Снижение затрат, связанных с углеводородным топливом в Арктике

Руководство Российской Федерации сегодня уверенно утверждает о возвращении и прочном обосновании в Арктике, а также о разворачивании военных городков, обеспечивающих национальные интересы страны.

Арктический регион известен своим суровым климатом и круглогодичным продолжением сурового отопительного сезона. Существенную экономию топлива в арктическом регионе можно получить благодаря параллельной реализации комплекса разнонаправленных мероприятий организационно-технического характера.


Каким топливом сегодня пользуются в Арктике

Следует упомянуть о широком использовании отечественной энергетикой природного газа и мазутов, дизельных топлив и углей разных марок. Очень жаль, что в арктических условиях невозможно пользоваться большинством перечисленных энергоресурсов. Это связано с низкими и сверхнизкими температурами наружного воздуха, а также интенсивным газовым и тепловым загрязнением окружающей среды в регионе из-за дымовых газов — продуктов сгорания топлива.

При понижении температуры менее – 25-ти градусов происходит переход природного газа в жидкую фракцию. При еще большем снижении температур происходит застывание газа, что делает невозможным транспортировку его с помощью газопроводов.

При существенном понижении температур фиксируют значительный рост расхода мазута М-100 для собственных нужд котельных. Это обусловлено необходимостью в подогреве мазута до состояния текучести. Также необходимо поддерживать рабочую текучесть мазута в постоянном режиме. Для собственных нужд котельных приходится затрачивать около 30-ти процентов от выработки энергии. Хотя норма составляет 12-ть процентов. Это приводит к удорожанию производимой продукции, горячей воды либо водяного пара, вплоть до 25-ти процентов.

Превращение зимнего и летнего дизельного топлива в желеобразную массу происходит, соответственно, при понижении температуры до – 35-ти градусов и -5-ти градусов. При этом происходит полная потеря текучести топлива в трубопроводах.

В продуктах сжигания угля, кроме газообразных соединений, содержатся в большом количестве твердые частицы сажи и шлака (около 40-ка процентов). Из-за выброса этих частиц в окружающую среду экологическое состояние в Арктическом регионе подвергается негативному влиянию.

Из-за того, что наружный воздух характеризуется низкими и сверхнизкими температурами, а также из-за пользования традиционными технологиями, связанными с хранением, подготовкой и сжиганием топлива в арктическом регионе приходится пользоваться единственным углеводородным ресурсом – дизельным топливом арктическим. ДТА, температура застывания которого составляет -45-ть градусов (ГОСТ 305‑2013). С этим связана его дороговизна в сравнении со всеми применяемыми отечественной энергетикой углеводородными топливами.

Происходит существенное увеличение стоимости арктического дизельного топлива, которое применяется на восточном российском побережье Северного Ледовитого Океана, в отличие от западных арктических регионов России. Это обусловлено ростом финансовых расходов из-за доставки к потребителям.

Следует упомянуть о теоретической возможности использовании в арктическом регионе всех видов углеводородного топлива, за исключением природного газа. Но препятствием для широкого применения остается применение устаревших технологий, связанных с хранением, подготовкой и сжиганием.


Каким образом топливо превращается в «золотое»

Актуальность проблемы, связанной с обеспечением топливом объектов в Арктике, не снижается и сегодня. Зачастую доставку арктического дизельного топлива для обеспечения российских арктических районов осуществляют в период, называемый северным завозом. Поставщики пользуются Северным Морским путем в период навигации. С этим связано значительное увеличение стоимости арктического дизельного топлива, достигающего хранилищ, оборудованных арктическими потребителями. В основном рост стоимости обусловлен затратами, связанными с доставкой, что соответствует результатам расчетов, которые приведены ниже.

