Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol.14, No. 2 2007 PROPOSAL OF TURBINE PROPULSION FOR A NEW GENERATION LIQUEFIED NATURAL GAS CARRIER WITH A CAPACITY OF 250 000-300 000 CBM Zygmunt Górski, Romuald Cwilewicz Gdynia Maritime University, Department of Marine Power Plants Morska 83, 81-225 Gdynia, Poland tel.: (+48) 58 6109322 e-mail: wmkso@am.gdynia.pl Abstract Liquefied natural gas carriers (LNG carriers) are built nowadays with the capacity of 135,000 165,000 cbm. LNG carriers with capacity of about 200,000 cbm are also in project works and under construction. Projects of new generation LNG carries with the capacity ranging from 250,000 to 300,000 cbm will be executed soon. Estimated main propulsion power of such LNG carriers will be 40 to 50 MW. The gas turbine propulsion with carried natural gas used as a fuel is proposed for these ships. To improve efficiency of propulsion a COGES (Combined Gas Turbine and Steam Turbine Integrated Electric Drive System) propulsion system is suggested. With the relatively simple configuration, the COGES system makes possible to achieve acceptable propulsion efficiency. COGES drive system also simplifies operation of propulsion plant, decreases engine room space and considerably contributes to environment protection as natural gas is considered to be an ecological fuel. In particular the schema of the COGES propulsion system, ccomparison of machinery space of LNG carrier propelled by the low speed diesel engine and the COGES system are presented in paper. Keywords: transport, LNG tanker propulsion, Liquefied Gas Tankers PROPOZYCJA NAPDU TURBINOWEGO ZBIORNIKOWCA NOWEJ GENERACJI DO PRZEWOZU SKROPLONEGO GAZU NATURALNEGO O ADOWNOCI 250 000 DO 300000 m 3 Streszczenie Obecnie eksploatowane i budowane zbiornikowce do przewozu skroplonego gazu naturalnego LNG posiadaj adowno rzdu 135.000 do 165.000 m 3. Projektowane s te i budowane zbiornikowce LNG o adownoci rzdu 200000 m 3. W niedugim czasie bd realizowane projekty zbiornikowców LNG nowej generacji o adownoci 250.000 do 300.000 m 3. Ocenia si, e zapotrzebowanie mocy napdu gównego dla nowej generacji zbiornikowców LNG bdzie rzdu 40 do 50 MW. Proponuje si zastosowanie do napdu takich statków turbin gazowych zasilanych przewoonym gazem naturalnym. Celem podniesienia sprawnoci siowni proponuje si zastosowanie siowni kombinowanej typu COGES (Combined Gas Turbine and Steam Turbine Integrated Electric Drive System), która przy stosunkowo prostej konfiguracji umoliwi uzyskanie akceptowalnej sprawnoci napdu. Siownia typu COGES pozwoli te na uproszczenie procesu eksploatacji napdu, zmniejszenie objtoci siowni na rzecz przestrzeni adunkowej, a spalanie gazu naturalnego powszechnie uwaanego za paliwo ekologiczne bdzie wanym przyczynkiem do ochrony rodowiska naturalnego. W szczególnoci schemat ukadu napdowego typu COGES, porównanie wielkoci siowni zbiornikowca LNG z napdem tokowym silnikiem spalinowym wolnoobrotowym i napdem typu COGES s prezentowane w artykule. Sowa kluczowe :transport, LNG tanker propulsion, Liquefied Gas Tankers 1. Wstp Rosnce zapotrzebowanie gospodarki wiatowej na gaz naturalny powoduje wzrost zapotrzebowania na jego transport drog morsk. W wiatowej flocie handlowej szybko ronie ilo i wielko zbiornikowców typu LNG (Liquefied Natural Gas) do przewozu skroplonego gazu
