Brændstofbesparelser i MR- Produkttankskibe

Transkript

1 Brændstofbesparelser i MR- Produkttankskibe Jacob Brammer Eggertsen, V10381 Mikkel Skov Rasmussen, V09839 Side 1 af 78

2 Forfattere: Mikkel Skov Rasmussen V09839 Jacob Brammer Eggertsen V10381 Rapportens titel: Brændstofbesparelse i MR-produkttankskibe Projekttype: Bachelorprojekt Uddannelse: Maskinmester Fagområde: Maskinlære, Maritime fag Årgang: 6. semester Uddannelsesinstitution: Aarhus Maskinmesterskole Vejleder: Lars Thomsen Projektets løbetid: Oktober December 2013 Afleveringsdato: 16. December 2013 Antal normalsider: 39,6 ( anslag) Side 2 af 78

3 Abstract This project is divided into two cases, which both concerns reductions of the fuel consumption in product tankers. The first case concerns the use of energy losses, which is bound in the exhaust gasses from various fuel consuming machinery. Some of the systems are ruled out in the beginning of the project due to the fact that the energy output from the exhaust gasses or running hours are estimated to be insufficient to make a reasonable investment. The systems, which remain, are the auxiliary engines and the incinerator. The boiler plant is described and analysed in order to create an overview of the possibilities and furthermore the measures which should be taken into account when wanting to exploit the energy, bound in the exhaust gasses. The analysis clarifies that the oil-fired boiler has not been running, during the internship at sea, at any time during sea passage. That particular fact makes it clear that there are no savings to be made in the project by means of the incinerator, due to the fact that, it is almost only in service during sea passage. It is analysed whether it will reasonable, to invest in equipment which makes it possible to make use of the energy bound in the exhaust gas from the auxiliary engines. It is found to be a profitable investment because it is estimated to have a payback interval of a little more than 3 years. Due to the estimated operating time of the vessel, it has more than a 10-year period to generate a profit from the investment. Not taking into account the maintenance and installation costs. Case two concerns the possibility of achieving fuel savings, by using a shaft generator to produce electricity instead of a diesel generator has been investigated. In order to obtain a result it has been necessary to determine the time spent in sea passage to a yearly average, which has been further divided in to the time spend in emissions controlled areas. There are two grades of fuel used during sea passage, outside emission controlled areas the ship uses heavy fuel oil with a sulphur content above 1 percent, and inside emission controlled areas heavy fuel oil with a sulphur content less than 1 percent. The average in fuel prices of both fuel grades has been calculated. In sea passage the operation pattern of the main engine, has been investigated and determined to be with a relative constant load of kW. Due to constant speed settings, the only variable of the load is the weather. Likewise the operation pattern of the diesel generator has been investigated, and Side 3 af 78

4 through this investigation it has been determined, that there is primarily only one generator in operation during sea passage with a load of 589.1kW in average. From this investigation in has been determined, that during sea passage, there are two engines in operation in part load, which draws the conclusion, that it should be possible to obtain a fuel saving by implementing a shaft generator. In cooperation with Siemens Marine and Shipbuilding there has been found a possible solution with a shaft generator, which has a rated power of 1MW. With this shaft generator an estimated fuel saving of 850kg per day during sea passage has been calculated, which on a yearly basis is estimated to be 570,869 DKR. This gives a payback time of the investment about 7 years. Side 4 af 78

5 Forord Projektet tager sit udgangspunkt i praktikperioden fra til hos rederiet Torm, og har mere specifikt grobund om bord på Torm Lotte, et af virksomhedens produkttankskibe, mærket som isklasse skibe på DWT. Rederiet er bestyrer 54 produkttankskibe indenfor relativt samme størrelse, MR-klassen ( til DWT). Emnet brændstofbesparelse er valgt, da der generelt er et stort fokus på dette i den maritime sektor. Projektet er opbygget på iagttagelser i løbet af praktik perioden, og de målinger det har været muligt at foretage med det udstyr, som var til rådighed om bord. Rapporten skal ses som et projekt, der henvender sig til produkttankskibsbranchen som helhed, og skal derfor yderligere ikke tages skibsspecifikt, selvom dataene er samlet for et enkelt skib. Til udarbejdelsen af dette projekt, skal der lyde en tak til: Besætningen på Torm Lotte Lektor Lars Thomsen, vejleder for projektet Anders H. Møller, Ship Performance & Data Manager hos Torm Ib Albæk, Fleet Management & System Manager hos Torm Christian Lundsgaard, Assistant Project Manager hos Alfa Laval Kim Strate Kiegstad, Global Account Manager, Siemens Marine & Shipbuilding Læsevejledning I løbet af rapporten bruges der gængse forkortelser fra den maritime verden, disse vil være at finde under afsnittet Nomenklaturliste. Hertil kommer en del gængse termer fra samme verden, hvorfor det anbefales, at læsere af denne rapport har et kendskab til den maritime verden. Rapporten kan læses uden bilag, men hvis man ønsker at se, hvorfra diverse informationer er hentet, er disse bilag forløbende markeret som bilag samt nummer. Henvisninger til kilder, er markeret med parentes i teksten. Der bliver i løbet af rapporten brugt skitser og illustrative diagrammer, disse er eksempelvis nummeret som figur, samt deres nummer. Kilderne til disse, kan ses i figurlisten bagerst i rapporten, såfremt de ikke er af eget fabrikat. Side 5 af 78

6 Formål Formålet med dette projekt er, at forfatterne som studerende skal lære at kæde indlærte teorier sammen med tekniske problemstillinger, i en given maskinmester relevant virksomhed, og herefter arbejde udviklingsorienteret med gennemførelse af et projekt. Forfatterne skal opnå indsigt i et område, for herigennem systematisk arbejde sig hen mod en problemformulering, og gennem indsamling og analyse af datamateriale, kredse sig ind på en konklusion for den givne problemstilling. Nomenklaturliste SMCR Specified Maximum Continuous Rating MCR Maximum Continuous Rating HFO Heavy Fuel Oil LS HFO Low Sulphur Heavy Fuel Oil (Heavy Fuel Oil med et svovlindhold på 1% eller under) LS IFO 380 Intermidiate Fuel Oil 380 cst (Markedsbetegnelse for Heavy Fuel Oil) MGO Marine Gas Oil IG Inert Gas WHR Waste Heat Recovery CPP Controllable Pitch Propeller FPP Fixed Pitch Propeller Side 6 af 78

7 Indholdsfortegnelse 1 Indledning Problemanalyse Problemformulering Afgrænsning Metode og Teori Fremgangsmåde Projektstyring Anvendelse af teori Informationssøgning Optagede data Grundlæggende forudsætninger Farts område & bunkerpriser Driftstid Specielle områder Tidsinddeling i forhold til brændstof Case 1, Genindvinding af energi i udstødningsgas Incinerator System og opbygning Opstart og drift Driftstid Analyse Validitet Delkonklusion Analyse af Generatorsæt System og opbygning Drift Analyse Validitet Delkonklusion Afrunding af røggasenergi Analyse af kedler Udstødskedel Side 7 af 78

8 6.4.2 Opbygning af kedel System Analyse Røggasmængde Dampproduktion Validitet udstødskedel Oliefyret kedel Kedlen System Analyse Validitet oliefyret kedel Del konklusion kedelsystem Løsningsforslag Kompositkedel Economiser System Analyse Besparelse Validitet brændstofbesparelse Økonomisk betragtning, economiser Estimeret årlig besparelse Investering Rentabilitet economiser Validitet økonomisk betragtning Delkonklusion økonomi economiser Case 2, Omlægning af el-produktion med akselgenerator Analyse af drift Validitet Delkonklusion Løsningsforslag, akselgenerator PTO/GCR PTO/RCF PTO/CFE Vurdering af parametre til udvælgelse Side 8 af 78

9 8.4 Valg af generator type Valg Dimensionering Løsningsforslag Besparelse Validitet Økonomisk betragtning, akselgenerator Estimeret årlig besparelse Investering Rentabilitet Validitet Delkonklusion Konklusion Perspektivering Efterskrift Litteraturliste Figurer Side 9 af 78

10 1 Indledning Torm Lotte er et produkttankskib på DWT med en fremdrivningseffekt på kW. Praktikperioden startede i Port Arthur i Texas, hvorefter turen fortsatte til Dunkirk i Frankrig, Amsterdam, Tuxpan i Mexico, Houston i Texas, og sluttede med afmønstring i Algeciras i Spanien. I løbet af udmønstringen har forfatterne indgået som en del af maskinbesætningen, og har dermed også deltaget i de daglige pligter for maskinmestre, som blandt andet indbefatter vedligehold og drift af skibets tekniske anlæg. Da det er alment kendt, at et skib bruger store mængder af energi til, at transporterer fragt mellem de forskellige verdensdele, i dette tilfælde raffinerede olieprodukter, er emnet om brændstofforbrug noget, som rederier, miljøorganisationer og politikere har stor fokus på at minimere. Heraf er rederiernes fokus i høj grad på, at minimere omkostningerne, hvor den hos diverse organisationer og politikere primært er rettet mod at minimere forureningen. Det mest almindeligt anvendte brændstof i produkttankskibe er Heavy Fuel Oil, hvor prisen i de senere år kun er steget. Hertil skal man også tage i betragtning at organisationen IMO, globalt set har skærpet kravene til udledningen af SO x. De større krav til udledningen af svovl i atmosfæren både globalt og i bestemte farvandsområder, stiller større krav end tidligere til svovlindholdet i brændstoffet, hvilket resulterer i en forøgelse af omkostningerne ved bunkring. Det kan derfor nu mere end nogensinde betale sig, at tænke i andre baner med hensyn til at udnytte sin energi om bord bedst muligt. Side 10 af 78

