Procedimiento de transformación de buques metaneros propulsados por turbinas de vapor.

Procedimiento de transformación de buques metaneros propulsados por turbinas de vapor,

en el que se añade una propulsión diesel-eléctrica que comprende varios generadores de energía eléctrica, de tipo diesel, con combustible dual, turbina de gas u otros, y varios motores eléctricos de propulsión cuya potencia mecánica se inyecta en la línea de ejes o en la caja reductora existente, manteniendo plenamente operativa la planta propulsora de turbinas de vapor existente.

La invención que se presenta aporta la principal ventaja de permitir dotar a los buques metaneros propulsados por turbinas de vapor de una planta propulsión y generación de energía a bordo con un mayor rendimiento energético y económico, sin necesidad de eliminar la planta de propulsión existente, minimizando por tanto el tiempo de transformación, con el subsiguiente ahorro económico.

PROCEDIMIENTO DE TRANSFORMACIÓN DE BUQUES METANEROS PROPULSADOS POR TURBINAS DE VAPOR

La presente memoria descriptiva se refiere, como su título indica, a un procedimiento de transformación de buques metaneros propulsados por turbina de vapor, de los utilizados para el transporte de gas natural licuado, caracterizado porque se añade una propulsión dieseleléctrica, con varios generadores de energía eléctrica, de tipo diesel con combustible dual u otros, y varios motores eléctricos de propulsión cuya potencia mecánica se inyecta en la línea de ejes o en la caja reductora existente, manteniendo plenamente operativa la planta propulsora de turbinas de vapor existente.

El buque resultante de la transformación tiene una doble planta de propulsión: la antigua con turbina de vapor, y la nueva diesel-eléctrica,

pudiendo utilizar una, otra o las dos, dependiendo de las necesidades, todo ello manteniendo tanto la línea de ejes como la caja reductora existente originalmente en el buque.

A continuación, y con el fin de facilitar la comprensión de la invención, se describirán los procedimientos de propulsión actualmente utilizados, sus ventajas e inconvenientes, el estado actual de la técnica en lo que se refiere a la propulsión y generación eléctrica en dichos buques, las opciones de transformación existentes y utilizadas en la actualidad para, posteriormente, describir el procedimiento que la presente invención reivindica y propone.

Debe de indicarse que a lo largo de la exposición se definirán y utilizarán ciertas palabras y abreviaturas en inglés, de uso común y extendido en este ámbito de la tecnología, que se definirán la primera vez que se citen y a continuación se utilizarán, en su versión inglesa, por razones de precisión y brevedad.

Campo de la invención – Los buques metaneros Los buques metaneros se diseñan para transportar, casi exclusivamente, gas natural licuado, en adelante designado como LNG, a granel a la presión atmosférica. Existen otras posibles cargas tales como etileno o gases de petróleo licuados, en adelante LPG, pero tienen carácter residual. También se puede transportar gas natural a presión pero en la actualidad esto es de escasa relevancia.

En general se trata de buques relativamente grandes, por encima de los 35.000 m3 hasta 290.000m3, y lo más frecuente es que se trate de buques entre 120.000 y 180.000 m3. Aun cuando hay diferentes tecnologías constructivas, comparten una serie de características comunes: produce en carga, del orden del 30% al 40% del correspondiente a la cifra de plena carga.

! Presión de transporte de la carga: Presión atmosférica.

! Temperatura de transporte: -163 ºC.

! En todos estos buques se produce naturalmente una evaporación

continua de la carga, en adelante denominada “Boil-off”. Este boil

off tiene que ser quemado. En general se quema para producir

energía para la propulsión y generación de energía electrica. El

citado “boil-off” tiene que ser quemado aun cuando no haya

requerimientos de energía a bordo que lo requieran. Esto se puede

hacer en calderas, enviando el exceso de vapor al condensador,

en adelante “dumping”, o en antorchas de tipo cerrado, en

adelante “Gas Combustión Unit” o “GCU”. Una cifra típica del “boil

off” (en adelante “boil-off rate”) cuando el buque está en plena

carga, es el 0, 15 % de la capacidad de carga por día, es decir,

para un buque promedio de 150.000 m3 implicaría unos 225 m3 de

LNG por día. Es práctica habitual mantener una cierta cantidad de

LNG en los tanques en el viaje de retorno en lastre. Este gas

produce también un “boil-off” que es una fracción del que se

! La velocidad de servicio de los buques metaneros es con carácter bastante general de 19, 5 nudos. Hay diversas razones que explican esta velocidad relativamente elevada: el boil-off, el precio del buque y otras. La consecuencia inmediata es un requerimiento de potencia propulsora elevado y un consumo de combustible doblemente elevado.

