Repository - Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin - Prospects for Natural Gas Application...

ISSN 0209-2069

ZESZYTY NAUKOWE NR 1(73)

AKADEMII MORSKIEJ

W SZCZECINIE

Perspektywy wykorzystania gazu ziemnego

w silnikach okrętowych

Słowa kluczowe: gaz ziemny, spalanie, silnik okrętowy

Zaprezentowano własności gazu ziemnego jako potencjalnego paliwa do zasilania silników spalinowych, w szczególności w napędach statków. Scharakteryzowano wyma-gania stawiane instalacji zasilającej paliwa gazowego. Omówiono właściwości tworze-nia i spalatworze-nia mieszaniny powietrze – gaz ziemny, zwracając uwagę na warunki prowa-dzące do spalania stukowego. Opierając się na wybranych wskaźnikach pracy współcze-snych silników zasilanych gazem ziemnym, zaproponowano wykorzystanie silników dwu-paliwowych oraz instalacji ciekłego gazu ziemnego, sprężonego do bardzo wysokiego ciśnienia z wtryskiem do komory spalania.

Prospects for Natural Gas Application in Marine Engines

The properties of natural gas as potential fuel for combustion engines, particularly those used for ship propulsion have been presented. The requirements for gas system, as well as gas – air mixture formation and combustion, including knocking, have been described. Taking into account the main gas engine variables, the dual fuel engine has been proposed for installation, as well as high pressure liquid natural gas system and gas injection into the engine combustion chamber.

Wprowadzenie

Rosnące wydobycie gazu ziemnego w świecie oraz rozszerzająca się jego dostępność w różnych miejscach na ziemi (dzięki ciągle rozwijającej się sieci rurociągów), skłaniają do ponownego – od czasów E. Lenoir'a w 1860 r., zwró-cenia uwagi na zastosowanie tego paliwa w zasilaniu silników spalinowych, w różnych środkach transportu morskiego. W silnikach okrętowych, należących do silników o zapłonie samoczynnym, utrzymane zostają zalety tego rozwiąza-nia, tj. głównie wysoka sprawność ogólna z włączeniem dalszych, które obejmu-ją: obniżoną emisję składników toksycznych spalin (zwłaszcza tlenków azotu i cząstek stałych), znaczące ograniczenie korozji siarkowej i obniżenie obciążeń cieplnych elementów konstrukcyjnych silnika.

Bardzo dużą rolę odgrywa również niski koszt jednostkowy paliwa gazo-wego, który choć skompensowany przez zwiększone koszty eksploatacyjne, zwłaszcza przy stosowaniu metod przechowywania ciekłego gazu ziemnego (w temperaturze –165°C), odgrywa pozytywną rolę w całkowitym bilansie przedsięwzięcia transportowego.

1. Własności gazu ziemnego i jego mieszaniny z powietrzem

Gaz ziemny jest mieszaniną węglowodorów, których udziały objętościowe zależą od miejsca pochodzenia, co przedstawiono w tabeli 1. Głównym składni-kiem gazu ziemnego jest metan CH4, jego maksymalny udział molowy dochodzi

do 98%. Gaz ziemny wprowadzony do powietrza tworzy z nim bardzo łatwo jednorodną mieszaninę palną (w skali mikro i makro). Mieszanina ta charakte-ryzuje się korzystnymi dla silników spalinowych własnościami, do których na-leżą: wartość opałowa do ok. 40 MJ/m3_{, liczba oktanowa ~110 (RON). Z innych}

cech tej mieszaniny można wymienić: przedział palności obejmujący zakres od 4,5% do 17% ilości objętościowej gazu w powietrzu, co odpowiada współczyn-nikowi nadmiaru powietrza  od 0,6 do 1,85, temperatura zapłonu od 560 do 800°C, szybkość spalania normalnego w mieszaninie stechiometrycznej do 0,38 m/s i gęstość w warunkach otoczenia 0,655 kg/m3_.

Dobrze oczyszczony gaz ziemny praktycznie nie zawiera siarki oraz jej związków, a jego mieszanina z powietrzem spala się z pozostawieniem śladowej ilości cząstek stałych PM w spalinach. Dzięki mniejszemu udziałowi węgla w gazie ziemnym, w produktach spalania znajduje się około 25% CO2 mniej,

w porównaniu do spalin pochodzących ze spalania ciekłych paliw węglowodo-rowych.