11 2 Problemanalyse En af metoderne til at opnå brændstofbesparelser er, at anskue hvor der udledes ubrugt energi på hovedmaskineriet, som kan anvendes andetsteds. Det handler om at begrænse spildenergi så meget som muligt. Projektet tilgår med andre ord energikilderne for at opnå en eventuel energioptimering. Skibets hovedmaskineri hentyder til (figur 1): Figur 1. Oversigt over brændstofforbrugende maskineri (Eget fabrikat) Dette vil sige alt maskineri, som drives af brændstof. Grunden til, at maskineriet her er betegnet hovedmaskineri, er at alle andre anlæg som værende elmotorer, med tilhørende pumper eller kompressorer samt lys blot er forbrugere på hovedmaskineriet, også kaldet hjælpemaskineri. Når der efterfølgende behandles spildenergi, er der tale om en udledning af medier med en temperatur, som gør at energien kan overføres til anden brug. Det største spild for dieselmotorers vedkommende ledes, erfaringsmæssigt fra maskinmesteruddannelsen, ud gennem motorens udstødning grundet mængden og relativt høje temperaturer, som bortkastes herfra. Det er derfor dette element, som vælges til videre undersøgelse. Hvis energien skal kunne udnyttes, er det vigtigt at maskineriet er i drift relativt ofte. Dette udelukker inertgas generatoren, som kun er i drift i forbindelse med lastoperationer samt ved inerting af tanke, og hvis røggastemperatur er lav, grundet vand vaskning af røggassen. Derudover udelukkes nødgeneratoren også, da den kun reelt er i drift i forbindelse med sort skib. Side 11 af 78

12 Deraf tilbageværende muligheder (figur 2): Figur 2. Oversigt over tilbageværende muligheder (Eget fabrikat) Det overvejes ikke, at optimere den oliefyrede kedel, idet der må opstilles den antagelse, at den fra producenten er specifikt designet, til at skulle udnytte den varme den producerer bedst muligt. I stedet skal besparelsen opnås ved på bestemte tidspunkter, at overflødiggøre brugen af den oliefyrede kedel og dermed opnå brændstofbesparelser. Der er allerede et WHR anlæg på hovedmotoren efter turboladeren til, at genanvende en del af udstødningstabet fra denne. Det tænkes derfor heller ikke se på yderligere anvendelse af spildenergi fra hovedmotoren her. I forhold til at udnytte hovedmotorens indfyrede energi mest muligt, er det også væsentligt at anskue el-produktionen, som i forhold til et WHR anlæg sættes i forbindelse med brug af en turbinegenerator. Den kan dog for dette skib allerede bortkastes, idet der ikke er en overheder monteret i udstødskedlen, dermed vil der kunne forekomme væske i dampen, med skade på turbinen til følge. En anden metode at udnytte hovedmotorens indfyrede energi er dog at se på om det, med hensyn til specifikt brændstof forbrug, bedre kan betale sig, for det i projektet omhandlende skib, at benytte en akselgenerator på hovedmotoren i stedet for at have en dieselgenerator i drift under søpassage. Slutteligt er der disse tilbageværende muligheder (figur 3): Side 12 af 78

13 Figur 3. Tilbageværende muligheder (Eget fabrikat) Tilbage står, at anvende spildvarmen i røggassen, fra incineratoren og dieselgeneratorerne, til opvarmnings formål og dermed hente en besparelse gennem mindre drift af den oliefyrede kedel. Desuden skal det undersøges, om der er brugbare brændstofbesparelser at hente ved at lade en akselgenerator stå for el-produktionen, under søpassage, i stedet for en dieselgenerator. Side 13 af 78

14 3 Problemformulering På baggrund af problemanalysen, og de refleksioner som beskrives heri, uddrages følgende problemstillinger: I hvor høj grad vil det være økonomisk rentabelt, i forhold til brændstof besparelse, at udnytte røggas tab fra incinerator og generatorsæt ved brug af et WHR-system? I hvor høj grad vil det være økonomisk rentabelt, i forhold til brændstof besparelse, at benytte en aksel generator til el-produktion i søpassage i stedet for dieselgeneratorer? I forhold til rapporten defineres en investering som værende økonomisk rentabel, hvis den har en tilbagebetalingstid på maksimalt 5 år. 3.1 Afgrænsning Udledningen er baseret på stationære tilstande, idet hverken rørtab hverken i form af varme eller tryk er medregnet. Af hensyn til rapportens omfang er der taget følgende begrænsninger: Der tages ikke hensyn til ændringer i SRO-anlæg eller hovedtavle. Der tages ikke hensyn til ændringerne i vedligeholdelsesomkostninger. Der tages ikke hensyn til installationsomkostninger. Side 14 af 78

15 4 Metode og Teori Denne rapport er i høj grad opbygget på baggrund af empiri, som tager udgangspunkt i den undervisning, der er modtaget i løbet af maskinmesteruddannelsens teorisemestre. Denne empiri sammenkobles med forskellige optagede data, hvilke typisk vil være af kvantitativ karakter. Rapporten er opbygget således, at den grundlæggende metodik beskrives, hvorefter problemstillingen identificeres, analyseres og slutteligt konkluderes. Rapporten er opbygget i afsnit, hvor der foretages et emneskift, er dette emneskift inde for det samme hovedoverskrift, vil dette være et underafsnit. 4.1 Fremgangsmåde Skibet Torm Lotte benyttes som case, for at opnå og behandle data, der kan ligge til grund for en konklusion på problemformuleringen. Problemstillingen henvender sig til MR-produkttankskibe generelt, men det er dette ene skib der anvendes som casemateriale, til at undersøge mulighederne for brændstofbesparelse over hele MR-produkttankflåden. Rapporten består af to cases, som relaterer til hvert sit spørgsmål i problemformuleringen: 1. Genindvinding af energi i udstødningsgas 2. Omlægning af el-produktion til akselgenerator Inden disse cases gennemarbejdes, beskrives der først en række grundlæggende forudsætninger omhandlende farts områder, tidsforbrug i skibets respektive driftssituationer samt priser på brændstof. Hver case indeholder flere delelementer, for at kunne nå frem til en konklusion: Anlægsanalyse o Anlægsbeskrivelse o Driftsmønster o Kortlægning af spildenergi Disse 3 hovedpunkter er sammenhængende, og tager udgangspunkt i de erfaringer og målinger, som er optaget i løbet af perioden på Torm Lotte. Formålet med disse er, at give et overblik over hvilket maskineri og systemer der er tale om. Derudover hvilket driftsmønster der arbejdes efter, og hertil kortlægges det hvor meget potentiel energi, som anlæggene kan bidrage med i form af genindvinding af spildenergi. Side 15 af 78

16 Herefter arbejdes der med: Løsningsmuligheder o Hvilken løsning vurderes det, vil være den bedste set ud fra et driftsmæssigt synspunkt. Af den indledende anlægsanalyse kan der ikke blot uddrages, hvilken konkret løsning der vil være den bedste. Derfor skal det undersøges, hvilke muligheder der er for at genindvinde den omtalte spildenergi. Den sidste del af analysen tager udgangspunkt i en økonomisk betragtning, hvor der beregnes hvilke aktuelle besparelser, den foregående analyse kan bidrage med. Disse besparelser vil dernæst blive holdt op imod investeringen og den deraf følgende rentabilitet. 4.2 Projektstyring Projektet er opdelt i 2 faser, en praktikfase og en projektfase. I praktikperioden har der ikke været fokus på at udarbejde projektet. Derimod har der, i praktikperioden, været fokus på at indgå den daglige drift af en produkttanker. Det er dette kendskab, der danner grundlaget for projektet, heraf skal det forstås at i forbindelse med at indgå i den daglige drift, er den overordnede problemstilling for projektet blevet observeret. I kraft af at den overordnede problemstilling blev observeret i løbet af praktikperioden, har det derfor også været muligt, at indsamle relevante data i løbet af denne periode. Den anden fase, projektfasen, har bestået i at foretage en overordnet analyse af de observationer og data, der blev gjort i forbindelse med den første fase af forløbet, og på den baggrund danne sig et overblik over hvilket yderligere materiale der skal samles til, at udarbejde, den endelige rapport. 4.3 Anvendelse af teori Til dette projekt bliver der gjort brug af forskelligt undervisningsmateriale fra maskinmesteruddannelsen, dette vurderes generelt som værende valide kilder til information, da det benyttes til undervisningsmateriale. Herunder er viden om termodynamik, diesel motorer, dampanlæg og elektroteknik. Side 16 af 78

