Плавучее судно и способ эксплуатации плавучего судна
Изобретение относится к области судостроения, в частности к судам-газовозам. В соответствии с одним аспектом изобретения предложено плавучее судно, в частности газовоз для сжиженного природного газа. Судно содержит газотурбинную генераторную установку (10), выполненную с возможностью генерации первой электрической мощности (21) и подачи указанной мощности в электрическую распределительную систему (50), паротурбинную генераторную установку (30), выполненную с возможностью генерации второй электрической мощности (41) и подачи указанной мощности в электрическую распределительную систему (50), и силовую установку (60), выполненную с возможностью приведения в движение плавучего судна (100) с помощью тяговой мощности (61), подаваемой электрической распределительной системой (50), причем газотурбинная генераторная установка (10) выполнена с возможностью генерации первой электрической мощности от 10 МВт до 18 МВт, предпочтительно от 14 МВт до 15 МВт при 25°С. В соответствии с еще одним аспектом предложен способ эксплуатации судна. Технический результат заключается в повышении эксплуатационной эффективности газовоза. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Предложенное изобретение относится к плавучему судну, в частности к танкеру, более конкретно к газовозу для СПГ, выполненному с возможностью перевозки сжиженного природного газа (СПГ). Предложенное изобретение также относится к способу эксплуатации судна, в частности газовоза для СПГ. Более конкретно, предложенное изобретение относится к плавучему судну с газотурбинной генераторной установкой и паротурбинной генераторной установкой и к способу эффективной эксплуатации указанного судна.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Не все резервуары по меньшей мере некоторых известных судов для перевозки СПГ имеют охлаждение и могут выдерживать значительное внутреннее давление. Поэтому, перевозимый в резервуарах СПГ может испаряться во время перевозки. Такой газ называют отпарным газом естественного испарения. Отпарной газ естественного испарения образуется непрерывно в резервуарах газовоза для СПГ и его необходимо постоянно контролировать для обеспечения безопасности судна. Контролировать отпарной газ естественного испарения можно путем его использования в качестве источника топлива или для других процессов на борту судна, например в качестве источника топлива для системы генератора электрической энергии или силовой установки.
[0003] Когда отпарной газ естественного испарения присутствует в избыточных количествах, его можно сжигать в блоке сжигания газа с выпусканием за борт в окружающую атмосферу образовавшегося тепла и произведенных газообразных продуктов горения. В контексте данного документа, отпарной газ содержит два потока: отпарной газ естественного испарения и отпарной газ принудительного испарения.
[0004] Плавучие суда с газотурбинной генераторной установкой для выработки электроэнергии уже описаны. Газовые турбины могут работать на отпарном газе. Газовые турбины имеют преимущества по сравнению с дизельными двигателями. Например, газовые турбины могут иметь меньший вес, могут занимать меньше места и могут иметь преимущества с экологической точки зрения.
[0005] Однако, предпочтительно эксплуатировать суда с большей эффективностью и с меньшим расходом энергии и топлива.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] В свете сказанного выше, предложено плавучее судно и способ эксплуатации плавучего судна.
[0007] В соответствии с одним аспектом представленного изобретения, предложено плавучее судно, в частности газовоз для сжиженного природного газа. Судно содержит газотурбинную генераторную установку, выполненную с возможностью генерации первой электрической мощности и подачи указанной мощности в электрическую распределительную систему, паротурбинную генераторную установку, выполненную с возможностью генерации второй электрической мощности и подачи указанной мощности в электрическую распределительную систему, и силовую установку, выполненную с возможностью приведения в движение судна с помощью тяговой мощности, подаваемой электрической распределительной системой, причем газотурбинная генераторная установка выполнена с возможностью генерации первой электрической мощности максимально от 10 МВт до 18 МВт, в частности от 14 МВт до 15 МВт при 25°С.
[0008] В соответствии с еще одним аспектом представленного изобретения, предложен способ эксплуатации плавучего судна, в частности газовоза для сжиженного природного газа. Способ включает обеспечение работы газотурбинной генераторной установки, выполненной с возможностью генерации максимальной первой электрической мощности от 10 МВт до 18 МВт, для генерации первой электрической мощности и подачи указанной мощности в электрическую распределительную систему, обеспечение работы паротурбинной генераторной установки для генерации второй электрической мощности и подачи указанной мощности в электрическую распределительную систему, и приведение судна в движение с помощью силовой установки, использующей тяговую мощность, подаваемую электрической распределительной системой.
[0009] Следующие аспекты, преимущества и особенности представленного изобретения более понятны из зависимых пунктов формулы изобретения, описания и прилагаемых чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0010] Для более полного понимания вышеуказанных признаков настоящего изобретения приведено более подробное описание вариантов выполнения изобретения. Прилагаемые чертежи относятся к рассматриваемым вариантам выполнения. Некоторые варианты выполнения изображены на чертежах и подробно рассмотрены далее.
[0011] Фиг. 1 изображает структурную схему судна в соответствии с предложенными вариантами выполнения,
[0012] Фиг. 2 изображает структурную схему судна в соответствии с предложенными вариантами выполнения,
[0013] Фиг. 3 изображает график улучшенного коэффициента полезного действия судна в соответствии с предложенными вариантами выполнения, и
[0014] Фиг. 4 изображает блок-схему, иллюстрирующую способ эксплуатации судна в соответствии с предложенными вариантами выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0015] Ниже приведено подробное описание различных вариантов выполнения изобретения, один или более примеров которых изображены на чертежах. Все примеры являются пояснительными и не ограничивают изобретение. Например, характерные особенности, изображенные или описанные как часть одного варианта выполнения, могут быть применены в другом варианте выполнения или совместно с другим вариантом выполнения, с получением в результате еще одного варианта выполнения. Таким образом, предполагается, что данное изобретение охватывает такие модификации и изменения.
[0016] В приведенном описании чертежей одинаковые номера позиции обозначают одинаковые или подобные элементы. По существу, рассмотрены только отличия отдельных вариантов выполнения. Если не указано иное, описание элементов или аспектов одного варианта применимо также к соответствующему элементу или аспекту другого варианта выполнения.