Tabela 1 Skład chemiczny gazu ziemnego w zależności od pochodzenia [4]

Chemical composition of natural gas by its origin

Złoże Skład [% v/v] 1) Wartość

opałowa CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 N2 H2S [MJ/m3] Kanada, Alberta  90  8  – – 1,0 Venezuela 88,5  2,9  – 4,6 0,3 39,1 Włochy, Po Valley  98 – – – –  1,0 – 38,0 USA 70–95 3–1  5,0  – 1–1,4 –  39,1 Morze Północne (średnio) 90,5 3,9 0,9 0,3 0,2 3,9 – 37,4

Iran 73 21,5 – – – – 5,5

Rosja 89–98 1,0 – – 1,0 39,8

Holandia 81,3 2,9 0,4 0,2 – 14,3 – 32,6 Algieria 83,8 7,1 2,1 0,9 0,4 5,5 – 39,1

Libia 64,5 21,0 8,4 4,2 1,9 – –

Australia, Bass Straits 93,0 2,0 1,0 – – 3,0 – 36,8 1) v/v oznacza udział objętościowy.

W przypadku silników napędzających różne środki transportu, niekorzystny jest dla nich wskaźnik gęstości tego paliwa. Aktualnie można go poprawić albo przez sprężanie gazu do ciśnienia 25 MPa, wówczas jego gęstość zwiększa się do poziomu 185 kg/m3_{, lub jego skraplanie w temperaturze –162°C przy}

ciśnie-niu atmosferycznym – wówczas gęstość zwiększa się do poziomu 460 kg/m3_.

Oba sposoby, aczkolwiek poprawiające znacząco wskaźniki magazynowa-nia paliwa, stwarzają określone trudności techniczne i zwiększają koszty eks-ploatacyjne, w porównaniu do tradycyjnych ciekłych paliw węglowodorowych.

2. Sposoby zasilania silnika paliwem gazowym

Uwzględniając własności procesu tworzenia mieszaniny gaz – powietrze i uwarunkowania związane z pracą silnika spalinowego, tj. zmianę mocy i prędkości obrotowej, oraz ograniczenia emisji składników toksycznych w spa-linach, zasilanie paliwem gazowym jest rozwiązane w różny sposób.

2.1. Zasilanie gazu na wlocie do sprężarki

Schemat układu do zasilania gazu na wlocie do sprężarki przedstawiono na rysunku 1. Gaz i powietrze dopływają do dyszy Venturiego, umieszczonej w kanale dolotowym przed sprężarką wirową systemu turbodoładowania. Ste-rownik zmieniający geometrię dyszy mieszalnika dostosowuje ilość gazu i współczynnik nadmiaru powietrza , do zmieniającego się obciążenia silnika. Mieszanina gazu z powietrzem zostaje sprężona i następnie schłodzona oraz wprowadzona do kolektora poprzez zawór obrotowy układu sterowania mocą silnika. Na wlocie do poszczególnych kanałów, doprowadzających mieszaninę gazu z powietrzem do poszczególnych cylindrów, znajdują się tłumiki płomienia (metalowe siatki), które zapobiegają przed zapłonem łatwo palnej mieszaniny w kolektorze, w przypadku cofania się spalin z cylindra.

chłodnica gaz kolektor tłumik płomienia turbosprężarka regulator mocy silnika (zawór obrotowy) sterownik ilości powietrza powietrze cylinder silnika

Rys. 1. Schemat zasilania gazu na wlocie do sprężarki

Fig. 1. Gas supply before compressor inlet

2.2. Zasilanie gazu w kanale dolotowym cylindra

Schemat układu zasilania gazu w kanale dolotowym cylindra zamieszczono na rysunku 2. Paliwo gazowe jest dostarczane przez indywidualny dla każdego cylindra zawór gazowy – umieszczony w kanale dolotowym, w czasie procesu napełniania. Fazy rozrządu zaworu gazowego są tak dobrane, aby nie dochodziło do strat gazu przez układ wylotowy oraz cofania płomienia do kolektora dolo-towego.