17 4.4 Informationssøgning I forbindelse med informationssøgning, er dette fundet i faglitterære værker, som eksempel skibsmotorlære af Christen Knak eller ved søgninger på internettet. I forbindelse med søgninger på internettet, er disse informationer underlagt en større kildekritik end eksempelvis faglitteraturen. Derfor beror informationer herfra på, at flere kilder anviser de samme teorier, hvilke referencer disse benytter, og den forståelse som projektgruppen besidder. 4.5 Optagede data Der er optaget større mængder af data i løbet af praktikperioden, og kan beskrives som værende kvalitative data, da der er optaget mange målinger af det samme, som eksempelvis forbruget af eleffekt eller temperaturer. Derudover benyttes systemdiagrammer, manualer og datablade, som enten er leveret af skibsværftet GSI i Kina, hvor skibet er bygget, eller fra de enkelte producenter. Disse data benyttes typisk som referencer for opbygning og kapacitet, disse data vurderes generelt som værende valide. 5 Grundlæggende forudsætninger For at undgå gentagelser i løbet af rapporten beskrives der i dette afsnit en række faktorer, som fastsætter driftstid og priser på brændstof. 5.1 Farts område & bunkerpriser På baggrund af erfaringer med virksomheden Torm er det i rapporten forudsat, at skibet gør fart i varmere dele af verden. Dette antages, da det er forfatternes erfaring, at flåden gør fart i områder som polar og tempererede klimabælte et minimum af tiden. Et produkttankskib i MR-klassen sejler i trampfart, hvilket betyder, at det anløber havne over hele verden. Det betyder også at skibet, gennem dets levetid, kan risikere at skulle bunkre i forskellige afkroge af verden. Dog er nogle havne større spillere på dette marked, grundet deres geografiske placering og størrelse. Derfor er der indhentet bunkerpriser, for 3 relativt store havne, som er geografisk spredt udover kloden. Disse havne er: Houston Rotterdam Singapore Side 17 af 78

18 Det er svært at forudse, hvordan priserne på bunkerolie bliver i fremtiden, og derudover varierer de også ud fra kvalitet samt hvor i verden der bunkres. Prisen er opgivet i amerikanske dollars pr metriske tons. (USD/mt) Vekselkurs pr.1. november 2013 er 552,27 for amerikanske dollars(nationalbanken, 2013) IFO 380 pr. 1 november 2013 Houston Rotterdam Singapore Bunkerworld 595,00 USD/mt 584,00 USD/mt 615,50 USD/mt Bunkerindex 593,00 USD/mt 583,00 USD/mt 610,00 USD/mt Gennemsnits pris 596,75 USD/mt Figur 4. Udledning gennemsnitspris HFO (Eget fabrikat) LS IFO 380 (s=1%) pr. 1 november 2013 Houston Rotterdam Singapore Bunkerworld 646,50 USD/mt 607,50 USD/mt 689,50 USD/mt Bunkerindex 646,00 USD/mt 607,00 USD/mt - USD/mt Gennemsnits pris 639,30 USD/mt Figur 5. Udledning gennemsnitspris LS HFO (Eget fabrikat) MGO pr. 1 november 2013 Houston Rotterdam Singapore Bunkerworld 988,00 USD/mt 910,00 USD/mt 933,00 USD/mt Bunkerindex 975,00 USD/mt 920,00 USD/mt 920,00 USD/mt Gennemsnits pris 941,00 USD/mt Figur 6. Udledning gennemsnitspris MGO (Eget fabrikat) Når der senere i rapporten regnes med priser på brændstof, benyttes disse gennemsnitspriser Side 18 af 78

19 5.2 Driftstid Et skib er grundlæggende i drift året rundt, men denne drift inkluderer ikke kun tid til søs. Dette skib, og dets søstre skibe estimeres at have en levetid på 15 år 1. I denne periode er skibet kun ude af drift i forbindelse med dokning. Skibet har været i søpassage i 47 dage i perioden juli til september. Hvilket udgør 54,7% af tiden, denne værdi vurderes at være tilnærmelsesvis repræsentativ for en et års periode. Hvis der ses på års basis giver det 54,7% * 365 dage = 199,5 dage. Det overordnede tidsforbrug omregnet til årsbasis, kan ses på figur 7,for resten af udledning se eventuelt bilag 1,1. Overordnet tidsforbrug årligt opgivet i døgn Søpassage anker losse laste manøvrer Figur 7. Overordnet tidsforbrug (Eget arkiv) Specielle områder Marpol annex VI former lovgivningen omkring forebyggelse af luftforurening fra skibe, herigennem de specielle områder i hvilke der gælder særlige regler. Det drejer sig her om ECA (Emission Control Areas). Dette område ligger ud for den nordamerikanske kyst samt ud for den nordeuropæiske kyst (figur 8). Figur 8. ECA områder (Oceanox, u.d) 1 Estimeret værdi fra Fleet Management, Torm Side 19 af 78

20 Reglerne beskriver kravene for den maksimale udledning med henblik på henholdvis NOx og SOx. Områderne som fastlægger kravene omkring svovludledning fra skibe, blev tidligere betegnet som SECA (Sulphur Emission Control Areas). Det er kravet vedrørende svovlemissioner, som er interessante for denne rapport. Dette manifesterer sig i form af, at kravet fastlægger værdier for hvor meget svovl, et givent brændstof som anvendes ombord på skibene må indeholde. Reglerne er blevet skærpet gennem årene, således at denne værdi er blevet mindre. Figur 9 viser hvorledes kravene vedrørende svovl, er blevet skærpet siden 2008, og desuden hvordan kravene vil se ud i fremtiden. ECA er relevant for denne rapport, fordi det betyder at der i den videre beregning af brændstofforbrug, skal tages hensyn til hvilken type brændstof der anvendes. Dette Figur 9. Fremtidige svovlkrav (Wärtsilä, 2011) skyldes, at der skal skiftes over til LS HFO, for hovedmotorens vedkommende, inden der sejles ind i et ECA område. Det er desuden for Europas vedkommende lovpligtigt at skifte over til brændselsolie med et svovlindhold på mindre end 0,1 %, for maskineri som kører under havneophold, i henhold til Direktiv 2005/33/EC med effekt fra januar Derfor bliver det nødvendigt at køre hjælpemotorerne og kedlen på MGO i disse områder. Dette er noget, der skal tages hensyn til senere i rapporten. Side 20 af 78

21 5.2.2 Tidsinddeling i forhold til brændstof For senere i rapporten at kunne beregne hvor store besparelser der kan hentes på brændstof, er det nødvendigt at vide hvor stor en del af tiden, skibet opholder sig i emissions kontrollerede farvande. Mere præcist specificeres det hvor stor en del af tiden, der enten skal benyttes LS HFO eller MGO. Det aktuelle tidsforbrug set i forhold til hvilken type af brændstof der benyttes, kan ses i figur 10. Dage Tidsforbrug med type af FO Søpassage anker losse laste manøvrer HFO LS HFO MGO Figur 10. Tidsforbrug med hensyn til brændstof (Eget arkiv) På figur 10 er det udspecificeret hvor mange dage, der benyttes forskellige typer af brændstof, set i forhold til hvilken operation skibet foretager. Her er der taget udgangspunkt i, at skibet relativt ofte opholder sig ved USA eller Europa, hvor der er særlige restriktioner. Beregningerne kan eventuelt ses i bilag 1,2. Side 21 af 78

22 6 Case 1, Genindvinding af energi i udstødningsgas I denne case behandles incinerator og generatorsæt samt kedelanlæg med henblik på, at opnå en løsning, som kan udnytte den estimerede energi, bundet i de respektive udstødningsgasser. 6.1 Incinerator Incineratoren er en af de komponenter i maskinrummet, hvis forbrændingskammer opnår relativt høje temperaturer, for herefter at bortkaste energien gennem røggasserne til atmosfæren. Det kan derfor være interessant at anskue denne, som en energikilde der måske kan udnyttes, med brændstofbesparelse for øje System og opbygning Incineratorens funktion om bord er muligheden for at kunne skille sig af med solidt affald såvel som spildolie, dette gøres ved temperaturer over 800 grader celsius, og gør derfor incineratoren interessant at se på i energimæssig sammenhæng. Opbygningsmæssigt sidder incineratoren, som er en Atlas 800 SL WS P, i et system bestående af henholdsvis en settling og en service tank til spildolien, opsamlet i maskinrummet, se eventuelt bilag 2,1. Der sidder desuden en dieselolietank til dieselbrænderne, se eventuel efterfølgende figur 11. Spildolien transporteres gennem en Mill pump 2 (1),som sørger for omrøring og findeling af servicetankens indhold, denne cirkulerer tankens indhold. En cirkulationspumpe(2) cirkulerer spildolien helt frem til incineratoren, for at denne ikke opnår en for høj viskositet grundet temperaturfald, med tilstoppede rør til følge. Den kapacitetsregulerede spildolie pumpe(3) Vil tilføre spildoliebrænderen den maksimalt mulige mængde spildolie for at en fuldstændig forbrænding kan opnås. Incineratoren er opdelt i to kamre. Et forbrændingskammer(10) og et efterbrændingskammer(11). I forbrændingskammeret, hvori tilførslen af luft fra blæseren finder sted, er der henholdsvis en dieseloliebrænder(7) samt en spildolie brænder(4), hvori der også tilføres luft fra serviceluftsystemet, således at olien spildolien forstøves ved udgang. Der kan i dette kammer ligeledes tilføres fast brændbart materiale gennem slisken(6), hvorfor der også er en dør i bunden af dette kammer(9) til fjernelse af aske. Blæseren(5) sørger for at tilføre den nødvendige mængde atmosfærisk luft, til at opnå en fuldstændig forbrænding i incineratoren. 2 Mill Pump er en pumpe opbygget således at den findeler og omrører olien Side 22 af 78

