Μελέτη προβλημάτων Ποιότητας Ηλεκτρικής Ισχύος (ΠΗΙ) λόγω λειτουργίας γεννητριών άξονα

Transcript

1 «ΔιερΕΥνηση Και Aντιμετώπιση προβλημάτων ποιότητας ηλεκτρικής Ισχύος σε Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) πλοίων» (ΔΕΥ.Κ.Α.Λ.Ι.ΩΝ) πράξη ΘΑΛΗΣ-ΕΜΠ, πράξη ένταξης 11012/ , MIS: , Κωδ.ΕΔΕΙΛ/ΕΜΠ: 68/1129 Παραδοτέο: Π2.3.1 (Ποιότητα Ενέργειας από συστήματα γεννητριών άξονα και Περιβάλλον (Κ,ΤΕ)) Μελέτη προβλημάτων Ποιότητας Ηλεκτρικής Ισχύος (ΠΗΙ) λόγω λειτουργίας γεννητριών άξονα

2 Πίνακας Περιεχομένων Εισαγωγή Τοπολογίες αξονικών Γεννητριών Αξιολόγηση μελλοντικών βελτιώσεων-προοπτικές Αποτίμηση ωφελειών λειτουργίας της αξονικής γεννήτριας με το προτεινόμενο σύστημα ελέγχου Υπολογισμός της κατανάλωσης των μηχανών του πλοίου Οικονομική αποτίμηση υπάρχοντος σεναρίου λειτουργίας Οικονομική αποτίμηση προτεινόμενου σεναρίου λειτουργίας Οικονομικά συμπεράσματα εφαρμογής του προτεινόμενου συστήματος ελέγχου Συμπεράσματα συγκριτικής μελέτης αξονικών γεννητριών Αναφορές... 13

3 Εισαγωγή Οι αξονικές γεννήτριες (ΑΓ) είναι σύγχρονες ή ασύγχρονες μηχανές που στρέφονται από την κύρια μηχανή του πλοίου. Συνδέονται στον άξονα της προπέλας ή της κύριας μηχανής, συνήθως μέσω κιβωτίου πολλαπλασιασμού στροφών. Ορισμένα βασικά πλεονεκτήματα στην προσπάθεια εξηλεκτρισμού των πλοίων με εγκατάσταση αξονικών γεννητριών είναι τα ακόλουθα: Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται χρησιμοποιώντας καύσιμα φθηνότερα του ντίζελ, όπως βαρύ μαζούτ ή φυσικό αέριο. Βέβαια, και στις δύο περιπτώσεις υπάρχει σύζευξη του συστήματος της αξονικής γεννήτριας με την κύρια μηχανή. Οι απαιτήσεις σε όγκο είναι αρκετά μικρές οπότε μπορούν εύκολα να εγκατασταθούν στο χώρο των κύριων μηχανών. Τα επίπεδα θορύβου των αξονικών γεννητριών είναι χαμηλότερα συγκριτικά μ αυτά των συμβατικών γεννητριών. Ωστόσο, υπάρχουν και ορισμένα μειονεκτήματα αυτών των συστημάτων, ορισμένα από τα οποία έχουν πλέον ξεπεραστεί: Η λειτουργία των αξονικών γεννητριών απαιτεί επιπλέον φόρτιση της κύριας μηχανής, η οποία πρέπει να ληφθεί υπ όψιν στην επιλογή και διαστασιολόγηση του συστήματος πρόωσης. Εν τούτοις, το πρόσθετο αυτό κόστος εγκατάστασης αντισταθμίζεται απ το χαμηλό κόστος συντήρησης και κυρίως το αισθητά ελαττωμένο κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, συγκριτικά με τις κλασικές ντηζελογεννήτριες. Στην παρούσα δράση εξετάζονται εναλλακτικές διαμορφώσεις γεννητριών άξονα για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και διερευνώνται ζητήματα της ποιότητας παρεχόμενης ενέργειας από αυτά στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας του πλοίου. Εξετάζονται επίσης τα πιθανά οφέλη της χρήσης αξονικών γεννητριών στο περιβάλλον μέσω εξοικονόμησης καυσίμου. Η παραπάνω μελέτη έγινε θεωρώντας