Waste Heat Recovery Implementering af udstødningskedler på Crown Seaways Af Emil Ravn V09861
Forfatter: Emil Ravn, V09861 Rapportens Titel: Waste Heat Recovery Implementering af udstødningskedler på Crown Seaways Projekttype: Bachelor projekt Fagområde: Maskinlære, Maritime fag Årgang: 6. Semester Uddannelsessted: Aarhus Maskinmesterskole Vejleder: Søren Skøtt Andreasen Projektets løbetid: Januar 2014 Juni 2014 Afleveringsdato: 2/6-2014 Normalsider á 2400 anslag: 29,3 sider 2
Abstract The following case is a project about reduction of fuel oil consumption by installing a waste heat recovery system on the auxillary engines. It is commonly known, that diesel powered engines have a number of thermal losses when running due to the high combustions temperatures that is being used to run the engine. One of the biggest losses is the waste heat that is hidden in the exhaust gas. When the auxiliary engines onboard MS Crown Seaways is running under normal conditions the exhaust gas temperatures vary from 325 degrees to about 370 degrees. In order to recover some of the power bound in the exhaust gasses, it is possible to use exhaust gas boilers. By using exhaust gas boilers the generated steam from these, can be used to reduce the running loads on the oil-fired boilers and thereby reduce the fuel oil consumption. By doing so, it is possible to save money First the current conditions for the machinery will be analyzed and the total fuel oil costs in the year 2013 will be researched. The discovered data for the fuel oil consumption will then be further analyzed and held against with the found data from the analyzed running conditions and loads for the auxiliary engines. In order to make the analyzing part in the report it is initially determined, which running conditions the engines usually work under. This is done through research onboard the ship. After finishing the analyzing part of the report, the gained knowledge and data has then been send to the sales department at Alfa Laval Aalborg, so the optimum type of exhaust gas boiler, for the auxiliary engines and their exhaust gas system could be found. The data that was given to Alfa Laval has then been processed and running data for the chosen exhaust gas boiler is found. The data for the exhaust gas boiler is then being used to calculate how much the fuel oil consumption can be lowered and thereby how much money there can be saved. Finally it has then been researched how profitable the investment is, based on the amount of fuel oil that can be saved each year and how much the chosen exhaust gas boilers costs. Through all this I hope to give the reader of this paper an understanding of how the implementation of waste heat recovery could be done at MS Crown Seaways. 3
Forord På 6. Semester på AAMS skal de studerende udfærdige et bachelorprojekt sideløbende med et praktisk ophold omhandlende maskinmesterrelevant stof, der viser den viden og erfaring, den studerende har tilegnet sig på maskinmesteruddannelsen i teoriundervisningen, men også den tilegnede viden, der er opnået under praktikopholdet. Denne rapport er udfærdiget ombord på MS Crown Seaways, der har sin daglige rute mellem Oslo og København. Opholdet på skibet begyndte d. 27. januar 2014 og blev afsluttet d. 21. maj 2014. Der er i praktikperioden blevet udfyldt en overtallig stilling som praktikant, dog er der udfærdiget arbejdsopgaver på lige fod med de ansatte ombord for således at kunne undersøge, hvilke emnerelevante arbejdsområder der findes på skibet. Der foregår hele tiden løbende vedligehold og en af de vigtigste optimeringsområder på skibet er reducering af brændstofforbrug og derved nedsættelse af driftsomkostninger. Det blev derfor tidligt i praktikforløbet klart at bacheloropgaven skulle omhandle implementering af udstødningskedler på hjælpemotorerne. Der skal i forbindelse med rapporten rettes stor tak til følgende: - Skibets besætning - Christian Nepper Lundsgaard Project Manager Alfa Laval - Søren Skøtt Andreasen Vejleder AAMS - Esben Hansen Underviser AAMS 4
Indholdsfortegnelse Abstract... 3 Forord... 4 Problemformulering... 7 Indledning... 7 Undersøgelsesspørgsmålet... 7 Delspørgsmål... 7 Afgrænsning... 8 Metode... 8 Fremgangsmåde... 8 Virksomhedsprofil... 10 DFDS... 10 M/S Crown Seaways... 10 Del 1 Skibets materiel... 11 Hjælpekedlen... 11 Hjælpekedlens brænder... 12 Drift af hjælpekedel... 12 Hjælpekedlernes brændstofforbrug... 13 Gensets... 16 Drift af gensets... 17 Gensets brændstofforbrug... 18 Bunkerpriser... 19 Samlede brændstofforbrug... 21 Samlede brændstofforbrug på hjælpekedler... 22 Samlede brændstofforbrug på hjælpemotorer... 23 Delkonklusion... 24 Del 2 Analyse... 26 Hjælpekedlens dampproduktion... 26 Dampproduktion ved afgang... 26 Genset driftsanalyse... 28 Last analyse... 29 Hjælpemotorernes røggastab... 30 Procentvise røggas tab i forhold til den indicerede effekt... 34 Delkonklusion... 36 Del 3 Udstødningskedel... 38 Valg af udstødningskedel... 38 Forslag til system opbygning... 38 Problemstillinger... 39 Backpressure... 39 Overproduktion af damp... 40 Vedligehold og klassifikation... 41 Producerede dampmængde for XS-TC7A og besparelse... 42 Økonomi... 47 Kapitalværdi metoden... 47 Investerings beregning... 48 Delkonklusion... 51 Konklusion... 51 5
Validitet... 52 Perspektivering... 56 Kildeliste... 57 Bøger... 57 Hjemmesider... 57 Bilag til rapporten... 58 Bilag 1 Boiler data sheet... 59 Bilag 2 EGB for ME... 60 Bilag 3 Kedelbrænder... 62 Bilag 4 Hjælpemotor... 65 Bilag 5 Hjælpemotor data sheet... 71 Bilag 6 Udstødningskedel XS-TC7A... 73 Bilag 7 System forslag til XS-TC7A... 77 Bilag 8 Grafer fra Lyngsø... 80 Bilag 9 Mails fra Alfa Laval... 84 Bilag 10 Brændstof forbrug for 2013... 86 6
Problemformulering Indledning Der er mange forskellige måder at lave driftsoptimering på, og en af de mest effektive er at udnytte den gratis energi, der er i udstødningsgasserne fra motorer. Hovedsageligt er dette set på hovedmotorerne, der bruges til fremdrivning af skibe. Den høje temperatur, der forekommer i udstødningsgasserne, kommer af arbejdsprocessen inde i motoren. Udstødningsgassen, der opstår efter forbrændingen, er i sig selv ikke brugbar på grund af emissioner og skadelige restpartikler efter forbrændingen. Men de høje temperaturer i gasserne kan genindvindes ved at lede udstødningsgassen igennem en udstødningskedel. Denne procesform kaldes Waste Heat Recovery, da spildvarmen udnyttes til dampproduktion, således at der udnyttes mest mulig energi fra det indfyrede brændstof i motorerne. Undersøgelsesspørgsmålet Hvordan kan et Waste Heat Recovery system implementeres i praksis ombord på MS Crown Seaways? Delspørgsmål - Er det rentabelt for skibet at implementere udstødningskedler på dets gensets? - Er det muligt udelukkende at udnytte det producerede damp fra hjælpemotorernes, eventuelle udstødningskedler, således at de oliefyrede kedler kan stoppes af? 7
Afgrænsning Det er vurderet, at de store besparelser ved brug af udstødningskedler på hjælpemotorerne vil forekomme under havneophold, da skibets dampforbrug under sejlads kan dækkes ved brug af hovedmotorernes udstødningskedler. Derfor vil der i rapporten blive fokuseret på brugen af hjælpemotorernes udstødningskedler og de relevante maskiner, der påvirker/påvirkes af implementeringen. Derudover vil der heller ikke blive beregnet på hovedmotorernes udstødningskedler og deres dampproduktion. Hjælpekedlerne og hjælpemotorerne drives kun på MGO 1 under havneophold og der vil derfor kun blive regnet på brugen af MGO i rapporten. Metode Denne rapport er opbygget på empiri, som danner base i de indsamlede data fra generatoranlægget og hjælpekedlerne, sammen med den viden og teori, der er blevet tilegnet i undervisningen på Aarhus Maskinmesterskole. Der er tale om teoretisk viden fra termiske maskiner, som er undervisning om forbrændingsmotorer og deres driftsområder og energiudnyttelse. Derudover bliver viden fra erhvervsøkonomi brugt til at vurdere investeringens rentabilitet, og der bliver brugt den tilegnede viden fra STCW fagene fra 5. semester, der også underbygger forståelsen for forbrændingsmotorer. Der er dog også undervist i en forøget forståelse af driften i materiellet til søs. Rapporten er opbygget således, at først vil den almene drift af materiellet blive beskrevet, derefter identificeres problemstillingerne og der foretages analyse deraf. Til sidst konkluderes der på den tilegnede viden. Fremgangsmåde Da skibet MS Crown Seaways er omdrejningspunktet for denne opgave og emnevalget er taget på baggrund af en problemstilling om bord, er al dataindsamling foretaget på skibet. Denne 1 Marine Gas Oil 8
indsamlede data danner grundlaget for at kunne undersøge, hvilken betydning en implementering af udstødningskedler til skibets generatoranlæg har. Den indsamlede data kan deles op i to kategorier. Først det kvantitative data, som er anlægsspecifikationer, målinger på anlæggene og anden data, der danner baggrund i maskinernes specifikationer i praksis. Dernæst det kvalitative data, som er diskussion og interview med undervisere og mestre ombord, mailkorrespondancer med valgte leverandører samt sekundær data, der er vurderet relevant. Rapporten omhandler én case Implementering af udstødningskedler til generatoranlægget. Inden der i rapporten bliver svaret på, hvad en sådan implementering har af konsekvenser for økonomi, videre drift og forbrug, vil der blive først blive beskrevet nogle grundlæggende forudsætninger. Først vil der blive lavet en anlægsanalyse af generatoranlægget og hjælpekedlerne, som indeholder: - Anlægsbeskrivelse - Daglig drift - Brændstofforbrug Beskrivelsen af alt dette vil foregå ved hjælp af de to foregående beskrevne metoder om kvantitative og kvalitative data, som er blevet indsamlet ombord på MS Crown Seaways. Derefter skal de beskrevne emner danne grundlag for en videre analyse af generatoranlægget og dets røggasdannelse og hjælpekedlernes dampproduktion, der skal anvendes til udvælgelse af udstødningskedler til skibets gensets. Dette skal herefter analyseres og vil danne grundlag for en analyse af: - Dampproduktion 9
