til hovedmaskineriet - FMS Moodle
2015 Energioptimering og brændstofsbesparelse Udarbejdet af Høgni Olsen Studienummer: E20112002 Antal tegn: 61.263 med mellemrum Antal normalsider: 25,52 Afleveringsdato: 27-05/2015 Fredericia Maskinmesterskole Bachelorprojekt Indhold Forord ........................................................................................................................................................... 2 Abstract ........................................................................................................................................................ 3 Indledning .................................................................................................................................................... 4 Projektskabelon ............................................................................................................................................ 5 Projektafgrænsinger ..................................................................................................................................... 8 Dataindsamling............................................................................................................................................. 8 Valg af optimeringsmuligheder og emnevalg ............................................................................................... 9 Empiri ......................................................................................................................................................... 10 Arbejdsopgaver ombord............................................................................................................................. 11 Maskineriet ombord ................................................................................................................................... 13 Ventilationsanlæg....................................................................................................................................... 14 Analyse af fremdriftsmotorene .................................................................................................................. 15 Analyse af drift af Maxi kedlen ................................................................................................................... 18 Energiberegninger ...................................................................................................................................... 20 Implementering af udstødningskedel ......................................................................................................... 24 Økonomisk betragtning af installation af udstødningskedel ...................................................................... 27 Tilbagebetaling af udstødningskedel .......................................................................................................... 28 Optimeringsforslag 2 (udnyttelse af varmeenergien i kølevandet) ............................................................ 29 Analyse af kølevandssystemet.................................................................................................................... 31 Opgradering af kølevandssystem ............................................................................................................... 33 Økonomisk betragtning kølevandssystem .................................................................................................. 35 Samlet konklusion ....................................................................................................................................... 36 Kilde og kildekritik ...................................................................................................................................... 37 Anerkendelser og tak ................................................................................................................................. 38 Nomenklaturliste ........................................................................................................................................ 39 Diverse hjemmesider.................................................................................................................................. 39 Interview .................................................................................................................................................... 40 Litteraturliste .............................................................................................................................................. 40 1 Forord Som afslutning af maskinmesteruddannelsen, der er på 6 og sidste semester, er dette projekt blevet udarbejdet ombord på skibet Stril Mariner. Projektet omhandler maskinmesterrelateret stof, som den studerende elev har tilegnet sig i undervisningen. Dette projekt handler om brændstofs besparelse ved at energioptimere hydroforsystemet på skibet Stril Mariner og. Projektet i sin helhed, henvender sig til personer med en faglig viden og teknisk indsigt. Projektet tager udgangspunkt i et praktikophold i på Nordsøen hos rederiet Simon Møkster Shipping. Praktikopholdet strækker sig over en periode af tre måneder, 87 dage ombord på skibet Stril Mariner. De 87 dage er blevet brugt til at arbejde sammen med maskinbesætningen og til at finde optimeringsmuligheder ombord på skibet. Jeg vil gerne rette en tak til crewing manager Kristian Oskar Henriksen, som har gjort det muligt for mig at komme ombord på Stril Mariner og skrive mit afsluttende bachelorprojekt. Bilag til dette projekt, er samlet i et separat bilagshæfte og henvisninger er dertil skrevet i teksten og fremgår af fodnoter. 2 Abstract This report is a bachelor project conducted as the last part of the education to marine engineer at Frederica Maskinmesterskole. Since January 1 year 2014, the company Simon Møkster Shipping started the Fuel Race campaign in order to save fuel among the ships. With an interest of this campaign, the case in this project is therefor led to how reduce the fuel consumption by improving the energy consumption of the hydrophore system onboard the ship. Currently all the heat of in the hydrophore system, is produced by an electric boiler. This type of heat production comes at a great cost both, environmentally and financially. This bachelor project will examines if it is possible to reduce the financial expenses that are associated in the hydrophore system. To improve the energy consumption on this system, there will be developed suggestions, which contains installing waste heat recovery system to exploit the thermal energy in the exhaust gas. During the internal combustion, the diesel engines have at range of thermal losses. One of the largest losses are found in the exhaust system. While the engine is running under normal conditions, the temperature is varying from 280 to 417 degrees Celsius. The second suggestion to optimize the hydrophore system, is how to optimize the existing high temperature cooling system. While the engine is running, the coolant fluid is been cooled down by a box cooler to lower the temperature. There will be given a suggestion of how to exploit the thermal energy in the cooling water to the hydrophore system in order to reduce the financial expenses. 