Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el ciclo combinado para un buque de crucero de unas 100.000 toneladas.

Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t Trabajo Final de Grado Facultad de Náutica de Barcelona Universidad Politécnica de Catalunya Trabajo realizado por: Roger Vila Oñate Dirigido por: Eric José Pascual Soldevilla Grado en Ingeniería en Sistemas y Tecnología Naval Barcelona, 1 de julio de 2022 Departamento de Ciencias e Ingeniería Náutica Resumen i Resumen El presente proyecto tiene por objetivo analizar la viabilidad del uso del ciclo combinado (también denominado COGES por sus siglas en inglés COmbined Gas, Electricity and Steam) como sistema de producción energética para buques de pasaje de gran tonelaje frente al de un sistema convencional. Para ello, se estudiará la configuración y dimensionamiento preliminares del grupo de generación de potencia para un buque de pasaje de aproximadamente 100.000 toneladas de desplazamiento basándose en la tecnología del ciclo combinado utilizado comúnmente en las centrales termoeléctricas terrestres. Para su diseño se estudiarán varias soluciones formadas a partir de componentes ya producidos por sus correspondientes fabricantes y se decidirá cuál de las soluciones propuestas es la más adecuada. Posteriormente, se procederá a comparar los resultados obtenidos con los de un sistema de propulsión diésel-eléctrica convencional utilizado en la misma embarcación para determinar si realmente sería una solución más eficiente. Finalmente, se estudiará su rentabilidad económica teniendo en cuenta los costes de instalación y operacionales para demostrar su viabilidad como solución a la problemática medioambiental actual en temas de control de emisiones. Palabras clave: ciclo combinado, buque de crucero, planta eléctrica, COGES, Oasis of the Seas, gas natural. Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t ii Abstract The present project has for objective analyse the viability of the use of the combined cycle (also called COGES, Combined Gas, Electricity and Steam) as a power production system in large displacement cruise ships opposite to the use of a conventional system. For this purpose, the project will study the preliminary configurations and dimensions of the power-generating group for a passenger ship of about 100.000 tonnes in displacement based in the technology of the combined cycle often used in ground-based thermoelectrical power. Subsequently, the results obtained will be compared with the ones of a conventional diesel-electric propulsion system used on the same vessel to determine if it really is a more efficient solution. Finally, its economical rentability will be studied taking into account the installation and operative costs in order to demonstrate its viability as a solution to the current environmental issue in terms of emission control. Key words: combined cycle, cruise ship, power plant, COGES, Oasis of the Seas, LNG. Prefacio iii Prefacio La idea del proyecto tiene origen en el verano de 2018, justo antes de empezar mis estudios universitarios, al saber que se empezaba a utilizar el gas natural como combustible en buques de crucero, aunque en ese momento no lo concebí como proyecto de final de carrera ya que todavía tenía muchas vivencias por delante que podrían darme la respuesta que buscaba: ¿Pensé que, si la tecnología del ciclo combinado ya se utilizaba en tierra para centrales eléctricas por su eficiencia energética, por qué no usarla también en buques? Con esa idea en mente empecé cursando el grado y, a principios de junio de 2019, tuve el placer de poder asistir a la conferencia de presentación del AIDAnova, el primer buque de crucero del mundo con la capacidad de operar únicamente con gas natural. Durante esa conferencia tuve la suerte de poder presentarle mi hipótesis al jefe de proyectos GNL de Carnival Maritime GmbH, Pierre Lecacheur, quien me contestó que él también lo veía factible, aunque no actualmente. Oír eso consiguió despertarme todavía más dudas al respecto. ¿Por qué no podía hacerse ya mismo, si hacía años que se hacía en tierra? Ese mismo verano, además, pude embarcarme en mi primer crucero a bordo del Oasis of the Seas, que es, junto a sus hermanos, el mayor buque de crucero del mundo. Allí pude realizar un tour turístico por las entrañas del navío, sala de máquinas incluida, y pude obtener información de primera mano de las características técnicas de su planta gracias a los amables oficiales de a bordo, la cual he utilizado en este proyecto. Después de ese enriquecedor verano, esperé pacientemente 3 años de carrera a una clara respuesta, pero solo obtuve pistas, hipótesis, que luego quería confirmar. Así que, finalmente, decidí embarcarme en este proyecto para poder encontrar por mí mismo la solución que llevo años buscando. Sabadell, 7 de febrero de 2022. Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t iv Tabla de Contenidos RESUMEN ................................................................................................................................ I ABSTRACT .............................................................................................................................. II PREFACIO ............................................................................................................................. III TABLA DE CONTENIDOS ....................................................................................................... IV LISTADO DE FIGURAS .......................................................................................................... VII LISTADO DE TABLAS .............................................................................................................. X CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................... 1 1.1. OBJETIVOS DEL PROYECTO ......................................................................................... 2 1.2. ESTADO DEL ARTE ...................................................................................................... 3 1.3. METODOLOGÍA DE TRABAJO ...................................................................................... 4 CAPÍTULO 2. BASES DE ESTUDIO ............................................................................... 5 2.1. NECESIDADES ENERGÉTICAS EN BUQUES DE PASAJE .................................................. 5 2.2. CENTRALES DE CICLO COMBINADO: DESCRIPCIÓN...................................................... 6 2.2.1. FUNCIONAMIENTO Y CONFIGURACIONES DE PLANTAS DE CICLO COMBINADO 7 2.2.2. RENDIMIENTO Y OPERACIÓN EN CARGAS PARCIALES .................................... 10 CAPÍTULO 3. CARACTERÍSTICAS DEL BUQUE A ESTUDIAR .......................... 15 3.1. CURVA DE DEMANDA ENERGÉTICA DEL BUQUE ........................................................ 19 3.1.1. CONSUMO ENERGÉTICO PROPULSIVO EN ALTA MAR ..................................... 19 3.1.2. CONSUMO HOTELERO SEGÚN LA HORA DEL DÍA ........................................... 26 3.1.3. CONSUMO DE LOS EQUIPOS AUXILIARES ....................................................... 29 3.1.4. DEMANDA ENERGÉTICA DEL BUQUE ............................................................. 29 Tabla de Contenidos v 3.2. DESCRIPCIÓN TÉCNICA DE LA PLANTA PROPULSIVA ................................................. 33 CAPÍTULO 4. DISEÑO DE LA PLANTA ..................................................................... 39 4.1. CONSIDERACIONES PREVIAS ..................................................................................... 39 4.2. CARACTERÍSTICAS DE LA SOLUCIÓN PROPUESTA ...................................................... 40 4.2.1. GRUPO GENERADOR LM6000PF 1X1 ........................................................... 41 4.2.2. GRUPO GENERADOR LM2500DLE 1X1 ........................................................ 45 4.2.3. GENERACIÓN EN PUERTO .............................................................................. 48 4.2.4. CARACTERÍSTICAS DE LA PLANTA ................................................................ 49 CAPÍTULO 5. ESTUDIO DE VIABILIDAD ................................................................. 55 5.1. BALANCE ECONÓMICO DE LA PLANTA ELÉCTRICA CONVENCIONAL .......................... 55 5.2. BALANCE ECONÓMICO DE LA PLANTA ELÉCTRICA DE CICLO COMBINADO ................ 58 5.3. CONSIDERACIONES ADICIONALES ............................................................................. 59 CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES ................................................................................... 61 6.1. FUTURAS LÍNEAS DE DESARROLLO ........................................................................... 62 BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS .............................................................................. 63 ANEXO A1. DIAGRAMA DE GANTT ....................................................................... 67 ANEXO A2. CURVA DE RESISTENCIA AL AVANCE DEL OASIS OF THE SEAS....................................................................................................................................71 ANEXO A3. REGISTRO DE VELOCIDADES DEL OASIS OF THE SEAS ......... 75 ANEXO A4. NORMATIVA DEL DNV APLICABLE .............................................. 85 A4.1. MAIN FUNCTIONS ..................................................................................................... 