Ocena porównawcza silników dwupaliwowych o zapłonie samoczynnym w układach napędowych zbiornikowców LNG

Transkrypt

1 NAFTA-GAZ styczń 2012 RO LXVIII Andrzj Adamkiwicz, Czary Bhrndt Akadmia Morska w Szczcini Ocna porównawcza silników dwupaliwowych o zapłoni samoczynnym w układach napędowych zbiornikowców LNG Wprowadzni Wzrost zapotrzbowania gazu przwożongo drogą morską na przłomi XX i XXI wiku wymusił budowę zbiornikowców do przwozu gazów o wyjątkowo dużych pojmnościach, rzędu tys. m 3. onskwncją tgo dla statku stał się wzrost ilości parującgo gazu z zbiorników ładunkowych [2, 5]. Stosunkowo niska sprawność turbinowych napędów parowych do napędu zbiornikowców gazu LNG pirwszj gnracji oraz postęp tchnologiczny w okrętownictwi spowodowały powstani koncpcj budowę gazowców napędzanych silnikami o zapłoni samoczynnym, opalanymi różnymi paliwami żglugowymi: pozostałościowym (RM), oljm napędowym (MD) oraz LNG, przwożonym w charaktrz ładunku. Dzięki rozwojowi tchnologii rgazyfikacji wzrosło zapotrzbowani na silniki o zapłoni samoczynnym, któr mogłyby spalać nadwyżki gazu przy załadowanym statku oraz pracować na paliwi żglugowym (cikłym) podczas podróży, przy całkowitym braku gazu w zbiornikach ładunkowych. W tn sposób zwiększono znaczni sprawność układu napędowgo i rozwiązano problm odbioru par gazu z przstrzni ładunkowj [5]. Tym samym narodziła się koncpcja silników dwupaliwowych do napędu statków LNG. Względy konkurncji, jak równiż aspkty konomiczn, sprawiły, ż większość firm produkujących okrętow silniki spalinow podjęła produkcję silników przznaczonych do napędu główngo statków przystosowanych do zasilania zarówno cikłym paliwm żglugowym, jak i gazowym [25]. Zachowano w tn sposób stosunkowo wysoką sprawność układów napędowych z silnikami o zapłoni samoczynnym, równoczśni rozwiązując zadani odbioru oparów przwożongo gazu. Ocna poziomu tchnologiczngo współczsnych układów napędowych statków ch lmntów ralizowana jst różnymi mtodami: z równoczsnym wykorzystanim wartości wymiarowych i bzwymiarowych, wilkości właściwych (jdnostkowych) oraz wskaźników uniwrsalnych. Podstawowym sposobm doboru wskaźników i ustanowinia ich znacznia jst mtoda ksprcka, którj subiktywizm wynika z koniczności ogranicznia liczności wskaźników i wartościowania przypisywanych im wag. Subiktywizmu tgo ni posiada mtoda krytrialna, wykorzystująca wskaźniki bzwymiarow o znacznym stopniu uogólninia [10]. Stosowan współczśni wskaźniki do ocny fktywności układów nrgtycznych statków zdfiniowan zostały przz Międzynarodową Organizację Morską IMO, jak równiż przz narodow ośrodki naukowo-badawcz [1, 3, 4, 6, 12, 15, 16]. Możliwość stosowania w układach napędowych gazowców silników tłokowych o zapłoni samoczynnym, zasilanych różnymi paliwami, zainspirowała do zastosowania wskaźników fktywności jako narzędzia do porównania właściwości projktowych i jakości ksploatacji silników w głównych układach napędowych gazowców. 41

2 NAFTA-GAZ Wskaźniki fktywności silników okrętowych Podjmowan dcyzj projktow i ksploatacyjn muszą być właściwi umotywowan. Na tapi projktu ofrtowgo oraz podczas ksploatacji główngo układu napędowgo statku występuj potrzba analiz, porównywania ich rozwiązań oraz ocny jakości funkcjonowania w systmi utrzymania jdnostki. W tym clu stosowan są wskaźniki fktywności na tapi projktowania (DI Dsign Indicators) oraz wskaźniki fktywności ksploatacji, nazywan równiż kluczowymi wskaźnikami fktywności (PI y Prformanc Indicators), opisując wybran grupy informacji [3, 4]. W okrętownictwi mogą on dotyczyć np.: układu ruchowgo statku, układu nrgtyczngo i jgo poszczgólnych lmntów [3]. ażdy z nich charaktryzuj inną grupę cch związanych z wykonywanim okrślonych funkcji przz jdnostkę tylko pod pwnym względm. Wskaźniki projktow oraz fktywności utrzymania układu