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Navios LPG/LNG/CNG

Manuel Ventura

Mestrado em Engenharia e Arquitectura NavalSecção Autónoma de Engenharia Naval

M.Ventura Navios LNG/LPG 2

Sumário

• Mercado do Gás Natural• Gás Natural Liquefeito• Aspectos Técnicos Mais Relevantes• Tipos de Sistemas de Contenção da Carga

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Mercado do Gás Natural


Consumo Mundial de Energia

Consumo Mundial de Energia Primária

0

2000

4000

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10000

12000

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2001 2002 2003 2004 2005

(milh

ões d

e to

e)

Petróleo Gás Carvão Nuclear Hidro

Fonte: BP Statistical Review of Energy

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Consumo Mundial de Energia

Consumo Mundial de Energia Primária

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2001 2002 2003 2004 2005

(milh

ões d

e to

e)




Distribuição Geográfica dos Consumos

Consumo Mundial de Energia Primária(milhões de toe)

0

2000

4000

6000

8000

10000

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1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2001 2002 2003 2004 20050

500

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1500

2000

(Eur

opea

n U

nion

)

América do Norte América Latina Europa & Euroásia Médio Oriente

África Asia-Pacifico Dos quais - UE


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Distribuição Geográfica dos Consumos

Consumo Mundial de Energia Primária(milhões de toe)

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1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2001 2002 2003 2004 20050%

5%

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Uni

ão E

urop

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América do Norte América Latina Europa & EuroásiaMédio Oriente África Asia-PacificoOf which European Union 25#



Consumo na União Europeia

Consumo de Energia Primária na União Europeia(milhões de toe)

0200400600800

100012001400160018002000

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2001 2002 2003 2004 2005

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Consumo na União Europeia

Consumo de Energia Primária na União Europeia(milhões de toe)

0%

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.




Produção de Gás Natural

Produção Mundial de Gás Natural(milhões de toe)

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Uni

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urop

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América do Norte América Latina Europa & Euroásia Médio Oriente

África Asia-Pacifico Dos quais - UE


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Mercado Actual - 2005

The global fleet of tankers carrying liquefied natural gas needsto expand by 66% by 2010 to meet current and future demand from exporters including Qatar, Australia and Nigeria, accordingto LNG Shipping Solutions, as reported by Bloomberg.

About 205 carriers need to be ordered, adding to the 182 ships in service and 127 units already contracted to be built, to meetdemand for existing and future LNG projects. As many as 105 vessels need to be ordered to meet demand for future projects and 100 vessels for current contracts.

MarineLink.com, November 2005

Liquefied Natural Gas (LNG)

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Ciclo do Gás Natural


Processos do Ciclo do Gás Natural

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Processo de Liquefacção do LNG (Pré-tratamento)

• Remoção de:– Lamas e outros fluidos provenientes do poço de extracção de gás

– Dióxido Carbono (CO2 < 50ppm) e compostos de enxofre tais como H2S – prevenção na corrosão das linhas de transporte e equipamentos

– Vestígios de Mercúrio (< 0.01 mg/m3) – prevenção na corrosão das placas de alumínio dos permutadores de calor

– Água (<1 ppm de água) - em unidades de desidratação, prevenindo o congelamento no sistema

– Hidrocarbonetos Pesados C4+ - prevenção no congelamento destes elementos a temperaturas criogénicas (posteriormente fraccionados e tratados para comercialização em separado).


Terminal de Regaseificação Típico

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Liquefied Natural Gas (LNG)

• A liquefação por refrigeração reduz o volume de carga emcerca de 614 vezes, com uma densidade de 420 – 490 kg/m3, tornando o transporte mais barato

• A carga é transportada à pressão normal e a temperaturasmuito baixas (-256ºF / -162.2ºC).

• Recentemente têm sido desenvolvidos sistemas de transportepressurizado – Pressurized Natural Gas (PNG), mas nenhum foiainda construído.


História

• O primeiro transporte de LNG foi efectuado por uma navio de carga geral transformado, o “Methane Pioneer”, de Lake Charles, Louisiana, para o Reino Unido, em 1959.

• O primeiro navio LNG construído de raiz foi o “Methane Princess”, construído em 1964 e abatido em 1988.

• Actualmente existem mais de 150 navios LNG, com umacapacidade total aproximada de 110 x 106 t.