[0017] Предложенные варианты выполнения относятся к плавучему судну, и более конкретно к газовозу для СПГ, выполненному с возможностью хранения и перевозки сжиженного природного газа. В газовозе для СПГ отпарной газ естественного испарения является по существу бесплатным источником топлива, полученным в результате работы газовоза для СПГ, и сгорает чище, чем традиционные жидкие топлива, такие как судовое топливо, например дизельное топливо. Использование отпарного газа естественного испарения из резервуаров СПГ в качестве топлива для судна может быть преимущественным, потому что использование этого газа улучшает экономичность транспортировки СПГ и уменьшает влияние манипуляций с СПГ на окружающую среду.
[0018] Энергетические и силовые установки газовозов для СПГ обеспечивают выполнение самых разных типовых судовых работ. Они отличаются по нагрузке, продолжительности и чрезмерно большому количеству приборов. За время обычного цикла доставки груза судно может проходить следующие основные этапы.
[0019] Погрузка: Обычно это период, когда СПГ перемещают из резервуаров берегового терминала в грузовые резервуары судна. Если резервуары не содержат устройства для поддержания низкой температуры и отвода воздуха наружу, то продувка и охлаждение резервуара также будут полезными и увеличат время, необходимое для погрузки. Во время погрузки нет отпарного газа естественного испарения для питания силовых установок судна. В различных вариантах выполнения, в зависимости от типа судна, обычные электрические нагрузки составляют от 2,5 МВт до 5 МВт.
[0020] Портовое снабжение запасом провизии, заправка топливом и отдых экипажа: Судно в порту на холостом ходу, за исключением работ по техническому обслуживанию, погрузки запасов и пополнения жидкими топливами и смазочным маслом. Уровни мощности могут достигать от 1,5 МВт до 3,5 МВт, наименьшие в рабочем цикле судна.
[0021] Перемещение в порт и из порта: судно находится на ходу на малой скорости, обычно перемещается между портовыми сооружениями и открытым океаном со скоростью десять или двенадцать узлов. Уровни мощности средние, от 3 МВт до 13 МВт. В это время важно максимально большое количество приборов. Фарватеры гавани могут быть узкими, и опасность движения других судов в порту может потребовать непрерывного питания. Часто газовозы для СПГ имеют буксирное сопровождение во время этих действий, для снижения риска. Помимо буксирного сопровождения, суда используют буксиры для поворотов, позиционирования в фарватере и движения к пирсу и от него. При буксировке тяговая мощность периодически равна нулю.
[0022] Переход в открытом океане: Движение между входным буем порта погрузки и входным буем порта доставки занимает наибольшую часть времени перевозки. Скорость судна зависит от погоды, состояния моря, экономических аспектов и графика. Суда могут работать на наиболее экономичных скоростях, что происходит, когда силовая установка потребляет весь отпарной газ естественного испарения, и не использует отпарной газ принудительного испарения. Во время перехода в открытом океане экономия топлива может быть более важна, чем резервирование. Переход в открытом океане также имеет наибольшее потребление энергии. Например, силовая система судна может генерировать высокую мощность или максимальную достижимую мощность.
[0023] Разгрузка: Это период времени, когда судно перемещает груз на береговой терминал. В примерном варианте выполнения, уровни мощности для питания общесудовых нагрузок и грузовых насосов составляют примерно 8 МВт.
[0024] Операторы выбирают режим работы, который наилучшим образом подходит к обстоятельствам и экономии в данный момент времени.
[0025] В течение десятилетий конструкции силовых установок газовозов для СПГ основывались на технологии двухтактных дизельных двигателей. Недавнее давление на цены транспортировки СПГ заставило компании-перевозчики СПГ изменить традиционную технологию на инновационные, более экономичные решения.
[0026] Например, для генерирования большей части тяговой мощности судна вместо дизельных двигателей может использоваться газотурбинная генераторная установка (ГТГУ). ГТГУ может работать на отпарном газе, в частности на отпарном газе естественного испарения. ГТГУ можно использовать вместе с паротурбинной генераторной установкой (ПТГУ), которая приводится в движение паром. Пар может вырабатываться с использованием горячего выхлопного газа от ГТГУ. По сравнению с дизельными двигателями, можно уменьшить стоимость и расход топлива, и в одном переходе корабля может быть перевезено большее количество СПГ.
[0027] Судовая силовая установка может содержать газотурбинную генераторную установку (ГТГУ), содержащую газотурбинный двигатель и первый электрический генератор, приводимый в действие газотурбинным двигателем. ГТГУ может быть выполнена с возможностью выработки первой электрической мощности, которую можно подать в электрическую распределительную систему судна. Газотурбинный двигатель может работать на природном газе, в частности на отпарном газе естественного испарения из резервуара судна.
[0028] Судовая силовая установка может дополнительно содержать паротурбинную генераторную установку (ПТГУ), содержащую паровую турбину и второй электрический генератор, приводимый в действие паротурбинным двигателем. ПТГУ может быть выполнена с возможностью выработки второй электрической мощности, которую можно подать в электрическую распределительную систему судна. Кроме того, опционально могут быть предусмотрены дизельные двигатели.
[0029] В некоторых вариантах выполнения горячий выхлопной газ от ГТГУ можно по меньшей мере частично использовать для получения пара для приведения в действие ПТГУ. Это может увеличить коэффициент полезного действия судовой силовой установки. В частности, конструкция с комбинированным циклом, содержащая ГТГУ и ПТГУ, может обеспечить высокий коэффициент полезного действия. Альтернативно или дополнительно, для получения пара для приведения в действие ПТГУ также можно сжигать отпарной газ в блоке сжигания газа.
[0030] В газовозах для СПГ традиционно используют мощные газотурбинные двигатели для обеспечения выработки высоких электрических мощностей для хода судна на высоких скоростях, например газотурбинные двигатели, выполненные с возможностью генерации на валу мощности 25 МВт или более. Однако мощные газотурбинные двигатели могут иметь недостатки. Например, мощные газотурбинные двигатели обычно работают с максимальным коэффициентом полезного действия при работе на расчетной выходной мощности, при этом судно перемещается с высокой навигационной скоростью, например 19,5 узлов или более. Однако при движении судна с высокой скоростью может расходоваться много топлива.
