TítuloAnteproyecto petrolero de 80 000 T P M
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(3) DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA NAVAL Y OCEÁNICA TRABAJO FIN DE MÁSTER CURSO 2.016-2017 PROYECTO NÚMERO 17/27. TIPO DE BUQUE: Petrolero de crudo de 80.000 TPM. CLASIFICACIÓN,. COTA. Y. REGLAMENTOS. DE. APLICACIÓN:. LLOYD'S. REGISTER OF SHIPPING. SOLAS. MARPOL. ILO. EXPANAMAX CARACTERÍSTICAS DE LA CARGA: Transporte de petróleo crudo de densidad relativa 0,88. Calefacción de tanques.. VELOCIDAD Y AUTONOMÍA: 15 nudos en condiciones de servicio. 85 % MCR + 10% de margen de mar. 10.000 millas. SISTEMAS Y EQUIPOS DE CARGA / DESCARGA: Bombas de carga y descarga en cámara de bombas. PROPULSIÓN: Diesel eléctrica con motores tipo dual fuel. Dos líneas de ejes con hélice de paso fijo.. TRIPULACIÓN Y PASAJE: 20 Personas en camarotes individuales.. OTROS EQUIPOS E INSTALACIONES: Los habituales en este tipo de buques.. Ferrol, Octubre de 2.016 ALUMNO: D. Jose Antonio González Llorente.
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(5) CONTENIDO Capítulo 1. Introducción ........................................................................................... 13 Capítulo 2. Motor propulsor ..................................................................................... 14 2.1. Elección de los motores propulsores ................................................................ 14 Capítulo 3. Maquinaria auxiliar asociada al motor ................................................. 20 Capítulo 4. Diesel generadores ................................................................................ 21 4.1. Cálculo diesel generadores .............................................................................. 21 4.2. Especificación técnica ...................................................................................... 31 4.3. Sistema de Combustible .................................................................................. 35 4.3.1. Especificaciones del Gas Fuel .................................................................. 35 4.3.2. Especificaciones de Liquid Fuel ................................................................ 37 4.3.3. Características del sistema ....................................................................... 43 4.4. Componentes del sistema ................................................................................ 48 4.4.1. Tratamiento del combustible ..................................................................... 48 4.5. Sistema de lubricación ..................................................................................... 56 4.6. Sistema de aire comprimido ............................................................................. 61 4.7. Sistema de refrigeración por agua ................................................................... 68 4.8. Sistema de generación de vapor ...................................................................... 79 4.8.1. Balance térmico para calefacción del crudo .............................................. 79 4.8.2. Calderas para calefacción del crudo ......................................................... 85 Balance térmico para servicios de máquinas y habilitación ........................ 87 4.8.4. Caldera para servicio de máquinas y Habilitación ..................................... 92 4.9. Ventilación de cámara de máquinas................................................................. 93 4.9.1. Condiciones de diseño .............................................................................. 94 4.9.2. Calculo del flujo de aire ............................................................................. 95 Capítulo 5. Ventilación ........................................................................................... 103 5.1. Sistema de exhaustaciones ........................................................................... 105 5.2. Automatización .............................................................................................. 108 5.2.1. Panel de control local y unidad de visualización local .............................. 110 5.2.2. Sistema de seguridad del motor .............................................................. 111 5.2.3. Unidad de poder...................................................................................... 111 5.2.4. Descripción del cableado y del sistema ................................................... 112 5.2.5. Modos de funcionamiento del motor ........................................................ 114 Capítulo 6. Disposición de la cámara de máquinas ............................................. 116 6.1. Primera plataforma de cámara de máquinas .................................................. 117 6.2. Segunda plataforma de cámara de máquinas ................................................ 118 6.3. Tercera plataforma de cámara de máquinas .................................................. 119 7.
(6) 6.4. Plano de disposición de la cámara de máquinas ............................................ 119 Capítulo 7. Anexos.................................................................................................. 120 7.1. Anexo A. Plano de disposición de cámara de máquinas ................................ 120 7.2. Anexo B. Características del motor – Project Guide ....................................... 121 7.3. Anexo C. Características del motor – M.E. Room Data .................................. 123 7.4. Anexo D. Catálogo caldera ............................................................................ 125 7.5. Anexo E. Catálogo Calderín ........................................................................... 127 7.6. Anexo F. Catálogo ventilación ........................................................................ 129. 8.
(7) ÍNDICE FIGURA FIGURA 1-1 – ESQUEMA PROPULSIVO ............................................................................ 15 FIGURA 1-2 – PLATAFORMA ABB ................................................................................... 15 FIGURA 1-3 – RANGO DE POTENCIA ABB ....................................................................... 16 FIGURA 1-4 – SISTEMA DE POTENCIA ABB ..................................................................... 17 FIGURA 1-5 – COMPONENTES DEL SISTEMA SINGLE DRIVE DE ABB ................................. 17 FIGURA 1-6 – CARACTERÍSTICAS MOTOR ABB ............................................................... 18 FIGURA 1-7 –MOTOR ABB DIRECT DRIVE 1250 ............................................................. 19 FIGURA 4-1 – RENDIMIENTOS PROP. DIÉSEL ELÉCTRICA .................................................. 21 FIGURA 4-2 - DIESEL GENERADOR DUAL FUEL................................................................. 23 FIGURA 4-3 – SECCIÓN DEL W ARTSILLA 12V34DF ......................................................... 24 FIGURA 4-4 – COMPONENTES DEL W ARTSILLA 12V34DF................................................ 25 FIGURA 4-5 - POTENCIA DEL DIESEL GENERADOR ........................................................... 25 FIGURA 4-6 - INYECCIÓN MOTOR DFDE ......................................................................... 26 FIGURA 4-7 - RANGO OPERACIÓN W ARTSILLA 34DF ....................................................... 27 FIGURA 4-8 - DIMENSIONES 12V34DF ........................................................................... 28 FIGURA 4-9 – ESPACIO LIBRE ENTRE DIESEL GENERADORES ........................................... 29 FIGURA 4-10 - ESQUEMA PROPULSIÓN POR HÉLICES DE PASO FIJO .................................. 30 FIGURA 4-11 - RANGO POTENCIAS MAN ........................................................................ 30 FIGURA 4-12 – DIMENSIONES DE TUBERÍA ...................................................................... 31 FIGURA 4-13 - CARACTERÍSTICAS W ARTSILLA 12V34DF ................................................ 35 FIGURA 4-14 – ESPECIFICACIÓN GAS FUEL .................................................................... 36 FIGURA 4-15 – ESQUEMA GAS FUEL .............................................................................. 37 FIGURA 4-16 – ESPECIFICACIÓN MDO ........................................................................... 38 FIGURA 4-17 – ESQUEMA MDO ..................................................................................... 39 FIGURA 4-18 – ESQUEMA SISTEMA MDO MÚLTIPLE ........................................................ 40 FIGURA 4-19 – ESPECIFICACIÓN HFO ........................................................................... 41 FIGURA 4-20 – ESQUEMA SISTEMA HFO MÚLTIPLE ......................................................... 42 FIGURA 4-21 – ESQUEMA GAS EXTERNO........................................................................ 44 FIGURA 4-22 – ESQUEMA FUEL INTERNO ....................................................................... 46 FIGURA 4-23 – ESQUEMA FUEL EXTERNO ...................................................................... 47 FIGURA 4-24 – DATOS DE FUNCIONAMIENTO SEPARADOR/BOMBA .................................... 49 FIGURA 4-25 – CAUDAL SEPARADOR BOMBA .................................................................. 50 FIGURA 4-26 – ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN DIESEL MULTIPLE ........................................ 52 FIGURA 4-27 – ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN HFO MULTIPLE ........................................... 53 9.