Z. Górski, R. Cwilewicz naturalnego (gazowców). Podczas transportu morskiego gaz naturalny utrzymywany jest w postaci pynnej pod cinieniem atmosferycznym w temperaturze 163 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. Jako napd gówny stosuje si dwupaliwowe wysokoprne silniki spalinowe lub turbiny parowe, dla których par produkuje si w dwupaliwowych kotach gównych. W obu przypadkach gówne ukady napdowe zbiornikowców mog by zasilane alternatywnie paliwem cikim (HFO) lub gazem naturalnym (LNG) z przewoonego adunku. Zasilanie gazem ma miejsce podczas podróy statku zaadowanego, a zasilanie paliwem cikim podczas podróy pod balastem do miejsca zaadunku nowej partii gazu skroplonego. Obecnie eksploatowane i budowane zbiornikowce LNG posiadaj adowno rzdu 135.000 do 165.000 m 3 skroplonego gazu. Projektowane s te i budowane zbiornikowce LNG o adownoci rzdu 200.000 m 3. atwo mona przewidzie, e w niedugim czasie bd realizowane projekty zbiornikowców LNG nowej generacji o adownoci 250.000 do 300.000 m 3. Wraz ze wzrostem wielkoci zbiornikowców LNG problem typu i konfiguracji napdu gównego oraz jego eksploatacji jest wanym elementem w procesie doboru urzdze napdowych tych statków. Zdaniem autorów niniejszej publikacji problem doboru ukadu napdowego dla tak duych statków pozostaje otwarty. Zalety turbiny parowej i atwo eksploatacyjna powoduj, e napd turboparowy z kotami dwupaliwowymi moe by atrakcyjn alternatyw dla dwupaliwowych wysokoprnych silników spalinowych. Jednake wiksze zuycie paliwa a tym samym nisza sprawno napdu turboparowego dla wzgldnie maych mocy przemawia na korzy silników spalinowych. Silniki spalinowe duych mocy s natomiast bardziej kopotliwe w eksploatacji w miar jak rosn ich gabaryty. Jednak dla duych mocy, wedug wasnych szacunków powyej 30 MW, siownia parowa staje si konkurencyjna dla siowni z silnikami tokowymi. Podobnie, niezwykle ciekawe z punktu widzenia zalet oraz sumarycznych kosztów eksploatacji przedstawia si zastosowanie turbin gazowych do napdu gównego zbiornikowców do przewozu skroplonego gazu naturalnego (LNG). Ocenia si, e zapotrzebowanie mocy napdu gównego nowej generacji zbiornikowców LNG bdzie rzdu 40 do 50 MW. Proponuje si zastosowanie do napdu takich statków turbin gazowych zasilanych przewoonym gazem naturalnym. Na podró powrotn naley pozostawi na zbiornikowcu odpowiedni ilo gazu. Celem podniesienia sprawnoci siowni proponuje si zastosowanie siowni kombinowanej typu COGES (Combined Gas Turbine and Steam Turbine Integrated Electric Drive System), która przy stosunkowo prostej konfiguracji umoliwi uzyskanie akceptowalnej sprawnoci napdu. Siownia typu COGES pozwoli te na uproszczenie procesu eksploatacji napdu, zmniejszenie objtoci siowni na rzecz przestrzeni adunkowej, a spalanie gazu naturalnego powszechnie uwaanego za paliwo ekologiczne bdzie wanym przyczynkiem do ochrony rodowiska naturalnego. 2. Propozycja napdu typu COGES dla zbiornikowca LNG o adownoci 300.000 m 3 Prognoz parametrów eksploatacyjnych gównego ukadu napdowego i elektrowni okrtowej oparto na badaniach statystycznych populacji zbiornikowców LNG (Liquefied Natural Gas) i LPG (Liquefied Petroleum Gas) bdcych aktualnie w eksploatacji lub w budowie. Metod bada statystycznych opracowano w Katedrze Siowni Okrtowych Akademii Morskiej w Gdyni. 2.1. Wyznaczenie mocy efektywnej napdu gównego zbiornikowca LNG 300.000 m 3 [3, 4, 5] N e = (1,14224 + 0,0000364788 * D) * v 3 [kw], (1) 180