[0031] В соответствии с описанными здесь вариантами выполнения, судовая силовая установка, содержащая ГТГУ и ПТГУ, выполнена с ориентацией на среднюю навигационную скорость, например навигационную скорость 18 узлов или меньше, что может сэкономить значительное количество топлива. В частности, могут быть предусмотрены менее мощные ГТГУ, выполненные с возможностью генерации меньшей максимальной выходной мощности и/или имеющие газотурбинный двигатель с меньшей мощностью на валу по сравнению с обычными судами. В частности, в некоторых вариантах выполнения могут быть предусмотрены ГТГУ с меньшей номинальной мощностью и содержащие газотурбинные двигатели с меньшей мощностью на валу. Преимущественно, менее мощные ГТГУ работают с высоким коэффициентом полезного действия при работе на расчетной выходной мощности, то есть на уменьшенной выходной мощности, при этом судно может перемещаться с меньшей навигационной скоростью. Соответственно, расчетная скорость судна может быть уменьшена по сравнению с обычными судами, но коэффициент полезного действия и/или расход топлива могут быть увеличены.
[0032] В результате достигается компромисс между временем перевозки, которое может быть увеличено по сравнению со временем перевозки судном, идущим с высокой навигационной скоростью, и расходом топлива, который может быть значительно уменьшен по сравнению с судном, имеющим высокую расчетную навигационную скорость. По существу, использование менее мощной модели газовой турбины может дать значительные экономические преимущества благодаря сочетанию экономии топлива и увеличения доходов, например благодаря увеличенной полезной нагрузке.
[0033] Фиг. 1 изображает структурную схему силовой установки судна 100 в соответствии с предложенными вариантами выполнения. Судно 100 содержит ГТГУ 10, выполненную с возможностью генерации первой электрической мощности 21 и подачи первой электрической мощности 21 в электрическую распределительную систему 50, ПТГУ 30, выполненную с возможностью генерации второй электрической мощности 41 и подачи второй электрической мощности 41 в электрическую распределительную систему 50, и силовую установку 60, выполненную с возможностью приведения в движение судна 100 с помощью тяговой мощности 61, подаваемой электрической распределительной системой 50. В соответствии с предложенными вариантами выполнения, ГТГУ 10 выполнена с возможностью генерации максимальной первой электрической мощности 10 МВт или больше и 18 МВт или меньше в стандартных условиях, преимущественно 14 МВт или больше и 15 МВт или меньше.
[0034] В данном документе под максимальной электрической мощностью ГТГУ можно понимать номинальную мощность или расчетную выходную мощность ГТГУ в стандартных условиях. Обычно энергетическая эффективность ГТГУ максимальна, когда ГТГУ работает на расчетной выходной мощности. Соответственно, ГТГУ судна в соответствии с предложенными вариантами выполнения может иметь расчетную выходную мощность от 10 МВт до 18 МВт.
[0035] Мощность на валу газотурбинного двигателя в ГТГУ может быть немного выше номинальной мощности ГТГУ, так как электрический генератор ГТГУ может предусматривать некоторые потери. Например, мощность на валу газотурбинного двигателя может составлять 11 МВт или больше и 19 МВт или меньше, предпочтительно 15 МВт или больше и 17 МВт или меньше в некоторых вариантах выполнения в стандартных условиях. Под стандартными условиями в данном случае понимается атмосферное давление и температура примерно 25°С.
[0036] В некоторых вариантах выполнения, которые могут быть объединены с другими предложенными вариантами выполнения, ГТГУ может содержать газовую турбину Nova™LT16, которая может быть выполнена с обеспечением мощности на валу примерно 16,5 МВт в стандартных условиях. Справочные документы, содержащие подробную техническую информацию о газовой турбине Nova™LT16, включены в данный документ посредством ссылки.
[0037] Следует отметить, что генерируемая ГТГУ мощность может зависеть от условий и особенно от температуры. Например, ГТГУ с газовой турбиной Nova™LT16 может производить максимальную электрическую мощность 14,5 МВт при 25°С (что является нормальным случаем в морской навигации) и диапазон может составлять от 11,3 МВт при 50°С до 18 МВт при -20°С.
[0038] Использование менее мощных моделей газовых турбин, которые рассчитаны на нагрузку при средней навигационной скорости судна, может быть более эффективным в сочетании с ПТГУ, что приводит к большему коэффициенту полезного действия и/или к меньшему расходу топлива по сравнению с более мощными моделями газовых турбин, которые не рассчитаны на указанную расчетную нагрузку.
[0039] Кроме того, использование газотурбинной генераторной установки в сочетании с паротурбинной генераторной установкой может обеспечить увеличение, например на 10%, полезной грузовместимости, например, для сжиженного природного газа СПГ, по сравнению с используемой прежде технологией двигателей.
[0040] В некоторых вариантах выполнения, которые могут быть объединены с другими предложенными вариантами выполнения, паротурбинная генераторная установка 30 может быть выполнена с возможностью генерации максимальной второй электрической мощности от 3 МВт до 8 МВт, преимущественно от 5 МВт до 6 МВт, преимущественно в стандартных условиях. Под максимальной второй электрической мощностью ПТГУ может пониматься расчетная выходная мощность или номинальная мощность ПТГУ. ПТГУ может работать с расчетной выходной мощностью, когда ГТГУ генерирует максимальную первую электрическую мощность, и горячий выхлопной газ от ГТГУ производит пар для приведения в действие ПТГУ.
[0041] Например, в стандартных условиях (окружающая температура 25°С, что является нормальным случаем в морской навигации), ПТГУ может производить максимальную вторую электрическую мощность в 5 МВт или больше и 6 МВт или меньше. Соответственно, например когда используется газовая турбина модели Nova™LT16, силовая установка, содержащая ГТГУ и ПТГУ, может быть выполнена с возможностью производства общей электрической мощности 19 МВт или больше и 21 МВт или меньше, что обычно достаточно для покрытия электрических потребностей судна, идущего со скоростью от 17 узлов до 18 узлов.
[0042] В случае газовоза для СПГ, размер судна выражают в грузовместимости. Обычное значение грузовместимости газовоза для СПГ согласно предложенному варианту составляет 150000 м3 или больше и 200000 м3 или меньше, преимущественно примерно 174000 м3.
