Capitolul 4. Tehnologiile Si Dezvoltarea Instalațiilor De Propulsie Alimentate Cu Lng [306045]

CAPITOLUL 4. TEHNOLOGIILE SI DEZVOLTAREA INSTALAȚIILOR DE PROPULSIE ALIMENTATE CU LNG

4.1. MOTOARE DF (DUAL FUEL) – TEHNOLOGII, [anonimizat] , adică gaz metan sau gaz de sondă.

Figura 4.1. Ciclul ideal Otto diagrama p-v

Motoarele cu combustibil mixt fie pot funcționa pe gaz fie pe combustibil lichid. [anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat], reducând temperatura înaltă. Se produce mai puțin NOX și eficiența crește în timpul combustiei slabe datorită raportului de compresie mai mare și a sincronizării îmbunătățite a injecției. Un amestec slab este de asemenea necesar pentru evitarea detonării. (Autoaprindere).

[anonimizat]. Combustibilul diesel este injectat la o temperatură ridicată în camera de combustie chiar înainte de TDC. Admisia de gaz este dezactivată.

Figura 4.2. Ciclul Diesel

Figura 4.3. [anonimizat]. [anonimizat]. Transferul de la diesel la operarea pe gaz se face în mod gradat. Alimentarea cu combustibili diesel este un pic redusă în timp ce cantitatea de gaz admisă este mărită. [anonimizat].

[anonimizat] 1% din consumul maxim de combustibil. Cantitatea de combustibil pilot este controlată de către Sistemul de Control al Motorului.

Figura 4.4. [anonimizat] o defecțiune la vreo componentă. Comutarea durează mai puțin de o secundă și nu are nici un efect asupra vitezei și încărcării motorului în timpul procesului respectiv. Trecerea automată la diesel are loc în condiții de încărcare slabe.

[anonimizat] o presiune a gazului de aproximativ 5 bari. Această presiune a gazului este din aceeași categorie cu presiunile de gaz din instalațiile turbinei de abur. Aproape de punctul mort superior se injectează o cantitate foarte mică de MDO pentru a provoca aprinderea. Se creează o [anonimizat]/amestecul de combustibil în camera principală de combustie. Sincronizarea aprinderii este astfel controlată direct de sincronizarea injecției cu combustibil pilot.

Figura 4.5. Trecerea motoarelor DF pe motorină în cazuri accidentale

4.2. [anonimizat] “dual fuel” datorită prețului combustibililor și a normelor de poluare ce devin din ce în ce mai stringente pe zi ce trece. MAN B&W este unul din brandurile care au investit mult în cercetare pentru a veni în întâmpinarea cerințelor armatorilor și au dezvoltat motoare dual fuel nu numai economice, dar și sigure în funcționare, fiabile și prietenoase cu mediul înconjurător.

Familia de motoare MC/ME este pe piață din 1982 și se găsesc pe toate tipurile de nave comerciale: VLCC, tancuri, containere, mineraliere și mărfuri generale.

Motivele pentru care armatorii aleg acest brand sunt: eficienta termică ridicată, fiabilitate, siguranță și robustețe.

Motoarele cu injecție de gaz (GI) s-au dezvoltat în paralel și au fost testate încă de la începutul anilor 1990. In 1994, primul motor GI, un motor 12K80MC-GI-S a fost pus în funcționare la o centrală electrică din Chiba / Japonia. În același timp, în 1994, toate societățile majore de clasificare au agreat și aprobat conceptul GI pentru motoare staționare și navale.

Din punct de vedere tehnic este o mică diferență între motorul cu combustibil lichid și cel cu injecție de gaz, dar motorul GI se dovedește a fi mult mai flexibil din punct de vedere al combustibilului folosit.

Figura 4.6. Modificări necesare pentru combustia cu gaz

Figura 4.7. Prezentarea echipamentelor pentru funcționarea pe gaz: 1- gas injection valve, 2- pilot valve injectors, 3- gas control block(GCB), 4 – sealing oil supply, 5- pilor oil t.e. HFO or DO

Astfel motorul GI suferă câteva modificări în deosebi la instalația de alimentare. Tubulatura de alimentare cu gaz trebuie sa fie de tipul cu pereți dubli pentru a elimina riscul scăpărilor de gaz în compartimentul mașină. Pentru controlul injecției de gaz se adaugă la cunoscutul sistem electronic ME un nou sistem electronic GI.

In afara de aceste modificări, câteva noi sisteme se adaugă:

sistem de ventilație pentru spațiul dintre pereții dubli ai tubulaturii de alimentare cu gaz.

sistem de etanșare cu ulei pentru injectoarele de gaz.

sistem de gas inert pentru purjarea tubulaturii de gaz.

sistem de monitorizare și siguranță format dintr-un detector de hidrocarburi pentru verificarea aerului din tubulatura cu pereți dubli. Acest sistem constă în monitorizarea permanentă a concentrației de hidrocarburi din tubulatura cu pereți dubli, iar în caz de depășire a concentrației admise, sistemul va opri alimentarea cu gaz a motorului și o va schimba pe fuel oil.

După aceea va purja cu gaz inert toată instalația de alimentare cu gaz a motorului. Schimbarea de pe gaz pe fuel oil se va face fără sincope în funcționarea motorului.

Combustibilul de gaz va fi alimentat prin tubulaturi flexibile către sistemul de valvule bloc și acumulator de pe fiecare cilindru.