Для достижения корректности расчетов мы руководствовались следующими условиями:

• отпускной ценой ДТ А с НПЗ (цены на октябрь 2017 года) – от 4000 до 45000 руб. за тонну;
• доставкой топлива из Мурманского порта до острова Котельного, расположенного в Новосибирском архипелаге (расстояние примерно 4800 км или около 2592 морских миль) осуществляется посредством больших десантных кораблей (БДК) типа «Иван Рогов», способных заниматься выгрузкой на необорудованных берегах и районах морского мелководья;
• для доставки топлива используют стандартную тару – стальные бочки, весящие 20,2 кг, вместимость которых составляет 200 кг;
• осуществляется доставка горючего – дизельного топлива арктического ГОСТ 305‑2013 (плотностью– 833,3 куб. метр / кг при +15°С);
• расчеты производятся исключительно в соответствии с расходом топлива, затрачиваемого на транспортировку. При этом не учитывается амортизация технических средств, стоимость работ, связанных с погрузкой и разгрузкой, и задействованного оборудования, расходов, связанных с содержанием экипажа (зарплатой, питанием, обмундированием).

У каждого большого десантного корабля типа «Иван Рогов» имеется максимальная возможность взять на борт полезный груз весом до 2480 тонн. Стандартное водоизмещение составляет 11580 тонн, а полное водоизмещение составляет 14060 тонн. Разница достигает около 11262 бочек с топливом или 2,5 тысячи тонн. Достаточно одного рейса БДК, чтобы доставить максимум 2253 тонны топлива. Это количество арктического дизельного топлива рассчитывается по формуле 11262 : (0,833 куб.м/кг х 200 кг) = 1876 литров. Из них вес пустых бочек достигает примерно 227 тонн. Таким образом можно рассчитать общую стоимость ДТ А, доставленную в Мурманский порт, которая будет равна от 90 до 101 миллиона рублей.

Теперь определимся с топливной составляющей БДК типа «Иван Рогов» при транспортировке горячего от Мурманска потребителям острова Котельного, расположенного в Новосибирском архипелаге. Величина экономической скорости БДК достигает 14,5 узла. Для прохождения расстояния в 2592 мили кораблю понадобится около 7,5 суток или 179 часов.

Для функционирования энергетической установки БДК используется работа двух газовых турбин, мощностью по 18-ть тысяч л.с., удельный расход топлива которых составляет 220 гр./л.с.час или 0,00022 т/л.с.час. Для обеспечения экономического хода корабля необходимо включать одну газовую турбину с полной мощностью или обе турбины с режимом 0,5 N. При этом мощность каждой турбины составляет 9-ть тысяч л.с. Соответственно, на переход от Мурманска до острова Котельного главные турбины используют дизельное топливо примерно в количестве 709 тонн.

Для того, чтобы БДК обеспечить электроэнергией, на судне установлены 6 дизель-генераторов ДГ-500 кВт, номинальная мощность которых составляет 800 л.с. и удельный расход топлива 179 гр./л.с. для каждого. Для перехода используют половину генераторов. Соответственно, величина общего расхода топлива дизель-генераторов составит примерно 77 тонн для перехода от Мурманска до острова Котельного, расположенного в Новосибирском архипелаге.

Для того, чтобы доставить дизельное арктическое топливо от порта в Мурманске до о.Котельного, посредством БДК суммарные затраты составят примерно 786 (77 + 709) тонн зимнего дизельного топлива. Для осуществления рейса от Мурманска до острова Котельного в Новосибирском архипелаге расход топлива, необходимого для вспомогательных и главных двигателей, составит около 1572 тонны. Стоимость этого топлива равна свыше 55 миллиона рублей (35 тысяч рублей за тонну – цены на октябрь 2017 года). Эту сумму придется включить в цены арктического дизельного топлива, которые действуют на территории военного городка острова Котельный.

Следовательно, будет происходить увеличение стоимости 1 тонны топлива, которое доставляет БДК. Каждая миля пути от Мурманского порта до острова Котельный добавит к стоимости 9 рублей. Общее расстояние в 2592 мили нужно умножить на 2273 тонны. Говоря иначе, каждая морская миля на маршруте между Мурманском и островом Котельный к стоимости 1 тонны ДТ А будет добавлять немногим больше 9 рублей. Это приводит к повышению стоимости каждой тонны ДТА для потребителей достигает от 64 тысяч до 69 тысяч рублей за тонну, то есть ее прирост в сравнении с отпускной стоимостью достигнет около 60%.

