ACADEMIA NAVALĂ "MIRCEA CEL BĂTRÂN"

FACULTATEA DE MARINĂ CIVILĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ

COORDONATOR ŞTIINŢIFIC

Conf. univ. dr. ing. Corneliu Moroianu

ABSOLVENT

Butnaru Radu Mircea

CONSTANŢA

2011-2012

ACADEMIA NAVALĂ "MIRCEA CEL BĂTRÂN"

FACULTATEA DE MARINĂ CIVILĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ

COORDONATOR ŞTIINŢIFIC

Conf. univ. dr. ing. Corneliu Moroianu

ABSOLVENT

Butnaru Radu Mircea

CONSTANŢA

2011-2012

ACADEMIA NAVALĂ "MIRCEA CEL BĂTRÂN"

FACULTATEA DE MARINĂ CIVILĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ

TEMA: Navă tip tanc petrolier 155000 tdw. Calculul

generatorului de abur principal al navei. Comanda, controlul și

supravegherea în funcționare a generatorului de abur.

COORDONATOR ŞTIINŢIFIC

Conf. univ. dr. ing. Corneliu Moroianu

ABSOLVENT

Butnaru Radu Mircea

CONSTANŢA

2011-2012

Rezumat limba romană

Rezumat limba engleză

Cuprins:

1. Prezentarea generală a navelor de tip petrolier

1.1. Introducere

1.2. Caracteristicile generale ale unui tanc petrolier de 155,000 tdw

1.3. Instalațiile și sistemele specifice navelor petroliere

2. Determinarea rezistenței la înaintare

3. Generatoarele de abur navale

3.1. Destinația generatoarelor de abur navale

3.2. Parametrii de funcționare

3.3. Enumerarea consumatorilor de abur la o navă tip petrolier de 155,000 tdw

3.4. Instalațiile specifice ale generatoarelor de abur

4. Bilanțul energetic al consumatorilor de abur

5. Calculul generatorului de abur

6. Comanda, controlul și supravegherea în funcționare a generatorului de abur

1. Descrierea generală a navelor de tip petrolier

1.1. Introducere

Navele petroliere sunt nave comerciale destinate transportului de produse petroliere în

cantități foarte mari. Există doua tipuri de bază și anume, petroliere care transportă cantități mari

de țiței brut de la locul de extracție către rafinării și petroliere care transportă produse

petrochimice către rețeaua de consumatori. Acestea sunt construite și amenajate special pentru a

transporta produsele petroliere direct în magaziile navei. Creșterea consumului de combustibili

lichizi la nivel mondial, au determinat o dezvoltare remarcabilă a acestui tip de navă, ajungându-

se la capacități de încăcare de pană la 550,000 tdw.

Navele de tip petrolier se clasifică astfel:

1. General Purpose Tankers (GPT) (tancuri petroliere generale): 10,000 – 24,999 tdw

2. Medium Range Tankers (tancuri de capacitate medie): 25,000 – 44,999 tdw

3. Large Range Tankers 1 (LR1) (tancuri de capacitate mare): 45,000 – 79,999 tdw

4. Large Range Tankers 2 (LR2): 80,000 – 159,999 tdw

5. Very Large Crude Carrier (VLCC) (tancuri foarte mari): 160,000 – 319,999 tdw

6. Ultra Large Crude Carrier (ULCC) : 320,000 – 549,999 tdw

Primele nave care s-au ocupat cu transportul produselor petroliere au fost cargourile. La

început, marfa era transportată în butoaie de lemn. Apoi treptat acestea au fost înlocuite cu

recipiente rectangulare din oțel. Descărcarea petrolului se facea manual, operațiune foarte

periculoasă și dificilă. Între anii 1869-1872, nava “Charles” de 800 tdw, a efectuat transportul de

petrol între Europa și America în aproximativ 60 de recipiente din oțel, fiecare recipient având o

capacitate de transport de aproximativ 13 tone. Prima problemă care a apărut la cargourile

transformate în tancuri, a fost efectul negativ al suprafețelor libere ce compromitea stabilitatea

transversală a navei. Prima măsură de reducere a efectului suprafețelor libere a fost introducerea

în plan diametral a unui perete de separație, pe toată lungimea cargotancului. A doua măsură a

fost construirea puțului de expansiune în partea superioară a cargotancului, menținând totodată

peretele de separație. În anul 1920, în evoluția cargotancurilor, au fost introduse noi elemente și

anume amenajarea în partea superioară a unor tancuri de vară, de dimensiuni reduse, ce

permiteau navelor sa-și mărească capacitatea de transport atunci când navigau la linia de

încărcare de vară. Ulterior, s-au adoptat doi pereți longitudinali etanși având ca scop reducerea

efectului suprafețelor libere și mărirea capacității de transport, prin creșterea dimensiunilor

navei, asigurând o structură de rezistență mai bună.