ένα πραγματικό σύστημα ενός σύγχρονου φορτηγού-επιβατικού πλοίου (RoRo-Trailer-Passenger). Το πλοίο έχει ηλικία δέκα ετών και είναι ναυπηγημένο στη Γερμανία. Πιο συγκεκριμένα, σε πρώτη φάση λαμβάνοντας υπόψη τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των αξονικών γεννητριών του υπό μελέτη πλοίου σχεδιάστηκαν δύο τοπολογίες γεννητριών άξονα: Μία σύγχρονη γεννήτρια έκτυπων πόλων υψηλών στροφών (1200 ΣΑΛ) κλασικού τύπου παρόμοιων χαρακτηριστικών με αυτών του υπό μελέτη πλοίου

4 Μία σύγχρονη γεννήτρια μόνιμων μαγνητών χαμηλών στροφών (400 ΣΑΛ) ως εναλλακτική τοπολογία η οποία δύναται να συνδεθεί απευθείας στην κύρια μηχανή του πλοίου. Οι δύο μηχανές συγκρίνονται ως προς τα βασικά λειτουργικά τους χαρακτηριστικά (ροπή, βαθμός απόδοσης, ποιότητα παρεχόμενης ισχύος) με σκοπό να αναδειχθούν πιθανά πλεονεκτήματα της εναλλακτικής τοπολογίας της σύγχρονης γεννήτριας μονίμων μαγνητών. Σε δεύτερη φάση, βάσει των καταγραφέντων πλεονεκτημάτων της εναλλακτικής τοπολογίας, εξετάζεται η εφαρμογή της μέσω κατάλληλων διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας του πλοίου. Σχεδιάζεται κατάλληλη διάταξη ηλεκτρονικού μετατροπέα για τη διασύνδεση της γεννήτριας με το δίκτυο, καθώς και προηγμένος ελεγκτής της λειτουργίας της, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η απρόσκοπτη ανταλλαγή ισχύος υψηλής ποιότητας. Τέλος, αποτιμώνται τα οικονομικά οφέλη της λειτουργίας των προτεινόμενων συστημάτων αξονικών γεννητριών ως προς τη μειωμένη κατανάλωση καυσίμου της κύριας μηχανής. Στη συγκεκριμένη ανάλυση αξιοποιούνται δεδομένα πραγματικής λειτουργίας του πλοίου στο πλαίσιο ενός τυπικού ταξιδιού. Ακολούθως, υπολογίζεται η ελάχιστη κατανάλωση που προκύπτει από την εφαρμογή του προτεινόμενου συστήματος ελέγχου, καταλήγοντας στην αποτίμηση των ωφελειών για το προτεινόμενο σενάριο λειτουργίας σε σύγκριση με το πραγματικό σενάριο. 1.1 Τοπολογίες αξονικών Γεννητριών Οι βασικές τοπολογίες αξονικών γεννητριών (ΑΓ) [1] είναι οι ακόλουθες: α) Power Take Off/Gear Constant Ratio (PTO/GCR), η οποία αποτελείται από μια στρεπτικά άκαμπτη σύνδεση, ένα κιβώτιο για την αύξηση της ταχύτητας και μια σύγχρονη γεννήτρια, όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Σε αυτήν την κατηγορία, η ηλεκτρική συχνότητα της γεννήτριας είναι ανάλογη της ταχύτητας της κύριας προωστήριας μηχανής, επομένως η παραγωγή τάσης σταθερής συχνότητας είναι δυνατή μόνο όταν το πλοίο βρίσκεται εν πλω. Για την παραγωγή σταθερής συχνότητας, χρειάζεται να εγκατασταθεί είτε προπέλα μεταβλητού βήματος, είτε ασύγχρονη γεννήτρια. Στην δεύτερη περίπτωση, ο δρομέας μπορεί να περιστρέφεται σε μεταβλητές ταχύτητες μεγαλύτερες από την σύγχρονη ταχύτητα, παράγοντας τάση σταθερής συχνότητας στο στάτη. Ωστόσο, η ασύγχρονη μηχανή είναι απαραίτητο να λειτουργήσει αρχικά ως κινητήρας, έτσι ώστε να μαγνητιστεί και στη να λειτουργήσει ως γεννήτρια, παρέχοντας ενεργό ισχύ στο ηλεκτρικό δίκτυο του πλοίου. Επιπλέον, η ασύγχρονη γεννήτρια απορροφά άεργο ισχύ, καθιστώντας απαραίτητη τη λειτουργία αντισταθμιστών. Εναλλακτικά, η τοπολογία αυτή μπορεί να λειτουργεί απομονωμένα, με μικρή διακύμανση στη συχνότητα της