nrgtyczngo statku są klasyfikowan w ramach istnijących norm w trzy katgori: 1) konomiczn {Ei} dcydując w dominującym stopniu o wynikach finansowych statku, kosztach załogowych własnych i podwykonawców, kosztach części zaminnych, kosztach wykonywania obsług, kosztach środków utrzymania, a przd wszystkim o kosztach paliwa, olju smarowgo, amortyzacj innych kosztach matriałowych; 2) tchniczn {Tj}, np. informacj dotycząc wydajności, osiągów, nizawodności, sprawności, jakości: masowo-gabarytow (projktow jdnostkow masy i gabaryty) silników, mchanizmów, urządzń, instalacji oraz całych siłowni szczgólni przydatn na tapi projktowania ofrtowgo, ksploatacyjn taki jak: nizawodność pracy siłowni, przciążalność silników napędu główngo, zdolność wykonywania manwrów, rsursy międzyrmontow, nrgtyczn np.: sprawności, jdnostkow zużyci paliwa, moc i momnty obrotow dcydując o prędkości statku, a tym samym pośrdnio o jgo fktach konomicznych, nrgtyczno-kologiczn, zdtrminowan przz międzynarodow konwncj dopuszczalnymi poziomami misji związków toksycznych; 3) organizacyjn {Ok}, np.: struktura załóg, przyjęta stratgia ksploatacji w podsystmach ksploatacji, struktura maszyn i urządzń itd., gdz, j, k są licznikami cch w zbiorach rodzajów wskaźników. Poza wyminionymi trzma katgoriami kluczowych wskaźników występuj wil innych dotyczących: stopnia obciążnia silnika, trwałości, nizawodności, żywotności, podatności rmontowj, standaryzacji, rgonomiczności, dopuszczalnych poziomów drgań w siłowni, hałasu, mikroklimatu itp. Dla tak złożonych i różnorodnych układów tchnicznych, jakimi są siłowni okrętow, wskaźniki t muszą być ściśl zdfiniowan i jdnoznacznntrprtowan. W każdj z tych grup wydzilan są wskaźniki na poziomi ogólnym (armatorskim), pośrdnim (układ nrgtyczny statku) i szczgółowym (lmnty taki jak: silniki główn, pomocnicz, kotły główn i pomocnicz). W normach [19] umiszczono wskaźniki uznan przz omitt Tchniczny CEN/TC 319 Maintnanc za najistotnijsz i zasugrowano ich przypisani na poziomi dcyzyjnym. Ni oznacza to jdnak, ż na armatorów nstytucj ksploatując jdnostki pływając nakładan są jakikolwik ogranicznia. Wskaźniki fktywności są dfiniowan i stosowan na indywidualn zapotrzbowani informacyjn projktantów i armatorów. Wskaźniki masowo-gabarytow Układ nrgtyczny statku (zawsz zbyt duży gabarytowo i masowo z punktu widznia funkcji transportowych) rzutuj ujmni na nośność statku, a pośrdnio nawt na jgo prędkość i zasięg pływania. Wskaźniki odnoszon do całgo obiktu, np. do wyporności statku, umożliwiają porównani masy i objętości różnych układów napędowych, jak równiż różnych typów i wilkości statków, na poziomi ogólnym armatorskim [3, 4, 17]. Do okrślnia masowych i objętościowych wskaźników siłowni wygodn jst posługiwani się wilkościami względnymi, odnisionymi do mocy nominalnj silników napędu główngo statku P n. Spośród nich przydatnymi dla porównań i analizy, szczgólni na tapi wstępngo projktowania siłowni, są wskaźniki jj masy jdnostkowj (masa siłowni w odnisiniu do mocy napędu główngo) oraz wskaźniki jj objętości. Wskaźniki na poziomi szczgółowym dotycząc silnika główngo dfiniowan są następująco [3, 17]: masa jdnostkowa silnika: ms g s (1) Pn gdzi: m s masa silnika, P n moc nominalna silnika; 42 nr 1/2012