[0043] В некоторых вариантах выполнения силовая установка может быть выполнена с возможностью приведения судна в движение с максимальной скоростью 18 узлов или меньше, когда тяговая мощность 61 соответствует сумме максимальной первой электрической мощности и максимальной второй электрической мощности. Соответственно, когда ГТГУ и ПТГУ производят соответствующую расчетную электрическую выходную мощность, которую с помощью электрической распределительной системы 50 используют как тяговую мощность 61, судно может быть приведено в движение со скоростью 18 узлов или меньше. Следует отметить, что часть генерируемой ГТГУ и ПТГУ мощности, которую можно использовать как мощность 62 общесудовых нужд, считается равной нулю в приведенных выше расчетах. В зависимости от таких дополнительных силовых нагрузок судна, тяговая мощность 61 может быть соответствующим образом уменьшена.
[0044] В соответствии с некоторыми предложенными вариантами выполнения, ГТГУ и ПТГУ могут быть выполнены с возможностью приведения судна в движение со скоростью 18 узлов или меньше, предпочтительно от 16 узлов до 18 узлов, путем использования суммы первой электрической мощности 21 и второй электрической мощности 41, производимых ГТГУ и/или ПТГУ с максимальным коэффициентом полезного действия. В этом случае не требуется дополнительной мощности, например мощности, генерируемой дизельным двигателем.
[0045] В некоторых вариантах выполнения, которые могут быть объединены с другими предложенными вариантами выполнения, максимальная первая электрическая мощность может составлять более 50%, предпочтительно более 70%, от общей электрической мощности, потребляемой судном, и/или максимальная вторая электрическая мощность может составлять менее 50%, предпочтительно менее 30%, от общей электрической мощности, потребляемой судном. Эти соотношения могут позволить ПТГУ работать частично, большей частью или полностью на пару, нагретом горячим выхлопным газом ГТГУ.
[0046] В некоторых вариантах выполнения, которые могут быть объединены с другими предложенными вариантами выполнения, ГТГУ 10 может содержать двутопливный газотурбинный двигатель, выполненный с возможностью работы на отпарном газе 71 из резервуара 70 СПГ и на судовом топливе, таком как дизельное топливо. Например, ГТГУ может содержать газовую турбину Nova™LT16.
[0047] Судно может также содержать парогенератор 80, выполненный с возможностью использования горячего выхлопного газа 81 от ГТГУ 10 и/или горячего газа от устройства окисления для производства пара 82, причем пар 82 может быть выполнен с возможностью приведения в действие паровой турбины ПТГУ 30. Устройство окисления может представлять собой блок сжигания газа, выполненный с возможностью сжигания природного газа, например отпарного газа естественного испарения и/или отпарного газа принудительного испарения.
[0048] В некоторых вариантах выполнения, которые могут быть объединены с другими предложенными вариантами выполнения, судно может дополнительно содержать одну или более дизельных генераторных установок, выполненных с возможностью обеспечения запуска газотурбинной генераторной установки 10 из полностью обесточенного состояния и/или с возможностью подачи в электрическую распределительную систему 50 третьей электрической мощности. Дизельные генераторные установки могут быть выполнены с возможностью производства третьей электрической мощности в диапазоне от 2 МВт до 5 МВт.
[0049] При использовании дизельных генераторных установок, навигационную скорость судна 100 можно увеличить, например до навигационной скорости более 18 узлов, например 19 узлов или больше, предпочтительно до 19,5 узлов или больше. Например, когда требуется высокая навигационная скорость, можно включить один, два или больше дополнительных дизельных двигателей для получения дополнительной мощности, например 3 МВт или больше, для силовой установки 60. Очевидно, что «форсированная» высокая навигационная скорость приводит к увеличенному расходу топлива дизельными двигателями.
[0050] В некоторых вариантах выполнения силовая установка может быть выполнена с возможностью приведения судна в движение со скоростью более 19 узлов, например 19,5 узлов, когда ГТГУ 10 генерирует максимальную первую электрическую мощность, ПТГУ 30 генерирует максимальную вторую электрическую мощность и одна или более дизельных генераторных установок генерирует третью электрическую мощность. Другими словами, навигационная скорость более 18 узлов может быть обеспечена работой не только ГТГУ и ПТГУ, но также работой дизельных генераторных установок. В этом случае тяговая мощность может быть равна сумме максимальной первой электрической мощности, максимальной второй электрической мощности и дополнительной мощности, например 3 МВт или больше, которая может быть генерирована дизельными двигателями.
[0051] Для приведения судна 100 в движение со средней навигационной скоростью, например 17-18 узлов, может не возникнуть необходимости включения одной или более дизельных генераторных установок. Силовая установка, соответствующая предложенным вариантам выполнения, может в этом случае обеспечить комбинированный цикл с увеличенной эффективностью. При приведении судна в движение с высокой навигационной скоростью, например 19,5 узлов, эффективность комбинированного цикла может быть выше в случае ГТГУ с более мощной газовой турбиной, например с ГТГУ, выполненной с возможностью генерации 20 МВт или больше.
[0052] В некоторых вариантах выполнения, ГТГУ 10 может содержать двухвальный двигатель, содержащий турбину высокого давления, расположенную на валу сжатия газа и выполненную с возможностью приведения в действие газового компрессора, и/или турбину низкого давления, расположенную на валу генерации мощности и выполненную с возможностью генерации мощности. Двухвальный двигатель может иметь увеличенную гибкость реакции на сброс нагрузки, потому, что скорости вращения турбины высокого давления и турбины низкого давления можно изменять. Например, могут быть предусмотрены двухступенчатая турбина высокого давления и/или двухступенчатая турбина низкого давления.
[0053] Турбина низкого давления (также упоминаемая как силовая турбина) может быть выполнена с возможностью работы на скорости вращения от 6000 до 9000 об/мин. Более конкретно, расчетная номинальная скорость силовой турбины может быть 7800 об/мин. Как вариант или дополнительно, расчетная номинальная скорость турбины высокого давления может быть от 9000 до 12000 об/мин. Предпочтительно примерно 10204 об/мин.
[0054] В некоторых вариантах выполнения эксплуатационная готовность газотурбинного двигателя может быть высокой, например 90% или более, или даже до 99% или более. По выбору или дополнительно, газотурбинный двигатель может иметь малый объем технического обслуживания. Например, средняя наработка газотурбинного двигателя между операциями технического обслуживания может составлять 35000 часов.