Proposal of Turbine Propulsion For a New Generation Liquefied Natural Gas Carrier With a Capacity of 250000... D [ton] v [wzy] Przyjto: - nono statku DWT, - prdko statku, D = 141.000 ton dla adownoci 300.000 m 3 na podstawie bada statystycznych, v = 19 wzów. N e = 43114 kw. 2.2. Wyznaczenie zapotrzebowania mocy elektrycznej zbiornikowca LNG 300.000 m 3 [3,4,5] Przyjto, e sumaryczna moc elektrowni okrtowej jest funkcj mocy napdu gównego: N el = 743 + 0,2542 * N e [kw], (2) N e = 43114 kw z zalenoci (1), N el = 11703 kw. Zwykle, sumaryczna moc elektrowni podzielona jest na trzy zespoy prdotwórcze. Podczas ruchu statku w morzu pracuje jeden zespó prdotwórczy przy wskaniku obcienia rzdu 0,7. Std moc elektryczna zapotrzebowana przez statek podczas ruchu w morzu wynosi: N el = 0,7 * N el /3 [kw], (3) N el = 11703 kw, N el = 2730 kw. 2.3. Propozycja napdu typu COGES dla zbiornikowca LNG o adownoci 300 000 m 3 9 14 11 8 13 4 1 3 7 6 5 4 1 7 5 6 4 9 2 10 12 Linia elektryczna Spaliny Para Woda zasilajca Rys. 1. Schemat ukadu napdowego typu COGES: 1 turbina gazowa; 2 turbina parowa; 3 kocio parowy; 4 prdnica; 5 silnik elektryczny; 6 przetwornik czstotliwoci; 7 pdnik gondolowy; 8 gówna tablica rozdzielcza; 9 transformator; 10 odbiorniki elektryczne wysokiego napicia; 11 odbiorniki elektryczne niskiego napicia; 12 odbiorniki pary grzewczej; 13 dolot wody zasilajcej kocio; 14 odlot spalin Fig. 1. 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 high voltage receivers; 11 low voltage receivers; 12 steam receivers; 13 boiler feed water inlet; 14 exhaust gases outlet Konfiguracj ukadu napdowego pokazano na rysunku 1. Statek napdzany jest dwoma pdnikami gondolowymi 7 z silnikami elektrycznymi 5. Praca silników elektrycznych kontrolowana jest przez przetworniki czstotliwoci 6. Energi elektryczn dostarczaj trzy 181
Z. Górski, R. Cwilewicz prdnice 4, z których dwie napdzane s turbinami gazowymi 1 a jedna turbin parow 2. Turbiny gazowe opalane s gazem naturalnym (LNG). Gazy wylotowe z turbin gazowych ogrzewaj kocio parowy 3, który produkuje par do napdu turbiny parowej i par grzewcz na potrzeby statku. Sumaryczna moc zespoów prdotwórczych pokrywa zapotrzebowanie napdu gównego, napdu mechanizmów i urzdze okrtowych oraz sieci okrtowej. 2.4. Wyznaczenie sumarycznej mocy turbin zespoów prdotwórczych systemu COGES N COGES em N e fc G N el G [kw], (4) N e = 43114 kw - z zalenoci (1), N el = 2730 kw - z zalenoci (3), przyjto: em = 0,97 - sprawno silników elektrycznych, fc = 0,99 - sprawno przetworników czstotliwoci, G = 0,97 - sprawno prdnic, N COGES = 49099 kw 49100 kw. 2.5. Dyskusja wpywu rozkadu mocy pomidzy turbinami gazowymi i turbin parow na zuycie paliwa i sprawno ukadu napdowego systemu COGES napdzanego gazem naturalnym Do oblicze przyjto: - doln warto opaow paliwa typu Marine Diesel Oil (MDO) W MDO = 42000 kj/kg, - doln warto opaow gazu naturalnego (LNG) W LNG = 52000 kj/kg, - jednostkowe zuycie paliwa typu MDO przez turbiny gazowe g MDO = 0,229 kg/kwh, - jednostkowe zuycie paliwa typu LNG przez turbiny gazowe: - jednostkowe zuycie paliwa typu LNG przez ukad COGES: - sprawno efektywn ukadu COGES: Wyniki podano w tablicy nr 1. g g W MDO LNG g MDO [kg/kwh], (5) WLNG N g TG LNG COGES [kg/kwh], (6) NCOGES COGES 3600 100 [%]. (7) g W COGES Rozkad mocy ukadów napdowych typu COGES zastosowanych na statkach morskich w latach 2000 2003 wynosi 85/15%. Ocenia si, e obecnie moliwe jest rozwizanie ukadu napdowego o rozkadzie mocy 75/25% [8], a w przyszoci i wicej. We wspóczesnych elektrowniach ldowych stosowany rozkad mocy wynosi 65/35% [2]. LNG 182