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Evolução da Capacidade Máx. Navios LNG


Aspectos Técnicos Principais

• Sistemas de Contenção da Carga• Sistemas de Manuseamento da Carga• Sistemas de Geração Eléctrica• Alternativas de Propulsão• Soluções Integradas de Controlo

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Classificação Tipos de Tanques


LNG - Tipos de Tanques

• Esféricos (tipo Moss)– Desenvolvido pela Kvaerner em 1971

– Construídos em chapas de alumínio espessas

• Membrana– Gaz Transport No.96 – Constituído por duas membranas finas (primária e

secundária) construídas num material designado por Invar, que quase nãotem contracções térmicas. O isolamento é constituído por caixas de contraplacado cheias com Perlite, um material isolante leve.

– Technigaz Mark III – Membrana construída em aço inox

– GTT CS-1

• IHI Self-Supporting Prismatic type B (SPB) – Construído em alumínio.

• Tipo Pirâmide (ConocoPhillips)

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Tanques Esféricos (Moss)


Tanques Esféricos (Moss)

Dimensões PrincipaisLff: 250.00 m

Lpp: 235.00 m

B: 48.10 m

D: 27.00 m

T, projecto: 9.50 m

T, escantilhões: 10.00 m

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Tanques de Membrana


Secção de Tanque de Membrana

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Tanques de Membrana

Tanque de 260,000 m3


Aspectos Críticos dos Grandes Navios LNG de Membrana

• Proporções do Navio

• Sistema de Contenção da Carga– Sloshing– Resistência (global e local)– Fatiga– Veio da bomba (resistência, vibrações)

• Navio– Estruturas– Propulsão (reliquefacção)– Arranjo da popa

• Ré p/ 2 Hélices origina zonas planas acima da linha de água• Susceptível ao slamming, parametric roll

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Sistema GTT CS1

• Membrana interior emInvar (não corrugada nos cantos)

• Membrana exterior emTriplex, material composto por fibra de vidro e alumínio, maisflexível que o Invar

• Isolamento de poliuretano (em vez de perlite)


IHI Self Supporting Prismatic type B (SPB)

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Tanques Tipo Pirâmide (ConocoPhillips)

Peter G. Noble, Lars Ronning, John Paulling, Rong Zhao, and Hoseong Lee (2005), "A Novel LNG Tank Containment Design for Large LNG Carriers", ABS Technical papers 2005. (CD-ROM#38)

Tanque Convencional Tanque Prismático

Tanque Piramidal

Vantagens: sloshingmais reduzido


Tipos de Tanques mais Comuns

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Comparação dos Sist. de Contenção Carga


Comparação dos Sistemas de Contenção

• Sistemas Moss– Mais caros– Arqueação do Canal do Suez mais elevada– Não têm problemas de Sloshing

• Sistemas de Membrana– Mais baratos– Menor arqueação do Canal do Suez– Problemas de sloshing

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Comparação dos Sistemas de Contenção

• De momento os sistemas Esféricos ainda dominam

• Os sistemas de Membrana já são os mais usados em novas construções

• O problema do sloshingrequer mais atenção e novas alternativas técnicas


Isolamento Térmico dos Tanques

• A espuma de poliuretano rígida, reforçada com fibra de vidro (R-PUF) está aprovada pela GTT como material isolante para os tanques TGZ Mark III e CS-1

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Sloshing em Tanques

• Os tanques de membrana são particularmente sensíveis às cargas de sloshing


Boil-Off Gas (BOG)

• É o gás libertado da carga durante a viagem

• A taxa de libertação do gás (Boil-Off Rate) depende da sua composição, pode ter valores típicos de 0.11 a 0.35% do volume total da carga, por dia. Em navios grandes (Vc > 145.000 m3) esse valor deve ser < 0.14%.

• Pode ser utilizado na propulsão ou eliminado em queimadores específicos – Gas Combustion Units

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Gas Combustion Unit (GCU)

• Unidades usadas paraeliminar o Boil-Off Gas

SAACKE Gas Combustion Unit


Composição do Gás Natural e do LNG

O processo de liquefacção requer a remoção do gás natural produzido de alguns dos componentes não-metanotais como a água e o dióxido de carbono, de modo a evitar que formemsólidos quando o gás é arrefecido àtemperatura do LNG (-256ºF).