85 Capítulo 1. Introducción 1 Capítulo 1. Introducción La problemática medioambiental es un tema recurrente hoy en día, siendo cada vez mayores los esfuerzos por minimizar el impacto generado por los gases de efecto invernadero. La industria marítima no se ha quedado atrás en este aspecto, y con razón, ya que es responsable de aproximadamente un 3% de las emisiones de CO2 globales. A demás, también existen otros gases de efecto invernadero como pueden ser los óxidos de nitrógeno (NOx), sulfuros (SOx) y otros contaminantes como las partículas en suspensión [ 1 ]. Tabla 1: Emisiones de CO2 internacionales totales causadas por el comercio marítimo entre 2012 y 2018 (en millones de toneladas [1]). Para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en el ámbito marítimo se han hecho varias propuestas: por una parte, el uso de combustibles más limpios como el VLSFO, en inglés Very Low Sulphur Fuel Oil, el MDO (Marine Diesel Oil) o, más recientemente, el gas natural licuado (GNL). Por otra parte, la adopción de sistemas de reducción de emisiones como pueden ser las torres de lavado de gases o scrubbers, la instalación de válvulas EGR (Exhaust Gas Re circulation), la inyección de agua en los cilindros del motor o los sistemas de reducción catalítica SCR. 1 Fuente: Fourth IMO GHG study 2020. (2021). Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 2 1.1. Objetivos del proyecto Este proyecto parte de la misma premisa. Por tal de conseguir reducir las emisiones de las embarcaciones y a la vez augmentar su eficiencia energética (lo que conlleva una reducción aún mayor de emisiones y a su vez reduciría gastos de operación al disminuir el consumo de combustible), se va a optar por usar una planta de generación de potencia basada en el ciclo combinado de gas y vapor. Esta tecnología lleva años utilizándose en tierra alimentada por gas natural de forma muy eficiente, con rendimientos de hasta el 63%, y aprovechando que la industria ya está sufriendo grandes cambios en el ámbito de la generación energética, es un buen momento para estudiar soluciones más radicales. Las plantas de producción energética de los buques de crucero ya de por si tienen grandes similitudes con las centrales termoeléctricas. A demás, las turbinas de gas en dichos buques tienen otras ventajas respecto a los motores diésel convencionales, tal y como se detallará más adelante. Estas son las razones por las cuales en este proyecto se va a estudiar la aplicación de dicha tecnología en este tipo de buques. Para poder demostrar la posible superior eficiencia de este sistema, se va a utilizar como sujeto de pruebas un crucero ya existente con una planta eléctrica convencional. Se determinarán las necesidades energéticas de la embarcación y se va a calcular el rendimiento neto de su planta en diferentes condiciones de carga. Posteriormente, se idearán distintas soluciones de plantas, todas basadas en el ciclo combinado, pero variando sus dimensiones o número de generadores. Se analizarán sus ventajas y desventajas y se decidirá cuál será la mejor solución para entonces buscar en diferentes catálogos de fabricantes los elementos básicos con sus características técnicas que la confeccionarán para determinar las de la planta y poder compararlas con las del buque original. Finalmente, se realizará un análisis económico teniendo en cuenta los gastos de construcción y operacionales para poder determinar la viabilidad de adoptar este sistema de generación. Capítulo 1. Introducción 3 1.2. Estado del arte La idea de aplicar el ciclo combinado en el ámbito marino como método de propulsión en buques no es nueva: ya se ha estudiado su uso para augmentar la eficiencia y reducir emisiones en buques metaneros [ 2 ], los cuales utilizan el propio gas natural que transportan como combustible, y se ha propuesto actualizar las plantas motrices de buques de la U.S. Navy como los destructores de la clase Arleigh Burke, los cuales utilizan un sistema COGAG (Combined Gas And Gas), por tal de reducir sus costes operativos al reducir su consumo. Sin embargo, y tal y como se explica en el apartado 2.1, los buques de pasaje, a diferencia de los dos casos mencionados, tienen una demanda energética muy variable. Si eso se relaciona con el hecho de que el rendimiento en las turbinas de gas empeora notablemente frente a variaciones en la demanda de potencia, obtenemos que una planta de producción energética para buques de crucero deberá cumplir unos requisitos muy distintos y por lo tanto se deberá tener otro enfoque en el diseño. En el año 2000 se votó el primer crucero de la clase Millennium, propiedad de Celebrity Cruises, el cual fue el primero de la historia propulsado por un sistema COGES alimentado por diésel. Pero después de los 4 cruceros que componen la clase no se ha vuelto a construir ninguno con dicho sistema de generación. 2 Fuente: GE Teams with Hudong-Zhonghua Shipbuilding on COGES LNG Carrier Design. (2017). Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 4 1.3. Metodología de trabajo Para poder completar exitosamente el diseño de dicha planta, primero habrá que elegir un buque adecuado sobre el cual basarnos. De forma que, una vez terminado el diseño de la planta, podremos comparar éste con la solución utilizada en el buque empleado para determinar sus ventajas reales. Para realizar un buen diseño se tendrán que estudiar las condiciones de trabajo específicas del buque elegido: sus variaciones en la demanda energética a lo largo de la travesía y sus rutas habituales. Para ello se hará un desglose de la potencia requerida en dos grupos: por un lado, la potencia requerida para propulsión, la cual para determinarla se hará un seguimiento a tiempo real del buque durante una semana para poder determinar sus diferentes velocidades, y posteriormente se generará un modelo equivalente en el software MAXSURF® para poder extraer la potencia de motor requerida para cada velocidad. Habrá que tener en cuenta también las características de las hélices de la embarcación, las cuales tienen un rendimiento variable según la velocidad del buque. Se tendrá que estudiar la geometría de estas para buscar a qué serie estándar pertenecen y entonces obtener su curva de rendimiento característica. Por otro lado, existe también la demanda de energía hotelera (toda aquella energía destinada a suplir las necesidades de abordo), para la cual se estudiarán las variaciones de carga a lo largo de la jornada basándose en datos ya realizados en otros estudios y se extrapolarán para el caso de la embarcación estudiada. Finalmente se sumarán ambas potencias para cada sección del trayecto, y se obtendrá una curva de demanda aproximada que será la que habrá que suplir. Una vez obtenida la demanda se podrá estudiar las diferentes soluciones posibles, utilizando componentes ya producidos por diferentes fabricantes y teniendo en cuenta sus características técnicas Todos estos pasos se han añadido en un diagrama de Gantt, el cual se puede consultar en el anexo A1 del proyecto. Capítulo 2. Bases de estudio 5 Capítulo 2. Bases de estudio En este capítulo se procederá a contextualizar el trabajo, explicando brevemente los temas que lo envuelven para poder entender mejor las decisiones técnicas de diseño tomadas posteriormente. 2.1. Necesidades energéticas en buques de pasaje Los buques de crucero son un tipo de buques con unas necesidades energéticas muy específicas. Esto es debido a que, a parte de la energía necesaria para propulsar el buque, gran parte de la demanda proviene de los grandes sistemas de aire acondicionado de abordo, la planta de generación de agua potable y todas las demás instalaciones hoteleras. Esta demanda energética, además, es variable a lo largo de las jornadas, ya que el consumo eléctrico variará en función de la luz solar y las diferentes comidas, así como del clima o temperatura exterior entre otros factores, por lo que también depende de la estación del año. Adicionalmente, debido a las rutas regulares de los cruceros, las cuales normalmente consisten en trayectos cortos y estancias en puertos de entre 6 y 12h, las velocidades a las que suelen operar este tipo de embarcaciones son también muy variables. Esta demanda variable se puede observar en la siguiente gráfica, proveniente de un crucero de 50.000 GT que hace un itinerario por el norte de Europa. Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 6 Figura 1: Demanda energética de la propulsión, sistemas auxiliares y hoteleros para un buque de crucero de 50.000 GT[ 3 ]. 2.2. Centrales de ciclo combinado: descripción Cuando dos ciclos termodinámicos se combinan en una misma planta de generación de potencia la eficiencia que se puede conseguir es mayor que la de cualquiera de los dos ciclos por separado. Se pueden combinar ciclos termodinámicos con fluidos de trabajo tanto iguales como distintos. Sin embargo, combinar ciclos con fluidos de trabajo distintos siempre es más interesante ya que sus ventajas se pueden complementar mutuamente. Dicho comportamiento se puede observar en la figura 2, donde se compara el diagrama temperatura-entropía de 4 ciclos termodinámicos diferentes. Nótese como el área del ciclo teórico, la cual representa el trabajo realizado por éste, es claramente mayor en el ciclo combinado que en los diferentes ciclos por separado. 3 Fuente: BOERTZ, Clemens. Energy demand of a fuel cell-driven cruise ship. En: TUDelft repository [base de datos en línea]. SDPO.20.020.m [consultado el 12 de febrero de 2022]. Trabajo de final de estudios, Delft University of Technology, 2020. Disponible en: https://repository.tudelft.nl/islandora/object/uuid:1526765e- 8491-4576-910d-1c0f38d15b53/datastream/OBJ/download Capítulo 2. Bases de estudio 7 Figura 2: Diagramas Temperatura-Entropía para A ciclo Brayton, B ciclo Rankine sin recalentamiento, C ciclo Rankine con recalentamiento y D ciclo combinado[4]. 