Siłownia okrętowa jako element układu energetycznego statku. Marine power plant as an element of ship s energy system

Transkrypt

1 Scientific Journals aritime University of Szczecin Zeszyty Naukowe Akaemia orska w Szczecinie 2009, 17(89) pp , 17(89) s Siłownia okrętowa jako element ukłau energetycznego statku arine power plant as an element of ship s energy system Paweł Krause Akaemia orska w Szczecinie Szczecin, ul. Wały Chrobrego 1 2, p.krause@am.szczecin.pl Słowa kluczowe: siłownia okrętowa, energia, energia użyteczna, sprawność energetyczna Abstrakt W artykule zaproponowano zakres osłony bilansowej siłowni okrętowej statku towarowego, bęącej częścią skłaową okrętowego ukłau energetycznego, obejmującą urzązenia i instalacje przemiany energii paliwa na inne postacie energii, urzązenia obsługujące oraz inne, niebiorące uziału w procesach przemian energetycznych, a niezbęne ze wzglęów bezpieczeństwa i ochrony śroowiska. Przyjęty zakres osłony bilansowej pozwala wyznaczyć energię użyteczną, czyli wytworzoną i pomniejszoną o energię zużytą na potrzeby autonomicznej żeglugi, stą sugerowana nazwa autonomiczna siłownia okrętowa. Ten sposób poejścia umożliwia m.in. ocenę skutków energetycznych zastosowania utylizacji ciepła opaowego na statku. Key wors: marine power plant, energy, useful energy, energy efficiency Abstract The paper presents proposal of scope of control surface for marine power plant of merchant ship, being an element of ship s energy system an consists of evices an energy plants exchanging fuel energy into other kin of energy, auxiliary evices an others irrelevant to the energy conversion processes, but inispensable because of international safety at sea an environmental protection provisions. Accepte scope of control surface allows to erive useful energy, or total generate minus energy consume for autonomous shipping, this is why the suggeste term autonomous ship s power plant. This way makes possible (among others) valuation of results of waste heat recovery system use on boar. Wstęp Eksploatacja statku jest zeterminowana ecyzjami poejmowanymi w oparciu o różnego rozaju wskaźniki, w tym wskaźniki ekonomiczne. Jenostkowy koszt przewozu łaunku to najistotniejsza kwestia la operatora i klienta statku. Uwzglęnia wszystkie koszty eksploatacji statku (paliwo, płace załogi, ubezpieczenie, opłaty portowe, it.) i jest wyrażany w jenostce waluty na jenostkę łaunku, np. w $/t lub $/TEU. Jest to ekonomiczny wskaźnik efektywności statku. Innym jest paliwochłonność przewozu jenostki towaru, wyrażona ilością masy paliwa na jenostkę przewożonego łaunku i jenostkę rogi, ale niestety nieuwzglęniającą właściwości paliwa i warunków zewnętrznych eksploatacji, takich jak: siła i kierunek wiatru, stan morza, temperatura woy zaburtowej, ciśnienie atmosferyczne, prąy woy, it. Na wysokość zużycia paliwa przez statek ma wpływ wartość każego z przytoczonych wskaźników. Stopień wykorzystania energii chemicznej zużytego paliwa w przemianach na inne postacie energii (co ma wpływ na zużycie paliwa) wyrażony jest sprawnością ukłau energetycznego, w którym te przemiany zachozą. Wyższa wartość sprawności to poprawa wskaźników m.in. ekonomicznych. Do oceny sprawności energetycznej ukłau niezbęne jest wyznaczenie mocy (lub energii) użytecznej. Nie nastręcza to żanych problemów w przypaku pojeynczych urzązeń, gzie sprawność energetyczna urzązenia jest zefiniowana jako stosunek mocy użytecznej o mocy ostarczanej. 51 Scientific Journals 17(89)

