METODYKA OKREŚLANIA ILOŚCI ENERGII CIEPLNEJ
DO PODGRZANIA PALIWA W ZBIORNIKACH ZAPASOWYCH
Współczesne statki morskie wyposażone są w silniki oraz urządzenia spalinowe przystosowane do spalania paliwa pozostałościowego o niskiej jakości. Konsekwencją tego jest zwiększone zapotrzebo-wanie na parę do celów grzewczych, w tym dla zapewnienia właściwej temperatury w zbiornikach zapasowych paliwa.
Opierając się na autorskiej bazie danych oraz bilansach parowych dla kontenerowców, prze-prowadzono analizę statystyczną. Gdy znane są założenia armatorskie projektowanej jednostki pły-wającej dotyczące prędkości eksploatacyjnej i liczby przewożonych kontenerów TEU (nośności), na etapie projektu wstępnego istnieje możliwość wyznaczenia objętości zbiorników zapasowych oraz ilości pary do podgrzania paliwa w tych zbiornikach.
WSTĘP
Na statkach morskich do celów grzewczych, takich jak podgrzewanie paliwa, olejów, wody, powietrza, powszechnie stosowana jest para nasycona [1, 2, 3, 7, 9, 10, 11, 22, 23, 30, 31, 32, 33, 36]. Przy uwzględnieniu stanu eksploatacyjnego statku, produkcja pary odbywa się w kotłach utylizacyjnych dla statku w podróży morskiej. Podczas postoju statku w porcie lub w rejonach niskich temperatur, gdy zapotrzebowanie na parę przewyższa wydajność kotła utylizacyjnego, pracuje do-datkowo pomocniczy kocioł opalany. Zależnie od mocy siłowni jednostki pływają-cej, tj. mocy silnika głównego napędu statku i mocy spalinowych zespołów prądo-twórczych, inne jest zapotrzebowanie statku na parę grzewczą. W sytuacji, gdy silniki główne i pomocnicze oraz kotły pomocnicze zasilane są paliwem pozostało-ściowym o niskich właściwościach energetycznych, zapotrzebowanie na parę grzewczą jest względnie wysokie w porównaniu do zasilania paliwem destylowa-nym.
1. ZAPOTRZEBOWANIE NA ENERGIĘ CIEPLNĄ
Zapotrzebowanie statków morskich na energię cieplną wynika z celów: byto-wych załogi, siłownianych oraz specjalistycznych statku. Zapotrzebowanie na energię cieplną przeznaczoną na potrzeby bytowe załogi statku jest stosunkowo małe. Sprzyja temu mocne zredukowanie liczby członków załogi w ciągu ostatnich kilkunastu lat. Wynika to ze stosowania systemów automatyki w dziedzinie dia-gnostyki, nadzoru i sterowania pracą urządzeń statku morskiego.
Energia cieplna do celów specjalistycznych może być wykorzystana np. do produkcji mączki rybnej na statkach rybackich, podgrzania ładunku, napędu pomp wyładunkowych na zbiornikowcach i innych.
Zapotrzebowanie na energię cieplną do celów siłownianych wynika z wydaj-ności i mocy urządzeń okrętowych siłowni oraz ilości i zakresów temperaturowych podgrzewanych czynników. Zależnie od właściwości płynu i procesu technolo-gicznego na współczesnych statkach kontenerowych temperatura podgrzewanego medium jest różna.
1.1. Energia cieplna do podgrzania paliwa w zbiornikach zapasowych
Paliwa pozostałościowe stosowane na statkach morskich występują w szero-kim zakresie lepkości sklasyfikowanej przez CIMAC (Conseil International des Machines a Combustion), BS (British Standard Institution) oraz ISO (International Standarization for Organization).