Odată cu modificarea sistemului de compartimentare a navelor petroliere, s-a modificat

și sistemul de osatură. Astfel, în construcția navelor petroliere s-a trecut de la sistemul de osatură

transversală la sistemul de osatură longitudinală. Sistemul de construcție al navelor petroliere de

mare tonaj este sistemul de osatură Isherwood modificat, caracterizat prin folosirea elementelor

de construcție specifice osaturii orizontale, pe toată lungimea tancurilor de marfă și a elementelor

specifice osaturii verticale, în borduri și extremități.

La marea majoritate a navelor petroliere, suprastructurile, unde sunt amenajate încaperi

pentru echipaj și pentru navigație, sunt concentrate în castelul pupa. Deoarece înălțimea bordului

liber este mai mică la petroliere decât la celelalte tipuri de nave, puntea este des inundată de

valuri, la navigația în mare agitată. Pentru evacuarea rapidă a apei de pe punte, parapetul a fost

înlocuit de o balustradă.

Majoritatea navelor petroliere folosesc motoare cu aprindere prin compresie diesel, lente

sau semirapide, pentru propulsie și doar câteva au propulsie prin turbină cu abur sau diesel-

electrică. Acestea din urmă sunt folosite pentru transporturi speciale din Alaska către coasta de

vest a Statelor Unite ale Americii. Compartimentul mașini este amplasat întotdeauna la pupa,

astfel, se evită producerea unor incendii provocate de scânteile ce ies din coșul de fum. Între

tancurile de marfă și restul compartimentelor sunt prevăzute coferdamuri verticale și orizontale.

Toate instalațiile auxiliare din zona tancurilor de marfă sunt acționate de mașini hidraulice sau cu

abur, pentru a evita riscul producerii unor incendii. Tot din acest motiv, produsele petroliere cu

grad ridicat de inflamabilitate sunt transportate în tancurile de marfă din prova, iar cele cu grad

scăzut de inflamabilitate sunt transportate în tancurile de marfă din pupa Cel mai important

sistem, de pe un tanc petrolier, este sistemul de încărcare și descărcare a mărfii. Acesta este

compus din pompe, mecanisme de antrenare și țevi proiectate special pentru a permite tancului

petrolier să descarce marfa într-un mod eficient și sigur. Pompele pot fi acționate prin mașini

hidraulice, motoare electrice sau turbine cu abur. Cele din urmă fiind cele mai utilizate din

motive de siguranță.

1.2. Caracteristicile generale ale unui tanc petrolier de 155,000 tdw

Tipul navei:

- navă petrolier cu carenă dublă

Dimensiuni principale:

- Lmax = 272.40 m (lungimea maximă)

- LPP = 261.10 m (lungimea între perpendiculare)

- LDWL = 263.50 m (lungimea la linia de plutire de plină încărcare)

- B = 46.55 m (lățimea navei)

- D = 24.70 m (înălțimea de construcție)

- T = 17.71 m (pescajul de construcție al navei)

Caracteristici transport:

- Deadweight = 155,000 tdw

- Tonaj registru brut = 80,593 t

- Tonaj registru net = 49,010 t

- Capacitățiile tancurilor de marfă (98%):

- Segmentul 1: 56,789.4 m3 (Nr. 1 p/s, 4 p/s, Slop p/s)

- Segmentul 2: 58,859.1 m3 (Nr. 2 p/s, 5 p/s)

- Segmentul 3: 56,709.3 m3 (Nr. 3 p/s, 6 p/s)

- Capacitatea totală (fără tancurile de reziduuri): 168,431.2 m3

- Capacitățiile tancurilor de reziduuri (slop tanks): 3,926.6 m3

- Capacitățiile tancurilor (100%):