(8) FIGURA 4-28 – ESQUEMA DE ALIMENTACIÓN BOOSTER.................................................... 54 FIGURA 4-29 – CENTRIFUGADORA MOPX 205 ............................................................... 56 FIGURA 4-30 – ESQUEMA DE LUBRICACIÓN INTERNO....................................................... 58 FIGURA 4-31 – ESQUEMA DE LUBRICACIÓN EXTERNO ...................................................... 59 FIGURA 4-32 – DATOS BOMBA DE LUBRICACIÓN .............................................................. 60 FIGURA 4-33 – CONEXIÓN TANQUE DE REBOSES ............................................................ 61 FIGURA 4-34 – ESQUEMA INTERNO AIRE COMPRIMIDO..................................................... 63 FIGURA 4-35 – ESQUEMA EXTERNO AIRE COMPRIMIDO.................................................... 64 FIGURA 4-36 – ESPECIFICACIONES COMPRESORES INGERSOLL RAND ............................. 65 FIGURA 4-37 – BOTELLA DE AIRE COMPRIMIDO ............................................................... 66 FIGURA 4-38 – NÚMERO DE ARRANQUES LLOYD’S REGISTER .......................................... 67 FIGURA 4-39 – ESQUEMA REFRIGERACIÓN DE AGUA INTERNO ......................................... 69 FIGURA 4-40 – GRAFICA BOMBA DE REFRIGERACIÓN DE AGUA......................................... 70 FIGURA 4-41 – ESQUEMA DE REFRIGERACIÓN EXTERNO ................................................. 71 FIGURA 4-42 – INTERCAMBIADORES DE CALOR ............................................................... 75 FIGURA 4-43 – UNIDAD DE PRECALENTAMIENTO ............................................................. 78 FIGURA 4-44 – CALDERA AALBORG OM ......................................................................... 85 FIGURA 4-45 – DATOS TÉCNICOS CALDERA AALBORG OM .............................................. 86 FIGURA 4-46 – CARACTERÍSTICAS GASES EXHAUSTACIÓN DE LOS DDGG ........................ 92 FIGURA 4-47 – CALDERÍN AALBORG EX ......................................................................... 93 FIGURA 4-48 – GRAFICA 7.1 UNE-EN ISO8861 ............................................................ 98 FIGURA 4-49 – GRAFICA 7.2 UNE-EN ISO8861 ............................................................ 99 FIGURA 4-50 – TABLA 1. EMISIÓN DE CALOR DE LOS TANQUES DE CALEFACCIÓN ............ 101 FIGURA 5-1 – DIAGRAMA DE CAUDAL PARA LA SELECCIÓN DE LA VENTILACION ................ 103 FIGURA 5-2 – VENTILADOR V1-1250 DE FRIZONIA ........................................................ 104 FIGURA 5-3 – ESQUEMA INTERNO DEL SISTEMA DE GASES DE ESCAPE ........................... 105 FIGURA 5-4 – CONEXIONES DE TUBO DE ESCAPE .......................................................... 106 FIGURA 5-5 – TUBO DE ESCAPE, DIÁMETROS Y SOPORTE .............................................. 107 FIGURA 5-6 – SISTEMA DE ESCAPE DE GAS EXTERNO .................................................... 107 FIGURA 5-7 – SILENCIADOR DE ESCAPE ....................................................................... 108 FIGURA 5-8 – ARQUITECTURA DEL UNIC C3 ................................................................ 109 FIGURA 5-9 – PANEL DE CONTROL LOCAL Y UNIDAD DE VISUALIZACIÓN LOCAL ................ 110 FIGURA 5-10 – DESCRIPCIÓN GENERAL DE UNIC C3 .................................................... 112 FIGURA 5-11 – CANTIDAD TÍPICA DE CABLES ................................................................ 113 FIGURA 5-12 – DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA SEÑAL (GRUPO ELECTRÓGENO) ............... 114 FIGURA 5-13 – PRINCIPIO DE LOS MODOS DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR .................. 115 FIGURA 6-1 – ESPACIO MÍNIMO ENTRE DDGG EN CCMM ............................................. 116. 10.
(9) ÍNDICE TABLAS TABLA 1-1 – DATOS INICIALES ....................................................................................... 13 TABLA 1-2– PESOS SISTEMA DIRECT DRIVE 1250M ........................................................ 19 TABLA 4-1 – DATOS INICIALES ....................................................................................... 43 TABLA 4-2– CONDUCTIVIDADES TÉRMICAS ..................................................................... 79 TABLA 4-3– VALORES GENERACIÓN DE VAPOR ............................................................... 80 TABLA 4-4– TEMPERATURAS DE LOCALES ...................................................................... 81 TABLA 4-5– PERDIDAS DE CALOR DE TANQUES ............................................................... 82 TABLA 4-6– PERDIDAS DE CALOR DE TANQUES ............................................................... 83 TABLA 4-7– ELEVACIÓN DE CALOR DE TANQUES ............................................................. 84 TABLA 4-8– TEMPERATURAS DE CALOR DE TANQUES ...................................................... 87 TABLA 4-9– CALOR PERDIDO DE TANQUES DE CCMM..................................................... 89 TABLA 4-10– CALOR PERDIDO DE TANQUES DE CCMM ................................................... 90 TABLA 4-11– CALOR NECESARIO ELEVACIÓN DE TANQUES DE CCMM ............................. 91 TABLA 4-12 - EMISIÓN DE CALOR DE LOS TANQUES DE CALEFACCIÓN ............................. 101 TABLA 6-1– DIMENSIONES MOTOR Y DDGG ................................................................ 117. 11.
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(11) Capítulo 1. Introducción Jose Antonio González Llorente. Capítulo 1. INTRODUCCIÓN El objetivo de este cuaderno consiste en realizar un diseño general de la Cámara de Máquinas. Eso supone conocer y situar una serie de equipos, los cuales se calcularán en este cuaderno. Todo de acuerdo a los requerimientos del SOLAS así como de la Sociedad de Clasificación, en nuestro caso, Lloyd’s Register Of Shipping. Partiendo de lo obtenido en el Cuaderno 6, se elegirá de forma definitiva el motor propulsor que se instalará en el buque. Antes de meternos a fondo con este cuaderno recordemos las características principales de nuestro buque. Alternativa final L (m) 229 Lpp (m) 220 B (m) 34 D (m) 21 T (m) 15,2 Peso en rosca (Tn) 16.876,620 Peso muerto (Tn) 81.722,804 Desplazamiento (Tn) 98.599,424 Velocidad (kn) 15 Dos motores ABB Direct Drive Potencia (kW) 1150M de 9.000 kW cada uno Cb 0,842 Cm 0,9956 Cp 0,8460 Cf 0,8988 XB (% desde sección maestra) 2,8757 Tabla 1-1 – Datos iniciales Fuente: Propia. 13.