[0055] ГТГУ 10 может быть выполнен с возможностью обеспечения эксплуатационных нужд газовоза для СПГ, что может содержать следующее: (i) ГТГУ 10 может быть гибким в выборе топлива, то есть может работать на отпарном газе 72, подаваемом из резервуара 70 СПГ, и на дополнительном топливе, например на судовом топливе, например, в случае отсутствия отпарного газа, (ii) ГТГУ 10 может быть выполнен с возможностью работы в сложных погодных условиях, например во время шторма, что может означать большие углы килевой качки и крена, (iii) ГТГУ может быть выполнен с возможностью приема изменения электрической нагрузки судна, в частности включая прием сброса полной нагрузки и/или внезапных изменений нагрузки 25% или более от основной нагрузки, в частности без потери пламени в газотурбинном двигателе. Время восстановления может быть малым, (iv) Силовая установка, содержащая ГТГУ 10, может быть компактной и обеспечивать дополнительную полезную нагрузку, например 10%, на корпус судна по сравнению с силовой установкой, содержащей только дизельные двигатели.
[0056] В соответствии с аспектом представленного изобретения, судно может содержать ГТГУ, имеющую регулируемый сопловой аппарат турбины, расположенный между турбиной высокого давления и турбиной низкого давления. Регулируемый сопловой аппарат может быть выполнен с возможностью регулировки соотношения скоростей вращения турбины высокого давления и турбины низкого давления. Соответственно, высокий коэффициент полезного действия может быть достигнут не только при полной нагрузке, на также и при частичной нагрузке ГТГУ. В частности, сопловой аппарат изменяемой геометрии может быть размещен ниже по потоку от двухступенчатой турбины высокого давления и выше по потоку от двухступенчатой турбины низкого давления, для улучшения работы газотурбинного двигателя в режиме частичной нагрузки.
[0057] Малогабаритные газотурбинные двигатели могут иметь превосходную способность адаптироваться к внезапным изменениям электрической нагрузки (полный или частичный сброс нагрузки) без потери пламени и с быстрым восстановлением. Дополнительно, регулируемый сопловой аппарат между турбиной высокого давления и турбиной низкого давления может дополнительно улучшить возможность выдерживать изменение нагрузки без потери пламени.
[0058] ГТГУ 10 выполнена с возможностью выдерживать сброс нагрузки 3 МВт или более, предпочтительно 6 МВт или более, более предпочтительно сброс всей нагрузки, без обрыва пламени. В частности, газотурбинный двигатель ГТГУ 10 может быть выполнен с возможностью не терять пламя в случае сброса нагрузки 6 МВт или более или даже в случае сброса всей нагрузки.
[0059] В некоторых вариантах выполнения, ГТГУ 10 может дополнительно содержать многоступенчатый осевой компрессор, содержащий, в частности, регулируемый входной направляющий аппарат для обеспечения регулировки входного потока газа. Например, может быть предложен 12-ступенчатый высокоэффективный осевой компрессор. Компрессор может иметь одну или более, предпочтительно две или более, более предпочтительно три ступени лопаток с изменяемой геометрией, то есть регулируемые входные направляющие лопатки и регулируемые лопатки ступени 2 и ступени 3. Направляющие лопатки могут быть выполнены с возможностью поворота, с изменением угла расположения аэродинамических элементов в проточной части компрессора, для обеспечения адекватного запаса устойчивости и/или высокой эффективности при запуске и эксплуатации. В дополнение, в некоторых вариантах выполнения могут быть предусмотрены ступени с нерегулируемыми лопатками.
[0060] Входящий в ГТГУ воздух может быть направлен в осевой компрессор с помощью входного кожуха, в котором воздух может быть сжат до отношения 15:1 или более, предпочтительно 19:1 в аксиальном компрессоре.
[0061] Выходящий из осевого компрессора сжатый воздух может быть направлен в кольцевую камеру сгорания, где сжатый воздух может быть смешан с топливом, например со сжатым природным газом. Топливовоздушная смесь может быть сначала воспламенена свечой зажигания. Так как процесс горения является автономным, свеча зажигания может быть выключена. В некоторых вариантах выполнения может быть предусмотрено тридцать горелок или более, например 39 горелок.
[0062] Горячий газ камеры сгорания может быть направлен в турбину высокого давления, которая может привести в движение ротор компрессора. Турбина высокого давления может представлять собой осевую реактивную турбину, имеющую, например, рабочие колеса первой и второй ступени.
[0063] Далее газ может расширяться в турбине низкого давления, которая может питать выходную нагрузку. Выхлопные газы из турбины низкого давления могут направляться выхлопным диффузором и выходить через фланец выхлопной вентиляционной камеры.
[0064] Турбина низкого давления может содержать ротор и блок статора низкого давления. Ротор может содержать диск первой ступени турбины и диск второй ступени турбины.
[0065] Фиг. 2 изображает структурную схему силовой установки судна 100 в соответствии с некоторыми предложенными вариантами выполнения. Силовая установка может содержать некоторые признаки или все признаки силовой установки, рассмотренной со ссылкой на фиг. 1, так что ссылка может быть сделана на приведенные выше объяснения, которые не будут повторены. Силовая установка может быть выполнена с возможностью подачи судовой электрической мощности и тяговой мощности для газовоза для СПГ.
[0066] В частности, судно 100 содержит ГТГУ 10 с газотурбинным двигателем 12 и первым электрическим генератором 14, ПТГУ 30 с паротурбинным двигателем 32 и вторым электрическим генератором 34, и одну или более дизельных генераторных установок 90 с одним или более третьими электрическими генераторами 91. ГТГУ 10 выполнена с возможностью генерации первой электрической мощности 21, ПТГУ 30 выполнена с возможностью генерации второй электрической мощности 41, и дизельные генераторные установки 90 выполнены с возможностью генерации третьей электрической мощности.
[0067] Максимальная первая электрическая мощность ГТГУ 10 составляет 10 МВт или больше и 18 МВт или меньше. Другими словами, ГТГУ выполнена с обеспечением выходной мощности от 10 МВт или больше до 18 МВт или меньше.
[0068] В некоторых вариантах выполнения судно 100 содержит компрессор 102 отпарного газа, выполненный с возможностью приема отпарного газа 71 из одного или более резервуаров 70 сжиженного природного газа, например, из накопительных баков СПГ. Сжатый отпарной газ может быть направлен к блоку 106 сжигания двух видов газового топлива и/или к ГТГУ 10, которая может представлять собой двутопливную газотурбинную генераторную установку. Дополнительно блок 106 сжигания газа также может сжигать «свободный поток» несжатого отпарного газа.