Proposal of Turbine Propulsion For a New Generation Liquefied Natural Gas Carrier With a Capacity of 250000... Tab. 1. Wpyw rozkadu mocy pomidzy turbinami gazowymi i turbin parow na zuycie paliwa i sprawno ukadu napdowego systemu COGES napdzanego gazem naturalnym Tab. 1. Influence of power distribution between gas turbines and steam turbine on fuel consumption and efficiency of COGES propulsion system fuelled by natural gas Rozkad mocy pomidzy turbinami gazowymi a turbin parow N TG /N TP [%] Moc turbin gazowych [kw] 2 x 20868 85/15 80/20 75/25 70/30 65/35 2 x 19640 2 x 18413 2 x 17185 2 x 15958 Moc turbiny parowej [kw] 7365 9820 12275 14730 17185 Jednostkowe zuycie paliwa gazowego przez ukad COGES [kg/kwh] 0,157 0,148 0,139 0,130 0,120 Sprawno efektywna ukadu typu COGES [%] 44,0 46,8 49,9 53,5 57,6 Do dalszej dyskusji przyjto rozkad mocy: - turbiny gazowe 75%, - turbina parowa 25%. Przyjto nastpujc moc turbin systemu COGES: - turbiny gazowe 2 x 18413 kw, - turbina parowa 1 x 12275 kw. 3. Analiza kosztów eksploatacji proponowanego ukadu napdowego typu COGES na zbiornikowcu LNG 300.000 m 3 3.1. Dobowy koszt paliwa w ruchu morskim zbiornikowca LNG z napdem COGES Dobowe zuycie paliwa gazowego w ruchu morskim zbiornikowca LNG z napdem COGES: N COGES = 49100 kw - z zalenoci (4), g COGES = 0,139 kg/kwh - z tablicy 1, G dcoges = 24 * N COGES * g COGES [kg/dob], (8) G dcoges = 163798 kg/dob 163,8 ton/dob. Dobowy koszt paliwa w ruchu morskim zbiornikowca LNG z napdem COGES: K dcoges = C LNG * G dcoges [$/d], (9) C LNG [$/t] - cena LNG w terminalu zaadowania, G dcoges = 163,8 ton/dob - z zalenoci (8). Cena LNG zaley od kontraktu midzy dostawc a odbiorc i waha si w granicach od 350 do 600 $ za ton. Wyniki podano w tablicy nr 2. W tablicy podano równie stosunek kosztów napdu COGES gazem naturalnego (LNG) i napdu silnikami spalinowymi zasilanymi paliwem cikim (HFO) wg obliczenia w punkcie 3.2. 183
Z. Górski, R. Cwilewicz Tab. 2. Dobowy koszt paliwa w ruchu morskim zbiornikowca LNG 300.000 m 3 z napdem COGES Tab. 2. Daily cost of fuel during sea passage of 300,000 cbm LNG carrier powered by COGES system Cena LNG [$/ton] 350 400 450 500 550 600 Dobowy koszt paliwa LNG [$/d] 57330 65520 73710 81900 90090 98280 Dobowy koszt paliwa HFO [$/d] 67000 67000 67000 67000 67000 67000 Stosunek kosztów paliwa LNG do HFO 0,856 0,978 1,100 1,222 1,345 1,467 3.2. Dobowy koszt paliwa w ruchu morskim statku z napdem silnikami spalinowymi Moc silników gównych (SG) N esg = 43114 kw z zalenoci (1), sprawno silników gównych esg = 0,50, godzinowe zuycie paliwa SG: G hsg = g esg * N e, (10) 3600 3600 g esg 0,176 kg/kwh, esg WHFO 0, 5 41000 W HFO = 41000 kj/kg dolna warto opaowa paliwa cikiego HFO, godzinowe zuycie paliwa SG: G hsg = 0,176 * 43114 = 7588 kg/h. Moc elektryczna zespou prdotwórczego N el = 2730 kw z zalenoci (3), sprawno silnika pomocniczego esp = 0,40, sprawno prdnicy G = 0,80, godzinowe zuycie paliwa SP: G hsp = g esp * N el / G, (11) 3600 3600 g esp 0,220 kg/kwh, W 0, 4 41000 esp godzinowe zuycie paliwa SP: G hsp = 0,220 * 2730/0,80 = 751 kg/h. HFO Dobowe zuycie paliwa cikiego w ruchu morskim zbiornikowca LNG napdzanego silnikami spalinowymi: G d = 24 * (G hsg + G hsp ) [kg/dob], (12) G hsg = 7588 kg/h, G hsp = 751 kg/h, G d = 200136 kg/dob 200 ton/dob. Dobowy koszt paliwa w ruchu morskim statku z napdem silnikami spalinowymi: K d = C HFO * G d [$], (13) C HFO = 335 $/ton koszt paliwa cikiego typu IFO 380, [6] G d = 200 ton/dob dobowe zuycie paliwa z zalenoci (12). K d = 67000 $. 184
