ZESZYTY NAUKOWE NR 1(73) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE. Perspektywy wykorzystania gazu ziemnego w silnikach okrętowych

Transkrypt

1 ISSN ZESZYTY NAUKOWE NR 1(73) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE EXPLO-SHIP 2004 Stefan Żmudzki Perspektywy wykorzystania gazu ziemnego w silnikach okrętowych Słowa kluczowe: gaz ziemny, spalanie, silnik okrętowy Zaprezentowano własności gazu ziemnego jako potencjalnego paliwa do zasilania silników spalinowych, w szczególności w napędach statków. Scharakteryzowano wymagania stawiane instalacji zasilającej paliwa gazowego. Omówiono właściwości tworzenia i spalania mieszaniny powietrze gaz ziemny, zwracając uwagę na warunki prowadzące do spalania stukowego. Opierając się na wybranych wskaźnikach pracy współczesnych silników zasilanych gazem ziemnym, zaproponowano wykorzystanie silników dwupaliwowych oraz instalacji ciekłego gazu ziemnego, sprężonego do bardzo wysokiego ciśnienia z wtryskiem do komory spalania. Prospects for Natural Gas Application in Marine Engines Key words: natural gas, combustion, marine engine The properties of natural gas as potential fuel for combustion engines, particularly those used for ship propulsion have been presented. The requirements for gas system, as well as gas air mixture formation and combustion, including knocking, have been described. Taking into account the main gas engine variables, the dual fuel engine has been proposed for installation, as well as high pressure liquid natural gas system and gas injection into the engine combustion chamber. 517

2 Stefan Żmudzki Wprowadzenie Rosnące wydobycie gazu ziemnego w świecie oraz rozszerzająca się jego dostępność w różnych miejscach na ziemi (dzięki ciągle rozwijającej się sieci rurociągów), skłaniają do ponownego od czasów E. Lenoir'a w 1860 r., zwrócenia uwagi na zastosowanie tego paliwa w zasilaniu silników spalinowych, w różnych środkach transportu morskiego. W silnikach okrętowych, należących do silników o zapłonie samoczynnym, utrzymane zostają zalety tego rozwiązania, tj. głównie wysoka sprawność ogólna z włączeniem dalszych, które obejmują: obniżoną emisję składników toksycznych spalin (zwłaszcza tlenków azotu i cząstek stałych), znaczące ograniczenie korozji siarkowej i obniżenie obciążeń cieplnych elementów konstrukcyjnych silnika. Bardzo dużą rolę odgrywa również niski koszt jednostkowy paliwa gazowego, który choć skompensowany przez zwiększone koszty eksploatacyjne, zwłaszcza przy stosowaniu metod przechowywania ciekłego gazu ziemnego (w temperaturze 165 C), odgrywa pozytywną rolę w całkowitym bilansie przedsięwzięcia transportowego. 1. Własności gazu ziemnego i jego mieszaniny z powietrzem Gaz ziemny jest mieszaniną węglowodorów, których udziały objętościowe zależą od miejsca pochodzenia, co przedstawiono w tabeli 1. Głównym składnikiem gazu ziemnego jest metan CH 4, jego maksymalny udział molowy dochodzi do 98%. Gaz ziemny wprowadzony do powietrza tworzy z nim bardzo łatwo jednorodną mieszaninę palną (w skali mikro i makro). Mieszanina ta charakteryzuje się korzystnymi dla silników spalinowych własnościami, do których należą: wartość opałowa do ok. 40 MJ/m 3, liczba oktanowa ~110 (RON). Z innych cech tej mieszaniny można wymienić: przedział palności obejmujący zakres od 4,5% do 17% ilości objętościowej gazu w powietrzu, co odpowiada współczynnikowi nadmiaru powietrza od 0,6 do 1,85, temperatura zapłonu od 560 do 800 C, szybkość spalania normalnego w mieszaninie stechiometrycznej do 0,38 m/s i gęstość w warunkach otoczenia 0,655 kg/m 3. Dobrze oczyszczony gaz ziemny praktycznie nie zawiera siarki oraz jej związków, a jego mieszanina z powietrzem spala się z pozostawieniem śladowej ilości cząstek stałych PM w spalinach. Dzięki mniejszemu udziałowi węgla w gazie ziemnym, w produktach spalania znajduje się około 25% CO 2 mniej, w porównaniu do spalin pochodzących ze spalania ciekłych paliw węglowodorowych. 518

