Metodyka określania ilości energii cieplnej do podgrzania paliwa w

Metodyka określania ilości energii cieplnej do podgrzania paliwa w

Adam Charchalis
Jerzy Krefft
Akademia Morska w Gdyni
METODYKA OKREŚLANIA ILOŚCI ENERGII CIEPLNEJ
DO PODGRZANIA PALIWA W ZBIORNIKACH ZAPASOWYCH
Współczesne statki morskie wyposażone są w silniki oraz urządzenia spalinowe przystosowane do
spalania paliwa pozostałościowego o niskiej jakości. Konsekwencją tego jest zwiększone zapotrzebowanie na parę do celów grzewczych, w tym dla zapewnienia właściwej temperatury w zbiornikach
zapasowych paliwa.
Opierając się na autorskiej bazie danych oraz bilansach parowych dla kontenerowców, przeprowadzono analizę statystyczną. Gdy znane są założenia armatorskie projektowanej jednostki pływającej dotyczące prędkości eksploatacyjnej i liczby przewożonych kontenerów TEU (nośności), na
etapie projektu wstępnego istnieje możliwość wyznaczenia objętości zbiorników zapasowych oraz
ilości pary do podgrzania paliwa w tych zbiornikach.
WSTĘP
Na statkach morskich do celów grzewczych, takich jak podgrzewanie paliwa,
olejów, wody, powietrza, powszechnie stosowana jest para nasycona [1, 2, 3, 7, 9,
10, 11, 22, 23, 30, 31, 32, 33, 36]. Przy uwzględnieniu stanu eksploatacyjnego
statku, produkcja pary odbywa się w kotłach utylizacyjnych dla statku w podróży
morskiej. Podczas postoju statku w porcie lub w rejonach niskich temperatur, gdy
zapotrzebowanie na parę przewyższa wydajność kotła utylizacyjnego, pracuje dodatkowo pomocniczy kocioł opalany. Zależnie od mocy siłowni jednostki pływającej, tj. mocy silnika głównego napędu statku i mocy spalinowych zespołów prądotwórczych, inne jest zapotrzebowanie statku na parę grzewczą. W sytuacji, gdy
silniki główne i pomocnicze oraz kotły pomocnicze zasilane są paliwem pozostałościowym o niskich właściwościach energetycznych, zapotrzebowanie na parę
grzewczą jest względnie wysokie w porównaniu do zasilania paliwem destylowanym.
20
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 64, lipiec 2010
1. ZAPOTRZEBOWANIE NA ENERGIĘ CIEPLNĄ
Zapotrzebowanie statków morskich na energię cieplną wynika z celów: bytowych załogi, siłownianych oraz specjalistycznych statku. Zapotrzebowanie na
energię cieplną przeznaczoną na potrzeby bytowe załogi statku jest stosunkowo
małe. Sprzyja temu mocne zredukowanie liczby członków załogi w ciągu ostatnich
kilkunastu lat. Wynika to ze stosowania systemów automatyki w dziedzinie diagnostyki, nadzoru i sterowania pracą urządzeń statku morskiego.
Energia cieplna do celów specjalistycznych może być wykorzystana np. do
produkcji mączki rybnej na statkach rybackich, podgrzania ładunku, napędu pomp
wyładunkowych na zbiornikowcach i innych.
Zapotrzebowanie na energię cieplną do celów siłownianych wynika z wydajności i mocy urządzeń okrętowych siłowni oraz ilości i zakresów temperaturowych
podgrzewanych czynników. Zależnie od właściwości płynu i procesu technologicznego na współczesnych statkach kontenerowych temperatura podgrzewanego
medium jest różna.
1.1. Energia cieplna do podgrzania paliwa
w zbiornikach zapasowych
Paliwa pozostałościowe stosowane na statkach morskich występują w szerokim zakresie lepkości sklasyfikowanej przez CIMAC (Conseil International des
Machines a Combustion), BS (British Standard Institution) oraz ISO (International
Standarization for Organization).
Na współczesnych statkach morskich spalane jest paliwo RMK, RMH, RMG
o lepkości kinematycznej do 380 cSt dla temperatury 50°C [12, 13, 24]. Wychodząc naprzeciw oczekiwaniom rynku, producenci mechanizmów okrętowych oraz
projektanci statków przystosowali silniki, urządzenia pomocnicze oraz okrętowe
instalacje siłowniane do spalania w sposób ciągły, niezależnie od stanu eksploatacyjnego statku, olejów pozostałościowych o lepkości kinematycznej do 600 cSt.