Tancul de compensare conține aproximativ de 20 de ori cantitatea de gaz injectată pe ciclu la puterea maximă și are rolul de a compensa variațiile bruște de presiune datorită pulsației injecției propriu zise. Totodată face parte din sistemul de siguranță al motorului.

Așa cum am arătat mai sus, sistemul de alimentare cu gaz se bazează pe principiul motoarelor electronice, adică tip Common rail. În acest caz injectoarele de gaz sunt controlate de un sistem auxiliar de ulei. În principiu acest sistem constă într-un sistem de ulei de înaltă presiune care este controlat de unitatea electronică GI de control a injecției pe gaz și deci care va alimenta cu ulei sub presiune injectoarele de gaz în acest fel comandând deschiderea injectoarelor de gaz la momentul oportun.

Sistemul de injecție ME-GI

Așa cum s-a arătat mai sus, pentru motoarele cu gaz aprinderea amestecului de gaze din cilindru se inițiază cu ajutorul unei injecții pilot de combustibil (motorină) în camera de ardere.

Pentru introducerea gazului natural în cilindru s-a optat la injecția de gaz de înaltă presiune în momentul în care pistonul se află în apropierea punctul mort superior.

Motorina pentru inițiere și gazul natural se introduc în cilindru cu ajutorul valvulelor injector. În acest sens se montează cate două valvule injector pentru motorină și două valvule injector pentru gazul natural. Astfel, pentru a asigura injecția gazului și a motorinei de inițiere următoarele sisteme sunt necesare:

instalația de alimentare cu gaz de înalta presiune (gaz Common rail)

instalația de alimentare cu motorină (Common rail)

instalația de ulei de înalta presiune pentru comanda injectoarelor de gaz

instalația de etanșare cu ulei.

Injectorul de gaz respectă în principiu construcția compactă a injectorului clasic. Gazul este admis prin intermediul găurilor chiulasă către injector. Pentru a preveni eventuale scăpări de gaze între chiulasă și injector sunt prevăzute inele de etanșare din materiale rezistente la temperatura și gaz natural. Orice scăpare de gaze va fi colectată și condusă către spațiul dintre cele două învelișuri ale conductei de alimentare cu gaz. Aceste scăpări vor fi detectate de către detectorii de hidrocarburi.

Gazul acționează continuu asupra tijei injectorului cu o presiune de aproximativ 250 bari. Pentru a preveni ca gazul să se infiltreze în circuitul de ulei de comandă prin jocul dintre tijă și corpul injectorului, tija injectorului este etanșată de uleiul de etanșare la o presiune mai mare decât cea a gazului cu aproximativ 25-50 bari.

Injectorul pilot de motorină este un injector standard al motoarelor ME, numai duza este modificata.

Figura 4.8. Secțiune intr-un injector de gaz

Designul injectorului de motorină permite funcționarea motorului pe motorină pană la 100% MCR. Astfel, motorul cu gaz poate trece pe motorină în orice moment fără oprire sau afectare a sarcinii. Totuși, pentru funcționari îndelungate pe motorină este necesară înlocuirea duzelor și astfel creste eficienta motorului cu pană la 1% la sarcina maximă.

După cum se poate din figura de mai jos, sistemul de injecție asistat electronic de la MAN B&W este compus din doua injectoare pentru motorina, doua injectoare pentru gaz, ELGI pentru deschiderea si închiderea injectoarelor de gas si un FIVA (fuel injection valve actuator) valve pentru a comanda – prin intermediul injectorului de motorina – cantitatea de motorina injectata. In plus, el reprezintă si boosterul de presiune de motorina pentru funcționarea injectorului pilot in momentul când motorul funcționează in modul dual fuel.

Busterul pentru motorina este echipat cu un senzor de presiune pentru a monitoriza presiunea combustibilului pilot in secțiunea de înaltă presiune. Acest senzor monitorizează de fapt funcționarea injectorului de motorina. Daca se constata vreo deviație de la parametri normali, sistemul electronic de monitorizare a injecției pe gaz nu va permite deschiderea prin intermediul ELGI valve. In acest context injecția de gaz nu va avea loc.

Figura 4.9. ME-GI Injection System

În condiții normale când nu se constat erori în funcționarea injectorului de motorină, injectorul de gaz se deschide la momentul oportun comandat de sistemul electronic GI și gazul natural este injectat în cilindru. Gazul este injectat direct în timpul procesului de ardere. În acest sens se evită a rămâne pungi de gaz natural nearse în cilindru sau scăpări de gaz natural pe lângă segmenții pistonului către colectorul de baleiaj. Tot în această direcție colectorul de baleiaj este monitorizat asupra presiunii și concentrației de hidrocarburi. Dacă limitele sunt depășite atunci injecția pe gaz este oprită și consumul motorului este trecut pe numai pe motorină.

Cantitatea de gaz injectata în cilindru în fiecare ciclu este măsurată prin căderea de presiune în acumulator. Prin acest sistem orice deviere de la un consum normal este detectată

imediat și consumul motorului va fi trecut numai pe motorina, iar linia de gaz va fi purjata cu gaz inert.