3 Perspektywy wykorzystania gazu ziemnego w silnikach okrętowych Skład chemiczny gazu ziemnego w zależności od pochodzenia [4] Chemical composition of natural gas by its origin Tabela 1 Złoże Skład [% v/v] 1) Wartość opałowa CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 N2 H2S [MJ/m 3 ] Kanada, Alberta ,0 Venezuela 88,5 2,9 4,6 0,3 39,1 Włochy, Po Valley 98 1,0 38,0 USA ,0 1 1,4 39,1 Morze Północne (średnio) 90,5 3,9 0,9 0,3 0,2 3,9 37,4 Iran 73 21,5 5,5 Rosja ,0 1,0 39,8 Holandia 81,3 2,9 0,4 0,2 14,3 32,6 Algieria 83,8 7,1 2,1 0,9 0,4 5,5 39,1 Libia 64,5 21,0 8,4 4,2 1,9 Australia, Bass Straits 93,0 2,0 1,0 3,0 36,8 1) v/v oznacza udział objętościowy. W przypadku silników napędzających różne środki transportu, niekorzystny jest dla nich wskaźnik gęstości tego paliwa. Aktualnie można go poprawić albo przez sprężanie gazu do ciśnienia 25 MPa, wówczas jego gęstość zwiększa się do poziomu 185 kg/m 3, lub jego skraplanie w temperaturze 162 C przy ciśnieniu atmosferycznym wówczas gęstość zwiększa się do poziomu 460 kg/m 3. Oba sposoby, aczkolwiek poprawiające znacząco wskaźniki magazynowania paliwa, stwarzają określone trudności techniczne i zwiększają koszty eksploatacyjne, w porównaniu do tradycyjnych ciekłych paliw węglowodorowych. 2. Sposoby zasilania silnika paliwem gazowym Uwzględniając własności procesu tworzenia mieszaniny gaz powietrze i uwarunkowania związane z pracą silnika spalinowego, tj. zmianę mocy i prędkości obrotowej, oraz ograniczenia emisji składników toksycznych w spalinach, zasilanie paliwem gazowym jest rozwiązane w różny sposób. 519

4 Stefan Żmudzki 2.1. Zasilanie gazu na wlocie do sprężarki Schemat układu do zasilania gazu na wlocie do sprężarki przedstawiono na rysunku 1. Gaz i powietrze dopływają do dyszy Venturiego, umieszczonej w kanale dolotowym przed sprężarką wirową systemu turbodoładowania. Sterownik zmieniający geometrię dyszy mieszalnika dostosowuje ilość gazu i współczynnik nadmiaru powietrza, do zmieniającego się obciążenia silnika. Mieszanina gazu z powietrzem zostaje sprężona i następnie schłodzona oraz wprowadzona do kolektora poprzez zawór obrotowy układu sterowania mocą silnika. Na wlocie do poszczególnych kanałów, doprowadzających mieszaninę gazu z powietrzem do poszczególnych cylindrów, znajdują się tłumiki płomienia (metalowe siatki), które zapobiegają przed zapłonem łatwo palnej mieszaniny w kolektorze, w przypadku cofania się spalin z cylindra. chłodnica regulator mocy silnika kolektor tłumik płomienia gaz powietrze (zawór obrotowy) cylinder silnika sterownik ilości powietrza turbosprężarka Rys. 1. Schemat zasilania gazu na wlocie do sprężarki Fig. 1. Gas supply before compressor inlet 2.2. Zasilanie gazu w kanale dolotowym cylindra Schemat układu zasilania gazu w kanale dolotowym cylindra zamieszczono na rysunku 2. Paliwo gazowe jest dostarczane przez indywidualny dla każdego cylindra zawór gazowy umieszczony w kanale dolotowym, w czasie procesu napełniania. Fazy rozrządu zaworu gazowego są tak dobrane, aby nie dochodziło do strat gazu przez układ wylotowy oraz cofania płomienia do kolektora dolotowego. 520