2 Paweł Krause P P gzie: P uż moc użyteczna, P moc ostarczana. uż (1) Wyznaczenie sprawności la grupy licznych urzązeń i instalacji powiązanych ze sobą funkcjonalnie i skłaających się na ukła energetyczny jest możliwe, jenak problem sprawia jenoznaczne przyjęcie zakresu energii użytecznej [1]. Statek jest złożonym ukłaem energetycznym. Złożoność wynika z użej liczby urzązeń i instalacji spełniających różnorone funkcje i zapewniających autonomiczność statku. Skłaa się na nią także autonomiczność energetyczna ograniczona wielkością zapasów energii. W skła ukłau energetycznego statku wchozą urzązenia i instalacje, w których zachozi przemiana postaci energii lub przekazywanie energii. Ukła ten nie powinien być utożsamiany z pojęciem siłowni okrętowej, która niezależnie o sposobu efiniowania stanowi tylko jego część. W ostępnej literaturze (np. [1, 2]) ominuje poglą, że energia użyteczna to energia uzyskana z przemiany energii chemicznej paliwa na inne postacie energii (mechaniczną, elektryczną i cieplną), w paliwochłonnych urzązeniach statku: silnikach napęu głównego, silnikach zespołów prąotwórczych i kotłach opalanych. oc mechaniczną wyznacza się na postawie pomiarów parametrów na wale S, elektryczną na zaciskach prąnicy i cieplną na kotle (pomiar ilości i parametrów woy zasilającej i parametrów pary). Taki poglą eterminuje przyjęcie zakresu osłony bilansowej ukłau. Analiza pozycji [1, 2, 3, 4] uwiacznia ewolucję pogląów na przestrzeni lat i ążenie o systemowego uporząkowania pojęcia ukłau energetycznego statku i jego sprawności. Wśró nich można m.in. onaleźć analogie o meto wyznaczania sprawności netto i brutto, mających zastosowanie w ląowych ukłaach energetycznych, a zwięźle opisanych w [5]. Jak otą nie wypracowano jenej uniwersalnej efinicji sprawności siłowni okrętowej, a znane z literatury są wyrazem omiennych stanowisk autorów. Stan efinicji i pogląów na temat okrętowych ukłaów energetycznych oraz ich sprawności jest obszernie przestawiony w [1]. Pierwsze okrętowe ukłay energetyczne zawierały tylko napę główny w pomieszczeniu nazwanym siłownią okrętową. Jeyną funkcją siłowni był mechaniczny napę statku uzupełniający lub zastępujący żagle. Czynnikiem roboczym statku z silnikiem parowym była para wona. W miarę wzrostu mocy pojawiały się oatkowe urzązenia, wymagane potrzebą inywiualnego napęu pomp obsługujących napę główny i siłownię. Wprowazenie energii elektrycznej pozwoliło znacznie unowocześnić instalacje statkowe, ale wiązało się z koniecznością zamontowania oatkowego, niezależnego o napęu głównego źróła energii elektrycznej. Elektryczność na statkach znacząco przyspieszyła rozwój technologii urzązeń o przewozu łaunku i pozwoliła na zwiększenie komfortu pracy załogi. Tym samym znacznie wzrosła liczba urzązeń wymagających zasilania energią. Tak jak la pierwszych statków z napęem mechanicznym pojęcie siłownia okrętowa było synonimem okrętowego ukłau energetycznego, tak na wielu współczesnych statkach hanlowych energochłonne urzązenia o obsługi łaunku i załogi stanowią znaczący (w stosunku o napęu głównego) uział mocy i powoują, że barziej właściwym jest stosowanie nazwy okrętowy ukła energetyczny. Biorąc po uwagę postawowe zaanie, jakim jest przewóz łaunku, współczesny statek towarowy musi spełniać trzy postawowe funkcje: ostarczać energię o napęu statku oraz obsługi łaunku i załogi, zapewniać obsługę łaunku, zapewniać warunki pracy i bytowe załogi. Niezbęne o tego celu wyposażenie może być zgromazone w trzech grupach funkcyjnych, tworzących orębne ukłay energetyczne (ue): ue 1 (siłownia okrętowa) urzązenia i instalacje napęzające statek, zespoły prąotwórcze i kotły wraz ze statkowymi zapasami paliwa; ue 2 urzązenia i instalacje obsługujące procesy technologiczne łaunku; ue 3 urzązenia i instalacje służące obsłuze załogi. Kryterium przynależności urzązenia (czy instalacji) o określonej grupy jest pełniona funkcja, a nie umiejscowienie. Z energetycznego punktu wizenia najistotniejszymi są urzązenia, w których następuje pierwotna przemiana energii paliwa na inne postacie energii. Sprawność tej przemiany ma ecyujący wpływ na ekonomiczne wskaźniki eksploatacji, ponieważ koszty zużywanego paliwa stanowią kilkaziesiąt procent całkowitych kosztów statku. Dlatego celowym wyaje się rozpatrywanie po tym kątem wyzielonej grupy urzązeń napęzających statek i wytwarzających energię elektryczną i cieplną na potrzeby siłowni i pozostałych ukłaów energetycznych. 52 Scientific Journals 17(89)

