Jornal of KONES 2008 NO 2

Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 15, No. 2 2008
PROPOSAL OF PROPULSION FOR LIQUEFIED NATURAL GAS
TANKER (LNG CARRIER) SUPPLYING LNG TERMINAL IN POLAND
Zygmunt Górski, Romuald Cwilewicz, ukasz Konopacki, Krzysztof Kruk
Gdynia Maritime University, Department of Marine Power Plants
Morska Street 83, 81-225 Gdynia, Poland
tel.: +48 58 6109322,
e-mail: [email protected]
Abstract
The diversification of natural gas supply to Poland and plans to build liquefied natural gas (LNG) terminal in
Poland are obvious. Regarding indepence of supply from Russian sources through inland pipelines the sea transport
of natural gas is necessary. Provisional analysis shows the possibility of supply from Gulf via Suez Channel or from
Black Sea area. Due to economical reasons the transport should be performed by the biggest ships, which can pass
Suez Channel and Danish Straits under full load. Referring to analysis presented in paper ,,Proposal of turbine
propulsion for new generation liquefied natural gas carrier with a capacity of 250000-300000 cbm” (European
CONES 2007) the COGES (Combined Gas Turbine and Steam Turbine Integrated Electric Drive System) propulsion
fed with natural gas from carried cargo is proposed. Basic advantages of such propulsion are:,,ecological fuel”
application, high efficiency and maintenance friendly propulsion plant. The indubitable qualities of a COGES type
ship's powerplant, fueled with natural gas induce interest for this kind of powerplant with cheaper capital expenditure
and low exploitation costs, but at the same time showing simplicity in service and ,,ecological fuel” application. In
conclusion a discussion about construction of LNG carries for Polish gas terminal supply as well as kind of
propulsion plant for these ships is called.
Keywords: LNG tanker propulsion, Liquefied gas tankers for Poland
PROPOZYCJA NAPDU ZBIORNIKOWCA LNG
DO ZAOPATRZENIA TERMINALU GAZOWEGO W POLSCE
Streszczenie
Potrzeba dywersyfikacji zaopatrzenia Polski w gaz naturalny i plany budowy terminalu gazowego w Polsce s
oczywiste. Ze wzgldu na konieczno uniezalenienia od dostaw gazu systemem rurocigów ze róde rosyjskich
konieczny jest transport morski surowca zbiornikowcami do przewozu gazu naturalnego (LNG). Wstpna analiza
wskazuje na moliwo dostaw z obszaru Zatoki Perskiej poprzez Kana Sueski lub z obszaru Morza Czarnego. Ze
wzgldów ekonomicznych zakada si, e gaz powinien by przewoony moliwie najwikszymi statkami zdolnymi
przepyn pod penym zaadunkiem przez Kana Sueski i Cieniny Duskie. Nawizujc do analiz zaprezentowanych
w referacie ,,Propozycja napdu turbinowego zbiornikowca nowej generacji do przewozu skroplonego gazu
naturalnego o adownoci 250000-300000 m3” (European KONES 2007) zakada si zastosowanie dla takich statków
kombinowanego napdu turbinowego COGES (Combined Gas Turbine and Steam Turbine Integrated Electric Drive
System) zasilanego gazem naturalnym z przewoonego adunku. Podstawowe zalety tego rodzaju napdu to:
zastosowanie ,,paliwa ekologicznego”, wysoka sprawno i atwo eksploatacji napdu gównego. Niewtpliwe
zalety napdu okrtowego typu COGES napdzanego gazem ziemnym skaniaj do zainteresowania tym rodzajem
napdu taszego inwestycyjnie oraz eksploatacyjnie a jednoczenie prostego w obsudze i stosujcego ,,ekologiczne
paliwo”. W konkluzji proponuje si podjcie szerokiej dyskusji na temat budowy zbiornikowców LNG do zaopatrzenia
terminalu gazowego w Polsce oraz rodzaju zastosowanego na nich napdu.