23 I efterbrændingskammeret(11) er yderligere en dieseloliebrænder(8), som sørger for at holde temperaturen oppe i det givne kammer. Efterbrændingskammeret sørger for en fuldstændig forbrænding, af alle partikler der måtte være, inden gassen presses ud gennem udstødningskanalen(12). Figur 11. Incineratorsystem (Eget fabrikat) Opstart og drift Opstarten af incineratoren foregår i henhold til proces diagrammet (figur 12) fra bilag 2,2. Blæseren starter i 30 sekunder, for at purge 3 forbrændingskamrene, og dermed sikre at der ikke er en mætning af brændbare gasser, med en eksplosionsfare til følge. Dieseloliebrænderen(8) i efterbrændingskammeret, antændes herefter med en gnist, som forekommer mellem 2 elektroder på brænderen. Denne brænder sørger for, at temperaturen i efterbrændingskammeret når op på 930 C. Så snart temperaturen i incineratoren har nået 400 C, bliver dieseloliebrænderen(7) i forbrændingskammeret sat i funktion, denne hæver temperaturen i forbrændingskammeret. Når temperaturen overstiger 600 C, starter spildoliebrænderen(4), som er i drift samtidigt med dieseloliebrænderen(7) i det givne forbrændingskammer, indtil en temperatur på 810 C opnåes. 3 Blæsecyklus Side 23 af 78

24 Antal timer Brændstofbesparelse i MR-produkttankskibe Herefter stopper dieseloliebrænderen i dette kammer, og spildoliebrænderen fortsætter sammen med dieseloliebrænderen i efterbrændingskammeret, indtil en temperatur i omkring 950 C, hvorefter incineratoren nu er i funktion og brænderne køres i hysterese, mellem 850 og 950 C. Pumpen til spildoliebrænderen er kapacitetsreguleret, og dieseloliebrænderen er on/off reguleret. I kraft af, at der i forbrændingskammeret opnås temperaturer over 850 C, er det for incineratoren spændende at undersøge, hvorvidt disse temperaturer kan udnyttes. Figur 12. Proces diagram for incinerator (Bilag 2,2) Driftstid I perioden 4. Juli til den 28. September har incineratoren været i drift, som vist i efterfølgende figur 13. Det skal derfor senere i rapporten undersøges, om dette er tilstrækkeligt til at danne grobund for en rentabel investering i at regenerere energien fra røggassen for at opnå besparelser. (Bilag 2,2) Incinerator i drift Figur 13. Driftstid for incinerator (Eget fabrikat) Side 24 af 78

25 6.1.4 Analyse Når der skal behandles muligheden for at anvende incineratoren, med henblik på energimæssig optimering i maskinrummet, er det udelukkende interessant for projektet at anskue afgangen af røggasser fra incineratoren, idet røggassen skal kunne fungere som et medie til at kunne overføre og genanvende incineratorens afkastningsvarme. Derfor udspringer efterfølgende analyse, som et forsøg på at estimere masseflow samt varmekapacitet af røggas. Der har i den givne situation om bord på skibet ikke været det tilgængelige udstyr til at foretage en røggasanalyse på afgangen fra incineratoren. Det har heller ikke været muligt at fastsætte sammensætningen af spildolie, som kan bestå af henholdsvis: Hydraulik olie Smøreolie Brændselsolie Vand Ovenstående koblet sammen med en meget varierende sammensætning af solidt affald der bliver brændt af i forbrændingskammeret, munder ud i en metode til at estimere varmekapaciteten for røggassen, som er at anvende en empirisk varmekapacitet for røggas på 1,05 kj/kg*k, hvilket er en erfaringsmæssig værdi, som anvendes til røggasberegninger på maskinmesterstudiet. Når der arbejdes med masseflow af røggas fra afgangen af incineratoren, tages der udgangspunkt i, at den tilførte masse er lig masseflowet af røggas på incineratorens afgangsside. Blæseren som står for at levere den nødvendige mængde atmosfærisk luft til forbrændingen, er mærket 7200 Nm3/h. Det vil sige ved 0 C og atmosfærisk tryk, se eventuelt bilag 2,3. Gøres antagelsen, at der udelukkende er tale om tør luft, idet luftfugtigheden er en variabel afhængig af geografisk område og årstid, vil densiteten være kg/m 3 (Termodynamik, 2007), når det tages i betragtning at temperaturen i maskinrummet, hvor blæseren har til indsugning, gennemsnitligt er udregnet til at være 40 C, se eventuet bilag 2,4. Der tages udgangspunkt i, at blæseren flytter det samme volumen atmosfærisk luft ved varierende temperaturer, grundet konstant omdrejningstal samt volumen inde i blæseren. Dog bliver massen af den indblæste mængde mindre, grundet den faldende densitet ved stigende temperatur. Det vil med andre ord sige at blæseren tilfører: Side 25 af 78

26 Hertil tillægges den masse, som bliver resultatet af forbrændingen af spildolie, samt forbrænding af dieselolie og tilførsel af fast affald. Ud fra daglige pejlinger af tankene i maskinrummet, og en efterfølgende notering af afbrændt olie i oliejournalen, ses det at incineratoren gennemsnitligt afbrænder 47 liter spildolie i timen. Den ene dieselbrænder på efterbrændingskammeret, som tidligere uddybet kører under drift af incineratoren, forbruger ifølge producentens specifikationer 17 liter dieselolie i timen. For spildolien samt dieselolien er der ikke foretaget en fastsættelse af densiteten. Der kan dog fremføres den påstand, at selv med samme densitet som vand, vil de som tilførte medier kun have en betydning set som masse pr. sekund, som er beliggende på 2. decimal, i forhold til massen af luft. Derfor ses, med baggrund af de antagelser som allerede er gjort, bort fra betydningen af dem. Producenten angiver desuden at incineratoren maksimalt kan brænde 100 kg solidt affald pr. time, se eventuelt bilag 2,3. Der kan yderligere ses bort fra indførslen af fast affald i incineratoren, idet noget af denne ender som aske, samt at det ikke er altid under drift af incineratoren der tilføres affald. Denne tilførsel vil ligeledes have en minimal indflydelse i forhold til massen af luft. Incineratoren opererer ifølge termometret på udstødningssiden med en afgangstemperatur i området af 250 C. Med tidligere udledte i mente ses blæserens tilførte masse som den mest betydende faktor, masseflowet af røggas fastsættes derfor til: 2,22kg/s, fra tidligere. Varmekapaciteten er udtaget til at være 1,05 kj/kg*k. Deraf bliver effekten: Det vil sige, at for hver grad celsius der kan trækkes ud af røggassen, er den estimeret til at kunne levere omkring 2,3 kw. Side 26 af 78

27 6.1.5 Validitet Der gøres nogle antagelser i denne estimering, så som ingen fugtindhold i luften. Der er desuden set bort fra massetilførslen til røggassen fra spildolie, dieselolie og fast affald. Men eftersom en medtagelse af disse faktorer ville forøge masseflowet af røggas og dermed den effekt den kan levere, er der tale om en nedjustering af forventningerne til udnyttelse af røggassen, dette anses derfor som en gangbar fremgangsmåde. Derudover anvendes en erfaringsmæssig varmekapacitet, samt en masse af tilført luft, som er hentet fra producentens specifikationer, der forudsættes at være valide. Der kan på bagrund af disse faktorer være en forskel fra det estimerede til det faktiske effektindhold i røggassen. Temperaturen på afgangen kan dog forudsættes at have en relativt stor reliabilitet, idet den er foretaget med et termometer, som er placeret inde i udstødningsafgangen. Desuden vurderes det at driftstiden, taget fra oliejournalen som er underlagt stor kritik og kontrol fra udefrakommende, er valide data Delkonklusion Det fremstår efter forudgående analyse, at der er potentiale i at genanvende energien i røggassen, som er bundet i den forholdsvis høje temperatur som røggassen besidder. Hvis det er muligt at sænke temperaturen, ved at overføre el del af energien i de tidsintervaller incineratoren kører, burde der kunne opnås en besparelse ved at mindske behovet for produktion af damp fra den oliefyrede kedel. Side 27 af 78

28 6.2 Analyse af Generatorsæt El produktionen foretages af de dieselmotordrevne generatorer. Dog er det sådan, at det/de generatorsæt, som er i drift udelukkende bliver brugt til el-produktion som separate små kraftværker. Der er ikke nogen andre former for udnyttelse af den energi, som bliver tilført motoren. I dette afsnit gennemgås systemet samt driftsformerne, og der foretages en analyse i de respektive driftstilstande for at kortlægge energien bundet i røggassen fra generatorsættene System og opbygning Skibet er udstyret med 4 dieselgeneratorer fra Wärtsilä, af typen 875W6L20. Dieselmotorerne er 4- takts turbodiesel rækkemotorer, med 6 cylindre og en nominel akselydelse på 920kW, hvis tilkoblede generator maksimalt kan levere 875kW elektrisk effekt til nettet. Generatorsættene er parallelkoblede, og kan dermed samlet levere op til 3,5MW. El produktionen varetages, af et elektronisk Power Management System, PMS. Dette system måler effektforbruget på nettet, og indregulerer generatorsættets ydelse efter det aktuelle effektbehov. Denne indregulering finder sted ved, at magnetiseringsspændingen ændres kontinuerligt i forhold til det aktuelle effektbehov. Derudover registrerer systemet også effektkald eksempelvis i forbindelse med opstart af større maskineri, som brandpumper, vil der automatisk blive foretaget opstart af en ekstra generator, såfremt den i drift værende generator ikke kan overtage den ekstra belastning. Side 28 af 78