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Composição Típica do LNG Conforme a Origem

0.040.01---0.020.01---0.001Pentane

1.070.821.300.5111.360.8750.141Butane

2.192.482.801.672.872.981.27Propane

6.256.006.308.584.288.3011.40Ethane

89.6090.6089.4089.2091.2087.8087.10Methane

RasLaffan, Qatar (RasGas)

Bontang, Indonesia

Lumu, Brunei

Arun, Indonesia

Bintulu, Malaysia

WhitneyBay,

Australia

Das Island, Abu

Dhabi

Componentmole %

γ = 0.5 t/m3


Características dos Derrames de LNG

• Não levanta problemas de poluição– Pequenos derrames evaporam rapidamente– Grandes derrames fluem antes de evaporar– Não é uma carga persistente e como tal algumas regras como a

OPA’90 não se aplicam

• O LNG é criogénico e em contacto com alguns materiais não-criogénicos pode causar a sua fragilização. O contacto com a pele pode causar queimaduras

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Terminais LNG


Terminais LNG

• Recepção– Navios acostam no cais– LNG é transferido para armazenamento, sob pressão

• Armazenamento– Tanques de paredes duplas– Parede exterior em betão– Parede interior em liga com 8% Niquel

• Despacho– LNG é convertido em gás– Odorizado e medido

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Novos Tipos de Unidades Offshore

• O incremento das operações Offshore tem levado ao surgimento de novos tipos de unidades:– GBS (Ground Based Storage unit)– FLNG (Floating Production re-gasification storage unit)– FRU (Floating Re-gasification Unit)– FSRU (Floating Storage Re-gasification Unit)


GBS (Ground Based Storage unit)

• Configuração ideal para profundidades entre 15 e 30 metros. • Capacidades de armazenamento de 290,000 – 400,000m3 de LNG.• Dimensões entre 150 e 300 m comprimento e 60-70 m de largura.

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FLNG (Floating Production re-gasificationStorage Unit)


FRU (Floating Re-gasification Unit)

• Pouca capacidade de armazenagem, o gás étransferido para cavernas ou para rede de piplines no leito do mar.

• Equipamento de re-gasificação muito semelhante ao existente On-shore.

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FSRU (Floating Storage Re-gasificationUnit)


Problemas dos Terminais Offshore

Com o deslocamento dos terminais Offshore, há que repensar consequentes problemas tais como:

• Equipamentos de transferência em Operações de carga e descarga. (movimentos relativamente altos entre navio, cargas dinâmicas elevadas no equipamento, velocidades de reacção elevados, área de abrangência grande)

• Método de transfega de carga mais conveniente (tandem ou side-by-side).

• Efeitos de Sloshing em operações de carga/descarga, na estrutura dos tanques dos navios (Membrana).

• Tipo de amarração.

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Terminal LNG de Sines

• Terminal para navios de 45.000 a 165.000 m3• Linha de descarga com 36” de diâmetro permite caudal de

10.000 m3/h• Tanques de armazenamento 2 x 120.000 m3• Estação de regasificação: 2 x 105.000 m3• Capacidade de regasificação: 5.2 mil milhões m3/ano• www.portodesines.pt

Ver Paul-Emmanuelle Decroes and Daniel Acheroy (2005), "SINES LNG Terminal: Low cost/ fast track Project but New Technologies and an answer to EN 1473 new Safety Approach", Tractebel Gas Engineering.


Bibliografia

• McClure, Acott C. (2007), “Features of CNC Carrier Design”, PRADS 2007.

• Rana, I. and Dow, R. S. (2007), “Feasibility Study of CombinedCarriage of CNC and Crude Oil”, PRADS 2007.

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Convenções


IMO IGC Code - Definições

MARVS (Maximum Allowable Relief Valve Setting), é a pressão máxima admissível na válvula de segurança de um tanque de carga

Barreira Primária (Primary Barrier), é o elemento interior projectado para a contenção da carga, quando o sistema de contenção da carga é constituído por duas fronteiras.

Barreira Secundária (Secondary Barrier), é o elemento externo de um sistema de contenção da carga, resistente aos líquidos, projectado para permitir a contenção temporária de qualquer derrame da carga líquida através da barreira primária e de modo a evitar a baixa da temperatura da estrutura do navio para um nível perigoso.