W wyniku tego dopuszczalna temperatura paliwa przy wiskozymetrze wzrosła do
poziomu 150°C, a transportu paliwa ze zbiorników zapasowych nawet do 50°C.
Dla tak wysokich temperatur zaistniała konieczność dostarczenia znacznie większych ilości energii do podgrzania paliwa, tak by umożliwić jego dalszy transport
i obróbkę. Gdy założy się jednostkowe zużycie paliwa na poziomie prezentowanym w przewodnikach projektowych okrętowych silników spalinowych [8, 14, 15,
16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 26, 27, 28, 29, 30] oraz uwzględni autonomiczność statków dochodzącą do 18 000 Mm [2, 5, 6, 7, 10, 31, 32, 33], okazuje się, że największe zapotrzebowanie na parę grzewczą w siłowni statku występuje dla zbiorników
zapasowych paliwa. Na kontenerowcach stanowi ono ponad 50% zapotrzebowania
pary. W tabeli 1 przedstawiono dane dla czterech wybranych statków [7] dla stanu
eksploatacyjnego w morzu. Udział procentowy stanowi ilość pary potrzebnej do
21
A. Charchalis, J. Krefft, Metodyka określania ilości energii cieplnej…
grzania paliwa w zbiornikach zapasowych w stosunku do całkowitego zapotrzebowania pary do celów grzewczych.
Tabela 1
Zapotrzebowanie pary do celów grzewczych paliwa w zbiornikach
zapasowych dla wybranych statków morskich
Para grzewcza dla zbiorników zapasowych paliwa
[kg/h]
Całkowite zapotrzebowanie
pary do celów grzewczych
[kg/h]
Udział
procentowy
[%]
1379
2393
58
1035
1844
56
1609
2998
54
1252
2469
51
Niezależnie od liczby zbiorników zapasowych paliwa na statku przyjmuje się,
że para dostarczana jest tylko do dwóch z nich. Dla zapewnienia ochrony przed
rozlewem zbiorniki wypełniane są paliwem do 90% swojej objętości, czyli do wartości alarmu wysokiego poziomu w zbiorniku. Obliczenia zapotrzebowania na parę
grzewczą wykonuje się dla utrzymania temperatury pompowalności na poziomie
50°C w jednym zbiorniku oraz dla zmiany temperatury paliwa pozostałościowego
z temperatury początkowej grzania tpg równej 35°C do temperatury pompowalności
tpm równej 50°C w drugim zbiorniku. Zmiana temperatury z poziomu tpg do tpm
występuje przy zmianie paliwowego zbiornika zapasowego, z którego odbywa się
transport paliwa do zbiornika osadowego.
2. WYNIKI BADAŃ
Na podstawie szczegółowych zestawień, wykonanych przy użyciu metod analitycznych w formie parowych bilansów tablicowych [7], wyznaczono funkcyjną
zależność dla zmiennej zależnej zapotrzebowania na parę Dcg w kg/h niezbędną do
podgrzania paliwa w zbiornikach zapasowych w funkcji dwóch zmiennych niezależnych, tj. temperatury początkowej grzania paliwa tpg i sumarycznej objętości
zbiorników zapasowych paliwa Vzbz. Dla tych zmiennych dokonano podstawowej
oceny, której główne kryterium stanowił poziom istotności p. Przyjęto, że wartość
graniczna p wynosi 0,05. Poniżej tej wartości otrzymane wyniki oceniano jako
statystycznie istotne.
W tabeli 2 zestawiono podstawowe dane statystyczne wykonane dla liczby
przypadków N równej 19 na podstawie [34].
Wartość standaryzowana współczynnika regresji BETA na poziomie 0,81
świadczy o relatywnie silnej predykcji objętości zbiorników zapasowych na wartość szacowanego zapotrzebowania pary do celów grzewczych paliwa.