(12) Capítulo 1. Introducción Jose Antonio González Llorente. Capítulo 2. MOTOR PROPULSOR 2.1. ELECCIÓN DE LOS MOTORES PROPULSORES Para hacer una elección de los motores más aptos para nuestro buque habrá que sopesar diversos aspectos que priman en la elección. En realidad se trata de un estudio de optimización en el cual habrá que tener en cuenta diversas variables como: o Peso o Coste o Empacho o Potencia o Revoluciones de giro o Ciclos del motor o Número de cilindros o Mantenimiento o Etc. Recordando el estudio de la estimación de potencia necesaria a instalar en nuestro buque, que realizamos en el Cuaderno 6, determinamos que la estimación final de la potencia propulsora de nuestro buque es de 16.924,4 kW cv. Esta será la potencia mínima total a instalar en nuestro buque, que como sabemos irá repartida entre dos motores eléctricos ABB, ya que es la potencia necesaria para propulsarlo a la velocidad de servicio con los motores trabajando al 95% y teniendo en cuenta el margen de mar del 15%. Como en nuestro buque habrá que instalar 16.924,4 cada motor tendrá que tener como mínimo: Dos motores eléctricos que su potencia mínima sea de 8.462,2 kW Se optará por elegir dos motores eléctricos ABB, ya que éstos tienen un mejor rendimiento, y además su coste de mantenimiento se ve reducido. En los RPA se indica que las hélices y los motores estarán directamente acoplados, es decir, girarán a las mismas revoluciones, por lo tanto seleccionaremos dos motores eléctricos de revoluciones lentas directamente acoplados.. 14.
(13) Capítulo 1. Introducción Jose Antonio González Llorente. Figura 1-1 – Esquema propulsivo Fuente: ABB System Project Guide Passenger Vessels Teniendo en cuenta las razones mencionadas anteriormente, nos decidimos a elegir: Para la selección del motor eléctrico seguiremos los pasos que nos indica ABB en su catálogo: ABB System Project Guide Passenger Vessels 1. En primer lugar, seleccionaremos el tipo de plataforma que será el sistema de propulsión. En nuestro caso, hemos seleccionado el sistema Direct drive debido a que es el más eficiente de los disponibles. Figura 1-2 – Plataforma ABB Fuente: ABB System Project Guide Passenger Vessels Hemos elegido el Direct drive al ser el más sencillo, más eficiente y el que más rango de potencias ofrece. 2. En Segundo lugar, seleccionamos el modelo del motor eléctrico para nuestra potencia de 8.907,57 kW. 15.
(14) Capítulo 1. Introducción Jose Antonio González Llorente. Figura 1-3 – Rango de potencia ABB Fuente: ABB System Project Guide Passenger Vessels Para nuestra potencia de 16.924,4 kW que necesitamos, necesitaremos por tanto 2 motores eléctricos de 8.907,57 kW mínimo cada uno. Vemos que tenemos las posibilidades de elegir dentro del rango de potencias de nuestro sistema: 16.
(15) Capítulo 1. Introducción Jose Antonio González Llorente. . Tamdem drive 100. . Direct Drive 1250. 3. Selección del sistema. Elegimos el sistema Single Drive por ser el más eficiente. Figura 1-4 – Sistema de potencia ABB Fuente: ABB System Project Guide Passenger Vessels Componentes del sistema Single Drive. Figura 1-5 – Componentes del sistema Single Drive de ABB Fuente: ABB System Project Guide Passenger Vessels 4. Selección del modelo del motor: De entre los 2 posibles sistemas, hemos elegido el Direct Drive 1150 debido a que es el que nos ofrece la potencia máxima más cercana a la que necesitamos a menor número de vueltas (rpm). 17.
(16) Capítulo 1. Introducción Jose Antonio González Llorente. Figura 1-6 – Características Motor ABB Fuente: ABB System Project Guide Passenger Vessels En resumen los dos motores eléctricos elegidos y que proporcionaran la energía mecánica suficiente a cada una de las hélices son los motores cuyo modelo es Direct Drive 1150 con transformador de paso M de 9.000 kW de potencia máxima a 125 rpm.. 18.
(17) Capítulo 1. Introducción Jose Antonio González Llorente. Figura 1-7 –Motor ABB Direct Drive 1250 Fuente: ABB System Project Guide Passenger Vessels Como datos a destacar se encuentran: Descripción Motor Convertidor de frecuencia Resistor Transformador Trans. Excitación Filtro harmonic Total. Peso (kg) 84.100 6.800 750 17.200 1.330 108.850. Tabla 1-2– Pesos sistema Direct drive 1250M Fuente: Propia a partir de ABB Al ser dos líneas de ejes, el peso total será el doble:. 19.
(18) Capítulo 3. Maquinaria auxiliar asociada al motor Jose Antonio González Llorente. Capítulo 3. MAQUINARIA AUXILIAR ASOCIADA AL MOTOR Ahora necesitamos determinar unas ciertas características para el conjunto de la maquinaria auxiliar. Los manuales de este motor, nos proporcionarán los diferentes consumos del mismo en cuanto a combustible, aceite, etc. Para ello consultamos el “Project Guide” o manual del motor suministrado directamente por el fabricante del mismo ABB, de él iremos obteniendo todos los datos y parámetros necesarios para definir los elementos de los distintos sistemas de la maquinaria auxiliar.. Como el “Project Guide” es un manual de 268 páginas solo mostraremos las que usen para la realización de este cuaderno, por lo que en el Anexo A se muestra el “Project Guide” resumido de nuestro motor. 20.
(19) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Capítulo 4. DIESEL GENERADORES Una planta de Propulsión de diesel eléctrica está compuesta por los siguientes equipos, con sus rendimientos correspondientes, se han estimado los rendimientos medios de los motores eléctricos ABB y los rendimientos medios aproximados de los diesel generadores:. Figura 4-1 – Rendimientos prop. diésel eléctrica Fuente: ABB System Project Guide Passenger Vessels Para asignar los márgenes de rendimientos anteriores a cada equipo se tomó como referencia “ABB Diesel-electric Propulsión Plants”. Como hemos visto en el capítulo anterior, en esta planta se utilizarán 2 motores eléctricos acoplados al engranaje reductor estos dos motores eléctricos tendrán que estar dimensionados para soportar una carga eléctrica de 8.907,57 kW. 4.1. CÁLCULO DIESEL GENERADORES Aplicando los rendimientos antes mencionados, calcularemos la potencia necesaria que deberán proporcionar los diesel generadores. . Rendimiento convertidores de frecuencia: 98,5%. . Rendimiento transformadores: 99%. . Rendimiento cuadros eléctricos: 99,8% 21.
(20) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Teniendo en cuenta que el rendimiento de los diesel generadores es del 97%, la potencia será de:. Potencia eléctrica En el capítulo 10, definiremos con detalle el sistema de propulsión y energía del buque, por lo que para hacernos una idea de la potencia y pesos de los diesel generadores, estimaremos el resto de consumidores con la potencia eléctrica del buque base: Potencia: 3 * 700= 2.100 kW La potencia suministrada por los diesel generadores será la suma de la potencia necesaria para la propulsión y la potencia para satisfacer la demanda de los consumidores más la aplicación del porcentaje de funcionamiento óptimo de los diesel generadores, de MCR al 85%.. Los diesel generados instalados en esta cámara de máquinas tienen que tener la característica de ser diesel dual fuel, es decir, poder consumir HFO, MDO y gas/LNG, para cumplir con esas características, se elegirá un motor wartsila por tener una alta flexibilidad para cumplir esta característica. Se instalarán cuatro diesel generadores y se cumplirá la normativa SOLAS que especifica: “La capacidad de los grupos electrógenos debe ser tal que aunque uno cualquiera de ellos se pare, o deje de estar en funcionamiento, sea posible alimentar los servicios necesarios e indispensables para lograr condiciones operacionales normales de propulsión y seguridad” SOLAS indica que la potencia y capacidad de los DDGG deberá ser suficiente como para que al disponer de 4 DDGG en nuestro caso, con solo tres de ellos, proporcionen los servicios mínimos de propulsión y funcionamiento de servicios vitales del buque, tales como propulsión, contraincendios, maniobrabilidad y rumbo, generación de agua… y por un tiempo suficiente como para permitir al buque desviarse de su rumbo y acudir al puerto más cercano o previsto para realizar una parada por mantenimiento. A la hora de definir los DDGG, valoraremos que sean de la misma marca y modelo, ya que optimizaría costes en el mantenimiento/repuestos y nos darían ventajas como las siguientes mencionadas:. 22. . Optimización en tiempo de documentos de instalación…). . Mismas características (mayor disponibilidad de repuestos). . Menor tiempo de entrega. instalación. (mismos. polines,. maniobras,.