5 παραγόμενης τάσης, τροφοδοτώντας φορτία με ανοχές σε μεταβολές της συχνότητας λειτουργίας τους. β) Power Take Off/Renk Constant Frequency (PTO/RCF), η οποία αποτελείται από μια στρεπτικά άκαμπτη σύνδεση, ένα κιβώτιο μεταβλητού λόγου και μια σύγχρονη γεννήτρια, όπως απεικονίζεται στο σχήμα 1. Σε αυτήν την τοπολογία, το κιβώτιο διατηρεί την γωνιακή ταχύτητα του δρομέα σταθερή. Ως αποτέλεσμα, η ηλεκτρική συχνότητα της γεννήτριας παραμένει σταθερή, καθιστώντας δυνατή την παράλληλη λειτουργία με συμβατικά ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη ντηζελογεννητριών. Οι σύγχρονες μηχανές τυλιγμένου δρομεα είναι η πιο συνιθισμένη κατηγορία ηλεκτρικών μηχανών για τον συγκεκριμένο τύπο ΑΓ. Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματά τους είναι η ικανότητα παραγωγής αέργου ισχύος, σε αντίθεση με τις ασύγχρονες γεννήτριες, διατηρώντας την τάση του δικτύου σταθερή, προσαρμόζοντας κατάλληλα το ρεύμα διέγερσης. Επιπροσθέτως, είναι δυνατή η προστασία της μηχανής σε συνθήκες βραχυκύκλωσης, ελέγχοντας την διέγερσή της. Κύρια μηχανή ΣΗΕ πλοίου 3~ Γεννήτρια Κιβώτιο Σχήμα 1. Σχήμα τοπολόγίας PTO/CGR γ) Power Take Off/Constant Frequency Electrical (PTO/CFE), η οποία αποτελείται από μια στρεπτικά άκαμπτη σύνδεση, ένα κιβώτιο με σταθερό λόγο μετάδοσης για την αύξηση της ταχύτητας, μια σύγχρονη γεννήτρια και ένα ηλεκτρικό σύστημα ελέγχου, υπεύθυνο για την διατήρηση της τάσης και της συχνότητας που παράγει η σύγχρονη γεννήτρια, η οποία κινείται με μεταβλητή ταχύτητα, σταθερή, όπως φαίνεται στο σχήμα 2. Εναλλακτικά, μια γεννήτρια χαμηλών στροφών, απευθείας συνδεδεμένη στο πίσω μέρος της κύριας μηχανής, με ένα ηλεκτρικό σύστημα ελέγχου, μπορεί να εγκατασταθεί, όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 3. Στην πρώτη περίπτωση, υπάρχει ένα κιβώτιο με σταθερό λόγο μετάδοσης και το ηλεκτρικό σύστημα ελέγχου είναι υπεύθυνο να μετατρέψει την μεταβλητή ηλεκτρική συχνότητα σε σταθερή. Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος γενικότερα αποτελείται από έναν ανορθωτή και έναν αντιστροφέα, οι οποίοι αναλαμβάνουν να διατηρήσουν την ηλεκτρική συχνότητα και τάση στον ζυγό σύνδεσης σταθερά. Στην δεύτερη περίπτωση, το κιβώτιο μπορεί να αντικατασταθεί από μια πολυπολική γεννήτρια χαμηλών στροφών. Σε αυτήν την τοπολογία, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η σύγχρονη γεννήτρια μονίμων μαγνητών.