3 Siłownia okrętowa jako element ukłau energetycznego statku Jak wspomniano wcześniej, występują jenak rozbieżności w ustaleniu zakresu mocy użytecznej. Dla zminimalizowania tych różnic proponuje się granice osłony bilansowej obejmujące urzązenia i instalacje umożliwiające hipotetyczną autonomiczność żeglugi samej siłowni okrętowej. Ilustracją takiej iei jest pchacz zestawów barek, którego buowa i okrętowy ukła energetyczny pozwala albo na samozielną poróż, albo na transport łaunku. W ukłazie energetycznym statku towarowego można teoretycznie wyzielić urzązenia i instalacje tworzące strukturę energetyczną pcha- T.. ue 1 Obsługa napęu głównego, zespołów prąotwórczych i kotła Obsługa napęu głównego, zespołów prąotwórczych i kotła P el 1 S.P. Hotel ue3 3 Q p3 S.. P D K.U. T.P. P el 3 K.O. Q p1 P el 2 Q p2 Procesy technologiczne łaunku ue 2 Procesy technologiczne łaunku ue2 Rys. 1. Przykła okrętowego ukłau energetycznego, ue 1 autonomiczna siłownia okrętowa, ue 2 urzązenia i instalacje obsługujące łaunek, ue 3 urzązenia i instalacje obsługujące załogę (hotel); S.. silnik główny, S.P. silnik pomocniczy zespołu prąotwórczego, K.O. kocioł opalany, K.U. kocioł utylizacyjny, T.. turbina gazowa, T.P. turbina parowa, ineksy 1, 2 i 3 opowiaają numerom ukłaów energetycznych ue; Q p1 strumień ciepła pary przeznaczonej o ogrzewania zbiorników zapasowych paliwa, zbiorników osaowych, rozchoowych, pogrzewacza paliwa S.., rurociągów paliwowych, pogrzewaczy wirówek olejowych i paliwowych, pogrzewacza woy chłozącej S.., zbiornika oleju obiegowego S.., oolejacza wó zęzowych, zbiorników opaów olejowych, it.; Q p2 strumień ciepła pary przeznaczonej o ogrzewania łaunku, ogrzewania zbiorników oleju hyraulicznego, napęu pomp łaunkowych, it.; Q p3 strumień ciepła pary przeznaczonej o ogrzewania instalacji związanych z obecnością załogi na statku, kuchni, pogrzewaczy woy sanitarnej, klimatyzacji, it.; P el1 energia elektryczna zużyta o napęu silników elektrycznych pomp obsługujących napę główny (wraz z S..), S.P. i kotłów, wirówek paliwa, sprężarek powietrza, pomp oolejacza, pomp i wentylatorów spalarki opaów olejowych, pompy transportowej paliwa, wentylatorów siłowni, elektrycznych pogrzewaczy obsługujących S.., S.P. i kotły, maszyny sterowej, urzązeń nawigacyjnych i raiowych, it.; P el2 energia elektryczna zużyta o napęu pomp łaunkowych, sprężarek chłoniczych łaunku, pogrzewaczy elektrycznych urzązeń obsługujących łaunek, źwigów łaunkowych, it.; P el3 energia elektryczna zużyta o zasilania urzązeń i instalacji związanych z obecnością załogi na statku, kuchni, klimatyzacji, pogrzewacz woy sanitarnej i pitnej, pomp zasilających i pomp obiegowych, oczyszczalni ścieków sanitarnych, oświetlenia, it. Fig. 1. Example of ship s energy system, ue 1 autonomous marine power plant, ue 2 evices an plants servicing cargo, ue 3 evices an plants servicing crew members (hotel); S.. main engine, S.P. auxiliary engine of generator set, K.O. fuele boiler, K.U. waste heat recovery boiler, T.. gas turbine, T.P. steam turbine, inexes 1, 2 an 3 correspon with numbers of energy systems ue; Q p1 heat flux of steam for a purpose of heating of fuel storage tanks, settling an service tanks, fuel oil heaters of main engine, fuel oil pipes, lubricating an fuel oil separators, main engine cooling water heaters, main engine lubricating oil sump tank, bilge water separator, sluge tanks, etc.; Q p2 heat flux of steam for a purpose of heating of cargo, hyraulic oil tanks, riving of cargo pumps, etc.; Q p3 heat flux of steam for a purpose of heating