(21) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. La potencia mínima de cada DDGG será de:. Los motores duales serán de Wartsila, por lo que nos vamos a la página Web de la empresa y elegimos el modelo que cumpla las características. Por estas razones, me he decidido a elegir cuatro diesel generadores 12V34DF. Estos diesel generadores, destacan por la capacidad para consumir desde HFO, a LFO e incluso gas LNG, por lo tanto no solo cumple con la potencia requerida, sino que también nos proporciona multitud de opciones para el combustible.. Figura 4-2 - Diesel generador dual fuel Fuente: http://www.wartsila.com/products/marine-oil-gas/engines-generatingsets/dual-fuel-engines/wartsila-34df. 23.
(22) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Figura 4-3 – Sección del Wartsilla 12V34DF Fuente: http://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6. 24.
(23) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Figura 4-4 – Componentes del Wartsilla 12V34DF Fuente: http://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6. Figura 4-5 - Potencia del diesel generador Fuente: Propia Los diesel generadores escogidos, cumplen uno de los requisitos de la RPA, que la propulsión sea duel fuel - diesel eléctrico. Los diesel generadores DFDE son motores que pueden funcionar con LNG y con diferentes combustibles: fuel oil pesado, diésel marino, gas e incluso, biodiesel. Este tipo de propulsión es usualmente elegida por los armadores, debido a que son equipos fáciles de instalar con respecto a otras plantas. 25.
(24) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Suelen instalarse para operar en modo gas o diesel. El tipo de combustible de funcionamiento se puede cambiar mientras el motor está en marcha, dentro de ciertos límites, sin interrumpir la generación de energía. Si el suministro de gas fallara, el motor pasaría automáticamente a la generación de energía mediante la combustión de diesel.. Figura 4-6 - Inyección motor DFDE Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=6mifHJ3MkfE Como se puede ver en la imagen anterior el motor funciona con inyección de diesel o con inyección de gas de forma alterna, los gases expulsados son menos contaminantes los del LNG. Los motores diesel duales pueden ser de 2T o de 4T, en función de las necesidades del buque. Si tomamos como ejemplo el suministrador Wartsilla podemos ver en su catálogo de productos los diferentes motores de 2T y 4T. Toda la información sobre el motor puede verse en los anexos del presente documento, o bien en el enlace del suministrador indicado aquí: http://www.wartsila.com/products/marine-oil-gas/engines-generating-sets/dieselengines/wartsila-34df Nuestra planta de propulsión contará con cuatro motores duales (Fuel-Gas) del modelo 34/DF. Este tipo de motores tienen una amplia flexibilidad para alimentarse por HFO y LNG. Pudiendo así adaptarnos a las condiciones y cantidades de Boil-Off. Otra ventaja de usar este tipo de motores es que se puede usar HFO MDO por lo que se pueden adaptar los motores a los precios de los combustibles en el mercado.. 26.
(25) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Figura 4-7 - Rango operación Wartsilla 34DF Fuente: http://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6. 27.
(26) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Dimensiones DDGG 12V34/DF. Figura 4-8 - Dimensiones 12V34DF Fuente: http://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6. 28.
(27) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Dimensiones entre DDGG. Figura 4-9 – Espacio libre entre diesel generadores Fuente: http://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6 Por lo que según nos indica el fabricante, la distancia entre generadores será de 3.800 mm entre ejes. Se pueden ver un resumen de las especificaciones a un nivel un poco más detallado ofrecido por el fabricante de nuestros diesel generadores (Wartsilla). La disposición de la planta propulsora, será mediante sistema Direct Drive (ABB) de hélices de paso fijo, en las cuales necesitaríamos dimensionar, comprar y montar dos timones.. 29.
(28) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Figura 4-10 - Esquema propulsión por hélices de paso fijo Fuente: http://www.nortrade.com/Documents/Invest/Norway%20at%20a%20glance/Norwa y%20abroad/STADT%20Arrangement%202012%20-%20Twin%20out%20LR.JPG La razón por la que no hemos escogido un diesel generador de la marca MAN, es debido que no dispone de diesel generadores dual fuel del rango de potencias que necesitamos, por lo tanto hemos tenido que buscar el motor a la casa Wartsilla.. Figura 4-11 - Rango potencias MAN Fuente: http://powerplants.man.eu/products/dual-fuel-engines/at-a-glance. 30.
(29) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. La guía de los generadores Wartsila que vamos a utilizar consideran las siguientes velocidades máximas en el lado de impulsión de la bomba:. Figura 4-12 – Dimensiones de tubería Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6. 4.2. ESPECIFICACIÓN TÉCNICA El consumo de las bombas que mueve el propio motor para su lubricación y refrigeración está incluido en los cálculos. En caso de tener sistemas de refrigeración externos debemos restar el consumo que viene en las siguientes tablas:. 31.
(30) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. 32.
(31) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. 33.
(32) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. 34.
(33) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Figura 4-13 - Características Wartsilla 12V34DF Fuente: http://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6 Utilizamos la guía del motor ya que nos proporciona todos los datos necesarios para los cálculos de bombas, calentadores, etc. La vamos a seguir punto a punto para el cálculo de todos los valores que mostramos a continuación.. 4.3. SISTEMA DE COMBUSTIBLE 4.3.1. ESPECIFICACIONES DEL GAS FUEL Como motor dual fuel, el motor Wärtsilä 34DF está diseñado para un funcionamiento continuo en modo de funcionamiento de gas o en modo de funcionamiento diesel. Para un funcionamiento continuo sin reducción en la potencia nominal, el gas utilizado como combustible principal en modo de funcionamiento de gas tiene que cumplir los requisitos de calidad mencionados a continuación.. 35.
(34) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Figura 4-14 – Especificación Gas Fuel Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6. 36.
(35) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Figura 4-15 – Esquema Gas Fuel Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6. 4.3.2. ESPECIFICACIONES DE LIQUID FUEL Las especificaciones del combustible se basan en la norma ISO 8217:2012 (E). Observe que algunas propiedades adicionales no incluidas en el estándar se enumeran en las tablas. Para la temperatura máxima del combustible antes del motor, consulte el capítulo "Datos técnicos". El combustible no contendrá sustancias añadidas o desechos químicos que pongan en peligro la seguridad de las instalaciones o que afecten negativamente al funcionamiento de los motores o que sean perjudiciales para el personal o contribuyan en general a la contaminación atmosférica. Marine Diesel Fuel (MDF) Los grados de combustible de destilado son ISO-F-DMX, DMA, DMZ, DMB. Estos grados de combustible se denominan MDF (Marine Diesel Fuel). Los grados de destilado mencionados anteriormente se pueden describir como sigue: DMX: Un combustible que es adecuado para su uso a temperaturas ambiente de hasta -15 ° C sin calentar el combustible. Especialmente en aplicaciones de marina mercante, su uso se restringe a los motores de botes salvavidas y ciertos equipos de emergencia debido al punto de inflamación reducido. El punto de inflamación bajo que no cumple el requisito SOLAS también puede impedir su uso en otras aplicaciones marinas, a menos que el sistema de combustible se construya de acuerdo con requisitos especiales. También la baja viscosidad (1,4 cSt mínimo) puede evitar el uso en motores a menos que el combustible se puede enfriar lo suficiente para cumplir con el min. Límite de viscosidad de inyección del motor. DMA: Un destilado de alta calidad, generalmente designado como MGO (Marine Gas Oil). DMZ: Un destilado de alta calidad, generalmente designado como MGO (Marine Gas Oil). Un grado de combustible alternativo para motores que 37.
