсами средствами водного транспорта также существенно различаются между собой по приоритетности и задачам.
Наиболее жесткая ситуация со снабжением потребителей энергоносителями сложилась в Балтийском море ввиду распространения на него зоны повышенных требований согласно Приложению VI к МК МАРПОЛ (см. Рис. 9).
Рис. 9. Балтийско-Североморская зона SECA
Этим документом ИMO ввело ограничения на выброс оксидов серы и азота с отходящими газами судовых ЭУ, а также установлены особые районы контроля выбросов: Балтийское и Северное моря, пролив Ла-Манш, а также прибрежные воды США, в границах которых намечено многократно сократить выбросы с судов. Перечень таких особых районов в ближайшие несколько лет может быть существенно расширен, в т.ч. за счет арктических вод.
В последующих редакциях Приложения VI МК МАРПОЛ 73/78 ИMO введены ограничения на выброс «парниковых газов» (т.е. углекислоты) и ряд коэффициентов (конструктивные коэффициенты энергоэффективности, EEDI), которые учитывают это. Коэффициенты рассматриваются как критерий оценки совершенства судна и напрямую влияют на финансовые аспекты его жизненного цикла.
Приоритетным способом удовлетворения экологическим требованиям считается перевод судов, работающих в Балтийско-Североморском регионе и в целом в водах Евросоюза, на СПГ в качестве бункерного топлива. Поэтому возникла объективная острая потребность в судах-бункеровщиках СПГ. Кроме того, с учетом роста потребления и популярности СПГ в регионе имеется потребность в фидерных перевозках относительно небольших (по меркам рынка) партий СПГ и в судах, способных круглогодично выполнять такие перевозки между местными портами.
Необходимо отметить, что на сегодняшний день в мире имеется «в металле» только один бункеровщик СПГ – шведский Sea Gas, работающий в порту Стокгольма, а фидерные газовозы СПГ емкостью менее 10 000 м3 можно пересчитать по пальцам.
Для остальных рассматриваемых бассейнов (в первую очередь для Дальневосточного) требуется судно, пригодное для использования в качестве как бункеровщика СПГ, так и фидерного газовоза СПГ. Назначением такого судна, помимо бункеровки газотопливных судов, были бы перевозки небольших партий СПГ как для нужд местной и региональной газификации, так и в порядке региональной торговли экспортными энергоносителями (на рынках Японии, КНР и Южной Кореи).
Ввиду недостаточной численности, общей устарелости и высокой степени износа отечественного флота судов-бункеровщиков в целом, представляет интерес проработка судов-бункеровщиков жидкими нефтяными топливами (ЖНТ) в интересах отечественных операторов баржинговых компаний.
Какие суда нужны?
В Крыловском государственном научном центре была выполнена НИОКР, предусматривающая разработку концептуального проекта судна для комплексного топливоснабжения (СКТ) водного транспорта и объектов инфраструктуры в морской офшорной и прибрежной зонах.
Из вышеприведенных материалов применительно к задаче разработки СКТ были сделаны следующие выводы:
• Снабжение твердыми энергоносителями следует исключить из числа задач, решаемых СКТ.
• Для работы в арктических морях и на трассах СМП требуется судно, способное работать самостоятельно, без ледокольного сопровождения.
• Такое судно должно иметь ледовый класс не ниже Arc7 и осадку не менее 7 м, а также высокую маневренность как на чистой воде, так и во льду.
• С учетом действующих и ожидаемых экологических ограничений такое судно должно быть настолько экологически чистым, насколько это возможно.
• Высокая осадка такого судна практически исключает возможность его захода во многие порты, используемые для доставки энергоносителей потребителям.
• Для обслуживания таких портов требуется относительно небольшое мелкосидящее судно.
• Такое судно не сможет ввиду ограниченной осадки иметь достаточно высокий ледовый класс, его эксплуатация предусматривается исключительно в навигационный период.
• Такое судно могло бы также эффективно эксплуатироваться и в неарктических замерзающих морях.