- de combustibil greu (incluzând tancurile de decantare și de serviciu): 3,940.5 m3

- de motorină (incluzând tancul de serviciu): 255.1 m3

- de balast: 52,403 m

3

- de apă dulce: 420.6 m3

- Pompe:

- de marfă: 3 x 4,000 m3/h

- de golire (stripping pump): 1 x 300 m3/h

- ejector: 1 x 500 m3/h

- de balast: 1 x 4,000 m3/h

Caracteristici motor principal:

- Motor tip: MAN B&W 6S70MC-C8

- Putere: 19,620 kW / 26,300 CP

- Număr cilindrii: 6

- Cursa pistonului: 2,800 mm

- Diametrul pistonului: 700 mm

- Consumul specific de combustibil: 166 g/kWh

- Turație: 91 rpm

- Viteză: 15.5 Nd

1.3. Instalații și sisteme specifice navelor petroliere

În ultimii 50 de ani, industria tancurilor petroliere a trecut printr-o serie de modificări, în

urma cărora s-au stabilit bazele tancului petrolier modern. În continuare sunt prezentate sumar

sistemele și instalațiile ce definesc un tanc petrolier modern:

1. Instalația de gaz inert (Inert Gas System): Astăzi, toate tancurile petroliere au obligația

de a avea instalație de gaze inerte. Acest sistem menține o atmosferă inertă în tancurile de marfă.

În timpul operațiilor de încărcare-descărcare, gazele inerte sunt pompate în interiorul tancurilor

de marfă. De regulă, acestea sunt produse de un generator de gaze inerte, dar se pot folosi și

gazele arse de la caldarine. Instalația de gaz inert trebuie să asigure:

- Menținerea atmosferei cu un conținut de oxigen de până la 8% din volum și a unei

presiuni mai mare decât presiunea atmosferică, în orice zonă a tancului de mărfuri

- Menținerea atmosferei cu un conținut de oxigen de până la 14% din volum, în orice zonă

uscată a magaziei de mărfuri

- Excluderea posibilității de pătrundere a aerului în tancurile de marfă, în timpul

operațiunilor obișnuite

- Evacuarea vaporilor de hidrocarburi din tancurile de marfă goale

Instalația de gaz inert este proiectată în așa fel, încât să nu se depășească presiunea de 0.24 bar a

oricărui tanc de marfă, în condiții normale de exploatare.

2. Instalația de spălare a tancurilor de marfă (Cargo Tanks Cleaning System): Această

instalație are rolul de evacua reziduurile de marfă după transportarea produselor petroliere grele,

pentru trecerea la produsele petroliere ușoare. Deasemenea, instalația pregătește tancurile de

marfă pentru alimentarea cu apă de balast sau pentru reparații și vizite în interior. Spălarea se

face cu mașini de spălat speciale, cu jeturi de apă la temperaturi de aproximativ 50 °C sau cu țiței

brut.

3. Instalația de ventilare a tancurilor de marfă (Loading And Discharge Venting

System): Instalația de ventilare are rolul de a controla presiunea din tancurile de marfă. Drept

urmare, trebuie să asigure evacuarea vaporilor de petrol din tancuri la creșterea excesivă a

presiunii și trebuie să prevină formarea vacuumului permițând intrarea aerului în tancurile de

marfă. Supapele de presiune și vacuum trebuie amplasate astfel încât să permită descărcarea

vaporilor de petrol pe direcție verticală. Deși sistemul de ventilație este simplu din punct de

vedere constructiv și are un cost relativ scăzut, există și un dezavantaj cum ar fi griparea

supapelor din cauza corodării.

4. Sistemul de monitorizare a deversării de hidrocarburi (Oil Discharge Monitor

System): Pentru prevenirea poluării mediului marin la debalastarea tancurilor, la eliminarea apei

din tancurile de slop sau a apei din santină, sistemul este prevăzut cu un monitor de petrol

deversat. Acest instrument măsoară și înregistrează concentrațiile de hidrocarburi în apa refulată

peste bord. Astfel, dispozitivul înregistrează cantitatea totală de hidrocarburi deversate și are

posibilitatea de a opri descărcarea atunci când sunt depășite concentrațiile maxime admise.