(36) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. . requieren una viscosidad de combustible superior a la especificada para combustible de grado DMA. DMB: Un combustible de uso general que puede contener trazas de combustible residual y está destinado a motores no diseñados específicamente para quemar combustibles residuales. Generalmente designado como MDO (Marine Diesel Oil).. Figura 4-16 – Especificación MDO Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6. 38.
(37) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Figura 4-17 – Esquema MDO Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6. 39.
(38) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Figura 4-18 – Esquema sistema MDO múltiple Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6 Heavy Fuel Oil (HFO) Los grados de combustible residual se conocen como HFO (fuel oil pesado). La especificación de combustible HFO 2 cubre las categorías ISO-F-RMA 10 a RMK 700. Los combustibles que cumplen la especificación HFO 1 permiten intervalos de revisión más largos de componentes específicos del motor que el HFO 2.. 40.
(39) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Figura 4-19 – Especificación HFO Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6. 41.
(40) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Figura 4-20 – Esquema sistema HFO múltiple Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6. 42.
(41) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. 4.3.3. CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA Los DDGG son aptos para consumir combustibles pesados, que son más baratos que los ligeros, pero esto conlleva a que necesitan disponer de un plan de mantenimiento debido a que se producen mayores residuos en la combustión y además poseen un mayor contenido en azufre que activa la corrosión. Al utilizar combustible pesado el sistema en más complejo debido a la alta viscosidad del combustible que hace que sea difícil que circule por gravedad, por lo que es necesario disponer de calefacción en los tanques para reducir la viscosidad. A pesar de que el buque dispone de un tanque de sedimentación es necesario disponer de un sistema de depuración centrífugo que permita extraer agua y otros residuos. Además el buque dispone de una conexión que permite realizar el cambio de combustible pesado por MDO (Marine Diesel Oil). El MDO es utilizado para la puesta en marcha después de una parada prolongada. Desglosaremos ahora los volúmenes de los Tanques de Fuel Oíl del buque (los cálculos pertinentes se realizaron en el Cuaderno 4), mostraremos los volúmenes reales instalados, que son ligeramente superiores de los requeridos:. Tanques Tanque almacén Br Tanque almacén Er Consumo diario Br Consumo diario Er Sedimentación Total. Porcentaje (%) 98% 98% 100% 100% 100%. Volumen ( ) 1.188,282 1.188,282 55,01 55,01 110,8 2.597,384. Peso real (Tn) 1.036,419 1.036,419 48,957 48,957 104,152 2.274,90. Tabla 4-1 – Datos iniciales Fuente: Propia Principios operativos Los motores Wartsila 34DF suelen instalarse para operar en modo gas o diesel. El modo de funcionamiento se puede cambiar mientras el motor está en marcha, dentro de ciertos límites, sin interrumpir la generación de energía. Si el suministro de gas falla, el motor automáticamente pasa a la operación en modo diesel. Operación modo gas En el modo de funcionamiento de gas, el gas natural se inyecta en el motor a una presión baja. El gas se quema mediante la inyección de una pequeña cantidad de combustible diesel piloto. El gas y la inyección de combustible piloto se controlan electrónicamente con sistemas common rail. Cuando el motor funciona en modo de gas, el gas se inyecta a través de válvulas de admisión de gas en la entrada de cada cilindro. El gas se mezcla con el aire de combustión inmediatamente después de la válvula de entrada en la cabeza del cilindro. El gas sobrante que no se utilice en la combustión saldría por la válvula de escape. La tubería de gas puede ser de tipo pared simple o doble. La entrada de aire al espacio anular se encuentra en el motor. El aire se puede tomar directamente de la sala de máquinas o desde una ubicación fuera de la sala de máquinas, a través de la tubería.. 43.
(42) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. El esquema del sistema externo de gas natural es el siguiente:. Figura 4-21 – Esquema Gas externo Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6 Unidad de la válvula de gas (10N05) Antes de que el gas se suministre al motor pasa a través de una unidad de válvula de gas (GVU). El GVU incluye una válvula de control de presión y una serie bloques de purga para asegurar un funcionamiento fiable y seguro del gas. La unidad incluye una válvula de cierre manual, conexión para inertizado, un filtro, una válvula de control de presión de gas, válvulas de cierre, válvulas de ventilación, medidores de presión, un transmisor y un controlador de temperatura de los gases. El filtro es una unidad de flujo completo para prevenir que entren impurezas en el sistema de gas del motor. El filtro es de 5 μm de malla. La caída de presión en el filtro se controla en todo momento, y se activa una alarma cuando la caída de presión está por encima del valor permitido por el filtro sucio. Presión de alimentación del gas La presión de alimentación de gas combustible requerido depende del mínimo poder calorífico inferior (LHV) del gas, así como de las pérdidas de presión en el sistema de alimentación al motor. El LHV del gas tiene que ser mayor de 28 MJ/m3 a 0°C y 101,3 kPa. . 44. Un gas con un poder calorífico inferior de 28 MJ/m3 a 0°C y 101,3 kPa se corresponde a una presión requerida de gas de 537 kPa (presión manométrica) en la entrada GVU para el motor al 100%..
(43) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. . Un gas con LHV de 36 MJ/m3 a 0°C y 101,3 kPa se corresponde a 492 kPa (presión manométrica) en el GVU de entrada para el motor al 100%. Para el gas con LHV entre 28 y 36 MJ/m3 a 0°C y 101,3 kPa, la presión de gas requerida se puede interpolar. Las pérdidas de presión en el sistema de alimentación de gas al motor se tienen que añadir para obtener la presión de gas requerida. Una caída de presión de 120 kPa sobre la GVU es un valor típico que puede ser utilizado como guía. La presión de gas necesaria para el motor depende de la carga del motor. Esto está regulado por la GVU.. Funcionamiento en modo diésel En el modo de funcionamiento diesel el motor funciona sólo con combustible líquido. El MDF o el HFO se utilizan como combustible en un sistema de inyección de combustible diesel convencional. El sistema de inyección piloto de MDF está siempre activo. Sistema interno MDO HFO El esquema del sistema interno de combustible es el siguiente:. 45.
(44) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Figura 4-22 – Esquema Fuel interno Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6 Hay conexiones separadas para las tuberías de combustible principal y diesel piloto. El combustible principal puede ser MDF o HFO. El combustible piloto es siempre MDF y el sistema de combustible piloto está operativo en modo fuel o gas. Una válvula de control de presión en la tubería de retorno de combustible principal en el motor mantiene la presión deseada antes de las bombas de inyección.. 46.
(45) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Sistema externo de combustible (HFO y MDO) Al tener cuatro generadores, el fabricante nos exige colocar bombas de circulación antes de cada motor y así poder tener un solo sistema de alimentación. Vamos a presentar las características que deben de tener los combustibles en sus tanques de almacenaje. El esquema del sistema de combustible líquido es el siguiente:. Figura 4-23 – Esquema Fuel externo Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6. 47.
