Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 5, No. 008 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 8, 8-5 Gdynia, Poland tel.: +8 58 609, e-mail: wmkso@am.gdynia.pl 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 50000-00000 cbm (European CONES 007) 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 50000-00000 m (European KONES 007) 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. 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 Duskie oraz zdolnymi do operacji manewrowych w terminalu gazowym winoujcie. Wstpne analizy [6] wskazuj, e obecnie warunki takie speniby statek o dugoci do 00 m, szerokoci do 50 m i zanurzeniu do,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 5 m i szerokoci do 55 m przy zachowaniu zanurzenia do,5 m. Statek taki mógby te przepywa przez Kana Sueski i Cieniny Duskie transportujc 50000 m gazu naturalnego. Na Rys. pokazano fotografi zbiornikowca LNG podczas w ruchu na penym morzu. Rys.. Zbiornikowiec LNG w ruchu morskim Fig.. LNG carrier steaming at sea. Propozycja ukadu napdowego zbiornikowca LNG o adownoci 50000 m Podczas transportu morskiego gaz naturalny utrzymywany jest w postaci pynnej pod cinieniem atmosferycznym w temperaturze - 6 o C. 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 50000-00000 m (KONES 007) [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, 0
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 0% objto i ciar siowni statku w stosunku do innych rodzajów napdu (Rys. ), - znacznie mniejszy koszt ukadu napdowego, do 0% 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.. ródem energii do napdu gównego i zasilania sieci okrtowej jest centralna elektrownia skadajca si z trzech prdnic prdu przemiennego napdzanych dwiema turbinami gazowymi i jedn turbin parow. Energia elektryczna poprzez gówn tablic rozdzielcz 8 zasila dwa pdniki gondolowe 7 napdzajce statek oraz poprzez transformatory 9 odbiorniki wysokiego napicia 0 i odbiorniki niskiego napicia. 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. ). 7 5 6 9 8 7 5 6 9 0 Linia elektryczna Spaliny Para Woda zasilajca Rys. Schemat ukadu napdowego typu COGES:-turbina gazowa, -turbina parowa, -kocio parowy, -prdnica, 5-silnik elektryczny, 6-przetwornik cztotliwoci, 7-pdnik gondolowy, 8-gówna tablica rozdzielcza, 9-transformator, 0-odbiorniki elektryczne wysokiego napicia, -odbiorniki elektryczne niskiegonapicia, -odbiorniki pary grzewczej, -dolot wody zasilajcej kocio, -odlot spalin Fig.. Diagram of COGES propulsion system:-gas turbine, -steam turbine, -steam boiler, -generator, 5- electric motor, 6-frequency converter, 7-azipod propulsor, 8-main switchboard, 9-transformer, 0-highvoltage receivers, -low voltage receivers, -steam receivers, -boiler feed water inlet, -exhaust gases outlet Turbiny gazowe zasilane s gazem naturalnym LNG. Spaliny wylotowe z turbin gazowych ogrzewaj koty parowe, które produkuj par do napdu turbiny parowej i par grzewcz na potrzeby statku. 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 tasza. Malej te nakady inwestycyjne i zmniejsza si objto siowni statku. 05
Z. Górski, R. Cwilewicz,. Konopacki, K. Kruk Rys.. Pdniki gondolowe okrtowego napdu gównego firmy ABB:-gondola silnika elektrycznego, -ruba napdowa, -blok obrotowy Fig.. ABB main ship propulsion azipod thrusters:-electric motor pod, -propeller, -rotatable block. Obliczenie mocy, sprawnoci efektywnej i zuycia paliwa przez ukad napdowy Moc efektywna dwóch silników elektrycznych napdu gównego [5]: N e = (, + 0,00006788 * D) * v [kw], () D [ton] - nono statku DWT, v [wzy] - prdko eksploatacyjna statku przyjto: D = 5000 ton dla gstoci skroplonego gazu naturalnego 0,7-0,9 tony/m i adownoci 50000 m na podstawie bada statystycznych populacji zbiornikowców LNG wg metody opracowanej w Katedrze Siowni Okrtowych Akademii Morskiej w Gdyni, v = 9,5 wza N e = 80 kw = x 0 kw. Zapotrzebowanie mocy elektrycznej przez odbiorniki wysokiego i niskiego napicia podczas ruchu statku w morzu [6]: N el = 90 kw. Sumaryczna moc turbin zespoów prdotwórczych systemu COGES: N COGES em N e fc N e = 80 kw, N el = 90 kw, przyjto: em = 0,97 - sprawno silników elektrycznych, fc = 0,99 - sprawno przetworników czstotliwoci, G = 0,97 - sprawno prdnic G N el G [kw], () N COGES = 750 kw 06