! Los precios de construcción de los buques metaneros son elevados. Los buques tradicionales en torno a 150.000 m3 pueden haber costado entre 150 y 200 Mill. de USD.

! La vida útil de los buques metaneros es elevada. Existen metaneros en operación en torno a los 40 años. Las razones de esta vida útil elevada son variadas: Alta calidad, carga no agresiva, larga vida de la propulsión, coste inicial elevado, mantenimiento muy cuidadoso y otros. Obviamente un riesgo para alcanzar esta vida útil elevada es la obsolescencia, sea técnica por los cambios en la propulsión, sea por tamaño u otros motivos. En todo caso la flota actual en muchos casos se está amortizando a 30/40 años. Este hecho está en la raíz misma de esta invención.

Estado de la técnica – Propulsión de los buques metaneros A continuación se describen las características muy generales de los distintos tipos de propulsión utilizados en buques metaneros y su evolución en los últimos años.

Casi todos los buques metaneros pueden utilizar para la propulsión y generación de energía eléctrica gas natural, combustibles líquidos tales como fuel-oil pesado (en adelante HFO) , diesel-oil marino (en adelante MDO) o gas oil marino (en adelante MGO) . Los buques pueden utilizar uno u otro o los dos combustibles a la vez en la proporción que se desee. En ciertas áreas geográficas, por ejemplo en los puertos de Europa Occidental, no se permite o se limita el uso del HFO. El “boil-off” siempre habrá de quemarse en una u otra forma.

Existe un tipo de buques, en proporción limitada, dotados de planta de relicuefacción a bordo, que en general sólo usan combustible líquido en los motores de propulsión. La presente invención no es aplicable a estos buques, por lo que en adelante se omitirán.

En los buques metaneros del orden de 150.000 m3 de capacidad, de los que existe un gran número, lo potencia propulsora es del orden de 25 MW a 30 MW.

Una característica esencial de la propulsión de buques metaneros es que se le exige un altísimo grado de fiabilidad. Las razones son muy variadas: Seguridad, por la mercancía transportada; integración en una cadena de transporte; garantía de cumplimiento de programas de aprovisionamiento, coste del boil-off en caso de parada por avería y otras diversas razones.

Hace unos 100 años, la gran mayoría de los buques tenían propulsión a vapor, bien por máquinas alternativas, bien por turbinas de vapor.

Hace 50 años, solamente algunos grandes petroleros, los buques de guerra, algunos buques de pasaje y los metaneros, que entonces comenzaban, tenían propulsión por turbinas de vapor.

Hace 10 años, solamente los metaneros tenían ya propulsión por turbinas de vapor. Existían dos razones principales para mantener la propulsión por turbinas de vapor:

! La altísima fiabilidad de las instalaciones de turbinas de vapor, su larga vida y el mantenimiento limitado.

! El motor Diesel, que es absolutamente dominante en la propulsión de buques mercantes, no podía quemar el gas procedente del boiloff, que es capaz de producir una parte muy importante de la energía requerida para la propulsión.

Como se ha mencionado, hasta hace unos 8 años, prácticamente todos los buques metaneros tenían propulsión por turbina de vapor, incluyendo los buques de nueva construcción.

En los últimos años, se han desarrollado una serie de procedimientos de propulsión alternativos a la turbina de vapor para los nuevos barcos metaneros. Aunque existen varias alternativas, son dos las principales que se han desarrollado y aplicado en mayor medida.