Tubulatura de înaltă presiune cu pereți dubli

O tubulatură tip Common rail va fi instalată pentru distribuția de gaz de înaltă presiune către fiecare bloc de valvule. Pentru siguranța compartimentului mașina, aceasta tubulatură va fi înconjurată de un perete protector din oțel care va forma în jurul tubulaturii Common rail un compartiment izolat care va fi conectat către un ventilator de extracție. Ventilatorul are capacitatea de aproximativ de 30 de ori volumul acestui compartiment pe oră. Ventilatorul va crea în compartimentul izolator o presiune inferioară presiunii din compartimentul mașina. Toate flanșele și conexiunile la tubulatura Common rail vor fi introduse în acest compartiment. Aspirația aerului în acest compartiment va fi dintr-o zonă sigură liberă de hidrocarburi și va fi refulata către o zonă fără risc de explozie. Acest compartiment izolator este proiectat în așa măsură încât toate componentele instalației de injecție cu gaz să fie ventilate, iar în caz de scăpări de gaz natural acesta să fie captat de către ventilator. În partea de refulare a ventilatorului se montează un detector de hidrocarburi care în caz de detecție de gaz va semnaliza sistemul electronic de injecție de gaz (GI) care va opri consumul de gaz și va trece consumul motorului numai pe motorină. După care va purja întreaga tubulatura de injecție cu gaz inert.

Figura 4.10. Secțiune in tubulatura de alimentare cu gaz si tubulatura de protecție

Pentru a rezista pulsațiilor de presiune si vibrațiilor mecanice, tubulatura de gaz este proiectata sa reziste la o valoare cu 50 % mai mare decât presiunea normala de funcționare. Ea este protejata împotriva lovirii de către corpuri grele si este proiectat sa fie îmbinata prin sudura pe cat posibil, folosind flanșe de îmbinare numai unde este neapărat necesar.

Figura 4.11. Secțiune in valvula de control a injecție cu gaz

Ramificațiile către cilindri sunt prevăzute cu flexibilitatea necesara pentru a prelua expansiunea termica a motorului de la regimul rece la condiția normala de cald.

In sprijinul golirii de gaz a tubulaturii după folosire, tubulatura este conectat la un sistem de gaz inert cu o presiune de 4-8 bar. In cazul unei alarme de concentrație de gaz, tubulatura de gaz este depresurizata după care purjata automat cu gaz inert.

Modurile de operare a motorului ME GI

Conceptul de motor electronic cu injecție de gaz conține trei moduri de funcționare din punct de vedere al combustibilului folosit:

numai combustibil lichid;

minimum de combustibil lichid si restul gaz;

consum constant de gaz.

Figura 4.12. Consumul de combustibil în funcție de încărcarea motorului

Consumul de combustibil numai motorina este identic ca la motoarele clasice. In acest mod se consuma numai motorina si motorul este considerat sigur din punct de vedere al gazului (gas safe).

Pentru funcționarea pe gaz a motorului s-a desemnat modul de minimum fuel mode. In acest mod se folosește motorina la un nivel minim presetat pentru a iniția arderea in cilindru iar restul puterii motorului este asigurat de consumul de gaz. Nivelul minim de motorina pentru inițierea arderii (pilot oil) este intre 5-8 %, depinzând de calitatea combustibilului. Pentru inițierea arderii poate fi folosit motorina sau păcura. Consumul de motorina in cazul acestui mod este calculat procentual din sarcina maxima a motorului si se menține la aceasta valoare la o variație a sarcinii motorului intre 30 si 100%. Sub 30 % din sarcina motorul poate deveni instabil in funcționare, de aceea s-a presetat in controlul motorului ca sub aceasta valoare a sarcinii consumul de combustibil sa treacă numai pe motorina.

Al treilea mod de operare al motorului oferă operatorului posibilitatea de a determina un consum de gaz constant al motorului. In acest caz modulul electronic de control al motorului va regla automat necesarul de motorina pentru a realiza sarcina dorita.

Gazul este recunoscut ca un combustibil cu concentrație mica de sulf, mai bine spus tinde spre zero. In acest caz constructorii de motoare recomanda pentru uleiul de ungere cilindri a se folosi un ulei cu conținut de TBN redus: TBN40. In cazul când motorul funcționează in afara zonelor speciale de monitorizare a poluării si consumul este trecut 100% pe păcura (conținut mare de sulf) atunci se recomanda folosirea unui ulei cu tbn ridicat: TBN 70. Pentru a întruni cele doua condiții de operare se recomanda instalarea la bordul navei a doua tancuri de serviciu pentru uleiul de ungere cilindri: unul pentru conținut scăzut de sulf si celălalt pentru conținut mare se sulf. Atunci când se trece de pe un mod pe altul de funcționare a motorului, sistemul electronic de control al motorului va comanda si consumul adecvat de ulei de cilindri conform combustibilului folosit.

Emisia de gaze a motorului ME-GI

Comparativ cu păcura, emisiile motoarelor cu gaz sunt mult mai curate. Cu concentrație foarte mica sau inexistenta de sulf in combustibil, oxizii de sulf (SOx) sunt neglijabili in gazele de evacuare. De asemenea concentrațiile de particule si emisii de NOX si CO2 sunt reduse considerabil.

In tabelul de mai jos se poate observa comparativ la același tip de motor diferențele de emisii intre consumul de păcură si consumul de gaz .