Ilość mieszaniny palnej oraz jej skład chemiczny, określony współczynni-kiem nadmiaru powietrza, dostosowuje się do obciążenia silnika za pomocą zaworu dławiącego, umieszczonego między kolektorem a chłodnicą powietrza doładowującego oraz zaworu przepustowego, umieszczonego w kanale prze-pływu spalin, pomiędzy wlotem i wylotem z turbiny.

chłodnica turbosprężarka powietrze silnika obrotowy) (zawór silnika cylinder kolektor mocy regulator

zawór przepustowy (obejściowy) spaliny

gaz

Rys. 2. Schemat zasilania gazu w kanale dolotowym cylindra

Fig. 2. Gas supply into the intake duct of cylinder

2.3. Zasilanie gazu bezpośrednio do cylindra

Paliwo gazowe pod wysokim ciśnieniem (15 –35 MPa) jest doprowadzane do zaworu gazowego, umieszczonego w głowicy silnika. Zawór ten jest zamon-towany jako odrębny zespół lub stanowi część wtryskiwacza, podającego dawkę pilotującą paliwa ciekłego. Niezależnie od sposobu montażu, zawór ten posiada iglicę zamykającą przepływ gazu do cylindra, której ruch jest realizowany za pomocą impulsów ciśnienia oleju z oddzielnego systemu. W początkowym okre-sie impulsy te generowano za pomocą układów hydraulicznych, działających podobnie jak pompy wtryskowe Boscha. Aktualnie, impulsy sterujące ruchem iglicy zaworu gazowego są generowane na drodze elektrycznej, z wykorzysta-niem zaworu elektromagnetycznego, którego parametry pracy są nastawiane

przez komputerowy system nadzoru pracy silnika. System ten, wykorzystuje zebrane informacje na temat wpływu parametrów pracy silnika (moc, obroty, warunki atmosferyczne) na ilość i okres podawanego paliwa gazowego. W ten sposób, stwarzane są korzystniejsze warunki do uzyskania jak najlepszych efek-tów zasilania paliwem gazowym.

Dość istotnym mankamentem tego rodzaju zasilania jest znaczne zapotrze-bowanie na moc sprężania gazu, która może dojść do wartości rzędu 2,5 – 3% mocy użytecznej silnika. Ponadto, wysokie ciśnienie gazu zwiększa koszty insta-lacji gazowej oraz niebezpieczeństwo wycieków gazu na zewnątrz. Z kolei, chcąc wykorzystać to paliwo w silnikach dwusuwowych, zasilanie wysokoci-śnieniowe gazu bezpośrednio do cylindra jest jedynym dostępnym rozwiąza-niem i w tej sytuacji niezbędne są do wykonania odpowiednie przedsięwzięcia techniczne.

2.4. Wymagania stawiane gazowej instalacji zasilania

Moc silnika spalinowego zależy m.in. od ilości doprowadzonego ciepła Qd w dawce paliwa, wynikającego z jego wartości opałowej Wd i ilości masowej

mp, według zależności: d p d m W Q   (1) przy czym p p p V m   (2)

gdzie: p – gęstość paliwa.

W przypadku paliwa ciekłego Wd i p można uznać w określonych warun-kach za stałe, stąd:

) ( _p

d f V

Q  (3)

Na tej ostatniej zależności oparte są wszystkie znane obecnie metody ste-rowania mocą silnika o ZS, gdyż wiążą się one ze sterowaniem objętości dawki paliwa ciekłego, co znacznie upraszcza rozwiązania techniczne urządzeń, które są do tego celu stosowane.

W przypadku paliw gazowych, będących mieszaniną wielu składników pal-nych, z których w określonych warunkach część może znajdować się w stanie ciekłym, sterowanie mocą silnika wymaga zastosowania wielu przedsięwzięć, eliminujących ewentualne niedokładności procesu.

W układzie zasilania stosuje się elementy osuszania gazu z fazy ciekłej (zwłaszcza cięższych węglowodorów jak: etylen, propylen etc. oraz ewentualnie H2S), w postaci specjalnych płuczek – włączanych do pracy w razie

konieczno-ści, wynikającej z jakości zabunkrowanego paliwa.

