Визначення та оптимізація потужності головних двопаливних двигунів LNG-танкерів за умов варіабельного утворення та утилізації випарованого газу

Abstract

Метою дослідження є розробка науково обґрунтованої методики визначення та оптимізації ефективної потужності головних двопаливних двигунів LNG-танкерів з урахуванням варіабельного утворення та утилізації випарованого газу (BOG). Особливу увагу приділено встановленню кількісного впливу добової норми випаровування, вантажомісткості танків, теплотворної здатності газу, ефективного ККД двигуна та частки теплоти від рідкого запального палива на досяжну та гранично допустиму потужність малообертових двотактних газодизельних двигунів. Дослідження спрямоване на створення універсального інженерного інструменту для забезпечення узгодженості між параметрами енергетичної установки та процесами управління BOG. Методика. У роботі використано аналітичний та графоаналітичний підходи. На основі енергетичного балансу між об’ємом випарованого газу та його споживанням головним двигуном отримано аналітичні залежності для визначення ефективної потужності з урахуванням шести ключових параметрів: α, Pw, ηe, Qн, q та β. Для врахування обмежень, пов’язаних із детонаційним згорянням при малих значеннях частки рідкого палива, введено коригувальний коефіцієнт зниження потужності. Багатопараметричну залежність трансформовано у форму комбінованої номограми, що дозволяє здійснювати швидкі інженерні оцінки без складних обчислювальних процедур. Валідацію методики виконано на прикладі реального LNG-танкера з відомими експлуатаційними характеристиками. Результати. Отримано узагальнену формулу для визначення граничної та досяжної потужності головного двигуна з урахуванням фактичного профілю утворення BOG та режиму паливоподачі. Побудована універсальна номограма дозволяє визначати ефективну потужність у широкому діапазоні експлуатаційних умов, включаючи зміну складу газу та інтенсивності випаровування. Практична апробація показала, що розрахункові значення частки теплоти від рідкого палива та потужності узгоджуються з фактичними експлуатаційними даними судна, що підтверджує адекватність моделі. Встановлено, що при зростанні добової норми випаровування або зменшенні теплотворної здатності газу виникає необхідність коригування частки рідкого палива для забезпечення стабільної роботи двигуна та досягнення проєктної швидкості судна. Наукова новизна полягає у комплексному поєднанні термодинамічного аналізу процесів утворення BOG із параметрами робочого циклу двопаливного двигуна в єдиній аналітичній моделі. Уперше запропоновано універсалізовану графоаналітичну інтерпретацію багатофакторної залежності потужності у вигляді номограми, що враховує обмеження, пов’язані з детонаційною стійкістю двотактних газодизельних двигунів. Розроблено підхід до кількісної оцінки впливу паливної складової та складу природного газу на енергетичний потенціал суднової установки в умовах змінного теплового навантаження кріогенних танків. Практична значимість. Запропонована методика може бути використана на етапах концептуального та технічного проєктування LNG-танкерів для оптимізації вибору типу та номінальної потужності головної енергетичної установки з урахуванням вантажомісткості та очікуваного рівня випаровування. В експлуатаційній практиці вона дозволяє визначати оптимальний паливний режим роботи двопаливних двигунів, мінімізувати втрати вантажу, знижувати витрати рідкого палива та забезпечувати відповідність екологічним вимогам IMO Tier III. Методика також може бути адаптована для аналізу сучасних установок типу ME-GI та X-DF, а також для інтеграції з системами повторного зрідження газу, що розширює можливості її застосування в умовах розвитку світового флоту LNG-перевезень.