Sowa kluczowe: Napd tankowieca LNG, tankowce skroplonego gazu dla Polski
1. Wstp
Problem zaopatrzenia Polski w gaz naturalny sprowadza si do zagadnienia dywersyfikacji
dostaw i sposobu dostawy gazu. Niniejszy referat jest wkadem Katedry Siowni Okrtowych
Z. Górski, R. Cwilewicz, . Konopacki, K. Kruk
Akademii Morskiej w Gdyni do dyskusji na powyszy temat. Poniewa zostaa podjta decyzja
budowy terminalu gazowego w winoujciu oczywiste jest przyjcie transportu morskiego
surowca zbiornikowcami do przewozu gazu naturalnego LNG (Liquefied Gas Tankers). Wstpna
analiza wskazuje na moliwo dostaw drog morsk z obszaru Zatoki Perskiej poprzez Kana
Sueski, z obszaru Morza Czarnego lub z pónocnej Afryki, co uniezalenioby Polsk od dostaw
gazu systemem rurocigów ldowych ze róde rosyjskich.
Ze wzgldów ekonomicznych zakada si, e gaz powinien by przewoony moliwie
najwikszymi statkami zdolnymi przepyn pod penym zaadunkiem przez Kana Sueski
i Cieniny Du
skie oraz zdolnymi do operacji manewrowych w terminalu gazowym winoujcie.
Wstpne analizy [6] wskazuj, e obecnie warunki takie speniby statek o dugoci do 300 m,
szerokoci do 50 m i zanurzeniu do 13,5 m. Jednak pewne korekty wymiarowe przyszego
terminalu gazowego ze wzgldu na moliwo obrotu statku w basenie portowym umoliwiyby
zawijanie do niego zbiornikowców o dugoci do 345 m i szerokoci do 55 m przy zachowaniu
zanurzenia do 13,5 m. Statek taki mógby te przepywa przez Kana Sueski i Cieniny Du
skie
transportujc 250000 m3 gazu naturalnego. Na Rys. 1 pokazano fotografi zbiornikowca LNG
podczas w ruchu na penym morzu.
Rys. 1. Zbiornikowiec LNG w ruchu morskim
Fig. 1. LNG carrier steaming at sea
2. Propozycja ukadu napdowego zbiornikowca LNG o adownoci 250000 m3
Podczas transportu morskiego gaz naturalny utrzymywany jest w postaci pynnej pod
cinieniem atmosferycznym w temperaturze - 163oC. Podczas przewozu gazu skroplonego jednym
z podstawowych problemów jest penetracja ciepa do zbiorników adunkowych i parowanie
adunku. Odparowany gaz moe by skroplony w odpowiedniej instalacji i skierowany na powrót
do zbiorników adunkowych lub wykorzystany do napdu statku. Nawizujc do analiz
zaprezentowanych w referacie ,,Propozycja napdu turbinowego zbiornikowca nowej generacji do
przewozu skroplonego gazu naturalnego o adownoci 250000-300000 m3” (KONES 2007) [5]
zakada si zastosowanie dla takich statków kombinowanego napdu turbinowego COGES
(Combined Gas Turbine and Steam Turbine Integrated Electric Drive System) zasilanego gazem
naturalnym z przewoonego adunku.
Podstawowe zalety tego rodzaju napdu to [5]:
- zastosowanie gazu naturalnego jako ,,paliwa ekologicznego” o niskiej emisji szkodliwych dla
rodowiska substancji w spalinach wylotowych,
- zagospodarowanie odparowanego adunku, co obnia koszty jego skraplania celem
wprowadzenia z powrotem do zbiorników adunkowych,
- wysoka sprawno napdu COGES konkurencyjna w stosunku do napdu tokowymi silnikami
spalinowymi,
- niskie koszty oleju, przegldów, napraw i amortyzacji w stosunku do napdu tokowymi
silnikami spalinowymi,
104
Proposal of Propulsion for Liquefied Natural Gas Tanker (Lng Carrier) Supplying Lng Terminal In Poland
-
moduowa konstrukcja, atwo automatyzacji i elastyczno eksploatacyjna,
wysoka niezawodno, dugie okresy czasowe midzy przegldami,
uproszczenie instalacji obsugujcych napd statku,
rezygnacja ze zbiorników paliwowych na potrzeby napdu statku,
znacznie mniejsza, do 30% objto i ciar siowni statku w stosunku do innych rodzajów
napdu (Rys. 4),
znacznie mniejszy koszt ukadu napdowego, do 40% w stosunku do innych rodzajów napdu
w tym rezygnacja z zastosowania oddzielnych zespoów prdotwórczych.