- Økonomi - Rentabilitet Inden det til sidst vil blive vurderet ud fra problemformuleringen og den fundne data samt rederipolitik og skibets alder, om en sådan implementering bør foretages. Virksomhedsprofil DFDS Rederiet DFDS blev grundlagt i 1866 og har siden da været en del af Danmarks industrielle og maritime udvikling. Siden grundlæggelsen har DFDS været involveret i både national og international handel, samt transport af fragt og passagerer. Foruden virksomhedens maritime del, blev der i 1960 erne som følge af den øgede handel også tilføjet fragt på fastlandet under navnet DFDS transport and logistics. I årenes løb har DFDS fået opbygget en stor virksomhed og er efter seneste opkøb af Norfolk- Line i år 2010, der var ejet af AP Møller-Mærsk, blevet Nordeuropas ledende firma inden for shipping & logistics. DFDS shipping og logistics netværk består af en flåde på 55 skibe, der sejler på 25 forskellige ruter i det Baltiske Hav, Nordsøen og den Engelske kanal. Hvor det fra de forskellige havne er muligt at fragte gods videre rundt i Europa via firmaets fragt afdeling på land 2. M/S Crown Seaways M/S Crown Seaways blev oprindeligt bestilt af Euroway, der bestilte to identiske skibe. De skulle bygges på skibsværftet Bodogradiliste i Split, Kroatien, og skulle sejle mellem Malmö og Travemünde. Men på grund af borgerkrigen i Jugoslavien i 1991-1992 og dårlig lønsomhed på ruten, trak Euroway deres bestilling tilbage og i stedet opkøbte DFDS i 1994 det ene af skibene, der i dag kendes som M/S Crown Seaways. Skibet har siden da sejlet på ruten mellem København og Oslo, sammen med søsterskibet M/S Pearl Seaways og har siden da været 2 http://www.dfdsgroup.com/about/history/ 10
nogle af flådens mest lønsomme skibe, da de står for størstedelen af passagertransport og en lille del af handelstransport mellem Danmark og Norge. Skibet er en RO/RO 3 færge, der har en passagerkapacitet på 2136 personer, fordelt på 637 kabiner og 2026 køjer. Skibets længde er på 171 m, bredde er 27,6 m og det har en dybgang på 6,35 m. Til fremdrift af skibet er 4 stk 4-takts medium speed Pielstick, der hver har en effekt på 8960 hk. Motorerne er 12 cylinderede V-motorer. Skibets gensets består af 4 stk Wärtsilä Diesel, række 6 motorer, der tilsammen kan levere en el-effekt på 7790 kw eller det, der svarer til 1950 kw pr. motor. Del 1 Skibets materiel I den indledende del af rapporten vil skibets relevante materiel blive beskrevet, for senere i rapporten at kunne foretage en analyse og vurdering af rentabiliteten ved implementeringen af EGB 4. Derfor vil hjælpekedlen, hjælpekedlens brænder og hjælpemotorerne blive beskrevet i dette afsnit. Hjælpekedlen Hjælpekedlen ombord på MS Crown Seaways er produceret af TPK/Kepp i Jugoslavien og er af typen KLN/VIC. Hjælpekedlen står lodret op og har en højde på 5 m og en diameter på 2,2 m. Kedlens maksimum damp output er på 5 t/h ved et arbejdstryk på 7 bar. Kedlen er bygget til marine brug og er ideel til skibe, hvor maskinrumsarealet er begrænset i højden. Det er fordi MS Crown Seaways er en cruise færge, og skibet er derfor bygget med et bildæk, der ligger lige over maskinrummet. Det betyder, at alt stort materiel i maskinrummet skal være kompakt bygget. 3 Roll on/roll off færge 4 Exhaust Gas Boiler 11
I bunden af kedlen er der et cylindrisk kammer, som er placeret koncentrisk. Det er i dette kammer forbrænding foregår. Uden om kammeret er kedelvandet, som bliver opvarmet af forbrændingsprocessen og derved fordamper. Der er 80 m 2 hedeflade i hver af skibets to hjælpekedler. Når forbrændingen er foregået i brændkammeret, stiger de varme udstødningsgasser op igennem nogle rør, der fungerer som selve hjælpekedlens fordamper. I hvert af disse rør er der placeret et mindre rør, der har forbindelse til kedelvandskammeret og til dampbeholderen. Det indre rør er belagt med tætsiddende metalstave således, at man udnytter konvektionsvarmen fra røggasserne, der vil smyge sig omkring disse stave og afgive varme til et langt større areal af det indre rør, end hvis det bare var glat. Således sikres det at dampen, der forlader kedlen er fuldstændig tørmættet, og ved maksimum belastning af kedlen har det en temperatur på 165 C. Hjælpekedlen er derudover designet sådan, at sodblæsere ikke er en nødvendighed, da hedefladerne i fordamperen renses ved hjælp af water jet og derved sikres det, at der ikke forekommer for tykke lag af belægning, som over tid vil reducere hedefladernes varmeoverførsel. Hjælpekedlens brænder Hjælpekedlens brænder, er en rotationsbrænder af typen Saacke GM 40 LKZ-2. Som det fremgår af brænderens navn, sidder der et roterende rør, hvor der ude for enden er monteret en kop, der er hul og konisk. Olien tilledes brænderen med et tryk på 1-2,5 bar, og olien forstøves så ved hjælp af centripetalkraften, som olien påvirkes af idet tilledningensrøret roterer. Brændertypen GM 40 LKZ-2 kan forbrænde minimum 60 kg olie/h, og den har et maksimum på 400 kg olie/time. Drift af hjælpekedel På MS Crown Seaways er hjælpekedlerne udelukkende i drift, når skibet ligger langs kaj. Når skibet er i søen og hovedmotorerne er i drift, kan hovedmotorernes udstødningskedler producere damp nok til kedlerne ikke behøver at være i drift. 12
Opstart af kedlerne foregår automatisk ved hjælp af deres styring. Hovedmotorernes udstødningskedler og hjælpekedlerne deler dampbeholder, således at den beholder, den tørmættede damp ender i, når hjælpekedlerne selv står for dampproduceringen, også fungerer som dampseparator for udstødningskedlerne. Når damptrykket i beholderen således falder til 4,7 bar under havneanløb, fordi hovedmotorernes last nedsættes, og de derved yder mindre effekt, vil hjælpekedlernes styring selv starte hjælpekedlerne op, så damptrykket opretholdes i kedlen. Udover at kedlerne kun er i drift, når skibet ligger langs kaj, så er der også kun en enkelt kedel i drift af gangen, da dampbehovet under havneophold er tilstrækkeligt lavt til, at én kedel kan producere damp nok. Kedlens normale arbejdstryk var sat til 7 bar. Dog arbejder kedlen kun omkring 5 5,3 bar tryk under daglig drift. Driftstrykket er blevet sænket, da besætningen igennem skibets levetid har erfaret, at trykket kunne sænkes til 5,3 bar, uden at nogle forbrugere vil mangle damp, og at der på trods af tryknedsættelsen opretholdes et spillerum, så trykket kan falde en smule, uden at forbrugerne vil miste damptrykket. Ved fuldlast og et arbejdstryk på 7 bar, leverer hjælpekedlerne op til 5 t damp/h. De er dog blevet reduceret i last, således at kedlen maksimum kan køre i hak 8 ud af 10. Derved er brændstoftilførslen begrænset. Grunden til kedlen er begrænset til hak 8 er, at mestrene har erfaret at kedlen kan producere damp nok til alle spidsbelastninger samtidig med, at maksimale brændstofforbrug er reduceret. Begge kedler har også to fødevandspumper til rådighed, en der står for at spæde kedlerne med vand og en der står standby. Alle fødevandspumperne er udstyret med frekvensomformer således, at de ikke skal køre med en langt mere uøkonomisk on/off regulering. Deres setpunkt er at opretholde kedlerne 50% fyldte med vand under alle driftsforhold. Hjælpekedlernes brændstofforbrug Ombord på MS Crown Seaways bliver der hver morgen ved ankomst noteret, hvor meget brændstof, der er blevet brugt over det sidst døgn. Der bliver derfor noteret, hvor meget HFO 5 5 Heavy Fuel Oil 13
hovedmaskinerne har brugt, hjælpemotorernes HFO & MGO forbrug samt hjælpekedlernes MGO forbrug. Brændstofforbruget varierer meget alt efter, hvilken årstid det er, da der om vinteren gennemsnitligt bliver brugt mere brændstof, da en højere damp produktion er påkrævet, som følge af det oftere forekommende dårlige og kolde vejr. Der vil som tidligere nævnt kun blive fokuseret på hjælpemotorernes og hjælpekedlernes brændstofforbrug af MGO. For at kunne lave en mere nøjagtig oversigt over, hvad skibet har brugt af brændstof på maskinerne, deles året op og brændstofforbruget regnes gennemsnitligt i årstider. Der kan i bilag 10 ses det dokument, hvor brændstof forbruget er noteret. Der er blevet fundet data fra hele 2013, selvom forbruget kan dateres længere tilbage i andre dokumenter, der findes ombord på skibet. De aflæste værdier, som er indsat i tabellen nedenfor, er gennemsnitlig forbrug per dag, i de enkelte måneder. December Januar Februar Gns (vinter) 1,1 ton/dag 1,6 ton/dag 1,1 ton/dag 1,27 ton/dag Marts April Maj Gns (Forår) 1,2 ton/dag 0,84 ton/dag 0,62 ton/dag 0,89 ton/dag Juni Juli August Gns (Sommer) 0,58 ton/dag 0,55 ton/dag 0,53 ton/dag 0,55 ton/dag September Oktober November Gns (Efterår) 0,62 ton/dag 0,7 ton/dag 0,8 ton/dag 0,71 ton/dag Tabel 1 Hjælpekedlernes gennemsnitlig brændstofforbrug pr. dag for hver måned i 2013 Derudover kan det ses i bilag 10, at der i nogle måneder ikke er noteret brændstofforbrug. Dette kan være grundet forglemmelse eller hvis skibet har haft dok ophold. 14