3 Indledning Stril Mariner tilhører det norske rederi Simon Møkster Shipping. Rederiet blev tilbage i 1968 etableret i Stavanger af Kaptain Simon Møkster. Efter at Simon købte det første skib, MV Mokstein, blev dette starten på en æra, hvor Simon opkøbte og solgte 107 skibe. For at sikre at rederiets fremtid, var køb og salg af skibe, rederiets mest indbringende faktor økonomisk. I 1981 gik rederiet over satse på offshore markedet og købte skibet Strilmøy. Strilmøy blev efter købet, konverterede til et standby og rescue vessel og var dengang et af de mest avancerede skib i offshore industrien i den tid. Simon Møkster var anset for a være en af pionærene indenfor standby og rescue på den norske sektor og blev den største ejer og manager indenfor området i den tid. Siden da har rederiet valgt at fokusere på offshore markedet og har i dag en flåde på 23 skibe og cirka 550 ansatte på onshore og offshore sektoren1. Rederiet er idag 100% familieejet af Møkster familien og har deres eget slogan der er always ready2 Stril Mariner blev bygget i året 2009 på byggeværftet Simek A/S i flekkefjord og var værftets byggenummer 121. Prisen for byggeriet at skibet var cirka på 300 millioner kroner3. Da skibet blev færdigbygget på værftet fik det færøsk mandskab og indgik i en kontrakt med BP i Nordsøen, hvor det ligger klart til at servicere tre olieplatforme hos BP imellem Danmark og England. Skibet blev ombygget i 2012 på værftet Simek hvor det blev bygget, efter ordre fra BP og Talisman. Det blev her besluttet at skibet at skibet skulle opgraderes med et forbedret olieopsamlingsudstyr (ORO og NOFO system) og beredskab. Dette betød at skibet vil have en hurtigere responstid i tilfælde af olieforurening på havet. ORO systemet der havde en kapacitet på 1257 m3 blev efter ombygningen øget til 1500 m34. Skibet blev i forbindelse med ombygningen, udstyret med en daugther craft, der anvendes til redningsaktioner og udsætning af NOFO udstyret. På grund af de stigende oliepriser indførte rederiet i starten af 2014, en sparekampagne, der opfordrede alle skibe i rederiet om at spare på brændstoffet. I projektet undersøges det om det yderligere kan laves nogen form for brændstofsbesparelse, der tilgodeser udgifterne til brændstof, ved at energioptimere nogle af systemerne der findes ombord. Der forventes i undersøgelserne og forslagene i dette projekt, fører frem til, at der kan opnås yderlige brændstofsbesparelser ved at energioptimere hydroforsystemet med andre uudnyttede energikilder der forefindes ombord på skibet. 1 http://www.mokster.no/company/our-history/FC6CC7A8-62D8-4441-A48E-429B50B02FF1/1 Interview/samtale med managing director Anne Jorunn Møkster ombord på Stril Mariner 3 http://www.skipsrevyen.no/ms-stril-mariner/ 4 http://www.mokster.no/news/stril-mariner-upgrade-to-area-field-support-vessel-/0C637CBA-447F-4010-B2D170F94540C638/1 2 4 Projektskabelon Emne Energioptimering og brændstofbesparelse Skribenter Høgni Olsen Vejledere Thomas Schmolke og Stig Libori. Problemstilling Med diskussion med maskinbesætningen om mulige energioptimeringer, blev det ret hurtigt i min praktikperiode, hvad jeg gerne ville sætte fokus på. Rederiet har siden starten af 2014 indført den såkaldte ”Fuel race” konkurrence, der opfordrer alle rederiets skibe at spare på brændstofsforbruget. Dette projekt er derfor målrettet til, hvordan man yderligere kan lave brændstofsbesparelser, ved at energioptimere det eksisterende hydroforsystem ved hjælp af røggassystemet og kølevandssystemet. Denne diskussion har ført til at implementere en udstødningskedel til en skibets diesel elektriske motor, da skibet i forvejen ikke har udstødningskedler installeret. Diskussionen har også ført til hvordan man kan udnytte varmeenergien der findes i motorernes kølevand. Derfor er problemstillingen i denne opgave at jeg vil komme med to forskellige forslag på, hvordan man kan udnytte varmeenergien fra røggassen, ved at implementere udstødningskedler, og hvordan man kan energioptimere kølevandssystemet, da man ellers anvender en elektrisk elkedel til opvarmning af varmt forbrugsvand. 5 Problemformulering I dette bachelorprojekt vil der blive analyseret om der er nogle brændstofsbesparelser ved at energioptimere hydroforsystemet, der anvender en elektrisk kedel til opvarmning. Der vi som det første forslag undersøges om man implementere en udstødningskedel til det eksisterende udstødningssystem fra motoren.I projektet vil det eksisterende røggassystem blive beskrevet og analyseret imens det er i drift. Det vil også blive undersøgt, om der er nok røggaseffekt til det nødvendige effektbehov som hydroforsystemet kræver af varmeenergi, ved hjælp af energiberegninger der er baseret på målte data. Der vil på bagrund af analysen for maxi kedlen blive lavet beregninger, for at se hvilken model af udstødningskedel der kan indgå i installationen og om det er økonomisk rentabelt at installere den på en årerække. Der vil på det andet forslag blive kigget på det eksisterende kølevandssystemet på højtemperatursiden og blive undersøgt og analyseret hvilke potentialer der er af energi i kølevandet. Der vil blive Hypotese Ved hjælp af analyse, energiberegninger og erfaring af maskinrumsbesætningen, forventes der at ved installation af udstødningskedler til hovedmaskineriet eller energioptimering af kølevandssystemet, kan opnås en økonomisk besparelse af skibets brændstofsforbrug, set i forhold til det eksisterende system. 6 Metode I dette projekt vil der blive der som nævnt blive givet to forskellige forslag til energioptimering af skibets hydroforsystem. Der vil som det første forslag blive analyseret på skibets eksisterende røggassystem og redegjort for dets opbygning og funktion for at få et overblik over systemet. For at kortlægge, hvor i udstødningssystemet der kan laves energioptimering, vil jeg i skibet følge opbygningen af udstødningssystemet og lave skitser af systemet, da tegninger af udstødningssystemet ikke er til rådighed. For at kunne kortlægge det samlede effektforbrug på elkedlen ”Maxi boiler” vil disse data findes og måles og danne baggrund for det nødvendige effektbehov som udstødningskedlen eller kølevandssystemet skal kunne klare at levere. Analysen i dette projekt vil være baseret på dataindsamling af temperaturer samt energiberegninger samt kortlægge hvilket driftsmønster motorerne kører efter. Som det andet forslag vil der blive kigget på skibets kølevandssystem og redegjort for dets opbygning og funktion. Kølevandssystemet vil blive analyseret, observeret og der vil blive aflæst temperaturværdier i forskellige driftstilstande, der er foretaget med mit 3 måneders praktikophold ombord på skibet Stril Mariner. Der vil samtidigt anvendes maskinrumspersonalets erfaring til at få klarlagt opbygningen af det nuværende kølevandssystem og røggassystem og hvor i systemerne der kan laves energioptimering. 7 Projektafgrænsinger For at projektet ikke skal blive for omfattende, er der blevet foretaget nogle afgræsninger. Der vil ikke blive taget højde for det modtryk, der kan opstå ved installation af en udstødningskedel, da dette regnes med at være forbeholdt af kedelleverandøren. Der vil i forbindelse med de to foreslåede forslag ikke blive kigget på vedligeholdsomkostninger og levetid på diverse komponenter, såsom udstødningskedel, pumpe, magnetventiler og nye rør, der er anvendt i forslagene. Der vil i forbindelse med forslag 2 ikke blive taget højde for anskaffelsesomkostninger for pumpe, nye rør og magnetventiler og reguleringskomponenter i forbindelse med ombygningen af kølevandssystemet. Dataindsamling I forbindelse med mit ophold med Stril Mariner har jeg indsamlet så meget datamateriale som muligt for at kunne opbygge projektet med. De data som er blevet indsamlet, har jeg vurderet kritisk også sammen med maskinbesætningen. Da jeg endeligt havde valgt hvilke brændstofs optimeringer jeg skulle i gang med, har det vist sig for at være en noget udfordrende proces. I forbindelse med at finde flow af kølevand og temperaturer, har det været noget udfordrende proces at komme igennem. Ved hjælp af egen erfaring og sammen med maskinbesætningen, har man kunnet lokalisere sig frem til problemet og kunnet vurdere og beregne sig frem til en eventuel energioptimering, der kan bidrage til brændstofsbesparelse. Der har i forbindelse med projektet, været flere forslag til brændstofsbesparelse, som er blevet kasseret, da det er vurderet, ikke at være egnede til at spare på brændstof. I forbindelse med temperaturaflæsninger på kølevand og røggas, er disse vurderet kritiskt, for at give det mest realistiske billede af en fremtidig energioptimering. I forbindelse med alle de maskinrunderinger som jeg har foretaget hver morgen, har disse hjulpet mig meget med at danne et indtryk af hvordan skibet og alle systemerne er konstrueret sammen. 