6 Κύρια μηχανή ac dc ΣΗΕ πλοίου 3~ dc ac Γεννήτρια Κιβώτιο Σχήμα 2. Σχηματικό διάγραμμα τοπολογίας PTO/CFE με κιβώτιο ταχυτήτων Κύρια μηχανή Γεννήτρια 3~ ac dc dc ac ΣΗΕ πλοίου Σχήμα 3. Σχηματικό διάγραμμα τοπολογίας PTO/CFE με γεννήτρια χαμηλών στροφών 1.2 Αξιολόγηση μελλοντικών βελτιώσεων-προοπτικές Στις μέρες μας, οι Σύγχρονες Γεννήτριες Μονίμων Μαγνητών (ΣΓΜΜ), κερδίζουν ολοένα και περισσότερο ενδιαφέρον για συστήματα ΑΓ. Τα κύρια πλεονεκτήματα των των ΣΓΜΜ είναι η απουσία τυλίγματος διέγερσης, ψηκτρών και δακτυλίων, η υψηλή απόδοση, εφόσον οι απώλειες χαλκού στο τύλιγμα διέγερσης μηδενίζονται και η υψηλή πυκνότητα ισχύος. Οι ΣΓΜΜ με επιφανειακό μόνιμο μαγνήτη είναι η πιο συνηθισμένη τοπολογία η οποία συναντάται.οι ΣΓΜΜ συγκεντρωμένου μη επικαλυπτόμενου τυλίγματος αποκτούν ολοένα και περισσότερο ενδιαφέρον σε εφαρμογές άμεσης μετάδοσης, όπως οι ανεμογεννήτριες ή τα ηλεκτροκίνητα οχήματα. Επομένως, θα ήταν δυνατή η επέκτασή τους και στα συστήματα ΑΓ, λόγω των παρόμοιων λειτουργικών τους χαρακτηριστικών. Επιπλέον, οι εξελίξεις στα ηλεκτρονικά ισχύος μπορούν να συμβάλλουν στην καθιέρωση ΣΓΜΜ χωρίς κιβώτιο ταχυτήτων σε εφαρμογές ΑΓ, συνδεόμενες στο Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) του πλοίου μέσω ενός AC/DC/AC μετατροπέα. Από την άλλη πλευρά, υπάρχουν αρκετές προκλήσεις οι οποίες πρέπει να αντιμετωπιστούν όσον αφορά στη λειτουργία της ΣΓΜΜ, με πιο σημαντική την απουσία ελέγχου της διέγερσης, γεγονός εξαιρετικά κρίσιμο σε περιπτώσεις σφαλμάτων. Ακόμα, η γεωμετρική διαμόρφωση του δρομέα (επιφανειακός μαγνήτης, εσωτερικός μαγνήτης), πρέπει να επιλεχθεί σύμφωνα με την ονομαστική ταχύτητα και το πιθανό κίνδυνο απομαγνήτισης.

