OCENA PRACY UKŁADÓW ENERGETYCZNYCH ZBIORNIKOWCÓW LNG PRZY ZASILANIU XII Konferencja Rynek Gazu 2012 Kazimierz Dolny 20 – 22 czerwca 2012 OCENA PRACY UKŁADÓW ENERGETYCZNYCH ZBIORNIKOWCÓW LNG PRZY ZASILANIU NATURALNIE ODPAROWANYM GAZEM ŁADUNKOWYM Cezary Behrendt, Andrzej Adamkiewicz, Akademia Morska w Szczecinie Instytut Eksploatacji Siłowni Okrętowych Katedra Diagnostyki i Remontów Maszyn

Agenda 1. Wprowadzenie 2. Zapotrzebowane strumienie energii 2.1. Moc napędu głównego 2.2. Moc elektrowni okrętowej 3. Ilość odparowującego gazu 4. Dwupaliwowe okrętowe silniki spalinowe 5. Warunki pracy systemu energetycznego 6. Podsumowanie

1. Wprowadzenie Jednym z ważniejszych zagadnień eksploatacyjnych gazowców jest problem odparowywania części ładunku podczas podróży morskiej i jego racjonalnego wykorzystania. Jest to zjawisko występujące podczas eksploatacji statku i pogłębiające się w wyniku zmian temperatury i rejonów pływania. Oznacza to, że statek traci swój ładunek, przy czym im statek jest większy, tym większe są straty odparowanego ładunku.

1. Wprowadzenie Dlatego zbiornikowce LNG pokonują trasy pomiędzy portami ze stosunkowo dużymi prędkościami w granicach od 19 do 21 węzłów, co wynika głównie z dużych odległości pomiędzy portami załadunku (rejon Zatoki Perskiej) i jego wyładunku (kraje Europy i Japonia). Zapewnienie stosunkowo dużych prędkości pływania i wykorzystanie naturalnie odparowanego gazu w dwupaliwowych kotłach parowych do przełomu wieków rozwiązywały napędy turbo parowe, dysponujące dużymi mocami.

Najnowsze technologie pozwalają minimalizować straty związane z tym zjawiskiem, poprzez: ponowne skraplanie oparów w układach energetycznych z bezpośrednim napędem z tłokowymi silnikami wolnoobrotowymi i odpowiednio dużą elektrownią,

z przekładnią elektryczną, ang. dual-fuel-electric. układami energetycznymi ze średnioobrotowymi dwupaliwowymi silnikami spalinowymi z przekładnią elektryczną, ang. dual-fuel-electric. Przekrój siłowni statku LNG Dual-fuel-electric

Wytwarzana energia elektryczna zasila silniki elektryczne napędzające śrubę okrętową oraz sieć elektroenergetyczną statku, osiągającego prędkości nawet powyżej 21 węzłów, przy bardzo wysokiej sprawności ogólnej układu energetycznego.

Rezultatem jest znaczne obniżenie kosztów transportu gazu. Moc użyteczną wykorzystywaną do napędu statku można w prosty sposób rozdzielać w zależności od stanu eksploatacyjnego (w tym stopnia załadowania) statku i prędkości podróżnej.

2. Zapotrzebowane strumienie energii Wraz z rosnącą prędkością pływania rośnie opór całkowity R statku, który zależy od wielkości i kształtu kadłuba oraz takich zmiennych losowych jak warunki hydrometeorologiczne (falowanie morza, siła wiatru), powierzchnia zwilżona podwodzia (zmiany zanurzenia).

2.1. Moc napędu głównego Jeśli statek ma się poruszać z prędkością v, śruba napędowa musi wytworzyć siłę naporu T, przy czym T > R. Wynika to z faktu, że śruba zasysa wodę. Efektywna siła naporu śruby (pędnika) pracującej za kadłubem jest wówczas równa Te = T (1 – t) = R

Dużo lepsze efekty dają wyniki badań modelowych oporu, oparte na teorii podobieństwa hydromechanicznego, gdzie mierzony jest opór Rh holowanego z różnymi prędkościami modelu kadłuba. Wyniki badań modelowych, przeliczone na opór kadłuba rzeczywistego, z wykorzystaniem teorii podobieństwa i z uwzględnieniem efektów skali, przedstawiane są w postaci graficznej według zależności Rh = f(v) oraz mocy holowania Ph = f(v). Wartości Rh oporu holowania i mocy holowania Ph nie reprezentują w pełni rzeczywistego oporu R statku i zapotrzebowanej mocy napędu

, Otrzymanie wartości oporu rzeczywistego R wymaga uwzględnienia wzrostu oporu aerodynamicznego (wskutek działania zwłaszcza siły wiatru) oraz oporu falowego. W przypadku statków LNG szczególnie duży wpływ na opór całkowity posiada składowa oporu aerodynamicznego. Wynika to ze specyfiki konstrukcji kadłuba, w którym umieszczane są zbiorniki ładunkowe o dużej objętości, wystające ponad pokład. Powoduje to wzrost oporu powierzchni, na którą oddziałuje siła wiatru. Moc holowania Ph określa zależność

Moc holowania

Określony w bilansie strumień zapotrzebowanej 2.2. Moc elektrowni okrętowej Określony w bilansie strumień zapotrzebowanej energii elektrycznej na statku jest podstawą doboru mocy i ilości źródeł energii elektrycznej/zespołów prądotwórczych. W literaturze nie istnieją zależności tego typu dla zbiornikowców LNG. Dlatego dla potrzeb pracy moce elektrowni okrętowych zebrano dla zainstalowanych na gazowcach z układami energetycznymi typu Diesel-Electric, w zależności od pojemności zbiorników ładunkowych i prędkości statków.