La primera alternativa está basada en buques con propulsión Diesel-eléctrica con motores diesel de cuatro tiempos de tipo “Dual-Fuel”. Estos motores pueden quemar combustible líquido, ya sea HFO, MDO o MGO y también pueden quemar gas natural que se incorpora al aire de combustión a una presión de unos 6 bar. Dichos motores accionan cada uno un alternador. Este alternador produce energía eléctrica que se usa para alimentar a la red eléctrica del buque y para accionar, a través de los correspondientes convertidores, a los motores eléctricos de propulsión, en general de uno a cuatro, muy frecuentemente dos. Estos motores eléctricos a su vez accionan, en general a través de un reductor de engranajes la hélice o hélices propulsoras. La mayoría de los buques tienen una sola hélice propulsora, unos pocos tienen dos. En general estas plantas diesel eléctricas tienen cuatro motores diesel, a veces tres y a veces cinco. Los motores que se montan...

– Procedimiento de transformación de buques metaneros propulsados por turbina de vapor, especialmente del tipo de los utilizados para el transporte de gas natural licuado, caracterizado porque realiza un cambio de propulsión mediante la adición de uno o varios grupos generadores de energía eléctrica (47) que alimentan a través de los cuadros eléctricos (48) y convertidores (50) a uno o varios motores eléctricos de propulsión (30, 31) que transmiten la potencia mediante una conexión mecánica con la caja reductora (25) o el conjunto de línea de ejes de salida existente en la planta propulsora de turbinas de vapor (2, 3) , entendiendo como conjunto de línea de ejes de salida el definido principalmente por el eje intermedio de proa (19) , el eje intermedio de popa (20) en su caso y el eje de cola (23) que acciona la hélice propulsora (24) , manteniendo la planta propulsora de turbinas de vapor, de modo que el buque transformado tiene, además, una propulsión diésel eléctrica y una propulsión híbrida que combina las dos anteriores.

- Procedimiento de transformación de buques metaneros propulsados por turbina de vapor, según la reivindicación anterior, caracterizado porque tanto los generadores de energía eléctrica (47) como una parte sustancial de sus componentes auxiliares (48, 49, 50, 51, 54, 55, 56, 57) se instalan distribuidos en varios módulos prefabricados ubicados por encima de la cubierta principal próximos o adyacentes a la caseta del guardacalor de la cámara de máquinas, salvo los compresores e intercambiadores de calor de gas natural (52, 53) que se instalarán en la caseta de compresores existente en todos los buques metaneros, en un nuevo módulo adyacente o en las proximidades de dicha caseta.

- Procedimiento de transformación de buques metaneros propulsados por turbina de vapor, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los generadores de energía eléctrica (47) son de tipo diesel con combustible dual, dando lugar a una propulsión de tipo diesel-eléctrica combinada con la de turbinas de vapor (2, 3) existente, de tipo de turbina de gas, dando lugar a una propulsión de tipo turboeléctrica combinada con la de turbinas de vapor (2, 3) existente, o bien una combinación de tipo diesel y de turbina de gas, dando lugar a una propulsión mixta diesel-turbo-eléctrica combinada con la de turbinas de vapor (2, 3) existente 4 - Procedimiento de transformación de buques metaneros propulsados por turbina de vapor, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la potencia mecánica de los motores eléctricos de propulsión (30, 31) se inyecta directamente en la caja reductora (25) existente, mediante una primera fase de modificación de las piezas terminales de popa del eje hueco con otro eje interior (13) del lado baja presión y del eje hueco con otro eje interior (14) del lado alta presión, denominados quill-shaft, de la caja reductora (25) existente, mediante la modificación o sustitución del acoplamiento cónico (9) en el lado de baja presión y del otro acoplamiento cónico (10) en el lado de alta presión por unos acoplamientos cónicos modificados (26, 27) , para proseguir con una fase de conexión de los respectivos motores eléctricos de propulsión (30, 31) , mediante unos acoplamientos flexibles y/o embragues (28, 29) conectados a los acoplamientos cónicos modificados (26, 27) instalados anteriormente en la caja reductora (25) , ubicando los motores eléctricos de propulsión (30, 31) hacia popa de la caja reductora (25) .