2.2.1. Funcionamiento y configuraciones de plantas de ciclo combinado De entre todas las combinaciones de ciclos posibles, la más utilizada a nivel comercial es la que utiliza un ciclo Brayton como ciclo de alta temperatura y un ciclo Rankine como ciclo de baja temperatura. La figura 4 muestra un diagrama de flujo simplificado para dicho ciclo, en el cual los gases de escape de la turbina de gas se utilizan para generar vapor en el ciclo Rankine. Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 8 Figura 3: Diagrama de flujo simplificado de un ciclo combinado Brayton-Rankine [ 4 ]. En dicha figura se pueden observar, además, los elementos esenciales de un ciclo combinado Brayton-Rankine simplificado: 1. Compresor: se encarga de augmentar la presión y temperatura del fluido de trabajo del ciclo Brayton de alta temperatura (aire) para obtener las condiciones óptimas para su ignición en la turbina de gas. 2. Turbina de gas: es el primer elemento de generación de potencia del ciclo. Convierte la energía de los gases de la combustión en energía cinética. La turbina de gas es el componente clave de la planta de ciclo combinado generando aproximadamente dos tercios de la potencia total. Las turbinas de gas de generación de potencia se pueden dividir en dos categorías: • Turbinas de gas aeroderivativas: consisten en un turbo jet modificado para trabajar en condiciones industriales. Normalmente incorporan una turbina de potencia aerodinámicamente acoplada y un compresor de velocidad variable. 4 Fuente: KEHLHOFER, Rolf H. et al. Combined-Cycle Gas Steam Turbine Power Plants. 2a ed. Tulsa: PennWell Publishing Company, 1999. ISBN 0-87814-736-5. Capítulo 2. Bases de estudio 9 Esto las hace ideales para trabajar a cargas parciales ya que el flujo de aire se puede modificar a velocidades reducidas. Además, sus tamaños reducidos permiten mantenimientos menos exigentes. Sin embargo, estas turbinas solo están disponibles para potencias de hasta 50 MW. • Turbinas de gas industriales de carga pesada: derivadas de turbinas de vapor. Normalmente suelen tener un único eje y suelen tener potencias superiores a los 30 MW, que pueden llegar hasta los 300 MW. Una ventaja de este tipo de turbinas es que, al trabajar acopladas a un generador, el compresor acoplado directamente a la turbina de potencia limita las revoluciones de ésta para evitar sobrecargas cuando la demanda eléctrica augmenta. 3. Caldera de recuperación de gases de escape: es la conexión entre la turbina de gas y la de vapor. Su función es la de convertir la energía de los gases de escape de la turbina de gas en vapor para alimentar la turbina de vapor. Tras calentarse en el economizador, el agua entra en el tambor, ligeramente subenfriado. Del tambor, circula al evaporador y vuelve como una mezcla de agua-vapor al tambor, donde se separa el agua del vapor. Entonces el vapor saturado circula al sobrecalentador, donde llega a la máxima temperatura de intercambio de calor con los gases de escape más calientes. Del sobrecalentador, el vapor pasa a la turbina de vapor. 4. Turbina de vapor: es el segundo elemento de generación de potencia del ciclo. Convierte la energía del vapor generado en la caldera en energía cinética. Las turbinas de vapor usadas para plantas de ciclo combinado son máquinas simples. Las plantas de ciclo combinado suelen generar vapor a más de un nivel de presión. Debido a las entradas en varias etapas de la turbina, el flujo másico de vapor en la turbina augmenta desde la entrada hasta la salida. 5. Condensador: elimina la energía residual del vapor saliente de la turbina para poder reintroducirlo en la caldera de generación de vapor. 6. Inyectores de combustible: se encargan de inyectar de forma regulada el combustible en la cámara de combustión previa a la turbina de gas para generar los gases a temperaturas generalmente superiores a los 1.000ºC que permitirán generar la energía necesaria en la turbina. Las plantas de ciclo combinado Brayton-Rankine se pueden dividir en 2 tipos de configuraciones: plantas mono eje y plantas multi eje. En una planta de ciclo combinado multi eje, se encuentran generalmente varias turbinas de gas con sus respectivas calderas de recuperación de gases de escape produciendo vapor para una única turbina de vapor. Las turbinas de gas y de vapor usan ejes, generadores Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 16 Turbinas de gas (General Electrics) Motores de combustión interna (Wärtsilä) Nombre Potencia (kW) Ce (g/kWh) Nombre Potencia (kW) Ce (g/kWh) 4.6 MW Engine 4.570 270 Wärtsilä 6L46DF 6.870 166.3 25.1 MW Engine 25.060 227 Wärtsilä 8L46DF 9.160 166.3 30.2 MW Engine 30.200 215 Wärtsilä 12V46DF 13.740 166.3 35.3 MW Engine 35.320 215 Wärtsilä 14V46DF 16.030 166.3 46.1 MW Engine 46.123 202.7 Wärtsilä 16V46DF 18.320 166.3 Tabla 2: Comparación del consumo especifico entre turbinas de gas y motores de combustión interna según su potencia de salida[ 5 ][ 6 ]. 5 Fuente: GE AVIATION. Commercial gas turbines. [en línea]. 2022. Disponible en: https://www.geaviation.com/marine/engines/commercial . [consultado el 29/03/2022]. 6 Fuente: WÄRTSILÄ FINLAND Oy, 2019. Wärtsilä 46DF Product guide [en línea]. Nasdaq Helsinki: Wärtsilä [consulta: 29 marzo 2022]. Disponible en: https://www.wartsila.com/docs/default-source/productfiles/engines/df-engine/product-guide-o-e- w46df.pdf?utm_source=engines&utm_medium=dfengines&utm_term=w46df&utm_content=productguide& utm_campaign=msleadscoring/. Capítulo 3. Características del buque a estudiar 17 Figura 6: Gráfico comparativo del consumo específico entre turbinas de gas y motores de combustión interna según la potencia de salida[5][6]. De la gráfica en la figura 4 podemos, por lo tanto, concluir que una planta eléctrica basada en turbinas de gas como generadores tendrá aún más beneficios en buques de gran desplazamiento que en buques de menor tamaño. Adicionalmente, como se ha comentado anteriormente, el autor de este proyecto estuvo a bordo del buque de crucero Oasis of the Seas, donde pudo obtener información sobre los datos y características operativas de la embarcación durante la navegación en mar abierto. Por estas dos razones, se ha decidido realizar este proyecto sobre el crucero Oasis of the Seas. El cuál es el primero de la clase de cruceros más grande del mundo actualmente. A continuación, se muestran sus características principales: 0 50 100 150 200 250 300 05000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 Consumo específico (g/kWh) Potencia (kW) Turbinas de gas Motores de CI Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 18 Características técnicas del Oasis of the Seas Número IMO 9383936 Viaje inaugural 01/11/2009 Arqueo Bruto 226.838 Astillero STX Europe Turku New Shipyard Peso Muerto 15.000 t Puerto base Nassau Desplazamiento aproximado 100.000 t Bandera Bahamas Eslora entre perpendiculares 329,887 m Sociedad de Clasificación DNV Manga en flotación 47 m Potencia instalada 3 x 13.740 kW + 3 x 18.320 kW Calado 9,322 m Propulsión 3 azipods de ABB de 20 MW Puntal 22,55 m Maniobra 4 propulsores de proa de 5,5 MW Capacidad 6.699 pasajeros + 2.165 tripulantes Velocidad máxima 22,6 kn Tabla 3: Características técnicas del Oasis of the Seas [6][ 7 ][ 8 ][ 9 ]. 7 Fuente: DNV. Oasis of the seas. [En línia]. 2021. Disponible en: https://vesselregister.dnv.com/VesselRegister/vesseldetails.html?vesselid=27091 . [consultado el 31/03/2022]. 8 Fuente: ROYAL CARIBBEAN INTERNATIONAL. Oasis of the Seas Fact Sheet | Royal Caribbean Press Center. [En línia]. Royal Caribbean Press Center. 2021. Disponible en: https://www.royalcaribbeanpresscenter.com/fact-sheet/21/oasis-of-the-seas/ . [consultado el 31/03/2022]. 9 Fuente: Oasis of the Seas Fast Facts. [En línia]. Wayback Machine. 2012. Disponible en: https://web.archive.org/web/20120220080037/http://www.oasisoftheseas.com/presskit/Oasis_of_the_Seas.pd f . [consultado el 31/03/2022]. Capítulo 3. Características del buque a estudiar 19 3.1. Curva de demanda energética del buque Tal como se ha descrito en el apartado 2.1., las demandas energéticas de los buques de pasaje como el Oasis of the Seas dependen de muchos factores. Es por ello por lo que, para poder diseñar una planta eléctrica eficiente, se definen las principales situaciones de carga energética por las que pasará un buque de crucero en uno de sus itinerarios habituales. En este caso, los factores que se van a tener en cuenta serán: • La hora del día • El estado de navegación (en puerto, maniobrando o en alta mar) • Los rangos de velocidades más comunes • El día del itinerario Para poder obtener la demanda energética global del buque, vamos a estudiar por separado el consumo debido a los sistemas de propulsión, el cual depende principalmente de la velocidad del buque y su estado de navegación, y el consumo debido a las instalaciones hoteleras, el cual depende principalmente del número de pasajeros a bordo, la hora del día y el día del itinerario. 3.1.1. Consumo energético propulsivo en alta mar El consumo energético propulsivo en alta mar depende de la resistencia al avance de la embarcación y de la eficiencia de su sistema de propulsión. La resistencia al avance para un rango de velocidades concreto depende a su vez de las formas y dimensiones del buque. Mientras que, por su parte, la eficiencia de su sistema de propulsión viene dada por el rendimiento de todas sus partes, desde los motores generadores hasta el propulsor. Para poder determinar la resistencia al avance de la embarcación, se ha realizado un modelo aproximado de su carena en el software MAXSURF® Modeler, teniendo en cuenta sus dimensiones y su desplazamiento aproximado de 100.000 toneladas. A continuación, se muestra la carena obtenida y sus características. Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 20 Figura 7: Plano con el modelo aproximado usado para el cálculo de resistencia al avance. Hidrostática del modelo de estudio en MAXSURF® Desplazamiento 97.008 t Coeficiente de la maestra (Cm) 0,901 Eslora de flotación 329,887 m Coeficiente del área de flotación (Cwp) 0,801 Manga en flotación 46,995 m Posición longitudinal del centro de carena (m) 139,676 m Calado 9,322 m Posición longitudinal del centro de carena (%) 39,92% desde popa Superficie mojada 17.386,084 m2 Altura del centro de carena 5,326 m Área de la maestra 393,953 m2 BMt 22,248 m Coeficiente prismático (Cp) 0,687 KMt 27,574 m Coeficiente de bloque (Cb) 0,617 Relación Eslora / Manga 7,445 Tabla 4: Datos hidrostáticos del modelo de estudio en MAXSURF® basado en el Oasis of the Seas. Capítulo 3. Características del buque a estudiar 21 Una vez obtenida la carena, se ha utilizado el software MAXSURF® Resistance para poder calcular una estimación de la evolución de la curva de resistencia al avance del buque. Para ello, se ha utilizado el método de predicción de potencia de Holtrop-Mennen, cuyos límites de aplicación se muestran a continuación: Límites de aplicación del método Holtrop-Mennen Número de Froude 0 < Fn < 0,8 Coeficiente prismático 0,55 < Cp < 0,85 Relación eslora-manga 3,9 < L/B < 15 Relación manga-calado 2,1 < B/T < 4 Tabla 5: Límites de aplicación del método Holtrop-Mennen[ 10 ] El rango de la curva de resistencia-velocidad obtenida va desde los 0 nudos hasta los 22,6, la velocidad máxima de la embarcación. En el anexo A2 se encuentra una tabla con los valores de la curva detallados. Figura 8: Augmento de la resistencia al avance según la velocidad del modelo equivalente del Oasis of the Seas. 10 Fuente: BENTLEY®. MAXSURF resistance program & user manual. Exton: Autor, 2021. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 5 10 15 20 25 Resistencia (kN) Velocidad (kn) Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 22 El siguiente paso para poder estimar el consumo total del sistema propulsivo de la embarcación es obtener el rango de velocidades al que ésta suele trabajar. Para ello, se ha hecho un seguimiento periódico a tiempo real de la embarcación usando la página MarineTraffic durante un itinerario completo por el caribe. A continuación, se muestran los detalles del itinerario. Todas las horas se muestran en UTC. • Día 1: Miami (salida a las 21:30) • Día 2: Nasau (11:30-19:30) • Día 3: Navegación • Día 4: Costa Maya (14:00-22:00) • Día 5: San Juan (10:30-18:30) • Día 6: Navegación Figura 9: Tiempo de navegación para cada rango de velocidades en alta mar. 0:00 4:48 9:36 14:24 19:12 24:00 28:48 33:36 38:24 43:12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Tiempo (h) Velocidad (kn) Capítulo 3. Características del buque a estudiar 23 Figura 10: Tiempo de navegación para cada rango de velocidades en Puerto. Como podemos observar en el gráfico del tiempo de navegación en alta mar, la velocidad más común con diferencia es la velocidad de 21 nudos, con un tiempo de navegación total de 38,5h. Aún que también cabe destacar las velocidades de 10 y 20 nudos, con tiempos totales de 7,5 y 8,3h respectivamente. Además, se ha podido estudiar que, de la duración total de la travesía, el 36,5% del tiempo la embarcación ha estado en puerto. En el anexo A3 se puede consultar el registro completo de velocidades realizado. Así como el tiempo total específico para cada velocidad, tanto en puerto como en alta mar. Una vez obtenidas las velocidades más relevantes, se debe calcular la eficiencia del sistema propulsivo para dichas velocidades, para así poder determinar finalmente el consumo eléctrico del sistema. Por tal de poder facilitar la obtención de información y poder utilizar datos públicos, se ha estimado que los 3 propulsores del Oasis of the Seas, idénticos entre ellos, son propulsores de la serie B de Wageningen. A continuación, se ha usado una hoja de cálculo para poder determinar todos los parámetros de la hélice. Para poder obtener su relación de áreas, se ha generado un diagrama aproximado mediante el software Rhinoceros® a partir de una imagen del propulsor, del cual se ha obtenido una relación de áreas de 0,616. 0:00 0:14 0:28 0:43 0:57 1:12 1:26 12345678910 11 Tiempo (h) Velocidad (kn) Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 24 Figura 11: Diagrama de una de las hélices del Oasis of the Seas generado con Rhinoceros® a partir de una imagen para poder determinar la relación de áreas del propulsor. Las hélices del Oasis of the Seas tienen un diámetro de 6,1m [7]. Están fabricadas en bronce y pesan 40t cada una. Sus revoluciones a máxima velocidad son las mismas que las de los motores eléctricos de los azipods a los que van acopladas. Estas revoluciones se han obtenido de la gráfica mostrada a continuación: Figura 12: Gráfica de selección de la unidad azipod según su potencia y velocidad, subministrada por el fabricante[ 11 ]. 11 Fuente: ABB Oy, MARINE, 2010. Azipod® Product platform selection guide [en línea]. Helsinki: ABB [consulta: 10 abril 2022]. Disponible en: https://library.e.abb.com/public/1b13ae404001bd3ec125778a004300ac/ABB%20- %20Azipod%20Selection%20Guide.pdf Capítulo 3. Características del buque a estudiar 25 Sabiendo que la potencia de las azipods del Oasis of the Seas es de 20 MW [11], y que el modelo instalado en el buque es el VO2300[ 12 ], [ 13 ], podemos obtener unas revoluciones del propulsor aproximadas de 140 rpm. El único dato que falta por determinar es la relación de paso de la hélice, la cual es de paso fijo. Sabiendo ya las revoluciones del motor y el empuje necesario para la velocidad máxima de 22,6 kn, sólo hay que hacer coincidir el empuje necesario determinado por la hoja de cálculo con un tercio del generado, ya que se dispone de tres propulsores. De esta forma se obtiene una relación P/D de 0,933 y un empuje de 1056,2 kN por hélice a máxima velocidad. Estimando un rendimiento mecánico del 97% y un rendimiento rotativo relativo del 98%, se ha calculado que la potencia necesaria para mover la embarcación a máxima potencia es de 50.886,3 kW con un rendimiento en aguas abiertas del 71,5%. El Oasis of the Seas tiene en total 60 MW dedicados a la propulsión sin contar los propulsores de proa (los tres azipods de 20 MW). Un 18% más de la potencia necesaria estimada en este apartado. Teniendo en cuenta que se suele tomar un margen de mar del 15% para poder llegar a dicha velocidad máxima en diferentes condiciones de oleaje, se puede decir que el resultado obtenido es bastante preciso. El siguiente paso consiste en variar las revoluciones de los motores de las azipods para las diferentes velocidades que se han considerado relevantes y así poder obtener la potencia requerida para cada caso. A continuación, se muestra una tabla con los resultados obtenidos: 12 Fuente: ABB Oy, MARINE, 2010. The new generation Azipod® takes podded propulsion to a new level [en línia]. Helsinki: ABB [consulta 10 abril 2022]. Disponible en: https://library.e.abb.com/public/b3d438b1fe5063c8c12576b70048dad2/Azipod%20XO_2010.pdf 13 Fuente: ABB Oy, MARINE, 2013. ABB Propulsion products reference list [en línia]. Helsinki: ABB [consulta 10 abril 2022]. Disponible en: https://library.e.abb.com/public/98a7ddd74d7ecb3bc1257b09004c14ab/ABB%20Propulsion%20Products%2 0reference%20list%202013.pdf Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 32 𝑃𝑎𝑡𝑟𝑎𝑞𝑢𝑒 =𝑃𝑎𝑝𝑜𝑦𝑜 +{𝑃ℎ𝑜𝑡.𝑚á𝑥 𝑃ℎ𝑜𝑡.𝑚í𝑛 = 𝑃𝑎𝑡𝑟𝑎𝑞𝑢𝑒 =770+{7.121=7.891𝑘𝑊 12.683=13.453𝑘𝑊 Figura 15: Demanda energética del Oasis of the Seas. La imagen superior muestra una comparativa entre los diferentes casos de carga definidos en este apartado. Nótese el amplio rango de potencias que debe abarcar la planta eléctrica del buque. 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 Nav. a V.máx. Nav. a 20-21kts Maniobra Nav. a 10kts Atraque Capítulo 3. Características del buque a estudiar 33 3.2. Descripción técnica de la planta propulsiva Como era de esperar, el caso de mayor demanda es el de navegación a máxima velocidad con una demanda máxima de 67.416. Teniendo en cuenta que el fabricante de los motores del buque recomienda operarlos alrededor del 85% de su potencia nominal para no sobrecargarlos y que siempre se tiene uno de los motores parado por temas de redundancia, cumpliendo así con la parte 4, capítulo 8, sección 2, apartado 2.2 de la normativa del DNV para buques de pasaje, tal y como se puede consultar en el anexo A4 [ 15 ], podemos calcular la planta eléctrica necesaria para alimentar dicho caso de mayor consumo, la cual debería tener una capacidad de 93.052kW. El Oasis of the Seas dispone de 6 motores diésel de dos potencias distintas, los cuales alimentan sus propios generadores para producir electricidad, la cual se reparte a los diferentes sistemas de abordo. Concretamente, su planta eléctrica consiste en 3 Wärtsilä 12V46F de 14.400kW y 3 Wärtsilä 16V46F de 19.200kW. Estos motores son motores diésel convencionales que funcionan con MFO o MDO. Sin embargo, para los propósitos de este proyecto en el que se va a diseñar una planta eléctrica alimentada por GNL y por tal de simplificar cálculos y permitir una comparación más directa, se van a substituir dichos motores por sus versiones dual-fuel alimentadas por GNL, eliminando así de la ecuación los “scrubbers” que reducen las emisiones de la embarcación al utilizar combustibles más contaminantes. Como consecuencia de este cambio, las potencias máximas de los motores principales se