[0069] В некоторых вариантах выполнения судно 100 содержит топливный резервуар 110, выполненный с возможностью направления судового топлива в дизельную генераторную установку 90, выполненную с возможностью подачи электрической мощности, например во время работы при внештатных ситуациях или для плавания с высокой скоростью. Топливный резервуар 110 также может быть выполнен с возможностью направления судового топлива в блок 60 сжигания газа и/или в ГТГУ 10. Хотя рассмотрен топливный резервуар 110, содержащий судовое топливо 72, он может содержать многие другие топлива или типы топлива.
[0070] Помимо подачи первой электрической мощности 21 в электрическую распределительную систему 50, ГТГУ 10 может также через выхлопной трубопровод 118 подавать высокотемпературный выхлопной поток в парогенератор 80. Выхлопной трубопровод 118 может содержать распределительный клапан 120, управляемый контроллером 122 распределительного клапана. Распределительный клапан 120 может быть выполнен с возможностью изменения объема выхлопного потока ГТГУ к парогенератору 80 и/или в окружающую среду 124 через байпасную дымовую трубу 126 парогенератора.
[0071] Выхлопной поток ГТГУ может быть направлен в парогенератор 80 по соединительному каналу 128. При определенных условиях ГТГУ 10 не может потребить весь отпарной газ естественного испарения, образовавшийся в резервуаре 70 сжиженного природного газа. В таком случае может быть использован альтернативный путь для прохождения отпарного газа естественного испарения в блок 106 сжигания газа. Блок 106 сжигания газа может окислять отпарной газ естественного испарения, образуя поток горячих выхлопных газов, которые отводятся в окружающую среду 124 через выхлопной трубопровод 130 и/или в соединительный канал 128 через распределительный клапан 132, который может управляться контроллером 134 распределительного клапана.
[0072] Соответственно, парогенератор 80 может получать выхлопные газы от ГТГУ 10 и/или от блока 106 сжигания газа по соединительному каналу 128 и каждый поток горячих выхлопных газов может регулироваться соответствующим распределительным клапаном.
[0073] В других случаях преимущественно обеспечить возможность генерации большего количества пара, чем возможно, используя отпарной газ естественного испарения, прошедший через ГТГУ 10 и/или через блок 106 сжигания газа. В таком случае отпарной газ естественного испарения можно использовать для питания блока сжигания газа, подобно плаванию с балластом, когда потока отпарного газа естественного испарения может быть недостаточно для достижения ПТГУ 30 полной мощности.
[0074] Распределительные клапаны 120 и 132 могут управляться соответствующими контроллерами 122 и 134. Хотя рассмотрены отдельные автономные контроллеры, контроллеры 122 и 134 можно объединить в один контроллер или они могут быть реализованы в более крупной системе управления силовой установкой. Распределительные клапаны 120 и 132 управляются соответствующими контроллерами 122 и 134 для обеспечения достаточного противодавления, обеспечиваемого выхлопным газом блока 106 сжигания, проходящим в парогенератор 80, что обеспечивает устойчивый и сбалансированный поток выхлопных газов в любых рабочих условиях.
[0075] Парогенератор 80 может быть выполнен с возможностью генерации пара с использованием горячего выхлопного газа от ГТГУ 10 и/или от блока 106 сжигания газа, подаваемого через соединительный канал 128. Образованный пар может проходить к ПТГУ 30, выполненной с возможностью генерации второй электрической мощности 41, которая может быть направлена в электрическую распределительную систему 50. Первая часть отработавшего пара от ПТГУ 30 может проходить к одной или более судовым паровым нагрузкам 138. Нагревающий судно пар может быть получен от понижающего клапана, расположенного выше по потоку от паровой турбины (паровой поток меньше, чем примерно 85%) или от извлеченного пара (отработавшего пара), полученного от паротурбинного двигателя (мощность >85%). Вторая часть отработавшего пара от ПТГУ 30 может быть конденсирована в холодильнике и направлена назад на повторное использование в парогенератор 80 через конденсирующую систему (не изображена) и систему питательной воды (не изображена).
[0076] Во время работы судно может иметь разные основные режимы работы, в зависимости, по меньшей мере, от полной энергетической нагрузки, имеющегося рабочего оборудования, рабочей окружающей среды и от конфигурации силовой установки. Под-режимы каждого из основных режимов работы могут принимать в расчет подачу различных видов топлива (жидкого или газообразного), требования по выбросам и возможность использования аварийного черного запуска дизеля для увеличения мощности.
[0077] Например, могут быть предусмотрены некоторые или все следующие режимы работы: Силовая установка выключена (Режим 0), Работа силовой установки в режиме комбинированного параллельного цикла ГТГУ и ПТГУ (Режим 1), Работа силовой установки в режиме комбинированного раздельного цикла ГТГУ и ПТГУ (Режим 2), Простой цикл работы ГТГУ (Режим 3), Цикл с дополнительной работой ПТГУ с блоком сжигания газа в качестве источника тепла (Режим 4), Раздельная работа силовой установки с высоким резервированием (Режим 5), Параллельная работа силовой установки с высоким резервированием (Режим 6).
[0078] ГТГУ 10 может содержать некоторые или все признаки, описанные выше в ссылке на фиг. 1, так что ссылка может быть сделана на размещенное выше объяснение, которое не помещено здесь.
[0079] Фиг. 3 изображает график, иллюстрирующий улучшенный коэффициент полезного действия судна, соответствующего описанным здесь вариантам выполнения. Ось Y изображает общий электрический коэффициент полезного действия комбинированной газовой и паровой силовой установки, также обозначаемых как КГПУ. Ось X изображает сумму первой электрической мощности и второй электрической мощности, генерируемых ГТГУ и ПТГУ, полная мощность КГПУ.