Forfatter: Emil Ravn Kedlerne er som tidligere nævnt kun i brug, når skibet ligger langs kaj. Kedlerne starter derfor op hver morgen omkring kl. 9.30 og stoppes igen omkring kl. 17. Dette giver en driftstid på 7,5 timer om dagen. Da kedlernes brændstofforbrug er angivet i tons pr. dag, vil dette nu blive omregnet til kg pr. time. Nedenstående er et regneeksempel for vintermånedernes gennemsnitlige forbrug pr. time. (1) Hver gang skibet bunker olie, bliver densiteten af den nye olie indtastet i systemet, således at de målte værdier for brændstofforbruget bliver udregnet eksakt af computeren. Ovenstående er regnet udelukkende for vinterkvartalet, de resterende værdier for det gennemsnitlige brændstofforbrug kan ses i skemaet nedenfor. Vinter Forår Sommer Efterår Gns [kg/dag] 1270 890 550 710 Gns[kg/h] 169,3 118,67 73,3 94,67 Tabel 2 Hjælpekedlernes gennemsnitlige forbrug pr time, for hver årstid Det er derfor nu muligt at udregne, hvad den indicerede kedeleffekt ligger på. Der tages udgangspunkt i, at MGO nedre brændværdi ligger omkring de 42.000 kj/kg. Den indicerede effekt kan regnes på følgende måde: (2) Hvor: 15
Qi = Den indicerede effekt = Massestrømmen af brændstof hi = Nedre brændværdi Da den indicerede brændstofmængde er angivet i kg/h og effekten regnes i kw, divideres dette for at få angivet dette i kg/s. Således vil dette ganget sammen med den nedre brændværdi give kj/s, som er det samme som kw. (3) De resterende udregninger for den gennemsnitlige indicerede effekt på kedlerne i de forskellige årstider står angivet i det efterfølgende skema. Vinter Forår Sommer Efterår Qi [kw] 1975,5 1384,4 855,6 1104,4 Tabel 3 Hjælpekedlernes gennemsnitlige indicerede effekt, for de forskellige årstider - regnet ud fra det gennemsnitlige brændstofforbrug pr. time Som det kan ses i tabel 3, er brændstofforbruget om vinteren lige omkring det dobbelte af sommerens, hvilket også afspejler sig i antallet af kw, der indiceres til kedlens dampforbrug. Det vil senere i rapporten blive undersøgt, hvad kedlens dampproduktion er. Gensets Til elektricitetsproduktion på skibet er der fire hjælpemotorer af typen Wärtsilä 6R32, som er 6-cylindrede, 4-takts række motorer, med en cylinder diameter på 320 mm og en slaglængde på 350 mm. Ydelsen er på 2250 kw pr. motor, og de har et nominelt omdrejningstal på 750 16
o /min. Motorerne er designet til at kunne køre på både HFO og MGO, men som med kedlerne, drives motorerne kun på MGO, når skibet ligger langs kaj. Drift af gensets Driften af skibets hjælpemotorer varierer alt efter årstiden, om skibet er i gang med afgang/ankomst, ligger langs kaj eller er under sejlads. Som nævnt i forrige afsnit, har skibets gensets hver en maksimum ydelse på 2250 kw, men da maskinrumsventilationen ikke kan levere tilstrækkelig luft til, at motorerne kan kører fuldlast af det, de er designet til, er motorerne begrænset til 80% ydelse af deres egentlige 100% ydelse: (4) Dette leverer de enkelte motorer dog aldrig, da det i Lyngsø computerne 6 er bestemt, at styringen skal starte en ekstra hjælpemotor op og koble denne ind på skibets el-tavle, når belastningen af motorerne er på 1700 kw eller derover i mere end 2 sekunder. Dette medfører, at motorernes egentlige maksimale belastning er på: (5) MCR 7 Når skibet er under sejlads mellem København og Oslo, er der som minimum altid to hjælpemotorer i drift. Der er minimum to i drift, da skibet kan medtage op mod 2000 passagerer, der alle skal kunne bruge skibets elektricitet samtidig med, at skibets besætning og - vigtigst af alt at skibets store forbrug til at sikre sejladsen, skal have elektricitet til 6 Kontrolrummets computere til at kontrollere og styre maskineriets drift 7 Maximum Continuous Rating 17
rådighed på alle tider. Yderligere kan to hjælpemotorer levere tilstrækkelig med energi til, at der også er en buffer i tilfælde af, at forbruget stiger uforudset. Når skibet ligger langs kaj, er der kun besætningen ombord på skibet, og de flest store forbrugere er stoppet af, og derfor er en enkelt hjælpemotor tilstrækkelig. Dog varierer det en smule, da der i sommermånederne er behov for drift af AC-anlæg. Disse anlæg har så stort et forbrug, at en enkelt motor ikke er tilstrækkelig, og derfor er der to hjælpemotorer koblet ind på skibets net. Gensets brændstofforbrug Ligesom med kedlerne bliver brændstofforbruget på hjælpemotorerne også noteret ned hver eneste dag, som kan ses i bilag 10. Modsat kedlerne er brændstofforbruget på hjælpemotorerne størst i sommermånederne. Dette kommer sig af, at AC-anlæggene er i drift i disse måneder, og AC-anlægget er en af skibets store forbrugere. Selvom hjælpemotorernes forbrug er nogenlunde ens i årets resterende måneder, vil motorernes forbrug også blive delt op efter årstiderne. Værdierne, som kan aflæses i skemaet, er ligeledes gennemsnitsværdier for forbruget i ton pr. dag. December Januar Februar Gns (vinter) 1,4 ton/dag 1,2 ton/dag 1,3 ton/dag 1,3 ton/dag Marts April Maj Gns (Forår) 1,3 ton/dag 1,3 ton/dag 1,5 ton/dag 1,37 ton/dag Juni Juli August Gns (Sommer) 1,6 ton/dag 1,7 ton/dag 1,8 ton/dag 1,7 ton/dag September Oktober November Gns (Efterår) 1,5 ton/dag 1,4 ton/dag 1,3 ton/dag 1,4 ton/dag Tabel 4 Genset gennemsnitlige daglige forbrug pr. dag, for hver måned i 2013 18
Foruden overskueligheden ved at dele forbruget op i gennemsnit pr. årstid, så kan værdierne i foråret og om efteråret også af og til være forhøjet i forhold til om vinteren. Det er fordi ACanlægget er i drift nogle dage, alt efter udetemperaturen. Om anlæggene er i drift vurderes fra dag til dag af mestrene ombord, alt efter hvor varm udendørstemperaturen er. Som med kedlerne regnes tiden, hvor hjælpemotorerne er i drift på MGO til at være 7,5 timer pr dag. Motorerne slås over på MGO fra HFO cirka 15 minutter før ankomst til havn og ligeledes omkring 15 minutter efter afgang fra havn, stilles de tilbage på HFO. Brændstofforbruget pr. time for hjælpemotorerne er beregnet i skemaet nedenfor. Vinter Forår Sommer Efterår Gns [kg/dag] 1300 1370 1700 1400 Gns[kg/h] 173,3 182,67 226,67 186,67 Tabel 5 Gensets gennemsnitlige forbrug pr. time for hver årstid Det MGO, der bruges til at fyre kedlen med, er det samme hjælpemotorerne drives af, og derfor sættes værdien for den nedre brændværdi endnu engang til 42.000 kj/kg. Således kan den indicerede effekt også regnes for motorerne og kan aflæses i tabellen nedenfor. Se udregning (3). Vinter Forår Sommer Efterår Qi [kw] 2022.2 2131,1 2644,4 2177,8 Tabel 6 Gensets gennemsnitlige indicerede effekt, for de forskellige årstider - regnet ud fra det gennemsnitlige brændstofforbrug pr. time Bunkerpriser MS Crown Seaways sejler fast imellem København og Oslo hver dag og har derfor en fast brændstofleverandør i OW Bunkers. Derfor er har de modsat mange andre skibe ikke mulighed eller behov for at skulle bunkre olie forskellige steder verden over. Skibet har af 19
denne grund også en fast leverandør, og det er en aftale med denne leverandør, der gør at oliepriserne ikke svinger i samme størrelsesorden som, hvis der skulle bunkres skiftevis i Houston, Singapore og Auckland. Grundet rederiet har en fast aftale med deres leverandør OW Bunkers og derved har forhandlet en fordelagtig aftale med dem, kan det ikke i rapporten afsløres, hvilke priser skibet skal betale pr. metriske tons MGO. Derfor er nedenstående priser på MGO, de priser brændstoffet vil koste, hvis der bunkres i Rotterdam. Det skal dog noteres, at priserne skifter hele tiden, og der derfor er tale om et øjebliksbillede af, hvad brændstoffet koster pr. metriske ton. MGO priser pr. 22/4-2014 Bunkerworld 8 Bunkerindex 9 Gennemsnits pris 10 892,00 USD/mt 908,00 USD/mt 897,00 USD/mt Tabel 7 Bunkerpriser fundet hos bunkerworld og bunkerindex Det fundne gennemsnit vil blive brugt til at beregne brændstofprisen pr. metriske tons og derefter, hvad de samlede udgifter for brændstof var i 2013. Valutakursen hos Nationalbanken 11 for USD er pr. 22/4-2014: 540,37 DKK for 100 USD. Dette vil sige at den betalte pris for et metrisk ton MGO i DKK er: (6) 8 http://www.bunkerworld.com/prices/ 9 http://www.bunkerindex.com 10 Gennemsnitsprisen for de fundne priser på Bunkerworld og Bunkerindex 11 http://www.nationalbanken.dk/da/statistik/valutakurs/sider/default.aspx 20
Samlede brændstofforbrug Det samlede brændstofforbrug er ved hvert årsskifte siden 2006 blevet notoret i et dokument, således at det er nemt og overskueligt at se, hvilke besparelser de løbende optimeringsprojekter har medført. 19000 Consumption [tons] total 18000 17000 16000 15000 14000 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Figur 1 Totale årlige forbrug i tons, siden 2006 Crown Seaways arkiv Som det kan ses i tabellen og i søjlediagrammet har skibet over de sidste 7 år, formået at reducere det samlede brændstofforbrug med 20 %. Dette er gjort ved hjælp af optimering på materiel på hele skibet, som afspejler sig i det forbrug, hjælpemotorer, hjælpekedler og hovedmaskiner har. I 2013 var de totale brændstofudgifter på: År Cons. [tons] Indeks 2006 18126 100 2007 17744 97,9 2008 17609 97,1 2009 17002 93,8 2010 16693 92,1 2011 15924 87,9 2012 15234 84,0 2013 14128 79,6 Tabel 8 Totale årlige brændstofforbrug i tons siden 2006 (7) 21
Ud af de totale udgifter er det interessant at kigge på årsforbruget på hjælpemotorerne og hjælpekedlerne og lave en beregning på, hvad deres samlede udgifter var på brændstof for 2013. Samlede brændstofforbrug på hjælpekedler 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Consumption [tons] Oil Fired Boilers 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Figur 2 Hjælpekedlens månedligt totale brændstofforbrug siden 2006 Crown Seaways arkiv År Cons. [tons] indeks 2006 647,2 100 2007 513 79,26 2008 467,6 72,25 2009 477 73,70 2010 467,8 72,28 2011 360,6 55,72 2012 377,6 58,34 2013 316,6 48,92 Som det ses i tabellen er år 2006 startåret for noteringerne i dokumentet, og forbruget for dette er sat til at være index 100%. Det kan så ses i de forløbne år frem til år 2013, at besætningen har været i stand til at optimere driften af hjælpekedlen, så det årlige brændstof forbrug er mere end halveret i forhold til 2006. Tabel 9 Hjælpekedlens årligt totale brændstofforbrug i tons siden 2006 22