7 2. Αποτίμηση ωφελειών λειτουργίας της αξονικής γεννήτριας με το προτεινόμενο σύστημα ελέγχου Η λειτουργία του προτεινόμενου συστήματος ελέγχου αξονικών γεννητριών που αναπτύχθηκε επιβεβαιώθηκε μέσω των προσομοιώσεων που πραγματοποιήθηκαν στην ενότητα 4 του Παραδοτέου Π2.2.1 Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων επιβεβαίωσαν την ικανότητα του συστήματος να ελέγχει την τάση και τη συχνότητα του δικτύου και συνεπώς την ενεργό ισχύ και άεργο που παρέχει η αξονική γεννήτρια στο δίκτυο και τέλος την ταχύτητα με την οποία κινείται όταν λειτουργεί ως κινητήρας. Στην ενότητα αυτή εξετάζονται οι ωφέλειες της εφαρμογής του προτεινόμενου συστήματος ελέγχου της αξονικής γεννήτριας όσον αφορά στην κατανάλωση καυσίμου. Αρχικά παρουσιάζεται ο τρόπος υπολογισμού της κατανάλωσης καυσίμου των μηχανών του πλοίου. Στη συνέχεια υπολογίζεται η κατανάλωση του μηχανών, στο πλαίσιο ενός τυπικού ταξιδιού, σύμφωνα με τα δεδομένα που προκύπτουν από τις μετρήσεις της πραγματικής λειτουργίας του πλοίου τα οποία παρουσιάζονται στην αναφορά [2]. Ακολούθως, υπολογίζεται η ελάχιστη κατανάλωση που προκύπτει από την εφαρμογή του προτεινόμενου συστήματος ελέγχου, καταλήγοντας στην αποτίμηση των ωφελειών για το προτεινόμενο σενάριο λειτουργίας σε σύγκριση με το πραγματικό σενάριο. 2.1 Υπολογισμός της κατανάλωσης των μηχανών του πλοίου Όπως αναφέρεται, το πλοίο διαθέτει συνολικά τέσσερις μηχανές ντήζελ της εταιρείας Wartsila (τύπου 12V46), οι οποίες συνδέονται ανά δύο με το αντίστοιχο γρανάζι στο μειωτήρα στροφών της εταιρείας Schelde. Η τροφοδοσία του πλοίου με ηλεκτρική ενέργεια γίνεται με τη βοήθεια τριών γεννητριών ντήζελ του οίκου MAN-BW (τύπου L28/32), ονομαστικής ισχύος 2100 kva, ενώ υπάρχουν διαθέσιμες και δυο αξονικές γεννήτριες του οίκου ΑΒΒ ονομαστικής ισχύος 2400 kva και τέλος μια γεννήτρια ντήζελ εκτάκτου ανάγκης του οίκου CATERPILLAR ονομαστικής ισχύος 1125 kva [2]. Από τα αντίστοιχα φυλλάδια των εταιριών βρέθηκαν οι τιμές της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου (SFOC g/kw ) για διάφορες περιπτώσεις φόρτισης των μηχανών. Οι τιμές αυτές παρουσιάζονται στο πίνακα 1: Πίνακας 1. Ειδικές καταναλώσεις καυσίμου φορτίο Sfoc DG Sfoc ME μηχανής % g/kwh g/kwh

8 Από τον παραπάνω πίνακα προκύπτουν οι καμπύλες κατανάλωσης των μηχανών που παρουσιάζονται στα ακόλουθα σχήματα : sfoc(g/kwh) Πολυωνυμική (κατανάλωση γεννήτριας ντήζελ) y = 0,006x 2-0,9586x + 230, φορτίο (%) Σχήμα 4. Καμπύλη κατανάλωσης γεννήτριας ντήζελ sfoc (g/kwh) Πολυωνυμική (κατανάλωση κύριας μηχανής) y = 0,01x 2-1,513x + 226, φορτίο (%) Σχήμα 5. Καμπύλη κατανάλωσης κύριας μηχανής Οι αντίστοιχες συναρτήσεις που δίνουν την κατανάλωση ανά φορτίο είναι: Για τις μηχανές ντήζελ : y = 0.006x x Για τις κύριες μηχανές : y = 0.01x x όπου y είναι η ειδική κατανάλωση καυσίμου σε g/kwh, x είναι το φορτίο της μηχανής σε ποσοστό %.