Таким образом, представляется необходимой разработка двух принципиально различающихся СКТ: относительно крупного судна с высоким ледовым классом для работы на трассах СМП и относительно небольшого мелкосидящего судна с умеренным ледовым классом для эксплуатации в неарктических замерзающих морях, а также в Арктике в период навигации (см. Рис. 10).
Рис. 10. Постановка задачи разработки судна комплексного топливоснабжения
По результатам проработки принято, что СКТ усиленного ледового класса предназначается для выполнения следующих функций:
1. Основные
• Доставка ЖНТ (не менее 7000 т) из Мурманска в предусмотренное место работы в водах Российской Арктики (в т.ч. в Обско-Тазовской губе, на рейдах портов Сабетта и Новый Порт).
• Бункеровка судов и объектов морской техники ЖНТ в водах Российской Арктики с нахождением в районе работы не менее 1 месяца.
• Фидерные перевозки ЖНТ наливом в морях Российской Арктики.
2. Дополнительные
• Прием загрязненных вод с судов и объектов морской техники и их последующая очистка и переработка на борту судна либо доставка в базовый порт для очистки и переработки.
• Выполнение функций судна обеспечения операций ЛРН в части приема нефтесодержащих вод с судов – участников операции ЛРН, а также самостоятельного сбора нефти с поверхности воды и льда (после соответствующей подготовки и дооснащения предусмотренным оборудованием и средствами).
3. Перспективные (при дооборудовании судна)
• Бункеровка СПГ газотопливных судов и объектов морской техники. Объем бункерного СПГ – до 1000 м3.
• Фидерные перевозки СПГ и СУГ наливом. Объем емкостей – до 1000 м3.
• Снабжение потребителей на побережье морей Российской Арктики (как западного, так и восточного сектора) ЖНТ, СПГ и СУГ (наливом), а также (под заказ) различными видами генеральных грузов (включая энергоносители в таре) с использованием TEU (принимаемых на ВП и перемещаемых вертикальным способом).
При исследовании особенностей работы рассматриваемого СКТ усиленного ледового класса при выполнении им основных предусматриваемых функций был использован созданный в Крыловском ГНЦ уникальный программный комплекс имитационного моделирования работы морских транспортных систем. Согласно идеологии объектно-ориентированного подхода, реализованного в данном комплексе, при моделировании МТС все суда представляются как самостоятельные объекты, движущиеся и взаимодействующие в геоинформационной среде.
Для получения достоверных информационных моделей судов, используемых для моделирования МТС, применяется обширный инструментарий специальных методов проектирования судов и определения их параметров на ранних стадиях проектирования, реализуемый в современных специализированных CAD-системах.
При имитационном моделировании работы транспортной системы, в т.ч. в арктических и замерзающих морях, учитывается значительное количество введенной информации по району функционирования МТС и его особенностям (гидрографическим, навигационным, метеорологическим, ледовым и т.п.), особенностям организации ее работы, особенностям перевозимых грузов и их логистики, ряду других моментов, существенных для работы МТС (см. Рис. 11).
Рис. 11. Учет взаимодействия элементов МТС при динамическом имитационном моделировании работы системы
По результатам выполненного моделирования были существенно уточнены и оптимизированы требования к разрабатываемому судну, а также сгенерирован ряд критичных для проекта технических решений. В частности, по результатам уточнения требований к ледовой ходкости и маневренности СКТ в целях обеспечения оптимальных для данного судна характеристик с использованием имеющихся в составе созданного программного комплекса инструментов была сформирована форма поверхности корпуса судна и сгенерирован его теоретический чертеж (см. Рис. 12).
Рис. 12. Формирование оптимизированного теоретического чертежа судна с использованием инструментария системы «МТС-модель»
По результатам выполненных исследований для различных транспортных задач были разработаны концептуальные проекты судна комплексного топливоснабжения усиленного ледового класса для работы в арктических морях (пр. 50410) и бункеровщика СПГ вместимостью 3000 м3 – малого судна комплексного энергоснабжения для работы в замерзающих морях (пр. 50408).