Na współczesnych statkach morskich spalane jest paliwo RMK, RMH, RMG o lepkości kinematycznej do 380 cSt dla temperatury 50°C [12, 13, 24]. Wycho-dząc naprzeciw oczekiwaniom rynku, producenci mechanizmów okrętowych oraz projektanci statków przystosowali silniki, urządzenia pomocnicze oraz okrętowe instalacje siłowniane do spalania w sposób ciągły, niezależnie od stanu eksploata-cyjnego statku, olejów pozostałościowych o lepkości kinematycznej do 600 cSt. W wyniku tego dopuszczalna temperatura paliwa przy wiskozymetrze wzrosła do poziomu 150°C, a transportu paliwa ze zbiorników zapasowych nawet do 50°C. Dla tak wysokich temperatur zaistniała konieczność dostarczenia znacznie więk-szych ilości energii do podgrzania paliwa, tak by umożliwić jego dalszy transport i obróbkę. Gdy założy się jednostkowe zużycie paliwa na poziomie prezentowa-nym w przewodnikach projektowych okrętowych silników spalinowych [8, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 26, 27, 28, 29, 30] oraz uwzględni autonomiczność stat-ków dochodzącą do 18 000 Mm [2, 5, 6, 7, 10, 31, 32, 33], okazuje się, że najwięk-sze zapotrzebowanie na parę grzewczą w siłowni statku występuje dla zbiorników zapasowych paliwa. Na kontenerowcach stanowi ono ponad 50% zapotrzebowania pary. W tabeli 1 przedstawiono dane dla czterech wybranych statków [7] dla stanu eksploatacyjnego w morzu. Udział procentowy stanowi ilość pary potrzebnej do
grzania paliwa w zbiornikach zapasowych w stosunku do całkowitego zapotrzebo-wania pary do celów grzewczych.
Tabela 1
Zapotrzebowanie pary do celów grzewczych paliwa w zbiornikach zapasowych dla wybranych statków morskich
Para grzewcza dla zbiorni-ków zapasowych paliwa
[kg/h]
Całkowite zapotrzebowanie pary do celów grzewczych
[kg/h] Udział procentowy [%] 1379 2393 58 1035 1844 56 1609 2998 54 1252 2469 51
Niezależnie od liczby zbiorników zapasowych paliwa na statku przyjmuje się, że para dostarczana jest tylko do dwóch z nich. Dla zapewnienia ochrony przed rozlewem zbiorniki wypełniane są paliwem do 90% swojej objętości, czyli do war-tości alarmu wysokiego poziomu w zbiorniku. Obliczenia zapotrzebowania na parę grzewczą wykonuje się dla utrzymania temperatury pompowalności na poziomie 50°C w jednym zbiorniku oraz dla zmiany temperatury paliwa pozostałościowego z temperatury początkowej grzania tpg równej 35°C do temperatury pompowalności tpm równej 50°C w drugim zbiorniku. Zmiana temperatury z poziomu tpg do tpm
występuje przy zmianie paliwowego zbiornika zapasowego, z którego odbywa się transport paliwa do zbiornika osadowego.
2. WYNIKI BADAŃ
Na podstawie szczegółowych zestawień, wykonanych przy użyciu metod anali-tycznych w formie parowych bilansów tablicowych [7], wyznaczono funkcyjną zależność dla zmiennej zależnej zapotrzebowania na parę Dcg w kg/h niezbędną do
podgrzania paliwa w zbiornikach zapasowych w funkcji dwóch zmiennych nieza-leżnych, tj. temperatury początkowej grzania paliwa tpg i sumarycznej objętości
zbiorników zapasowych paliwa Vzbz. Dla tych zmiennych dokonano podstawowej
oceny, której główne kryterium stanowił poziom istotności p. Przyjęto, że wartość graniczna p wynosi 0,05. Poniżej tej wartości otrzymane wyniki oceniano jako statystycznie istotne.
W tabeli 2 zestawiono podstawowe dane statystyczne wykonane dla liczby przypadków N równej 19 na podstawie [34].
Wartość standaryzowana współczynnika regresji BETA na poziomie 0,81 świadczy o relatywnie silnej predykcji objętości zbiorników zapasowych na war-tość szacowanego zapotrzebowania pary do celów grzewczych paliwa.
Tabela 2
Wyniki regresji wielokrotnej dla określenia ilości pary do celów grzewczych paliwa w zbiornikach zapasowych
Liczba przypadków N = 19 BETA Stałe równania Poziom istotności p Wyraz wolny – -667,67 0,005
Vzbz 0,81 0,91 0,000
tpg 0,20 21,45 0,005
Pozostałe współczynniki analizy statystycznej dla wartości przedstawionych w tabeli 2 przyjmują stałe wartości i wynoszą odpowiednio: współczynnik korela-cji R, determinakorela-cji R2 i skorygowany współczynnik determinacji R2 0,99 dla błędu
estymacji 33,53.