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IGC Code

Transporta produtos que requerem as medidas preventivas moderadas p/ evitar fugas3G

Com L ≤ 150 m, transporta produtos que requerem medidas preventivas significativas, em tanques independentes do tipo C, projectados para uma MARVS de 7 MPa e uma temperatura de projecto t > -55ºC

2PG

Transporta produtos que requerem as medidas preventivas significativas p/ evitar fugas2G

Transporta produtos que requerem as medidas preventivas máximas p/ evitar fugas1G

Caracterização do NavioTipo


Tipos de Tanques (1)

1. Tanques integrais– Estruturais– Pressão de vapor de projecto < 0.25 MPa– Podem ser usados para produtos cujo ponto de ebulição seja

superior a -10ºC

2. Tanques de membrana– Não estruturais, constituídos por uma camada fina, apoiada

através de isolamento na estrutura adjacente. A membrana éprojectada para evitar tensões térmicas.

– Pressão de vapor de projecto < 0.25 MPa– A membrana pode ser não-metálica, mas tem que ser aprovada– A espessura da membrana nunca deve ser superior a 10 mm

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Tipos de Tanques (2)

3. Tanques de semi-membrana– Não-estruturais, em parte suportados pela estrutura do navio

através de isolamento e a parte arredondada projectada p/ resistir a tensões térmicas

– Pressão de vapor de projecto < 0.25 MPa

4. Tanques independentes

5. Os tanques não-estruturais, não contribuem p/ a estrutura do navio, e podem ser classificados em• Tipo A• Tipo B• Tipo C

6. Tanques de isolamento interno


Localização Transversal dos Tanques

Navios Tipo 1 G: – from the side shell plating not less than the transverse extent

of damage specified in 205.1 (1) (b) and – from the moulded line of the bottom shell plating at centreline

not less than the vertical extent of damage specified in 205.1 (2) (c) and

– nowhere less than 760 mm from the shell plating.

1. Navios Tipos 2 G/2 PG e 3 G: – from the moulded line of the bottom shell plating at centre-line

not less than the vertical extent of damage specified in 205. 1 (2) (c) and

– nowhere less than 760 mm from the shell plating.

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Propulsão


LNG - Propulsão

• Tradicionalmente usam-se as turbinas a vapor, utilizando comocombustível o gás. Esta opção tende a desaparecer.

• Em alternativa, o gás libertado pode ser reliquefeito, mantendo-se como carga, e podem-se adoptar soluções o diesel

• Outras alternativas são:– Motores dual-fuel– Combinações Motores dual fuel / geradores eléctricos

• Existem unidades de reliquefação para bordo, baseadas no sistema patenteado pela Moss, baseado no ciclo fechado do azoto

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Propulsão por Turbina a Vapor

Furnace

Condensate pumps Main

Condenser

Red gearH.P

L.P ShaftFeed pumps

Deareator

Super-heater

Economiser Flue gas uptake

Downcomers

Boiler casing

Water wall


Unidades de Reliquefacção

Ver K-D. Gerdsmeyer and W.H. Isalski (2005), "On-Board Reliquefaction for LNG Ships", Tractebel Gas Engineering, GASTECH’2005, Bilbau.

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Unidades de Reliquefacção

Anexo A. Navios LNG

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Notas Várias

• Preço navio ≈ 1.17 Milh. US$/1000 m3 capacidade LNG

• DWT/Peso Leve = 0.41 ~ 0.44

• Bombas de carga ≈ 1400 – 2400 m3/h

• LNG Fuel = 400 US$/t

• Emissões NOx ≈ 2 – 3 t/h


Provalys

• Maior navio LNG da actualidade Estaleiro: Alstom Chantiers de l'Atlantique, França (2005) Armador: Gaz de France, France L = 290.0 mB = 43.5 mT = 11.6 mVcarga = 154.000 m3

Propulsão: 3 x Wärtsilä 12V50DF, 3 x 11,400 kW a 514 rpm + 1 x Wärtsilä 6L50DF, 5700 kW a 514 rpm Vs: 19.5’

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Bibliografia

• IMO IGC Code• ABS (2002), “Guide for Building and Classing Membrane Tank LNG

Vessels”.• ABS (2004), “Dynamic Strength Analysis of Membrane Type LNG

Containment Systems due to Sloshing Impact Load”• Junshiro Ishimaru, Kiyokazu Kawabata, Hidetoshi Morita, Hidefumi

Ikkai And Yoshihiro Suetake (2004), “Building of Advanced Large Sized Membrane Type LNG Carrier“, Technical Review, Vol. 41, No. 6, Dec. 2004.