(46) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. 4.4. COMPONENTES DEL SISTEMA Los datos empleados en el diseño del Sistema de Alimentación provienen del propio manual del fabricante del motor (Project Guide), el cual se encuentra en el Anexo A "Product Guide Wartsilla DDGG".. 4.4.1. TRATAMIENTO DEL COMBUSTIBLE El combustible pesado (residuo y mezclas de residuos y destilados) debe ser limpiado en un separador centrífugo eficiente antes de ser transferido al tanque diurno. Las reglas de clasificación requieren que la disposición del separador sea redundante de modo que la capacidad requerida se mantenga con una unidad fuera de funcionamiento. Todas las recomendaciones del fabricante del separador deben ser seguidas de cerca. También se recomiendan los separadores centrífugos de pilas de discos para instalaciones que funcionan sólo con MDF, para eliminar el agua y posibles contaminantes. La capacidad de los separadores de MDF debe ser suficiente para asegurar el suministro de combustible al máximo consumo de combustible. Si un separador centrífugo se considera demasiado caro para una instalación de MDF, entonces se puede aceptar el uso de filtros de tipo coalescente en su lugar. Un filtro de coalescencia se instala generalmente en el lado de succión de la bomba de circulación en el sistema de alimentación de combustible. El filtro debe tener una baja caída de presión para evitar la cavitación de la bomba. Necesidades de calefacción del HFO y MDO La calefacción es necesaria para: Tanques de almacenamiento, tanques de sedimentación y tanques de uso diario Tubos Separadores Las unidades de alimentación de combustible. Tendrán una presión de diseño de 5MPa Para permitir el bombeo de la temperatura de los tanques de combustible siempre se debe mantener 5-10°C por encima del punto de viscosidad mínimo, por lo general a unos 40-50°C. Los serpentines de calefacción se pueden diseñar para una temperatura de 60°C. La capacidad de calentamiento del depósito está determinado por la pérdida de calor del tanque de combustible y la temperatura deseada. Tenemos dos tanques de almacenamiento, uno de sedimentación y dos de uso diario. Vamos a necesitar cuatro bombas que nos muevan el combustible del tanque de almacenamiento al de sedimentación y de ahí al de uso diario. El tanque de sedimentación tiene un volumen de 110,8 m3 y los de uso diario tienen un volumen total de 110,02 m3. El consumo diario (24 h.) de los cuatro generadores que consumen HFO es de 93,115 (cada uno) m3, por lo que necesitaremos una bomba de 3,4 m3/h para que nos mueva el combustible necesario y de 1 m3/h para pasar del tanque de sedimentación al de uso diario. Además necesitamos unos calentadores de tanque que tengan el HFO a 60°C en los de sedimentación y a 90°C en los de uso diario.. 48.
(47) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Bombas de alimentación del separador Las bombas de alimentación deben estar dimensionadas para la calidad real del combustible y el rendimiento recomendado del separador. La bomba debe estar protegida por un filtro de succión (tamaño de malla de aproximadamente 0,5 mm) Se requiere un sistema aprobado para el control de la velocidad de alimentación del combustible al separador.. Figura 4-24 – Datos de funcionamiento separador/bomba Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6 Los cálculos para los calentadores son:. Los cálculos para los calentadores son:. Para el tanque de uso diario:. Aplicaremos los mismos conceptos para los tanques de MDO, necesitándose una temperatura de 40°C para el tanque de uso diario. Necesitaremos una bomba de 1 m3/h para mover el MDO del tanque de sedimentación al de uso diario. Los cálculos para los calentadores son:. Para el tanque de uso diario. 49.
(48) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Separadores / centrifugadoras de Fuel Oil Las separadoras serán del tipo autolimpiables y su caudal se determina mediante el requisito dado por el Project Guide del DDGG. Los separadores se suministran generalmente como unidades pre-ensambladas diseñadas por el separador Fabricante. Normalmente, los módulos de separación están equipados con: Filtro de succión (1F02) Bomba de alimentación (1P02) Pre-calentador (1E01) Depósito de lodos (1T05) Separador (1S01 / 1S02) Bomba de lodos Armarios de control incluyendo arrancadores de motor y monitorización En esta cantidad se incluye un margen para compensar: - Contenido de agua en el FO. - Posibles lodos y otras impurezas en el FO. - Incremento del consumo de FO, en condiciones diferentes a las condiciones ISO estándar. Separador (1S01 / 1S02) Basándose en un tiempo de separación de 23 o 23,5 h / día, el rendimiento de servicio Q [l / h] del separador se puede estimar con la fórmula:. Figura 4-25 – Caudal separador bomba Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6. 50.
(49) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Sistema de alimentación de combustible. Instalaciones para MDO. 51.
(50) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Figura 4-26 – Esquema de alimentación Diesel multiple Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6 Sistema de alimentación de combustible. Instalaciones para HFO El esquema de la instalación de alimentación del HFO es el siguiente:. 52.
(51) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Figura 4-27 – Esquema de alimentación HFO multiple Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6 Bomba de circulación: mantiene la presión en los inyectores y hace circular el combustible por el sistema. Presión de diseño: 1.6 Mpa. Caudal requerido: 3,4 m3/h. Temperatura de diseño 50°C. Presión nominal: 850 kPa. Tenemos una bomba de circulación para el diesel, y otra de respeto. Cada bomba nos podrá dar el 100% de los requerimientos del generador Enfriador del diesel: se debe situar después de los generadores, para que la viscosidad del diesel no sea demasiado baja. Debe poder disipar 4kW por cilindro, como tenemos 12 cilindros, 48kW. La temperatura debe caer hasta los 45°C. Tendremos uno a la salida de cada generador, pero solo funcionará uno cada vez, dependiendo de si el generador quema fuel o diesel.. 53.
(52) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Esquema de la unidad de alimentación (booster). Figura 4-28 – Esquema de alimentación booster Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6. 54.
(53) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. En general, para la unidad booster, tendremos los siguientes equipos: . . Bomba de alimentación de combustible: Presión de diseño: 1,6 MPa. Caudal requerido: 3,4 m3/h. Temperatura de diseño 100°C. Utilizamos una bomba de alimentación para los 4 generadores simultaneamente Válvula de control de presión de la inyección: Presión de diseño 1.6 MPa. Temperatura de diseño 100°C. Tendremos una válvula en cada generador. Filtro automático. Se sitúa entre la bomba de alimentación y el tanque desaireador. Tanque desaireador. Su volumen debe ser de al menos 100 litros. Bomba de circulación de la unidad de inyección: mantiene la presión en los inyectores y hace circular el combustible por el sistema. Debe haber una presión de 30 kPa en el lado de la succión de la bomba. Presión de diseño: 1.6 MPa. Caudal requerido: 3,4 m3/h. Temperatura de diseño 150°C. Calentador de la unidad de inyección: necesario para mantener la viscosidad del combustible. Su capacidad la calculamos mediante la expresión: P = Q · ΔT / 1.700. Entonces tenemos P = (6.800 · 1,15) · 12,5 / 1.700 = 57,5. kW. Tomamos 58 kW.. Equipo aparte de la unidad booster: Bomba de circulación: se utiliza para asegurar la misma circulación de combustible a todos los motores. Presión de diseño: 1.6 MPa. Caudal requerido: 3,4 m3/h. Temperatura de diseño 150°C. Tendremos una bomba de circulación de la unidad booster con potencia para alimentar 3 generadores funcionando simultáneamente, y otra de respeto igual. Filtro de securidad: Presión de diseño: 1.6 MPa. Malla de 37 μm. Temperatura de diseño 150°C. Válvula de desbordamiento. Capacidad: 3,4 m3/h. Presión de diseño 1.6 MPa. Temperatura de diseño: 150°C. Bomba pilot de MDO: tiene una capacidad de 1m3/h por motor. Su presión nominal es de 850 kPa. La temperatura de diseño es de 50°C. Por tanto, tendremos una bomba pilot a la entrada de cada generador.. Se instalarán 2 centrifugadoras de FO. Para ello se acude a un fabricante, como puede ser ALFA LAVAL. (A través de internet directamente buscamos el producto) Fuente: www.alfalaval.com. Finalmente nos decantamos por instalar cuatro centrifugadoras de Fuel Oíl, del modelo MOPX 205, ya que satisface el caudal satisfactoriamente, ya que es el de menor dimensión que cubre nuestras necesidades. Se instalan dos centrifugadoras por motor, de las cuales una estará en funcionamiento y la otra será de respeto.. 55.