Tabelul 4.1. Tabel comparativ cu emisiile motorului cu păcură si cel cu gaz

Sistemul de alimentare cu gaz – Condiții de funcționare

Rolul instalației de alimentare cu gaz este de a asigura alimentarea cu gaz a motorului pentru a asigura realizarea puterii cerute de consumator. Alimentarea cu gaz trebuie realizata la o presiune prestabilita inițial pe toata perioada de funcționare a motorului. Pentru a realiza aceasta sarcina, sistemul de control al instalației de alimentare trebuia sa ia in considerare mai mulți parametri din sistem: presiunea in tancul de alimentare cu gaz, rata de evaporare a gazului, temperatura gazului si compoziția gazului.

Daca rata de evaporare a gazului din tancul de alimentare este prea mica, atunci sistemul de control trebuie sa ia in considerare evaporarea forțată a gazului lichid. Daca rata de evaporare este mai mare decât rata de consum in motor, atunci sistemul de control trebuie sa dirijeze o parte a vaporilor de gaz către un sistem de lichefiere a gazului sau către o unitate de oxidare a vaporilor (ardere).

Vaporizarea forțată se face prin trecerea gazului lichid printr-un schimbător de căldură. Ca agent de încălzire se poate folosi aburul de la o caldarina auxiliara sau chiar agentul de răcire al motorului.

Parametrul cel mai important al instalației de alimentare cu gaz este presiunea de alimentare către motor. După cum am arătat in capitolele precedente, gazul este introdus in cilindrul motorului la o presiune de aproximativ 250 bar. In funcție de sarcina motorului, presiune de gaz poate varia intre 150 – 265 bar. Având in vedere modificările de sarcina ale motorului, atunci revine sistemului electronic de control datoria sa monitorizeze si sa regleze aceasta presiune in funcție de necesarul motorului.

Figura 4.13. Variația presiunii de gaz in funcție de sarcina motorului

Compresorul trebuie sa asigure diferite regimuri de funcționare, ca de exemplu funcționarea la 100% din capacitate cu recircularea gazului refulat sau in modul de alimentare a motorului si a unității de oxidare a gazului in același timp.

Compresorul de gaz

Unul dintre cele mai importante echipamente ce fac parte din instalațiile motorului cu gaz este compresorul de gaz.

In general exista doua tipuri de compresoare in instalațiile de alimentare cu gaz: compresorul centrifugal si cu piston. Compresorul cu piston asigura întotdeauna presiunea ceruta de consumator independent de presiunea de aspirație care poate fi influențata de temperatura gazului, compoziție, etc. Compresorul centrifugal este proiectat sa livreze o anumita cantitate de gaz la o anumita presiune, dar presiunea de refulare va fi dependenta de presiunea de admisie.

Având in vedere presiunea mare de gaz care trebuie asigurata la intrarea in motor indiferent de presiunea de aspirație a compresorului, fabricantul MAN B&W a ales pentru instalația de alimentare a motorului in doi timpi cu gaz compresorul cu piston 6LP250-5S_1 de la companie.

In figura de mai jos este prezentat schematic principiul de funcționare a acestui compresor.

Figura 4.14. Schema de principiu a compresorului de gaz

După cum se poate observa, compresorul poate fi divizat in doua secțiuni: secțiunea de joasa presiune (LP) si secțiunea de înaltă presiune (HP). Secțiunea de joasa presiune este formata de prima treapta de comprimare si este caracterizata prin faptul ca are loc comprimarea fără a fi nevoie de răcire, iar secțiunea de înaltă presiune este formata de treptele 2 pana la a 5 cu răcire intermediara după fiecare treapta.

Figura 4.15.Tipuri de piston: stânga fără ungere, dreapta cu ungere

Principalul parametru urmărit de compresor este presiunea de alimentare a motorului care este echivalentul presiunii de refulare a compresorului. Așa cum am arătat anterior, presiunea de alimentare a motorului poate fi intre 150 si 265 bar in funcție de sarcina motorului.

Daca cantitatea de vapori de gaz nu este suficienta pentru a asigura sarcina motorului, iar o vaporizare forțată nu se dorește pentru a asigura necesarul de gaz, atunci, pentru a păstra totuși o presiune presetata in tancul de gaz, compresorul va fi comandat sa lucreze in sarcini parțiale iar sistemul electronic de control al motorului va compensa lipsa de gaz prin creșterea consumului de motorina.

Primul pas de control al sarcinii compresorului se afla la nivelul primei trepte de comprimare prin intermediul valvulei bypass PCV01. Daca este necesar, cantitatea de gaz poate fi ajustata suplimentar cu ajutorul valvulelor bypass de pe fiecare treapta. Cu acest sistem compresorul poate funcționa într-o zona foarte larga de la 0 la 100% capacitate.

Figura 4.16. Secțiune intr-un compresor de gaz

Daca presiunea din tancul de alimentare cu gaz creste foarte mult si nu toata cantitatea de vapori de gaz poate fi arsa in motor, atunci o parte din vaporii de gaz vor fi trimiși la unitatea de oxidare a gazului. Acest lucru va fi asigurat de compresor imediat după treapta 1 de comprimare.

In cazul unei comenzi bruște in sarcina motorului instalația de alimentare va fi protejata împotriva expunerii la presiuni foarte mari cu ajutorul valvulelor bypass de la treptele superioare de înaltă presiune.