Der vil senere i rapporten blive beregnet på den mængde damp hjælpemotorernes eventuelle udstødningskedler kan producere, og så vil der blive regnet på, hvad brændstofforbruget på hjælpekedlen vil kunne bringes ned på ved brug af den gratis damp fra udstødningskedlerne. Det samlede forbrug af brændstof til drift af hjælpekedlen ligger på 316,6 metriske tons for år 2013, og med den før fundne pris for MGO er det nu muligt at lave en beregning, der viser hvor store de samlede udgifter på brændstof til drift af kedlen var: (8) Skibet havde i 2013 samlede udgifter på i 1,5 millioner DKK. Implementering af udstødningskedlerne vil kunne bidrage til, at det fremtidige forbrug på kedlerne vil kunne blive reduceret yderligere, således at udgifterne også vil kunne nedsættes yderligere. Det er dog ikke noget, der vil medføre store ændringer i det totale regnskab, da kedlernes bidrag til forbruget er begrænset i forhold til hjælpemotorernes og hovedmotorernes. Samlede brændstofforbrug på hjælpemotorer 450 400 350 300 250 200 150 100 Consumption [tons] Auxilliary Engines 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Figur 3 Gensets månedligt totale brændstofforbrug siden 2006 Crown Seaways arkiv 23
Igen fremgår det af søjlediagrammerne og tabellen, at den løbende optimering har givet en markant reducering i brændstof forbruget. Hjælpemotorernes brændstof forbrug og deres levering af kwh til skibets forbrugere hænger sammen. År 2006 2007 2008 2009 Cons. [tons] 4092,7 4083,9 4022,5 3918,6 Indeks 100 99,78 98,28 95,75 Det har derfor været et af hovedoptimeringsområderne, at alle pumper er udstyret med frekvensomformere, således at de ikke kører med fuld last hele tiden. Derved har det med frekvensomformere været muligt 2010 2011 2012 2013 3600,7 3669,3 3439,3 3278,5 87,98 89,65 84,03 80,11 at skabe en varieret last, så de over tid forbruger mindre elektricitet og derved har et mindre brændstof forbrug. Besparelsen, der er opnået ved optimering, er på omkring 20%, og de samlede årlige udgifter ligger nu på: Tabel 10 gensets årligt totale brændstofforbrug i tons siden 2006 (9) Implementeringen af udstødningskedlerne vil dog ikke bidrage til yderligere en reducering i brændstofforbruget på hjælpemotorerne som ved hjælpekedlerne. Men implementeringen af dem vil medføre en bedre systemvirkningsgrad, da alt spildvarmen ikke bare vil sendes direkte ud gennem skorstenen, men i stedet vil udnyttes mest muligt til opvarmningen af kedelvandet. Delkonklusion Som det fremgår i afsnittet om brændstof forbruget siden 2006, er de samlede udgifter i 2013 på 68 millioner DKK. Hvoraf udgifterne på kedlernes brændstof er på 1,5 millioner DKK og hjælpemotorerne ligger i underkanten af 16 millioner DKK. Det viser tydeligt at 24
hovedmotorerne står for langt størstedelen af skibets brændstofforbrug, mens kedlerne har det mindste forbrug. Som udgangspunkt lader det ikke til, at de store besparelser kan findes ved at implementere udstødningskedler på hjælpemotorerne, selv ikke hvis disse har en effektivitet der tillader, at kedlerne vil kunne stoppes af permanent. 25
Del 2 Analyse Hjælpekedlens dampproduktion Dampproduktion ved afgang Det største dampbehov ombord på MS Crown Seaways forekommer lige inden afgang, da skibet har samtlige store forbrugere i drift eller under klargørelse. Derfor er der lige inden afgang i en periode på 7 dage, fra d 15/4-2014 til d 21/4-2014, blevet målt nogle data for kedlerne, således at dampbehovet og kedlernes forbrug af brændsel ved maksimal belastning kan findes og derved sammenholdes med dampmængden, EGBS teoretisk vil kunne levere. Der er derfor blevet målt brændstofforbrug, fødevandstemperatur og den tørmættede damps afgangstemperatur. mbr = Masseflow brændstof. Tfv = Fødevandstemperatur. Td = Damptemperatur. hg = Tørmættede damps enthalpi. ηk = Kedelvirkningsgrad. λd= dannelsesvarmen. mbr [l/h] Tfv [ C] Td [ C] 264 81 164 254 76,9 162 262 79,6 170 279 80,6 164 264 84,8 171 276 84,1 169 281 84,3 168 Tabel 11 Hjælpekedlens driftsdata under maksimal belastning lige op til afgang 26
Forfatter: Emil Ravn Der er derefter over fundet et gennemsnit for de målte data over de 7 dage. Dette er gjort som følge af temperaturerne og brændstof forbruget der svinger op og ned konstant. mbr = 268,6 l/h Tfv = 81,6 C Td = 166,8 C Derudover er der fra damptabel 12, fundet følgende data for dampen ved 5,3 bars tryk. hg = 2778,86 kj/kg Densiteten på MGO en ved driftsforhold er angivet af leverandøren samt en nedre brændværdi på 42000 kj/kg. ρmgo = 860 kg/m 3 Den indicerede effekt til kedlen kan derfor nu findes ved formlen: (10) Den producerede dampmængde kan findes ved følgende formel, hvor dannelsesvarmen indgår i. Dannelsesvarmen er den energimængde, der skal tilføres fødevandet for at blive til den tørmættede damp. (11) Hvor dannelsesvarmen kan regnes ved: 12 Damptabel i The Steam and Condensate Loop 27
Forfatter: Emil Ravn (12) (13) Da alle data på nær mængden af damp, der produceres kendes, kan dette nu isoleres i før nævnte formel så dette kan findes. (14) Dette er den dampmængde kedlerne gennemsnitlig producerer i timen, når de er maksimalt belastet. Genset driftsanalyse For at kunne bestemme hvilken type udstødningskedel, der skal vælges til implementering, skal der kendes nogle data, således at det sikres, at der foretages det bedst mulige valg, uden hjælpemotorernes drift forringes som følge af implementeringen. Derudover skal der findes et generelt lastområde, hjælpemotorerne ligger i under drift, som skal bruges til at kunne bestemme den specifikke røggasmængde, de udleder. Dette er fordi udstødningstemperaturer samt røggas flow afhænger af motorernes last, og derved er det disse faktorer, der bestemmer, hvor meget spildvarme, der udledes, og som kan bruges til at danne damp i udstødningskedlerne. 28
Last analyse For at kunne finde den specifikke mængde spildvarme motorerne udleder, er der i Lyngsø Marine 13 blevet lavet nogle grafer over el-forbruget. Graferne kan ses i bilag 8. De fundne data er taget over en 7 dages periode fra d. 15/4-2014 til d. 21/4-2014. Det er i denne periode muligt at se el behovet med og uden AC-anlæg i drift, da temperaturerne svinger meget. Dette fremgår da også af graferne, hvor det kan ses, at der mellem ankomst kl. 9.30 til afgang kl. 17 de pågældende dage er udsving som følge af start og stop af AC-anlægget. For belastninger op til og med 1200 kw er der kun en hjælpemotor i drift, hvor der ved forbrug på over de 1200 kw er to hjælpemotorer i drift. Selvom en enkelt hjælpemotor vil kunne yde tilstrækkelig effekt til at dække behovet, bevirker udendørstemperaturen, at maskinrumstemperaturen er så høj, at hjælpe motorernes udstødningstemperaturer vil blive for høje, og derved vil de termiske belastninger medvirke til, at det risikeres, at materiellet bliver beskadiget. Derfor - som tidligere nævnt - varetages driften af to hjælpemotorer, når AC-anlægget er i drift, da AC-anlægget kun er i drift som følge af de forhøjede temperaturer udendørs. I efterfølgende afsnit bliver den røggas, hjælpemotorerne udleder beregnet, og derfor er det nødvendigt at vide, hvor stor den procentvise belastning af dem er. Der tages udgangspunkt i deres fuldlast er 2250 kw, da det er ved denne last, der er angivet til 100% ifølge deres data sheet. For at begrænse antallet af data er det blevet vurderet, at den procentvise last af en motor sættes til 1200 kw ud fra dataene i bilaget samt at der for drift af 2 motorer er en del udsving, men den last der vil blive undersøgt, er aflæst til at ligge på omkring 1500 kw. Det vil sige, at hver motor er gennemsnitlig belastet med 750 kw. Én motor i drift Last = 1200 kw Procentvis last = 53,3 % 13 Skibets SRO styresystem. 29
To motorer i drift Last pr motor = 850 kw Procentvis last pr motor = 33,33 % Tabel 12 Gensets procentvise last ud fra udregnede data Ved drift af to motorer under havneophold kan det ses, at det er meget lav last de kører med, dog er dette en nødvendighed grundet den førnævnte temperatur, der ellers vil medføre forhøjede udstødningstemperaturer og derved forhøjede termiske belastninger i en sådan grad, at havarier risikeres. Hjælpemotorernes røggastab Figur 4 Eksempel på et sankey diagram - http://webcache.googleusercontent.com/search? q=cache:jr1sidstiigj:www.wartsila.com/file/war tsila/en/1270037227424a1267106724867- Wartsila-O-E-RT- WHR.pdf+&cd=1&hl=da&ct=clnk&gl=dk&client=s afari Det brændstof, man indicerer ind i motoren, har en vis energimængde alt efter brændstoffets kemiske sammensætning. Den energi brændstoffet har, som indiceres ind i motoren, kaldes den indicerede effekt, men langt fra al den energi, brændstoffet indeholder, er det, der rent faktisk bliver omsat til den elektriske effekt, som er nødvendig for at drive skibets forbrugere. På figur 4 ses et eksempel på et sankey diagram, der laves for at overskueliggøre, hvor stor en del af den indicerede energi, der egentlig bliver til nytteeffekt. Procentsatserne, der fremgår på billedet, er ikke fra de pågældende motorer ombord på Crown Seaways. Men som det fremgår, er det kun omkring 50% af den indicerede effekt, der bliver afsat på krumtapakslen. Disse procentsatser kan variere meget alt efter motorens last, drifts forhold, stand og alder. Dog er en tommelfingerregel, at omkring 50% normalt går til akslen og udstødningsgasserne giver et tab lige fra 20% op imod en tredjedel af den samlede indicerede effekt til motoren. Det er derfor interessant at 30
