Vandemulgering af brændolie til to-takt dieselmotorer

Transkript

1 Vandemulgering af brændolie til to-takt dieselmotorer Den Danske Maritime Fond ref MAN Diesel & Turbo ref A P Møller Mærsk ref. IN044 Side 1 af 19

2 Forkortelser ABS American Bureau of Shipping APMM A P Møller Maersk CARB California Air Resources Board DDMF Den Danske Maritime Fond ECA Emission Control Area EGR Exhaust Gas Recirculation HHI-EMD Hyundai Heavy Industries Engine Machinery Division HHI-SBD Hyundai Heavy Industries Shipbuilding Division IMO International Maritime Organisation MDT MAN Diesel & Turbo SFOC Specific Fuel Oil Consumption Tier II Refererer til IMO Tier II NO X grænse - 14,4 g/kwh (rpm<130) Tier III Refererer til IMO Tier III NO X grænse - 3,4 g/kwh (rpm<130) VTA Variable Turbine Area WIF Water In Fuel Vand i olie emulsion WHR Waste Heat Recovery Spildvarme genindvinding Side 2 af 19

3 Indholdsfortegnelse 1. Konklusion Introduktion Introduktion af ME/ME-C/ME-B til marinemarkedet Emissionsfordel ved drift på vandemulgeret brændstof Samarbejdspartnere Formål Projektforløb Testresultater Prøvekørsel på prøveplan oktober Prøvesejlads februar Test i Service Skibsaflevering 6. marts Inspektion og ombygning til WIF maj-juni Første driftsforsøg på WIF og efterfølgende inspektion 11. juni Inspektion til søs 14. juni Inspektion i Ningbo New Port, Kina, 16. juni Inspektion i Nansha New Port, Kina, 20. juni Ombygning af motor tilbage til drift uden WIF Observationer under WIF test Inspektion af cylinderslid i Yantian, Kina, 4. september Fortsættelse af test efter afslutning af projektet Side 3 af 19

4 1. Konklusion Den overordnede konklusion er, at projektet er løst godt mht. formålet, da vi har fået udviklet et velfungerende WIF system, som også har vist sig at virke i praksis. Projektet har været gennemført uden afvigelser af de planlagte aktiviteter, bortset fra, at det var vores hensigt, at skibet skulle have startet i service med WIF systemet i drift, hvilket desværre ikke var muligt, først pga. manglende klassegodkendt teknisk fil, senere pga. for store koksaflejringer i motoren og sidst på grund af motorens store cylinderslid ved normal drift uden WIF. Der er derfor stadigvæk nogle udfordringer mht. WIF drift, som skal løses som f.eks.: Årsagen til koksaflejringer i motoren kunne det evt. være forårsaget af den længere indsprøjtningstid, indsprøjtningstidspunkt eller kunne det være relateret til vandkvaliteten, som ikke har været i overensstemmelse med MDT s specifikation? Større produktion af ferskvand ved lav motorbelastning Sidst men ikke mindst skal motorens cylindertilstand ved drift på normal brændselsolie uden vand forbedres, før WIF drift kan igangsættes. Herefter vil der forhåbentligt være et mangeårigt testforløb med et tæt samarbejde mellem MDT og APMM. 2. Introduktion Siden 1982 er mere end MC/ME motorer solgt til marinebrug verden over, og MAN Diesel & Turbo er dominerende i dette store markedssegment. I dag opererer skibe på heavy fuel oil (HFO) verden over. Nye emissionskrav i lokale og internationale farvande, f.eks. IMO, CARB samt svenske og norske regler, betyder at industrien søger alternative metoder til nedsættelse af motorernes emission. Her kommer vandemulgeret brændstof (WIF Water In Fuel emulsion) ind i billedet som et alternativ med et stort potentiale. Det vil kunne bruges til mange forskellige formål som f.eks. til i betragteligt omfang at reducere NO x eller i mindre omfang at reducere CO 2 samt formentligt til at sikre en mere sikker drift på marine gasolie, når dette er nødvendigt. Det primære sigte med dette projekt er at modne WIF teknologien, således at den kan anvendes alene eller i kombination med andre emissionsreducerende teknologier til begrænsning af NO x emission. MAN Diesel & Turbo har allerede tilbage i firserne udviklet to-takt MC motorer til drift på vandemulgeret brændstof i første omgang med henblik på kraftværksmarkedet. Der er dog stor forskel på en kraftværksmotor, som normalt opererer på en konstant høj belastning, og en marinemotor, som skal kunne fungere uden risiko for driftsikkerheden ved alle belastninger, samt kunne fungere med forskellige vandprocenter i emulgeringen. Side 4 af 19