Поэтому для того, чтобы обеспечить все объекты энергетики в российской арктической зоне топливом, приходится затрачивать огромную сумму, достигающую 520 миллиардов рублей.

Очевидно, что доставка топлива до арктических потребителей превращается не просто в дорогую, а золотую. Как же добиться снижения этих огромных затрат?

Направления по снижению затрат

Первым направлением можно назвать доставку топлива потребителям в арктических населенных пунктах с помощью дирижаблей. Доставку топлива посредством дирижаблей можно осуществлять круглогодично.

Определимся со стоимостью перевозки полезного груза весом 1 килограмм дирижаблем. К примеру, сделаем расчет для прямого маршрута от Мурманска до острова Котельного, расположенного в Новосибирском архипелаге, на расстояние, равное 7000 км ( в обоих направлениях) или 3780 морским милям.

Начнем с приведения необходимых технических характеристик немецкой модели дирижабля L-59.

Величина полезной нагрузки дирижабля составляет 47,4 тысячи кг, максимальной дальности полета при 1-ой заправке около 14,3 тысячи км или 7,7 морских миль (при полном запасе топлива 21,6 тысяч кг).

Одной заправки дирижабля достаточно для преодоления указанного прямого маршрута примерно 2 раза (7,7 тысяч морских миль : 3,78 тысяч морских миль). Следовательно, дирижабль сможет перевезти двукратное количество грузов, вес которых составит 94, 8 тысяч килограммов (2 х 47,4 тысячи кг). Из них топливо составит 86,1 тонны, а тара – 8,7 тонны.

Определимся с количеством топлива, необходимым для перевозки полезного груза весом один килограмм посредством дирижабля. Для этого необходимо разделить затрачиваемое топливо на массу транспортируемого полезного груза. Для обозначенной марки дирижабля данное значение составляет около 21,6 тонн ДТ, а масса груза – 86,1 тонн.

Теперь перейдем к расчету стоимость перевозки полезного груза весом 1 кг по топливу. Необходимо произвести умножение количества топлива, необходимого для перевозки полезного груза весом 1 кг, и стоимости 1 кг топлива. Для дирижаблей нужно брать зимний вариант дизельного топлива. В среднем стоимость на территории России 1 килограмма ДТ З, включая НДС (цены на октябрь 2017 года) достигают 35 кг.

По результатам расчетов можно сделать вывод, что величина стоимости перевозки полезного груза весом 1 кг достигает около 8,8 рублей. Эта величина получается путем перемножения 0,251 кг ДТ на 35 рублей.

Теперь перейдем к вычислению стоимости перевозки полезного груза весом 1 кг на преодоление 1 километра пути. Величину стоимости перевозки полезного груза весом 1 кг следует разделить на 1 морскую милю преодоленного дирижаблем маршрута. Для марки дирижабля L-59 данная величина составит около 0,0006 рублей.

Следовательно, на основании выполненных расчетов можно убедиться, что стоимость подвоза топлива с помощью БДК составляет около 0,0009 рублей на 1 кг полезного груза, а стоимость подвоза посредством дирижабля составляет около 0,0006 рублей, что в 1,5 раза меньше. Этот фактор подтверждает возможность снижения доставки топлива благодаря использованию дирижабля примерно на 33 процента.

С учетом погрузки и разгрузки и транспортировки по мелководью использование дирижаблей для подвоза горючего гораздо экономичнее, чем использование транспортных судов. Добавим к этим доводам возможность круглогодичного использования дирижаблей при доставке грузов потребителям в отдаленных районах. Они могут эксплуатироваться без площадок, оборудованных специально для выгрузки доставленных грузов.

Вторым направлением можно назвать отказ от использования стандартных технологий, связанных с хранением, подготовкой и сжиганием топлива в Арктическом регионе.