5. Sistem de măsurare automată a cantității de marfă

6. Instalația de balast: Sistemul este alcătuit din doua tancuri laterale dispuse la centrul

navei, tancul forpic, o pompă de balast și tubulatura specifică. Pompa de balast curat poate aspira

prin fiecare priză de mare și poate refula balast curat în orice tanc. Balastul de apă transportat în

tancurile de marfă este considerat balast murdar și nu poate fi deversat în întregime peste bord.

Dupa deversarea apei curate, balastul murdar este transferat într-un tanc de slop, unde este lăsat o

perioadă de timp pentru decantare.

7. Instalația de încărcare-descărcare a mărfii: Pompele acestei instalații sunt dispuse

într-un compartiment special amenajat, de obicei situat în prova compartimentului mașini.

Pompele sunt acționate de mașini hidraulice, motoare electrice sau turbine cu abur. În general

există două sisteme de tubulaturi adoptate de petroliere și anume:

- Sistemul circular: format dintr-o magistrală circulară pe fundul spațiului de încărcare,

conectată la tubulaturi ce duc la compartimentul de pompe și la manifoldul de pe punte.

- Sistemul direct: unde fiecare tronson este deservit de o singură magistrală conectată cu

manifoldul și cu camera pompelor.

8. Instalația de încălzire a mărfii: Pentru a putea transfera produsele petroliere cu ajutorul

pompelor de marfă, acestea trebuiesc încălzite în prealabil. Tancurile de marfă sunt prevăzute cu

serpentine, prin care circulă abur saturat la o anumită presiune. Temperatura de încălzire a

petrolului trebuie să fie cu 15 °C sub punctul de inflamabilitate, astfel păcura se încălzește până

la 60-70 °C, iar diversele tipuri de petrol brut se încălzesc până la 20-25 °C. Atunci când se

transportă produse petroliere ușoare, cu temperaturi scăzute de inflamabilitate, instalația de

încălzire a mărfii se oprește. Un alt sistem de încălzire a mărfii, întâlnit la navele cu pompe tip

Framo, este compus din încălzitoare cu abur, prin care marfa este recirculată. Recircularea

continuă implică în schimb un consum suplimentar de combustibil.

9. Sistem de comunicații prin satelit.

10. Echipament electronic de navigație.

11. Sistem de poziționare globală prin satelit (Global Positioning Satellite Systems)

12. Sistem de identificare automată (Automatic Identification System)

3. Generatoarele de abur navale

3.1. Destinația generatoarelor de abur navale

Căldările navale sunt generatoare de abur unde are loc încălzirea și vaporizarea apei sau

supraîncălzirea aburului saturat, datorită căldurii obținute prin arderea unui combustibil, dintr-o

reacție nucleară sau prin efectul termic al curentului electric. Căldările navale sunt destinate

producerii aburului în scopuri tehnologice, energetice și de încălzire. Acestea trebuie să producă

aburul în condiții economice și siguranță deplină. Realizarea acestor cerințe se obține prin

respectarea prevederilor legale privind construirea, montarea, exploatarea și verificarea acestor

instalații. Cele mai utilizate căldari de la bordul navelor sunt următoarele:

- Căldarea ignitubulară, cunoscută și sub denumirea de căldare tubulară, este căldarea la

care gazele obținute în procesul de ardere sunt dirijate în interiorul tuburilor sistemului

fierbător, suprafețele exterioare ale tuburilor fiind acoperite de apă. Acest tip de căldare

are un volum mare de apă.

- Căldarea acvatubulară, sau căldarea tubuloasă, este căldarea la care apa circulă prin

interiorul tuburilor sistemului fierbator, suprafețele exterioare ale tuburilor fiind acoperite

de gazele obținute în procesul de ardere al combustibilului. Căldarea acvatubulară este o

căldare cu volum mic de apă.

Din punct de vedere energetic, în căldarea navală are loc transformarea energiei chimice,

conținută în combustibil, în energie termică prin procesul de ardere.