9 2.2 Οικονομική αποτίμηση υπάρχοντος σεναρίου λειτουργίας Με βάση τα αποτελέσματα των μετρήσεων που έχουν πραγματοποιηθεί στο πλοίο [2], υπολογίστηκε ο μέσος όρος φόρτισης των γεννητριών για το υπάρχον σενάριο λειτουργίας: Λειτουργία πλοήγησης στη θάλασσα με 1 αξονική (SG) - 1 ντήζελ (DG) (Γ3) SG DG 66,86% 73.25% Λειτουργία ελιγμών με 2 αξονικές 3 ντήζελ (Β2) SG1 SG2 DG1 DG2 DG3 4.9% 8.3% 50% 50% 51% Με στόχο τον υπολογισμό της κατανάλωσης καυσίμου πρέπει να εκτιμηθεί το ποσοστό φόρτισης των κύριων μηχανών οι οποίες τροφοδοτούν τις αξονικές γεννήτριες. Για τη λειτουργία πορείας στη θάλασσα υπολογίζεται πως οι κύριες μηχανές έχουν επιλεγεί έτσι ώστε να λειτουργούν στο 90% της ονομαστικής τους ισχύς για το μέγιστο φορτίο που μπορεί να δεχτεί η προπέλα στη λειτουργία αυτή. Επιπροσθέτως, το φορτίο των αξονικών γεννητριών αντιστοιχεί στο 8% του φορτίου των κυρίων μηχανών, επομένως είναι ασφαλές να υποτεθεί πως στη λειτουργία πορείας στη θάλασσα οι κύριες μηχανές μπορούν να υποστηρίξουν τις αξονικές χωρίς πρόβλημα. Όσον αφορά στη λειτουργία ελιγμών, σύμφωνα με τον ηλεκτρικό ισολογισμό του πλοίου, οι αξονικές γεννήτριες προσφέρουν στο δίκτυο ισχύ που αντιστοιχεί στο 5% της ισχύος των κύριων μηχανών (2400 kw) [2]. Επομένως, οι κύριες μηχανές (ME) μπορούν να προσφέρουν το παραπάνω φορτίο στις αξονικές για αυτή τη κατάσταση λειτουργίας. Συνεπώς για το υπάρχον σενάριο λειτουργίας η φόρτιση των κύριων μηχανών παρουσιάζεται στη συνέχεια. Σενάριο 1: Πραγματική κατάσταση λειτουργίας Λειτουργία πλοήγησης στη θάλασσα (Γ3), SG DG ΜΕ Φορτίο % Sfoc g/kwh Λειτουργία ελιγμών (Β2) SG1 SG2 DG1 DG2 DG3 ΜΕ1 ΜΕ2 Φορτίο % Sfoc g/kwh Στο σημείο αυτό πρέπει να αναφερθεί πως ο υπολογισμός της κατανάλωσης των μηχανών του πλοίου υπολογίζεται για ένα τυπικό ταξίδι διάρκειας 7 ωρών. Στο πλαίσιο αυτό θεωρείται

10 πως το πλοίο βρίσκεται στη κατάσταση Γ3 για 6 ώρες ενώ για 1ώρα βρίσκεται στη κατάσταση λειτουργίας Β2, καθώς υποτίθεται ότι επισκέπτεται τρία λιμάνια, με τη διαδικασία ελιγμών κατά την είσοδο ή την έξοδο από αυτά να διαρκεί 10 λεπτά. Στον υπολογισμό της κατανάλωσης, η απόδοση της διάταξης των αξονικών γεννητριών που χρησιμοποιείται προκύπτει 88.3%, για απόδοση της σύγχρονης μηχανής 99%, του συστήματος διέγερσης 97% και του κιβωτίου ταχυτήτων 92%. Με βάση τα παραπάνω δεδομένα η κατανάλωση καυσίμου υπολογίστηκε σε γραμμάρια ή τόνοι καυσίμου. 