Forfatter: Emil Ravn undersøge, hvor stor en spildenergi hjælpemotorerne har ved de last områder, der blev fundet i forrige afsnit. Derudover vil det først blive undersøgt, hvor stor den indicerede effekt er på i de pågældende tilfælde, for derved at kunne belyse, hvor stor et røggastab motorerne på Crown Seaways har. Til at beregne røggastabet for de to last situationer, skal følgende formel bruges. (15) Hvor: QRøg = Røggas tabets effekt [kw] mrøg = Masseflowet af røggas [kg/s] crøg = Røggassen specifikke varmefylde Sættes generelt til at være 1,05 [kj/kg*k]. TRøg = Røggassens temperatur [ C] TRum = Motorens omgivelsestemperatur under målingerne [ C] Målt til 31,7 C. I bilag 5 kan motorens røggas flow ved forskellige laster aflæses. Da de målte last situationer for motorerne er anderledes end ved de af producenten målte røggasmængder, er producentens data for røggasudledningen sat ind i nedenstående graf. Producentens målte data for røggasudledning: MCR% Røggas flow [kg/s] 50 % 2,9 75 % 3,9 85% 4,3 100 % 4,9 Tabel 13 Producerede røggasmængde, ud fra motorernes MCR% 31
6 5 Røggas flow y = 0,04x + 0,9 R² = 1 4 3 2 Røggas flow Lineær (Røggas flow) 1 0 0 50 100 150 Graf 1 For motorernes producerede røggasmængde ud fra MCR% For de kendte data er det muligt at indsætte en tendenslinje i grafen, for derved at finde ud af hvordan dataenes sammenhæng er. Som det kan ses for R 2 -værdien for tendenslinjen, er det en fuldstændig lineær sammenhæng, der er imellem røggas flowet og motorens belastning ifølge producentens test data. Derved er det muligt at regne det eksakte røggas flow ved andre end de angivet last situationer ved hjælp af tendenslinjens formel. Det blev tidligere i rapporten udregnet, hvor store de procentvise last situationer for motorerne er i det observerede tidsrum, og derfor er det nu muligt at udregne det specifikke røggas flow ved disse lastsituationer. (16) Hvor: y = Røggas flowet 32
Forfatter: Emil Ravn x = MCR% Det vil sige at for de to last situationer bliver røggas flowet: (17) (18) Da den producerede røggas mængde nu kendes, kan det regnes ud, hvor stor et effekt tab røggassen medfører. Røggassens temperatur ved en MCR = 33,33% er aflæst til 325 C og ved en MCR = 53,3% er den aflæst til 341 C. (19) (20) Ved den anden udregning for det tab, der er i røggassen, skal det bemærkes at det er 686,7 kw pr. motor. Det samlede effekttab ligger derfor på 1373,5 kw. Som det ses i udregningerne, er det væsentlige mængder energi, der konstant går til spilde, når motorerne er i normal drift. Det er netop af denne grund en implementering af udstødningskedler eventuelt vil kunne medføre en betragtelig besparelse, set ud fra kedlernes brændstofforbrug, hvis blot en lille smule af denne spildenergi kan genindvindes. 33
Forfatter: Emil Ravn Procentvise røggas tab i forhold til den indicerede effekt For at finde ud af, hvor stor en del af den indicerede effekt, der går tabt, er den indicerede effekt nødt til at kendes. Til at regne den indicerede effekt på gensets kan følgende tilnærmede formel benyttes. (21) Det er dog nødvendigt at omskrive denne formel en smule, for at kunne få et rigtig resultat, da det i stedet for masse flowet, skal være SFOC 14 og bremseeffekten der ganges med den nedre brændværdi. (22) Hvor: Qind = Indicerede effekt hi = Nedre brændværdi [kj/kg] For MGO ifølge bunker papirer, ca. 42000 kj/kg SFOC = Specifikke brændstofforbrug [kg/kw] Pb = Bremseeffekten/den effektive ydelse Da SFOC hele tiden skifter op og ned alt efter motorernes last, har det ikke været til at aflæse en fast værdi for denne i Lyngsø computerne. Derfor er de fundne værdier regnet ud fra et øjebliksbillede, hvor motorerne lå omkring de tidligere nævnte laster for én, henholdsvis to motorer i drift. 14 SFOC = SpecificFuel Oil Consumption 34
Antal motorer Forbrug MCR% SFOC 1 motor 1200 kw 53,3 % 0,1995 kg/kwh 2 motorer 1500 kw 33,33 % pr motor 0,2276 kg/kwh Tabel 14 SFOC for én henholdsvis to motorer i drift, ved bestemte driftssituationer Yderligere kan motorernes effektive ydelse udregnes, da akselvirkningsgraden som regel ligger omkring 95% og den pågældende generators virkningsgrad også er på 95%. Således kan de aflæste kw output værdier divideres med virkningsgraden, således at motorernes akseleffekt findes. El-effekt Bremse effekt 1200 kw 1329,6 kw 1500 kw 1662 kw Tabel 15 Producerede el-effekt og bremseeffekt for én henholdsvis to motorer i drift Da alle nødvendige data nu kendes, er det derfor muligt at beregne motorernes indicerede effekt. Først den indicerede effekt for den ene motor i drift. (23) For to motorer i drift med en last på 1500 kw og derved en bremseeffekt på 1662 kw. (24) 35
Røggastabets procentvise størrelse for de to lastsituationer kan derfor nu udregnes. Se nedenstående skema. Antal MCR% pr. Samlede Samlede Samlede Samlede Røggas motorer motor røggas el-effekt bremse Indicerede tab i effekt effekt effekt procent 1 Motor 53,3 % 984,7 kw 1200 kw 1329,6 kw 3095 kw 31,8 % 2 Motorer 33,33 % 1373,5 kw 1500 kw 1662 kw 4413 kw 31 % Tabel 16 Sammenfatning af data fundet i afsnittet Som det fremgår i tabellen udgør røggastabet ved begge lastsituationer lige omkring 30% af den indicerede effekt, hvilket er normalt for dieselmotorer. Dog kan det konstateres, at dette er en markant mængde spildenergi, som ikke bliver udnyttet, medmindre der er en form for energigenindvinding for de pågældende motorer. Det forventes derfor, at disse størrelser af spildenergi vil kunne reduceres betydeligt ved en implementering af udstødningskedler. Delkonklusion Den generelle last for motorerne ligger generelt ret lavt i forhold til den ydelse, de egentlig er designet til. Dette er dog som følge af ladeluftstemperaturerne, der ligger en smule højt, som følge af maskinrumstemperaturen, så en forøget belastning på motorerne medfører forhøjede temperaturer på turbolader, udstødningsventiler, udstødningsreceiver og udstødningsrør. De anvendte data for røggas flowet ændrer sig dog lineært med belastningen ifølge motorernes testdokument. Det er dog højst usandsynligt, hvis målinger af flowet blev foretaget. Dog er der alligevel fundet data for, hvor stor en effekt, der går tabt i røggasserne, der udledes af forbrændingsprocessen. Det er røggas effekter på lige omkring 30% af den indicerede ydelse eller op mod 1400 kw, som konstant går tabt. Det skal tages i betragtning at hjælpemotorerne er nogle store gensets, da de skal forsyne et passagerskib, der som oftest har et større elektricitetsbehov end fragt- og produktionsskibe. 36
Med disse store energitab er der derfor belæg for at opnå bemærkelsesværdige besparelser på kedlernes brændstofudgifter, hvis der fokuseres isoleret på disse og ikke på skibets samlede udgifter. 37
Del 3 Udstødningskedel Valg af udstødningskedel Den valgte udstødningskedel til implementering i systemet er af typen XS-TC7A, som er en udstødningskedel anbefalet af Aalborg Boilers, da det er en kedel, de har designet specielt til implementering på gensets. Kedlen er en forholdsvis lille kedel, der er 4,14 m høj og har en ydre diameter på 1,57 m. For yderligere specifikationer på kedlerne se bilag 6. Forslag til system opbygning I bilag 7 ses et billede taget på kontrolrummets computer, der viser, hvordan det nuværende kedelsystem er opbygget. Som det fremgår af rørstrengen, der er markeret med blå farve, er der et igangværende flow af fødevand til kedel 2 fra hot-well en. Fødevandet er det kedelvand, der fordamper i kedlen og bruges rundt om i skibet. I bilag 7 er udstødningskedlernes cirkulationspumper illustreret. Disse pumper vand fra kedlerne op til udstødningskedlerne, hvor vandet fordamper, og dampen ledes tilbage til kedlernes dampseparatorer og ud i skibet. Ved implementeringen af de nye udstødningskedler skal der føres nye rør og gøres plads til meget nyt materiel, som vil forøge omkostninger og vil kunne medføre pladsmangel. Det er derfor blevet forsøgt at finde den mest pladsbesparende løsning. Som det fremgår i et simplificeret systemforslag i bilag 7 vil de nuværende cirkulationspumper, der bruges til hovedmaskinernes udstødningskedler, også blive brugt som cirkulationspumper til hjælpemotorernes udstødningskedler. Derved kan der på rørene til og fra udstødningskedlerne, som er tegnet med blå farve i det nye system, indsættes en manifold eller en forgreningsdel på rørene oppe ved udstødnings kedlerne. Derved skal der trækkes en minimal mængde af rør markeret med orange i det nye system, omkostningerne holdes nede, og der bruges minimal plads på det nye system. 38
Ydermere kan det i bilag 6 ses, at Alfa Laval har givet deres forslag til en anlægsopbygning, hvis der ses isoleret på udstødningskedlerne til hjælpemotorerne. Problemstillinger Når der foretages ændringer i systemopbyggelsen af dampsystemer og udstødningssystemer, er der nogle forbehold, der skal undersøges inden implementeringen finder sted. Ved implementering af en udstødningskedel påvirkes begge disse systemer. Derfor er det vigtigt at undersøge disse og sikre sig, at alle krav opfyldes inden implementeringen kan finde sted. Backpressure Når hjælpemotorerne til dagligt er i drift, skal de røggasser, der sendes ud, presses ud igennem udstødningsrørene. Selvom der er et naturligt træk i udstødningsrørene grundet de høje temperaturer, når gasserne forlader motoren og de meget lavere omgivelsestemperaturer når gasserne sendes ud gennem skorstenen, til de meget koldere omgivelser, er der et modtryk i udstødningsrøret. Det modtryk der opstår, dannes i de rørbuk, der er lavet på rørene og af det materiel, der sidder på rørene i form af, katalysatorer, lyddæmpere, gnistfang og udstødningskedler. Wärtsilä foreskriver for deres motor, at modtrykket ikke må stige til over 300 mbar, da det så vil risikeres at turboladerne vil stalle, udstødningstemperaturerne vil blive for høje, udstødningsventiler risikerer at brænde af, ventilsæder bliver beskadiget som følge af ventilerne brænder af osv. Hvis modtrykket bliver for højt, risikeres det, at en sådan kædereaktion sker, og motorerne bliver derved beskadiget. Under praktikopholdet blev det forsøgt at måle modtrykket ved hjælp af et hjemmelavet u- rørsmanometer. Det viste sig dog ikke muligt, og derfor er dette ikke blevet målt. Hjælpemotorerne er dog placeret lige under skorstenen, og derfor er der et minimalt antal af rørbuk på udstødningsrørene. Katalysatorerne giver kun et modtryk på omkring 0,7 kpa, hvilket er omkring 7 mbar, og gnistfang og lyddæmper antages også at give et minimalt modtryk. Derfor vil det i rapporten ikke blive nærmere berørt. Det er dog noget, der skal findes ud af inden nogen form for implementering foretages. 39