8 Valg af optimeringsmuligheder og emnevalg Som det bliver i skrevet i problemstillingen, er kernen i dette projekt brændstofsbesparelse i forbindelse med Fuel Race konceptet, som rederiet har indført. Efter at have påmønstret skibet og gået med de daglige maskinrunderinger hver morgen, havde jeg efter nogen tid observeret, erfaret og snakket med maskinbesætningen om mulige forslag til brændstofs besparelser. Forslag: 1. Implementering af udstødningskedler 2. Energioptimering af kølevandssystemet 3. Energioptimering af belysningen, implementering af LED-lysstofrør 4. Energioptimering af elektriske blæsere For at projektet ikke skal blive for omfattende, har jeg i projektet besluttet at fravælge punkt 3 og 4. Punkt 3 vedr. lysstofrør, har jeg undersøgt om man kan konvertere belysningen (lysstofrørene) om til LED. Jeg har i praktiktiden regnet lidt på besparelsen, og er kommet til den konklusion, at der ikke er så meget energi og brændstofsbesparelse at hente. Da det også giver et andet lysudbytte og kvalitet, er der sammen med maskinbesætningen vurderet at det ikke er en optimal løsning. Punkt 3 vil derfor ikke blive behandlet videre i dette projekt. I henhold til punkt 4 er der blevet undersøgt på energiforbruget på de elektriske blæsere, der er placeret i de forskellige rum i skibet. Efter diskussion med maskinbesætningen, er funktionen med disse blæsere at holde fugten i rummene på afstand. Før installation af de elektriske blæsere, havde nogle af rummene problemer med at fugten og luftcirkulationen. Da rummene også er opbevaringsrum for reservedele, vurderede jeg, at dette ikke var en optimal løsning. Der blev vurderet, at man kunne eventuelt kunne have dem slukket i sommerperioderne og aktiveret i vintermånederne. Men når næsten alle rummene ligger under havoverfladen, vil der i forbindelse med søvandet konstant dannes kondens på væggen og øge om luftfugtigheden i rummene. Punkt 4 der er om de elektriske blæsere, vil derfor ikke blive behandlet videre i dette projekt. 9 Efter at have været påmønstret i nogen tid og dannet mig indtryk af skibet og dets maskineri kom jeg frem til skibets hydrofor system. Da dette system var forbundet og opvarmet med en elektrisk kedel ”Maxi boiler” tænkte jeg om man kunne udnytte nogle andre energikilder, der ikke var udnyttet og anvende dem i stedet for den elektriske kedel eller som et supplement. Efter at have overvejet hvordan man kunne energioptimere hydroforsystemet, var der truffet beslutning om hvordan dette kunne gøres. Jeg vil i dette projekt give to forskellige forslag om hvordan man kan energioptimere det eksisterende hydroforsystem. 1. Det første forslag er genvinding af varmeenergien der er i udstødningsgassen. Da skibet ikke har nogen form for genvinding af varmen i udstødningsgassen, vil jeg i denne rapport give forslag hvordan dette kunne gøres. 2. Det andet forslag i rapporten, er at belyse hvordan man kan energioptimere det eksisterende kølevandssystem på højtemperatursiden og udnytte varmeenergien der er i kølevandet og overføre det til hydroforsystemet. For at kunne realisere disse forslag, er det vigtigt at man sætter sig ind i systemet samt observere og have nok datamateriale til at færdiggøre dette projektet. Empiri For at opnå et solidt data grundlag for analyse af energipotentialet i røggassen og i højtemperatur kølevandet, vil empiri blive indsamlet ved hjælp af kvantitativ og kvalitativ metode. Disse værdier er indsamlet fra skibets IAS system og NOX anlæg og inkluderer temperaturer og massestrømme. Der er også anvendt termografi for at afdække temperaturer på kølevandsrør En del af projektets data er blevet indsamlet ved hjælp kvalitativ metode, der gennem telefonsamtale og skriftelig kommunikation. Fremgangsmåden på den kvalitative metode har været, at der først er sendt en skriftelig beskrivelse om et emne og spørgsmål til en relevant person. Derefter er svaret blevet givet ved hjælp via telefonisk kommunikation og via en skriftelig besvarelse af de fremsendte spørgsmål. 10 Arbejdsopgaver ombord Ombord på skibet Stril Mariner er der for hvert hold påmønstret 14 mand. Hvert hold er ude på Nordsøen i en periode på 4 uger for at derefter blive udskiftet med det andet hold. Opdelingen af mandskabet er fordelt således at oppe på broen er der 4 mand, Kaptajnen, Over styrmand, 1 styrmand og 2 styrmand, der alle fordeler vagten imellem sig. På dækket er der 4 matroser, der i hold på to deler arbejdsskifte. I maskinrummet er der maskinchefen, 1 mester, 2 mester og maskinkadetten. I forbindelse med praktikken er jeg blevet påmønstret som maskinkadet. Maskinrummet er godkendt som vagtfrit om natten, hvor det ikke er nødvendigt at have mandskabet i kontrolrummet. Hvis der opstår en alarm nede i maskinrummet, vil maskinbesætning vil få alarm på deres telefoner og skal reagere så hurtigt som det nu kan lade sig gøre. Skibet har 21 kahytter ombord således at der i alt kan være 31 besætningsmedlemmer. Alle kahytter har deres eget toilet og bad og udstyret med køje, sofa/bord og TV. I forbindelse med redningsaktioner, er skibet godkendt til at have plads til 300 personer. Skibet har fuldt udstyret hospital, der kan behandle tilskadekomne personer i forbindelse med f.eks. redningsaktioner og personale. 11 Driften på Stril Mariner Når f.eks. skibet ligger ved kaj til mandskabsskifte, er det kun en motor der kører og leverer effekt til alle forbrugere, dette er også gældende når skibet ligger i DP 5 eller i venteposition hvor vejret er godt. I denne driftstilstand kan man reducere effektforbruget og udkoble den ene Azimutpropel og bovthruster, da der ikke skal bruges så meget elektrisk energi for at holde skibet på fast position. Når skibet det meste af tiden ligger standby på feltet i DP, skal der mere elektrisk energi til azimuterne og bovthrusterne for at holde skibet på fast position, ved dårligt vejr. I tilfælde af denne situation bliver der som oftest indkoblet to motorer ind til hovedtavlen, således at man sikrer at der nok af effekt til at holde skibet i fast position. Denne driftstilstand opstår som oftest i vintermånederne 6. I tilfælde af at skibet skal under en boreplatform til at levere ferskvand eller levere/flytte dele, er skibet udstyret med et system der gør at hovedtavlen kan splittes op i to systemer ”bagbord og styrbord”. Dette er en sikkerhedsforanstaltning, der gør at hvis den ene motor/er får f.eks. et blackout, bliver den anden side ikke berørt af situationen og kan stadig manøvrere på den anden halvdel. I denne tilstand kan der være 1 eller 2 motorer inde på hver sin side, hvilket gør at skibet kan manøvrere sig fra platformen. Figur 1 viser en generel illustration af et DP system. Figur 1: Principskitse af et Dynamic Position System 5 6 DP – Dynamic Position System Samtale med maskinmestre Bogi Jacobsen og Bárdur Zacariassen 12 Maskineriet ombord Stril Mariner er diesel elektrisk fremdrevet og har fire hovedmotorer installeret, og er af typen Cummins KTA-50 (M1). Ydelsen for hver motor er på 1730 BHP (1291 KW) 7, hvilket vil sige at den samlede ydelse ligger på 5164 KW. Motorerne er hver koblet til en generator, hvis nominelle effekt er på 1240 KW. Effekten der bliver genereret af generatorerne bliver overført til elmotorerne, der er mekanisk tilkoblet til to azimutpropeller og er af mærket Rolls Royce. Elmotorerene der er tilkoblet azimutterne, har en maximal effekt på 2 x 1500 KW og er af typen Marelli. Skibet er desuden udstyret med to bovthrustere der hver har en effekt på 800 KW og er af typen Rolls Royce. Som førnævnt er maskineriet, fuldt udstyret med et DP2 system ”dynamic position system” der i samspil med maskineriet kan fastholde enhver vilkårlig position. Dette system bliver især anvendt når skibet ligger i venteposition og når skibet skal til at ligge ved siden af boreplatforme. Når DP systemet er af klasse 2, betyder det, at hvis DP systemet mister forbindelsen til satellitterne, så er det udstyret med UPS8 anlæg, der har sin egen strømforsyning og kan fastholde styringen/positionen over en tid på cirka 30 min. Figur 2: Principtegning af fremdriftsmaskineriet 7 8 Bilag 1 Data på motorer UPS Uninterrupted Protection System 13 Ventilationsanlæg Ombord i skibet, er der placeret ventilationsanlæg der leverer luftskifte til de enkelte kahytter og apteringen som helhed. Der er på toiletterne