ven ligeramente reducidas de 14.400kW a 13.740kW y de 19.200kW a 18.320kW respectivamente. Esto nos da una potencia instalada real de 96.180kW, 3.128kW mayor a la calculada, lo que supone un error del 3,21%, por lo que los datos obtenidos se pueden considerar suficientemente fiables para su aplicación en este estudio. Para poder calcular la eficiencia total de la planta en los diferentes casos de carga anteriormente definidos, primero se debe obtener la curva de consumo según el porcentaje de carga para los motores principales, la cual se muestra a continuación: 15 Fuente: DNV. RU-SHIP, Part 4 Systems and Components Chapter 8 Electrical Installations [en línea]. Oslo, 2021 [consultado el 26 de mayo de 2022]. Disponible en: https://rules.dnv.com/docs/pdf/DNV/RUSHIP/2021-07/DNV-RU-SHIP-Pt4Ch8.pdf Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 34 Figura 16: Consumo específico a cargas parciales de la familia Wärtsilä 46DF [6]. Para obtener la curva de rendimiento de los motores, simplemente se aplica la siguiente fórmula: 𝜂 = 3.600 𝐵𝑆𝐸𝐶[ 𝑘𝐽 𝑘𝑊ℎ] Siendo 3.600 el factor de conversión necesario para convertir la energía aportada por el combustible en kJ a kWh. De esta forma se obtiene la siguiente gráfica del rendimiento a cargas parciales de los motores: 7300 7400 7500 7600 7700 7800 7900 8000 8100 8200 8300 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 100% BSEC % de potencia nominal Capítulo 3. Características del buque a estudiar 35 Figura 17: Rendimiento a cargas parciales de la familia Wärtsilä 46DF. Como todos los motores de la planta eléctrica del Oasis of the Seas pertenecen a la misma familia, todos se comportan de la misma manera a cargas parciales. Para la eficiencia global de la planta eléctrica en cargas parciales, el procedimiento habitual de reducción de la potencia es el de reducir progresivamente la potencia de todos los motores en funcionamiento a la vez hasta que se pueda apagar uno y que el resto puedan asumir la carga. De esta forma, los motores por separado funcionan lo más cerca posible de su potencia nominal durante el mayor periodo de tiempo posible, lo que augmenta la eficiencia de toda la planta. Para evitar sobrecargas en los motores debido a subidas inesperadas en la carga, siempre se ha tenido en cuenta, en la medida de lo posible, que estos no superen el margen del 85% de la carga nominal recomendado por el fabricante. Con todos estos factores, se ha obtenido la siguiente curva de potencia: 43% 44% 45% 46% 47% 48% 49% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 100% Rendimiento % de potencia nominal Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 36 Figura 18: Proceso de augmento/reducción progresiva de la potencia de la planta eléctrica del Oasis of the Seas”. En esta gráfica, los generadores del 1 al 3 corresponden a los Wärtsilä 12V46DF de 13.740kW y del 4 al 6 a los Wärtsilä 16V46DF de 18.320kW. Se puede observar cómo, a medida que se reduce la potencia generada, se van apagando los diferentes generadores progresivamente, de forma que los generadores restantes operan en un rango de potencia muy parecido. Sabiendo la potencia que genera cada uno de los generadores para todo el rango de potencia de la planta, se puede determinar el rendimiento global de esta en todo su rango operacional: 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 Potencia del generador (kW) Carga nominal Generador 1 Generador 2 Generador 3 Generador 4 Generador 5 Generador 6 Capítulo 3. Características del buque a estudiar 37 Figura 19: Rendimiento a cargas parciales de la planta eléctrica del Oasis of the Seas. Como se puede observar, esta gráfica y la de la figura 18 están altamente relacionadas la una con la otra y, como se ha comentado, el rendimiento global de la planta se mantiene estable en la mayoría de su rango operacional, con máximos del 47,81%, mínimos del 43,85% y un intervalo de sólo el 3,96%. A la hora de diseñar una planta eléctrica también es importante evitar que la planta trabaje mucho tiempo en los picos de bajo rendimiento. Determinado el rendimiento en toda la franja de operación de la planta, se pueden comprobar los rendimientos de ésta en los casos determinados anteriormente en el apartado 3.1.4. De esta forma, el rendimiento de la planta en las diferentes situaciones de carga es el siguiente: 41,00% 42,00% 43,00% 44,00% 45,00% 46,00% 47,00% 48,00% 49,00% 50,00% 96180 81753 72135 70074 67600,8 61830 58532,4 58395 56334 51525 46716 46716 45067,2 41220 32976 31144 27480 21251,2 18320 15572 13740 11679 10305 6870 Rendimiento total Potencia generada Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 38 Rendimiento de la planta eléctrica del Oasis of the Seas en los diferentes casos de carga Caso de carga Potencia necesaria Rendimiento Navegación a máxima velocidad 67.416-61.854kW 47,58-47% Navegación a 20-21 nudos 55.993-45.013kW 47,58-46,29% Navegación a 10 nudos 21.010-15.448kW 47,81-43,85% Maniobra en puerto 32.589-27.027kW 47-45,34% Condición de atraque 13.543-7.891kW 47,81-43,85% Tabla 8: Rendimiento de la planta eléctrica del Oasis of the Seas en los diferentes casos de carga. Estos rendimientos obtenidos son los objetivos por superar en el diseño de la nueva planta eléctrica basada en el ciclo combinado. Capítulo 4. Diseño de la planta 39 Capítulo 4. Diseño de la planta Una vez definidas las condiciones de trabajo y los objetivos que cumplir, y determinados los rendimientos de la planta convencional en dichas condiciones, se puede empezar a diseñar la nueva planta propulsiva. 4.1. Consideraciones previas El primer paso en el diseño de la planta es consultar catálogos de fabricantes. En este caso, se ha acabado optando por las soluciones propuestas por la empresa General Electrics debido a su amplio catálogo y a su gran experiencia en el uso de turbinas de gas en el ámbito marino, entrando en el sector en la década de los 50 y con más de 5.400 turbinas de gas en funcionamiento con más de 150 millones de horas acumuladas en generación de potencia para aplicaciones marinas [ 16 ]. También es la responsable de propulsar los buques de crucero de la clase Millennium propiedad de Celebrity Cruises nombrados en el apartado 1.2. Como se ha podido observar en el apartado 3.2., la planta eléctrica de un buque de crucero funciona durante prácticamente la totalidad del tiempo a cargas inferiores a la máxima de la planta. Es por ello por lo que para el diseño de esta planta propulsiva se va a optar por una solución mono eje, con una turbina de vapor dedicada a cada una de las turbinas de gas. Esto también permite el mantenimiento de un grupo generador completo sin 16 Fuente: GE AVIATION. Building on a marine power legacy [en línea]. Cincinnati: GE Aviation, abril de 2021 [consultado el 9 de junio de 2022]. Disponible en: https://www.geaviation.com/sites/default/files/geexperience.pdf Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 40 reducir la eficiencia de la planta. Varios fabricantes, entre los cuales se encuentra General Electrics, han desarrollado ciclos combinados mono eje estandarizados para sus turbinas de gas. Estas unidades estandarizadas permiten ventajas relacionadas con tiempos de instalación reducidos y mayor disponibilidad, lo que se traduce en menores costes de instalación. El último requisito para tener en cuenta en el nuevo diseño es que la potencia total de la planta debe ser, como mínimo, igual a la potencia total instalada de la planta convencional del buque. Es decir, tener como mínimo una potencia instalada de 96.180kW. Además, también se ha intentado que los grupos turbogeneradores no funcionen a cargas superiores al 90% en la mayoría de los casos de carga esperados [ 17 ]. 4.2. Características de la solución propuesta El primer paso en la elección de un ciclo combinado es determinar el tamaño y número de turbinas de gas que se van a usar según la necesidad de cubrir una cierta demanda. En este caso, buscando un compromiso entre utilizar turbinas de gran tamaño, lo que conlleva mayor eficiencia a su potencia nominal, y un número de turbinas suficientemente elevado como para poder tener la flexibilidad necesaria para cubrir el gran rango de demandas de forma eficiente, se ha optado por dos turbinas de gas de distinta potencia, cada una funcionando en un ciclo combinado mono eje. Para poder comprender el comportamiento de una planta de generación de potencia en diferentes situaciones, primero hay que ver y entender el comportamiento de los elementos que la conforman. A continuación, se describen los dos grupos generadores principales que se han elegido para el diseño de esta planta, así como una posible solución para los casos de baja demanda. 17 Fuente: SFAKIANAKIS, Konstantinos y Dracos VASSALOS. 2015 IEEE Electric Ship Technologies Symposium (ESTS). En: Design for safety and energy efficiency of the electrical onboard energy systems. Piscataway: IEEE, 2015. ISBN 978-1-4799-1857-7. Capítulo 4. Diseño de la planta 41 4.2.1. Grupo generador LM6000PF 1x1 La LM6000 es una turbina de gas aeroderivativa de doble eje y alto rendimiento derivada del motor de aviación CF6-80C2. La variante PF tiene una potencia nominal de 44.700kW [ 18 ]. Este modelo de turbina utiliza piezas de bajo coste, y tanto el compresor de baja presión como el de alta presión disponen de unos álabes guía que permiten regular la entrada del aire o VIGVs (por sus siglas en inglés Variable Inlet Guide Vanes), lo que otorga a la turbina un excelente rendimiento a cargas parciales hasta aproximadamente el 60% de su carga nominal. Con una combinación de un flujo de aire y de combustible reducidos, la relación aire – combustible se mantiene elevada, lo que permite mantener altas temperaturas en los gases de escape, augmentando así el rendimiento del ciclo de vapor. Adicionalmente, dichos álabes permiten un encendido de emergencia de la turbina en 5 minutos, ideal para casos de pérdida de alguno de los sistemas de generación. 