29 6.2.2 Drift Driften af generatorsæt er opdelt i fire hovedkategorier, der skal tages stilling til ved anskuelse af mulighederne for, at genindvinde energi fra røggassen. Driftsformerne er: Søpassage Stilstand (anker og lastning) Losse Manøvrering Driften af skibets generatorsæt inddeles i flere kategorier, baseret på hvilken operation skibet er ved at foretage, hvilket skyldes at operationerne har forskellige effektbehov. Der er fra skibsværftet er der foretaget en overslagsberegning af effektbehovet i forskellige driftssituationer, denne ser således ud: Søpassage Konstant belastning Variabel belastning Samtidighedsfaktor 588,1 kw 342kW 30% Total effektkrav 690,7kW, 1 generatorsæt i drift Stilstand, til ankers eller laste operationer Konstant belastning Variabel belastning Samtidighedsfaktor 517,8kW 339,3kW 50% Total effektkrav 687,5kW, 1 generatorsæt i drift Losse operationer Konstant belastning Variabel belastning Samtidighedsfaktor 1915kW 282,8kW 30% Total effektkrav 1999,9kW, 3 generatorsæt i drift Manøvrer Konstant belastning Variabel belastning Samtidighedsfaktor 1901,3kW 296,4kW 30% Figur 14. Effektbehov driftssituationer (Bilag 3,1) Total effektkrav 1990,3kW, 3 generatorsæt i drift Det totale effektkrav beregnes som: ( ) Side 29 af 78

30 Figur 14 giver et overblik, over de effektbehov der er dimensioneret efter, og dermed antallet af generatorsæt der er i drift i de forskellige driftssituationer, som er worst-case scenarier. Disse driftssituationer gennemgås i de efterfølgende afsnit, for at anskue mulighederne for anvendelse af spildvarme fra røggassen i de forskellige driftstilstande Søpassage Et skib er i søpassage, når det sejler mellem 2 havne. Heraf forstås, at skibet sejler med nogenlunde fast belastning på hovedmotoren. I denne driftssituation benyttes der typisk kun 1 generatorsæt, til at levere skibets el forbrug, med mindre der foregår arbejde på dækket der kræver mere effekt, som eksempelvis at skifte ballast vand eller foretage tankvask Stilstand, til ankers eller laste operationer Denne driftstilstand er en sammenlægning af to næsten identiske driftsformer, som er at ligge til ankers, eller at laste skibet. Grunden til at de er slået sammen til en kategori er, at skibet ligger stille, og derfor som udgangspunkt har nogenlunde samme effektforbrug. Når skibet ligger stille, er hovedmaskinen bakket af, og der er 1 generatorsæt i drift, hvilket også gør sig gældende når skibet ligger langs kaj og bliver lastet. I den forbindelse bliver det elektriske forbrug blev reduceret til et minimum, da der eksempelvis ikke længere er det samme behov til køling af hovedmotoren, eller forbrug af kontrolluft. Derudover er den oliefyrede kedel også i drift samtidig med, at der er et generatorsæt i drift, hvilket gør det interessant at undersøge nærmere, hvorvidt der i denne driftsform kan gøres tiltag for at lave energioptimering set i forhold til generatorens udstødningsside Losseoperationer Skibets effektbehov under losning er variabelt, og er bestemt af modtagefaciliteternes modtryk og kapacitet. Dette er bestemmende for pumperate, og heraf belastning på lastpumperne. Grundlæggende gælder det dog, at hovedmotoren er bakket af, den oliefyrede kedel er i drift, samt der er minimum to generatorsæt drift i modsætning til de 3 generatorer, der er kalkuleret med i figur 14. Derudover er skibets intertgasgenerator i drift, for at opretholde en inaktiv atmosfære mens der losses. Side 30 af 78

31 Generelt er der et stort effektforbrug ved denne driftssituation, det er dog afhængigt af hvilken type af losning der foretages. Da den oliefyrede kedel er i drift, samtidig med at der er flere generatorsæt i drift, er det interessant at undersøge, om der i denne driftsform kan gøres tiltag for at lave energi optimering Manøvrer Nogle manøvrer er længere end andre, eksempelvis kunne det være i Houston, hvor der er 4-5 timers sejlads op gennem snævert farvand, inden skibet er fremme ved en given olieterminal. Hvis der ses nærmere på driften af skibet, med henblik på det tekniske udstyr, giver det sig i hovedtræk til udtryk ved. Min. 2 generatorer i parallel drift, 3 hvis der skal benyttes bow thruster Variabel belastning på hovedmotoren Hovedmotorens hjælpeblæsere i drift Lavere produktion af damp fra udstødskedlen Den oliefyrede kedel er i drift Ud fra figur 14 skal der minimum være 3 generatorsæt i drift, men det forudsætter blandt andet, at bow thrusteren er kontinuerligt fuldt belastet. Der er under manøvrer altid minimum 2 generatorsæt i drift, dette skyldes at det på ingen måde er ønskværdigt, at skibet får et black-out. Derfor benyttes der to generatorsæt, som deler den normale last, uanset om det er ved lav belastning af begge generatorsæt. Udover at det ikke ønskes at få black-out, så foregår der også en ændring i den samlede belastning, når skibet begynder at manøvrere. Denne ændring skyldes primært, at skibet skal være manøvredygtigt, der bliver derfor benyttet begge styremaskinepumper, der startes hjælpeblæsere til hovedmotoren og hvis der samtidig benyttes bak manøvrer, bruges der også mere startluft, som betyder at startluftkompressorerne skal starte for at holde trykket oppe. Til trods for, at manøvretiden ikke er særlig lang, benyttes der typisk en stor effekt, det er derfor interessant at undersøge hvorvidt en udnyttelse af røggas tabet her, vil kunne medvirke til relativt store besparelser ved anvendelse af energien i røggassen. Side 31 af 78

32 Brændstofbesparelse i MR-produkttankskibe Analyse De videre analyser i dette afsnit tager udgangspunkt i følgende data fra Wärtsilä. Varmebalance: Jacket cooling water (HT-Kølevand) 200 kw Charge air cooler (LT-Kølevand) 255 kw Lube oil 129 kw Exhaust gas 634 kw Udstødningsgas: Flow ved SMCR 2,03 kg/s Temperatur efter turbolader ved SMCR 336 C Brændselsolie, HFO: Nedre brændværdi kj/kg Ved SMCR 190 g/kwh De ovenstående data, er fra den test som Wärtsilä har udført på en test-bed 4, se eventuelt bilag 3,2, og er udført efter ISO :2002 standard. Af disse data, kan det aflæses, at ved en fuldt belastet generator besidder røggassen 634kW, som egentligt bare er spildt. Dette er også det største effekttab fra motoren, og derfor vil der blive arbejdet videre med dette. De ovenstående data, kan benyttes til, at beregne en specifik dannet røggas mængde. Den specifikt dannede røggas mængde antages at være konstant under alle motorens belastningsforhold, da dieselmotoren forudsættes at arbejde med fast luftoverskudskoefficient. Derudover er det en koblingsvirkningsgrad mellem generatoren og den effekt, som dieselmotoren leverer på akslen, denne beregnes som: 4 Prøvestand til at teste motorens ydeevne Side 32 af 78

33 Brændstofbesparelse i MR-produkttankskibe Denne virkningsgrad antages ligeledes at være konstant i alle belastningsområder. Da det kun er den elektriske effekt der kendes, bliver den specifikt dannede røggas mængde til: Idet den specifikke nedre brændværdi ikke kendes, antages denne at være kJ/kg som er relativt tæt på værdier oplyst af Torm performance, se eventuelt bilag 3,3. Grundet den lavere brændværdi, vil det være en yderligere korrektion af den dannede røggas mængde, da: Hvor Q b er den samlede indfyrede effekt. Denne må betragtes som værende konstant, derfor vil der ved lavere brændværdi, skulle indfyres en større mængde af brændstof. Korrektionen, k bliver dermed: Denne korrektionsfaktor benyttes, til at korrigere den dannede mængde i af røggas i forhold til den lavere nedre brændværdi. Side 33 af 78

34 kw Brændstofbesparelse i MR-produkttankskibe Søpassage Mens skibet har været i søpassage, i løbet af praktikperioden, er der optaget daglige målinger af effektforbruget. Disse målinger er taget på forskellige tidspunkter på dagen, for bedst muligt, at kunne imødekomme belastningsændringerne hen over dagen, blandt andet som følge af den variable last beskrevet tidligere. På figur 15 kan det aflæses, hvordan forbruget af el effekt har været: 1000 Søpassage Max belastning, kw Belastning, kw Antal målinger Figur 15. Elforbrug under søpassage (Eget fabrikat) De ovenstående målinger giver en gennemsnitlig belastning af generatorsættet på 55,9%, svarende til 489,1kW, se eventuelt bilag 3,4. Den ovenstående belastning giver et godt billede af, hvordan belastningen har været, dog skal det tages i betragtning, at der i denne periode kun har været sejlet på i varmere områder 5. Under søpassager vil generatorsættet kunne bidrage med: 5 Her hentydes til sejlads i tropiske såvel som subtropiske klimabælter Side 34 af 78