udsugning, således at når den friske luft bliver indblæst til kahytterne, så bliver den derefter udsuget på toiletterne. I toiletterne er der så elektrisk gulvvarme i der bliver trinvist styret efter behov. I ventilationsrummet er der placeret en varmeveksler og en cirkulationspumpe, der via maxi kedlen modtager varmeenergi og opvarmer indblæsningsluften. Temperaturen på indblæsningsluften kan variere en del, men er blevet observeret til 15 C° før varmeveksleren og 18 C° efter varmeveksleren. Ventilationsanlægget er dimensioneret til at levere en luftmængde på 13,5 kubikmeter i sekundet. Ventilationsanlægget er også udstyret med et køleanlæg der bliver anvendt, hvis nu udetemperaturen skulle blive for høj, hvilket er om sommeren. Figur 3: Opbygningen af ventilationsanlægget ombord 14 Analyse af fremdriftsmotorene Før en eventuel energioptimering af hydroforsystemet/varmtvandssystemet kan finde sted, bliver det først lavet en undersøgelse på hvordan skibet bliver anvendt. Ved analyse af driften på Stril Mariner er der indhentet oplysninger om driften på skibets hovedmotorer. Dette er for at afdække hvor mange driftstimer motorerne er aktive. Ifølge de udleverede oplysninger på timetallet på motorerne hos Stril Mariner, kan man se at skibet har en gennemsnitlig driftstid på 31,9 timer pr. dag for alle motorerne for hele året 9. Disse data stammer fra hele året 2014 og er hentet fra skibets ECR10. Når man studerer timetallene, kan disse godt variere lidt efter hvilken måned, der er i året. Grunden til at man har disse variationer, er på grund af hvilke arbejdsopgaver skibet bliver sendt ud på og hvilket vejr der er på søen. Efter betragtning af timetallene, vurderes det som værende ok at regne med at der altid som minimum er en eller flere hovedmotorer der kører 100% af tiden. Driften på hovedmotorene vil derfor være således at man regner med at der altid er en motor kørende til at levere effekt til skibets forbrugere. Denne oplysning vil derfor blive brugt i dette projekt fremover. Det skal bemærkes at når man en stor del af tiden kun har en enkelt motor kørende, prøver man at tilpasse motorenes timetal således at man skifter imellem hvilke motorer skal være i drift. Denne oplysning vil der senere blive anvendt, når der skal implementeres udstødningskedel til en motor. Som førnævnt på belastningsgraden, er den blevet observeret ombord gennem mit ophold ombord. Denne belastning er vurderet til at være den mindste belastningsgrad, der er på 25%11 når skibet ligger ved kaj, hvilket medfører at det specifikke brændsstofsforbrug er aflæst til at være 0,266 g/kWh 12. Dette specifikke brændstofsforbrug vil blive anvendt i projektet fremover, når der senere skal regnes på tilbagebetalingstid og besparelse. Når der senere i projektet skal gives forslag til energioptimering af hydroforsystemet, vil der i røggasforslaget blive undersøgt om man kan implementere en enkelt udstødningskedel på en motor. Som det andet forslag til energioptimering af hydroforsystemet, vil der blive undersøgt om man kan udnytte varmeenergien i motorens høj temperatur side. 9 Bilag 3 Tabel over timetal på motorer ho Stril Mariner og øvrige skibe I rederiet ECR: Engine Control Room 11 Bilag 7 Belastning på motor når skibet ligger ved kaj 12 Bilag 1 Data på fremdriftsmaskineriet/dieselgenerator 10 15 Maxi kedlen Maxi kedlen ombord er en elektrisk drevet og termostatstyret kedel med en maximal effekt på 75 KW. Kedlens dimensioner er 1,50 m i højden, 0,50 m i bredden og 0,8 m i dybden 13. Kedlens primære opgave er at opvarme det varme forbrugsvand, tankvask systemet og til at opvarme ventilationsluften ombord. Inde i elkedlen sidder der en cylindrisk beholder med en volumen på 0,76 m3 som modtager varmen fra elektriske varmelegemer, der har direkte kontakt med kedelvandet. Kedlen har fire varmeelementer på henholdsvis 2x12,5 og 2x25 KW elementer, hvoraf kun tre er i brug. Maxikedlen er termostatsstyret. Varmeelementerne der overfører varmeenergi til vandet er af syrefast materiale Vandet i kedlen bliver cirkuleret i et lukket kredsløb imellem varmeveksleren (751-W02) der afgiver varmeenergi til forbrugsvandet, ventilationsanlægget og tilbage til kedlen14. Kedelvandet bliver pumpet igennem en varmeveksler og ind i kedlen igen. Temperaturen ved denne del bliver opvarmet til ca. 69 C°15 Figur 4: Eget foto På den sekundære side af varmeveksleren, strømmer det returnerede vand forbi og modtager varmen igen i veksleren og bliver så pumpet ud igen til forbrugerne. Det varme vand bliver så ført videre til ventilationsanlægget og forbrugsvand til apteringen. I den lukkede kreds sidder der en varmtvandsbeholder (751-08)16 der har et volumen på 170 liter. Denne beholder fungerer som en bank, som holder på det varme vand. Hvis der pludselig sker at man får et højt effektforbrug vil denne beholder afgive varmeenergi, således at elkedlen får tid til at skal starte op så snart 13 Bilag 14 Data på Maxi kedlen Bilag 10 (581 Hydrofor system) 15 Bilag 21 Kontrolpanel for Maxikedel 16 Bilag 10 Lige over Maxi kedlen 14 16 der sker ændring i belastningen. Der er i forbindelse med elkedlen to varmtvandspumper, hvor den ene cirkulerer forbrugsvandet rundt i systemet og til varmtvandsbeholderen og den anden sidder som reservepumpe. På returlinjen sidder der en enkelt pumpe af samme størrelse og pumper vandet ind i varmeveksleren igen for at derefter at blive varmet op igen af elkedlens varmeenergi. Så snart elkedlen via en temperaturtransmitter placeret på tilgangssiden registrerer et fald i temperaturen, vil den aktivere varmeelementerne for at afgive varmeenergi til kedelvandet. 17 Analyse af drift af Maxi kedlen For at kunne kortlægge det aktuelle forbrug på Maxi kedlen, er der ved observation i løbet af to uger, indsamlet data til at få et estimeret gennemsnitsforbrug. For at kunne kortlægge forbruget på kedlen, blev dette til noget af en udfordring da man ikke havde nogen effektmåler til at registrere effektforbruget med. Efter en grundig overvejelse hvordan dette kunne gøres, fandt jeg en måde til at registrere forbruget, hvilket var at finde ud af hvor længe varmeelementerne var aktive. Effektmålingerne blev foretaget to gange i døgnet, dvs., morgenen og aften, i en periode på 20 minutter ad gangen. I disse 20 minutter blev i maskinrummet fysiskt observeret, hvor længe de tre forskellige varmeelementer var inde og levere effekt til kedelvandet. Dette var observeret over en periode på to uger for at få et realistisk gennemsnitligt resultat. Meningen med denne måling er at man får kortlagt hvor stort forbruget er og finde ud af om kan finde en udstødningskedel, i det første forslag, der kan klare behovet. Dette gør sig også gældende for kølevandsoptimeringen i det andet forslag, om den kan klare at overføre denne effekt til kedelvandet. Nedenfor er der udarbejdet en grafisk oversigt af bilag 5 der viser det gennemsnitlige effektforbrug pr. dag for skibets elektriske kedel over en tid på to uger17. Som man kan se på den illustrerede graf, så kan der konstateres, at den varierer noget fra dag til dag. Grunden til disse variationer kan der være flere årsager til. Årsagerne kan være de skiftende udetemperaturer, der gør at der skal mere effekt til ventilationsvarmeveksleren for at opretholde temperaturen. En anden faktor der også gør sig gældende er hvor meget varmt vand der bliver Figur 5: Grafisk oversigt over elkedlens effektforbrug pr.time anvendt hvilket f.eks. kunne være bruserne, og kabyssen. For at kunne belyse hvor meget det koster at holde Maxi kedlen i drift, vil der nu blive lavet en beregning over driften under energiberegninger. For at få det realistiske resultat, er det på den grafiske oversigt (Figur 5) lavet en graf, der strækker sig over forbruget i en periode på to uger. På bilag 5 kan man se effektværdierne og der også udregnet hvor stort det gennemsnitlige forbrug er. 17 Bilag 5 Driftsanalyse af varmtvandskedlen (Maxi kedlen) 18 Forbruget er på bilag 5 udregnet til at være 23,91 KW/h18. Den største belastning der er blevet observeret ligger på 30,54 KW og er blevet observeret den 31-03/201519. Priser på MGO Skibet Stril Mariner har