Pojemność zbiorników ładunkowych, m3 Moc elektrowni okrętowych zbiornikowców LNG Pojemność zbiorników ładunkowych, m3 Moc elektrowni Pe, MW dla trzech prędkości 19 20 21 125 150 175 200 225 250 1,4 1,5 1,8 2,1 2,5 3,0 1,6 2,0 2,3 2,7 3,4 1,7 2,2 3,8 jedynie zapotrzebowana na potrzeby odbiorników siłowni oraz na potrzeby ogólno okrętowe, bez zapotrzebowania na powtórne skraplanie gazu, zakładając że odparowany gaz będzie zasilał silniki spalinowe (w granicach od 2 do 4 MW, zależnie od wielkości statku).

Zapotrzebowana moc napędu głównego i elektrowni okrętowej w zależności od pojemności zbiorników kadłubowych i prędkości statku

Na statkach do przewozu LNG coraz częściej stosowane są dwupaliwowe silniki spalinowe o zapłonie samoczynnym, zarówno do dostarczania energii mechanicznej na śrubę napędową jaki i do wytwarzania mocy elektrycznej w spalinowych zespołach prądotwórczych.

Silniki dwupaliwowe firmy Wärtsilä Model silnika Prędkość obrotowa [obr/min] Średnie ciśnienie efektywne [bar] Moc [kW] W 6L34DF 750 20 2700 W 9L34DF 4050 W 12V34DF 5400 W 16V34DF 7200 W 6L50DF 514 5850 W 8L50DF 7800 W 9L50DF 8775 W 12V50DF 11700 W 16V50DF 15600 W 18V50DF 17550

W przypadku pracy silników przy zasilaniu gazem, niezbędne jest dostarczenie określonej ilości gazu przewożonego w charakterze ładunku, do zapewnienia ciągłej i stabilnej pracy silników. Gaz zasilający silniki odparowuje w sposób naturalny, a w przypadku jego niedostatku należy celowo odparowywać brakującą ilość.

3. Ilość odparowującego gazu Określenie strumienia objętości naturalnie odparowanego gazu przewożonego w charakterze ładunku na statkach LNG jest istotne w przypadku jego zastosowania jako paliwa do zasilania silników. Niezbędna jest również znajomość wartości opałowej LNG, która ulega zmianie podczas długotrwałego parowania związanego z czasem transportu. Na natężenie parowania gazu podczas rejsu mają wpływ: zmiana temperatury powietrza i wody morskiej, siła wiatru i stan morza, ciśnienie atmosferyczne.

Brak jest dokładnych modeli procesu parowania gazu w zbiornikach ładunkowych statków LNG, uwzględniających wymienione czynniki oraz współczynniki przewodzenia ciepła materiałów izolacyjnych zbiorników. Uproszczone metody zakładają przyjęcie właściwości fizycznych przewożonego ładunku odpowiadających właściwościom metanu.

Można przyjąć, że natężenie parowania ładunku na statkach LNG budowanych po 2005 r. wynosi 0,10÷0,15% w czasie podróży z ładunkiem i 0,06÷0,10% podczas podróży pod balastem.

Ilość naturalnie odparowanego gazu na zbiornikowcach LNG w zależności od pojemności zbiorników kadłubowych

4. Dwupaliwowe okrętowe silniki spalinowe Typ silnika Ilość cylindrów i Nom prędk. obrot nn Moc nomi-nalna Pn Zużycie gazu przy obciąż. 0,85 Pn Jednostkowe zużycie gazu - obr/min kW m3/24h m3/(24h kW) 10-3 20 DF 6 8 9 1000 876 1168 1314 7,3 9,7 10,9 8,33 8,30 8,29 34 DF 12 16 750 2700 4050 5400 7200 22,0 33,0 44,1 58,8 8,15 8,17 50 DF 18 500 5700 7600 8550 11400 15200 17100 42,3 56,4 63,4 84,6 112,8 126,9 7,42

Podano zużycie gazu dla wartości opałowej 36 MJ/m3 w temperaturze 0˚C i ciśnieniu 101,3 kPa. Silniki mogą być zasilane dowolnym rodzajem płynnego paliwa żeglugowego lub paliwem gazowym. Są sterowane elektronicznie, co umożliwia dobór optymalnej dawki gazu i powietrza.

5. Warunki pracy systemu energetycznego

Biorąc pod uwagę ilość odparowywanego gazu na statkach LNG o różnej pojemności zbiorników i różnych natężeniach parowania oraz dane dotyczące jednostkowego zużycia paliwa przez silniki typu 50 DF, obliczono możliwą do uzyskania moc silników spalinowych przy zasilaniu naturalnie odparowanym gazem.

Strumień odparowanego gazu na dobę Pojemność zbiorników Natężenie parowania Strumień odparowanego gazu na dobę Dostępna moc silników Vz Pd m3103 % m3/24h kW 125 0,10 0,15 143 220 19,270 29,650 150 155 230 20,890 30,990 175 180 263 24,260 35,440 200 205 290 27,620 39,080 225 232 330 31,260 44,470 250 268 380 36,110 51,200 Moce silników typu 50 DF przy zasilaniu naturalnie odparowanym gazem

Moc zapotrzebowana i dostępna po spaleniu naturalnie odparowanego gazu na zbiornikowcach LNG w zależności od pojemności zbiorników i prędkości statku

6. Podsumowanie Pole wyznaczające zakres dostępnej mocy Pd nie w pełni pokrywa moce zapotrzebowane Pz przez układ energetyczny zbiornikowców LNG. Dla danego statku natężenie parowania będzie się zmieniało w zależności od warunków eksploatacji (stan morza, temperatura otoczenia statku).

Dziękujemy za uwagę