La pornirea compresorului, acesta va lucra cu vapori de gaz de temperaturi mai ridicate ceea ce va rezulta in temperaturi mai mari de gaz chiar după prima treapta de comprimare. Pentru a evita supraîncălzirea gazului s-a prevăzut un răcitor suplimentar după treapta 1 de comprimare. Trecerea gazului încălzit prin acest răcitor suplimentar este controlata de TCV01 si TCV02.

Sistemul de control al compresorului are implementat modul de funcționare economic (Power saving mode).

Pentru a obține o funcționare sigura si economica a compresorului, mai mulți parametri de funcționare sunt permanent monitorizați:

presiunea minima de aspirație.

Prin monitorizarea acestei presiuni se previne o scădere sub limite a presiunii in tancul de gaz.

presiunea mare de aspirație

La o valoare presetata de presiune mare in aspirația compresorului se pregătește unitatea de oxidare a gazului.

presiunea maxima de aspirație

La aceasta valoare a presiunii de gaz in manifoldul de aspirație se pornește automat unitatea auxiliara de oxidare a gazului.

presiune maxima de alimentare a motorului

Sistemul de siguranta previne suprapresiunea in instalația de alimentare a motorului.

Reglajul economic al sarcinii unui compresor cu piston mutistage se efectuează de obicei prin recircularea gazului in jurul primei trepte de comprimare. Astfel, presiunea ceruta in instalația de alimentare a motorului este indusa ca valoare de referința pentru valvula bypass de la prima treapta de comprimare. Aceasta valvula va lucra in așa fel încât presiunea din instalația de alimentare cu gaz a motorului sa fie cea prescrisa de unitatea electronica de control a motorului. In acest fel sarcina compresorului poate fi controlata intre 0 -100%.

Următorii parametri de siguranță ai instalației au prioritate in fata presiunii de alimentare cu gaz:

In cazul unei scăderi accentuate in manifoldul de aspirație al compresorului, deci si in

tancul de alimentare cu gaz, valvula bypass de la prima treapta de comprimare nu va mai închide in funcție de presiunea din instalația de alimentare. In acest caz presiunea din instalația de alimentare va scade iar necesarul de gaz va fi completat cu motorina din instalația de alimentare cu motorina. Daca presiunea in tancul de alimentare continua sa scadă pana la o valoare critica, atunci valvula by pass nu va mai închide de loc si gazul va fi recirculat reducând la o valoare minima presiunea in instalația de alimentare cu gaz. In acest caz toata sarcina motorului va fi preluata de instalația de alimentare cu motorina.

In cazul detectării unei presiuni mari in manifoldul de aspirație al compresorului

rezulta o presiune ridicata in tancul de alimentare. La o prima valoare presetata de presiune mare sistemul de siguranță al instalației pregătește pentru funcționare unitatea auxiliara de oxidare a gazului . La următoarea valoare prestabilita de presiune mare in manifoldul de aspirație al compresorului sistemul de siguranță al instalației pornește unitatea de oxidare si dirijează către aceasta o parte din gazul comprimat după treapta 1 prin valvula PCV02.

Pentru anumite condiții de excepție, sistemul electronic de control al instalației poate determina ca întreaga cantitate de vapori de gaz sa fie dirijata către unitatea auxiliara de oxidare a gazului. Un așa exemplu ar fi pe timpul staționarii când nu se pot arde vapori de gaz in motor dar presiunea ridicata din tancul de gaz determina arderea vaporilor in unitatea auxiliara. Presiunea de alimentare a unității auxiliare este intre 3 si 6 bar.

4.3. TURBINE CU GAZE – PREZENTARE, UTILIZARE

Noțiuni introductive

Turbinele navale moderne sunt instalații de propulsie principale compacte, eficiente care funcționează foarte bine in mediul maritim atât timp cat sunt alimentate cu combustibil de buna calitate. Elementul care de obicei este conținut in combustibilul de calitate inferioara si care reprezintă o grija particulara pentru constructorii, proiectanții si utilizatorii de turbine, îl reprezintă metalul vanadiu deoarece riscurilor de coroziune ce pot apărea la temperaturi foarte ridicate. Gazul vaporizat nu conține deloc vanadiu, așadar, constituind un combustibil de foarte buna calitate pentru turbinele cu gaze. Un avantaj particular in ceea ce privește folosirea turbinelor cu gaze ca si instalație principala de propulsive a navelor comerciale îl reprezintă, in mod special atunci când sunt folosite in cadrul unei configurații turbina-electric, faptul ca instalația de forță poate fi configurata in așa maniera încât sa poată permită crearea unui spațiu suplimentar dedicat încărcăturii. Pentru unele nave si pentru anumite tipuri de comerț, spațiul suplimentar destinat mărfii atenuează eficienta scăzută a turbinelor cu gaze in comparație cu eficienta motoarelor diesel. Figura 2.17 prezinta eficienta relativa a unor instalații principale de propulsie de la bordul navelor.

Figura 4.17. Diagrama reprezintă eficientele si capacitățile a diferitelor tipuri de motoare diesel si turbine ce sunt analizate.