sin daglige rute på Nordsøen hvor det ligger standby og klart til at servicere tre forskellige platforme hos BP (British Petroleum) Skibet har en fast 5 årig aftale med BP til at levere dieselolie når skibet anløber i havn20. Da priserne på oliemarkedet kan svinge en del, anvender jeg en fast pris på 5700 kr. pr. metrisk tons der er fra år 201421 18 Bilag 5 Driftsanalyse af varmtvandskedlen (Maxi kedlen) Bilag 5 Driftsanalyse af varmtvandskedlen (Maxi kedlen) 20 Samtale med maskinchef Ebbe Petersen 21 Bilag 4 Tabel over olieforbrug og pris 19 19 Energiberegninger Når der i projektet skal blive foretaget energiberegninger på varmtvandssystemet, er der nogle faktorer man skal være klar over. I forbindelse med motorenes belastning, er der blevet observeret belastningen på motoren når skibet befinder sig i moderat sø, er blevet observeret til at være ca. 25 % belastning, med en motor kørende. Denne belastningsgrad vil blive anvendt fremover i projektet, i forbindelse med udregningerne i forbindelse med SFOC22. På tabellen nedenfor kan man se hvordan det specifikke brændstofsforbrug varierer med belastningen på motoren. Ved 25 % belastning kan det specifikke brændstofsforbrug aflæses til at være 0,266 g/kWh23. Dette betyder at ved denne aktuelle belastning ”koster” det 0,266 gram MDO24 for at kunne producere 1 KWh ombord. Der vil nu blive regnet lidt på Maxi kedlen, for at afdække hvor store omkostningerne er for at have den elektriske kedel i drift. Forbrug af Marine Diesel Oil pr. døgn = (effektforbrug Maxi * SFOC)*24 timer = 23,91*0,266*24 =152,64 Kg MDO/døgn = 177.48 Liter MDO/døgn Pris pr. døgn = antal liter MDO * pris pr. liter MDO = 177,48 * 5,700 = 1011,70 Nkr.pr. døgn Forbrug af Marine Diesel Oil pr. år På årsbasis = Liter MDO/døgn * 365 dage = 177,48 * 365 = 64.783 liter MDO/årsbasis Pris pr. år = antal liter MDO * pris pr. liter MDO = 64.783 * 5,700 = 369.265 Nkr/årsbasis Som det ses i udregningerne, så er det noget omkostningsfuld at have Maxi kedlen kørende. Man er kommet frem til at på årsbasis, vil der blive brugt 64,78 m3 af brændstof, hvilket svarer til en årlig omkostning på cirka 369.265 Nkr om året. Efter at have analyseret driften på Maxi kedlen, vil der nu i projektet se på hvilke muligheder der er for at kunne energioptimere varmtvandssystemet/hydroforsystemet og måske helt erstatte Maxi kedlen. 22 SFOC Specific Fuel Oil Consumption Bilag 1 Data på fremdriftsmotorene/dieselgeneratorene 24 MDO: Marine Diesel Oil 23 20 Optimeringsforslag 1 (Udnyttelse af røggassen) Der vil derfor som førnævnt i problemformuleringen, blive kigget på to forskellige systemer og givet to forskellige forslag. Disse forslag omfatter at udnytte skibets røggassystem ved at implementere en WHR 25. Det andet er hvordan man kunne udnytte varmeenergien der bundet i motorenes kølevand på højtemperatursiden. Som det første forslag til at energioptimere hydroforsystemet, vil der i denne første del blive undersøgt om en implementering af en WHR (Waste Heat Recovery) udstødningskedel kan finde sted. Udstødningskedler har igennem årene, vundet mere frem i den maritime sektor, grundet af det store energi potentiale der findes i udstødningsgassen og som ellers ville have gået tabt op i den blå luft. En fælles ting for alle dieselmotorer er, at det termiske tab med udstødningsgassen er meget stort i forhold til den energi, som udvikles ved forbrændingen i motorerne26. For at kunne reducere disse tab, kan man ved implementering af en udstødningskedel, genvinde noget af effekten og bruge den til andre formål og spare på brændstoffet og reducere CO2 udslippet, der bidrager til drivhuseffekten. Disse formål kan være at man anvender udstødningskedlen til at opvarme olie i forbrug og settlingstanke samt til opvarmning af ferskvand til skibets hydrofor system (kabyssen, baderum og toilet). En vigtig faktor når man skal til at energioptimere, er at kigge på driften på selve skibet. Som førnævnt i driftsanalysen er der kommet frem til at skibet har opereret i 100% af tiden for år 2014. Det kan konstateres at der altid har været som minimum været en motor inde og levere effekt til hovedtavlen. Der er blevet fortaget målinger af udstødningstemperaturen over en periode, hvor man er kommet frem til at temperaturen ligger og svinger imellem 280-417 C°27 lige efter turboladeren. Det skal dog her bemærkes at udstødningstemperaturen varierer meget efter hvilken belastning der er på motoren. For at kunne installere en udstødningskedel ombord i maskinrummet, skal udstødningskedlen gerne monteres så tæt på motoren som det nu kan lade sig gøre. Dette er på grund af at få den bedste varmeudnyttelse, da temperaturen ellers vil falde ved en større afstand fra motoren. I maskinrummet på Stril Mariner har alle fire motorer, hver sit eget udstødningsrør og er isoleret med mineraluld og har en metalkappe udenpå. Grunden til at man har isoleret udstødningsrørene, er for at holde temperaturen i maskinrummet på et kølig niveau28. 25 WHR Waste Heat Recovery Dampkedler af K.F. Larsen side. 371 27 Bilag 19 Driftsdata på diesel generator 3 28 Bilag 15 billede af udstødningsrør i maskinrum 26 21 Da man skal til at bestemme effekten der findes i udstødningsgassen og hvor meget af effekten der bliver afsat til vandet i udstødningskedlen, er man nødt til at anvende noget kedelteori. Det man skal kende, er hvor megen røggas, temperaturfald og hvor stor varmekapaciteten i røggassen er. Effekten der bliver overført til vandet, kan udtrykkes i denne formel og beregnes ved: Pkedel = mrøg * (t1-t2) * Crøg (Kw/h) Hvor: mrøg = massen af udstødningsgas i Kg/sek (t1-t2) = Temperaturdifferencen til og fra udstødningskedlen Crøg = Varmefylden i udstødningsgassen ved de pågældende temperaturer Det skal bemærkes at ved at bruge denne formel, så er tab til omgivelserne også medregnet. Der vil nu blive beregnet hvor stort røggastabet er, ved lavest belastning når skibet ligger ved kaj. Belastningen her ligger på 25%29 som er den mindste belastning der er blevet observeret. En del af tallene jeg anvender i denne beregning stammer fra bilag 1 og bilag 19. Varmefylden fra røggassen er antaget til at være cirka 1,0530 Massefylden for atmosfærisk luft er antaget for at være 1,225 Kg/m3 ved 15 C°31 Temperaturen i maskinrummet er observeret til at være 21 C°. Massefylde for MDO er 0,86 Kg/m3. mLuft = 1825 L/min = 1,825 m3/min = 1,825 x 1,225 = 2,23 Kg.luft/sek. mdiesel = 80 L/h = 80 *0,86 = 0,01911 kg.diesel/sek. 3600 mrøg = mLuft + mdiesel = 2,23 + 0,01911 = 2,2547 Kg.røg/sek. Prøggas = mrøg x (trøg - tmaskinrum) * Crøg (Kw/h) Prøggas = 2,2547 * (280 – 21) x 1,05 = 613,175 Kw/h 29 Belastning af en motor, når skibet ligger ved kaj. Dampkedler af K. F. Larsen 31 http://xn--drmstrre-64ad.dk/wp-content/wind/miller/windpower%20web/da/tour/wres/enerwind.htm 30 22 På udregningerne kan det ses at 613,175 Kw/h går tabt til omgivelserne ved den mindste observerede belastning på 25%. Hvis motoren bliver belastet yderlige, medfører det at temperaturen på røggassen derimod stiger. Dette medfører også at røggastabet yderligere vil stige i takt med belastningen. Set i lyset af dette store tab, med denne belastningsgrad, vurderes det, at en implementering af en udstødningskedel burde kunne finde sted. 23 Implementering af udstødningskedel Formålet med dette afsnit, er at der vil blive givet en forståelse på hvordan udstødningskedlen kan blive implementeret i systemet. I forbindelse med implementeringen af kedlen kræves der at der vil blive lavet et indgreb på det eksisterende hydroforsystem. Der i forbindelse med implementeringen blive ændret så lidt som muligt med henblik på omkostningerne der følger med. Udstødningskedlen tænkes som udgangspunkt at erstatte den eksisterende el kedel (Maxi boiler) som forsyner skibet med varmt vand. Der vil nu blive givet en forklaring på hvordan dette system kunne implementeres. På tegningen på højre side, øverst i tegningen, er der indhentet en tegning fra skibets hydroforsystem, der viser hvordan systemet er opbygget. Maxi kedlen som førnævnt, forsyner skibet med varmt vand til apteringen og ventilationssystemet. Nedenfor er der blevet skitseret et forslag på hvordan man kunne udbygge på det eksisterende system Figur 6: Skitse af forslag til implementering af udstødningskedel og varmeveksler. med en udstødningskedel. For at kunne forklare det på en mere overskuelig måde, vil der blive startet fra cirkulationspumperne. På systemet sidder der to cirkulationspumper der er nummererede (577-01 og 577-02)32, der har til opgave at cirkulere det varme vand til skibets forbrugere. Pumperne er begge parallelt forbundne og hvor kun den ene er i drift, hvoraf den anden fungerer som backup, hvis nu den ene skulle svigte. Fra cirkulationspumpen bliver vandet ledt igennem Ventil 74 og videre til Ventil 71 og igennem Maxi kedlen, hvor det bliver opvarmet. 