Konfiguracj ukadu napdowego typu COGES dla omawianego statku przedstawiono na Rys. 2.
ródem energii do napdu gównego i zasilania sieci okrtowej jest centralna elektrownia
skadajca si z trzech prdnic prdu przemiennego 4 napdzanych dwiema turbinami gazowymi
1 i jedn turbin parow 2. Energia elektryczna poprzez gówn tablic rozdzielcz 8 zasila dwa
pdniki gondolowe 7 napdzajce statek oraz poprzez transformatory 9 odbiorniki wysokiego
napicia 10 i odbiorniki niskiego napicia 11. Regulacja prdkoci obrotowej silników elektrycznych
pdników gondolowych odbywa si przy pomocy przetworników czstotliwoci 6. Pdniki
gondolowe maj moliwo obrotu wokó osi pionowej, dziki czemu s jednoczenie bardzo
efektywnym aktywnym urzdzeniem sterowym (Rys. 3).
9
11
7
5
6
4
1
4
1
8
7
6
5
14
14
13
13
3
3
12
4
2
9
10
Linia elektryczna
Spaliny
Para
Woda zasilajca
Rys. 2 Schemat ukadu napdowego typu COGES:1-turbina gazowa, 2-turbina parowa, 3-kocio parowy, 4-prdnica,
5-silnik elektryczny, 6-przetwornik cztotliwoci, 7-pdnik gondolowy, 8-gówna tablica rozdzielcza, 9-transformator, 10-odbiorniki elektryczne wysokiego napicia, 11-odbiorniki elektryczne niskiegonapicia,
12-odbiorniki pary grzewczej, 13-dolot wody zasilajcej kocio, 14-odlot spalin
Fig. 2. Diagram of COGES propulsion system:1-gas turbine, 2-steam turbine, 3-steam boiler, 4-generator, 5- electric
motor, 6-frequency converter, 7-azipod propulsor, 8-main switchboard, 9-transformer, 10-highvoltage
receivers, 11-low voltage receivers, 12-steam receivers, 13-boiler feed water inlet, 14-exhaust gases outlet
Turbiny gazowe zasilane s gazem naturalnym LNG. Spaliny wylotowe z turbin gazowych
ogrzewaj koty parowe 3, które produkuj par do napdu turbiny parowej 2 i par grzewcz na
potrzeby statku 12. Ogrzewanie kotów parowych spalinami odlotowymi z turbin gazowych
i wykorzystanie turboparowego zespou prdotwórczego znaczco podnosi sprawno
energetyczn siowni statku. Nie przewiduje si zastosowania oddzielnych zespoów
prdotwórczych do zasilania sieci okrtowej, co równie podnosi sprawno energetyczn siowni,
poniewa energia elektryczna produkowana przez gówne zespoy prdotwórcze jest ta
sza.
Malej te nakady inwestycyjne i zmniejsza si objto siowni statku.
105
Z. Górski, R. Cwilewicz, . Konopacki, K. Kruk
3
3
1
1
2
2
Rys. 3. Pdniki gondolowe okrtowego napdu gównego firmy ABB:1-gondola silnika elektrycznego, 2-ruba
napdowa, 3-blok obrotowy
Fig. 3. ABB main ship propulsion azipod thrusters:1-electric motor pod, 2-propeller, 3-rotatable block
3. Obliczenie mocy, sprawnoci efektywnej i zu
ycia paliwa przez ukad napdowy
Moc efektywna dwóch silników elektrycznych napdu gównego [5]:
Ne = (1,14224 + 0,0000364788 * D) * v3 [kW],
(1)
gdzie:
D [ton] - nono statku DWT,
v [wzy] - prdko eksploatacyjna statku
przyjto: D = 125000 ton dla gstoci skroplonego gazu naturalnego 0,47-0,49 tony/m3
i adownoci 250000 m3 na podstawie bada
statystycznych populacji
zbiornikowców LNG wg metody opracowanej w Katedrze Siowni Okrtowych
Akademii Morskiej w Gdyni,
v = 19,5 wza
Ne = 42280 kW = 2 x 21140 kW.