- Procedimiento de transformación de buques metaneros propulsados por turbina de vapor, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a la 3, caracterizado porque la potencia mecánica de los motores eléctricos de propulsión (30, 31) se inyecta en la caja reductora (25) existente mediante una primera fase de modificación o sustitución de las piezas terminales de popa del eje hueco con otro eje en su interior (13) del lado baja presión y del eje hueco con otro eje en su interior (14) del lado alta presión, denominados quill-shaft, de la caja reductora (25) existente, mediante la modificación o sustitución del acoplamiento cónico (9) en el lado de baja presión y del otro acoplamiento cónico (10) en el lado de alta presión, para proseguir con una fase de conexión de los respectivos motores eléctricos de propulsión (30, 31) , a unas cajas reductoras adicionales (32, 33) , dotadas opcionalmente de sendos embragues hidráulicos (36, 37) , y conectadas con la caja reductora (25) existente mediante unos acoplamientos flexibles y/o embragues (28, 29) a través de los acoplamientos cónicos modificados (26, 27) creados anteriormente en la caja reductora (25) , estando conectados los motores eléctricos de propulsión (30, 31) a las caja reductoras adicionales (32, 33) mediante unos acoplamientos flexibles adicionales (34, 35) , ubicando los motores eléctricos de propulsión (30, 31) hacia proa.

- Procedimiento de transformación de buques metaneros propulsados por turbina de vapor, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a la 3, caracterizado porque la potencia mecánica de los motores eléctricos de propulsión (30, 31) se inyecta en la caja reductora (25) existente, mediante una primera fase de modificación o sustitución de las piezas terminales de popa del eje hueco con otro eje en su interior (13) del lado baja presión y del eje hueco con otro eje en su interior (14) del lado alta presión, denominados quill-shaft, de la caja reductora (25) existente, mediante la modificación o sustitución del acoplamiento cónico (9) en el lado de baja presión y del otro acoplamiento cónico (10) en el lado de alta presión, para proseguir con una fase de conexión de los respectivos motores eléctricos de propulsión (30, 31) , a unas cajas reductoras adicionales (32, 33) , dotadas opcionalmente de sendos embragues hidráulicos (36, 37) , y conectadas con la caja reductora (25) existente mediante unos acoplamientos flexibles y/o embragues (28, 29) a través de los acoplamientos cónicos modificados (26, 27) creados anteriormente en la caja reductora (25) , estando conectados los motores eléctricos de propulsión (30, 31) a las caja reductoras adicionales (32, 33) mediante unos acoplamientos flexibles adicionales (34, 35) , ubicando los motores eléctricos de propulsión (30, 31) hacia popa.

- Procedimiento de transformación de buques metaneros propulsados por turbina de vapor, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a la 3, caracterizado porque la potencia mecánica de los motores eléctricos de propulsión (30, 31) se inyecta directamente en el conjunto de línea de ejes de salida mediante una primera fase de modificación del eje intermedio de proa (19) , y/o del eje intermedio de popa (20) , para permitir acoger los motores eléctricos de propulsión, para continuar con la fase de conexión de un motor eléctrico de propulsión (30) en el eje intermedio de proa adecuadamente modificado o sustituido (19) , prosiguiendo con la fase de conexión de otro motor eléctrico de propulsión (31) en el eje intermedio de popa adecuadamente modificado o sustituido (20) , y finalizando con la fase de colocación de unas chumaderas (42) modificadas.

- Procedimiento de transformación de buques metaneros propulsados por turbina de vapor, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a la 3, caracterizado porque la potencia mecánica de los motores eléctricos de propulsión (30, 31) se inyecta en el conjunto de línea de ejes de salida mediante una primera fase de modificación del eje intermedio proa (19) para convertirlo en un eje intermedio proa modificado (38) sobre el que, en una segunda fase, se acopla uno o varios reductores de engranajes multiplicadores de tipo túnel mediante un acoplamiento (43) del eje intermedio con el engranaje multiplicador de tipo túnel (“túnnel step up gear”) , unas ruedas principales (44) , y unos piñones con embrague (45, 46) , continuando con fase de conexión de los motores eléctricos de propulsión (30, 31) a los piñones con embrague (45, 46) , mediante unos acoplamientos flexibles adicionales (34, 35) .