(54) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Veamos una imagen y el diagrama de las centrifugadoras Alfa Laval:. Figura 4-29 – Centrifugadora MOPX 205 Fuente: http://www.pacificmarine.net/engineering/oil-and-fuel-purifierseparators/mopx-205-purifier-separator.htm. 4.5. SISTEMA DE LUBRICACIÓN La lubricación de los mecanismos de transmisión y soporte del motor se realiza con aceites convencionales y diferentes a los empleados para el engrase de otras zonas como pueden ser las camisas. El consumo de aceite de lubricación es pequeño y es resultado de las pérdidas a través de las prensas. La lubricación de las camisas del motor presenta una mayor dificultad debido a la presencia de los residuos de la combustión y de componentes nocivos de los combustibles pesados, por lo que será necesario emplear aceites especiales. Este aceite para la lubricación de las camisas se inyecta mediante bombas conducidas por el propio motor o separadamente. Es de vital importancia para el motor una distribución óptima y uniforme del aceite en la parte superior de los cilindros para evitar el desgaste de la camisa y de los aros del pistón. El aceite se debe inyectar cuando el pistón está ascendiendo, de forma que los aros se lubriquen pero el aceite sobrante sea barrido hacia las zonas bajas por los aros rascadores. Aceite para MDO y GAS:. Aceite para HFO:. 56.
(55) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. El Esquema del sistema de lubricación interior es el siguiente:. 57.
(56) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Figura 4-30 – Esquema de lubricación interno Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6 Esquema del sistema de lubricación exterior con bombas accionadas por el motor:. 58.
(57) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Figura 4-31 – Esquema de lubricación externo Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6. El colector de aceite lubricante es del tipo de cárter húmedo. El sumidero seco es una opción para los motores principales. La bomba de aceite lubricante de accionamiento directo es de tipo engranaje y está equipada con una válvula de control de presión. La bomba está dimensionada para proporcionar suficiente flujo incluso a bajas velocidades. Una conexión de bomba de reserva está disponible como opción. Con respecto al caudal y la presión de la bomba accionada por motor, véase Datos técnicos. La bomba de aceite de pre-lubricación es una bomba de engranajes accionada por motor eléctrico equipada con una válvula de seguridad. La bomba debe estar siempre en marcha, cuando el motor está parado. Con respecto al caudal y la presión de la bomba de aceite de pre-lubricación, vea Datos técnicos. El módulo de aceite lubricante construido en el motor consta del refrigerador de aceite lubricante, válvula termostática y filtro automático. El filtro centrífugo se instala para limpiar el aceite de retrociclo del filtro automático. Todos los motores de sumidero seco se suministran con un filtro de rodamiento antes de cada cojinete principal. Estos filtros se deben quitar después de la puesta en servicio. Sistema de separación de partículas en el aceite Los separadores deben ser preferiblemente de un tipo con descarga controlada del recipiente para minimizar las pérdidas de aceite lubricante. El caudal de servicio Q [l / h] del separador se puede estimar con la fórmula: Purificadora: la capacidad de la centrifugadora de aceite debe ser de:. 59.
(58) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Sistema de almacenamiento de aceite La bomba de aceite de lubricación es normalmente de tipo tornillo y debe estar provista de una válvula de rebose.. Figura 4-32 – Datos bomba de lubricación Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6 La capacidad es de 124 m3/h según la especificación técnica del motor . Bomba de prelubricación: capacidad de bombeo 124 m3/h. Presión de diseño 500 kPa. Temperatura de diseño 63°C. Todas estas características nos las exige el fabricante del generador. Bomba principal de lubricación: capacidad de bombeo 124 m3/h. Presión de diseño 0,8 MPa. Tendremos otra bomba de respeto, de igual capacidad. Enfriador de aceite lubricante: flujo de aceite por el enfriador 170 m3/h. Calor a disipar: 1.560 kW. Flujo de agua por el enfriador: 270 m3/h. Temperatura del agua antes del enfriador 45°C, después 63°C. Presión de diseño 1.0 MPa. Filtro: deberá tener un tamaño de malla de 60 μm. Purgado: será necesario limpiar el sistema antes de arrancar por primera vez o tras un periodo de inactividad.. Caja del cigüeñal El propósito de la ventilación del cárter es evacuar los gases del cárter para mantener la presión en el cárter dentro de límites aceptables. Cada motor debe tener su propio tubo de ventilación al aire libre. Las tuberías de ventilación del cárter no pueden combinarse con otras tuberías de ventilación, por ejemplo, Tuberías de ventilación del tanque de aceite del sistema. El diámetro del tubo debe ser lo suficientemente grande como para evitar una contrapresión excesiva. También se deben diseñar y dimensionar otros posibles equipos en la tubería para evitar una resistencia al flujo excesiva. Se debe instalar un purgador de condensados en el tubo de ventilación cerca del motor. La conexión entre el motor y la tubería debe ser flexible.. 60.
(59) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Sistema de ventilación: el flujo debe ser de 1.680 l/min y debe haber una presión máxima de 500 kPa. Su temperatura no debe sobrepasar los 80 grados. Todos estos requerimientos nos los exige el fabricante en los datos técnicos para este tipo de generadores.. Figura 4-33 – Conexión tanque de reboses Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6. 4.6. SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO El aire comprimido se utiliza para arrancar motores y proporcionar energía de accionamiento para dispositivos de seguridad y control. El uso del aire de arranque para otros fines está limitado por las normas de clasificación. Para asegurar la funcionalidad de los componentes en el sistema de aire comprimido, el aire comprimido tiene que estar libre de partículas sólidas y aceite. Los cálculos los realizaremos para un solo generador y una vez que tengamos todo calculado multiplicaremos por cuatro. Generalidades del sistema de aire de arranque El sistema está formado por 3 compresores que descargan aire a 30 bar a cualquiera de las 7 botellas principales. Los compresores en la descarga disponen de un separador de agua que permite eliminar el agua arrastrada por el aire, llevándola hasta la sentina. Las botellas principales disponen de válvulas independientes para cada uno de los servicios y de una válvula de seguridad que se encuentra tarada a una presión mayor que la de servicio. La descarga de las válvulas de seguridad se llevará hasta el exterior, para evitar que en caso de incendio en la cámara de máquinas pudiera 61.
(60) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. producirse una explosión debido a que al aumentar la temperatura producirá un aumento de la presión en el interior de las botellas. Sistema de aire comprimido interno Todos los motores, independientemente del número de cilindros, se arrancan por medio de aire comprimido con una presión nominal de 3 MPa (30 bar). El arranque se realiza por inyección directa de aire en los cilindros a través de las válvulas de aire de arranque en las culatas. La válvula de arranque principal, construida sobre el motor, puede ser accionada tanto manual como eléctricamente. El sistema de aire de arranque está equipado con una válvula de giro lento, que gira el motor lentamente sin inyección de combustible durante unas cuantas vueltas antes de arrancar. El giro lento no se realiza si el motor ha estado en marcha máx. 30 minutos antes, o si el giro lento se realiza automáticamente cada 30 minutos. Todos los motores disponen de válvulas de retención incorporadas y de amortiguadores de llama. El motor no se puede arrancar cuando el engranaje de giro está enganchado. Los motores arrancan por medio de aire comprimido a una presión de 3 MPa. La velocidad de arranque debe ser lo suficientemente alta para producir en los cilindros activos una temperatura adecuada al final de la carrera de compresión que asegure la ignición del combustible inyectado. La velocidad de arranque ha de ser superior al 30% de la velocidad de servicio. El par de arranque ha de ser suficiente para poder vencer las pérdidas por rozamiento en el motor y la resistencia del eje propulsor. El siguiente esquema nos muestra como es la instalación del servicio de aire comprimido para cada uno de nuestros motores. En él se puede ver que el buque lleva instaladas dos botellas de aire (por cada motor) que se encuentran dispuestas en paralelo y que suministraran a cuatro líneas independientes: Alimenta el arranque del motor principal. Alimenta los sistemas de control del motor y las válvulas de los gases de escape. Alimenta la parada de emergencia de seguridad del motor principal a 7 bar a través de dos válvulas reductoras (una de respeto) que reducen la presión de 30 a 7 bar. Alimenta a través de un conjunto de válvulas reductoras, en el que la presión se reduce a 10 bar, a la unidad de prueba de las válvulas del sistema de fuel y al sistema de limpieza de la turbosoplante.. 62.
