Об экономической эффективности использования котлотурбинных кораблей ( 1 фото )

Корабль предназначен для ведения боевых действий на море и представляет собой сложное инженерное сооружение, которое, неся на себе оружие и все необходимые для выполнения поставленных задач грузы, в зависимости от возложенных на него задач способно плавать над водой, на воде и под водой. Корабль является боевой единицей военно-морского флота. Оружие и технические средства корабля должны надежно функционировать в условиях морской среды. Корабль – это инженерное сооружение особого рода, поскольку он должен обладать способностью к движению, которое обеспечивается посредством использования главной энергетической установки (ГЭУ).

Сегодня надводные корабли ВМФ различных стран оборудованы котлотурбинными, дизельными, газотурбинными, дизель-газотурбинными, дизель-электрическими и атомными ГЭУ. Каждая энергетическая установка имеет свои особенности эксплуатации, достоинства и недостатки. Одни более просты в конструкции и эксплуатации, имеют меньшие массогабариты, быстро приготавливаются к работе и вводятся в действие, однако используют дорогостоящее топливо. Другие – более сложные, обладают большими массогабаритными характеристиками, дольше приготавливаются к работе и вводятся в действие, но просты в эксплуатации и работают на более дешевом топливе.

Россия – великая морская держава и имеет свои отечественные всемирно признанные школы кораблестроения и морского двигателе-, котло- и турбостроения. В Концепции качественного и количественного реформирования Военно-морского флота Российской Федерации (ВМФ РФ) приоритет отдан строительству кораблей, оснащенных дизельными, газотурбинными, дизель-газотурбинными и атомными энергетическими установками, при этом от строительства кораблей с КТЭУ практически отказались. Из состава флота было выведено и в дальнейшем списано большинство котлотурбинных кораблей, что повлекло за собой сокращение специальности военных инженеров-механиков КТЭУ в военно-морском инженерном вузе.

Сегодня корабли с КТЭУ в составе ВМФ России можно пересчитать по пальцам. Правильно принято решение об отказе от КТЭУ или нет, покажет время.

В конце XVIII века для обеспечения движения корабли стали оснащаться паровыми котлами и паровыми машинами, составляющих паросиловую энергетическую установку (ПСУ). В качестве топлива для котлов использовались сначала дрова, а затем уголь. С 1788 года в США начало функционировать первое в мире судно с ПСУ, после чего все суда, использующие пар, стали называться пароходами. Паросиловыми установками в то время оснащались практически все плавсредства от небольших катеров до линкоров. После изобретения судовых топливных цистерн (так называемых цистерн Фрама) и топливной аппаратуры в качестве судового топлива ПСУ в начале XX века начал использоваться флотский мазут, в это же время паровые машины стали заменять паровыми турбинами, а главная энергетическая установка кораблей получила название паротурбинной (ПТЭУ). Появление новой энергетической установки потребовало подготовку новых технических специалистов, названных позднее инженер-механиками паросиловых установок (ПСУ).

Паросиловая установка применялась на кораблях и судах вплоть до конца 1970-х годов, а паротурбинная, позднее получившая название котлотурбинной, используется до сих пор, ею оборудуются, как правило, крупные водоизмещающие корабли: авианосцы, крейсера и эсминцы.

С 1893 года паровая машина паросиловой энергетической установки стала прототипом всех двигателей внутреннего сгорания, которыми с начала XX века начали оснащать корабли.

Опыт эксплуатации котлотурбинных и дизельных энергетических установок показал, что первые имеют невысокий коэффициент полезного действия, включают большое количество сложных механизмов, занимающих значительные судовые площади и объемы, а вторые ограничены в мощности, сложны по конструкции, тяжелы и требуют для работы высококачественное топливо.

В последней четверти XIX века практически одновременно с дизельными двигателями были изобретены газовые турбины, прототипом которых явились паровые турбины, однако широкое распространение на кораблях и судах газотурбинные установки получили лишь со второй половины XX века после разработки надежных жаростойких конструкционных материалов.

В середине 1970-х годов надводные корабли начали оснащать атомными энергетическими установками (АЭУ) после их апробации на подводных лодках. АЭУ также является паротурбинной установкой, в которой для выработки пара вместо котла используется ядерный реактор с парогенератором.

Кроме указанных энергетических установок, корабли оснащались комбинированными энергетическими установками, например, дизель-паротурбинными (в Кригсмарине, ВМФ нацистской Германии. — Прим. авт.), и оснащаются до настоящего времени дизель-газотурбинными и дизель-электрическими энергетическими установками.

Качество и совершенство любого вида оружия и военной техники, как известно, проверяется войной. Эта аксиома в полной мере подходит и к корабельным энергетическим установкам.