W silniku, paliwo gazowe jest wprowadzane do powietrza przez elementy przepływowe, albo o stałej, albo zmiennej powierzchni przekroju przepływu, w wyniku różnicy ciśnień. Przy założeniu przepływu izentropowego, ilość ma-sowa wprowadzonego gazu wynika z zależności:



A – powierzchnia przekroju przepływu w zaworze zasilającym, p1 – ciśnienie gazu w instalacji zasilającej,

p2 – ciśnienie powietrza w miejscu doprowadzania gazu,

t1, t2 – odpowiednio czas początku i końca dopływu gazu.

Zastosowanie możliwie prostej i dokładnej metody sterowania dawką pali-wa gazowego, opartej na zmianach czasu t1 i t2, czyli wyłącznie początku

i końca otwarcia zaworu zasilającego, wymaga przy ustalonej funkcji A(t) oraz

p2(t), zapewnienia określonego ciśnienia gazu w instalacji zasilającej. Dlatego,

układ zasilania gazu jest wyposażony w czuły i sprawny system regulacji ciśnie-nia gazu odpowiednio do obciążeciśnie-nia silnika. Schemat takiego rozwiązaciśnie-nia przedstawiono na rysunku 3.

W celu uniknięcia zakłóceń, instalacja jest wyposażona w liczne filtry, umieszczone szeregowo i eliminujące z gazu zanieczyszczenia stałe.

3. Własności spalania mieszaniny gaz ziemny – powietrze

Mieszanie się gazu ziemnego z powietrzem przebiega z dużą szybkością w przepływie turbulentnym ustalonym. Dlatego, przy doprowadzeniu gazu do powietrza przed silnikiem, uzyskuje się w cylindrze mieszaninę jednorodną, która podlega kolejnym przemianom obiegu cieplnego. Jeśli następuje wprowa-dzanie gazu bezpośrednio do cylindra, w końcowym okresie sprężania istnieją warunki do otrzymania mieszanki jednorodnej w przypadku zastosowania dość znacznego zawirowania powietrza – zwłaszcza, gdy chodzi o silniki średnio- i wysokoobrotowe. W tej sytuacji można uznać, że w momencie koniecznego rozpoczęcia spalania, w cylindrze znajduje się jednorodna mieszanina gazu

ziemnego z powietrzem, zawierająca taką ilość gazu, jaka jest potrzebna do wy-wiązania koniecznej ilości ciepła.

Zapoczątkowanie spalania mieszaniny palnej jest związane z jej zapłonem, który może przebiegać efektywnie w przedziale temperatur 560 – 800°C i przedziale palności określonym współczynnikiem nadmiaru powietrza  od 0,7 do 2,1. Jednakże, jest to związane z koniecznością doprowadzenia określonej ilości ciepła, dlatego silnik musi dysponować odpowiednim rozwiązaniem tech-nicznym, zapewniającym taki efekt. Odbywa się to najczęściej przez wtryśnięcie pilotującej dawki oleju napędowego, wywiązanie energii wyładowania elek-trycznego na elektrodach świecy zapłonowej, wtrysku strumienia plazmy, itp. Wówczas, w obszarze doprowadzenia ciepła następuje realizacja reakcji spala-nia paliwa i od tego obszaru reakcje spalaspala-nia rozprzestrzespala-niają się postępująco z określoną szybkością w głąb pozostałej części mieszaniny. Normalna szybkość spalania w mieszaninie stechiometrycznej wynosi ok. 0,38 m/s. Wartość ta jest zbyt mała dla potrzeb silnika spalinowego, stąd zachodzi potrzeba jej zwiększe-nia, głównie poprzez tworzenie intensywnych ruchów i przepływów mieszaniny palnej w czasie spalania. Jednakże, realizując to zadanie, warunki w przestrzeni komory spalania przybliżają się bardzo do takich, przy których spalanie z postę-pującego, przechodzi w spalanie gwałtowne – jednoczesne, zwane spalaniem stukowym. W tym przypadku, dochodzi do samozapłonu mieszaniny palnej w znacznej odległości od miejsca zapłonu obcego, czasowo – albo przed, albo po zapłonie. Rezultatem tego jest niezwykle wysoka szybkość spalania, wyraża-jąca się gwałtownym przyrostem ciśnienia spalin w cylindrze, po którym nastę-pują kolejne silne zmiany ciśnienia. Zmiany te są źródłem ostrego metalicznego hałasu zwanego „stukiem”. Czynnikami, które mogą sprzyjać powstawaniu spa-lania stukowego, są między innymi: skład mieszaniny palnej, stopień sprężania, parametry termodynamiczne mieszaniny palnej, temperatury ścianek cylindra, aglomeracja osadów niespalonego paliwa lub oleju. Z tych względów, w silniku wielocylindrowym w określonych warunkach w jednym lub kilku cylindrach może dochodzić do spalania stukowego, a w pozostałych nie.