Overproduktion af damp Ved implementering af de nye udstødningskedler vil en eventuel overproduktion af damp kunne medføre problemer, da en overproduktion af damp vil kunne medføre, at damprummet i kedlen ikke er stort nok samt at den overskudsdamp, der kommer ud til dumping kondensatoren 15 er så stor, at evaporatorvandet, der bruges til at nedkøle dampen, vil koge. Inden implementeringen og idriftsættelse af udstødningskedlerne bør det undersøges, hvor stort hjælpekedlernes damprum er, da det er i dampseparatoren retur dampen fra udstødningskedlerne vil ende, inden den ledes ud til skibets forbrugere. Det er dog efter samtale med 2. mester, der har ansvaret for kedeldriften, blevet vurderet at dette ikke umiddelbart vil blive et problem. Grunden til denne vurdering er, at kedlerne vil kunne bypasses under søpassage, da hovedmotorernes udstødningskedler alene kan producere tilstrækkelig damp. Derudover er hjælpemotorernes udstødningskedlers ydelse ikke af samme størrelse som hovedmotorernes, der ved 85% last kan levere 8 t damp/h, og under praktik opholdet er der på intet tidspunkt blevet observeret dampproduktion i disse mængder, hvilket har dannet grundlag for antagelsen, at hjælpekedlernes damprum ikke vil blive en begrænsende faktor. Et andet problem, der kan forekomme ved overproduktion af damp, er temperaturen på evaporatorvandet, som bruges til at kondensere overskudsdampen. Ved drift af udstødningskedler forsøges det at opretholde et damptryk på 5,9 bar, hvilket er 0,6 bar mere, end hvis hjælpekedlerne selv står for dampproduktionen. Til at opretholde trykket bruges en cirkulationspumpe, der er udstyret med en frekvensomformer, som hæver eller sænker kedelvandstilførslen alt efter hjælpekedlernes aktuelle tryk. I en ideel verden vil der derved aldrig forekomme en overproduktion af damp, og derved vil en dumping kondensator være overflødig at have i dampsystemet. Virkeligheden er dog en anden, idet reaktionstiden i kedelsystemet er langsom, da varierende driftssituationer og mængden af damp kan bevirke en dødtid på flere minutter før frekvensomformerens regulering giver signal til ændring i kedelvandstilførslen og derved 15 Kondensering af overskuds dampen gennem en regulerings ventil. 40
ændring i den producerede damp ved udstødningskedlerne. En for hurtig regulering vil derudover også give en ustabil regulering for pumpen, der vil komme til at svinge unødvendigt op og ned i omdrejninger, hvilket vil medføre unødvendigt strømforbrug og slitage på pumpen. Dødtiden forekommer både ved opjustering og nedjustering af damptrykket. Hvis trykket derfor stiger til over de 5,9 bar, vil cirkulationspumpen langsomt falde i omdrejninger. Dog vil der, indtil damptrykket er faldet ned til setpunktet for trykket, forekomme en overproduktion af damp, som skal kondenseres, inden det igen kan sendes via cirkulationspumpen op til udstødningskedlerne på ny. Det er derfor ikke noget, der vil medføre problemer i kedlen, da cirkulationspumpens styring vil sikre, at overproduktion af damp ikke vil forekomme i en sådan grad, at kedeltrykket bliver for højt, eller at den mængde damp, der skal kondenseres er så stor, at der vil komme for høje temperaturer på evaporatorvandet, som vil få det til at koge. Vedligehold og klassifikation Vedligehold af udstødningskedlerne vil blive på samme vis, som det er for de nuværende udstødningskedler til hovedmotorerne. Vedligeholdet af de nuværende kedler er det, der kan betegnes som havaribaseret vedligehold. Dette kommer sig af, at DNV 16 foreskriver, at der over en periode på 5 år mindst skal være to kedelklassifikationer. Dette er både for de almindelige kedler og for udstødningskedlerne på skibet. Klassifikationen foregår normalt sådan, at skibet renoverer og overhaler kedlernes almindelige udstyr som ventiler, vandstandsmålere, fødevandspumper, pressostater, manometre og kedelbrænderen, inden DNV kommer og klassificerer materiellet. Det vedligeholdte materiel dokumenteres og fremvises på DNV s forlangen. Derimod bliver alt sikkerhedsmateriel i form af sikkerhedsventiler, overtryksventiler, alarmgrænser o.lign, 16 Det Norske Veritas Forsikrings selskab. 41
overhalet og testet i samarbejde med DNV, mens klassifikationen er i gang. Derved bliver al sikkerheden nøje gennemgået, og dets funktionalitet er derved sikret. Imellem klassifikationerne overhales alt materiel efter behov, da det er udsat for store termiske belastninger og temperatursvingninger alt efter, om kedlerne er i drift eller står stille. Derfor er det svært at vurdere, hvor stort intervallerne mellem overhaling bør være, og derfor overhales materiellet med det samme, hvis der forekommer utætheder, lækager, eller hvis slitagen er så udbredt, at funktionaliteten vurderes at være for begrænset til at varetage den fulde drift. Af denne grund køres der havaribaseret vedligehold, og af samme grund antages det, at vedligeholdet af de nye udstødningskedler vil foregå på samme måde, da mange af komponenterne og udstyret er det samme, som udstyret ved de nuværende udstødningskedler. Producerede dampmængde for XS-TC7A og besparelse For at kunne udvælge kedlen, blev der under praktikopholdet fremsendt data for skibets hjælpemotorer, så det var muligt at finde nogle realistiske tal for, hvad udstødningskedlen kan levere af damp. Det valgte setpunkt for udstødningskedlen arbejdstryk er sat lidt over, hvad hjælpekedlernes arbejdstryk er. Setpunktet for trykket er sat til 6 bar. Sikkerhedsventilerne på kedlen åbner først ved 12 bars tryk, og derved er der en tilpas stor sikkerhedsmargin, således at udstødningskedlen ikke risikeres at blive den begrænsende faktor i dampsystemet. Ved førnævnte arbejdstryk og en MCR for en hjælpemotor på 75% kan kedlen levere dampmængde på 800 kg/h Nedenfor ses et skema over kedlens dampproduktion ved forskellige motorlaster. 42
MCR% 50% 75% 100% Dampmængde [kg/h] 582 800 1055 Damp effekt [kw] 392 539 711 Tabel 17 Udstødningskedlen XS-TC7A producerede dampmængde alt efter gensets MCR% Som det tidligere blev regnet i rapporten, ligger hjælpemotorernes last på lige omkring 33%, når der er to motorer i drift i det observerede tidsrum. Dampmængden ved denne last er ikke angivet af Alfa Laval, og derfor er der nedenfor lavet en graf med tilhørende formel, så dampmængden ved den givne last kan regnes. 1200 1000 800 600 400 Prod. dampmængde y = 9,46x + 102,83 R² = 0,998 Prod. dampmængde Lineær (Prod. dampmængde) 200 0 0 50 100 150 Graf 2 Producerede dampmængde ved forskellige MCR% Som det fremgår af R 2 værdien er det en næsten lineær funktion, og derfor kan den producerede dampmængde nu tilnærmelsesvis regnes. Ved en motor last på 33,33% MCR er det muligt for den valgte udstødningskedeltype at producere følgende mængde damp. (25) 43
Forfatter: Emil Ravn Hvor: y = Den producerede dampmængde [kg/h] x = Motorens last [%] (26) Denne dampmængde er pr. motor og skal derfor ganges med 2, og således fås den dampmængde de to motorer i drift kan levere af damp ved hjælp af deres udstødningskedler. (27) For at kunne regne hvor stor besparelse, der vil kunne opnås ved implementeringen af kedlerne, er det nødvendigt at vide, hvor mange kg damp, der kan produceres ved 1 kg MGO. Til at regne dette er enthalpierne for fødevand ved 80 C og tør mættet damp ved 6 bars tryk. Udregning foregår på samme måde, som da fødevandsenthalpien blev regnet på kedlen tidligere i rapporten. (28) For tør mættet damp ved et tryk på 6 bar er det i en damptabel fundet, at dampens enthalpi er 2756,13 kj/kg. Herved er det nu muligt at regne, hvor meget tør mættet damp 1 kg MGO kan producere. 44
(29) Det vil sige, at for hvert kg MGO bliver der produceret 17,35 kg damp. Det er dog ikke helt sandt, da kedelvirkningsgraden skal huskes at medregnes. Der skal derfor bruges mere end 1 kg MGO til at producere 17,35 kg damp. Da det vides at kedelvirkningsgraden er på 0,84, vil dette medtages i udregningerne Der vil nu blive regnet, hvor stor en brændstofbesparelse, der kan opnås pr. time ved én, henholdsvis to motorer i drift, ved de tidligere fundne laster. For den ene motor i drift ved en last på cirka 50%, kan udstødningskedlen producere 582 kg damp pr. time Dette vil give en brændstofbesparelse på: (30) (31) For to motorer i drift med en last på 33,33% kan udstødningskedlen producere 418,3 kg damp pr. time, pr. motor. Den besparede brændstofmængde vil blive beregnet for hver enkelt motor og derefter blive lagt sammen. (32) 45
Da dette er for hver motor, vil det sige at den samlede brændstofbesparelse pr. time er på 57,4 kg/h. For at kunne beregne den årlige besparelse i tons, er det nødvendigt i nedenstående beregning (33) at foretage nogle antagelser for driften. Det bliver antaget, at driften foregår nogenlunde ligeligt fordelt, således at halvdelen af året er driften kun med én motor kørende i hele vinterperioden og tilsvarende i halvdelen af foråret og halvdelen af efteråret. Driften kører med to motorer i gang om sommeren og den resterende halvdel af foråret og efteråret. Med havneophold på omkring 7,5 timer pr. dag og driften ligeligt fordelt, kan det nu udregnes, hvor mange driftstimer der er. (33) Det er nu muligt at udregne, hvor meget brændstof, der kan bespares om året ved én henholdsvis to motorer i drift under de fastsatte driftsforhold. (34) (35) Den samlede besparelse pr. år bliver derved på: (36) 46