Instalația de producere a aburului de la bordul navei trebuie sa satisfacă următoarele cerințe:

- Gabarit redus

- Utilizarea cât mai eficientă a căldurii obținute în focar

- Siguranța în funcționare pentru orice regim

- Posibilitate de punere în funcțiune rapidă

- Posibilitatea automatizării

- Preț de producție redus

Aburul produs în generatoarele de abur navale, este folosit:

- La instalațiile motoarelor principale de propulsie

- Pentru acționarea mașinilor auxiliare de pe punte

- Pentru acționarea turbinelor cu abur

- La instalația de încălzire a apei menajere și a cabinelor navei

- La instalația de încălzire a tancurilor de combustibil

Căldările navale se clasifică după:

1) Modul în care se face schimbul de căldură și volumul de apă, în:

- căldari acvatubulare (cu volum mic de apă)

- căldări ignitubulare (cu volum mare de apă)

2) Destinație, în: - căldări principale (aburul este folosit la mașinile principale de propulsie)

- căldări auxiliare (aburul este folosit pentru deservirea instalațiilor și

mecanismelor auxiliare și ca abur de serviciu)

3) Presiunea aburului, în: - căldări de joasă presiune pregim < 15 bar

- căldări de presiune medie pregim= 15 ~ 30 bar

- căldări de înaltă presiune pregim > 30 bar

4) Calitatea aburului obținut, în: - căldări cu abur saturat

- căldări cu abur supraîncălzit

5) Circulația apei în căldare, în: - căldări cu circulație naturală

- căldări cu circulație forțată (prin utilizarea unei pompe de

circulație)

6) Tirajul căldării, în: - căldări cu tiraj natural

- căldări cu tiraj artificial (prin utilizarea unor ventilatoare)

3.2. Parametrii de funcționare

1. Presiunea nominală Pn : este presiunea de lucru maximă admisibilă, ce este luată în

considerare la proiectarea căldării.

2. Presiunea de utilizare Pu : este valoarea presiunii vaporilor la ieșirea din supraîncălzitor.

3. Presiunea nominală de regim Pr : este presiunea maximă a aburului din căldare, ce este

menținută la o valoare constantă în timpul exploatării. Presiunea nominală de regim este cu

aproximativ 5% mai mică decât presiunea nominală.

(3.1)

4. Temperatura nominală Tn : reprezintă valoarea temperaturii vaporilor supraîncălziți

măsurată dupa regulatorul de temperatură sau la ieșirea din supraîncălzitor, la debitul nominal al

căldării.

5. Debitul nominal al căldării D : este debitul maxim de vapori pe care căldarea trebuie să

îl asigure pe timpul unei exploatări permanente.

(3.2)

- , unde:

- Qu este cantitatea de căldură utilă acumulată de căldare;

- ix este entalpia vaporilor saturați;

- iaa este entalpia apei de alimentare;

6. Debitul normal Dnor : reprezintă aproximativ 80% din debitul nominal, fiind

corespunzător unei valori optime a randamentului căldării.

7. Debitul minim Dmin : reprezintă valoarea celui mai mic debit la care poate funcționa

căldarea pe durată nedeterminată, fără a suferii avarii.

8. Debitul specific al căldării navale ds : este raportul dintre debitul nominal al căldării și

suprafața de încălzire.

(3.3)

9. Suprafața de încălzire A : reprezintă valoarea suprafeței măsurată pe partea gazelor de

ardere a pereților căldării.

10. Tensiunea termică a focarului ρf : reprezintă cantitatea de căldură degajată prin arderea

combustibilului în focarul căldării, ce revine fiecărui metru cub al volumului focarului.

(3.4)

- Ch este consumul orar de combustibil;

- Vf este volumul focarului;

11. Capacitatea de vaporizare a combustibilului U : este cantitatea de abur obținută în

căldare la arderea unui kilogram de combustibil.

(3.4) U D

Ch

12. Randamentul căldării ηc : reprezintă raportul dintre cantitatea de căldură transmisă apei

pentru a vaporiza la parametrii de lucru și cantitatea de căldură introdusă prin arderea

combustibilului în focar.

(3.5) -

- D este debitul de abur al căldării, [kg/h];

- io este entalpia aburului la ieșirea din căldare, [kJ/kg];

- iaa este entalpia apei de alimentare, [kJ/kg];

Pentru căldările cu supraîncălzitor, expresia randamentului căldării ηc este:

(3.6) ( - ) -

- ie este entalpia aburului la ieșirea din supraîncălzitor

- ii este entalpia aburului la intrarea în supraîncălzitor

3.3. Enumerarea consumatorilor de abur la o navă tip petrolier de 155,000 tdw