W czasie spalania stukowego przez komorę spalania rozprzestrzeniają się silne fale ciśnienia, dochodzi do rezonansu fal w komorze spalania oraz przeno-szenia fal dźwiękowych przez konstrukcję silnika. Rezultatem takiego przebiegu zjawiska są znaczące różnice ciśnienia i szybkości narastania ciśnienia w poszczególnych strefach komory spalania.

Silnik, w którym występuje spalanie stukowe może ulec uszkodzeniu przez: zakleszczenie lub połamanie pierścieni tłokowych, erozję dolnej płyty głowicy, erozję denka tłoka, nadtopienie i przebicie denka tłoka, uszkodzenie łożysk układu korbowego.

ZESPÓŁ STEROWANIA GAZEM filtr Zawory dopro wadz eni a gazu ciśn ieni e obcią żen ie prę dkość obr. wen tyl acj a gazu SIL NIK Ry s. 3 . S ch em at in sta lac ji z asilan ia g az u [3 ] Fi g . 3 . Ga s su p p ly sy ste m

W celu uniknięcia pracy silnika w warunkach spalania stukowego, stosuje się odpowiednie zestawy pomiarowo-sterujące. Specjalne czujniki przyspieszeń, umieszczone na każdej głowicy określają intensywność spalania w każdym cy-lindrze. Sygnał tego pomiaru jest przekazywany do układu sterującego zasila-niem silnika w paliwo gazowe i ciekłe. W przypadku niewielkiego nasilenia spalania stukowego, dokonuje się zmiany współczynnika nadmiaru powietrza i kąta wyprzedzenia zapłonu lub kąta wyprzedzenia wtrysku dawki pilotującej paliwa ciekłego. W razie znacznego nasilenia spalania stukowego zostaje odłą-czone zasilanie paliwa gazowego. Wówczas, np. silnik dwupaliwowy może pra-cować dalej na paliwie ciekłym.

4. System zapłonu mieszaniny palnej gaz – powietrze

W miarę zwiększania wymiarów cylindra silników dużej mocy, jakie wcho-dzą w grę w napędzie statków, rośnie zapotrzebowanie na energię zapłonu mie-szaniny palnej. Zastosowanie zapłonu iskrowego prowadzi do komór wstępnych (CVCC), odznaczających się bardziej złożoną konstrukcją. Natomiast układ dwupaliwowy, z wtryskiem pilotującej dawki paliwa ciekłego (oleju napędowe-go), zapewnia odpowiednią do potrzeb energię zapłonu mieszanki gazowej, jak również pozostawia proste rozwiązanie komory spalania silnika o zapłonie sa-moczynnym. Ponadto, rozwiązanie to umożliwia pracę silnika wyłącznie na paliwie ciekłym, w przypadku niedomagań działania instalacji gazowej (np. spalanie stukowe, niedobór gazu, zagrożenie awaryjne etc.).

W najnowszych rozwiązaniach silników dwupaliwowych [3] zastosowano oddzielny układ do pracy na paliwie ciekłym, oparty na tradycyjnym systemie wtrysku hydraulicznego oraz odrębny układ zasilania dawką paliwa pilotujące-go. Ten ostatni układ pracuje w systemie common rail (ciśnienie paliwa wtry-skiwanego wynosi 1000 bar), a jego rozwiązanie jest dostosowane do bardzo małej dawki paliwa, nie większej niż 4% nominalnej dawki paliwa ciekłego. W szczególności dotyczy to odrębnego rozpylacza, dostosowanego do tak małej dawki paliwa ciekłego. Dzięki temu, podczas pracy dwupaliwowej, dawka pali-wa pilotującego może się zmniejszyć do 1% dawki nominalnej. Wybrane wskaźniki pracy kilku przykładowych silników na paliwo gazowe zamieszczono w tabeli 2.