Da den samlede besparelse i tons MGO pr. år nu kendes og det tidligere i rapporten blev fundet, hvad prisen for MGO er pr. ton, er det nu muligt at lave en overslagsberegning på, hvad den årlige økonomiske besparelse er, og hvor rentabel investeringen er. (37) Det vil blive brugt i følgende afsnit, hvor investeringens rentabilitet vil blive undersøgt. Det kan dog ses, at det ikke er muligt for udstødningskedlerne udelukkende at stå for skibets dampproduktion. Dog er det muligt for dem at sænke det årlige brændstofforbrug med lige omkring 40% af, hvad der blev brugt i år 2013. Økonomi I følgende afsnit vil det blive undersøgt om en implementering af udstødningskedler til skibets hjælpemotorer er lønsomt. Det skal tages i betragtning, at skibet er mere end 20 år gammelt og et eventuelt salg af skibet kan forekomme inden for de næste 5 til 10 år. Derudover er rederipolitikken, at en investering skal kunne betale sig selv tilbage inden for en årrække på 2 år, hvilket er en meget kort tidshorisont for en investering til at kunne betale sig selv tilbage. Kapitalværdi metoden Kapitalværdimetoden er en metode, hvor investeringsforslagets netto indbetalinger til investeringen gøres sammenlignelige ved at tilbagediskontere samtlige beløb til materiellets nutidsværdi eller med andre ord, materiellets værdi ved investeringstidspunktet. 47
For at kunne benytte kapitalværdimetoden, skal der inden investeringen foretages fastsættes en kalkulationsrente, som er det rentekrav rederiet som minimum vil stille sig tilfreds med som forrentning af den investerede kapital. Til at fastsætte den kalkulationsrente, er der en række forhold, der skal tages højde for. Det er markedsrenten, risiko og investeringshorisont samt den forventede inflation møntfoden har i investeringsperioden. Investeringshorisonten sættes til de 2 år, som DFDS anslår som værende maksimum tidshorisont for en investerings tilbagebetalingstid. Den danske møntfods inflation 17 lå i 2013 på 0,8% og året forinden på 2,4%, derfor vurderes det at kalkulationsrenten ikke bør være særlig høj. Da der ikke er tidligere erfaringer med fastsættelse af kalkulationsrente, er det blevet undersøgt, hvad finansministeriet 18 anbefaler. Finansministeriet anslår en kalkulationsrente på 6% for offentlige investeringer, som derfor også vil blive brugt som kalkulationsrenten for denne investering. Investerings beregning Prisen på XS-TC7A er af Aalborg Industries oplyst til at være på 60.000 for 3 stk. udstødningskedler ved nybygning og uden såkaldt comissioning. Comissioning er en proces, der foretages på anlægget, der implementeres for at sikre dets ydeevne lever op til det fabrikanten foreskriver. Prisen på processen varierer en smule alt efter anlægs størrelse og type. Typisk ligger prisen dog på mellem 2-5% af anlægs prisen. Der vil derfor blive medregnet en comissioning på 5%, da der således er taget højde for, hvad maksimum prisen eventuelt vil kunne være. (38) 17 http://www.dst.dk/da/statistik/emner/prisindeks/forbrugerprisindeks-og-aarlig-inflation.aspx 18 http://www.fm.dk/publikationer/1999/vejledning-i-udarbejdelse-af-samfundsoekonomiskekonsekvensvurderinger/appendiks-c-fastsaettelsen-af-den-samfundsoekonomiske-kalkulationsrente/ 48
Valutakursen for euro ligger ifølge Nationalbanken 19 pr. 26/5-2014, på 746,41 DKK for 100. Dette medføre at investeringsprisen i DKK bliver. (39) Brændstofbesparelsen, der kan opnås ved at implementere udstødningskedler, blev tidligere i rapporten fundet til at være 133,2 ton/år, og dette medførte en prisbesparelse på i alt 645.787 DKK. Det betyder, at nettoindbetalingen pr. år til investeringen ligger på 645.787 DKK. Investerings sum Nettoindbetaling Kalkulationsrente Antal år 470.238 DKK 645.787 DKK 6 % 2 Tabel 18 Data til investeringskalkule Nedenstående er en investeringskalkule, der skal hjælpe til at vurdere, om investeringen er rentabel og noget, som rederiet og skibet bør gøre. 6% År Investering Nettoindbetalinger Nettobetalingsstrøm Diskontineringsfaktor Nutidsværdi 0-470.238,00 kr -470.238,00 kr 1-470.238,00 kr 1 645.787,00 kr 645.787,00 kr 0,943396226 609.233,02 kr 2 645.787,00 kr 645.787,00 kr 0,88999644 574.748,13 kr kapitalværdi 104,49% 713.743,15 kr Figur 5 Investeringskalkule for investering i XS-TC7A Diskonteringsfaktoren er regnet ved følgende formel: 19 http://www.nationalbanken.dk/da/statistik/valutakurs/sider/default.aspx 49
(40) Hvor: r = Kalkulationsrenten, 6 %. n = Antal terminer, 2 år. Som det fremgår i investeringskalkulen, er resultatet af investeringen efter 2 år positiv og har givet et overskud på 713.743,15 DKK, hvilket allerede der viser, at investeringen vil være lønsom. Det er fordi med et overskud efter den kalkulerede årrække til tilbagebetaling, viser det at den interne rentefod for investeringen, der ligger på 104,49%, er meget større end kalkulationsrenten på de fastsatte 6%, og derfor er investeringen lønsom. Den eksakte tilbagebetalingstid for investering kan nu findes, således at det vides, hvor lang tid det egentlig tager for investeringen at betale sig selv hjem. (41) Det ses af tilbagebetalingstiden, at denne ligger langt under de 2 år, som er maksimum tilbagebetalingstid ifølge rederiet, og derfor må det også siges, at investeringen viser sig yderst lønsom. 50
Delkonklusion Som det fremgår i Del 3 af rapporten kan der spares op mod 133 tons brændstof om året eller omregnet en økonomisk besparelse på 645.787 DKK, hvilket må anses som en betragtelig besparelse. Det viser sig også i investeringskalkulen og tilbagebetalingstiden, da tilbagebetalingstiden viser, at denne er på under halvdelen af, hvad DFDS egentlig forskriver, som deres maksimum tilbagebetalingstid. Derfor kan det konkluderes, at investeringen viser sig meget lønsom. Konklusion Det er rapporten igennem blevet undersøgt og analyseret, hvorvidt en implementering af udstødningskedler på M/S Crown Seaways hjælpemotorer er rentabelt for skibet. Umiddelbart som det fremgår i Del 1 af rapporten, lader det ikke til at være en post på skibet, hvor de største og bedste optimeringer kan foretages, da hjælpekedlernes årlige brændstof udgifter ligger på 1.5 mio. DKK ud af et samlet budget, der for år 2013 viste samlede udgifter til brændstof på i alt 68 mio. DKK. Det blev derefter undersøgt videre i rapporten, hvor meget der egentlig kunne opnås i besparelser ved implementering af udstødningskedler på 3 af hjælpemotorerne. Som det fremgår af det fundne data og ud fra de vurderinger, der er foretaget i samarbejde med maskinmestrene ombord angående problemstillinger ved implementeringen, kan det konkluderes, at implementering af udstødningskedler er praktisk muligt ombord på M/S Crown Seaways. Ydermere kan det konkluderes, at det er yderst rentabelt for skibet at foretage investeringen i udstødningskedlerne. Ud af det samlede budget udgør besparelsen ikke meget, men ses der isoleret på kedlerne, kan implementeringen betale sig hjem på mindre end 1 år og derefter give brændstof besparelser på mere end 400.000 DKK årligt. Derfor kan det konkluderes, at en implementering af udstødningskedlerne i høj grad er en rentabel system optimering. 51
Dog er det ikke muligt for udstødningskedlerne at levere så meget damp, at skibets hjælpekedler kan stoppes af og udelukkende stå stand-by og derved slet ikke have noget brændstofforbrug. Ud fra denne tilegnede viden kan det derfor konkluderes, at det sidste underspørgsmål ikke kan lade sig gøre. Validitet Indledningsvist bliver det i del 1 diskuteret, hvorledes skibets generelle drift foregår. Driften foregår i stor grad efter erfaringer og den viden, som tidligere maskinmestre, der har sejlet med skibet, har tilegnet sig. Derved er der løbende over årene forekommet en naturlig optimering ved at sænke lasten på det forskellige materiel, så der drives efter, hvad der er behov for og ikke efter, hvad materiellet kan yde ved maksimum last. Efterfølgende bliver det i del 1 undersøgt, hvor stor brændstofforbruget er på kedlerne, henholdsvis hjælpemotorerne. For både kedlerne og hjælpemotorerne er det gennemsnitlige brændstof forbrug for 2013 blevet udregnet og derefter undersøgt. Tallene er derefter blevet opdelt i et skema, hvor de deles op i de fire årstider. Dette giver en række små afvigelser i forhold til de enkelte måneders egentlig brændstof forbrug. For at kunne overskueliggøre netop dette, er brændstof forbruget blevet delt op i de fire årstider, så det senere i rapporten er nemmere at anskueliggøre, hvor stor last motorerne er i drift med. Dette er gjort fordi driftsmetoderne af maskinerne varierer alt efter, hvilke temperaturer der hersker udendørs. Ved meget lave temperaturer skal kedlerne levere mere damp, end hvis det er varmt, for at kunne opretholde de rette temperaturer på, brændstof, forvarmere, motorer osv. Omvendt leverer hjælpemotorerne ikke den samme effekt om vinteren, som de leverer om sommeren, dette kommer som følge af, at de høje udendørstemperaturer om sommeren bevirker, at ACanlæg skal være i drift for at kunne opretholde de korrekte rumtemperaturer på kabiner, halls og offentlige områder på skibet. Til sidst i del 1 bliver kedlernes og hjælpemotorernes brændstofforbrug siden 2006 sammenholdt med skibets samlede udgifter til brændstof siden samme årstal. Dette er gjort 52