5 2.1. Introduktion af ME/ME-C/ME-B til marinemarkedet Siden introduktionen af de elektronisk styrede motorer er det blevet nemmere og dermed væsentligt billigere at kunne operere på vandemulgeret brændstof, da de fysiske ændringer på motorerne ikke er så omfattende. En færdig modnet løsning vil dog kunne applikeres som retrofit på både elektronisk styrede motorer og på mekanisk styrede motorer, hvilket vil kunne give mulighed for retrofit på skibe, hvor dette vurderes at være gavnligt. Ved retrofit i større skala vil der kunne blive tale om et større samlet bidrag til reduktion af udledninger fra skibe grundet den store flåde i drift Emissionsfordel ved drift på vandemulgeret brændstof MAN B&W motorer, der opererer på vandemulgeret brændstof vil kunne opnå reduktioner i udstødsemission i større eller mindre omfang, afhængigt af hvordan det er tiltænkt brugt. Virkemåden er at vandet pga. den krævede fordampningsvarme sænker temperaturen i dieselflammen og herved reducerer dannelsen af NO x, som fortrinsvist dannes ved høje temperaturer. Hvis der f.eks. ikke bruges andre NO x reducerende tiltag, er følgende gennemsnitlige emissionsændringer mulige: NO x : -30% til -35% CO 2 : +2% til +3% Såfremt at WIF systemet bruges til at kunne opfylde IMO s Tier III krav sammen med EGR (Exhaust Gas Recirkulation), som kan vise sig at være en optimal løsning, er følgende gennemsnitlige emissionsændringer mulige: NO x : -80% CO 2 : +2% til +3% En normal Tier II motor er optimeret mht. det bedste kompromis mellem det laveste SFOC og NOx niveau. Såfremt der vælges at optimere kun for SFOC, vil der kunne opnås en vis brændstofbesparelse, men på bekostning af et forhøjet NOx niveau. Her kan der så vælges at bruge WIF til at reducere NOx niveauet til at kunne opfylde IMO s Tier II krav, hvorved følgende gennemsnitlige emissionsændringer er mulige: CO 2 : -2% til -5%* NO x : 0% * ved kombination med andre teknologier som f.eks. VTA turbolader. Dette skal ses i den overordnede sammenhæng, at den maritime branche bidrager til 3-4% af verdens samlede CO 2 emission. Side 5 af 19

6 2.3. Samarbejdspartnere MAN Diesel & Turbo har etableret samarbejde med rederiet A. P. Møller Mærsk om at færdigudvikle et sådant WIF system til dette projekt, som skal installeres og kort- og langtidstestes ombord på en af A. P. Møller Mærsk s nybygninger i C-klassen, som består af 22 stk 4500 TEU Containerskibe. Foruden APMM har vores koreanske motor licensbygger Hyundai Heavy Industries Co Ltd og tilhørende værft også deltaget med ændringer på motor, diverse test og ombygning af hjælpesystemer på skib. Endvidere har en tysk underleverandør LEMAG leveret et vandemulgeringsmodul med tilhørende stabilisatormodul. Stabilisatorvæsken er udviklet af DuPont Nutrition Biosciences ApS (tidl. Danisco A/S) i samarbejde med MDT og støttet af Miljøstyrelsen og sikrer, at der kan emulgeres store vandmængder, når der opereres på gas- eller dieselolie. 3. Formål Projektets formål har været at udvikle og teste et vandemulgeret brændstofsystem (WIF) til to-takt dieselmotorer. Dette vil gøre MAN Diesel & Turbo i stand til at kunne levere MAN B&W to-takt dieselmotorer med et forholdsvist simpelt system (sammenlignet med alternativerne) til at reducere udstødsgasemisionerne som et stand alone system og dermed have skabt grundlaget og muligheden for at kunne benytte det sammen med andre emissionsreducerende systemer, som f.eks. EGR, hvilket kan vise sig at være en optimal kombination. Alternativt kan stand alone WIF systemet benyttes som retrofit. 4. Projektforløb Det indledende projekt startede foråret 2010, hvilket resulterede i den endelige aftale med DDMF juli Projektet har været inddelt i 4 faser: Projekt undersøgelser og specifikationer inklusiv indkøb af udstyr Test af motor og vandemulgeringsudstyr ved motorproducent ved prøvekørselen Test af alle hjælpesystemer i skib ved prøvetur Langtidstest af påvirkningen af drift med vandemulgeret brændstof Safmarine Chambal, som er APMM s skib nummer 10 i C-klassen ud af 22 stk containerskibe på 4500 TEU under bygning hos Hyundai Heavy Industries Shipbuilding Division (HHI-SBD) i Ulsan, Korea, blev valgt til forsøget. Side 6 af 19