3 artykuły zajmowana przz silnik powirzchnia jdnostkowa: objętość jdnostkowa silnika: a s LmaxBmax (2) P n LmaxH maxbmax vs (3) P gdzi: L max, B max, H max odpowidnio maksymalna długość, szrokość, wysokość silnika bz pomocniczych podzspołów zawiszonych. Wskaźnik (1) moż być obliczany dla silników suchych lub silników z ciczami ksploatacyjnymi. Tradycyjni dla ocny fktywności przyjętych przy projktowaniu charaktrystyk gomtrycznych silników o zapłoni samoczynnym stosowany jst wskaźnik zwartości konstrukcji, stanowiący stosunk roboczj objętości silnika do jgo gabarytów, dfiniowany zalżnością [6, 17]: max n 2 D S i (4) 4 L B H gdzi: D i S odpowidnio śrdnica cylindra i skok tłoka, i liczba cylindrów. Wskaźniki nrgtyczn Uniwrsalną miarą bzwymiarową, a równoczśni mirnikim strat zachodzących w układzi nrgtycznym bądź w poszczgólnych silnikach, uwzględniającą jdnoczśnnformacj na tmat wartości opałowj paliwa, charaktryzującą jgo właściwości fizyczn i chmiczn, jst sprawność fktywna silnika η dfiniowana zalżnością: fu max max 3600 (5) W b gdzi: W fu wartość opałowa dolna paliwa [kj/kg], b jdnostkow zużyci paliwa [kg/kwh], B h godzinow zużyci paliwa [kg/h], P moc fktywna silnika [kw]. B h b (6) P W zalżności od zakrsu, charaktru, potrzb i fizyki wyodrębnianych strat sprawność moż być rozpatrywana jako fktywna, użytczna, wwnętrzna, wolumtryczna, mchaniczna, ogólna itp. [3, 17]. Poziom rozwoju tchnologiczngo silnika okrśla ni tylko jgo konomiczność, al takż wilkości odzwircidlając misję toksycznych składników w spalinach wylotowych. Oprócz paliwa, źródłm substancji szkodliwych w spalinach jst olj silnikowy. Jgo prost frakcj są zazwyczaj całkowici utlnian w komorach spalania do CO 2 i pary wodnj. Wilocząstczkow węglowodory ciężkich frakcji ropy naftowj w warunkach wysokich tmpratur w komorz spalania są narażon na pirolizy z tworznim stałych cząstk pyłu węglowgo, w którym są adsorbowan rakotwórcz wilopirściniow węglowodory aromatyczn. Cząstki stał są najważnijszym szkodliwym produktm spalania olju w silniku. Sam dodatki stosowan w oljach silnikowych (antyoksydacyjny, myjący, dysprgujący, przciwkorozyjny, wilofunkcyjn itp.), których ilość moż osiągać 25 30%, mogą być substancjami toksycznymi. W związku z tym, zużyci olju w silniku jst ważn ni tylko z punktu widznia konomiczności, al równiż z powodu jgo wpływu na toksyczność spalin. Dlatgo do ocny fktywności nrgtycznj silników o zapłoni samoczynnym jst stosowana bardzij dokładna śrdnia sprawność fktywna η fu, uwzględniająca sumaryczny fkt ciplny spalania paliwa i olju silnikowgo dfiniowana zalżnością [6]: 3600 fu (7) W b W b fu gdzi: W wartość opałowa dolna olju, b jdnostkow zużyci olju silnikowgo (produkty nipłngo spalania). Z względu na niską kaloryczność, niwilki zużyci olju ni moż zasadniczo wpłynąć na wartość wskaźnika opłacalności. Jdnakż skumulowany wpływ szrgu drobnych czynników moż zasadniczo zminić ocnę poziomu tchnologiczngo i jakości silnika spalinowgo obliczongo wyłączni na podstawi ograniczongo zbioru wskaźników. Sprawność jst wskaźnikim nrgtycznym, a równoczśni ksploatacyjnym i konomicznym, poniważ stopiń wykorzystania nrgii świadczy o własnościach ksploatacyjnych maszyny, a pośrdnio o stopniu jj dgradacji ksploatacyjnj w stosunku do stanu projktowgo na początku ksploatacji, jak równiż o kosztach jj ksploatacji. nr 1/

4 NAFTA-GAZ Ekonomiczna fktywność utrzymania silnika (poziom szczgółowy) w układzi nrgtycznym statku (poziom pośrdni) w znacznym stopniu zalży od poziomu tchnologiczngo i jakości całgo układu ruchowgo statku (poziom ogólny armatorski). Na poziomi szczgółowym o konomicznj fktywności utrzymania silników o zapłoni samoczynnym dcydują zasadniczo koszty wynikając z ich pracy, stanowiąc do 50% udziału kosztów całkowitych. Są to przd wszystkim koszty spalango paliwa i olju silnikowgo. Tak więc przkształcniu nrgii chmicznj paliwa w pracę fktywną, a takż zużyciu olju w cylindrach w wyniku jgo spalania towarzyszy niuniknion powstawani produktów spalania paliwa węglowodorowgo, w znacznj mirz szkodliwych i toksycznych, co łączy t wskaźniki z innymi wskaźnikami tchnicznymi, między innymi kologicznymi. Wskaźniki nrgtyczno-kologiczn Do ocny jakości współczsnych silników spalinowych nalży zaliczyć paramtry odzwircidlając misję toksycznych składników spalin. Spaliny stanowią htrogniczną miszaninę substancji