32 Bilag 10 Identifikationsnummer af cirkulationspumper på tegning 24 Da det nu tænkes at erstatte Maxikedlen med udstødningskedlen, er der blevet besluttet at bypasse vandet udenom Maxikedlen, ved at lukke for Ventil 70 og V71 og åbne for ventil 72 33. Dette medfører at vandet bliver ledt udenom maxikedlen gennem ventil 72 og bliver pumpet til den implementerede udstødningskedel, hvor det får tilført varmeenergi af udstødningsgassen. Der vil fra Maxi kedlen blive ført nye rør til at forbinde udstødningskedlen med og ses som blå og rød farve på bilag 10. Vandet der nu har modtaget varmeenergi fra udstødningskedlen, bliver nu pumpet videre gennem ventil V69 og til en varmeveksler (751-W02)34, hvor det afgiver noget af varmeenergien til forbrugsvandet, der er forbundet til varmeveksleren. Fra afgang fra varmeveksleren gennem ventil V68 bliver vandet så pumpet videre til skibets ventilationsanlæg hvor det igennem et varmeelement, afgiver varmeenergi til indblæsningsluften. Når vandet har været igennem ventilationssystemet og igennem cirkulationspumpen, vil det i stedet for at blive ført igennem Maxi kedlen, blive bypasset som førnævnt via ventil V.72 til Maxi kedlen, blive ført til udstødningskedlen for at derefter at blive opvarmet fra igen. Da der nu er blevet givet forslag på hvordan udstødningskedlen kan blive implementeret i hydroforsystemet, vil der blive undersøgt om der er nogen udstødningskedel der passer til behovet og motoren ombord. Efter at have undersøgt på nettet efter udstødningskedler, blev der fundet frem til firmaet Ulmatec, der er lokaliseret i Søvik Norge. Dette firma specialiserer sig at fremstille udstødningskedler, der er beregnet til mindre skibsmotorer35. Som nævnt i analysedelen af Maxikedlen, så skal udstødningskedlen gerne have et kedeludbytte på minimum 30,54 KW, som er den største belastning der er blevet observeret på Maxi kedlen 36. Efter at have snakket og mailet37 med firmaet Ulmatec, er man kommet frem til at de har en udstødningskedel i deres program der passer til varmebehovet ombord 38. Denne udstødningskedel har et kedelydelse 41 KW når motoren er belastet med 25%. Det skal dog bemærkes at hvis motoren belastes yderlige op til 50, 75 og 80% bliver kedelydelsen henholdsvis 122, 231 og 257 KW39. Ud fra disse oplysninger kan det hermed konstateres at udstødningskedlen har effekt nok til at opvarme vandet til hydroforsystemet. 33 Bilag 18 ventiler V70, V71 og V72 Identifikationsnummer af varmeveksler på bilag 10 35 Telefonisk samtale med Karstein Nygård fra firmaet Ulmatec 36 Bilag 5 Driftsanalyse af Maxi kedlen 37 Bilag 13 Udveksling af mails med Karstein Nygård 38 Bilag 17 Data på den dimensionerede udstødningskedel 39 Bilag 17 Data på udstødningskedel 34 25 På et eller andet givent tidspunkt, kan der godt forekomme at man får en overproduktion af varmeenergi, der bliver overført til kedelvandet. Dette kan tænkes at være om sommeren, hvor varmebehovet til f.eks. ventilationen ikke er så stort eller at hvis motorbelastningen er stor. Dette medfører at temperaturen på kedelvandet kan stige til et uacceptabelt niveau. For at forhindre dette, er kedlen forsynet med et bypassrør der sammen med et røggasspjæld, regulerer hvor stort flowet af udstødningsgas skal igennem kedlen. Røggasspjældet bliver reguleret af et pneumatisk stempel som bliver reguleret via en kedeltermostat, der direkte har forbindelse med kedelvandet. Dette betyder at selve udstødningskedlen er helt automatisk styret og ikke kræver at man Cummings KTA50-D(M1) 40 På figur.7 er der vist en kurve over hvor belastningen på motoren i procent og kedelydelsen i Kw/h. KEDELYDELSE I KW/H laver eksterne reguleringer på den . 600 500 400 300 200 100 0 0 20 40 60 80 100 120 BELASTNING PÅ MOTOREN Figur 7: Grafisk oversigt over kedelydelse og motorens belastning Efter at have gennemgået beskrivelsen og implementeringen af udstødningskedlen, så den fungerer efter hensigten, vil der nu blive kigget på det økonomiske aspekt. Det vil sige at der nu vil blive regnet lidt på anskaffelsesomkostninger og tilbagebetalingstid for kedlen. 40 Telefonisk samtale med Karstein Nygård fra firmaet Ulmatec 26 Økonomisk betragtning af installation af udstødningskedel For at kunne finde ud om det er rentabelt at implementere udstødningskedlen ind i systemet, vil der nu blive kigget på de økonomiske aspekter i installationen. For at kunne beregne om det kan svare sig i at investere i den implementerede udstødningskedel, kræves der at vide om besparelsen kan tilbagebetale investeringen. Som førnævnt under energiberegninger på den elektriske Maxi kedel, så koster det i gennemsnit 177,48 liter dieselolie (MDO)41 i døgnet at have den kørende, hvilket svarer til et årsforbrug på 64.783 liter MDO/år Dette svarer til en årlig omkostning på 369.265 Nkr i dieselolie. Efter at have taget kontakt med firmaet Ulmatec og fundet en udstødningskedel der passede til varmebehovet og motoren, blev prisen for kedlen på 250.000 Nkr42 Denne pris på 250.000 Nkr er uden installation. Der er blevet diskuteret med maskincheferne om hvor omkostningsfuldt det er at installere kedlen og der er kommet til enighed at prisen bliver anslået til cirka 250.000 Nkr for at få den på plads, hvilket betyder at installationen vil være lige så dyr som udstødningskedlens indkøbspris. Det skal bemærkes at når der kun skal implementeres en enkelt udstødningskedel på en motor, som førnævnt i analyse af hovedmotorene så bliver tilbagebetalingstiden noget længere. Dette vil sige når der er blevet implementeret en enkelt udstødningskedel på en motor, vil udstødningskedlen kun være i drift en fjerdedel af tiden. Dette betyder at tilbagebetalingstiden vil blive 4 gange længere, end hvis den var i drift konstant. Grunden til at man kun har valgt en enkel kedel, er fordi at der kniber lidt med pladsen med at få den installeret. Med henblik på pladsen ved installation, så er der vurderet pladsmæssigt at installere udstødningskedlen på motor nr.3. Nu hvor der er blevet redegjort for forbrug, omkostninger og overvejelser, vil der nu blive kigget på selve tilbagebetalingstiden på kedlen. 41 42 MDO Marine Diesel Oil Bilag 13 pris på udstødningskedel (mailkorrespondance med Ulmatec) 27 Tilbagebetaling af udstødningskedel = pris for kedel og installation = 250.000 + 250.000 * 4 = 5,41 år = 5 år 5 måneder besparelse pr.