7 Fig. 1: Safmarine Chambal Skibs detaljer: Skibstype og størrelse: 4500 TEU containerskib Klasse: WAFmax C-klasse HHI-SBD nybygning: Nr Skibsnavn: Safmarine Chambal Motoren, en 6S80ME-C9 fra Hyundai Heavy Industries Engine Machinery Division (HHI-EMD), var en ny type, som første gang blev brugt til denne skibsserie. Med en effekt på kw og forsynet med et varmegenindvindingsanlæg, hvor spildvarmen fra udstødsgassen og kølevandet udnyttes til at producere elektricitet, er dette i udgangspunktet et af de allermest energioptimale skibsanlæg, der er leveret. Da det var blevet besluttet, at WIF systemet skulle bruges til at reducere brændstofforbruget og samtidig sikre at IMO s krav til NO x udledningen stadigvæk overholdes, ville vi kunne opnå en hidtil uset høj totalvirkningsgrad - specielt ved dellast. Motor data: Type: 6S80ME-C9 Effekt: ,9 rpm (Nominel ydelse rpm) Side 7 af 19

8 Valget af vandemulgeringsmodul og stabilisatormodul blev valgt fra LEMAG i Hamburg, Tyskland, hvor vi i fællesskab fik udfærdiget de nødvendige specifikationer. Fig. 2: Vand- og stabilisator moduler ved test i prøvehal hos Hyundai Fig. 3: Vandemulgeringsmodul i skibets maskinrum Fig. 4: Stabilisatormodul i skib Side 8 af 19

9 Motoren blev testet på prøveplan hos HHI-EMD oktober Foruden det normale testprogram skulle motoren testes med mange forskellige performanceindstillinger for at finde den mest optimale indstilling, når der skulle køres på WIF. Testene blev afsluttet med en officiel test, hvor motorens performance blev demonstreret i WIF mode, hvor den skulle godkendes som en ny parent engine, hvilket bl.a. kræver demonstration af overholdelse af NOx udledningen iht. IMO Tier II niveau. Fig. 5: 6S80ME-C9 test af motor i prøvehal hos Hyundai Heavy Industries For at kunne foretage disse test var det nødvendigt at ændre testhallens brændselsoliesystem således, at vi kunne blande vandet i brændstoffet uden at sende det vandemulgerede brændolie retur til vejetanken, som ellers er normalt. Endvidere var det selvfølgelig også nødvendigt at installere de indkøbte vandemulgerings- og stabilisatormoduler. Dette fungerede samtidig som en komplet funktionstest, før det hele skulle installeres i skibet. Selve motoren endte med at få formindsket sit kompressionsvolume ved at forlænge stempelstængerne vha. en mellemlægsbrik mellem stempelstængerne og krydshovederne, foruden modificering af de to turboladere med nye dyseringe. Endvidere blev motorens software ændret med bl.a. ny timing. Side 9 af 19