При оптимизации концептуальных проектов этих судов использовались и другие средства из обширного арсенала, имеющегося в Крыловском ГНЦ. В частности, по результатам физического моделирования малого СКТ в аэродинамической трубе были выявлены характерные застойные зоны, в которых в случае утечки паров СПГ при определенных курсовых углах к направлению ветра имеется высокая вероятность накопления взрывоопасной метано-воздушной смеси. В результате были подготовлены требования к корректировке общего расположения судна в целях минимизации застойных зон и повышения их продуваемости, а также рекомендации по маневрированию судна при выполнении бункеровки и грузовых операциях. Моделирование утечки СПГ и последующего взрыва метано-воздушной смеси выполнялось с использованием имеющегося в КГНЦ суперкомпьютера. Маневренные качества «большого» СКТ и их достаточность при выполнении швартовок в открытом море были проверены посредством симуляции работы судна, включая швартовные операции, на созданном в Крыловском ГНЦ исследовательском навигационном тренажере.
Арктическое судно комплексного снабжения топливами (пр. 50410)
Судно предназначено для круглогодичной перевозки жидких нефтяных топлив, в том числе MDO, IFO 30LS, IFO 180, бункеровки указанными видами топлива судов, плавсредств и объектов морской техники в акваториях северных морей (преимущественно в Обско-Тазовской губе, в районе портов Сабетта и Новый Порт), топливоснабжения береговых потребителей, а также участия в северном завозе.
Предусмотрено также использование судна для приема и переработки загрязненных вод с бункеруемых судов, сбора нефтяной пленки с поверхности воды, а также приема нефтесодержащих вод с других судов – участников операций ЛРН.
Реализован комплексный подход к обеспечению экологичности судна: обеспечена возможность работы СЭУ на тяжелых сортах топлива, ДТ и природном газе (LNG ready по DNV GL). Судно удовлетворяет текущим и перспективным требованиям МК МАРПОЛ и Полярного кодекса в части выбросов загрязняющих веществ.
Облик судна показан на Рис. 13, проектные характеристики приведены в Табл. 2.
Рис. 13. Судно комплексного топливоснабжения усиленного ледового класса для работы в арктических морях (пр. 50410)
Табл. 2. Проектные характеристики СКТ пр. 50410
Бункеровщик СПГ вместимостью 3000 м3 – малое судно комплексного энергоснабжения для работы в замерзающих морях (пр. 50408).
Судно предназначено для использования в качестве бункеровщика комплексного снабжения топливами для обслуживания газотопливных судов средних и крупных размеров: выдачи бункерного СПГ и жидкого нефтяного топлива (запального), приема СПГ, выполнения эксплуатационного и технологического захолаживания.
Может быть использовано как небольшой фидерный газовоз СПГ и как автономный плавучий энергоблок.
Может совершать межбассейновые переходы по Единой глубоководной системе внутренних водных путей РФ и работать на водных путях ЕГС ВВП РФ.
Облик судна показан на Рис. 14, проектные характеристики приведены в Табл. 3.
Рис. 14. Бункеровщик СПГ вместимостью 3000 м3 – малое судно комплексного энергоснабжения для работы в замерзающих морях (пр. 50408)
Табл. 3. Проектные характеристики СКТ пр. 50408
На базе пр. 50408 выполнено семейство проектных проработок бункеровщиков СПГ и ЖНТ, различающихся типом ЭУ (дизельная либо дизель-электрическая, однотопливная либо двухтопливная) и пропульсивного комплекса (1 либо 2 ВРК, 1 либо 2 ВРШ на валах), а также видом перевозимого груза (СПГ, ЖНТ) и соответствующим устройством грузовой зоны.
Выводы
Есть надежда, что описанные суда (в частности, бункеровщик СПГ) могут быть построены для работы в отечественных портах. Создание судов на базе проектов, аналогичных приведенным выше разработкам, позволило бы существенно улучшить снабжение потребителей в отечественных арктических и замерзающих морях жидкими энергоносителями различных видов.
Авторы выражают уверенность, что представленные в данной публикации результаты исследований и проработок помогут более аргументированно принимать решения при организации снабжения потребителей энергоносителями и формировании флота судов для этих целей.
Морской флот №3 (2016)