• TGE-Guide for Gases and Chemicals, Tractebel Gas Engineering (CD-ROM#38)


Links

• www.conocophillips.com• www.cryostar.com• www.mossww.com/mossmaritime/• www.lngfacts.org• www.lngjournal.com• www.lngoneworld.com• www.hydrocarbons-technology.com• www.qatargas.com• www.gastechnology.org/• www.gazdefrance.com• www.coltoncompany.com/shipbldg/worldsbldg/gas.htm• www.saacke.de• www.tractebel.de

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Navios LPG

Manuel Ventura

Licenciatura em Engenharia e Arquitectura NavalSecção Autónoma de Engenharia Naval


LPG - Definição

• LPG may be defined as those hydrocarbons which are gaseous at normal atmospheric pressure, but may be condensed to the liquid state at normal temperature, by the application of moderate pressures.

• Although they are normally used as gases, they are stored and transported as liquids under pressure for convenience and ease of handling.

• Liquid LPG evaporates to produce about 250 times volume of gas. Thus, a large quantity of energy can be packed, stored, transported and used in small containers.

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LPG - Composição

• O LPG é uma mistura predominante de propano e butano com uma pequena percentagem de insaturados (Propileno e Butileno) e algumas fracções mais ligeiras de C2 e outras maispesadas de C5.

• Incluídos nos gases LPG estão o Propano (C3H8), o Propileno(C3H6), normal e iso-butano (C4H10) e o Butileno (C4H8).

• Os gases LPG comerciais contêm invariavelmente vestígios de hidrocarbonetos mais leves tais como o Etano (C2H6) e o Etileno (C2H4) e hidrocarbonetos mais pesados como o Pentano(C5H12).


Métodos de Liquefacção LPG

• Existem actualmente dois processos de liquefacção LPG emuso: – Liquefacção sob pressão– Liquefacção criogénica a temperaturas muito baixas e a pressão

atmosférica

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Produção de LPG (1)

• Existem duas fontes a partir das quais os gases LPG podem ser produzidos:– Gá Natural Húmido ou Gás Associado– Operações de Refinaria

• Os gases LP preparados a partir de gás natural húmido consisteminteiramente em hidrocarbonetos "saturados" i.e. propano e butano.

• Os gases LP produzidos em processos de destilação contemhidrocarbonetos "saturados" i.e. propano e butano (quer normal, queriso)

• Os gases LP produzidos em processos quer de cracking, quer de reforming terão também, além dos hidrocarbonetos saturados, umaquantidade de hidrocarbonetos não-saturados ( i.e. propileno e butileno)


Produção de LPG (2)

• Os gases LPG produzidos têm impurezas tais como humidade e enxofre, compostos tais como o sulfido de hidrogénio e mercaptans.

• A humidade pode originar o clogging dos reguladores, válvulas, etc. e os compostos de enxofre provocam corrosão. Por isso, a humidade e os compostos de enxofre são removidos narefinaria através de um tratamento adequado

• Para alertar o utilizador do LPG em caso de derrame, o "etilomercaptan" que tem um odor característico é adicionado empequenas quantidades na refinaria.

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Especificação do LPG

Level 2Level 2Level 2Odour

Shall pass thetest

No freeentrained water

No freeentrained waterDryness

absentabsentabsentHydrogen sulphide

Not less than 1Not less than 1

Not less than 1Copper strip corrosion @ 38 deg C for one hour

0.020.020.02Total volatile sulphur % by mass max.

222Volatility evaporate temp. in deg C for 95% vol. @ 760 mm pressure max

26 Max16.87 Max.

10 Max.Vapour Pressure @ 65Deg.C kg/cm2

PropanoComercial

MisturaComercial

ButanoComercial


LPG - Caracterização da Frota

• VLGCs (Very Large Gas Carriers), navios com capacidades na ordem dos 75-100,000 m3, completamente refrigerados, geralmente envolvidos em transportes de longo-curso.

• Navios de porte médio, com capacidades aprox. de 20-60,000 m3, completamente refrigerados, que transportam LPG e também amónia anidra.

• Navios semi-refrigerados, semi-pressurizados, geralmente com capacidades da ordem dos 10-20,000 m3, que também transportam químicos gasosos, tais como o propileno, o butadieno, e o vinyl chloridemonomer.

• Transportadores de gás pressurizado de pequeno porte, com capacidades geralmente inferiores a 6,000 m3, envolvidos no tráfego costeiro ou noutros de pequeno curso.

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Links

• www.PetroleumBazaar.com• www.poten.com

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