o różnych właściwościach fizycznych i chmicznych, klasyfikowanych w sidmiu grupach [10, 11]: azotu, tlnu, dwutlnku węgla, pary wodnj, wodoru, tlnku węgla, tlnków azotu, tlnków siarki, węglowodorów (przd wszystkim wilopirściniowych węglowodorów aromatycznych, np. bnzopirn), aldhydów, pyłu węglowgo i cząstk stałych adsorbujących substancj rakotwórcz. Z wyjątkim pirwszj grupy substancji, pozostał są toksyczn i mają ngatywny wpływ na zdrowi człowika i środowisko. Dwutlnk węgla, mimo iż znajduj się w pirwszj grupi, powoduj występowani tzw. fktu ciplarniango i zmiany klimatu na Zimi. Emisję szkodliwych składników spalin charaktryzuj: skład misji gazów C i [%], prędkość misji E i [kg/h], misja jdnostkowa i [kg/kwh], misja szkodliwgo składnika na 1 kg paliwa ε i [kg/kg pal ]. Emisja szkodliwych składników spalin, przd wszystkim substancji stałych, powinna być odnisiona do sumaryczngo zużycia paliwa i olju. W tablicy 1 zamiszczono szacunkow wartości misji szkodliwych składników spalin z silników o zapłoni samoczynnym na jdnostkę spalango paliwa [kg/kg pal ], [11, 13]. Przpisy o zapobiganiu zaniczyszczania powitrza przz statki sformułowano w Załączniku VI do onwncji MARPOL 73/78 Nr /1007. Przwiduj on kontrolę substancji niszczących warstwę ozonową. Zalicza się do nich: halony, frony, tlnki siarki (SO X ), tlnki azotu (NO X ), lotn związki organiczn (VOC S ) oraz podaj śrdni ważon dopuszczalnych wartoścnnych produktów spalania paliw na statku. Załącznik okrśla limity tlnków siarki i azotu mitowanych z statkowych instalacji wylotu spalin i zakazuj umyślnj misji szkodliwych substancji niszczących warstwę ozonową, znajdujących się w instalacjach przciwpożarowych oraz chłodniczych na statkach [12, 15]. W pracy [6] zaproponowano wskaźnik toksyczności stanowiący stosunk jdnostkowgo zużycia paliwa do sumy zużycia paliwa i dwóch toksycznych składników spalin w postaci: b 1 (8) b NOx CO Jdnakż ni objmuj on szrgu innych znormalizowanych składowych, jst mało wrażliwy na zmiany misji toksycznych składników spalin, a poza tym ni jst bzwymiarowy. Otrzymani wskaźnika bzwymiarowgo wymaga tradycyjnj mtody różnicowj [10]. Przy stosowaniu tj mtody, wartości poszczgólnych wskaźników (w tym przypadku fktywności nrgtyczno-kologicznj) są konfrontowan z graniczni dopuszczalną wartością znormalizowanych składników toksycznych: lim ni 2 (9) i r gdzi: lim i graniczna wartość śrdnij ważonj misji jdnostkowj i-tgo składnika spalin, r śrdnia ważona rzczywista misja jdnostkowa i i-tgo składnika spalin, i 44 nr 1/2012 Tablica 1. Szacunkow wartości jdnostkowych misji szkodliwych składników spalin silników o zapłoni samoczynnym na jdnostkę spalango paliwa [11] Emisja jdnostkowa składnika spalin wylotowych Tlnk azotu NOx Dwutlnk węgla CO Węglowodory CH CH Tlnki siarki SOx Cząstki stał PM е РМ kg/kg paliwa ~ 0,05 ~ 0,027 ~ 0,005 ~ 0,005 ~ 0,007

5 artykuły n liczba toksycznych składników uwzględnianych w analizi. Jdnak i tn wskaźnik ni moż być uznany za zadowalający, chociażby w przypadku dwukrotnj rdukcji misji tlnków azotu. Jst to całkowici raln przy optymalnj rgulacji, przy mulsjach wodno-paliwowych oraz rcyrkulacji spalin. Wówczas wskaźnik poziomu tchnologiczngo i ocny kologiczności pracy silnika równiż wzrośni praktyczni dwukrotni, co będzi wskaźnikim zawyżonym. Poniważ misja składników toksycznych w spalinach jst wynikim spalania paliwa i olju, wskaźnik nrgtyczno-kologicznj doskonałości silnika moż być dfiniowany jako bzwymiarowy stosunk jdnostkowych śrdnich ważonych misji składników toksycznych spalin do odpowidnigo jdnostkowgo zużycia paliwa i olju: n r (10) b b Uwzględniając rozważania związan z dfiniowanim zalżności (8), (9), (10) do szacowania poziomu tchnologiczngo i jakości silników okrętowych, proponuj się wskaźnik ich fktywności kologicznj