Поскольку котлотурбинная установка была первой энергетической установкой, которой оснащались корабли, она прошла испытание двумя мировыми и несколькими локальными войнами и показала свое высокое качество и надежность. В тоже время дизельная энергетическая установка (ДЭУ) была проверена одной мировой войной и локальными морскими конфликтами, а газотурбинная (ГТЭУ) – только локальными войнами, например, войной между Аргентиной и Великобританией за Фолклендские (англ.) или Мальвинские (испан.) острова в 1982 году.

Опыт эксплуатации различных типов энергетических установок в реальных условиях в различных климатических зонах показал, что наиболее эффективно КТЭУ используется на кораблях большого водоизмещения не ниже эсминца и потребляет относительно не дорогое нефтяное топливо. В то же время функционирование кораблей с ДЭУ и ГТЭУ требует значительное количество высококачественного светлого нефтяного топлива. Кроме того, опыт войны и военных конфликтов показал, что использование дизельных и газотурбинных кораблей на арктическом театре военных действий в зимний период возможно только при их заправке более дорогим видом дизельного топлива – арктическим (ДТ А). Ухудшение качественных характеристик светлых топлив (например, осмоление, обводнение и т.п.) в судовых условиях, как известно, во всех случаях приводит к отказам техники, обесточиванию корабля и потере им хода. У кораблей, установки которых потребляют светлые сорта топлив, более высокая вероятность возникновения взрывов и пожаров при боевых и аварийных повреждениях. Ремонт дизельных и газотурбинных кораблей в условиях войны более продолжителен, в том числе и по причине высокой взрывопожароопасности топлива и необходимости его полного слива, а затем приема в цистерны полного запаса. Кроме того, многие виды ремонта на дизельных и газотурбинных кораблях должны проводиться исключительно силами высококвалифицированных специалистов заводов-изготовителей технических средств.

Котлотурбинная установка исключает многие недостатки присущие ДЭУ и ГТЭУ. Так, КТЭУ использует темные виды нефтепродуктов — флотский мазут и ухудшение его качества не оказывает существенного влияния на функционирование установки, в частности, на работу паровых котлов. Энергетические установки котлотурбинных кораблей более ремонтопригодные, что немаловажно в экстремальных условиях и длительного отрыва от баз.

Кроме того, опыт многих войн показал, что при отсутствии нефтяного топлива на котлотурбинном корабле минимальный ход может быть обеспечен за счет сжигания в котлах аварийного леса, деревянных предметов и других горючих изделий, собранных как на корабле, так и в море.

Наряду с боевым опытом использования различных энергетических установок (ЭУ) накоплен достаточный опыт их эксплуатации в дальних длительных походах в мирное время, который показал высокую живучесть котлотурбинной установки при аварийных отказах ее отдельных элементов. Так, котлотурбинная установка способна обеспечить ход корабля без нарушения функционирования пропульсивного комплекса корабля даже при работе только одного котла. В то же время работа одного двигателя на кораблях с ДЭУ и ГТЭУ может привести к нарушению функционирования пропульсивного комплекса и напряженной работе главного упорного подшипника. Кроме того, надежное функционирование дизельной и газотурбинной установок в большой степени зависит от параметров корабельного электропитания, чем работа котлотурбинной установки.

Высокая живучесть, возможность дачи хода при минимальном количестве работающих механизмов, хорошая ремонтопригодность и малая зависимость от параметров корабельного электропитания являются немаловажными факторами функционирования котлотурбинной установки при длительном автономном плавании корабля в отдаленных районах мирового океана при отсутствии военно-морских баз.

Оценка военно-экономической эффективности использования кораблей наиболее актуальна для мирного времени, когда корабли не применяются по прямому назначению, и в то же время требуют значительных затрат на своё содержание, подготовку и обучение экипажей, учебные стрельбы и дальние походы.

Известно, что до 70% расходов при эксплуатации любого корабля приходятся на топливо.

Для примера сравним экономические затраты на судовое топливо для обеспечения режима полного хода котлотурбинных кораблей типа «Кронштадт» и газотурбинных кораблей типа «Николаев» в течение часа. Известно, что котлотурбинный корабль использует флотский мазут Ф-5, а газотурбинный — соответственно дизельное топливо ДТ. Выбор этих кораблей не случайный, поскольку оценка может быть корректной и объективной лишь в том случае, если корабли имеют одно назначение и приблизительно одинаковые тактико-технические характеристики. Следует отметить, что все корабли типа «Кронштадт» и «Николаев» уже списаны из состава ВМФ Российской Федерации на металлолом.

Тактико-технические характеристики (ТТХ) больших противолодочных кораблей (БПК) «Кронштадт» и «Николаев» и их энергетических установок

ТТХ БПК «Кронштадт» / БПК «Николаев»:

— тип ГЭУ: КТЭУ ГТЭУ;
— полное водоизмещение: ~ 7.600 т / ~ 7.000 т;
— номинальная мощность ГЭУ : 90.000 л.с. / 84.000 л.с.;
— полный запас топлива на корабле (вид топлива): 1.950 тонн (мазут Ф-5) / 1.800 (ДТ);
— скорость полного хода: 33 узла / 32 узла;
— удельный расход топлива: 0,36 кг/л.с. час / 0,25 кг/л.с. час;
— дальность плавание (при 18 узлах): 5.200 миль / 6.500 миль;
— средняя стоимость топлива в ценах на июль 2019 г.: 24.000руб./т / 42.000 руб./т.