22
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 64, lipiec 2010
Tabela 2
Wyniki regresji wielokrotnej dla określenia ilości pary do celów grzewczych
paliwa w zbiornikach zapasowych
Liczba przypadków N = 19
BETA
Stałe równania
Poziom istotności p
Wyraz wolny
–
-667,67
0,005
Vzbz
0,81
0,91
0,000
tpg
0,20
21,45
0,005
Pozostałe współczynniki analizy statystycznej dla wartości przedstawionych
w tabeli 2 przyjmują stałe wartości i wynoszą odpowiednio: współczynnik korelacji R, determinacji R2 i skorygowany współczynnik determinacji R2 0,99 dla błędu
estymacji 33,53.
Stosując model regresji wielokrotnej z wyrazem wolnym i podane w tabeli 2
wartości, wyznaczono zależność (1) zapotrzebowania na energię Dcg w kg/h pary
dla zbiorników zapasowych paliwa.
Dcg = 0,91V zbz + 21,45 t pg − 667,67
[kg/h]
(1)
Równanie (1) dotyczy podgrzania paliwa z poziomu początkowego tpg do poziomu temperatury pompowalności tpm dla znanej objętości zbiorników zapasowych.
2.1. Objętość zbiorników zapasowych paliwa
Objętość zbiorników zapasowych paliwa zależy od zaprojektowanej autonomiczności statku, prędkości eksploatacyjnej, jego nośności, w tym liczby kontenerów chłodzonych, liczby i mocy zespołów prądotwórczych, liczby i mocy mechanizmów i urządzeń pomocniczych itp. Dla statku kontenerowego te zmienne niezależne można uogólnić do dwóch parametrów w postaci prędkości statku i liczby
kontenerów TEU. Wstępnie przeprowadzona analiza statystyczna wykazała wysoką wartość poziomu istotności p wyrazu wolnego i prędkości statku v. Wyniki tej
analizy zestawiono w tabeli 3.
Tabela 3
Wyniki regresji wielokrotnej dla wyznaczenia objętości
zbiorników zapasowych paliwa – I etap
Liczba przypadków N = 94
BETA
Stałe równania
Poziom istotności p
Wyraz wolny
–
-1379,13
0,19
Liczba kontenerów TEU
0,92
1,34
0,000
Prędkość statku v
0,05
65,64
0,25
23
A. Charchalis, J. Krefft, Metodyka określania ilości energii cieplnej…
Po usunięciu wartości odstających statystyczna liczba przypadków zmalała
z 94, dla wyników regresji w tabeli 3, do 87. Poziom istotności p osiągnął wartość
spełniającą kryterium p ≤ 0,05. W tabeli 4 przedstawiono kolejny etap tej analizy.
Tabela 4
Wyniki regresji wielokrotnej dla wyznaczenia objętości
zbiorników zapasowych paliwa – II etap
Liczba przypadków N = 87
BETA
Stałe równania
Poziom istotności p
Wyraz wolny
–
-2378,93
0,02
Liczba kontenerów TEU
0,88
1,25
0,000
Prędkość statku v
0,11
126,39
0,03
W drugim etapie analizy statystycznej wraz ze zmianą poziomu istotności p
zmianie uległ standaryzowany współczynnik regresji BETA określający predykcję
zmiennej niezależnej na zmienną zależną, dla liczby kontenerów TEU i prędkości
statku v. Najbardziej istotnym parametrem dla określenia objętości zbiorników
paliwa jest liczba kontenerów TEU dla poziomu istotności p wynoszącej 0,000.
Sumaryczną objętość zbiorników zapasowych paliwa wyznaczono według
zależności (2) na podstawie wartości z tabeli 4.
[m 3 ]
V zbz = 1,25 TEU + 126,39 v − 2378,93
(2)
9178
8063
7024
6188
5060
4045
2824
2021
283
1100
prędkość statku [w]
15,00
13,50
12200
10400
8191
6670
5100
3300
1800
233
25,08
24,00
22,88
21,50
20,40
19,20
18,10
17,00
objętość zbiorników zapasowych paliwa
3
[m ]
Równanie to zostało wyznaczone na podstawie parametrów statków kontenerowych dla zasięgu pływania w zakresie 11 000–18 000 mil morskich.
liczba kontenerów [szt.]
Rys. 1. Zmiana objętości zbiorników zapasowych paliwa w funkcji prędkości
eksploatacyjnej statku i liczby kontenerów TEU
Zmienne niezależne w równaniu (2) określają nie tylko wielkość siłowni okrętowej, lecz również podstawowe wymiary główne kadłuba statku LBT i ich zależ-
24
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 64, lipiec 2010
ności. Podkreśla to, jak silnym predyktorem jest liczba TEU i prędkość eksploatacyjna statku.