Stosując model regresji wielokrotnej z wyrazem wolnym i podane w tabeli 2 wartości, wyznaczono zależność (1) zapotrzebowania na energię Dcg w kg/h pary
dla zbiorników zapasowych paliwa.
[kg/h] 667,67 21,45 0,91 + − = zbz pg cg V t D (1)
Równanie (1) dotyczy podgrzania paliwa z poziomu początkowego tpg do
po-ziomu temperatury pompowalności tpm dla znanej objętości zbiorników
zapaso-wych.
2.1. Objętość zbiorników zapasowych paliwa
Objętość zbiorników zapasowych paliwa zależy od zaprojektowanej autono-miczności statku, prędkości eksploatacyjnej, jego nośności, w tym liczby kontene-rów chłodzonych, liczby i mocy zespołów prądotwórczych, liczby i mocy mecha-nizmów i urządzeń pomocniczych itp. Dla statku kontenerowego te zmienne nieza-leżne można uogólnić do dwóch parametrów w postaci prędkości statku i liczby kontenerów TEU. Wstępnie przeprowadzona analiza statystyczna wykazała wyso-ką wartość poziomu istotności p wyrazu wolnego i prędkości statku v. Wyniki tej
analizy zestawiono w tabeli 3.
Tabela 3
Wyniki regresji wielokrotnej dla wyznaczenia objętości zbiorników zapasowych paliwa – I etap
Liczba przypadków N = 94 BETA Stałe równania Poziom istotności p Wyraz wolny – -1379,13 0,19
Liczba kontenerów TEU 0,92 1,34 0,000 Prędkość statku v 0,05 65,64 0,25
Po usunięciu wartości odstających statystyczna liczba przypadków zmalała z 94, dla wyników regresji w tabeli 3, do 87. Poziom istotności p osiągnął wartość spełniającą kryterium p ≤ 0,05. W tabeli 4 przedstawiono kolejny etap tej analizy.
Tabela 4
Wyniki regresji wielokrotnej dla wyznaczenia objętości zbiorników zapasowych paliwa – II etap
Liczba przypadków N = 87 BETA Stałe równania Poziom istotności p Wyraz wolny – -2378,93 0,02
Liczba kontenerów TEU 0,88 1,25 0,000 Prędkość statku v 0,11 126,39 0,03
W drugim etapie analizy statystycznej wraz ze zmianą poziomu istotności p zmianie uległ standaryzowany współczynnik regresji BETA określający predykcję zmiennej niezależnej na zmienną zależną, dla liczby kontenerów TEU i prędkości statku v. Najbardziej istotnym parametrem dla określenia objętości zbiorników paliwa jest liczba kontenerów TEU dla poziomu istotności p wynoszącej 0,000. Sumaryczną objętość zbiorników zapasowych paliwa wyznaczono według zależności (2) na podstawie wartości z tabeli 4.
(2) ] [m 2378,93 126,39 1,25 + − 3 = TEU v Vzbz
Równanie to zostało wyznaczone na podstawie parametrów statków kontene-rowych dla zasięgu pływania w zakresie 11 000–18 000 mil morskich.
obj
ęto
ść
zbiorników zapasowych paliwa
[m 3 ] 12200 10400 8191 6670 5100 3300 1800 233
Rys. 1. Zmiana objętości zbiorników zapasowych paliwa w funkcji prędkości
eksploatacyjnej statku i liczby kontenerów TEU
Zmienne niezależne w równaniu (2) określają nie tylko wielkość siłowni okrę-towej, lecz również podstawowe wymiary główne kadłuba statku LBT i ich
zależ-2 2,8 8 2 4,0 0 25,0 8
prędkość statku [w] liczba kontenerów [szt.]
20,4 0 19 ,20 1 7 ,00 15,0 0 13,5 0 283 110 0 18 ,10 21 ,50 917 8 806 3 702 4 618 8 506 0 404 5 282 4 202 1
ności. Podkreśla to, jak silnym predyktorem jest liczba TEU i prędkość eksploata-cyjna statku.