Умножив номинальную мощность ГЭУ на удельный расход топлива и на стоимость одной тонны топлива, получаем финансовые затраты на топливо для обеспечения режима полного хода кораблей типа «Кронштадт» и кораблей типа «Николаев» в течение одного часа, которые соответственно составляют в 777.600 руб./час и 882.000 руб./час. Это значит, что затраты на топливо (флотский мазут) для обеспечение длительного хода (плавания) БПК «Кронштадт» будут значительно меньше, чем аналогичные затраты (на дизтопливо) для БПК «Николаев».

Такие же экономические расчеты могут быть проведены и для корабля с ДЭУ, но, очевидно, что они также будут превышать расходы на топливо работающей котлотурбинной установки.

Действительно, эксплуатация котлотурбинных кораблей обходится дешевле, о чем свидетельствуют их использование (плавание) в период длительной стоянки дизельных и газотурбинных кораблей в своих базах практически все 1990-е годы по причине дороговизны или отсутствия дизельного топлива.

Немаловажным фактором, определяющим время жизненного цикла любого корабля, является качество и сроки проведение процесса восстановления его боевых и эксплуатационных свойств, называемого ремонтом. К сожалению, распад СССР и нарушение экономических связей между республиками некогда единой страны оказал негативное влияние не только на процесс постройки, но и на процесс ремонта ГЭУ кораблей. Так, Южный Турбинный завод (ЮТЗ) в г. Николаеве, являвшийся в СССР ведущим предприятием по производству и ремонту корабельных газотурбинных двигателей, сегодня находится за пределами России, именно по этой причине ремонт корабельных газотурбинных двигателей требует больших финансовых затрат, в том числе и в валюте. Это означает, что сегодня ремонт корабля с газотурбинной установкой обходится значительно дороже ремонта котлотурбинных и дизельных кораблей. Кроме того, срок непосредственного использования дизельных и газотурбинных кораблей определяется временем моторесурса их главных двигателей. Согласно установившемуся порядку, моторесурс главных корабельных двигателей продлевается командованием флота на основе заключения специалистов завода-изготовителя о возможности дальнейшей эксплуатации двигателей. При выработке моторесурса выход в море кораблей, как известно, запрещается, и они большее время простаивают в базах, что совсем недавно и наблюдалось практически на всех флотах Российской Федерации с кораблями советской постройки.

Каждый исторический период ставит перед военно-морским флотом свои задачи, которые требуют обязательного совершенствования боевых и эксплуатационных свойств корабля в целом и его отдельных подсистем, в том числе и энергетической установки. Новые задачи также предъявляют более жесткие требования к кораблям и их энергетическим установкам. Становится очевидным, что при принятии решения об оснащении проектируемого корабля тем или иным типом энергетической установки необходимо в первую очередь учитывать приобретенный энергетической установкой опыт боевой эксплуатации и способность выбранного типа энергетической установки к дальнейшему усовершенствованию с целью повышения эффективности использования корабля.

Для повышения эффективности использования кораблей можно усовершенствовать как один, так и несколько элементов их энергетической установки. Авторы убеждены, что сегодня можно, например, снизить топливную составляющую расходов на содержание кораблей, оборудованных всеми видами энергетических установок, использующих нефтяное топливо. Снижение топливной составляющей может быть достигнуто по следующим направлениям:

— уменьшение расхода топлива на единицу веса ЭУ, например, путем внедрения новых конструкционных материалов на главных двигателях и котлах;
— уменьшение удельного расхода топлива за счет усовершенствования топливной аппаратуры и интенсификации процесса горения топлива;
— устранение «мертвого» запаса топлива в расходных цистернах и «неснижаемого» запаса в элементах топливной системы двигателей и котлов;
— расширение диапазона используемых в ЭУ видов нефтяного топлива;
— сокращение потерь топлива, например, от испарения;
— сохранение качественно-количественных показателей топлива при его хранении в условиях корабля и др.

Необходимо отметить, что снижение топливной составляющей за счет повышения эффективности использования судового топлива во всех случаях приводит, в том числе и к повышению экологической чистоты и скрытности корабля в целом.

Очевидно, что котлотурбинная энергетическая установка кораблей, проверенная войнами и походами, имеет перспективы, а главное, резервы для своего дальнейшего развития, модернизации и совершенствования, именно поэтому отказываться от данного типа ЭУ пока преждевременно. В то же время сегодня необходимо совершенствовать и все другие типы энергетических установок в направлении повышения их эффективности функционирования с учетом мирового опыта.

Автор:к.т.н. Игорь Дубровин, к.т.н. Евгений ДубровинИспользованы фотографии:commons.wikimedia.org