18 Fuente: GE AVIATION. The LM6000 Engine | GE Aviation. Home | GE Aviation | GE Aviation [en línea]. 2022 [consultado el 9 de junio de 2022]. Disponible en: https://www.geaviation.com/propulsion/marine/lm6000 Figura 20: Imagen de la LM6000PF [18]. Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 48 Figura 27: Comparación entre el rendimiento de la turbina de gas funcionando en ciclo simple y en ciclo combinado en configuración mono eje. Tanto trabajando en un ciclo simple como en un ciclo combinado, se pueden observar comportamientos semejantes entre la LM6000PF y la LM2500DLE. Esto se debe a que las dos turbinas provienen del mismo motor de aviación, por lo que también comparten varios de sus elementos. Esto conlleva otras ventajas que se expondrán más adelante. El comportamiento de los VIGVs se puede observar en las anteriores gráficas, en las cuales se ve como el rendimiento del ciclo decae rápidamente por debajo del 50% de la potencia de la turbina, ya que por debajo de dicha potencia los álabes ya no pueden reducir más el flujo másico de aire entrante. 4.2.3. Generación en puerto Como ya se ha comentado anteriormente, las turbinas de gas tienen un rendimiento muy pobre a bajos porcentajes de carga en comparación de los motores de combustión interna convencionales. Lo que significa que la planta propuesta hasta el momento no tiene ninguna forma de poder suplir de forma eficiente la demanda energética en la condición de puerto, en la cual la demanda energética no supera los 14.000kW. Esto no supone un gran problema, ya que ya se está empezando a implementar un sistema de conexión a tierra en muchas de las grandes terminales de cruceros del mundo para poder alimentar a los cruceros sin que estos requieran tener algún generador en 70,0% 75,0% 80,0% 85,0% 90,0% 95,0% 100,0% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Rendimiento relativo Carga nominal Rendimiento TG Rendimiento CC Capítulo 4. Diseño de la planta 49 funcionamiento. Sin embargo, como la embarcación sobre la que se está trabajando no dispone de este sistema, se ha decidido implementar una solución alternativa para que la nueva planta también sea capaz de ser completamente autosuficiente en todas las condiciones propuestas. Como la potencia necesaria en puerto es relativamente pequeña en comparación de la potencia necesaria en el resto de condiciones, y además dicha potencia es altamente variable, por lo que se requiere un elevado rendimiento para un gran abanico de potencias, se ha acabado optando por utilizar un generador diésel convencional, ya que adaptar un ciclo combinado para una potencia tan reducida no sería practico debido a la complejidad de sus instalaciones, y utilizar una turbina de gas en ciclo simple para esta condición de carga no sería rentable a largo plazo debido a su poco rendimiento. Con todo esto en mente, finalmente se ha optado por utilizar un Wärtsilä 12V46DF. Este es el mismo motor que utiliza el Oasis of the Seas para la condición de puerto, por lo que el comportamiento en dicha situación de carga sería idéntico entre ambas plantas eléctricas. Adicionalmente, en caso de pérdida de uno de los grupos generadores o de la necesidad de una elevada potencia puntual, este motor puede prestar apoyo al sistema de alimentación. El rendimiento a cargas parciales del motor se puede observar en la figura 17. 4.2.4. Características de la planta Finalmente, con todos los elementos que la comprenden estudiados, se pueden determinar las características de la planta. La potencia máxima de la planta es de 105.840kW debido al motor diésel añadido para la condición de puerto, aunque en las condiciones operacionales de diseño nunca se utilizan todos los grupos generadores simultáneamente. Para poder evaluar el rendimiento de la planta en todo su rango operacional, se han determinado las soluciones óptimas en temas de rendimiento para cada potencia. Esto ha resultado en un rendimiento máximo del 53,6% a una potencia de 55.923kW, coincidiendo con la demanda de potencia máxima de la embarcación a la velocidad de 21 nudos. La secuencia de encendido de los grupos generadores de la planta se muestra en la siguiente gráfica: Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 50 Figura 28: Secuencia de encendido de la planta eléctrica propuesta. En el gráfico anterior se puede observar también como se ha intentado que los diferentes grupos generadores funcionen en la mitad alta de sus rangos de potencia por tal de mejorar la eficiencia global de la planta, evitando así las grandes caídas de rendimiento de las turbinas de gas funcionando a cargas parciales. El resultado de estos esfuerzos se puede observar en la siguiente gráfica, la cual muestra el rendimiento global de la planta eléctrica: 0 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000 60.000 5% 15% 25% 35% 45% 55% 65% 75% Potencia del grupo generador (kW) Carga nominal LM6000 CC LM2500 CC W12V46DF Capítulo 4. Diseño de la planta 51 Figura 29: Rendimiento a cargas parciales de la planta eléctrica propuesta. En la figura se puede observar cómo el punto de mayor rendimiento coincide con el punto de mayor potencia del grupo de la LM6000, y cómo los diferentes picos de rendimiento van coincidiendo con los rangos de potencia más elevada de cada uno de los grupos generadores. Comparado con el de la gráfica del rendimiento global de la planta eléctrica convencional del Oasis of the Seas de la figura 18, el intervalo de rendimientos en las potencias operativas es mucho mayor, con un máximo del 53,6% y un mínimo del 44,8%. Una variación total del 8,8%. Por otro lado, el pico de rendimiento máximo de esta planta es mucho mayor, un 53,6% contra un 47,81%. Determinado el rendimiento en toda la franja de operación de la planta, se pueden comprobar los rendimientos de ésta en los casos determinados anteriormente en el apartado 3.1.4. De esta forma, el rendimiento de la planta en las diferentes situaciones de carga es el siguiente: 40,0% 42,0% 44,0% 46,0% 48,0% 50,0% 52,0% 54,0% 56,0% Rendimiento total Potencia generada Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 52 Rendimiento de la planta eléctrica propuesta en los diferentes casos de carga Caso de carga Potencia necesaria Rendimiento Navegación a máxima velocidad 67.416-61.854kW 51,1-51% Navegación a 20-21 nudos 55.993-45.013kW 53,6-51,8% Navegación a 10 nudos 21.010-15.448kW 47,6-45,8% Maniobra en puerto 32.589-27.027kW 51,9-50,6% Condición de atraque 13.543-7.891kW 48,7-44,8% Figura 30: Rendimiento de la planta eléctrica propuesta en los diferentes casos de carga. Estos rendimientos hacen referencia únicamente al rendimiento eléctrico de la planta. Sin embargo, la elevada producción de vapor de la planta permite añadir extracciones de vapor antes del condensador para otras aplicaciones como podrían ser, por ejemplo, los equipos de producción de agua dulce o las máquinas de aire acondicionado, los cuáles, como se ha comentado anteriormente, son unos de los mayores consumidores energéticos abordo. Esto implicaría reducir una importante carga sobre los equipos generadores y una mayor eficiencia de la planta, ya que un ciclo combinado puede producir vapor de manera más eficiente que una planta convencional, debido a la elevada diferencia de temperatura producida por la temperatura de los gases de entrada a la turbina de gas. En este proyecto no se ha estudiado dicha posibilidad, pero es importante tenerlo en cuenta para futuros diseños. En todas las etapas del diseño de la planta se ha tenido en cuenta que esta cumpla con los diferentes apartados de la norma aplicable sobre ella, distribuida por la sociedad de clasificación encargada de regular el buque. En este caso, DNV. La planta cumple con los criterios de redundancia necesarios, permitiendo el 40% de la potencia en caso del fallo de un único elemento y, gracias al motor diésel añadido y a la alta velocidad de arranque en caso de emergencia de las turbinas de gas, cumple con los tiempos límites de recuperación de la energía en caso de pérdida de esta en los diferentes casos de navegación. En el caso de maniobra, la embarcación navega a una velocidad Capítulo 4. Diseño de la planta 53 reducida tal y como se observa en la figura 10, con velocidades que no superan los 10 nudos. Sin embargo, tal y como dicta la Parte 4 Capítulo 1 Sección 3 Apartado 2.3 del DNV, adjunto en el Anexo A4 de este proyecto, los componentes y sistemas apoyando la función de propulsión se deben diseñar con una redundancia de grado 1 en zonas donde la pérdida de la propulsión pueda suponer un peligro para la integridad del buque (como es el caso de maniobra en puerto). Esto implica que, en caso de perder más del 60% de la potencia nominal del sistema, dicha potencia se deberá poder restablecer en un intervalo no superior a 30 segundos. Tal y como se ha mencionado anteriormente, la potencia máxima de la planta es de 105.840kW, mayor a la planta convencional del Oasis of the Seas, por lo que los elementos que la conforman ya están debidamente sobredimensionados para que estos no trabajen por encima del 90% de su carga nominal en la mayoría de las condiciones operacionales previstas [ 25 ]. 