Obok bardzo korzystnych wskaźników ekonomii pracy, silniki dwupaliwo-we charakteryzują małe wartości wskaźników emisji toksycznych składników spalin, zwłaszcza podczas pracy na ubogich mieszankach paliwa z powietrzem

Tabela 2 Dane techniczne wybranych współczesnych silników na paliwo gazowe [1, 2, 3]

Technical data of some present natural gas engines

Producent silnika Typ silnika D mm S mm Liczba cylindrów pe MPa Moc z cylindra kW n obr/min Deutz TBG 632 260 320 12, 16 1,6 226 1000 Jenbacher 320 HEC 145 185 20 2,4 75 1200 Wärtsilä 32 DF 320 350 6, 9, 12, 18 1,99 350 750 Wärtsilä 50 DF 500 580 6, 8, 9, 12, 16, 18 2,00 950 500 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 4 6 8 10 12 14 16 30 32 34 36 38 40 42 1 2 4 3 8 7 9 10 5 6 12 11 spalanie stukowe pr zer ywan y za płon CO NO x

współczynnik nadmiaru powietrza

sp ra wno ść ca łko wita (z prą dnicą ) p p (ba r) e e _e emi sja skła dn ików tok syczn ych (g/kWh) (%)  _e

Rys. 4. Wskaźniki pracy silnika i emisji składników toksycznych spalin NOx i CO w funkcji

współczynnika nadmiaru powietrza [3]

Fig. 4. Engine operating parameters and exhaust emissions as a function of excess air number [3]

Tak więc, bez konieczności uciekania się do kosztownych metod obniżania emisji składników toksycznych spalin, w szczególności NOx, silnik

W systemie paliwa gazowego, rozwiązaniem perspektywicznym staje się skroplony gaz ziemny (LNG) o temperaturze –162°C, po pobraniu ze zbiornika sprężony do bardzo wysokiego ciśnienia (ok. 350 bar) w fazie ciekłej i następnie podgrzany (celem odparowania) do temperatury otoczenia. W ten sposób, zosta-je obniżona moc sprężania tego paliwa do 1% mocy nominalnej silnika, a wprowadzenie paliwa gazowego bezpośrednio do komory spalania pozwoli na zwiększenie stopnia sprężania i związaną z tym poprawę sprawności całkowitej silnika.

Podsumowanie

Przedstawiono właściwości procesów roboczych oraz osiągi silników spali-nowych zasilanych paliwem gazowym – gazem ziemnym. Uwzględniając wa-runki pracy statku jako obiektu napędzanego, przeprowadzona analiza wskazuje na możliwość praktycznego wykorzystania tego paliwa w postaci skroplonej na statkach floty handlowej, następnie dostarczanego do spalania pod wysokim ciśnieniem, w rozwiązaniu technicznym silnika dwupaliwowego.

Literatura

1. Behrens R., Henn R., Stellwagen K., TBG 632 – Ein neuer Gro gasmotor mit hohen Wirkungsgrad. MTZ 62 (2001) Nr 2 s. 136 – 144.

2. Herdin G., Gruber F., Henkel W., Lutz B., Neue Gasmotorengeneration

Jenbacher 320 HEC. MTZ 62 (2001) Nr 2, s. 146 – 153.

3. Wärtsilä 32DF, 50DF Technology review.

4. Urbański P., Paliwa i smary, Fundacja Rozwoju Wyższej Szkoły Morskiej w Gdyni, Gdańsk 1999, s. 23.

Wpłynęło do redakcji w lutym 2004 r. Recenzenci

dr hab. inż., kmdr Zbigniew Korczewski, prof. AMW dr hab. inż. Zbigniew Matuszak, prof. AM

Adres Autora

prof. dr hab. inż. Stefan Żmudzki

Politechnika Szczecińska Akademia Morska w Szczecinie Wydział Techniki Morskiej Wydział Mechaniczny