[0080] Показано, что коэффициент полезного действия КГПУ, согласно описанным здесь вариантам выполнения, является наиболее высоким в диапазоне КГПУ мощностью примерно от 5 МВт до примерно 20 МВт, соответствующих навигационной скорости судна примерно от 10 узлов до примерно 18 узлов, в сравнении с традиционными КГПУ. С другой стороны, КГПУ, соответствующие описанным здесь вариантам выполнения, могут не обеспечить приведение в движение судна с навигационной скоростью выше, чем, примерно, 18 узлов без дополнительной мощности, которая может быть обеспечена дизельным двигателем. Для перемещения судна с высокой навигационной скоростью, например 19,5 узлов или больше, коэффициент полезного действия традиционных КГПУ может быть достаточным. Однако, на скорости порядка 18 узлов или менее, системы КГПУ, соответствующие описанным здесь вариантам выполнения обеспечивают улучшенные величины коэффициента полезного действия.
[0081] Например, когда используются устройства КГПУ, имеющие газовую турбину Nova™LT16, на малой скорости 17 узлов нет необходимости подключать дополнительный двигатель и КГПУ показывают повышенный коэффициент полезного действия в 47% по сравнению с 45% у традиционных установок КГПУ. Если навигационная скорость выше, например 19,5 узлов, коэффициент полезного действия традиционных установок КГПУ может быть выше, например 49%, так как вероятно нет необходимости подключать дополнительные дизельные двигатели. Низкая мощность, порядка 16 МВт, может потребоваться для перемещения при 17 узлах, вместо высокой мощности, требуемой для перемещения при 19,5 узлов (23,28 МВт). Может быть сэкономлено значительное количество топлива.
[0082] В соответствии с дополнительным аспектом, описан способ работы судна, в частности судна-танкера, более конкретно газовоза для СПГ.
[0083] Как изображено на фиг. 4 в блоке 410, ГТГУ 10, выполненная с возможностью генерации первой электрической мощности от 10 МВт до 18 МВт, и ПТГУ 30 предусмотрены в судне. Другими словами, ГТГУ10, предусмотренная на борту судна, может иметь расчетную выходную мощность или номинальную мощность порядка 10 МВт или больше и 18 МВт или меньше.
[0084] В блоке 420 ГТГУ 10 приведен в действие для генерирования первой электрической мощности 21, и первая электрическая мощность 21 подается в электрическую распределительную систему 50. Кроме того, ПТГУ 30 приведен в действие для генерирования второй электрической мощности 41, и вторая электрическая мощность 41 подается в электрическую распределительную систему 50.
[0085] В блоке 430 судно приводится в движение силовой установкой 60 с помощью тяговой мощности 61, поданной от электрической системы 50.
[0086] В некоторых вариантах выполнения судно может быть приведено в движение со скоростью в 18 узлов или меньше, например, от 17 узлов до 18 узлов с тяговой мощностью в 19-21 МВт, которая приблизительно соответствует сумме максимальной первой электрической мощности и максимальной второй электрической мощности. Другими словами, когда ГТГУ 10 и/или ПТГУ 30 работают в диапазоне с высоким коэффициентом полезного действия, который может соответствовать каждой расчетной выходной мощности ГТГУ и/или ПТГУ, судно может плыть со скоростью в 18 узлов или меньше. Потребление топлива может быть уменьшено.
[0087] В некоторых вариантах выполнения одна или несколько дизельных генераторных установок 90 могут быть приведены в действие для генерирования третьей электрической мощности 92 и для подачи третьей электрической мощности 91 в электрическую распределительную систему 50. В зависимости от нагрузки судна, третья электрическая мощность может составлять от 2 МВт до 5 МВт.
[0088] Например, судно может приводиться в движение со скоростью в 18 узлов или больше, например от 19 до 20 узлов, с тяговой мощностью в интервале 22-26 МВт. Эта мощность может соответствовать сумме максимальной первой электрической мощности, максимальной второй электрической мощности и третьей мощности, которая может быть генерирована одной или более дизельными генераторными установками. В частности, ГТГУ и/или ПТГУ может быть приведен в действие в диапазоне высокого коэффициента полезного действия, который может соответствовать соответствующей номинальной мощности ГТГУ и/или ПТГУ, и дополнительная мощность может быть генерирована одной или более дизельными генераторными установками для того, чтобы «усилить» силовую установку для перемещения судна с высокой навигационной скоростью. Потребление топлива, конкретно дизельными двигателями, может возрасти.
[0089] В некоторых вариантах выполнения, например, также во время перехода в открытом океане, судно может быть приведено в действие в первом режиме с тяговой мощностью ниже номинального уровня. В таком случае третья электрическая мощность 92 не будет подана в электрическую распределительную систему 50 и судно может перемещаться со скоростью в 18 узлов или меньше.
[0090] В некоторых вариантах выполнения, например, в исключительных обстоятельствах или в аварийном случае, судно может работать во втором рабочем режиме с тяговой мощностью выше номинального уровня. В таком случае третья электрическая мощность может быть подана в электрическую распределительную систему 50 и судно может идти со скоростью больше, чем 18 узлов. Во втором рабочем режиме ГТГУ и/или ПТГУ могут быть приведены в действие для генерирования мощности, соответствующей номинальному значению.
[0091] Обычно ГТГУ 10 может частично или полностью работать на отпарном газе 71 из резервуара 70 сжиженного природного газа, например, только на отпарном газе естественного испарения. Отпарной газ принудительного испарения может не требоваться.
[0092] В некоторых вариантах выполнения работа ГТГУ 10 может содержать регулировку регулируемого соплового аппарата, расположенного ниже по потоку от турбины высокого давления и выше по потоку от турбины низкого давления газотурбинного двигателя ГТГУ 10, для регулирования соотношения скоростей вращения турбины высокого давления и турбины низкого давления.
[0093] В таком случае регулируемый сопловой аппарат можно регулировать в зависимости от требуемой первой электрической мощности и/или в случае сброса нагрузки на ГТГУ 10.
[0094] Несмотря на то, что рассмотрены конкретные варианты выполнения изобретения, другие и последующие варианты выполнения изобретения могут быть разработаны без отклонения от объема изобретения, который определен прилагаемой формулой изобретения.
1. Плавучее судно (100), в частности газовоз для сжиженного природного газа, содержащее:
газотурбинную генераторную установку (10), выполненную с возможностью генерации первой электрической мощности (21) и подачи указанной мощности в электрическую распределительную систему (50),
паротурбинную генераторную установку (30), выполненную с возможностью генерации второй электрической мощности (41) и подачи указанной мощности в электрическую распределительную систему (50), и
силовую установку (60), выполненную с возможностью приведения в движение судна (100) с помощью тяговой мощности (61), подаваемой электрической распределительной системой (50),
причем газотурбинная генераторная установка (10) выполнена с возможностью генерации максимальной первой электрической мощности от 10 МВт до 18 МВт, в частности от 14 МВт до 15 МВт при 25°С.