25 Fuente: SFAKIANAKIS, Konstantinos y Dracos VASSALOS. Design for safety and energy efficiency of the electrical onboard energy systems. Washington DC: IEEE, 2013. ISBN 978-1-4799-1856-0. Capítulo 5. Estudio de viabilidad 55 Capítulo 5. Estudio de viabilidad Habiendo definido el diseño de la planta eléctrica basada en el ciclo combinado y determinadas sus características y comportamiento en las diferentes condiciones de navegación, el siguiente paso es comparar dichos datos de esta planta con los de la planta convencional instalada a bordo del Oasis of the Seas en un estudio económico por tal de estudiar su posible aplicación. Para poder realizar la comparación, se pueden dividir los costes de cada una de las plantas en costes iniciales, que incluyen los costes de instalación y compra de los equipos, y costes operacionales, que envuelven el coste del combustible consumido y mantenimiento de cada una de las plantas. Estos últimos se han estudiado en una base anual. 5.1. Balance económico de la planta eléctrica convencional Sabiendo el precio por kW aproximado estipulado por el fabricante [ 26 ], se puede aproximar el precio de los motores que conforman la planta eléctrica del Oasis of the Seas en $5.015.000 para los Wärtsilä 12V46DF de 13.740kW y $6.685.000 para los Wärtsilä 16V56DF de 18.320kW. Con estos datos, se puede aproximar el precio total de los grupos generadores a $35.100.000. El precio de instalación y de los equipos auxiliares no se ha 26 Fuente: AHLQVIST, Pekka. Decentralized Energy Solutions. Wärtsilä Energy News [en línea]. 2003, 16, 32. ISSN 1456-3274 [consultado el 25 de junio de 2022]. Disponible en: https://www.sica.int/download/?pres_4035_1_11112005.pdf Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 56 tenido en cuenta, y se asumirá constante para los dos conceptos de plantas eléctricas por lo que no influirá a la hora de compararlas. Suponiendo que el itinerario descrito en el capítulo 3 se repite durante 11 de los 12 meses del año (dejando 1 mes para revisiones y mantenimiento), se puede determinar el consumo de combustible anual del Oasis of the Seas teniendo en cuenta las velocidades y tiempos de navegación. De esta forma, el coste de combustible se puede determinar cómo: 𝐶𝑐𝑜𝑚𝑏 =𝐶󰇗𝐿𝑁𝐺 ·∑𝐵𝑆𝐸𝐶𝑣·𝑡𝑣·𝑃𝑣 1000·𝐿𝐻𝑉 Donde: • 𝐶𝑐𝑜𝑚𝑏 = Coste total del combustible en $. • 𝐶󰇗𝐿𝑁𝐺 = Coste específico del gas natural en $/t. • 𝐵𝑆𝐸𝐶𝑣= Consumo energético especifico al freno según la velocidad en kJ/kWh. • 𝑡𝑣= Tiempo de navegación a una velocidad determinada. • 𝑃𝑣= Potencia de la planta según la velocidad. • 𝐿𝐻𝑉 = Poder calorífico inferior en kJ/kg. • 𝜌𝐿𝑁𝐺 = Densidad del gas natural en kg/m3. Sustituyendo los valores según los datos de velocidad obtenidos en el capítulo 3, y estimando el coste específico del gas natural en 1.766,5$/t [ 27 ], se obtiene un coste de combustible anual de $80.621.000. A parte de los costes de combustible, los costes operacionales también abarcan los costes de mantenimiento anuales. Estos se han determinado mediante regresiones y estudios aproximados realizados en plantas eléctricas de motores diésel: 27 Fuente: Rotterdam Bunker Prices. Ship & Bunker [en línea]. 2022 [consultado el 24 de junio de 2022]. Disponible en: https://shipandbunker.com/prices/emea/nwe/nl-rtm-rotterdam#MGO Capítulo 5. Estudio de viabilidad 57 Figura 31: Costes operativos y de mantenimiento variables de diferentes tipos de plantas de diferentes tamaños. Costes de combustible no incluidos [4]. Como se puede observar en el gráfico anterior, el coste de mantenimiento para una planta eléctrica que utiliza motores diésel se estima en 1,9$/MWh. De esta forma, el coste operacional total de la planta eléctrica del Oasis of the Seas se puede estimar como el siguiente: 𝐶𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 =𝐶𝑐𝑜𝑚𝑏 +1,9·∑𝑡𝑣·𝑃𝑣 Esto resulta en un coste operacional anual de la planta eléctrica de $81.153.000. Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 64 [9] Oasis of the Seas Fast Facts. [En línia]. Wayback Machine. 2012. Disponible en: https://web.archive.org/web/20120220080037/http://www.oasisoftheseas.com/press kit/Oasis_of_the_Seas.pdf . [consultado el 31/03/2022]. [10] BENTLEY®. MAXSURF resistance program & user manual. Exton: Autor, 2021. [11] ABB Oy, MARINE, 2010. Azipod® Product platform selection guide [en línea]. Helsinki: ABB [consulta: 10 abril 2022]. Disponible en: https://library.e.abb.com/public/1b13ae404001bd3ec125778a004300ac/ABB%20- %20Azipod%20Selection%20Guide.pdf [12] ABB Oy, MARINE, 2010. The new generation Azipod® takes podded propulsion to a new level [en línia]. Helsinki: ABB [consulta 10 abril 2022]. Disponible en: https://library.e.abb.com/public/b3d438b1fe5063c8c12576b70048dad2/Azipod%20 XO_2010.pdf [13] Fuente: ABB Oy, MARINE, 2013. ABB Propulsion products reference list [en línia]. Helsinki: ABB [consulta 10 abril 2022]. Disponible en: https://library.e.abb.com/public/98a7ddd74d7ecb3bc1257b09004c14ab/ABB%20Pr opulsion%20Products%20reference%20list%202013.pdf [14] INTERNATIONAL CORPORATION SEAWORTHY SYSTEMS, INC. HAN-PADRON ASSOCIATES AND YEI ENGINEERS PREPARED FOR PORT OF SAN FRANCISCO PIER 1. Final Report Shoreside Power Feasibility Study for Cruise Ships Berthed at Port of San Francisco. San Francisco: Air Sciences, septiembre de 2005. [15] GE AVIATION. Building on a marine power legacy [en línea]. Cincinnati: GE Aviation, abril de 2021 [consultado el 9 de junio de 2022]. Disponible en: https://www.geaviation.com/sites/default/files/ge-experience.pdf [16] [17] SFAKIANAKIS, Konstantinos y Dracos VASSALOS. 2015 IEEE Electric Ship Technologies Symposium (ESTS). En: Design for safety and energy efficiency of the electrical onboard energy systems. Piscataway: IEEE, 2015. ISBN 978-1-4799-1857-7. [18] GE AVIATION. Building on a marine power legacy [en línea]. Cincinnati: GE Aviation, abril de 2021 [consultado el 9 de junio de 2022]. Disponible en: https://www.geaviation.com/sites/default/files/ge-experience.pdf [19] GE GAS POWER. LM6000 Aeroderivative Gas Turbine | GE Gas Power. gepower-v2 [en línea]. 2022 [consultado el 9 de junio de 2022]. Disponible en: https://www.ge.com/gas-power/products/gas-turbines/lm6000 Bibliografía y referencias 65 [20] GE MARINE, 2018. LM6000 Marine Gas Turbine [en línea]. Cincinnati: GE Marine [consulta: 9 junio 2022]. Disponible en: https://www.geaviation.com/sites/default/files/datasheet-lm6000.pdf [21] GE ENERGY, 2008. LM6000-50/60Hz Gas Turbine Generation Set Product Specification [en línea]. Houston: GE Energy [consulta: 26 mayo 2022]. Disponible en; https://www.academia.edu/36844512/LM6000_50_60_HZ_Gas_Turbine_Generato r_Set_Product_Specification_GE_Energy_1333_West_Loop_South_Houston_TX_ 77027_Telephone_713_803_0900_LM6000_60Hz_Classic_6_2008 [22] GE AVIATION. LM2500 Engine. Home | GE Aviation | GE Aviation [en línea]. 2022 [consultado el 9 de junio de 2022]. Disponible en: https://www.geaviation.com/propulsion/marine/lm2500 [23] GE MARINE, 2018. LM2500 Marine Gas Turbine [en línea]. Cincinnati: GE Marine [consulta: 9 junio 2022]. Disponible en: https://www.geaviation.com/sites/default/files/2022-01/LM2500-Datasheet.pdf [24] FLATEBØ, Øystein. Off-design Simulations of Offshore Combined Cycles. Trabajo de final de estudios, Norwegian University of Science and Technology, 2012 [consultado el 9 de junio de 2022]. Disponible en: https://ntnuopen.ntnu.no/ntnuxmlui/bitstream/handle/11250/234879/566485_FULLTEXT01.pdf?sequence=2 [25] SFAKIANAKIS, Konstantinos y Dracos VASSALOS. Design for safety and energy efficiency of the electrical onboard energy systems. Washington DC: IEEE, 2013. ISBN 978-1-4799-1856-0. [26] AHLQVIST, Pekka. Decentralized Energy Solutions. Wärtsilä Energy News [en línea]. 2003, 16, 32. ISSN 1456-3274 [consultado el 25 de junio de 2022]. Disponible en: https://www.sica.int/download/?pres_4035_1_11112005.pdf [27] Rotterdam Bunker Prices. Ship & Bunker [en línea]. 2022 [consultado el 24 de junio de 2022]. Disponible en: https://shipandbunker.com/prices/emea/nwe/nlrtm-rotterdam#MGO [28] CWILEWICZ, Romuald. COGES as a future of marine propulsion plants. Trabajo de final de estudios, Gdynia Maritime University, 2014. Anexo A1. Diagrama de Gantt 67 Anexo A1. Diagrama de Gantt Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 68 Anexo A1. Diagrama de Gantt 69 Anexo A2. Curva de Resistencia al avance del Oasis of the Seas 71 Anexo A2. Curva de Resistencia al avance del Oasis of the Seas Velocidad (kn) Número de Froude (LWL) Resistencia Holtrop (kN) Potencia Holtrop (kW) 0 0 -- -- 0,575 0,005 2,1 0,623 1,15 0,01 7,8 4,599 1,725 0,015 16,8 14,906 2,3 0,02 29,1 34,456 2,875 0,025 44,7 66,135 3,45 0,03 63,6 112,8 4,025 0,035 85,6 177,263 4,6 0,04 110,8 262,273 5,175 0,045 139,2 370,504 5,75 0,05 170,6 504,544 6,325 0,056 205 666,896 Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 72 6,9 0,061 242,3 859,98 7,475 0,066 282,4 1086,143 8,05 0,071 325,4 1347,67 8,625 0,076 371,1 1646,8 9,2 0,081 419,6 1985,752 9,775 0,086 470,6 2366,755 10,35 0,091 524,4 2792,079 10,925 0,096 580,8 3264,082 11,5 0,101 639,8 3785,254 12,075 0,106 701,6 4358,266 12,65 0,111 766,2 4986,025 13,225 0,116 833,6 5671,714 13,8 0,121 904,1 6418,846 14,375 0,126 977,8 7231,299 14,95 0,131 1054,9 8113,352 15,525 0,136 1135,6 9069,708 16,1 0,141 1220,1 10105,517 16,675 0,146 1308,7 11226,378 17,25 0,151 1401,6 12438,348 Anexo A2. Curva de Resistencia al avance del Oasis of the Seas 73 17,825 0,157 1499,2 13747,936 18,4 0,162 1601,8 15162,085 18,975 0,167 1709,6 16688,164 19,55 0,172 1822,9 18333,925 20,125 0,177 1942,2 20107,495 20,7 0,182 2067,6 22017,458 21,275 0,187 2199,5 24072,729 21,85 0,192 2338,1 26281,925 22,425 0,197 2483,7 28653,213 23 0,202 2636,5 31195,997 Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 80 13/04/2022 13:47 0:03 7,3 No 13/04/2022 13:50 0:08 