Proposal of Turbine Propulsion For a New Generation Liquefied Natural Gas Carrier With a Capacity of 250000... 4. Ocena korzyci zastosowania ukadu napdowego typu COGES opalanego gazem naturalnym na zbiornikowcu LNG 300.000 m 3 - 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, - moduowa konstrukcja, atwo automatyzacji i elastyczno eksploatacyjna, - wysoka manewrowo statku dziki napdowi gondolowemu, - wysoka niezawodno, dugie okresy czasowe midzy przegldami, nisze koszty napraw, przegldów i czci zamiennych w stosunku do napdu tokowymi silnikami spalinowymi, - zastosowanie paliwa ekologicznego o niskiej emisji szkodliwych dla rodowiska substancji w spalinach wylotowych, - uproszczenie instalacji obsugujcych napd statku, szczególnie instalacji przygotowania i oczyszczania paliwa, - rezygnacja z zastosowania oddzielnych zespoów prdotwórczych, - znacznie mniejsza, do 30% objto i ciar siowni statku w stosunku do innych rodzajów napdu, moliwo instalacji turbogazowych zespoów prdotwórczych na wyszych kondygnacjach statku, zysk dodatkowej przestrzeni adunkowej (rys. 2), - znacznie mniejszy koszt instalacji ukadu napdowego, do 40% w stosunku do innych rodzajów napdu, - dodatkow nie uwzgldnion w artykule korzyci jest moliwo spalania odparowujcego z przyczyn naturalnych adunku, który byby skraplany i wprowadzany z powrotem do zbiorników adunkowych kosztem wydatkowania dodatkowej energii. a) b) 10 10 3 3 2 6 1 11 5 4 9 8 Rys. 2. Porównanie wielkoci siowni zbiornikowca LNG z napdem tokowym silnikiem spalinowym wolnoobrotowym (a) i napdem typu COGES (b) 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. 2. Comparison of machinery space of LNG carrier propelled by low speed diesel engine (a) and COGES system (b) 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 nacelle propulsor; 10 exhaust gases outlet 11 additional cargo space Wnioskiem z powyszych analiz moe by stwierdzenie, e napd typu COGES z wykorzystaniem przewoonego adunku jako paliwa moe by w przyszoci szczególnie atrakcyjnym rozwizaniem dla zbiornikowców LNG do przewozu skroplonego gazu naturalnego. Ocen korzyci zastosowania ukadu napdowego typu COGES oparto na analizach wasnych, oraz dostpnych czasopismach i publikacjach, midzy innymi [1], [6], [7], [8], [9], [10], [11]. 185
Z. Górski, R. Cwilewicz Literatura [1] Cwilewicz, R., Okrtowe turbiny gazowe, Fundacja Rozwoju Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia 2004. [2] Performance Specifications, Gas Turbine World 2005. [3] Giernalczyk, M., Górski, Z., Method for determination of energy demand for main propulsion, electric power and heating purposes for modern container vessels by means of statistic, Marine Technology Transactions, Vol. 15. Polish Academy of Sciences Branch in Gdask, Marine Technology Committee, Gdask 2004. [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., Giernalczyk, M., Improvement in preliminary determination of energy demands for main propulsion, electric power and auxiliary boiler capacity by means of statistics: an example based on modern bulk carriers, 9 th Baltic Region Seminar on Engineering Education, Seminar Proceedings, Gdynia 2005. [6] Strona internetowa Bunker World, Lloyd s List Bunker. [7] Strona internetowa Natural Gas Weekly Update. [8] Strona internetowa SISHIP CIS COGES. SIEMENS Industrial Solutions and Services. [9] Watson, B., LNG Shipping Operations, 27 th September 2006 Rolls-Royce plc, 2006. [10] Wodarski, J. K., Okrtowe Silniki Spalinowe. Podstawy teoretyczne, Wysza Szkoa Morska w Gdyni, Gdynia 1999. [11] Wojnowski, W., Okrtowe Siownie Spalinowe, Wydzia Oceanotechniki i Okrtownictwa Politechniki Gdaskiej, Gdask 1991. 186