2. Плавучее судно по п. 1, в котором паротурбинная генераторная установка (30) выполнена с возможностью генерации максимальной второй электрической мощности от 3 МВт до 10 МВт, в частности от 5 МВт до 6 МВт.
3. Плавучее судно по п. 2, в котором силовая установка выполнена с возможностью приведения судна в движение с максимальной скоростью 18 узлов или меньше, когда тяговая мощность (61) равна сумме максимальных первой электрической мощности и второй электрической мощности.
4. Плавучее судно по любому из пп. 1-3, содержащее одну или более дизельных генераторных установок (90), выполненных с возможностью запуска газотурбинной генераторной установки (10) из полностью обесточенного состояния и/или с возможностью подачи в электрическую распределительную систему (50) третьей электрической мощности (92), которая предпочтительно составляет от 2 МВт до 5 МВт.
5. Плавучее судно по п. 4, в котором силовая установка (60) выполнена с возможностью приведения судна в движение с максимальной скоростью 19 узлов и больше, когда газотурбинная генераторная установка (10) генерирует максимальную первую электрическую мощность, паротурбинная генераторная установка (30) генерирует максимальную вторую электрическую мощность и указанная одна или более дизельных генераторных установок (90) генерирует третью электрическую мощность (92).
6. Плавучее судно по любому из пп. 1-5, в котором газотурбинная генераторная установка (10) содержит двухтопливный газотурбинный двигатель, выполненный с возможностью работы на отпарном газе (71) из резервуара (70) сжиженного природного газа и на судовом топливе (72).
7. Плавучее судно по любому из пп. 1-6, в котором газотурбинная генераторная установка (10) содержит двухвальный двигатель, содержащий турбину высокого давления, расположенную на валу сжатия газа и выполненную с возможностью приведения в действие газового компрессора, и турбину низкого давления, расположенную на валу генерации мощности и выполненную с возможностью генерации мощности.
8. Плавучее судно по п. 7, в котором газотурбинная генераторная установка (10) выполнена и установлена на судне с обеспечением максимизации грузовместимости для сжиженного природного газа.
9. Плавучее судно по п. 7 или 8, в котором газотурбинная генераторная установка (10) содержит регулируемый сопловой аппарат, расположенный между турбиной высокого давления и турбиной низкого давления и выполненный с возможностью регулировки соотношения скоростей вращения турбины высокого давления и турбины низкого давления.
10. Плавучее судно по любому из пп. 7-9, в котором газотурбинная генераторная установка (10) содержит многоступенчатый осевой компрессор, в частности содержащий регулируемый входной направляющий аппарат для обеспечения регулировки входного потока газа.
11. Плавучее судно по любому из пп. 1-10, в котором газотурбинная генераторная установка (10) выполнена с возможностью выдерживать сброс нагрузки 3 МВт или более, предпочтительно 6 МВт или более, более предпочтительно сброс всей нагрузки, без срыва пламени в указанной установке (10).
12. Плавучее судно по любому из пп. 1-11, дополнительно содержащее парогенератор (80), выполненный с возможностью использования горячего выхлопного газа (81) от газотурбинной генераторной установки (10) и/или горячего газа от устройства окисления для производства пара (82), причем пар (82) предназначен для приведения в действие паровой турбины паротурбинной генераторной установки (30).
13. Способ эксплуатации плавучего судна, в частности газовоза для сжиженного природного газа, включающий:
обеспечение работы газотурбинной генераторной установки (10), выполненной с возможностью генерации максимальной первой электрической мощности от 10 МВт до 18 МВт, для генерации первой электрической мощности (21) и подачи указанной мощности в электрическую распределительную систему (50),
обеспечение работы паротурбинной генераторной установки (30) для генерации второй электрической мощности (41) и подачи указанной мощности в электрическую распределительную систему (50), и
обеспечение движения судна с помощью силовой установки (60), использующей тяговую мощность (61), подаваемую электрической распределительной системой (50).
14. Способ по п. 13, в котором обеспечивают движение судна со скоростью 18 узлов или менее с помощью тяговой мощности, равной сумме максимальной первой электрической мощности и максимальной второй электрической мощности паротурбинной генераторной установки (30).
15. Способ по п. 13 или 14, в котором обеспечивают работу одной или более дизельных генераторных установок (90) для генерации третьей электрической мощности (92) и подачи указанной мощности (92) в электрическую распределительную систему (50), причем предпочтительно указанная третья мощность составляет от 2 МВт до 5 МВт.
16. Способ по п. 15, в котором обеспечивают движение судна со скоростью 19 узлов или более с помощью тяговой мощности, равной сумме максимальной первой электрической мощности, максимальной второй электрической мощности паротурбинной генераторной установки (30) и третьей электрической мощности (92).
17. Способ по п. 15 или 16, в котором при работе судна в первом рабочем режиме, требующем тяговую мощность ниже расчетного значения, третью электрическую мощность (92) не подают в электрическую распределительную систему (50), и/или при работе судна во втором рабочем режиме, требующем тяговую мощность выше расчетного значения, третью электрическую мощность (92) подают в электрическую распределительную систему (50).
18. Способ по любому из пп. 13-17, в котором обеспечивают работу газотурбинной генераторной установки (10) частично или полностью на отпарном газе (71) из резервуара (70) сжиженного природного газа и/или обеспечивают работу паротурбинной генераторной установки (30) частично или полностью на пару, получаемом с помощью горячего выхлопного газа газотурбинной генераторной установки (10).
19. Способ по любому из пп. 13-18, в котором при работе газотурбинной генераторной установки (10) регулируют регулируемый сопловой аппарат, расположенный ниже по потоку от турбины высокого давления и выше по потоку от турбины низкого давления газотурбинной генераторной установки, для регулировки соотношения скоростей вращения турбины высокого давления и турбины низкого давления.
20. Способ по п. 19, в котором регулируемый сопловой аппарат регулируют в зависимости от потребляемой первой электрической мощности и/или в случае сброса нагрузки на газотурбинной генераторной установке (10).