år 369.265 Set ud fra denne udregning vil det betyde at når udstødningskedlen er i drift en fjerdedel af tiden, for at motorene skal bibeholde samme timetal, vil det tage cirka 5 år og 5 måneder før anlægget er betalt ud. Hvis man kigger på olieforbruget hos Stril Mariner kan man se på bilag 4, så havde skibet et gennemsnitligt månedsforbrug på 123,7 m3 af dieselolie43. Når man tager den besparelse man opnår ved at implementere udstødningskedlen og den er i drift en fjerdedel af tiden, vil man få: Besparelse i %: Olieforbrug (Maxi kedel) = 64.783 = 16.195 m3/året 4 4 = 123,7 m3 x 16,195 = 1,67 % 100 12 mdl Dette vil sige at man vil kunne opnå en månedlig besparelse på 1,67%. I kroner og øre betyder det en månedlig besparelse på cirka: = 16.195 liter x 5700 = 7692,98 Nkr./mdl 12 mdl 43 Bilag Tabel over olieforbrug hos Stril Mariner og øvrige skibe i rederiet 28 Optimeringsforslag 2 (udnyttelse af varmeenergien i kølevandet) I dette afsnit vil der blive som førnævnt med installation af udstødningskedler, vil der blive givet endnu et forslag til hvordan man ellers også kunne energioptimere hydroforsystemet. Grunden til at jeg har valgt at kigge netop dette system, er fordi at det generelle varmetab i en motors kølevand er meget stort. Opbygning af kølevandssystemet Før et forslag bliver givet, vil der blive kigget på hvordan kølevandssystemet er skruet sammen. Skibet har som sagt fire motorer af typen Cummins KTA50-D (M1)44 og hver af motorerne har deres eget kølevandssystem. Kølevandssystemet for hver motor er opdelt i et høj og en lavtemperaturkreds45. På billedet nedenfor, er der vist et diagram om, hvordan det er opbygget for en enkelt motor. Når en eller flere af motorerne er i drift, skal motorens cylindre, smøreolie og topstykker afkøles for at sikre en kontinuerlig drift. Kølevandet bliver cirkuleret rundt med en pumpe, der er mekanisk drevet af motoren. Når kølevandet har været igennem motoren, har det fået tilført varmeenergi fra den termiske proces. Når kølevandet forlader motoren har det opnået en temperatur på cirka 72-7446 C°. Det skal dog bemærkes, at temperaturen er stærkt afhængig af belastningen på motoren. På bilag 19 kan man se øjebliksbilleder på høj-temperaturkredsen fra skibets IAS47 når skibet sejler med næsten maksimal hastighed og når skibet Figur 8: Opbygning af kølevandssystemet for en enkelt motor se bilag 6 ligger ved kaj. Disse temperaturer henholdsvis og varierer fra 73,6 til 84,2 C°48 44 Bilag 1 Data på fremdriftsmotorene Bilag 6 Tegning af kølevandssystemet 46 Bilag 13 Termografi af til og afgang fra kølevandsrør 47 IAS: Integrated Automation System 48 Bilag 19 Driftsdata på dieselgenerator 3 45 29 Selve motoren har to forskellige temperaturkredser, henholdsvis en høj og en lavtemperatur kreds. Grunden til at man i det hele taget benytter denne form for køling, er for at mindske de termiske påvirkninger i motoren. For at motoren skal komme af med varmen, bliver kølevandet cirkuleret gennem igennem en bokskøler. Bokskøleren er indbygget i skroget på skibet og fungerer som køler for både høj og lavtemperaturkredsen på motoren. Kølevands flowet på de to forskellige temperaturer HT og LT bliver styret af to trevejs ventiler, der sidder inde i motoren ”markeret med røde cirkler”. 30 Analyse af kølevandssystemet Nu hvor der er blevet redgjort for opbygningen af kølevandssystemet, vil der nu blive analyseret om det er muligt at energioptimere kølevandssystemet. Når der skal gives forslag på hvordan man kan energioptimere det eksisterende kølevandssystem, er det vigtigt at man sætter sig ind i hvordan systemet er skruet sammen. Som førnævnt findes der to forskellige kølevandssystemer i motoren og der vil i dette projekt, kun blive kigget på ”HT” høj temperatur siden. Grunden til at jeg har valg denne kreds, er fordi at dette system har det største energipotentiale, grundet af det højere kølevands flow og temperaturværdier. Det maksimale flow i HT-kredsen fra motoren ved tilgang til Box køleren er på 1223 L/min hvilket er = 73,4 m3/h49. Dette flow er konstant, da kølevandspumpen er mekaniskt drevet af motoren og at motoren skal bibeholde en frekvens på 60 hertz. Dette er også det maksimale flow der kan blive pumpet til Box kølerens tilgangsside, når motoren har en temperatur på 91 C° eller derover. Dette flow bliver styret af en trevejs ventil der sidder inde i motoren. Denne ventil regulerer hvor meget kølevand der skal pumpes til Box køleren og hvor meget der skal recirkuleres til motoren og smøreoliekøleren. Smøreolien på denne motor bliver afkølet af høj temperatur kølevandet50. Trevejsventilen på højtemperatursiden har et arbejdsområde imellem 80-91 C°. Som det kan ses bilag 19, kan man se, at kølevandet på højtemperatursiden på motoren, når den ligger ved kaj ligger på 73,6C°. Da det her kan konstateres trevejsventilen har et arbejdsområde imellem 80-91 C° 51 vil det betyde at den ikke lukker noget kølevandet fra motoren til boxkøleren efter teorien. Da der tænkes at der skal implementeres en varmeveksler 52 som skal modtage varmeenergien fra kølevandet, vil det betyde at den ikke får noget varmeenergi fra kølevandet, hvis ikke temperaturen på kølevandet er på 80 C° eller derover. Da det er observeret, at der er forskel imellem teori og praksis, er der yderlige blevet undersøgt om det er flow i kølevandsrørene til og fra boxkøleren. I forbindelse med målingerne, er der på bilag 11 og 12, blevet foretaget termografering af kølevandsrørene på højtemperatursiden på tilgang53 og afgang54 fra boxkøleren. I forbindelse med termograferingen skal der bemærkes at hele længden på begge kølevandsrør til og fra boxkøler, er blevet observeret og analyseret igennem termografikameraet. Det er her blevet observeret at 49 Figur 8 Kølevandsflow på HT-kredsen Samtale med maskinmester Bárdur Zacariassen 51 Figur 8 Trevejsventil med et arbejdsområde imellem 80 – 91 C° 52 Bilag 10 Implementeret varmeveksler 53 Bilag 11 Temperatur fra motoren 54 Bilag 12 Temperatur til motor efter boxkøler 50 31 temperaturen på kølevandsrørene, har holdt sig på et konstant niveau på hele kølevandsrørenes længde. Temperaturer på kølevandsrørene er blevet aflæst til at være 72,4 C° ved tilgang til boxkøler og 52,0 C° ved afgang fra boxkøler og kan ses på bilag 11 og 12. Set i lyset af disse temperaturer, kan det hermed konstateres at der rent faktiskt er flow af kølevand igennem rørene, ved en temperatur under 80 C°. Selv om man har kunnet konstatere at der er flow i kølevandsrørne, så er det ikke lykkedes at få afklaret hvor stort flowet nu er, mere om det senere under opgradering af kølevandssystem.. Da det nu er blevet redegjort for driftsanalysen på kølevandssystemet, vil der nu blive kigget på hvordan man kunne udbygge det eksisterende kølevandssystem. 32 Opgradering af kølevandssystem Da der skal laves energioptimering på dette system, vil der nu blive givet et forslag på hvordan det kunne gøres. Billedet nedefor illustrerer hvordan man kunne udbygge det eksisterende kølevandssystem. En mere opløselig tegning findes i bilag 10 i bilagsmappen. I dette forslag vil der ikke blive gået så meget ned i dybden om hvordan de forskellige reguleringer virker, da hensigten er, at det her bliver givet forslag på hvordan det kunne blive udbygget. Der vil nu blive givet en forklaring på hvordan man kunne kombinere kølevandssystemet med hydroforsystemet. For at gøre forklaringen på det kombinerede system på en overskuelig måde, vil der ligesom med røggassen, blive startet fra cirkulationspumperne i hydroforsystemet, dvs. på den øverste del af tegningen. Fra cirkulationspumperne, bliver vandet der har afgivet varme til skibets forbrugere og ventilationssystem blive pumpet tilbage og blive opvarmet på ny. Når vandet skal til at blive opvarmet igen, vil det i stedet for at blive ført direkte til Maxi kedlen, blive pumpet igennem en trevejs ventil, der tænkes installeret. Fra trevejs ventilen vil vandet Figur 9: Forslag 2 Energioptimering af motor kølevand blive pumpet igennem en implementeret varmeveksler for at modtage varmeenergi fra kølevandet fra motoren. Når så vandet har modtaget varmeenergi fra motorenes kølevand, vil det atter forsyne skibets forbrugere med varmt vand. Trevejsventilen VV.1 der er en regulerbar ventil, vil få et input signal fra temperatur-regulator TC.1 der identificerer temperaturen igennem temperaturtransmitter TT.1. 