of plants connecte with a presence of crew members on boar, air conition, kitchen, water heaters, etc.; P el1 electric energy consume for riving of pumps servicing main propulsion plant (with main engine), auxiliary engines an boilers, lubricating an fuel oil separators, starting air compressors, pumps of bilge water separator, pumps an funs of sluge incinerator, fuel oil transfer pump, engine room funs, steering gear, electric heaters for main an auxiliary engines an boilers, navigational an raio equipment, etc.; P el2 electric energy consume for riving of cargo pumps, cargo refrigerating plant, electric heaters for cargo, cargo cranes, etc.; P el3 electric energy consume for a purpose of supplying of plants connecte with a presence of crew members on boar, air conition, kitchen, water heaters, supply an circulating pumps of water, waste water treatment plant, lighting, etc. Zeszyty Naukowe 17(89) 53

4 Paweł Krause cza, którą można nazwać autonomiczną siłownią okrętową. Skłaa się na nią wyposażenie techniczne i zapas energii umożliwiający samozielną żeglugę. rupuje w ue 1 urzązenia i instalacje realizujące procesy przemiany energii chemicznej paliwa i instalacje je obsługujące W skła takiej siłowni wchozą także instalacje realizujące zaania, które nie są bezpośrenio związane z przemianami energetycznymi, ale ich niezbęność wynika z przepisów bezpieczeństwa żeglugi (wyposażenie nawigacyjne i łączności) i ochrony śroowiska (instalacja wó zęzowych, opaów ropopochonych czy też oczyszczania spalin). Osłona bilansowa ue 1 obejmuje wtey następujące urzązenia i instalacje siłowni: 1. Napę główny parametrem wyjściowym jest moc ostarczana o śruby P D ; 2. Zespoły prąotwórcze parametrem wyjściowym jest moc na zaciskach prąnicy P el ; 3. Kocioł opalany i utylizacyjny parametrem wyjściowym jest moc cieplna pary Q P ; 4. Instalacje grzewcze wszystkich zbiorników paliwa silników głównych, prąotwórczych, pomocniczych oraz kotła; 5. Wszystkie urzązenia i instalacje obsługujące napę główny, ZP i kocioł; 6. Urzązenie sterowe; 7. Instalacje zęzowe; 8. Instalacje przechowywania, ewentualnie obróbki i spalania opaów ropopochonych; 9. Instalacje oczyszczania spalin; 10. Wszystkie urzązenia nawigacyjne. W siłowni okrętowej (ue 1) mieszczą się silniki napęu głównego z elementami transmisji mocy o pęnika, zespoły prąotwórcze, kotły parowe (lub olejowe), instalacje grzewcze zbiorników paliwowych (także zapasowych), pompy, sprężarki powietrza i instalacje obsługujące napęy główne, zespoły prąotwórcze i kotły, urzązenia nawigacyjne, urzązenia o oczyszczania paliw i olejów, oolejacz, spalarka opaów olejowych, wentylatory siłowni. Na rysunku 1 w osłonie bilansowej siłowni pokazano przykłaowe rozwiązanie z prąnicą wałową oraz służące o utylizacji ciepła opaowego: turboprąnicę gazową i turboprąnicę parową. W tej grupie urzązeń i instalacji następuje zamiana energii chemicznej paliwa na energię mechaniczną, elektryczną i cieplną oraz ewentualna utylizacja ciepła opaowego, procesy, zięki którym zasilane są ukłay ue 2 i ue 3. Ukła energetyczny ue 1 jest właściwą siłownią okrętową, której zaaniami są napę statku i wytwarzanie energii, z uwzglęnieniem zużycia energii niezbęnej o pracy autonomicznej. Ue 2, czyli instalacje i urzązenia obsługujące łaunek lub procesy technologiczne (np. na chłoniowcu wentylatory, sprężarki i instalacje chłonicze łaowni), są orębnym ukłaem energetycznym. W zależności o rozaju łaunku (np. mrożona ryba, banany, jabłka, it.), rejonu pływania, różne jest zapotrzebowanie na energię o obsługi łaunku. Kiey statek poróżuje po balastem, zapotrzebowanie energii la tego ukłau jest niemalże równe zeru, poobnie jak w przypaku masowca. Są tu też urzązenia takie, jak pompy balastowe, łaunkowe, mycia łaowni, instalacje hyrauliczne, np. otwierania łaowni lub źwigów, źwigi elektryczne, urzązenia