Graficzną postać zależności (2) w trójwymiarowym układzie współrzędnych kartezjańskich dla statków kontenerowych przedstawiono na rysunku 1. Dla da-nych w układzie współrzędda-nych XYZ dopasowano powierzchnię zgodnie z liniową funkcją wygładzania statystycznego.
PODSUMOWANIE
Gdy znane są założenia armatorskie projektowanej jednostki pływającej doty-czące prędkości eksploatacyjnej v i liczby przewożonych kontenerów TEU, istnieje
możliwość wyznaczenia objętości zbiorników zapasowych paliwa bez znajomości pozostałych danych. Jest to szczególnie ważne na etapie projektu wstępnego w sy-tuacji, gdy znana jest mała liczba parametrów statku.
W tabeli 5 zestawiono wartości przewidywane i obserwowane (specyfikacja statku) dla wybranego, z bazy danych, statku kontenerowego klasy Panamax. We-dług specyfikacji statku o pojemności kontenerowej 4546 TEU objętość wszystkich zbiorników zapasowych paliwa wynosi 6360 m3. Dla tej samej liczby kontenerów
TEU na podstawie zależności (2) wyznaczona statystycznie wartość odpowiada
objętości 6400 m3. Mając na uwadze względy bezpieczeństwa, tj. uniknięcie
roz-lewu paliwa, a także ustawienie alarmu poziomu górnego paliwa w zbiornikach, ilość paliwa wynikającą z zależności (2) należy pomniejszyć o 10%. Do obliczeń ilości pary niezbędnej do podgrzania paliwa w zbiornikach zapasowych przyjmuje się nie 6400 m3, lecz 5760 m3.
Tabela 5
Przykład obliczeniowy sumarycznej pojemności zbiorników zapasowych paliwa
Sumaryczna objętość zbiorników zapasowych paliwa [m3]
Liczba kontenerów TEU
Przewidywana Obserwowana (specyfikacja statku)
4546 6400 6360
Wiedza dotycząca ilości pary do podgrzania paliwa może się przyczynić, już na etapie projektu wstępnego, do właściwego doboru konfiguracji energetycznej statku w zależności od zapotrzebowania pary na cele grzewcze, w tym na cele grzewcze paliwa w zbiornikach zapasowych.
LITERATURA
1. Balcerski A., Siłownie okrętowe. Podstawy termodynamiki, silniki i napędy główne, urządzenia
pomocnicze, instalacje, Politechnika Gdańska, Gdańsk 1990.
2. Baza danych Polship oraz Intership, Centrum Techniki Okrętowej, Gdańsk 2007. http://polship.cto.gda.pl, http://intership. cto.gda.pl:8080/.
3. Behrendt C., Wielkości charakterystyczne układów napędowych współpracujących z prądnicą
zawieszoną na przykładzie statków kontenerowych, materiały niepublikowane, b.m.r.
4. British Standard Institution, Classification of petroleum fuels. Marine fuels, Wielka Brytania 1996.
5. Charchalis A., Krefft J., Development trends in contemporary container vessels designs, KONES, Journal of Powertrain and Transport, 2008, vol. 15, no. 4.
6. Charchalis A., Krefft J., Main dimensions selection methodology of the container vessels in
a preliminary stage, KONES, Journal of Powertrain and Transport, 2009, vol. 16, no. 2.
7. Dokumentacja techniczna statków Grupy Stocznia Gdynia SA: 8125-PK/0050-001, PT8138/12, 8184-PK/0680-001, PT8184/6, 818415-PK001, 8229-PK001, 8234-PK /0050-001X1, 8276-PK/0050-001, b.m.r.
8. Engine selection and project manual RTA52U-B, RTA62U-B and RTA72U-B, Wartsila NSD, Szwajcaria 1998.
9. Górski Z., Perepeczko A., Okrętowe kotły parowe, FRWSM, Gdynia 2002. 10. Hansa – International Maritime Journal, 2005, 142, no. 11; 2006, no. 9. 11. Herdzik J., Poradnik motorzysty okrętowego, Trademar, Gdynia 2007.