Zapotrzebowanie mocy elektrycznej przez odbiorniki wysokiego i niskiego napicia podczas
ruchu statku w morzu [6]:
Nel = 1920 kW.
Sumaryczna moc turbin zespoów prdotwórczych systemu COGES:
N COGES
Ne
N
el [kW],
em ˜ fc ˜ G G
gdzie:
Ne = 42280 kW,
Nel = 1920 kW,
przyjto:
Kem = 0,97 - sprawno silników elektrycznych,
Kfc = 0,99 - sprawno przetworników czstotliwoci,
KG = 0,97 - sprawno prdnic
6NCOGES = 47250 kW
106
(2)
Proposal of Propulsion for Liquefied Natural Gas Tanker (Lng Carrier) Supplying Lng Terminal In Poland
Moc turbin systemu COGES:
Przyjmuje si rozkad mocy wg [5]: turbiny gazowe 75%, turbina parowa 25%, co odpowiada
nastpujcej konfiguracji:
- turbiny gazowe 2 x 17719 kW,
- turbina parowa 1 x 11812 kW.
Moc zespoów prdotwórczych systemu COGES pokrywa zapotrzebowanie energii równie
w pozostaych stanach eksploatacyjnych statku takich jak ruch manewrowy, postój na redzie,
rozadunek i praca instalacji do skraplania par adunku [6]. Przykadowo praca wszystkich
15 pomp adunkowych potrzebuje 9750 kW, instalacja skraplania par adunku przy pracy z pen
moc 6270 kW, a w przypadku uycia par adunku do napdu statku 315-1600 kW.
Sprawno efektywna ukadu napdowego typu COGES:
Wedug analiz przeprowadzonych w [5] przy przyjtym rozkadzie mocy turbin i dolnej
wartoci opaowej gazu naturalnego 52000 kJ/kg prognozuje si osignicie jednostkowego
zuycia paliwa gazowego 0,139 kg/kWh co odpowiada sprawnoci efektywnej 49,9%.
Zuycie paliwa przez ukad napdowy:
Dobowe zuycie paliwa gazowego przez ukad napdowy:
GdCOGES = 24 * NCOGES * gCOGES [kg/dob],
gdzie:
NCOGES = 47250 kW - z zalenoci,
gCOGES = 0,139 kg/kWh,
(3)
(2)
GdCOGES = 157626 kg/dob # 157,6 ton/dob,
Ilo adunku LNG odparowanego na dob wynosi okoo 0,15% czyli:
GodpLNG = 0,0015 * DLNG [ton/dob],
(4)
gdzie:
DLNG = 250000 m3 * 0,49 ton/m3 = 122500 ton - masa adunku LNG,
ULNG = 0,49 ton/m3
- gsto adunku,
GodpLNG = 183,8 ton/dob.
Ilo adunku odparowanego pokrywa zapotrzebowanie ukadu napdowego COGES na paliwo
w ruchu morskim. Reszta odparowanego adunku musi by skroplona w odpowiedniej instalacji.
Zapotrzebowanie paliwa na rejs okrny (port zaadunku-terminal winoujcie-port zaadunku):
Zakadajc najduszy rejs okrny na 38 dni, w tym 16 dni ruchu w morzu pod penym
zaadunkiem, 16 dni ruchu w morzu pod balastem i 6 dni operacji adunkowych wstpnie ocenia
si zapotrzebowanie paliwa LNG na okoo 5200 ton, co stanowi okoo 4,2% przewoonego
adunku. Nie przewiduje si specjalnych zbiorników paliwa LNG do napdu statku. Ukad
napdowy korzysta bdzie ze zbiorników adunkowych.
Naley przewidzie instalacj regazyfikacji adunku stanowicego paliwo podczas operacji
adunkowych i podróy powrotnej pod balastem. Instalacja bdzie musiaa regazyfikowa
okoo 2400 ton LNG przez 16 dni ruchu w morzu i 6 dni ruchu portowego maksimum okoo 130
ton na dob.