5 Perspektywy wykorzystania gazu ziemnego w silnikach okrętowych Ilość mieszaniny palnej oraz jej skład chemiczny, określony współczynnikiem nadmiaru powietrza, dostosowuje się do obciążenia silnika za pomocą zaworu dławiącego, umieszczonego między kolektorem a chłodnicą powietrza doładowującego oraz zaworu przepustowego, umieszczonego w kanale przepływu spalin, pomiędzy wlotem i wylotem z turbiny. chłodnica regulator mocy silnika kolektor gaz powietrze (zawór obrotowy) cylinder silnika turbosprężarka spaliny zawór przepustowy (obejściowy) Rys. 2. Schemat zasilania gazu w kanale dolotowym cylindra Fig. 2. Gas supply into the intake duct of cylinder 2.3. Zasilanie gazu bezpośrednio do cylindra Paliwo gazowe pod wysokim ciśnieniem (15 35 MPa) jest doprowadzane do zaworu gazowego, umieszczonego w głowicy silnika. Zawór ten jest zamontowany jako odrębny zespół lub stanowi część wtryskiwacza, podającego dawkę pilotującą paliwa ciekłego. Niezależnie od sposobu montażu, zawór ten posiada iglicę zamykającą przepływ gazu do cylindra, której ruch jest realizowany za pomocą impulsów ciśnienia oleju z oddzielnego systemu. W początkowym okresie impulsy te generowano za pomocą układów hydraulicznych, działających podobnie jak pompy wtryskowe Boscha. Aktualnie, impulsy sterujące ruchem iglicy zaworu gazowego są generowane na drodze elektrycznej, z wykorzystaniem zaworu elektromagnetycznego, którego parametry pracy są nastawiane 521

6 Stefan Żmudzki przez komputerowy system nadzoru pracy silnika. System ten, wykorzystuje zebrane informacje na temat wpływu parametrów pracy silnika (moc, obroty, warunki atmosferyczne) na ilość i okres podawanego paliwa gazowego. W ten sposób, stwarzane są korzystniejsze warunki do uzyskania jak najlepszych efektów zasilania paliwem gazowym. Dość istotnym mankamentem tego rodzaju zasilania jest znaczne zapotrzebowanie na moc sprężania gazu, która może dojść do wartości rzędu 2,5 3% mocy użytecznej silnika. Ponadto, wysokie ciśnienie gazu zwiększa koszty instalacji gazowej oraz niebezpieczeństwo wycieków gazu na zewnątrz. Z kolei, chcąc wykorzystać to paliwo w silnikach dwusuwowych, zasilanie wysokociśnieniowe gazu bezpośrednio do cylindra jest jedynym dostępnym rozwiązaniem i w tej sytuacji niezbędne są do wykonania odpowiednie przedsięwzięcia techniczne Wymagania stawiane gazowej instalacji zasilania Moc silnika spalinowego zależy m.in. od ilości doprowadzonego ciepła Q d w dawce paliwa, wynikającego z jego wartości opałowej W d i ilości masowej m p, według zależności: Q d m W (1) p d przy czym m p V (2) p p gdzie: p gęstość paliwa. W przypadku paliwa ciekłego W d i p można uznać w określonych warunkach za stałe, stąd: Q f ( V p ) (3) d Na tej ostatniej zależności oparte są wszystkie znane obecnie metody sterowania mocą silnika o ZS, gdyż wiążą się one ze sterowaniem objętości dawki paliwa ciekłego, co znacznie upraszcza rozwiązania techniczne urządzeń, które są do tego celu stosowane. W przypadku paliw gazowych, będących mieszaniną wielu składników palnych, z których w określonych warunkach część może znajdować się w stanie ciekłym, sterowanie mocą silnika wymaga zastosowania wielu przedsięwzięć, eliminujących ewentualne niedokładności procesu. 522