12. International Council on Combustion Engines (CIMAC), Recommendations Regarding Fuel
Requirements for Diesel Engines, 3rd edition, b.m., May 1990.
13. International Organization for Standardization (ISO) 8217, British Classification BS 6843,
Re-quirements for marine distillate fuels. ReRe-quirements for marine residual fuels, b.m., 2005.
14. K80MC-C Mk6, Project Guide Two Stroke Engine, 4th edition, Man B&W Diesel A/E, b.m., February 2001.
15. K90MC Mk6, Project Guide Two Stroke Engine, 5th edition, Man B&W Diesel A/E, b.m., No-vember 2000.
16. K90MC-C Mk6, Project Guide Two Stroke Engine, 4th edition, Man B&W Diesel A/E, b.m., December 2000.
17. K98MC, Project Guide Two Stroke Engine, 3rd edition, Man B&W Diesel A/E, b.m., June 2002. 18. K98MC-C, Project Guide Two Stroke Engine, 3rd edition, Man B&W Diesel A/E, b.m., June
2002.
19. L35MC Mk6, Project Guide Two Stroke Engine, 4th edition, Man B&W Diesel A/E, b.m., June 2001.
20. L60MC-C Mk7, Project Guide Two Stroke Engine, 1st edition, Man B&W Diesel A/E, b.m., October 2001.
21. L70MC-C Mk7, Project Guide Two Stroke Engine, 1st edition, Man B&W Diesel A/E, b.m., November 2001.
22. Machinery operating manual, 300 000 DWT Crud Oil Tanker, Samsung Heavy Industry, South Korea, October 2000.
23. Michalski R., Siłownie okrętowe. Obliczenia wstępne oraz ogólne zasady doboru mechanizmów
i urządzeń pomocniczych instalacji siłowni motorowych, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki
24. Operation on Heavy Residual fuels guidelines for fuels and lubes, Man B&W Diesel Two Stroke Engines and Man B&W Diesel Four Stroke Holeby GenSet, CIMAC and ISO guidelines, b.m.r. 25. S35MC Mk7, Project Guide two stroke engine, 2nd edition, Man B&W Diesel A/E, b.m., April
1999.
26. S50MC, Project Guide, Two Stroke Engine, 2nd edition, Man Diesel A/S, Denmark, September 1992.
27. S50MC-C, Project Guide Two Stroke Engine, 4th edition, Man B&W Diesel A/E, b.m., January 2003.
28. S60MC-C Mk7, Project Guide Two Stroke Engine, 2nd edition, Man B&W Diesel A/E, b.m., September 1999.
29. S70MC-C Mk7, Project Guide Two Stroke Engine, 2nd edition, Man B&W Diesel A/E, b.m., September 1999.
30. Safety at Sea International, vol. 40, no. 453, b.m., November 2006. 31. Schiff und Haffen, journal, 2006, Nr. 01–03, 05, 06, 08–12; 2007, 01–03. 32. Significant Ships 2000, 2001, 2003–2006.
33. Soot Deposits and Fires in Exhaust Gas Boiler, Man Diesel A/S, Denmark 2004.
34. StatisticaPL, Ogólne konwencje i statystyki I – t. I, Grafika – t. II, Statystyki II – t. III, StatSoft, b.m., 1997.
35. Urbański P., Gospodarka energetyczna na statkach, Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1978. 36. Wojnowski W., Okrętowe siłownie spalinowe, część I–III, Wydawnictwo AMW, Gdynia 2002.
DETERMINATION METHODOLOGY OF STEAM AMOUNT FOR HEATING FUEL OIL STORAGE TANKS
Summary
The main and auxiliary combustion appliances in the contemporary sea-going ships are adapted to combust a low quality heavy fuel oil. As a result, there is an increased steam demand for heating purposes, which is among others, maintaining the correct fuel temperature in the storage tanks.
The statistical analysis has been carried out, based on the database and steam balances for the container ships. Knowing the ship owner’s assumptions of the designing sea-going vessel, which is the ship’s speed and TEU number, there is possibility to determine the volume of the fuel storage tanks and steam amount to heat up the fuel tanks.