(61) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. El esquema del sistema interno de aire comprimido es el siguiente:. Figura 4-34 – Esquema interno aire comprimido Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6 63.
(62) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. El diseño del sistema de aire de arranque está determinado en parte por las normas de clasificación. La mayoría de las sociedades de clasificación requieren que la capacidad total se divida en dos receptores de aire de arranque de igual tamaño y compresores de aire de arranque. Los requisitos relativos a las instalaciones de motores múltiples pueden estar sujetos a una consideración especial por parte de la sociedad de clasificación. Las tuberías de aire de arranque siempre deben estar ligeramente inclinadas y estar equipadas con drenaje manual o automático en los puntos más bajos. El aire del instrumento a los dispositivos de seguridad y de control debe ser tratado en un secador de aire. El esquema del sistema externo de aire comprimido es el siguiente:. Figura 4-35 – Esquema externo aire comprimido Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6. 64.
(63) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Unidad de compresor de aire de arranque Deben instalarse al menos dos compresores de aire de arranque. Se recomienda que los compresores sean capaces de llenar el recipiente de aire de arranque desde el mínimo (1,8 MPa) a la presión máxima en 15-30 minutos. Para la determinación exacta de la capacidad mínima, deben seguirse las reglas de las sociedades de clasificación. Utilizando los métodos de cálculo del curso “dimensionamiento de equipos” de la asociación Ingeniero Jorge Juan, del colegio de ingenieros navales de España: El caudal de cada compresor será el mayor de:. Dónde: FAD = Caudal de aire “Free Air Delivery” (m3/h) V = Volumen de la botella de aire de arranque (l) PF = Presión final (30 bar, dato del fabricante del motor) PI = Presión mínima de la botella: - Recomendado fabricante: 18 bar - Sociedad de Clasificación: 1 bar PAtm = Presión atmosférica (1 bar) T = Tiempo de llenado de la botella: - Recomendado fabricante: 15 – 30 min. - Sociedad de Clasificación: 60 min. Sabiendo la presión y el caudal necesarios, nos vamos a un suministrador y buscamos los compresores necesarios para el sistema de arranque, en nuestro caso, hemos escogido el fabricante de gran fama “Ingersoll Rand”. Figura 4-36 – Especificaciones compresores Ingersoll Rand Fuente: http://www.myir.com/emeia/spain/ 65.
(64) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Botella de aire de arranque Los recipientes de aire de arranque deben dimensionarse para una presión nominal de 3 MPa. El número y la capacidad de los buques de aire para los motores de propulsión dependen de los requisitos de las sociedades de clasificación y el tipo de instalación. Se recomienda utilizar una presión de aire mínima de 1,8 MPa, al calcular el volumen requerido de los recipientes. Los recipientes de aire de arranque deben estar equipados con al menos una válvula manual para el drenaje del condensado. Si los recipientes de aire están montados horizontalmente, debe haber una inclinación de 3-5 ° hacia la válvula de drenaje para asegurar un drenaje eficiente.. Figura 4-37 – Botella de aire comprimido Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6. 66.
(65) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Separador de agua y aceite: Se debe disponer entre el compresor y la botella. Botella: El volumen necesario de aire a presión se puede calcular mediante la siguiente expresión:. Figura 4-38 – Número de arranques Lloyd’s Register Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6 Hemos de señalar antes de empezar a describir las características del Sistema de Aire de Arranque que nuestros motores serán reversibles, por lo que se exigirá una capacidad de arranque para 12 arrancadas.. 67.
(66) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Dónde: o VR = volumen total de aire requerido para el arranque (m3) o. pE = presión atmosférica = 0,1 MPa. o. VE = consumo de aire por arranque (Nm3). o. n = número de arranques definidos por la Sociedad de Clasificación: 12 arranques (Pt. 5 Ch. 2 Sec. 8).. o. pRmax = presión máxima del aire para el arranque = 3 MPa. o. pRmin = presión mínima del aire para el arranque = 1.8 MPa. El volumen total debe dividirse en al menos dos botellas. Hay que tener en cuenta que tenemos 4 generadores y, por tanto, proyectaremos 8 botellas de arranque.. 4.7. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR AGUA Los cálculos los realizaremos para un solo generador y una vez que tengamos todo calculado multiplicaremos por cuatro. El agua dulce en el sistema de agua de refrigeración del motor debe cumplir los siguientes requisitos:. El esquema del sistema de refrigeración interno por agua dulce es el siguiente:. 68.
(67) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Figura 4-39 – Esquema refrigeración de agua interno Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6. El sistema de refrigeración de agua dulce se divide en un circuito de alta temperatura (HT) y de baja temperatura (LT). El agua HT circula a través de las camisas del cilindro, las culatas y la 1ª etapa del enfriador de aire de carga, mientras que el agua LT circula a través de la 2ª etapa del refrigerador de aire de carga ya través del refrigerador de aceite lubricante. Un enfriador de aire de carga de dos etapas permite una recuperación de calor más eficiente y el calentamiento del aire de combustión frío. Las válvulas de control de la temperatura regulan la temperatura del agua hacia fuera del motor, circulando un poco de agua de nuevo a la entrada de la bomba de agua de enfriamiento. La válvula de control de temperatura HT está montada en el motor, mientras que la válvula de control de temperatura LT está montada en el circuito externo LT después del motor. La válvula de control de temperatura LT (4V09) es controlada eléctricamente para el ajuste exacto de la temperatura del receptor de aire de carga.. 69.
(68) Capítulo 4. Diesel generadores Jose Antonio González Llorente. Las bombas de alta y baja temperatura son accionadas por el propio motor. Tendremos dos bombas de cada tipo, una principal y otra de respeto. Bomba de agua a alta temperatura: tiene una capacidad de 100 m3/h y una presión nominal de 250 kPa. La temperatura de trabajo se sitúa en torno a los 85°C y la presión en la entrega depende del tanque de expansión. Bomba de agua a baja temperatura: tiene una capacidad de 100 m3/h y una presión nominal de 250 kPa. La temperatura de trabajo se sitúa en torno a los 38°C y la presión en la entrega depende del tanque de expansión. Bombas de circulación accionadas por motor Las bombas de agua de enfriamiento LT y HT son accionadas por motor. Las bombas accionadas por motor están situadas en el extremo libre del motor. Las curvas de la bomba para las bombas accionadas por el motor se muestran en los diagramas. La presión nominal y la capacidad se encuentran en el capítulo Datos técnicos.. Figura 4-40 – Grafica bomba de refrigeración de agua Fuente: https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/dfengine/product-guide-o-e-w34df.pdf?sfvrsn=6. 70.
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