4. Wnioski
Niniejszy referat ma na celu podjcie szerokiej dyskusji na temat budowy zbiornikowców LNG
do zaopatrzenia terminalu gazowego w Polsce oraz rodzaju zastosowanego na nich napdu.
107
Z. Górski, R. Cwilewicz, . Konopacki, K. Kruk
Niewtpliwe zalety napdu okrtowego typu COGES napdzanego gazem ziemnym wymienione
w punkcie 2 skaniaj do zainteresowania tym rodzajem napdu ta
szego inwestycyjnie oraz
eksploatacyjnie a jednoczenie prostego w obsudze i stosujcego „ekologiczne paliwo”.
Dodatkowo rosnce ceny okrtowego paliwa pynnego, które wedug prognoz [2, 7]
w najbliszym czasie przekrocz ceny gazu naturalnego LNG wrcz zmuszaj do analiz nad
rodzajem napdu zbiornikowców LNG. Autorzy niniejszego referatu uwaaj za oczywist
konieczno budowy przez Polsk wasnej floty zaopatrujcej terminal gazowy w winoujciu.
b)
a)
10
10
3
3
6
2
11
1
5
9
4
8
Rys. 4. Porównanie wielkoci siowni zbiornikowca LNG z napdem tokowym silnikiem spalinowym
wolnoobrotowym (a) i napdem typu COGES (b) [5], 1-tokowy silnik spalinowy wolnoobrotowy, 2- spalinowy
zespó prdotwórczy, 3-kocio parowy, 4-ruba napdowa, 5-ster, 6-turbogazowy zespó prdotwórczy,
7-turboparowy zespó prdotwórczy, 8-skraplacz, 9-pdnik gondolowy, 10-wylot spalin, 11-dodatkowa
przestrze adunkowa
Fig.4. Comparison of machinery space of LNG carrier propelled by low speed diesel engine (a) and COGES system
(b) [5] 1-low speed diesel engine, 2- diesel generator unit, 3-steam boiler, 4-propeller, 5-rudder, 6-gas turbine
generator unit, 7,steam turbine generator unit, 8-condenser, 9-azipodpropulsor; 10-exhaust gases outlet,
11-additional cargo space
Literatura
[1] Cwilewicz, R., Okrtowe turbiny gazowe, Fundacja Rozwoju Akademii Morskiej w Gdyni,
Gdynia 2004.
[2] Federal Energy Regulatory Commission Raport, Natural Gas Markets, National Overview
2007.
[3] Gas Turbine World 2005 Performance Specifications.
[4] Giernalczyk, M., Górski, Z., Metoda okrelania zapotrzebowania energii do napdu statku,
energii elektrycznej i wydajnoci kotów dla nowoczesnych zbiornikowców do przewozu ropy
naftowej i jej produktów przy wykorzystaniu metod statystycznych, IV Miedzynarodowa
Konferencja Naukowo-Techniczna EXPLO-SHIP 2006, Zeszyty Naukowe Nr 10(82)
Akademii Morskiej w Szczecinie, Szczecin 2006.
[5] Górski, Z., Cwilewicz, R., Proposal of turbine propulsion for a new generation liquefied
natural gas carrier with a capacity of 250.000-300.000 cbm, 33rd International Scientific
[6] Congress on Powertrain and Transport Means, European KONES 2007, Warsaw Poland 9-12
September 2007.
[7] Konopacki, ., Kruk K., Analiza moliwoci zastosowania zintegrowanego napdu
turbinowego typu COGES do napdu gazowca LNG o adownoci 250000 m3, Praca
dyplomowa magisterska pod kierunkiem Zygmunta Górskiego, Katedra Siowni Okrtowych
Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia 2008.
[8] Poten & Partners, Materiay konferencji Flatter Flat Rates, 21.12.2007.
[9] Strona internetowa - Bunker World, Lloyd’s List Bunker.
[10] Strona internetowa - Natural Gas Weekly Update.
[11] Czasopisma: Gas Turbine World, Lloyd’s Ship Manager, Motor Ship, Shipping
World & Shipbuilder.
108