jako różnicę jdnośc stosunków jdnostkowych poziomów misji toksycznych składników spalin, z uwzględninim współczynników wagowych do sumy zużycia paliwa i olju zużytgo na wytworzni mocy fktywnj: n r lim w ( ) 3 1 (11) b w b gdzi: w i współczynniki wagow składników spalin, w współczynnik wagowy, uwzględniający zwiększni udziału olju smarowgo w gnrowaniu składników toksycznych w porównaniu z paliwowym. Współczynniki wagow składników spalin mogą być przyjęt jako stosunk graniczngo stężnia dango składnika do graniczngo stężnia tlnku azotu. Do okrślnia wartości współczynnika wagowgo w nizbędn jst przprowadzni zróżnicowanych badań wpływu składu chmiczngo olju silnikowgo na misję poszczgólnych r lim składników spalin. Różnica ( i i ) w liczniku wyrażnia (11) wykazuj o il rzczywista misja toksyczngo składnika różni się od wartości dopuszczalnych. W przypadku gdy wartości są taki sam, a stan tchniczny silnika całkowici odpowiada obowiązującym wymaganiom, wskaźnik kologiczny będzi równy jdn. Jśli misj będą mnijsz niż wartości znormalizowan, wskaźnik będzi większy od jdności, a w przciwnym wypadku będzi mnijszy. Przy tym, zmnijszni godzinowgo zużycia paliwa gnralni zmnijszy ilość produktów ich utlninia, a tym samym zmnijszy się misja toksycznych składników spalin. Bzwymiarowy wskaźnik charaktryzujący konomiczność zużycia paliwa i olju, z uwzględninim wpływu toksyczności spalin na poziom nrgtyczno-kologiczny okrętowgo silnika o zapłoni samoczynnym, ocniany jst za pomocą zalżności [6]: fu 3 (12) a po podstawiniu zalżności (7) i (11) do (12) w postaci ostatcznj: n r lim 3600 w ( ) 1 (13) W fu b W b b w b gdzi: z współczynnik wagowy, uwzględniający zróżnicowany wpływ konomiczności paliwowj i misji toksycznych składników spalin na uniwrsalny wskaźnik fktywności nrgtyczno-kologicznj. Rozpoznani stopnia wpływu konomiczności paliwowj i wskaźników kologicznych na poziom rozwoju tchniczngo silników jst trudn, a ich wpływ nijdnoznaczny. Współczśni stosowan są dwa rodzaj rgulacji ocny fktywności pracy silnika: pirwszy wdług krytrium minimalngo zużycia paliwa, drugi wdług krytrium minimalnj misji związków toksycznych w spalinach. Oblicznia uniwrsalngo wskaźnika fktywności nrgtyczno-kologicznj [6] wykonan dla modlu 3512B silnika firmy Catrpillar na podstawi danych pracy [8] wykazały, iż dla każdgo obciążnia silnika spalinowgo, przy śrdnim fktywnym ciśniniu spalania, fktywn jdnostkow zużyci paliwa, przy minimalnym poziomi misji tlnków azotu, jst 1,03 razy większ niż przy minimalnym zużyciu paliwa. Natomiast stosunk sprawności fktywnj obliczanj z uwzględninim całkowitgo fktu ciplngo, z względu na spalani paliwa i olju na wszystkich zakrsach pracy, wynosi 0,97 [13]. W artykul, do porównania własności silnika dwupaliwowgo z jdnopaliwowym, rozpatrzono wskaźniki: masowo-gabarytow na tapi projktowania, nrgtyczn oraz nrgtyczno-kologiczn. Do gzmplifikacji cch analizowanych silników posłużono się wynikami obliczń wykonanych w oparciu o dostępn dan tchniczn dotycząc wybranych silników [7, 14, 20, 21, 22, 23, 24]. z nr 1/

6 NAFTA-GAZ i dwupaliwow współczsnych gazowców i dwupaliwow DF mogą być zasilan paliwm dstylacyjnym (MDO), pozostałościowym (HFO) oraz gazm zimnym, a zmiana paliwa z dstylacyjngo na pozostałościow i na odwrót przpływa płynni podczas pracy silnika. Aby silnik mógł spalać paliwo gazow, będąc jdnoczśni silnikim o zapłoni samoczynnym, zapłon miszanki gazowj inicjuj mała dawka pilotowa paliwa cikłgo MDO bądź HFO, wtryskiwana do komory spalania. moż pracować, będąc zasilany z dodatkim gazu bądź tylko i wyłączni paliwm płynnym. Wtrysk gazu oraz paliwa jst w płni strowany przz układ strowania silnikim (ECS), zapwniając maksymalną moc oraz niską misję NO x [9]. Dla potrzb pracy rozpatrzono własności silników dwupaliwowych dwóch wytwórców