33 Da der i analysen herskede tvivl om hvor stort kølevands-flowet var til boxkøleren, vil der blive implementeret en temperaturtransmitter TT.1, der måler temperaturen på afgangen på den implementerede varmeveksler. Det vil sige at hvis flowet eller temperaturen af kølevand er lav, kan det ske at varmeveksleren ikke får den nødvendige varmeenergi fra kølevandet. Hvis TC.1 registrerer at temperaturen fra afgang på varmeveksleren er for lav, så vil den give signal til VV.1 om at regulere mere vand igennem Maxi kedlen. I dette tilfælde så vil Maxi kedlen der er termostatstyret hurtigt eliminere afvigelserne og overføre varmeenergi til vandet. På den nederste del af tegningen (Figur 9. s.33), er der blevet optegnet på hvordan man kunne kombinere alle motorene med hinanden. Dette medfører at der skal lægges nye rør (rød og blå farve på tegning) for at tilslutte og forbinde55 alle kølevandssystemerne på motorene sammen, således at man får en kontinuerlig strøm af kølevand til varmeveksleren via pumpen, der skal cirkulere kølevandsstrømmen igennem varmeveksleren. På de nye kølevandsrør, vil der sidde to magnet ventiler for hver boxkøler V.1-V.8, på tilgangen af boxkøleren. Disse magnet ventiler vil i dette system have til opgave, at åbne for væskestrømmen af kølevand til varmeveksleren. Det vil sige at når en motor starter op, så vil magnetventilerne via et strømsignal åbne for til og afgang. Det skal bemærkes magnetventilerne i dette system, kun vil åbne for en enkelt motor, selvom at der er flere motorer der er aktive. Det vil blive den motor, der har længst været i drift. Grunden til dette er at hvis at man har flere motorer i drift og flere magnetventiler åbne, så vil der opstå ubalance i niveauet i hver ekspansionsbeholder for hver motor. Da man kun pumper kølevand fra en enkelt motor (rød streg) til varmeveksleren og tilbage igen til boxkøleren (blå streg) vil man i princippet ikke ”tage” nogen kølevand fra motoren, kun cirkulere det rundt før det havner i boxkøleren. 55 Bilag 10 Tegning af forslag 2 energioptimering af motor kølevand 34 Pumpen (Pump.1)56 der skal anvendes til at cirkulere kølevandet fra tilslutningsstedet for de nye kølevandsrør til varmeveksleren og tilbage igen, vil blive on/off styret. Det vil sige at når motor/ene bliver startet op vil pumpen blive startet af maskinrumspersonalet. Da der i analysen herskede lidt tvivl om hvor stort flowet i kølevandsrørene var, er det vigtigt at Maxi kedlen skal forblive aktiv. Hvis der nu skulle ske at flowet i kølevandsrørene bliver lille eller intet vil det betyde, at når pumpen cirkulerer det rundt så vil temperaturen på kølevandet falde. Det er nemlig her at trevejs ventilen kommer til undsætning og vil få et signal TC.1 via TT.1 om at lukke mere vand igennem Maxikedlen. Da Maxi kedlen er termostatstyret vil den hurtigt opvarme vandet og cirkulere det videre til skibets forbrugere. Økonomisk betragtning kølevandssystem Set i lyset af dette forslag til ombygning af kølevandssystemet, kan det konstateres at ved at udnytte varmeenergien i kølevandet, kan man via en varmeveksler overføre varmeenergi til hydroforsystemet. Da der i analysen af kølevandssystemet herskede tvivl om flowet, kan man her vurdere at det rent faktisk er varmeenergi at hente fra kølevandet. Det er ikke helt blevet afklaret hvor stor en besparelse man kan hente ved hjælp af en opgradering af dette system. Der det kan dog anbefales at udbygge dette system, da der ikke skal andet til end nogle rør, pumpe, magnetventiler og reguleringer på dette system. 56 Bilag 10 Tegning af forslag 2 energioptimering af motor kølevand 35 Samlet konklusion I forbindelse med brændstofsbesparelse ombord på Stril Mariner, er der blevet fundet to forslag til energioptimeringer, der kunne nedsænke brændstofsforbruget yderligere, med henblik til sparekampagnen som rederiet har indført. Det første forslag er en implementering af en udstødningskedel til en motor nr. 3, der via den varme røggas afgiver varmenergi til vandet til hydroforsystemet. I stedet for at anvende skibets elektriske kedel (Maxi kedel) er man kommet frem til at man har fundet frem til en ustødningskedel der passer til motoren. Denne udstødningskedel kan levere den samme eller mere effekt end den eksisterende elkedel. Når udstødningskedlen bliver kombineret med hydroforsystemet og vandet i systemet bliver bypasset igennem ventil 72, bliver Maxi kedlen helt overflødig i systemet. Det vil sige at der ikke vil blive brugt effekt i maxi kedlen til at opvarme vandet. Dette betyder at produktionen af varmt vand til hydroforsystemet vil blive pålagt til udstødningskedlen. Man er kommet frem til at tilbagebetalingstiden for udstødningskedlen er på 5 år og 5 måneder med den nuværende driftssituation. Da Stril Mariner er et relativet nyt skib med 6 år på bagen kan man hermed konkludere at ved at implementere udstødingskedlen på motor nr.3 kan man spare på brændstoffet og opnå et grønnere regnskab på forbruget. Som det andet forslag til brændstofsbesparelse, er der blevet kigget på kølevandssystemet. Da der findes stor varmeenergi i motorenes kølevand, bliver det, i det eksisterende system, ført til en boxkøler for at blive afkølet. Dette giver et stort varmetab der ikke er blevet udnyttet. Derfor er der blevet fundet frem til en løsning, hvor man kunne få gavn dette energitab, der ellers ville have gået tabt i boxkøleren. Denne løsning går ud på at der vil blive lagt nye rør til boxkølerens tilgangsside, således man via en pumpe kan transportere kølevandet til en varmeveksler hvor det vil give varmeenergi til vandet i hydroforsystemet. Det har dog vist sig i projektforløbet at man ikke er kommet frem til hvor stort flowet af kølevand der bliver tilført boxkøleren. For at kunne løse dette problem er der blevet lavet en styring der regulerer hvor meget af vandet i hydroforsystemet der skal cirkuleres til Maxikedlen. Det kan konkluderes at ved implementering af dette system, kan man opnå en vis brændstofsbesparelse. Denne besparelse er dog stærkt afhængig af hvor varmt og hvor stort flowet af kølevandet er. 36 Kilde og kildekritik I forbindelse med udarbejdelse af dette projekt er der primært anvendt fagbøger og kvantitativ data fra skibets IAS57 system. Faglitteratur fra fagbøger er blevet betragtet som værende pålidelige da de bliver læst og anvendt af fagfolk, og evt. fejl er rettet kort efter udgivelsen. Data grundlaget frembragt på baggrund af driftsdata på skibet betragtes ligeledes for pålideligt da perioden for den indsamlede empiri er så stor at evt. fejl/unøjagtigheder er opløst af mængde af målinger for hvert enkelt måleorgan. I forbindelse med tilbudsgivning af udstødningskedlen fra firmaet Ulmatec, er denne type kvalitativ empiri, bør man være opmærksom på at oplysningerne kan være præget af hvorvidt personens udlægning er subjektiv eller objektiv, i forhold til vurdering og driftserfaringer, og derfor være kritisk i vurderingen af den indsamlede empiri. På grund af maskinrumspersonalets erfaringsniveau og faglige status, vurderes den kvalitative empiri indsamlet ved hjælp af interview som værende valid og denne data har kunnet bruges uden nærmere forbehold i gennem projektet. 57 Integrated automation system 37 Anerkendelser og tak I forbindelse med dette projekt skal der lyde en tak til maskinrumspersonalet på Stril Mariner i forbindelse med samarbejdet omkring bachelorprojekt og praktik. I forbindelse med udfærdigelse af bachelorprojektet skal en særlig tak lyde til maskincheferne Ebbe Petersen og Jóhan Weihe, 1. maskinmestre Bogi Jacobsen og Levi Sevdal, 2. maskinmestre Bárdur Zacariassen og Dánial Petur Abrahamsen. Der skal også lyde en tak til kaptajnerne Ingi Ellingsgaard og Jógvan Wilhelm. Endvidere skal der lyde en stor tak til Karstein Nygård sales manager fra Ulmatec Pyro AS for dimensionering og beregning samt tilbudsgivning for udstødningskedlen. Desuden skal en tak lyde til Lektor Thomas Schmolke og Adjunkt Stig Libori for henholdsvis metode og faglig vejledning i forbindelse med bachelorprojektet. 38 Nomenklaturliste SFOC: Specific Fuel Oil Consumption HT: Low temperature system LT: High temperature system TT.1: Temperaturtransmitter 1 TC.1: Temperatur controller 1 VV.1: Variabel trevejsventil IAS: Integrated Automation system LED: Light emitting diode Diverse hjemmesider http://xn--drmstrre-64ad.dk/wp-content/wind/miller/windpower%20web/da/tour/wres/enerwind.htm http://www.mokster.no/company/our-history/FC6CC7A8-62D8-4441-A48E-429B50B02FF1/1 http://www.mokster.no/news/stril-mariner-upgrade-to-area-field-support-vessel-/0C637CBA-447F-4010B2D1-70F94540C638/1 http://www.skipsrevyen.no/ms-stril-mariner/ 39 Interview Samtale med managing director Anne Jorunn Møkster Telefonisk samtale med Karstein Nygård fra firmaet Ulmatec i Norge Litteraturliste Dampkedler af K.F. Larsen Praktisk regulering g instrumentering af Thomas Heilmann Den gode opgave 3. udgave, 4 oplæg af Lotte Rienecker og Peter Stray Jørgensen 40
© Copyright 2024