2.3 Οικονομική αποτίμηση προτεινόμενου σεναρίου λειτουργίας Για τον υπολογισμό της ελάχιστης κατανάλωσης αρχικά θεωρείται πως στο υπάρχον σενάριο λειτουργούν δύο αξονικές γεννήτριες σε συνδυασμό με μια γεννήτρια ντήζελ. Επομένως, η ισχύς που ικανοποιούν δίνεται από τον τύπο : P = 1680* x *2*0,92* όπου x είναι το φορτίο % της γεννήτριας ντήζελ, y είναι το φορτίο % της αξονικής γεννήτριας. Ο συντελεστής 0.92 αποτελεί την απόδοση του συστήματος της μηχανής και του μετατροπέα όπως υπολογίστηκε από τις προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν. Η κατανάλωση καυσίμου σε g/h δίνεται από τον τύπο: Για τη λειτουργία πλοήγησης στη θάλασσα: C = 1680* x 100 y 100 (21) *f(x) *(w)*g(90 + w) (22) όπου x είναι το φορτίο % της γεννήτριας ντήζελ, w το φορτίο % της κύριας μηχανής που αντιστοιχεί στις αξονικές γεννήτριες. Ισχύει w= 1920*y/24000 (23) f(x) η ειδική κατανάλωση καυσίμου για x φορτίο % της γεννήτριας ντήζελ g(w)- η ειδική κατανάλωση καυσίμου για w φορτίο % της κύριας μηχανής. Για τη λειτουργία ελιγμών: x (24) C = 1680* *f(x) *(w)*g(95 + w) 100 Λύνοντας τη σχέση 21 ως προς x όπως φαίνεται παρακάτω

11 x = (P 2*19.20*0.92* y)/16.80 (25) με την εφαρμογή των σχέσεων 23 και 25 στη σχέση 22 προκύπτει η σχέση C = 16.80* P 2*0.92*19.2* 16.8 y P *f( 2* 0.92*19.2* 16.8 y ) + 480*(0.08*y)*g( *y) (26) Με τη χρήση της παραπάνω σχέσης (26) υπολογίζεται η ποσότητα καυσίμου συναρτήσει της φόρτισης των αξονικών γεννητριών. Επίσης με τη βοήθεια της ίδιας σχέσης υπολογίζεται η ελάχιστη κατανάλωση καθώς και τα αντίστοιχα ποσοστά φόρτισης των μηχανών ώστε να επιτευχθεί αυτή. Τα αποτελέσματα της παραπάνω διαδικασίας παρουσιάζονται παρακάτω. Σενάριο 2: Εφαρμογή του προτεινόμενου ελέγχου των αξονικών γεννητριών Λειτουργία πλοήγησης στη θάλασσα (Γ3) SG1 SG2 ΜΕ1 ME2 Φορτίο % Sfoc g/kwh Λειτουργία ελιγμών (Β2) SG1 SG2 DG1 ΜΕ1 ΜΕ2 Φορτίο % Sfoc g/kwh Η κατανάλωση καυσίμου στη περίπτωση αυτή υπολογίζεται στα γραμμάρια ή τόνοι καυσίμου. Για το σενάριο αυτό παρατηρείται μείωση της κατανάλωσης σε ποσοστό 3% σε σχέση με το υπάρχον σενάριο λειτουργίας των μηχανών του πλοίου. 2.4 Οικονομικά συμπεράσματα εφαρμογής του προτεινόμενου συστήματος ελέγχου Στον πίνακα 2 παρουσιάζονται συγκεντρωμένες οι καταναλώσεις καυσίμου των κύριων μηχανών και των γεννητριών ντήζελ του πλοίου που υπολογίστηκαν για ένα τυπικό ταξίδι διάρκειας επτά ωρών. Στο πρώτο σενάριο οι υπολογισμοί έγιναν με βάση την υπάρχουσα διάταξη των αξονικών γεννητριών του πλοίου, για τις εφαρμοζόμενες καταστάσεις λειτουργίας όπως παρουσιάζονται στην αναφορά [2]. Αξίζει να αναφερθεί ότι η κατάσταση Γ3 κατά την οποία το ηλεκτρικό δίκτυο του πλοίου χωρίζεται σε δυο τμήματα και τροφοδοτείται από το συνδυασμό των αξονικών γεννητριών και γεννητριών ντήζελ, εφαρμόζεται χειροκίνητα από το προσωπικό του πλοίου εξαιτίας των περιορισμών που εισάγει η υπάρχουσα διάταξη αξονικών γεννητριών αναφορικά με την παράλληλη λειτουργία των αξονικών γεννητριών με τις γεννήτριες ντήζελ. Οι περιορισμοί αυτοί καταργούνται με την εφαρμογή του