silników, firm: Wärtsilä, ofrującj dwupaliwow śrdnio obrotow silniki spalinow o zakrsach mocy od 2500 do kw, oraz MAN Disl. Firma Wärtsilä wprowadziła na rynk dwa typy cztrosuwowych wilopaliwowych silników o zapłoni samoczynnym, przznaczonych do pracy w układach nrgtycznych jdnostk pływających, w szczgólności zbiornikowców LNG. Mnijszy z rodziny silnik typu 34DF, występujący w konfiguracjach 6L, 18V i 24V, moż być stosowany jako napęd główny oraz jako silnik pomocniczy na mnijszych jdnostkach. Większy to 50DF w konfiguracji 18V i o mocy do kw. W tablicy 2 przdstawiono silniki dwupaliwow firmy Wärtsilä, przznaczon do napędu główngo zbiornikowców LNG [9, 23]. Oprócz przdstawionych powyżj silników firma Wärtsilä posiada w swojj ofrci silniki z rodziny 20DF, któr występują w konfiguracjach: 6L, 8L oraz 9L. Jdnak z względu na mnijsz moc są on stosowan jdyni w zspołach prądotwórczych. Firma MAN Disl ofruj wolnoobrotow dwusuwow silniki dwupaliwow typu ME-GI z tchnologią wtrysku gazu przy pomocy wilostopniowj sprężarki (30,0 MPa) lub za pomocą wysokociśniniowj pompy LNG (25,0 MPa) i parownika gazu o mocach tych silników kw [7]. W tablicy 3 przdstawiono silniki dwupaliwow firmy MAN Disl przznaczon do napędu główngo zbiornikowców LNG [24]. Praktyczn zastosowani do napędów okrętowych znalazły śrdnio obrotow silniki cztrosuwow. W silnikach dwusuwowych podczas wymiany ładunku w komorz spalania przy przpłukaniu wzdłużnym tracona jst część miszanki powitrzno-gazowj, co zwiększa straty i tym samym koszty ich ksploatacji. Tablica 2. i dwupaliwow napędu główngo zbiornikowców LNG firmy Wärtsilä [9, 23] Modl silnika Prędkość obrotowa [obr/min] Śrdni ciśnini fktywn [MPa] Moc [kw] W 6L34DF 750 2, W 9L34DF 750 2, W 12V34DF 750 2, W 16V34DF 750 2, W 6L50DF 514 2, W 8L50DF 514 2, W 9L50DF 514 2, W 12V50DF 514 2, W 16V50DF 514 2, W 18V50DF 514 2, Tablica 3. i dwupaliwow firmy MAN Disl napędu główngo zbiornikowców LNG [24] Modl silnika Prędkość obrotowa [obr/min] Śrdni ciśnini fktywn [MPa] Moc [kw] 6L51/60DF 500 1, L51/60DF 500 1, L51/60DF 500 1, L51/60DF 500 1, V51/60DF 500 1, V51/60DF 500 1, V51/60DF 500 1, V51/60DF 500 1, Wybór silników do analizy porównawczj Wybór silników do badań porównawczych przprowadzono pod kątm zapwninia porównywalności wyników badań. Wybrano trzy silniki o zapłoni samoczynnym, o możliwi najbliższych paramtrach tchniczno-konstrukcyjnych. W charaktrz modlowgo silnika dwupaliwowgo przyjęto jdn z najczęścij stosowanych silników, rprzntatywny dla napędu główngo zbiornikowców do przwozu LNG, silnik firmy Wärtsilä, modl 9L50DF. Jst to silnik cztrosuwowy, ninawrotny, turbodołado- 46 nr 1/2012

7 artykuły wany, z bzpośrdnim wtryskim paliwa płynngo oraz wtryskim pośrdnim paliwa gazowgo. Właściwości tgo silnika porównano z silnikami jdnopaliwowymi dwóch producntów: Wärtsilä 9L46 i MAN Disl 9L48/60B. Obydwa silniki są cztrosuwow, ninawrotn, z chło- dznim międzystopniowym, turbodoładowan z bzpośrdnim wtryskim paliwa. W tablicy 4 przdstawiono podstawow dan tchniczn silników, uznan jako krytrialn dla zapwninia porównywalności wyników [20, 21, 22]. Tablica 4. Dan tchniczn silników wybranych do analizy Paramtr Oznaczni Jdnostka dwupaliwowy 9L50DF jdnopaliwowy Wärtsilä 9L46 jdnopaliwowy MAN B&W 9L48/60B Moc z cylindra P 1 [kw] 950/ Śrdni ciśnini fktywn p [MPa] 2,0 2,43 2,58/2,65 Śrdnica cylindra D [mm] Skok tłoka S [mm] 0,443 0,481 0,476 Prędkość obrotowa n [obr/min] 500/ / /500 Śrdnia prędkość tłoka v s [m/s] 9,7/9,9 9,7/9,9 b.d. Moc fktywna P [kw] Analiza wyników obliczń wskaźników fktywności Egzmplifikację wartości wybranych wskaźników masowo-gabarytowych, nrgtycznych oraz nrgtyczno-kologicznych przprowadzono wyłączni w oparciu o wiarygodn i kompltn dan litraturow, szczgólni dla wskaźników nrgtyczno-kologicznych [20, 21, 