Prezentare generală a sistemelor cu turbine cu gaze

Deși s-a crezut ca turbinele cu gaze (GT) montate pe un sistem de propulsie dispun de mai multe avantaje in ceea ce privește raportul putere/greutate, nivelul de emisii de noxe, dispunerea flexibila a instalației, eficienta si mărirea consecventa de volum destinat mărfii, aceasta nu a fost utilizata ca si un nou sistem de propulsie la bordul unei nave ce transporta gaze. In timp ce un sistem de propulsie dotat cu GT dispune de caracteristici si anumite limitări in comparație cu sistemele navale de propulsie convenționale, caracteristicile tehnice detaliate si cele economice trebuie sa fie rezolvate pentru a putea implementa aceasta instalație de putere la bordul unei nave de transport gaze actuale.

Turbinele cu gaze propuse si utilizate la bordul navelor sunt de obicei turbine folosite in industria aeronautica ce sunt modificate si navalizate, fiind dotate cu opțiuni de ultima generație, având viteze mai mici decât cele care sunt folosite la bordul aeronavelor. Aceste modificări pot sa sporească fiabilitatea in mediul marin.

Principalul tip de combustibil ce a fost mereu luat in considerare pentru alternativele de propulsie asociate cu turbinele cu gaze este gazul, MGO fiind considerat ca fiind doar un combustibil de rezerva ce poate fi utilizat in caz de urgenta. Așadar, alternativele sunt potrivite pentru proiectele in care utilizarea gazului (cel fiert pe cale naturala sau in mod forțat) a fost luat in considerare doar din motive pur economice, in mod similar cu cazurile in care se folosesc motoare cu alternativa electrica de alimentare duala si cu viteza medie (gaz si ardere MDO).

Figura 4.18. Ciclul simplu

Mai mult decât atât, opțiunile de configurare care sunt disponibile in cazul turbinelor cu gaz sunt in mare parte bazate pe utilizarea propulsiei electrice, deși se poate folosi si acționarea mecanica prin intermediul unui reductor, iar aceasta nu este considerata ca fiind un concurent la adresa gazului deoarece elimina unele avantaje ce sunt conferite de turbine cu gaze, cum ar fi flexibilitatea instalării, eliminarea generatoarelor de energie electrica, etc.

Puterea electrica generata de alternatoarele turbinelor cu gaze este distribuita către rețeaua de distribuție de pe barele de tensiune ridicata. Puterea motorului de propulsie, sau a motoarelor, este extrasa direct din aceste bare si este apoi convertita pentru a permite alimentarea cu o viteza variabila.

Aceste alternative pot fi:

Cu un ciclu simplu: de obicei cu o singura turbina cu gaze si o turbine auxiliara;

Cu cicluri combinate (COGES): in mod obișnuit cu aceeași configurație ca si in cazul celei cu un ciclu simplu, in ceea ce privește numărul turbinelor cu gaze, însă, in plus este dotata cu un sistem de recuperare al căldurii care folosește energia gazelor de evacuare din turbina cu gaze pentru a adăuga un plus de generare de energie electrica din sistemul de propulsie/sau din cel auxiliar. Aceasta configurație poate conferi o creștere de eficienta de 10% in comparație cu ciclurile simple, însă creste si costul capital al instalației cu o valoare totala de 25% si adaugă un grad considerabil de complexitate acestei instalații.

Figurile de mai jos prezinta dispuneri tipice a trei tipuri de configurații ale propulsiei asociate cu turbina cu gaz care este folosita ca propulsor principal.

Figura 4.19. Un ciclu combinat (COGES)

Avantaje:

Mărirea capacității de încărcare (pentru o nava de 138000 m3, capacitatea de încărcare creste cu aproximativ 8500 m3, in comparație cu cazul in care se folosește o turbina cu aburi);

Dispozitivele au o greutate mica si un volum redus;

Costurile de instalare sunt mici;

Nivelul de zgomot si de vibrații este redus;

Echipamentul necesita un ciclu de mentenanță restrâns;

Dispune de o eficienta termica sporita in comparație cu cazurile in care se folosește o turbine cu aburi;

Designul este mai flexibil;

Consumul de combustibil decât in cazurile in care se folosesc instalații cu aburi (însă nu este la fel de eficienta ca un motor diesel).

Figura 4.20. Acționare directă

Dezavantaje:

Combustibilul de avarie este foarte scump (MGO);

Un cost capital destul de ridicat;

Dispune de o redundant scăzută in comparație cu celelalte alternative;

Este o tehnologie destul de neprobata pentru navele comerciale;

In cazul in care se optează pentru ciclul combinat, complexitatea turbinei cu gaz creste si la aceasta se adaugă instalația de aburi.

Exploatarea ei impune pregătirea in mod speciala a inginerilor.

4.4. ALTE SISTEME DE PROPULSIE – PREZENTARE

Propulsia dual-electrică

Gazul este amestecat cu aerul înainte să înceapă compresia, fiind suficientă o presiune a gazului de aproximativ 5 bari. Această presiune a gazului este din aceeași categorie cu presiunile de gaz din instalațiile turbinei de abur. Aproape de punctul mort superior se injectează o cantitate foarte mică de MDO pentru a provoca aprinderea. Se creează o flacără cu injecția pilot, care apoi aprinde aerul/amestecul de combustibil în camera principală de combustie. Sincronizarea aprinderii este astfel controlată direct de sincronizarea injecției cu combustibil pilot.

Figura 4.21. Principiul de funcționare a motoarelor DF semi rapide

Următoarele modificări sunt aduse la motoarele diesel luând în considerare utilizarea gazului ca și combustibil:

Admisiunea de gaz către fiecare cilindru prin supape separate.