Graficzną postać zależności (2) w trójwymiarowym układzie współrzędnych
kartezjańskich dla statków kontenerowych przedstawiono na rysunku 1. Dla danych w układzie współrzędnych XYZ dopasowano powierzchnię zgodnie z liniową
funkcją wygładzania statystycznego.
PODSUMOWANIE
Gdy znane są założenia armatorskie projektowanej jednostki pływającej dotyczące prędkości eksploatacyjnej v i liczby przewożonych kontenerów TEU, istnieje
możliwość wyznaczenia objętości zbiorników zapasowych paliwa bez znajomości
pozostałych danych. Jest to szczególnie ważne na etapie projektu wstępnego w sytuacji, gdy znana jest mała liczba parametrów statku.
W tabeli 5 zestawiono wartości przewidywane i obserwowane (specyfikacja
statku) dla wybranego, z bazy danych, statku kontenerowego klasy Panamax. Według specyfikacji statku o pojemności kontenerowej 4546 TEU objętość wszystkich
zbiorników zapasowych paliwa wynosi 6360 m3. Dla tej samej liczby kontenerów
TEU na podstawie zależności (2) wyznaczona statystycznie wartość odpowiada
objętości 6400 m3. Mając na uwadze względy bezpieczeństwa, tj. uniknięcie rozlewu paliwa, a także ustawienie alarmu poziomu górnego paliwa w zbiornikach,
ilość paliwa wynikającą z zależności (2) należy pomniejszyć o 10%. Do obliczeń
ilości pary niezbędnej do podgrzania paliwa w zbiornikach zapasowych przyjmuje
się nie 6400 m3, lecz 5760 m3.
Tabela 5
Przykład obliczeniowy sumarycznej pojemności zbiorników zapasowych paliwa
Liczba kontenerów TEU
4546
Sumaryczna objętość zbiorników zapasowych paliwa
3
[m ]
Przewidywana
Obserwowana (specyfikacja statku)
6400
6360
Wiedza dotycząca ilości pary do podgrzania paliwa może się przyczynić, już
na etapie projektu wstępnego, do właściwego doboru konfiguracji energetycznej
statku w zależności od zapotrzebowania pary na cele grzewcze, w tym na cele
grzewcze paliwa w zbiornikach zapasowych.
A. Charchalis, J. Krefft, Metodyka określania ilości energii cieplnej…
25
LITERATURA
1. Balcerski A., Siłownie okrętowe. Podstawy termodynamiki, silniki i napędy główne, urządzenia
pomocnicze, instalacje, Politechnika Gdańska, Gdańsk 1990.
2. Baza danych Polship oraz Intership, Centrum Techniki Okrętowej, Gdańsk 2007.
http://polship.cto.gda.pl, http://intership. cto.gda.pl:8080/.
3. Behrendt C., Wielkości charakterystyczne układów napędowych współpracujących z prądnicą
zawieszoną na przykładzie statków kontenerowych, materiały niepublikowane, b.m.r.
4. British Standard Institution, Classification of petroleum fuels. Marine fuels, Wielka Brytania
1996.
5. Charchalis A., Krefft J., Development trends in contemporary container vessels designs, KONES,
Journal of Powertrain and Transport, 2008, vol. 15, no. 4.
6. Charchalis A., Krefft J., Main dimensions selection methodology of the container vessels in
a preliminary stage, KONES, Journal of Powertrain and Transport, 2009, vol. 16, no. 2.
7. Dokumentacja techniczna statków Grupy Stocznia Gdynia SA: 8125-PK/0050-001, PT8138/12,
8184-PK/0680-001, PT8184/6, 818415-PK/0050-001, 8229-PK/0050-001, 8234-PK /0050001X1, 8276-PK/0050-001, b.m.r.
8. Engine selection and project manual RTA52U-B, RTA62U-B and RTA72U-B, Wartsila NSD,
Szwajcaria 1998.