7 Perspektywy wykorzystania gazu ziemnego w silnikach okrętowych W układzie zasilania stosuje się elementy osuszania gazu z fazy ciekłej (zwłaszcza cięższych węglowodorów jak: etylen, propylen etc. oraz ewentualnie H 2S), w postaci specjalnych płuczek włączanych do pracy w razie konieczności, wynikającej z jakości zabunkrowanego paliwa. W silniku, paliwo gazowe jest wprowadzane do powietrza przez elementy przepływowe, albo o stałej, albo zmiennej powierzchni przekroju przepływu, w wyniku różnicy ciśnień. Przy założeniu przepływu izentropowego, ilość masowa wprowadzonego gazu wynika z zależności: m t 2 t 1 2 A 1 p 1 p2 v1 p1 2 / p p / 2 dt (4) gdzie: A powierzchnia przekroju przepływu w zaworze zasilającym, p 1 ciśnienie gazu w instalacji zasilającej, p 2 ciśnienie powietrza w miejscu doprowadzania gazu, t 1, t 2 odpowiednio czas początku i końca dopływu gazu. Zastosowanie możliwie prostej i dokładnej metody sterowania dawką paliwa gazowego, opartej na zmianach czasu t 1 i t 2, czyli wyłącznie początku i końca otwarcia zaworu zasilającego, wymaga przy ustalonej funkcji A(t) oraz p 2(t), zapewnienia określonego ciśnienia gazu w instalacji zasilającej. Dlatego, układ zasilania gazu jest wyposażony w czuły i sprawny system regulacji ciśnienia gazu odpowiednio do obciążenia silnika. Schemat takiego rozwiązania przedstawiono na rysunku 3. W celu uniknięcia zakłóceń, instalacja jest wyposażona w liczne filtry, umieszczone szeregowo i eliminujące z gazu zanieczyszczenia stałe. 3. Własności spalania mieszaniny gaz ziemny powietrze Mieszanie się gazu ziemnego z powietrzem przebiega z dużą szybkością w przepływie turbulentnym ustalonym. Dlatego, przy doprowadzeniu gazu do powietrza przed silnikiem, uzyskuje się w cylindrze mieszaninę jednorodną, która podlega kolejnym przemianom obiegu cieplnego. Jeśli następuje wprowadzanie gazu bezpośrednio do cylindra, w końcowym okresie sprężania istnieją warunki do otrzymania mieszanki jednorodnej w przypadku zastosowania dość znacznego zawirowania powietrza zwłaszcza, gdy chodzi o silniki średnioi wysokoobrotowe. W tej sytuacji można uznać, że w momencie koniecznego rozpoczęcia spalania, w cylindrze znajduje się jednorodna mieszanina gazu 523

8 Stefan Żmudzki ziemnego z powietrzem, zawierająca taką ilość gazu, jaka jest potrzebna do wywiązania koniecznej ilości ciepła. Zapoczątkowanie spalania mieszaniny palnej jest związane z jej zapłonem, który może przebiegać efektywnie w przedziale temperatur C i przedziale palności określonym współczynnikiem nadmiaru powietrza od 0,7 do 2,1. Jednakże, jest to związane z koniecznością doprowadzenia określonej ilości ciepła, dlatego silnik musi dysponować odpowiednim rozwiązaniem technicznym, zapewniającym taki efekt. Odbywa się to najczęściej przez wtryśnięcie pilotującej dawki oleju napędowego, wywiązanie energii wyładowania elektrycznego na elektrodach świecy zapłonowej, wtrysku strumienia plazmy, itp. Wówczas, w obszarze doprowadzenia ciepła następuje realizacja reakcji spalania paliwa i od tego obszaru reakcje spalania rozprzestrzeniają się postępująco z określoną szybkością w głąb pozostałej części mieszaniny. Normalna szybkość spalania w mieszaninie stechiometrycznej wynosi ok. 0,38 m/s. Wartość ta jest zbyt mała dla potrzeb silnika spalinowego, stąd zachodzi potrzeba jej zwiększenia, głównie poprzez tworzenie intensywnych ruchów i przepływów mieszaniny palnej w czasie spalania. Jednakże, realizując to zadanie, warunki w przestrzeni komory spalania przybliżają się bardzo do takich, przy których spalanie z postępującego, przechodzi w spalanie gwałtowne jednoczesne, zwane spalaniem stukowym. W tym przypadku, dochodzi do samozapłonu mieszaniny palnej w znacznej odległości od miejsca zapłonu obcego, czasowo albo przed, albo po zapłonie. Rezultatem tego jest niezwykle wysoka szybkość spalania, wyrażająca się gwałtownym przyrostem ciśnienia spalin w cylindrze, po którym następują kolejne silne zmiany ciśnienia. Zmiany te są źródłem ostrego metalicznego hałasu zwanego stukiem. Czynnikami, które mogą sprzyjać powstawaniu spalania stukowego, są między innymi: skład mieszaniny palnej, stopień sprężania, parametry termodynamiczne mieszaniny palnej, temperatury ścianek cylindra, aglomeracja osadów niespalonego paliwa lub oleju. Z tych względów, w silniku wielocylindrowym w określonych warunkach w jednym lub kilku cylindrach może dochodzić do spalania stukowego, a w pozostałych nie. W czasie spalania stukowego przez komorę spalania rozprzestrzeniają się silne fale ciśnienia, dochodzi do rezonansu fal w komorze spalania oraz przenoszenia fal dźwiękowych przez konstrukcję silnika. Rezultatem takiego przebiegu zjawiska są znaczące różnice ciśnienia i szybkości narastania ciśnienia w poszczególnych strefach komory spalania. Silnik, w którym występuje spalanie stukowe może ulec uszkodzeniu przez: zakleszczenie lub połamanie pierścieni tłokowych, erozję dolnej płyty głowicy, erozję denka tłoka, nadtopienie i przebicie denka tłoka, uszkodzenie łożysk układu korbowego. 524