22]. W tablicy 5 przdstawiono wartości obliczonych wskaźników. Otrzyman wartości bzwzględn wskaźników wykazują, ż silniki dwupaliwow w porównaniu z jdnopaliwowymi mają następując paramtry: większą masę jdnostkową wdług wzoru (1), zajmują większą powirzchnię i więcj przstrzni wdług wzorów (2) i (3), są mnij zwart (4), co wiąż się z bardzij rozbudowaną strukturą instalacji obsługujących silniki dwupaliwow w samym przdzial maszynowym, są mnij sprawn wzory (5) i (7). Odróżniają się on natomiast od silników jdnopaliwowych lpszymi własnościami kologicznymi wdług wzoru (8). W tablicy 6 zamiszczono wartości wskaźników silników jdnopaliwowych odnision do wartości wskaźników silnika dwupaliwowgo. Tablica 5. Zstawini obliczonych wartości wskaźników fktywności Wskaźnik Oznaczni Wzór Jdnostka dwupaliwowy 9L50DF jdnopaliwowy Wärtsilä 9L46 jdnopaliwowy MAN B&W 9L48/60B Masa jdnostkowa g s 1 [kg/kw] 21,64 15,157 14,106 Zajmowana powirzchnia jdnostkowa a s 2 [m 2 /kw] 4, , , Objętość jdnostkowa v s 3 [m 3 /kw] 0,0243 0,0203 0,0197 Wskaźnik zwartości konstrukcji d 4 [ ] 4, , , Sprawność fktywna (paliwo cikł) η 5 [ ] 0,443 0,481 0,476 Sprawność fktywna (paliwo gazow) η gas 5 [ ] 0,442 Sprawność fktywna (plus straty oljow) η fu burn 7 [ ] 0,442 0,48 0,474 Enrgtyczno-kologiczny wskaźnik toksyczności 1 8 [ ] 0,003 0,04 0,04 nr 1/

8 NAFTA-GAZ Tablica 6. Wartośclorazów wskaźników silników jdnopaliwowych odnisionych do wartości wskaźników silnika dwupaliwowgo 9L50DF Wskaźnik odnisiony 9L46/9L50DF 9L48/60B/9L50DF Masa jdnostkowa 0,7004 0,6518 Zajmowana powirzchnia jdnostkowa 0,9031 0,8250 Objętość jdnostkowa 0,8354 0,8107 Wskaźnik zwartości konstrukcji 0,9865 0,9726 Sprawność fktywna 1,0858 1,0745 Enrgtyczno-kologiczny wskaźnik toksyczności spalin 13,33 13,33 Podsumowani Rozwój układów napędowych gazowców zmirza w kirunku stosowania silników tłokowych, zmnijszając tym samym udział napędów turbinowych. Dlatgo tż istnij potrzba zasilania silników o zapłoni samoczynnym różnymi rodzajami paliwa. Modyfikacja dotychczas stosowanych jdnostk napędowych do zasilania paliwm gazowym wymaga tak dużych zmian w konstrukcjach silników oraz ich systmów pomocniczych, iż producnci ni ofrują tgo rodzaju postępowania. Fakt tn uzasadnia potrzbę stworznia aparatu matmatyczngo umożliwiającgo wartościującą ocnę własności silników tłokowych w układach napędowych gazowców. Miarą taką mogą być wskaźniki fktywności, dobiran, dfiniowan i stosowan w każdym przypadku spcjalni na indywidualn zapotrzbowannformacyjn w zalżności od: wykonywanj funkcji przz jdnostkę, tapu życia statku (projktowania, budowy, ksploatacji utrzymania, modrnizacji naprawy głównj), poziomu nisionj informacji: (ogólngo armatorskigo), pośrdnigo (układ nrgtyczny statku) i szczgółowgo (silniki, kotły, pompy). Spośród możliwych katgorii wskaźników fktywności rozpatrzono rprzntatywn dla katgorii wskaźniki tchniczn dla potrzb projktowania wstępngo i doboru silników w układach napędowych. Postępowani taki podyktował cl pracy i ograniczona dostępność informacji do oszacowania wartości wskaźników. Zdfiniowan w artykul wskaźniki ujawniły zakrs zapotrzbowanj informacji szczgółowj, ni zawsz dostępnj w sposób bzpośrdni, dzięki czmu wskazały kirunki dalszych badań w zakrsi rozpatrywango zagadninia. Porównani sprawności nrgtycznych silników jdnopaliwowych z dwupaliwowymi wskazuj na niższą sprawność silników dwupaliwowych. Wniosk tn wymaga dalszj analizy od strony fizyki procsu spalania. Wartości nrgtyczno-kologiczngo wskaźnika toksyczności spalin wskazują, iż silniki dwupaliwow są bardzo przyjazn dla środowiska, co daj im znaczącą przwagę nad silnikami jdnopaliwowymi. Zużyci paliwa i olju silnikowgo oraz misja szkodliwych substancji w spalinach, zalżąc od jakości procsu spalania stosowanych rodzajów paliw