35 kw Brændstofbesparelse i MR-produkttankskibe Denne røggas mængde resulterer i et energi indhold pr. Grad på: Hvorvidt dette vil kunne finde anvendelse, vil blive behandlet senere i rapporten Stilstand, til ankers eller lasteoperationer For skibet i stilstand er der ligesom for skibet i søpassage optaget målinger af effekten, og det ser således ud(figur 16): Stilstand Antal Målinger Max belastning, kw Anker Laste Figur 16. Elforbrug under stilstand (Eget fabrikat) Af figur 16, aflæses det, at der over perioderne til ankers og ved lasteoperationer, har været et forbrug på under 500kW, ved en gennemsnitlig belastning på henholdsvis 464,3kW, som modsvarer 53,1% af den maksimale ydelse, og 435,7kW som modsvarer 49,8% af den maksimale ydelse. Som nævnt tidligere, er hovedmotoren bakket af, og den oliefyrede kedel er i drift, med henblik på røggassen dannet af generatorsættet giver det, i situationer til ankers: Side 35 af 78

36 kw Brændstofbesparelse i MR-produkttankskibe Denne røggas mængde resulterer i et energi indhold pr. Grad på: Ved lasteoperationer vil det resultere i: Denne røggas mængde resulterer i et energi indhold pr. Grad på: Når skibet ligger stille, er der altså et potentiale i, at benytte den energi som røggassen fra generatorsættet besidder. Behandlingen af energipotentialet vil blive undersøgt senere i rapporten Losse operationer Mens skibet har foretaget losse operationer, er der ligeledes blevet optaget målinger af den elektriske effekt, og den fordeler sig således (figur 17): Losse Antal målinger Max belastning, kw Belastning, kw Figur 17. Elforbrug under losning (Eget fabrikat) Side 36 af 78

37 kw Brændstofbesparelse i MR-produkttankskibe Af figur 17 kan det aflæses, at der har været store variationer, i hvordan generatorsættene har været belastet. Dog skal det bemærkes til disse målinger, at belastningen største delen af tiden har været over 1000kW. De andre målinger er fra, at skibet har været stand-by eller der af andre årsager har været stop i losningen. Derfor arbejdes der videre med de største forekomne belastninger af generatorsættene, som har været på henholdsvis 1220kW og 1250kW, der modsvarer et gennemsnit på 1235kW, og giver en resulterende røggas på: Mens skibet losser, er det ligesom under stilstand et potentiale, at i anvende energien bundet i røggassen, dog er potentialet her mere end det dobbelte af, end under stilstand. Hvor stort dette potentiale er, til at spare brændstof på den oliefyrede kedel skal undersøges nærmere Manøvrer Mens skibet har foretaget manøvrer, er der ligeledes blevet optaget målinger af den elektriske effekt, og den fordeler sig således(figur 18): Manøvrer Max belastning, kw Belastning, kw Antal målinger Figur 18. Elforbrug under manøvrering (Eget fabrikat) Side 37 af 78

38 Målingerne på figur 18 er optaget over en 5 timers manøvrer fra stand-by til finished with engine. Under hele målingen har der været 3 generatorsæt i drift, da der har været reserveret effekt til heavy consumers 6, så som bow thruster og dæksmaskineri. Den gennemsnitlige effektbelastning har været på 1092kW, som modsvarer 41,6% af den effekt der er til rådighed. Belastningen har en resulterende røggas mængde og energi indhold på: Mens skibet er under manøvrer, er der typisk brug for den oliefyrede kedel, da hovedmotoren ikke kan levere tilstrækkelig med røggas, til at drive dens udstødskedel, i forhold til opvarmningsbehovet. Det gør det derfor interessant, at undersøge om den energi som er bundet i røggassen fra generatorsættene under manøvrer, kan bidrage til brændstofbesparelser på den oliefyrede kedel Validitet I det foregående afsnit gøres der nogle antagelser for, at kunne beregne hvor meget hvert generatorsæt producerer af udstødningsgas. Det antages, at der er linearitet mellem den effekt generatorsættet yder, og dermed mængden af det indfyrede brændstof og den dannede røggasmængde, hvilket ikke er tilfældet hvis der kigges på de respektive motorkurver i forhold til brændstofforbrug og dannede røggasmængder. Dette har dog været nødvendigt i forhold til, at kunne estimere den dannede røggasmængde, da det ikke har været muligt at måle den. Det forholder sig dog således, at inden for det belastningsområde, som estimaterne er beregnet indenfor, vil der blive dannet mere røggas end estimatet, med udgangspunkt i motorkurverne for brændstof og røggas. For de antagelser der danner grundlag for beregningerne, er disse taget således at de beregnede estimater er mindre, end de vil være i virkeligheden. Hvorfor dette anses derfor for værende en gangbar fremgangsmåde at opnå estimater på. 6 Ved heavy consumers hentydes til forbrugere som trækker en stor strøm såvel i drift som under opstart sammenlignet med andet maskineri Side 38 af 78

39 Med henblik på målingerne, benyttet i afsnittene omhandlende generatoranalysen, kan de respektive målemetoder læses i bilag 3, Delkonklusion I den forudgående analyse af skibets generatorsæt fremgår det, at der er et potentiale i at genanvende energien, som er bundet i røggasen grundet masseflowet og relativt høje temperaturer i udstødningsgassen. Da der uanset driftsform altid er minimum et generatorsæt i drift, burde der kunne opnås besparelser af brændstofmængden tilført den oliefyrede kedel, såfremt det er muligt at omdanne energipotentialet til damp. 6.3 Afrunding af røggasenergi I de foregående afsnit, omhandlende røggassen fra henholdsvis incinerator og generatorsæt, er energimængden i udstødningsgassen blevet behandlet i skibets forskellige driftstilstande. For at kunne gå videre med projektet, er det nødvendigt at kortlægge det eksisterende kedelsystem, idet det er gennem damproduktion at eventuelle besparelser skal opnås. Derfor vil der efterfølgende forelægge en analyse af udstødskedlen og den oliefyrede kedel. Side 39 af 78

40 6.4 Analyse af kedler Udstødskedel Udstødskedlen, som i forvejen står for at genindvinde en del af hovedmotorens varmetab gennem udstødningsgassen, er en oplagt mulighed at gennemgå for at opnå besparelser. Dette kan tage udgangspunkt i at tilføre yderligere røggasser, fra incinerator og generatorsæt. Herved burde dampproduktionen kunne forøges. Det er derfor relevant, at se på hvor meget kedlen allerede producerer, ved en gennemsnitlig belastning af hovedmotoren, i forhold til hvor stor en produktion den er mærket til at kunne levere Opbygning af kedel Kedlen, som er af mærket Greens Shazhou type: GFL 160-0,7, er en røgrørskedel, og er i sig selv principielt opbygget således(figur 19), at udstødningsgassen entrere denne i bunden, hvorefter den fordeles ud i en serie af rør. Dette skyldes, at det forøger den varmeoverførende overflade fra røggassen til kedelvandet. Rørene skal altid være dækket af kedelvand for ikke at tage skade af varmebelastningen. Det betyder at rørene kan fremstilles i en mindre godstykkelse og dermed opnå en bedre varmeoverførsel. Udstødningsgassen samles igen efter udgangen af rørene, og fortsætter videre op i skorstenen. Figur 19. Udstødskedel (Eget fabrikat) Side 40 af 78

41 6.4.3 System Udstødskedlen sidder i et system(figur 20), i hvilket den får fødevand fra kaskade tanken, som i forvejen har en temperatur mellem 80 og 90 C. Fødevandet opvarmes i kedlen, til det opnår et damptryk på 7 bar. Damptrykket leveres til hovedledningen hvor damp fra den oliefyrede kedel også vil tilstrømme. Dampen ledes fra hovedledningen ud til de enkelte forbrugere, så som forskellige varmeforbrugere i maskinrummet, samt lastudstyret på dækket. En del af dampen strømmer gennem en trykreduktionsventil, hvor den bliver reduceret til 4 bar og strømmer ud til varmeforbrugere, som kræver mindre tryk, så som varmtvandsbeholderen og airconditionanlægget. Skulle der, som et resultat af hovedmotorens belastning, være et overskud i dampproduktionen, vil dette automatisk blive ledt gennem den kontrolluftstyrede dumpventil tilbage til den ferskvandskølede atmosfæriske kondenseringsenhed. Denne kondenserer ligeledes den tilstrømmende mængde af damp fra varmeforbrugerne. Herfra bliver dampen kondenseret og entrer på ny kaskadetanken. Kaskadetanken får tilskud af kedelvand fra kedelvandstanken, når niveauet falder i denne, som et resultat er summen af diverse utætheder i maskinrummet, se eventuelt bilag 4,1,1. Figur 20. Udstødskedel system (Eget fabrikat) Side 41 af 78