9 Perspektywy wykorzystania gazu ziemnego w silnikach okrętowych wentylacja gazu filtr ZESPÓŁ STEROWANIA GAZEM Rys. 3. Schemat instalacji zasilania gazu [3] Fig. 3. Gas supply system prędkość obr. obciążenie ciśnienie Zawory doprowadzenia gazu SILNIK 525

10 Stefan Żmudzki W celu uniknięcia pracy silnika w warunkach spalania stukowego, stosuje się odpowiednie zestawy pomiarowo-sterujące. Specjalne czujniki przyspieszeń, umieszczone na każdej głowicy określają intensywność spalania w każdym cylindrze. Sygnał tego pomiaru jest przekazywany do układu sterującego zasilaniem silnika w paliwo gazowe i ciekłe. W przypadku niewielkiego nasilenia spalania stukowego, dokonuje się zmiany współczynnika nadmiaru powietrza i kąta wyprzedzenia zapłonu lub kąta wyprzedzenia wtrysku dawki pilotującej paliwa ciekłego. W razie znacznego nasilenia spalania stukowego zostaje odłączone zasilanie paliwa gazowego. Wówczas, np. silnik dwupaliwowy może pracować dalej na paliwie ciekłym. 4. System zapłonu mieszaniny palnej gaz powietrze W miarę zwiększania wymiarów cylindra silników dużej mocy, jakie wchodzą w grę w napędzie statków, rośnie zapotrzebowanie na energię zapłonu mieszaniny palnej. Zastosowanie zapłonu iskrowego prowadzi do komór wstępnych (CVCC), odznaczających się bardziej złożoną konstrukcją. Natomiast układ dwupaliwowy, z wtryskiem pilotującej dawki paliwa ciekłego (oleju napędowego), zapewnia odpowiednią do potrzeb energię zapłonu mieszanki gazowej, jak również pozostawia proste rozwiązanie komory spalania silnika o zapłonie samoczynnym. Ponadto, rozwiązanie to umożliwia pracę silnika wyłącznie na paliwie ciekłym, w przypadku niedomagań działania instalacji gazowej (np. spalanie stukowe, niedobór gazu, zagrożenie awaryjne etc.). W najnowszych rozwiązaniach silników dwupaliwowych [3] zastosowano oddzielny układ do pracy na paliwie ciekłym, oparty na tradycyjnym systemie wtrysku hydraulicznego oraz odrębny układ zasilania dawką paliwa pilotującego. Ten ostatni układ pracuje w systemie common rail (ciśnienie paliwa wtryskiwanego wynosi 1000 bar), a jego rozwiązanie jest dostosowane do bardzo małej dawki paliwa, nie większej niż 4% nominalnej dawki paliwa ciekłego. W szczególności dotyczy to odrębnego rozpylacza, dostosowanego do tak małej dawki paliwa ciekłego. Dzięki temu, podczas pracy dwupaliwowej, dawka paliwa pilotującego może się zmniejszyć do 1% dawki nominalnej. Wybrane wskaźniki pracy kilku przykładowych silników na paliwo gazowe zamieszczono w tabeli 2. Obok bardzo korzystnych wskaźników ekonomii pracy, silniki dwupaliwowe charakteryzują małe wartości wskaźników emisji toksycznych składników spalin, zwłaszcza podczas pracy na ubogich mieszankach paliwa z powietrzem 2,1 (patrz rys. 4). 526