10 Efter motorafprøvningen på prøveplan blev motor og WIF udstyr installeret i skibet, hvor der skulle ændres en del i forhold til søsterskibene. De største ændringer er følgende: To adskilte fuel systemer - et til hovedmotoren, hvor der kan blandes vand i brændstofsystemet og et til hjælpemotorerne, som skal køre på normalt brændstof Indbygning af vandemulgeringsmodul for at kunne blande vand og brændstof sammen til en homogen og stabil emulsion med det rette forhold mellem vand og brændstof Indbygning af stabilisatormodul for at kunne tilføre stabilisatorvæske til brændstoffet, når der køres på enten gas- eller dieselolie for at sikre, at emulsionen forbliver stabil, indtil motoren har forbrændt emulsionen Ændrede tryk i brændstofsystemet, hvor der bruges bar i forsyningskredsen i forhold til normalt 4 bar og bar i cirkulationskredsløbet mod normalt 7-8 bar. Dette er nødvendigt for at undgå, at vandet i emulsionen skal begynde at koge. Større og ekstra forvarmere, da der skal bruges ca. dobbelt så meget varme som normalt til at opvarme emulsionen, samtidig med at emulsionen skal kunne opvarmes til en temperatur på ca. 180 C mod normalt 150 C. Dette er nødvendigt for at kunne sikre den rette viskositet af emulsionen. Da det ikke er muligt at opvarme emulsionen til så høj temperatur med damp alene, er der lavet et system bestående både af dampforvarmer og el-forvarmer Sikkerhedssystem der skal sikre, at trykket kan holdes i brændstofsystemet og dermed undgå opkogning af vandet i emulsionen f.eks. i tilfælde af et black out. Endvidere er der også et dumping system, der sikrer, at man kan få emulsionen ud af systemet på en hurtig måde, hvis det skulle ønskes eller være nødvendigt Større ferskvandsproduktion, da der skal bruges store ekstra mængder vand op til ca. 40 tons per døgn. Der blev derfor installeret en ekstra ferskvandsgenerator på samme størrelse som den normale. Side 10 af 19

11 I februar 2012 blev der foretaget kajprøve og prøvesejlads, hvor alle systemerne blev checket endnu engang, men nu i de endelige omgivelser, hvilket inkluderer drift på emulsioner med både dieselolie og HFO. Fig. 6: Top af motor i skibets maskinrum Da alle målinger mht. motor performance og emisioner var blevet foretaget på prøveplan under meget kontrollerede forhold, skulle dette ikke gøres på prøveturen. Prøveturen skulle i stedet bruges til at teste systemerne grundigt igennem i alle mulige situationer for at opnå sikkerhed til uforudsete forhold. Side 11 af 19

12 g/kwh MAN Diesel & Turbo 5. Testresultater 5.1. Prøvekørsel på prøveplan oktober 2011 Ved testkørselerne på prøveplanen hos HHI-EMD testede vi bl.a. følgende: Tre forskellige brændstofforstøvere Forskellige vandmængder 30, 40 og 50% tilført vand i procent af brændstoffet Test af endelig matchning Temperatur på forbrændingskomponenter hvor følgende resultater blev opnået: Optimal vandprocent blev valgt til 40% uafhængig af motorbelastning, som det bedste kompromis mellem NOx reduktion og brændstofforbrug. Fig. 7: Emulsionsprøve med vand og dieselolie efter ca. 4 dage Brændstofforbruget blev reduceret med 2-3g/kWh ved lav- og dellast se graf Fig SFOC savings operating on 40% WIF Load (%) Fig. 8: Opnået brændstofbesparelse ved drift på WIF Side 12 af 19

13 Der blev målt forbrændingsrumstemperaturer både med og uden vand, og det kunne konstateres, at vandet kun forårsagede minimale ændringer se fig nedenfor. Combustion chamber temperatures: 6S80ME-9 Engine Test no.load Atomizer HHI_2347 GT17 75% O-9 reference 75%: O-9 reference HHI_2347 GT37 75% O-9 with 40% WIF 75%: O-9 with 40% WIF : Deg. C. 500 Deg. C Deg. C. 75%: O-9 reference 75%: O-9 with 40% WIF Bottom Seat mm mm Fig. 9: forbrændingsrumstemperaturer både med og uden WIF Side 13 af 19

14 Den endelige motorkonfiguration blev (forskellig fra standard): Nye brændstofpumper med større slaglængde (for at kunne indsprøjte en større mængde) Shims under stempelstænger på 42mm tykkelse mod normalt 35 mm (for at ændre kompressionsvolumen) Ny dysering til turboladerne til et gas flow areal på 390 cm 2 mod normalt 405 cm 2 Fig. 10: Turbolader dysering Ændret timing (software) Ny software (for at kunne tage højde for et brændstof med ændrede brændværdi) Diverse O-ringe og brændstofrør (pga. den højere brændstoftemperatur) Nye brændstofventiler af andet materiale, men ellers uændrede Side 14 af 19