samowyłaowawcze, instalacje chłonicze, grzewcze, cumownicze, kotwiczne it. Urzązenia trzeciego ukłau ue 3 są przeznaczone o zapewnienia warunków bytowych załogi obsługującej statek. W jego skła wchozą chłonie prowiantowe, wentylacja i klimatyzacja, wyparownik, pompy obiegowe woy sanitarnej ciepłej, pompy hyroforowe woy pitnej i sanitarnej, kuchnia, oczyszczalnia ścieków, it. Ukła 1 może funkcjonować niezależnie o obecności ue 2 lub ue 3, natomiast ukłay 2 i 3 są zależne o energii ostarczonej z ue 1. W pierwszym ukłazie (ue 1) wszystkie urzązenia i instalacje charakteryzują się jenoznacznymi i mierzalnymi wartościami parametrów la wyznaczenia mocy wejściowej i wyjściowej. To pozwala na utworzenie bilansu energetycznego tak pojmowanej siłowni okrętowej ue 1 i ewentualnie wskazanie źróeł energii opaowej siłowni. Umowne wyorębnienie urzązeń i instalacji siłowni autonomicznej pozwala wyznaczyć skłaniki jej bilansu energetycznego (rys. 2): B W P P (2) D el p 1 Q2 Q3 Q4 gzie: B strumień masy paliwa [kg/s]; W wartość opałowa paliwa [kj/kg]; P D moc ostarczona o śruby [kw]; P el = P el1 + P el2 + P el3 całkowita moc elektryczna wyproukowana w siłowni [kw]; Q całkowita moc cieplna p p1 p2 p3 pary uzyskana w siłowni [kw]; Q 1 straty ciepła urzązeń i instalacji na skutek promieniowania i konwekcji unoszone w powietrzu [kw]; Q 2 straty ciepła unoszone w wozie chłozącej zaburtowej (morskiej) [kw]; Q 3 straty ciepła unoszone w spalinach silników głównych, zespołów prąotwórczych, pomocniczych, kotłów [kw]; 54 Scientific Journals 17(89)

5 UE2 UE3 100% Siłownia okrętowa jako element ukłau energetycznego statku Straty ciepła o siłowni (promieniowanie i konwekcja) wentylacja wyciągowa siłowni Q 1 Q 3 Powietrze nawiew Woa chłoząca (spaliny) P D Energia ostarczona w paliwie BW UE1 P el2 +P el3 Q (konwekcja) zbiorniki zapasowe paliwa 4 Q 2 (chłozenie woą) woa) Q p2 +Q p3 Rys. 2. Skłaniki bilansu energetycznego okrętowego ukłau energetycznego (opis w tekście) Fig. 2. Energy balance components of ship s energy system (specification in text) Q 4 straty ciepła zbiorników zapasowych paliwa w kałubie (kw) i tym samym jej sprawność energetyczną, uwzglęniając skłaniki opisane na rysunku 1: P P Q PD el el1 p p1 autn (3) B W Sprawność energetyczna siłowni autonomicznej η autn jest równoznaczna ze sprawnością wytwarzania energii przez ukła ue 1. Znane i stosowane obecnie instalacje utylizacji ciepła opaowego na statku umiejscowione są w ukłazie energetycznym ue 1, wpływając na powyższenie sprawności wytwarzania energii. Umiejscowienie ich w tym miejscu jest uzasanione parametrami źróeł ciepła opaowego, pochozącymi przee wszystkim z silników napęu głównego [6]. Zastosowanie proponowanej efinicji autonomicznej siłowni okrętowej la statków towarowych umożliwi porównywanie wartości sprawności różnych siłowni okrętowych i pozwoli na ocenę skutków energetycznych zastosowania utylizacji ciepła opaowego. Bibliografia 1. BALCERSKI A.: oele probabilistyczne w teorii projektowania i eksploatacji spalinowych siłowni okrętowych. Funacja Promocji Przemysłu Okrętowego i ospoarki orskiej, ańsk URBAŃSKI P.: ospoarka energetyczna na statkach. Wyawnictwo orskie, ańsk KOWALSKI A., KRZYŻANOWSKI J.: Okrętowe siłownie parowe. Wyższa Szkoła orska, ynia WOJNOWSKI W.: Okrętowe siłownie spalinowe, cz. 2. Akaemia arynarki Wojennej im. Bohaterów Westerplatte, ynia KACPERCZYK. i zespół: Zasay metoyczne sprawozawczości statystycznej z zakresu gospoarki paliwami i energią oraz efinicje stosowanych pojęć. łówny Urzą Statystyczny, Warszawa BEHRENDT C., ADAKIEWICZ A., KRAUSE P.: Turboprąnica utylizacyjna na parę nasyconą jako alternatywne źróło energii elektrycznej w systemie ozyskiwania energii wtórnej statku. SymSO 2006, Szczecin Recenzent: prof. r hab. inż. Anrzej Balcerski Politechnika ańska Zeszyty Naukowe 17(89) 55