Новые технологии хранения

Недостаточно организации доставки топлива потребителям. Необходимо также обеспечения его рационального хранения, подготовки и использования, с сохранением при этом качестве горючего и без нарушений экологического состояния природы. Авторы считают, что повысить эффективность прямого назначения применения топлива можно, если осуществить практическую реализацию следующих мероприятий:

• усовершенствовать как отдельные технологические процессы или этапы подготовки топлива, так и цикл подготовки топлива в общем;
• позаботиться о динамическом или активном хранении топлива;
• проводить гомогенизацию и аэрацию топлива накануне его подачи в зону горения;
• повысить качество приготавливаемых горючих смесей, подаваемых на горение;
• использовать совместную схему по смешению топлива с воздухом вместо раздельной схемы;
• использовать возможности для интенсификации и активизации процесса горения;
• изменить способ по регулированию нагрузок и мощности топливосжигающих установок;
• если сжигать топливо с расходом воздуха, близким к теоретическим параметрам, это способствует значительному повышению эколого-экономической эффективности пользования всеми топливосжигающими установками.

Реализацию рассмотренных мероприятий можно осуществить благодаря внедрению новых конструкций системы по динамическому и активному хранению топлива и топливоподающей системы.

Предназначение системы по динамическому и активному хранению топлива заключается в том, что с ее помощью организуется постоянная или периодическая циркуляция посредством расходного или запасного топливного резервуара обработанного топлива. Эта процедура не позволяет горючему расслаиваться на фракции и образовываться на дне резервуара топливно-водяному отстою.

Топливоподающая система подготавливает воздушно-топливную горючую смесь с оптимальным составом и подает ее к зоне горения.

Конструкция системообразующего элемента обеих систем состоит из струйного аппарата. В системе по динамическому и активному хранению топлива он представлен струйным насосом-дозатором, а в системе по подаче топлива – воздушно-топливным струйным насосом-распылителем, который одновременно является топливоподающим насосом, распылителем топлива и смесителем компонентов, входящих в топливную смесь.

Струйный насос-дозатор в первой системе функционирует посредством кинетической энергии, затрачиваемой топливом, подаваемым в топливном насосе по напорной линии. Когда в струйном аппарате прокачивается проточная часть насоса-дозатора, происходит создание разрежения, обеспечивающего самовсасывание и обработку (гомогенизацию) топлива. После завершения обработки топливо превращается в мелкодисперсный топливный поток и возвращается в топливную емкость, используемую для хранения горючего.

Струйный насос-распылитель во второй системе функционирует посредством кинетической энергии, затрачиваемой сжатым воздухом, нагнетаемым воздушным компрессором, вентилятором или воздушным баллоном. Сжатый воздух в емкости рабочей камеры насоса способствует созданию разрежения, приводящего к самовсасыванию, гомогенизации, аэрации топлива, приготовлению воздушно-топливных смесей и подачи их в форме распыленной мелкодисперсной струи к зоне горения.

Сегодня осуществляется эксплуатация рассматриваемых систем, начатая после проведения натурных и промышленных испытаний в реальной обстановке.

На основании результатов использования системы по динамическому и активному хранению топлива сделаны выводы об:

• Отсутствии расслоения топлива и высоковязкого топливного отстоя в резервуаре;
• Усредненной гомогенной структуре и однородном составе находящегося на хранении жидкого топлива.

На основании использования системы по подаче топлива удалось добиться:

• 15-ти процентной экономии топлива;
• Снижения потребления воздуха атмосферы до теоретических параметров (от 10 до 11 кг воздуха при сжигании 1 кг топлива);
• Бездымного горения углеводородного топлива, отличающегося физико-химическими характеристиками – качественного сжигания разных типов углеводородного горючего, а также сырой нефти, нефтесодержащих отходов, влагосодержание которых не превышает 23%.

Возможна легкая адаптация данных систем для любых топливных резервуаров, в которых хранится жидкое топливо (первой системы), и любых типов топливосжигающих установок, используемых для потребления твердого, жидкого или газообразного топлива (второй системы).

Благодаря совместному использованию рассматриваемой технологии по приготовлению воздушно-топливных смесей и технологии по активному хранению жидкого топлива удается добиться:

• Расширения номенклатуры нефтяных топлив, используемых в арктическом регионе,
• Удовлетворения требованиям экологии,
• Сохранения качественно-количественных показателей топлива, в условиях пониженных температур и длительного хранения,
• Реального сокращения количества топлива, потребляемого для горения.