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 5%, co odpowiada nastpujcej konfiguracji: - turbiny gazowe x 779 kw, - turbina parowa x 8 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 5 pomp adunkowych potrzebuje 9750 kw, instalacja skraplania par adunku przy pracy z pen moc 670 kw, a w przypadku uycia par adunku do napdu statku 5-600 kw. Sprawno efektywna ukadu napdowego typu COGES: Wedug analiz przeprowadzonych w [5] przy przyjtym rozkadzie mocy turbin i dolnej wartoci opaowej gazu naturalnego 5000 kj/kg prognozuje si osignicie jednostkowego zuycia paliwa gazowego 0,9 kg/kwh co odpowiada sprawnoci efektywnej 9,9%. Zuycie paliwa przez ukad napdowy: Dobowe zuycie paliwa gazowego przez ukad napdowy: G dcoges = * N COGES * g COGES [kg/dob], () N COGES = 750 kw - z zalenoci, () g COGES = 0,9 kg/kwh, G dcoges = 5766 kg/dob 57,6 ton/dob, Ilo adunku LNG odparowanego na dob wynosi okoo 0,5% czyli: G odplng = 0,005 * D LNG [ton/dob], () D LNG = 50000 m * 0,9 ton/m = 500 ton - masa adunku LNG, LNG = 0,9 ton/m - gsto adunku, G odplng = 8,8 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 8 dni, w tym 6 dni ruchu w morzu pod penym zaadunkiem, 6 dni ruchu w morzu pod balastem i 6 dni operacji adunkowych wstpnie ocenia si zapotrzebowanie paliwa LNG na okoo 500 ton, co stanowi okoo,% 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 00 ton LNG przez 6 dni ruchu w morzu i 6 dni ruchu portowego maksimum okoo 0 ton na dob.. 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. 07
Z. Górski, R. Cwilewicz,. Konopacki, K. Kruk Niewtpliwe zalety napdu okrtowego typu COGES napdzanego gazem ziemnym wymienione w punkcie skaniaj do zainteresowania tym rodzajem napdu taszego inwestycyjnie oraz eksploatacyjnie a jednoczenie prostego w obsudze i stosujcego ekologiczne paliwo. Dodatkowo rosnce ceny okrtowego paliwa pynnego, które wedug prognoz [, 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. a) b) 0 0 6 5 9 8 Rys.. Porównanie wielkoci siowni zbiornikowca LNG z napdem tokowym silnikiem spalinowym wolnoobrotowym (a) i napdem typu COGES (b) [5], -tokowy silnik spalinowy wolnoobrotowy, - spalinowy zespó prdotwórczy, -kocio parowy, -ruba napdowa, 5-ster, 6-turbogazowy zespó prdotwórczy, 7-turboparowy zespó prdotwórczy, 8-skraplacz, 9-pdnik gondolowy, 0-wylot spalin, -dodatkowa przestrze adunkowa Fig.. Comparison of machinery space of LNG carrier propelled by low speed diesel engine (a) and COGES system (b) [5] -low speed diesel engine, - diesel generator unit, -steam boiler, -propeller, 5-rudder, 6-gas turbine generator unit, 7,steam turbine generator unit, 8-condenser, 9-azipodpropulsor; 0-exhaust gases outlet, -additional cargo space Literatura [] Cwilewicz, R., Okrtowe turbiny gazowe, Fundacja Rozwoju Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia 00. [] Federal Energy Regulatory Commission Raport, Natural Gas Markets, National Overview 007. [] Gas Turbine World 005 Performance Specifications. [] 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 006, Zeszyty Naukowe Nr 0(8) Akademii Morskiej w Szczecinie, Szczecin 006. [5] Górski, Z., Cwilewicz, R., Proposal of turbine propulsion for a new generation liquefied natural gas carrier with a capacity of 50.000-00.000 cbm, rd International Scientific [6] Congress on Powertrain and Transport Means, European KONES 007, Warsaw Poland 9- September 007. [7] Konopacki,., Kruk K., Analiza moliwoci zastosowania zintegrowanego napdu turbinowego typu COGES do napdu gazowca LNG o adownoci 50000 m, Praca dyplomowa magisterska pod kierunkiem Zygmunta Górskiego, Katedra Siowni Okrtowych Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia 008. [8] Poten & Partners, Materiay konferencji Flatter Flat Rates,..007. [9] Strona internetowa - Bunker World, Lloyd s List Bunker. [0] Strona internetowa - Natural Gas Weekly Update. [] Czasopisma: Gas Turbine World, Lloyd s Ship Manager, Motor Ship, Shipping World & Shipbuilder. 08