11 Perspektywy wykorzystania gazu ziemnego w silnikach okrętowych Dane techniczne wybranych współczesnych silników na paliwo gazowe [1, 2, 3] Technical data of some present natural gas engines Tabela 2 Producent silnika Typ silnika D mm S mm Liczba cylindrów pe MPa Moc z cylindra kw n obr/min Deutz TBG , 16 1, Jenbacher 320 HEC , Wärtsilä 32 DF , 9, 12, 18 1, Wärtsilä 50 DF , 8, 9, 12, 16, 18 2, p (bar) e e (%) (g/kwh) spalanie stukowe p e 34 NO x CO 4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 współczynnik nadmiaru powietrza e przerywany zapłon sprawność całkowita (z prądnicą) emisja składników toksycznych Rys. 4. Wskaźniki pracy silnika i emisji składników toksycznych spalin NOx i CO w funkcji współczynnika nadmiaru powietrza [3] Fig. 4. Engine operating parameters and exhaust emissions as a function of excess air number [3] Tak więc, bez konieczności uciekania się do kosztownych metod obniżania emisji składników toksycznych spalin, w szczególności NO x, silnik dwupaliwowy może spełnić najnowsze ograniczenia ochrony środowiska. 527

12 Stefan Żmudzki W systemie paliwa gazowego, rozwiązaniem perspektywicznym staje się skroplony gaz ziemny (LNG) o temperaturze 162 C, po pobraniu ze zbiornika sprężony do bardzo wysokiego ciśnienia (ok. 350 bar) w fazie ciekłej i następnie podgrzany (celem odparowania) do temperatury otoczenia. W ten sposób, zostaje obniżona moc sprężania tego paliwa do 1% mocy nominalnej silnika, a wprowadzenie paliwa gazowego bezpośrednio do komory spalania pozwoli na zwiększenie stopnia sprężania i związaną z tym poprawę sprawności całkowitej silnika. Podsumowanie Przedstawiono właściwości procesów roboczych oraz osiągi silników spalinowych zasilanych paliwem gazowym gazem ziemnym. Uwzględniając warunki pracy statku jako obiektu napędzanego, przeprowadzona analiza wskazuje na możliwość praktycznego wykorzystania tego paliwa w postaci skroplonej na statkach floty handlowej, następnie dostarczanego do spalania pod wysokim ciśnieniem, w rozwiązaniu technicznym silnika dwupaliwowego. Literatura 1. Behrens R., Henn R., Stellwagen K., TBG 632 Ein neuer Gro gasmotor mit hohen Wirkungsgrad. MTZ 62 (2001) Nr 2 s Herdin G., Gruber F., Henkel W., Lutz B., Neue Gasmotorengeneration Jenbacher 320 HEC. MTZ 62 (2001) Nr 2, s Wärtsilä 32DF, 50DF Technology review. 4. Urbański P., Paliwa i smary, Fundacja Rozwoju Wyższej Szkoły Morskiej w Gdyni, Gdańsk 1999, s. 23. Recenzenci dr hab. inż., kmdr Zbigniew Korczewski, prof. AMW dr hab. inż. Zbigniew Matuszak, prof. AM Wpłynęło do redakcji w lutym 2004 r. Adres Autora prof. dr hab. inż. Stefan Żmudzki Politechnika Szczecińska Wydział Techniki Morskiej al. Piastów 41, Szczecin Akademia Morska w Szczecinie Wydział Mechaniczny ul. Wały Chrobrego 1/2, Szczecin 528