Благодаря практическому пользованию ресурсосберегающими технологиями в системах топливосжигающих арктических комплексов удается добиться получения значительной финансовой выгоды непосредственно после внедрения на практике. К примеру, благодаря внедрению и пользованию упомянутыми технологиями можно реально осуществит замену дизельного топлива арктического (с температурой застывания -45 градусов в соответствии с ГОСТом 305-2013) на дизельное топливо зимнее (с температурой застывания -35 градусов в соответствии с ГОСТом 305-2013). Это дает экономию от 5 тысяч до 10 тысяч рублей на каждую тонну энергоресурса или от 12,5 до 22 процентов от затрат.

Благодаря правильному подходу к решению проблемы, связанной с обеспечением жизненного цикла для углеводородного горючего возможна вполне реальная замена дизельного топлива в Арктическом регионе рядом других, более дешевых видов нефтяных топлив.


Новые технологии сжигания

Существует зависимость между эколого-экономической эффективностью прямого назначения применения пользования и видом используемого горючего, его свойствами, качеством подготовки топлива, а также тем, как организован процесс сжигания.

Процессы, связанные с получением, преобразованием и передачей энергии, невозможны без ее потерь. Речь идет, например, о выбрасываемых в атмосферу нагретых дымовых газах. Изредка наблюдаются существенные потери энергии, что является недопустимым в Арктическом регионе. Для того, чтобы минимизировать потери энергии, необходимо позаботиться об установке комбинированных энергетических установок, например, дизель-генераторов, в оснащение которых входят утилизационные котлы, снабженные камерами дожигания газов, уходящих из ДВС. Выработка энергии будет при этом осуществляться посредством дизель-генератора комбинированной ЭУ, а нагрев воды – с помощью утилизационных котлов. Благодаря этому удастся добиться более рационального использования производимой в процессе сжигания топлива тепловой энергии топлива.

По результатам расчетов становится очевидно, что благодаря одновременной реализации мероприятия по указанным выше направлениям и использованию дизель-генераторов, оборудованных утилизационными котлами, можно добиться сокращения финансовых затрат, связанных с топливом для энергетических объектов в Арктике на 63+80 процентов. В 2017 году для обеспечения отделанных регионов Севера углеводородным топливом было затрачено 520 млрд рублей, а после реализации указанных предложений затраты снизятся максимум до 104 – 192 млрд рублей.

В качестве реальной альтернативы углеводородному топливу можно воспользоваться неиссякаемыми возобновляемыми природными энергетическими ресурсами Арктики. Это приведет к снижению расходов, связанных с доставкой топлива, благодаря массовому использованию океанических вод и ветра для выработки энергетических источников. Побережью Северного Ледовитого океана присуще преобладание сильных ветров в сочетании с периодическими отливами и приливами воды, которые являются альтернативными энергоресурсами, имеющими огромную потенциальную энергию. Необходимо по максимуму воспользоваться ими, чтобы более активно осваивать Российскую Арктику. Для реализации мероприятий, связанных с использованием энергии океанических вод и ветра, понадобятся дополнительные финансовые вложения, и они станут заменой только небольшой части углеводородного топлива. И все же это даст возможность пусть не для полного, но сокращения зависимости ТЭК в Арктике от углеводородного топлива и снижения антропогенного давления на состояние окружающей природной среды в арктической зоне.


Выводы

Обеспечение постоянного присутствия Российской Федерации в Арктическом регионе связано со значительными финансовыми затратами. Они необходимы для того, чтобы поддерживать инфраструктуру и обеспечивать нормальную жизнедеятельность людей, живущих в суровой климатической зоне. Но напрасными эти расходы считать нельзя. Они обеспечивают национальную безопасность России благодаря освоению стратегически важного региона планеты. Нельзя забывать об экологической уязвимости арктической зоны. Поэтому в этом регионе нельзя пользоваться устаревшими, экологически опасными и экономически затратными технологиями, связанными, в том числе, с хранением, подготовкой и сжиганием углеводородного топлива.