Admisia de aer și colectoarele de evacuare dotate cu supape de reducere de presiune pentru evitarea oricăror riscuri ale operării gazului.

Common rail system pentru injecția de combustibil pilot integrată în chiulasă. Cantitatea de combustibil pilot este controlată de către sistemul de injecție.

Sisteme separate de combustibil convenționale pentru funcționarea pe combustibil lichid.

Un sistem de management al motorului DG special proiectat pentru întreaga sa operare.

Diferența de bază de proiectare între un motor diesel convențional și un motor cu combustibil mixt constă în sistemele de injecție ale combustibilului.

Figura 4.22. Alternative de configurații pentru motoarele diesel cu viteze medii

O alternativa promițătoare pentru instalația de propulsie si de transmisie a puterii, in afara de dispunerea butucului elicei clasice, este reprezentata de utilizarea propulsoarelor speciale de tip Azimut.

Aceasta alternativa nu este destinata in mod special navelor ce transporta LNG, ci pentru toate tipurile de nave ce dispun de propulsie electrica. In ultima vreme acestea reprezintă o alegere din ce in ce mai frecventa pentru navale mari de genul Cruise carriers. Aprecierile celor care le dețin si le exploatează au dus la concluzia ca acestea in se confrunta cu niște probleme tehnice destul de tăioase.

Propulsoarele de tip Azimut sunt sisteme de tip pod acționate electric, ce sunt montate pe un arbore ce se poate roti la 3600 sub linia de plutire si sub nava. Absenta unei cârme îmbunătățește caracteristicile dinamice subacvatice si sporește gradul de manevrabilitate. Permițând instalarea unor instalații flexibile, propulsoarele de tip Azimut permit construirea unei nave de dimensiuni mai mici, însă care dispune de un spațiu de încărcare la fel de mare.

Principala componenta este reprezentata din cadrul instalației subacvatice este motorul electric, in acest caz fiind vorba de un tip de motor electric sincron, fără perii de excitație, care are un stator mai mic, astfel încât sa încapă in lăcașul pod-ului. In cele mai multe cazuri motorul este dotat cu îngustări duble pentru a permite o funcționare continua la o sarcina constanta >50%, chiar si in cazul in care întâmpina probleme tehnice. Exista si o frâna pentru arbore, cat si un dispozitiv de blocare pentru a permite rotirea lenta a arborelui pentru a permite efectuarea lucrărilor de mentenanță.

Propulsie folosind turbine cu abur

Propulsia cu ajutorul turbinelor cu abur a fost adoptată de majoritatea navelor de transport gaze naturale lichefiate. Motivele pentru care navele de transport gaze naturale lichefiate folosesc instalații de propulsie cu abur cu ajutorul turbinelor de abur și al căldărilor sunt :

excedentul instalațiilor de propulsie cu două căldări și două turbine;

abilitatea de a arde gazul rezultat din pierderile tancurilor de marfă;

folosirea energiei aburului pentru propulsie și pentru producerea de energie electrică;

o perioadă mai îndelungată de folosire a instalațiilor de propulsie;

nu se consumă ulei.

Navele de transport gaze naturale lichefiate utilizează instalații de propulsie cu abur cu ajutorul căldărilor de abur și turbinelor de abur deoarece este o modalitate ușoară de ardere a gazelor evaporate din tancurile de marfă și deci nu este nevoie de o instalație costisitoare pentru a se realiza re – lichefierea.

Aburul de la căldările principale cu ajutorul unei tubulaturi comune alimentează turbina principală. Fiecare căldare prin tubulaturi multiple alimentează pompele de alimentare cu apă a căldărilor principale și ambele turbo – generatoare. Acest circuit este realizat să alimenteze mașinile auxiliare de pe fiecare parte a tubulaturii multiple dând o flexibilitate mărită pentru lucrările de întreținere.

Figura 4.25. Schema instalației de propulsie

Abur de la evacuarea supraîncălzitorului este dus la supraîncălzitorul intern care este împărțit la diversele servicii de abur.

Unitatea principală de propulsie se compune dintr-o turbina de înaltă presiune, o turbină de joasă presiune incluzând turbina de marș înapoi, condensator, unitatea de manevrare a supapelor și angrenajul de reducere. Aburul de la supapele de manevră este admis în turbina de înaltă presiune prin duze.

Turbina cu abur este o mașină termică rotativă în care energia potențială a aburului este transformată în prima fază, în energie cinetică, pentru ca apoi să se transforme în lucrul mecanic de rotație a arborelui turbinei.

În scopul realizării unei asemenea transformări, turbina este prevăzută cu un anumit număr de piese fixe de construcție specială (ajutaje sau palete fixe), în care energia potențială a aburului (entalpia) se transformă în energie cinetică și cu o serie de palete situate la periferia circulară a unui disc mobil făcând corp comun cu un ax (arbore), sau la periferia unui tambur, cu ajutorul cărora energia cinetică a aburului se transformă în energie mecanică.

4.5. ALTERNATIVE – ANALIZE COMPARATIVE

Instalația cu turbina cu gaze este foarte fiabila si a fost aleasa de multe nave ce transporta LNG. Abilitatea de a folosi BOG, dar si HFO asigura o combustie curate, de calitate. Totuși, aceste instalații au dat dovada de o eficiente inferioara in ceea ce privește consumul de combustibil, având un consum foarte mare. Mai mult decât atât, aceste sisteme de propulsie sunt foarte voluminoase si greu de instalat, ocupa mult spațiu, reducând din spațiul destinat mărfii si trebuie sa fie exploatate de ingineri navali experimentați.