for at sætte tallene i forhold til det samlede budget og derved give et begyndende indblik i, hvor mange penge der egentlig er tale om i udgifter, og hvor meget der eventuelt vil kunne bespares på kedlerne, hvis det er muligt at stoppe helt af for disse. Derudover er bunkerpriserne for MGO fundet. Disse priser varierer konstant og vil derfor kunne være steget eller faldet i forhold til de i rapporten angivne priser. Derudover er skibets aftale om priser med OW Bunkers fortrolige, og derfor er priserne angivet for Rotterdam, da dette er nærmeste knudepunkt for bunkerolie i Europa. I del 2 bliver der indledningsvist beregnet på kedlernes dampproduktion ved afgang fra havn. Dette er blevet valgt på baggrund af praktikopholdet og derved at skriveperioden er foregået i løbet af foråret, og derfor skulle kedlernes brændstof forbrug og dampproduktion findes ved spidsbelastninger. Det fremgår i det vedlagte bilag for brændstofforbrug, at forbruget nogle dage ligger på op mod 2 t/døgn. Dette har været i specielle tilfælde, hvor der enten har været skift imellem de to kedler eller eksempelvis da Crown Seaways d. 24/1-13 assisterede ved en skibsbrand ombord på et andet skib. Skibet lå da stille, og hovedmotorernes udstødningskedler har derfor ikke været i drift, således at kedlerne har brugt brændstof ud over de normale driftstimer. Derudover har det ikke været muligt at måle temperaturer for den producerede damp og fødevandet. Derfor er det vurderet ved en beregning af dampproduktionen ved opstart, hvor det har været muligt at foretage temperaturmålinger over et tidsrum på 7 dage og derefter beregne gennemsnittet for de respektive data, at det vil give et mere validt resultat. Denne vurdering er blevet foretaget i samarbejde med skibets maskinmestre. Yderligere bliver der i del 2 fastsat nogle driftsområder for hjælpemotorerne for at kunne foretage en undersøgelse af deres kw ydelse og det røggastab, der forekommer ved den givende last. Dette har været en nødvendighed, da motorernes last varierer med op mod 300 kw fra minut til minut. Dette fremgår i bilaget med grafer over hjælpemotorenes leverede eleffekt til skibets net. Derfor er der i samråd med maskinmestrene på skibet set nærmere på og derefter vurderet, at en fastsættelse af to gængse driftsområder vil være nødvendigt. Efter 53
denne konklusion er det erfaret, at en hjælpemotor leverede op imod 1200 kw el-effekt, hvilket fremgår af graferne for de 7 dage, hvor der blev foretaget data indsamling. Dertil blev det erfaret at en last på mere end 1200 kw kun forekom efter opstart af AC-anlæg, hvilket betyder at minimum to hjælpemotorer er i drift. De 1500 kw, der blev den fastsatte værdi for to hjælpemotorer i drift, er når det ses på bilaget, nogenlunde den gennemsnits eleffekt hjælpemotorerne leverede, når AC-anlægget var i drift, og el forbruget steg i forbindelse med gæster, der kom ombord lige op til afrejse. En fejlkilde, der har været nødvendig at medtage, er hjælpemotorernes røggas flow ved de respektive last situationer. Det har været nødvendigt at bruge Wärtsilä s data for motoren, da de testede den for 20 år siden. For at få de mest præcise data, skulle der have været lavet en røggas analyse for motoren, således at det aktuelle røggas flow kendes. Dette har dog ikke været en mulighed, da skibets test udstyr er brudt sammen og derfor er sendt til reparation hos producenten, hvor udstyret har været under hele bachelor praktikken. Af denne grund har det været nødvendigt at bruge, hvad der regnes for at være upræcise data til at udregne røggas effekten. I afsnittet er der lavet en række antagelser, der uundgåeligt vil medføre en række usikkerheder for de beregnede data, men dette har været en nødvendighed for at kunne finde nogle tal, som er relevante og plausible, uden at kvantiteten af data vil blive for stor. Dette er også grunden til, at de data, der er valgt, er udvalgt efter worst case scenario. Således er det kedlens maksimale dampproduktion og brændstof forbrug, der betragtes, for derved at udfordre udstødningskedlernes ydelse. Ved at sammenligne kedlens maksimum belastning med de forskellige observerede laster for hjælpemotorerne kan det vurderes, hvor stor en del af kedlens produktion, der kan dækkes ind og derved hvor stor en del af kedlens maksimale brændstof forbrug, der kan bespares. Den besparelse vil blot blive større, jo lavere kedlens last er, da udstødningskedlerne derved kan dække en større procentvis mængde af kedlens forhenværende last. I første del af Del 3 bliver det beskrevet, hvilken udstødningskedel Alfa Laval anbefaler, der bliver brugt som economizer på skibet. Derefter bliver det undersøgt, hvad de respektive brændstofbesparelser er for de to forskellige drifts situationer, som er beskrevet igennem 54
rapporten. For at kunne lave en overslagsberegning på, hvad besparelsen bliver, er der blevet lavet en række antagelser, som vil kunne betegnes som eventuelle fejlkilder. Det er blandt andet, at det eksakte antal driftstimer, man bruger en henholdsvis to hjælpemotorer til at lave el-effekt kendes ikke, og derfor har det været nødvendigt at foretage en antagelse om, hvor meget motorerne kører i de forskellige driftssituationer. Vurderingen om, at driften foregår 50/50 er ud fra, at driften afhænger af udendørstemperaturen, og da denne svinger meget og ikke kendes fra år til år, er den mest sandsynlige fordeling dette. Dernæst blev det i Del 3 beskrevet et systemforslag til, hvordan de nye udstødningskedler skal installeres i systemet. Dette er blevet gjort efter diskussion og snak med mestrene ombord på skibet, hvor det blev vurderet, at den billigste og nemmeste løsning var denne systemopbygning. Yderligere blev der diskuteret i rapporten, hvilke eventuelle problemstillinger, der kan forekomme ved at implementere udstødningskedler i systemet. Der er igen foretaget en vurdering med maskinmestrene på skibet om, at fødevandspumpen ikke vil blive en begrænsende faktor, hvad angår tilførsel af fødevand og i tilfælde af, at vurderingen ikke viser sig valid, vil indsættelse af en ekstra pumpe være et mindre problem. Til sidst under problemstillinger blev der beskrevet det modtryk, hjælpemotorerne vil opleve op igennem udstødningsrørene. Disse modtryk vil automatisk stige ved implementering af ekstra materiel på udstødningsrørene. Dette kan som beskrevet være et problem ved lave laster, da det naturlige røggas træk, der forekommer ikke er stort nok. Efter snak med kedelproducenten er dette vurderet ikke at være et problem på trods af, at modtrykkene ikke kendes, da de i stedet kan nedsættes for kedelydelsen, eller man med andre metoder kan danne et ekstra sug i udstødningsrørene, således at modtrykket ikke vil være en begrænsende faktor. Til sidst blev der beregnet på investeringens rentabilitet, hvor de eneste antagelser, der blev foretaget var en forhøjet comissioning, som er regnet højst muligt, og derfor kun vil kunne blive bedre i forhold til beregningerne og derved give bedre lønsomhed for investeringen. 55
Hvad angår udstødningskedlernes pris, er dette et cirka tal fra Alfa Laval og vil derfor kunne svinge en smule. Dog regnes prisen for værende valid, da det er producentens egen salgsafdeling der har angivet prisen. Perspektivering Det er i rapporten blevet arbejdet med implementering af udstødningskedler og derved driftsoptimering i form af brændstofbesparelser. Brændstoføkonomi og besparelser der på er et af de vigtigste optimeringsområder ombord M/S Crown Seaways og i DFDS. Derfor bliver der hele tiden undersøgt, hvorledes disse besparelser kan opnås. En måde at lave brændstofbesparelser blev brugt nogle få år tilbage, hvor skibet under dokophold fik nye skruer, der havde en anderledes udformning end før og derved havde mindre friktion i vandet. Derfor giver en rapport som denne indsigt i én af de mange muligheder, der er for at driftsoptimere gennem brændstofbesparelser. Crown Seaways er allerede nu ved at undersøge flere muligheder for at driftsoptimere, blandt andet ved at sænke el-forbruget og derved mindre brændstof udgifter. Dette er blandt andet ved at ændre opvarmningen af poolområde fra at være elektrisk opvarmet, til at udnytte damp til opvarmning. En anden idé er at undersøge muligheden for at tømme nogle af tankene ombord, for at kunne ændre skibets dybgang og derved skulle flytte mindre vand, når der sejles. Dette vil også give et mindre brændstofforbrug. 56
Kildeliste Bøger Termodynamik af Lauritsen, Gundtoft & Eriksen, 2.udgave, 1. Oplag 2007. Dampkedler af K. F. Larsen, bind 1, August 2001. Formelsamling for maskinmesteruddannelsen, 17. Udgave 2003. Erhvervsøkonomi for videregående uddannelser af Jørgen Waarst & Knud Erik Bang, 3. Udgave 2010. Diesel Engines for ship propulsion and power plants af Kees Kuiken, 2008. Hjemmesider Danmarks statistik: http://www.dst.dk/da/statistik/emner/prisindeks/forbrugerprisindeksog-aarlig-inflation.aspx [Sidst tilgået - 21/05-2014] Finansministeriet: http://www.fm.dk/publikationer/1999/vejledning-i-udarbejdelse-afsamfundsoekonomiske-konsekvensvurderinger/appendiks-c-fastsaettelsen-af-densamfundsoekonomiske- kalkulationsrente/ [Sidst tilgået - 21/05-2014] Bunkerworld: http://www.bunkerworld.com/prices/ [Sidst tilgået 22/04-2014] Bunkerindex: http://www.bunkerindex.com [Sidst tilgået 22/04-2014] Nationalbanken: http://www.nationalbanken.dk/da/statistik/valutakurs/sider/default.aspx [Sidst tilgået - 27/05-2014] 57
Bilag til rapporten 58
Bilag 1 Boiler data sheet 59
Bilag 2 EGB for ME 60
61
Bilag 3 Kedelbrænder 62
63
64
Bilag 4 Hjælpemotor 65
66
67
68
69
70
Bilag 5 Hjælpemotor data sheet 71
72
Bilag 6 Udstødningskedel XS-TC7A 73
74
75
76
Bilag 7 System forslag til XS-TC7A Nuværende system 77
Nye system Håndtegning lavet i stil med SRO systemet, for at give en idé om opbygningen. 78
Teknisk dokumentation fra Alfa Laval 79
Bilag 8 Grafer fra Lyngsø 15/4-2014 16/4-2014 80
17/4-2014 18/4-2014 81
19/4-2014 20/4-4014 82
21/4-2014 83
Bilag 9 Mails fra Alfa Laval 84
85
Bilag 10 Brændstof forbrug for 2013 86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97