8,8 No 13/04/2022 13:58 0:01 7,6 Sí 13/04/2022 13:59 0:01 6,8 Sí 13/04/2022 14:00 0:04 6,1 Sí 13/04/2022 14:04 0:02 4,6 Sí 13/04/2022 14:06 0:04 4,2 Sí 13/04/2022 14:10 0:03 2,5 Sí 13/04/2022 14:13 0:18 0,5 Sí 13/04/2022 14:31 7:38 0,0 Sí 13/04/2022 22:09 0:04 0,5 Sí 13/04/2022 22:13 0:04 2,0 Sí 13/04/2022 22:17 0:01 3,3 Sí 13/04/2022 22:18 0:01 4,8 Sí 13/04/2022 22:19 0:03 5,6 Sí 13/04/2022 22:22 0:02 6,0 Sí 13/04/2022 22:24 0:02 7,9 No 13/04/2022 22:26 0:01 9,0 No 13/04/2022 22:27 0:06 10,0 No Anexo A3. Registro de velocidades del Oasis of the Seas 81 13/04/2022 22:33 0:04 11,1 No 13/04/2022 22:37 0:08 12,1 No 13/04/2022 22:45 0:02 13,3 No 13/04/2022 22:47 0:03 15,1 No 13/04/2022 22:50 0:05 16,5 No 13/04/2022 22:55 0:10 17,7 No 13/04/2022 23:05 0:13 16,1 No 13/04/2022 23:18 0:03 14,8 No 13/04/2022 23:21 0:13 13,8 No 13/04/2022 23:34 0:03 12,0 No 13/04/2022 23:37 0:08 11,0 No 13/04/2022 23:45 0:04 10,0 No 13/04/2022 23:49 0:27 9,0 No 14/04/2022 0:16 1:33 10,0 No 14/04/2022 1:49 2:02 8,8 No 14/04/2022 3:51 5:37 9,8 No 14/04/2022 9:28 0:20 9,0 No 14/04/2022 9:48 0:03 7,2 No 14/04/2022 9:51 0:07 5,9 No Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 82 14/04/2022 9:58 0:20 5,0 No 14/04/2022 10:18 0:05 6,0 No 14/04/2022 10:23 0:02 7,0 No 14/04/2022 10:25 0:01 9,0 No 14/04/2022 10:26 0:03 10,0 No 14/04/2022 10:29 0:03 11,0 No 14/04/2022 10:32 0:08 12,0 No 14/04/2022 10:40 0:06 9,0 Sí 14/04/2022 10:46 0:03 7,9 Sí 14/04/2022 10:49 0:02 6,7 Sí 14/04/2022 10:51 0:01 5,0 Sí 14/04/2022 10:52 0:05 3,4 Sí 14/04/2022 10:57 0:04 2,2 Sí 14/04/2022 11:01 0:24 0,7 Sí 14/04/2022 11:25 6:36 0,0 Sí 14/04/2022 18:01 0:46 2,1 Sí 14/04/2022 18:47 0:02 3,2 Sí 14/04/2022 18:49 0:03 4,5 Sí 14/04/2022 18:52 0:17 8,0 Sí Anexo A3. Registro de velocidades del Oasis of the Seas 83 14/04/2022 19:09 0:02 13,4 No 14/04/2022 19:11 0:02 15,0 No 14/04/2022 19:13 0:02 15,9 No 14/04/2022 19:15 0:01 17,7 No 14/04/2022 19:16 0:01 18,5 No 14/04/2022 19:17 0:01 19,4 No 14/04/2022 19:18 0:03 20,2 No 14/04/2022 19:21 0:04 21,3 No 14/04/2022 19:25 2:40 22,1 No 14/04/2022 22:05 0:22 23,1 No Anexo A4. Normativa del DNV aplicable 85 Anexo A4. Normativa del DNV aplicable A4.1. Main functions In the context of these rules for classification: — structural strength — watertight integrity and weathertightness — power generation — propulsion — steering — drainage and bilge pumping — ballasting — anchoring. Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 86 A4.2. Part 4 Chapter 1 – Machinery Systems, General A4.2.1. Section 3 – Reliability and Availability 2 2.3 Functional capability and redundancy 2.3.1 Components and systems shall be arranged with redundancy so that a single failure of any active component or system (see Sec.1 Table 1 for definition of active components) does not cause loss of any main function for longer periods than specified in [2.3.6]. See Pt.1 Ch.1 Sec.1 Table 2 for definition of the main functions of a vessel. 2.3.2 Redundancy can either be arranged as component redundancy or system redundancy as defined in Sec.1 Table 1. 2.3.4 For duplicated systems a single failure of an active component or a system shall not reduce the output power for the main function, served by the duplicated system, to less than 40% of the nominal output rated power. [2.3.1] and [2.3.2] shall be considered as general requirements. For evaluation of deviations or equivalent solutions reference should be made to the relevant rule sections for the component or system in question. Guidance note: For single engine propulsion plants all active components should be duplicated to satisfy [2.3.1] and [2.3.8]. Multi engine propulsion plants or propulsion plants with combinations of diesel engines, gas turbines and/or electrical motors are considered to provide redundancy on a system level. For these plants, duplication of the active components is not necessary provided that at least 40% of output rated power for the main function is remaining in case of a single failure. For propulsion plants where less than 40% of output rated power remains, Anexo A4. Normativa del DNV aplicable 87 after a single failure, duplication of the active components will be required. “Output rated power” is in this context the total rated propulsion power for the driven unit (e.g., one or several propellers). All other main functions, see Pt.1 Ch.1 Sec.1 [1.2], should be treated accordingly. ---e-n-d---o-f---g-u-i-d-a-n-c-e---n-o-t-e--- 2.3.6 Components and systems supporting main functions of the vessel, see definition of main functions in Pt.1 Ch.1 Sec.1 Table 2, shall be arranged as redundancy type 2, see definition in Sec.1 Table 1. When interruption of a function entails considerable hazard to other components or systems, or to the ship, redundancy type 1 shall be arranged. Components and systems supporting the propulsion function shall be arranged as redundancy type 1. Where the operational service of the vessel is such that loss of propulsion will not entail considerable hazard to the ship, redundancy type 2 may be accepted upon special consideration. 2.3.7 A longer restoration time for a function than prescribed in [2.3.6] may be accepted for failures of certain components or systems, where the probability for failure of the component or system is considered to be low. This will be subject to case-by-case acceptance. Guidance note: A bus bar failure in the electric distribution system may be accepted with redundancy type 2 for fault handling and restoration of electric power. ---e-n-d---o-f---g-u-i-d-a-n-c-e---n-o-t-e--- 2.3.9 When two or more components are performing the same function, these shall be mutually independent and at least one shall be independently driven. Components arranged as part of the designed redundancy, yet only performing auxiliary functions to a main unit, can be directly powered by the main unit through separate power transmissions, on the condition that these components are not necessary for the starting of the main unit. 2.3.10 The machinery shall be so arranged and designed that all functions specified in Pt.1 Ch.1 Sec.1 [1.2] can be maintained simultaneously in normal service at sea. 2.3.11 Maintenance tasks expected to occur regularly, e.g., weekly, shall be carried out without loss of propulsion or steering. Desarrollo y viabilidad de una planta eléctrica basada en el Ciclo Combinado para un buque de crucero de 100.000 t 88 2.3.12 Changeover from one normal operational mode to another normal operational mode of the machinery shall be possible without interruption in propulsion or steering. 2.3.15 The machinery shall be so arranged that it can be brought into operation from the dead-ship condition within 30 minutes using only the facilities available on board. Dead-ship condition is understood to mean that the entire machinery installation, including the power supply, is out of operation and that auxiliary services such as compressed air, starting current from batteries etc., for bringing the main propulsion into operation and for the restoration of the main power supply are not available. To restore operation from the dead-ship condition, an emergency generator may be used provided that it is ensured that the emergency power supply from it is available at all times. It is assumed that means are available to always start the emergency generator. 2.3.16 The performance and capacity of auxiliary systems shall be adapted to the needs of the machinery installations served. A4.3. Part 4 Chapter 3 – Rotating Machinery – Drivers A4.3.1. Section 2 – Gas turbines 2 Design and Construction 2.1 General 2.1.5 Time between overhauls Gas turbines, subjected to certification, shall have a TBO in excess of 2500 running hours. This shall be substantiated through design and operating experience. 2.1.6 Gas turbines shall be designed to permit fast start from cold conditions. Further possibilities shall be provided enabling manual re-start despite control system constraints after acknowledgement of the cause of tripping or start failure. Anexo A4. Normativa del DNV aplicable 89 2.3 Systems design requirements – package provider/builder 2.3.4 Inlet and outlet passages The air intake shall be arranged and located such that the risk of ingesting foreign objects is minimized. Guidance note: Depending on the arrangement, the Society may require that a grid be fitted on the air intake. ---e-n-d---o-f---g-u-i-d-a-n-c-e---n-o-t-e--- The inlet ducting and components in way of inlet airflow, such as filters, silencers and antiicing devices shall be constructed and mounted to minimize the risk of loose parts entering the gas turbine. Icing at air intake shall be prevented by suitable means. When the gas turbine makers’ sets requirements for inlet air quality, the air intake system shall incorporate an effective filtration system being capable of fulfilling these requirements. Pressure drop across filter shall be monitored in accordance with Table 8. Guidance note: Maximum salt content entering the compressor should not exceed 0.01 wppm ---e-n-d---o-f---g-u-i-d-a-n-c-e---n-o-t-e--- Air intakes shall be placed such that effect of sea water spray due to ship motion and weather is kept within acceptable limits. The air inlet ducts shall incorporate a system for drainage of water. Air intakes and exhaust outlet shall be so located that suction of combustion gases in the air intakes is avoided. The flow path of the inlet air shall be as straight and clean as possible, with a minimum of obstacles, sharp corners, and duct curving. This shall minimize the creation of vortex flow; pressure drops and uneven air distribution in the compressor inlet.