42 6.4.4 Analyse For analysen er det interessant at se hvor meget røggas, som gennemstrømmer udstødskedlen, ved en gennemsnitlig belastning på hovedmotoren, samt hvor meget kedlen er belastet i forhold til dens mærkeværdi. Der skal ligeledes findes hvor stor en massestrøm af damp, kedlen producerer under gennemsnitlige forhold, samt hvor stor en effekt dette kræver Røggasmængde For at anskue kedlens effektoverførsel, ses på hvor meget røggas der gennemstrømmer kedlen ved en given belastning af hovedmotoren. Turboladeren kan, i henhold til manualen fra Wärtsilä, levere m3/h (Wärtsilä, 2010) for en RT Flex-B motor. Såfremt trykket i receiveren holdes konstant, må denne værdi være et udtryk for den mængde, som entrer cylinderne gennem skylleluftkanalerne ved motorens højeste belastning, der ligger ved en omdrejningshastighed på 124 o/min. Eftersom turboladeren er drevet af flowet af udstødningsgas, og størrelsen af dette flow er belastningsafhængigt, er det nødvendigt at finde flowet ved en mindre belastning. Hvis det antages, at turboladerens leveringsmængde af skylleluft er lineær med motorens belastning, vil den leverede mængde være lig: Hvor ṁ Specifik er den leverede mængde skylleluft i kg pr. kwh effektivt ydet på hovedmotorens aksel. Q er den effektive energimængde på hovedmotoren yder på akslen over en time. Den specifikke skyllelufttilførsel må i denne sammenhæng være lig: Ud fra en beregning af den gennemsnitlige belastning ses en akseleffekt på motoren på 6079,1 kw, se eventuelt bilag 1,1. Motoren levere over tiden en time energimængden 6079,1kWh. Turboladerens tilførte skylleluftmængde findes derfor som: Side 42 af 78

43 Massen af røggas må være lig massen af brændstof samt massen af skylleluft, som entrer cylindrene. Brændstofforbruget er udregnet til gennemsnitligt at være 1,18 t/h, se eventuelt bilag 1,1. Masseflowet af røggas bliver deraf: For at finde den energimængde som røggassen kan overføre i kedlen, tages der udgangspunkt i den specifikke varmekapacitet for røggas. Der har om bord ikke været adgang til det fornødne udstyr til at måle kompositionen af røggas, derfor er der anvendt, en for maskinmestre erfaringsmæssig og empirisk værdi for røggassen på, 1,05 kj/kg. Herved bliver røggassens energi indhold: ṁ er masseflowet af røggas. c er den estimerede specifikke varmekapacitet ud fra erfaringsmæssige værdier. Der kan altså i princippet trækkes cirka 13 kw ud af røggassen for hver grad celsius, som trækkes ud af denne. Dette er ikke værdier, som umiddelbart anvendes til videre beregninger i rapporten, men de giver et overblik over mængden af røggas og energiindholdet fra hovedmotoren, i forhold til hvad røggassen fra generatorsættene indeholder. Hvor der for generatorsættenes vedkommende arbejdes med værdier i størrelsesordenen 1,1 til 3 kg/s, og et energiindhold på 1,2 til 3,2. Det er noget, som skal tages i betragtning senere i rapporten. Side 43 af 78

44 6.4.6 Dampproduktion Kedlen er mærket til at producere damp på 7 bars tryk. Et skueglas viser vandstanden i millimeter. Fødevandspumpen som automatisk holder vandstanden i kedlen er on/off reguleret mellem start ved -90 mm og stop ved + 90 mm. Såfremt fødevandsniveauet i kedlen holdes konstant, må massen af det leverede fødevand være lig med massen af den producerede dampmængde. Grundet fejl på niveau transmitteren under oceanpassage blev det nødvendigt manuelt at starte og stoppe fødevandspumpen. Heraf var mønstret at pumpen tog tiden 30 minutter om at bevæge niveauet i kedlen fra -90 til +90. Når pumpen blev stoppet, tog det 15 minutter for kedlen at nå ned til niveauet -90 igen fra +90. Ud fra det faktum at en enkelt pumpe, af mærket Grundfos Type CR1-15 E, på systemtegningen er anført til effektivt, at kunne levere 1,35 m 3 /h til kedlen, se eventuelt bilag 4,1,2, betyder det at dampproduktionen kan beregnes ud fra efterfølgende ligning, når der tages den betragtning, at der aldrig kører mere end en pumpe af gangen: ( ) Produktion er volumenet af fødevandet, som går til dampproduktion over tiden en time. Pumpe er den volumenmængde, en enkelt fødevandspumpe kan levere over tiden en time. t 1 er tiden, niveauet er om at falde fra +90 til -90 med fødevandspumpen slukket. t 2 er tiden, pumpen er om at fylde niveauet fra -90 til +90, samtidig med at der er et forbrug grundet dampproduktionen. ( ) Densiteten for fødevandet, som er temperaturafhængig, findes for temperaturen på kaskadetanken. Denne temperatur ligger på en værdi mellem 80 til 90 grader celsius. Denne værdi er derfor fundet for gennemsnitsværdien 85 grader celsius som 968,4kg/m 3 (Termodynamik, 2007) Deraf bliver masseflowet af produceret damp lig: Side 44 af 78

45 Brændstofbesparelse i MR-produkttankskibe Den effekt som skal anvendes til at bringe fødevandet op til tørmættet damp, fra 85 grader til kogepunktet for 7 bar som er 165 C (Termodynamik, 2007), findes som: er effekten, som skal tilføres fødevandet for at varme det op til kogepunktet. ṁ er masseflowet af fødevand. c er den specifikke varmekapacitet for vandet ved de 7 bar, som hersker i kedlen(termodynamik, 2007). Δt er temperaturforskellen mellem fødevandstemperaturen og kogepunktstemperaturen for fødevandet under de givne 7 bar: ( ) For at opnå tørmættet damp ved det givne tryk, skal der yderligere tilføres en fordampningsvarme, som er et udtryk for den effekt som skal tilføres fødevandet, for at opnå en tørmættet dampkvalitet på x=1 fra x=0. Dermed bliver den effekt, som skal tilføres det kogende fødevand for at opnå tørmættet damp lig: r er fordamningsvarmen for 1 kg af fødevandet. er enthalpien for mediet pr. kg ved x=0. er enthalpien for mediet pr. kg ved x=1 (Larsen, 2001). Den effekt som skal anvendes, til at opvarme dampen til en kvalitet på x=1 er lig: Den samlede effekt som fødevandet kræver, for at kunne ophedes til tørmættet damp er: Af den effekt som kedlen modtager fra røggassen, anvendes 579,1 kw til dampproduktion. Kedlens belastning, kan procentvis, beregnes som: Side 45 af 78

46 Dette fortæller, at kedlen allerede opretholder en relativt høj produktion sammenlignet med dens mærkeværdi på 1,2 ton i timen. Forudgående skal, ses som et forsøg på at estimere skibets dampforbrug i det respektive område, hvor det har gjort fart. Samt estimere den effekt som kræves for at opretholde dampproduktionen. I løbet af bachelorpraktikken, som har været grobund for dette projekt, har den oliefyrede kedel på intet tidspunkt været i drift under søpassage, se eventuelt bilag 4,2. Det kan derfor udledes at udstødskedlen, som har stået for hele dampproduktionen, har leveret en mængde som modsvarer opvarmningsbehovet, der dermed på alle tidspunkter under søpassage har været under de udledte 0,87 ton damp i timen. Dette er nødvendig viden, idet det nu kan slås fast at en produktion ud over dette behov ikke vil bidrage til besparelser. Behovet er dog afhængigt af lasttype, årstid og fartområde. Der kan dog, med dette sættes spørgsmålstegn, om det er rentabelt at tænke i besparelser under søpassage med yderligere regenerering af energi fra røggassen. Besparelsen kan, derfor i stedet findes under havneophold, stille skib og manøvrering. Det betyder, på baggrund af analysen for udstødskedlen, at incineratoren udelukkes som løsningsmulighed. Dette skyldes, at incineratoren, kun på et tidspunkt har været i drift, hvor skibet ikke har været under søpassage bilag 4,2. Da der i det forudgående afsnit er udledt, at besparelsen skal findes når skibet ikke er i søpassage, vurderes det derfor ikke rentabelt at benytte WHR på incineratoren. Udstødskedlen er dimensioneret efter røggasmængden fra hovedmotoren. Fra røggasudledningen tidligere ses det, at denne har et masseflow, som er flere gange større en hjælpemotorernes røggasmængde. Fordi besparelsen skal hentes, når hovedmotoren ikke kører, betyder det at hastigheden i udstødskedlen vil være stærkt reduceret i kedlen, hvis røggassen fra en hjælpemotor ledes gennem når hovedmotoren er bakket af. Dette vil kunne medføre fouling i kedlen. Der skal, derfor senere i rapporten, søges efter en anden mulighed for WHR på hjælpemotorerne. Side 46 af 78