9. Górski Z., Perepeczko A., Okrętowe kotły parowe, FRWSM, Gdynia 2002.
10. Hansa – International Maritime Journal, 2005, 142, no. 11; 2006, no. 9.
11. Herdzik J., Poradnik motorzysty okrętowego, Trademar, Gdynia 2007.
12. International Council on Combustion Engines (CIMAC), Recommendations Regarding Fuel
Requirements for Diesel Engines, 3rd edition, b.m., May 1990.
13. International Organization for Standardization (ISO) 8217, British Classification BS 6843, Requirements for marine distillate fuels. Requirements for marine residual fuels, b.m., 2005.
14. K80MC-C Mk6, Project Guide Two Stroke Engine, 4th edition, Man B&W Diesel A/E, b.m.,
February 2001.
15. K90MC Mk6, Project Guide Two Stroke Engine, 5th edition, Man B&W Diesel A/E, b.m., November 2000.
16. K90MC-C Mk6, Project Guide Two Stroke Engine, 4th edition, Man B&W Diesel A/E, b.m.,
December 2000.
17. K98MC, Project Guide Two Stroke Engine, 3rd edition, Man B&W Diesel A/E, b.m., June 2002.
18. K98MC-C, Project Guide Two Stroke Engine, 3rd edition, Man B&W Diesel A/E, b.m., June
2002.
19. L35MC Mk6, Project Guide Two Stroke Engine, 4th edition, Man B&W Diesel A/E, b.m., June
2001.
20. L60MC-C Mk7, Project Guide Two Stroke Engine, 1st edition, Man B&W Diesel A/E, b.m.,
October 2001.
21. L70MC-C Mk7, Project Guide Two Stroke Engine, 1st edition, Man B&W Diesel A/E, b.m.,
November 2001.
22. Machinery operating manual, 300 000 DWT Crud Oil Tanker, Samsung Heavy Industry, South
Korea, October 2000.
23. Michalski R., Siłownie okrętowe. Obliczenia wstępne oraz ogólne zasady doboru mechanizmów
i urządzeń pomocniczych instalacji siłowni motorowych, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki
Szczecińskiej, Szczecin 1997.
26
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 64, lipiec 2010
24. Operation on Heavy Residual fuels guidelines for fuels and lubes, Man B&W Diesel Two Stroke
Engines and Man B&W Diesel Four Stroke Holeby GenSet, CIMAC and ISO guidelines, b.m.r.
25. S35MC Mk7, Project Guide two stroke engine, 2nd edition, Man B&W Diesel A/E, b.m., April
1999.
26. S50MC, Project Guide, Two Stroke Engine, 2nd edition, Man Diesel A/S, Denmark, September
1992.
27. S50MC-C, Project Guide Two Stroke Engine, 4th edition, Man B&W Diesel A/E, b.m., January
2003.
28. S60MC-C Mk7, Project Guide Two Stroke Engine, 2nd edition, Man B&W Diesel A/E, b.m.,
September 1999.
29. S70MC-C Mk7, Project Guide Two Stroke Engine, 2nd edition, Man B&W Diesel A/E, b.m.,
September 1999.
30. Safety at Sea International, vol. 40, no. 453, b.m., November 2006.
31. Schiff und Haffen, journal, 2006, Nr. 01–03, 05, 06, 08–12; 2007, 01–03.
32. Significant Ships 2000, 2001, 2003–2006.
33. Soot Deposits and Fires in Exhaust Gas Boiler, Man Diesel A/S, Denmark 2004.
34. StatisticaPL, Ogólne konwencje i statystyki I – t. I, Grafika – t. II, Statystyki II – t. III, StatSoft,
b.m., 1997.
35. Urbański P., Gospodarka energetyczna na statkach, Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1978.
36. Wojnowski W., Okrętowe siłownie spalinowe, część I–III, Wydawnictwo AMW, Gdynia 2002.
DETERMINATION METHODOLOGY OF STEAM AMOUNT FOR HEATING
FUEL OIL STORAGE TANKS
Summary
The main and auxiliary combustion appliances in the contemporary sea-going ships are adapted to
combust a low quality heavy fuel oil. As a result, there is an increased steam demand for heating
purposes, which is among others, maintaining the correct fuel temperature in the storage tanks.
The statistical analysis has been carried out, based on the database and steam balances for the
container ships. Knowing the ship owner’s assumptions of the designing sea-going vessel, which is
the ship’s speed and TEU number, there is possibility to determine the volume of the fuel storage
tanks and steam amount to heat up the fuel tanks.