Motorul diesel dotat cu o instalație de relichefiere permite o separare completa intre motor si sistemul de manevrare a BOG. Eficienta consumului este mai ridicata, crescând si cantitatea de marfa ce poate fi livrata, însă toate astea vin la schimb cu eliminarea flexibilității consumului de gaz ca si combustibil de propulsie, in același timp aceste motoare generează un nivel mai ridicat de emisii de noxe si de noxe sulfuroase.

Tipul de alimentare cu combustibil diesel dual elimina unele din dezavantajele asociate cu alternative folosirii unei instalații lente de relichefiere, menținând in același timp eficienta termica crescuta a unui motor naval diesel lent.

Conceptual pentru navele care transporta LNG dotate cu sistem de propulsie de viteza medie cu alimentare electrica dubla conferă posibilitatea refolosirii gazului lichefiat ce se evapora din tancul de marfa in scopul propulsiei in timp ce pot realiza eficiente termice mai bune, decât in cazul utilizării unui motor diesel. Reprezintă una dintre cele mai curate tipuri de instalații de propulsie conferind nivele variate de redundant si flexibilitate, folosind mai multe tipuri de motoare diesel, generând si energie electrica destinata propulsiei, deservirii instalației, cat si transferului de marfa.

Motoarele diesel cu alimentare duala este un dintre cele mai fiabile alternative pentru o noua generația de nave ce transporta LNG. O atenție deosebita trebuie acordata normelor de siguranță ce privesc construcția si funcționarea.

Turbina cu gaze folosita cu un ciclu combinat conferă o eficienta mai buna din punctul de vedere al combustibilului, emisii de noxe mai reduse, in comparație cu turbine convenționala cu aburi. Totuși, aceasta trebuie sa fie alimentata cu un produs petrolier de înaltă calitate (si cu MGO ca si combustibil de rezerva), având si un sistem complicat ce combina tehnologia de ultima ora a turbinelor cu gaz cu cea a instalațiilor tradiționale cu aburi, cat si alte sisteme auxiliare asociate.

Tabelul de mai jos indica efectul fiecărei alternative de propulsie asupra componentelor principale care ar trebui sa fie luate in considerare atunci când se încearcă evaluarea alternativelor diferite de propulsie in comparate cu sistemul de baza de propulsie cu aburi. Mai mult decât atât, figura 20 reprezintă efectul diferitelor alternative de propulsie asupra dimensiunilor camerei mașinilor si asupra capacității de transport a mărfii.

In mod evident decizia care se ia asupra unui anumit tip de proiect trebuie sa se bazeze si pe analiza tehno-economica care urmează sa incorporeze întreg lanțul de transport.

Tabelul 4.2. Compararea alternativelor de propulsie.

↑ – Indica un efect pozitiv,

→ – Indica un efect ce nu poate fi evaluat,

↓ – Indica un efect negativ,

Industria gazelor a intrat într-o perioada de creștere noua care duce la schimbări tehnologice. Metoda tradiționala de propulsie a navelor ce transporta LNG, turbina cu aburi, este pusa la îndoiala ținând cont de felul in care s-au dezvoltat sistemele alternative de propulsie, cat si sistemele de relichefiere a gazului ce se evapora in tancurile de marfa.

In cazul modificărilor aduse motoarelor diesel sau a turbinelor cu gaze par sa se fi înregistrat beneficii semnificative in ceea ce privește instalația de propulsie, dar si in ceea ce privește economisirea de combustibil, a sporirii capacității de încărcare, cat si a reducerii emisiilor de noxe. De asemenea, trecerea de la propulsia pe aburi pe cea pe diesel conferă si beneficiul suplimentar prin ușurarea exploatării prin angajarea unor ingineri noi experimentați cu acest tip de instalație de propulsie, care tind sa îmbunătățească industria transportului de LNG.

Fiecare sistem alternativ dispune de avantajele si dezavantajele sale. Proprietarii individuali, navlositorii, sau proiectanții si constructorii de nave ce transporta gaze pot pune in balanța aceste avantaje si dezavantaje ținând cont de importanta lor atunci când se alege proiectul potrivit. Prevederea prețului relativ a gazului in comparația cu prețul combustibilului petrolier (combustibil marin greu sau combustibil diesel) își va spune si ea cuvântul in ceea ce privește alegerea proiectului final.

Fiecare dintre proiectele prezentate mai sus sunt in continua cercetare, la ele aducând-se mai multe îmbunătățiri ulterioare, cat si o integrare mai buna in proiectele compartimentării si a chilelor navelor, dar o integrare mai buna in cadrul interfeței nava/mal. Ca si rezultat, nu exista un proiect considerat ca fiind “cel mai bun” care sa fie promovat de către ingineri sau de către client. In cazul in care unul din ele va fi considerat ca fiind cel mai bun, sau daca se dezvolta si se confirma un anumit număr de alegeri excepționale in rândul sistemelor alternative, acelea vor deveni fiabile si disponibile pentru întreaga piața; in orice caz, industria gazului va beneficia din plin de aceasta perioada de continua dezvoltare.