47 6.4.7 Validitet udstødskedel Med hensyn til udregning af røggasmængde fra hovedmotoren, er mængden udledt fra fabrikantens specifikationer, som er forudsat valide. Det er desuden antaget, at turboladerens tilførte luftemængde er proportional med belastningen, dette er ikke tilfældet, når der skal regnes mere nøjagtigt, og vil derfor få det estimerede masseflow til at variere fra det faktiske masseflow. Det samme er tilfældet for udledningen af effekten, bundet i røggassen fra hovedmotoren, hvor der ligesom for incineratorens vedkommende er anvendt en empirisk varmekapacitet. Dette accepteres dog for begge udledningers tilfælde, idet disse ikke skal anvendes yderligere i rapporten, men blot anvendes som sammenligningsgrundlag, der kan tages i betragtning når en løsningsmulighed skal findes. Ved dampproduktionen ligger egne målinger, med hensyn til vandstand, til grund for udledningen sammen med værdier for fødevandsflow opgivet fra værftet i systemtegningen for kedlen. Det tryk og flow, som er opgivet i systemtegningen, er efterprøvet ved indtegning i pumpekurve for den givne pumpe, og det er observeret, at værdien ligger relativt tæt på pumpekurven, se eventuelt bilag 4,3. Værdien betragtes derfor som valid. 6.5 Oliefyret kedel Det er med baggrund i den oliefyrede kedel interessant at anskue, hvordan den er opbygget, samt hvor meget brændstof den anvender for at skulle levere en given mængde damp, for herigennem senere at kunne finde frem til besparelser, som kan opnås ved at få leveret denne mængde damp andet steds fra, hvor forholdende tillader det Kedlen Den oliefyrede kedel (figur 21), som er af mærket Greens Shazhou Type DF20-07, er opbygget som en lodret stående cylindrisk vandrørskedel med naturlig cirkulation. Den bliver fyret oppefra, hvorfra en lufttilførsel fra kedelblæseren indgår, heri sidder også hovedbrænderen, som indfyrer enten fuelolie eller diesel, afhængigt af hvor i verden skibet befinder sig (ECA). I denne brænder ledes desuden damptryk til forstøverdysen, som er udformet således, at dampen og de forstøvede brændstofpartikler kommer i cirkulation, dermed opnås en bedre forbrænding. I toppen er desuden monteret en pilotbrænder, som bliver fødet med dieselolie. Brænderen er monteret med en gnisttænder, som sørger for, at der kan opstå en flamme på denne, og temperaturen kan dermed bringes op, inden der startes for hovedbrænderen. Side 47 af 78

48 Kedlen indeholder en under- og en overbeholder, som er forbundet ved hjælp er en serie af konvektionsrør, rørene anvender densitetsforskellen for fødevandet ved forskellige temperaturer. Fødevandet som entrer kedlen vil være koldere og dermed tungere, i forhold til det i kedlen allerede eksisterende vand, og vil løbe ned gennem rørene til den nederste vandtank. I denne tank sidder en heating coil som varmer vandet op, dette vand bliver dermed lettere og vil dermed stige op for at blive yderligere opvarmet, dermed opnås i kedlen en naturlig cirkulation gennem rørene, som giver et større varmeoverførende areal til kedelvandet. Røggassen vil passere mellem rørene og forsvinde op i skorstenen gennem aftaget i siden. Figur 21 Oliefyret kedel (Eget fabrikat) Side 48 af 78

49 6.5.2 System Systemmæssigt leverer den oliefyrede kedel til samme sted som udstødskedlen (figur 22). Den får tilført fødevand fra egne fødevandspumper, og har, med en specifikation på 20 t/h med hensyn til dampproduktion, en væsentligt større kapacitet end udstødskedlens på 1,2 t/h, se eventuelt bilag 4,4. Figur 22. System Oliefyret kedel (Eget fabrikat) Side 49 af 78

50 Brændstofbesparelse i MR-produkttankskibe Analyse For at kunne estimere hvor meget der er mulighed for at spare med hensyn til brændstof, er det nødvendigt at vide hvor meget brændstof kedlen anvender for at producere en given mængde damp, eksempelvis 1 kg. Fordi det ikke har været muligt at overvåge den producerede dampmængde, og sætte dette i forhold til den tilførte mængde brændstof, er det nødvendigt at anvende en anden fremgangsmåde. Her anvendes den termiske virkningsgrad, som producenten påstår ligger på 81,9 % ved fuldlast, se eventuelt bilag 4,4, selvom det er bekendt, at denne virkningsgrad er lastafhængig, antages variationen at være af relativt lille betydning. Fra tidligere afsnit omkring dampproduktion blev det udregnet, at der skulle anvendes 579,1 kw for at opvarme 0,24 kg fødevand pr. sekund til tørmættet damp med en kvalitet hvor x = 1. Derfor må effekten for at opvarme 1 kg/s være lig: ( ) ( ) Det kræver altså 2412,9 kw til vandet tilført effekt for at producere 1kg tørmættet damp i sekundet. Eller hvis der forkortes med tiden, kræver det 2412,9 kj tilført energi for at opvarme fødevandet til 1 kg tørmættet damp, over en given tidsperiode. Der tages herefter baggrund i den førnævnte virkningsgrad, for at finde den indfyrede energimængde som må være lig: Ud fra den betragtning at brændværdien for dieselolien ligger på omkring kj/kg, og for fuelolie ligger på kj/kg, hvad enten det der LS HFO eller almindelig HFO. Dette udspringer af data erhvervet fra Torms Ship Performance afdeling, se eventuelt bilag 3,3. Side 50 af 78

51 Dermed kan massen af brændstof pr. kg produceret damp findes som: Der skal derfor med udgangspunkt i den forudsatte konstante termiske virkningsgrad, anvendes 69g dieselolie eller 73 g fuelolie for hver kg fødevand, som skal opvarmes til tørmættet damp ved 7 bars tryk Validitet oliefyret kedel I udledningen af hvor meget brændstof kedlen anvender, for at producere en 1kg tørmættet damp, er der taget baggrund i brændværdier for de respektive brændstoffer, samt en termisk virkningsgrad specificeret af producenten, det er antaget at denne virkningsgrad er konstant ved alle belastninger. Dette er ikke tilfældet, hvis et nøjagtigt brændstofforbrug til skal udledes. Men det forudsættes, at producenten ser størst fordel i at opgive kedlens virkningsgrad i det mest optimale belastningsområde, med hensyn til output versus input. Derfor vil en mindre virkningsgrad i et andet belastningsområde blot betyde, at der vil kunne opnås større brændstofbesparelser. Dette betyder, at der er tale om en nedjustering af resultaterne i rapporten, hvilket derfor anses som en gangbar fremgangsmåde. Med hensyn til de nedre brændværdier er de hentet som et gennemsnit fra rederiets interne performance afdeling, og anses derfor for at være valide. Side 51 af 78

52 6.6 Del konklusion kedelsystem Det viser sig i det forudgående, at dampproduktionen er tilstrækkelig under søpassage, der er derfor ingen besparelser at hente ved, at lade energien regenerere fra hjælpemotorerne til det formål, at producere damp under denne tilstand. Det vil sige, at det er under driftstilstande hvor hovedmotoren bakket af, kan opnås brændstofbesparelser. Det udelukker incineratoren som løsningsmulighed, fordi denne næsten udelukkende har kørt under søpassage. Udstødskedlen er dimensioneret efter røggassen fra hovedmotoren, der har et masseflow som er flere gange større en hjælpemotorernes røggasmængde. Det betyder, at hastigheden i udstødskedlen vil være stærkt reduceret, hvis det udelukkende er røggassen fra generatorsættene, som ledes gennem, med fouling til følge. Der søges derfor en anden mulighed for at genanvende energien fra udstødningsgassen. 6.7 Løsningsforslag Med hensyn til løsningsmuligheder findes, fra Alfa Laval, to muligheder til at anvende energien bundet i udstødningsgassen fra hjælpemotorer. Det være sig henholdsvis en kompositkedel eller en economiser udviklet specielt til formålet Kompositkedel Kompositkedlen, som er af mærket Aalborg OC-TCi multi inlet, er en løsning til at regenerere energien bundet i røggassen fra generatorerne. Kompositkedlen er også oliefyret, således at den derfor kan stå for at dække samtlige behov. Men med hensyn til redundans, og det faktum at der til tider kan være et stort dampbehov, vurderes det som en bedre løsning at montere economisere efter generatorsættene, og i stedet have en separat oliefyret kedel til at være standby. Figur 23. Multi inlet komposit kedel (Alfalaval, u.d) Side 52 af 78

53 6.7.2 Economiser Af economisere specielt designet til formålet findes Alfa Laval Aalborg XS-TC7A. Denne economiser er opbygget på samme måde som udstødskedlen, hvor der indvendigt løber rør på langs med kedlen, som røggassen fordeler sig i for at opnå et bedre varmeoverførende areal. Den kan indsættes i systemet, således at den cirkulerer på den oliefyrede kedels fødevand. Den har den fordel, at den optager relativt lidt plads sammenlignet med hovedmotorens udstødskedel System Systemmæssigt indsættes economiseren sammen med den oliefyrede kedel, således at den cirkulerer på den oliefyrede kedels fødevand, for herigennem at opretholde et damptryk i denne, der kan overflødiggøre noget af den tid, som kedelbrænderen ellers skulle køre uden economiseren, og derved opnå en besparelse i brændstof. Economiseren sidder i systemet, således at den skal have sine egne fødevandspumper. Systemet kommer dermed til at se ud som efterfølgende figur 25. Her er economiseren monteret på den oliefyrede kedel. Denne cirkulerer på indholdet fra kedlen, på den måde at tager varmt vand fra kedlen og sender damp tilbage til kedlens overbeholder, for at reducere kedelbrænderens kørselsbehov. Figur 24.Economiser (Alfa laval, u.d) Ifølge Christian Lundsgaard, Assistant Project Manager hos Alfa Laval, opnås de bedste resultater når der sidder en economiser for hver hjælpemotor, derfor vælges en løsning, hvor der monteres economisere efter to af hjælpemotorerne. Denne løsning forudsætter dog, at der anvendes de samme to hjælpemotorer til manøvrering, losning og stille skib. De andre to skal så være driftsmaskineri for søpassage. Med hensyn til driftstid skulle dette ikke være et problem, fordi skibet i er søpassage omkring 200 dage om året, hvilket lidt over 54 % af tiden, timefordelingen på hjælpemotorerne burde derfor blive relativt jævnt fordelt. Side 53 af 78