oraz oljów smarowych, moż być oszacowan przz jdn uniwrsalny, bzwymiarowy wskaźnik fktywności charaktryzujący konomiczność zużycia paliwa i olju, z uwzględninim wpływu toksyczności spalin wzór (13). Jdnak zalżność pomiędzy konomicznością paliwową i misją związków toksycznych w spalinach jst nizwykl złożona i wymagać będzi szczgółowych badań. Litratura [1] 6 Intrnational Rgulation Nws Updat, Marin Environmnt Protction Committ s. 57 th Sssion ( ). ABS, równiż: and Evnts/Rgulatory Information. [2] Adamkiwicz A., Bhrndt C.: Ocna fktywności turboparowgo układu nrgtyczngo gazowca LNG. Rynk Enrgii 2010, nr 3 (88), s [3] Adamkiwicz A., Burnos A.: luczow wskaźniki fktywności w utrzymaniu silników spalinowych w układach nrgtycznych jdnostk pływających. VII Sympozjum Naukowo-Tchniczn SILWOJ Wojskowa Akadmia Tchniczna Warszawa. Akadmia Marynarki Wojnnj Gdynia. Czrnica [4] Adamkiwicz A., Burnos A.: Th maintnanc of th ship turbins with th application of th ky prformanc indicators. Journal of POLISH CIMAC Diagnosis, rliability and safty, vol. 5, No. 2, Gdańsk [5] Bhrndt C., Adamkiwicz A.: Układy napędow statków do przwozu gazu LNG. Rynk Enrgii 2010, nr 3 (88), s nr 1/2012

9 artykuły [6] Biziukov O..: ritrii dla ocnki naućno-tchnićskovo yrovnia sudovych gizilj. Trudy miżdunarodnogo nayćnogo-tchnićskogo sminara Isslvovanijn projktivowan u kspłuatacja sudovych DVS. Zbiór prac Parkom 2006, s [7] Guid for propulsion systm for LNG carrirs. Amrican Burau of Shipping ABS. Houston [8] onks G.A.: Mirowoj sudovoj dizlstron. oncpcji konstruirowania, analiz miżdunarodnogo opyta. Maszynostroni. Moskva 2005, s [9] ubiak J., Romanowski Cz.: Polski zbiornikowc LNG. Misięcznik Nasz Morz 3/2006. [10] uznicov A.G.: Analiz kritriv konomicnost toksyczności raboty transportnych dvigatilj. Dvigatilostroni 1996, nr 2, s [11] Likhanov V.A.: Toxicity dcras and improvmnt of oprational indxs of tractor disl ngins by mans of mthanol us. Vjatskayza GSHA. irov 2001, s [12] Marin Environmnt Protction Committ. 58 th sssion. Agnda itm 5. Draft amndmnts to MARPOL Annx VI. Draft amndmnts to th NO x Tchnical Cod MEPC 58/5, 4 July [13] Mljnik G.V.: Control of missions of ngins of off-road application: th point of viw of ngin manufacturrs. Engins manufacturing 2008, nr 2, s [14] Nippon..: Guidlins for Dual Ful Disl Engins. ClassN [15] Rport of th Marin Environmnt Protction Committ On Its Fifty-Ninth Sssion. Intrnational Maritim Organization. Marin Environmnt Protction Committ 59 th sssion. Agnda itm 24. MEPC 59/24/Add.1, 28 July [16] Rport of th Marin Environmnt Protction Committ. Intrnational Maritim Organization. Marin Environmnt Protction Committ 57 th sssion. MEPC 57/21/Add.1, 11 April [17] Wojnowski W.: Okrętow siłowni spalinow. Cz. I. AMW. Gdynia [18] Woodyard D.: Poundrs Marin Disl Engins and Gas Turbins. Elsvir Ltd. Burlington. MA 01803, Ninth dition Normy, źródła firmow ntrntow [19] PN-EN [20] Wärtsilä 50DF Product Guid-2/2012, Vaasa, Jun 2010 [21] Wärtsilä 46 Product Guid-3/2007, Vaasa, March 2007 [22] MAN B&W Marin Engin IMO Tir II, Programm 2 nd dition 2011 [23] [24] [25] Prof. nadzw. dr hab. inż. Andrzj Adamkiwicz pracownik Akadmii Morskij w Szczcini; kirownik atdry Diagnostyk Rmontów Maszyn. Członk Rady Tchnicznj Polskigo Rjstru Statków przwodniczący Zspołu Jdnostk Spcjalnych, przwodniczący omisji Eksploatacji Obiktów Ocanotchnicznych i Portów Morskich Polskigo Naukowo-Tchniczngo Towarzystwa Eksploatacyjngo w Szczcini. Prof. nadzw. dr hab. inż. Czary Bhrndt dzikan Wydziału Mchaniczngo Akadmii Morskij w Szczcini. Rprzntowan spcjalności: kotły i turbiny okrętow. Przwodniczący Zachodniopomorskigo Zspołu Środowiskowgo Skcji Podstaw Eksploatacji BM PAN oraz m.in. członk Zspołu Tchniki Morskij Skcji Tchnicznych Środków Transportu omittu Transportu PAN. nr 1/