15 Sidst, men ikke mindst blev motoren inspiceret af APMM, ABS og MDT efter prøvekørselen. Fig. 11: Inspektion af cylinder foring Fig. 12: Inspektion af stempel 5.2. Prøvesejlads februar 2012 Testforløbene på prøveturen hos HHI-SBD forløb godt og foregik næsten udelukkende på WIF, hvor vandet blev emulgeret med en 340cSt HFO med følgende resultater: Performance på varmegenvindingsanlægget (WHR): Her var der i projektfasen gættet på en reduktion i el-produktionen på ca. 50kW ved dellast. Målingerne på prøveturen gav følgende resultater: 90 % load => -150kW 70 % load => -120kW svarende til ca. 0,7 % højere SFOC 60 % load => - 45kW svarende til ca. 0,3 % højere SFOC Dette skal ses i forhold til de opnåede SFOC besparelser ved lav- og dellast på 2-3g/kWh svarende til 1,2-1,8 % forbedring af SFOC! Start test: Der blev udført starttest i de forskellige mulige modes med og uden vand med følgende resultater: Nem at starte uanset drift mode og brændstof kvalitet med eller uden vand Der skal ikke bruges mere luft end normalt eller større start index Side 15 af 19

16 Minimum omdrejningstal: Dette blev registreret til rpm, hvilket også er normalt. Viskositet af brændstof: Normalt skal viskositeten være ca cst ved tilgang til motoren, men vi prøvede at øge viskositeten til det maksimale, som det var muligt aht. viskosimeteret. Vi kunne konkludere, at der ikke var nogen negativ indflydelse ved at øge viskositeten til C ( C). Det anvendte brændstof var HFO på C emulgeret med vand i forholdet 100 : 40 svarende til 40% tilført vand. Tidspunkt for tilsætning af vand: For at undgå at turboladerne staller erfarede vi, at omskiftning til WIF bør foretages fra lav last WIO føler: Vi havde fået installeret en føler, der skulle være i stand til at måle vandmængden i emulsionen ved tilgang til motor. Denne virkede dog ikke ret længe. Den er ikke nødvendig, men vi vil gerne have funktionen, som et check på, at vi har den ønskede vandmængde specielt på fremtidige anlæg. Vi arbejder derfor videre med leverandøren mht. en løsning. Inspektion: Alt så fint ud efter prøveturen bortset fra nogle store klumper koks rester, der blev fundet i udstødsreceiveren. Årsagen til dette er stadigvæk uvist! Fig. 13: Koks rester fundet i udstødsreceiver Side 16 af 19

17 6. Test i Service 6.1. Skibsaflevering 6. marts 2012 Et af kravene for at kunne benytte sig af WIF drift på motoren er, at der skal forefindes en godkendt teknisk fil ombord, der dokumenterer motorens overholdelse af NOx emissioner. En sådan godkendt teknisk fil nåede desværre ikke frem, før skibet skulle sættes i drift. Det var derfor nødvendigt at bygge motoren tilbage til standard, før skibet kunne sejle Inspektion og ombygning til WIF maj-juni 2012 Da WIF konfigurationen er med større mellemlæg under stempelfoden kommer stemplets position i top højere op end normalt. Derfor er det nødvendigt at måle den slidkant, der er kommet pga. det normale slid, for at vurdere om en slibning af slidkanten er nødvendigt, før de tykkere mellemlæg monteres. Cylinderslidet blev målt på 3 cylindre (cyl 1 blev målt i Tanjung Pelepas, Malaysia, d. 23. maj og cyl 2 og 3 blev målt i Hong Kong juni). Den før omtalte slidkant blev vurderet til ikke at være nødvendig at slibe væk, hvorefter ombygning til WIF drift fandt sted efter i alt 1665 driftstimer Første driftsforsøg på WIF og efterfølgende inspektion 11. juni 2012 WIF blev startet ved sejlads fra Hong Kong til Quingdao, Kina. Første inspektion d. 11. juni 2012 efter 73 driftstimer på WIF med en gennemsnitlig motorbelastning på ca. 43% (1738 driftstimer i alt). Der var tegn på svovlsyre kondensat på cylindervæggen og koks på stempel, hvorfor cylindersmøreolie mængden blev øget fra 0,26 til 0,28 * Svovl% (g/kwh) Inspektion til søs 14. juni 2012 Efter 25 driftstimer siden sidste inspektion og heraf 8 timer på WIF (totalt 1763 driftstimer) blev der foretaget inspektion til søs. Det så umiddelbart ud til, at cylindertilstanden var forbedret, men driftstiden siden sidste inspektion var jo ret begrænset. Side 17 af 19

18 6.5. Inspektion i Ningbo New Port, Kina, 16. juni driftstimer heraf 122 på WIF og en gennemsnitlig motorlast på ca. 20% siden sidste inspektion varierende fra 7-43%. Der blev fundet store aflejringer i udstødsreceiver og afgangstragte fra udstødsventiler, hvilket gav anledning til bekymring mht. for store aflejringer i hele udstødsgassystemet som turboladere, WHR gas turbine og udstødskedel. Fig. 14: Afgangstragt udstødsventil nr Inspektion i Nansha New Port, Kina, 20. juni 2012 Efter 1859 driftstimer i alt og de sidste 72 uden WIF og en motorlasting op til ca. 55% siden sidste inspektion, var koksresterne væk. Fig. 15: Afgangstragt udstødsventil nr Ombygning af motor tilbage til drift uden WIF Pga. ovennævnte koksdannelse i udstødsreceiver og gasafgange blev det besluttet at bygge motoren tilbage igen til normal drift, hvilket blev foretaget d. 25. juni 2012 efter 1950 driftstimer heraf 122 timer på WIF. Tiden herefter skal bruges til at vurdere mulige årsager til de store koksaflejringer i udstødssystemet og muligheder for forhåbentligt snarligt at genoptage testene. Side 18 af 19

19 6.8. Observationer under WIF test Under WIF testen fungerede vandemulgatorenheden uden problemer, og hjælpesystemet fungerede også fint, men med følgende bemærkninger: Brændselsoliefiltret i cirkulationskredsen skal renses oftere WIO sensor virker ikke Skibets fart er generelt så lav, at motorbelastningen ikke var tilstrækkeligt til at producere nok ferskvand! Forvarmningstemperaturen blev registreret til ca C for at opnå en viskositet på 18cSt ved den aktuelle fuel (AMK C) 6.9. Inspektion af cylinderslid i Yantian, Kina, 4. september For bl.a. nemmere at kunne foretage test med WIF uden at skulle ombygge motoren, hvilket er meget tidskrævende, afventede vi en ny test på en søstermotor i samme serie, som blev testet med samme motorlayout som WIF motoren, som kun skulle køre på normal brændselsolie. Vi vil hermed senere kunne få WIF motoren godkendt som en member engine til driften på normal olie og ville derfor lovligt kunne skifte mellem drift på og uden vandemulsion uden at skulle ombygge motoren. Denne test blev foretaget d. 3. september 2012, og vi gjorde derfor klar til at bygge motoren tilbage til WIF konfigurationen, inden slidkanten i cylinderforingerne blev for stor. Slidkanten blev derfor målt op i en cylinder og de andre cylindre blev visuelt inspiceret. Resultatet af denne opmåling var dog meget nedslående, idet cylinderslidet var meget stort meget større end normalt, hvilket desværre også har været set hos søstermotorerne. Det er derfor besluttet ikke at foretage flere WIF forsøg, før det generelle slidproblem er løst, da vi ellers ikke vil kunne vide, hvilken indflydelse vandet måtte have på motorens drift. 7. Fortsættelse af test efter afslutning af projektet Efter at slidproblemet ved drift på normal brændselsolie er løst, skal følgende foretages: Motor skal ombygges til WIF konfiguration Der skal et team af specialister ombord, for at udføre detaljere målinger af forbrændingsprocessen samt udstødsgasemissionen Testresultater evalueres, og forhåbentligt findes der en løsning, så WIF drift kan genoptages for kontinuerlig drift. Side 19 af 19