12 προτεινόμενου συστήματος ελέγχου των αξονικών γεννητριών, το οποίο χάρη στην ευελιξία που προσφέρει στην επιλογή των καταστάσεων λειτουργίας, επιτρέπει στις αξονικές γεννήτριες να προσφέρουν τη μέγιστη ισχύ στο σύστημα του πλοίου, περιορίζοντας στο ελάχιστο τη λειτουργία των λιγότερο οικονομικών γεννητριών ντήζελ. Η περίπτωση αυτή εξετάζεται στο δεύτερο σενάριο το οποίο μάλιστα παρουσίασε χαμηλότερη κατανάλωση συνολικά αλλά και στις επιμέρους λειτουργίες πλοήγησης και ελιγμών. Η συνολική μείωση της κατανάλωσης είναι της τάξης του 3% και σε συνδυασμό με την ικανότητα του νέου συστήματος ελέγχου να επιτρέπει τη χρήση της αξονικής μηχανής ως κινητήρα, πιστοποιεί τη συνολική ανωτερότητα του προτεινόμενου συστήματος ελέγχου αξονικών γεννητριών που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της παρούσας δράσης. Πίνακας 2. Καταναλώσεις καυσίμου ανά σενάριο λειτουργίας Σενάριο 1 Σενάριο 2 Γ gr gr Β gr gr Συνολικά gr Συμπεράσματα συγκριτικής μελέτης αξονικών γεννητριών Από την ανάλυση που πραγματοποιήθηκε για τις τελικές προτεινόμενες γεωμετρίες των δύο τοπολογιών ΑΓ (PTO/CFE και PTO/RCF) οι οποίες σχεδιάστηκαν και βελτιστοποιήθηκαν, προέκυψε ότι η ΣΓΜΜ πλεονεκτεί έναντι της ΣΓΕΠ σε ότι αφορά την απόδοση, το αρμονικό περιεχόμενο της επαγόμενης ΗΕΔ και την κυμάτωση της ροπής και ως αποτέλεσμα της ποιότητας της αποδιδόμενης ισχύος ενώ αποφεύγεται η χρήση κιβωτίου ταχυτήτων αυξάνοντας περαιτέρω την απόδοση και την αξιοπιστία. Χαρακτηριστικά αναφέρεται ότι η ΣΓΜΜ παρουσιάζει μειωμένη ροπή ευθυγράμμισης και κυμάτωση ροπής, με συντελεστές κυμάτωσης ροπής και ροπής ευθυγράμμισης 1,08% και 6,1% αντίστοιχα. Η ολική αρμονική παραμόρφωση της ΗΕΔ για την ΣΓΜΜ υπολογίστηκε σε 4.296% και % εν κενώ και για πλήρες φορτίο αντίστοιχα. Συμπερασματικά, μια χαμηλών στροφών ΣΓΜΜ με μη επικαλυπτόμενο συγκεντρωμένο τύλιγμα, συνδεόμενη στο ΣΗΕ του πλοίου μέσω ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος, μπορεί να θεωρηθεί μια συμφέρουσα επιλογή για συστήματα ΑΓ.

13 Σε ότι αφορά τον έλεγχο της αξονικής ΣΓΜΜ σχεδιάστηκε και προσομοιώθηκε ένας μετατροπέας τεσσάρων τεταρτημορίων, αποτελούμενος από δυο γέφυρες IGBT/Διόδων οι οποίες συνδέονται στο σύνδεσμο συνεχούς ρεύματος μέσω ενός πυκνωτή. Ο έλεγχος του μετατροπέα στην πλευρά της μηχανής επιτρέπει τον έλεγχο της ενεργού ισχύος που μεταφέρει η αξονική γεννήτρια στο δίκτυο του πλοίου, ενώ ο έλεγχος του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου διατηρεί σταθερή τη τάση του συνδέσμου συνεχούς ρεύματος, εξασφαλίζοντας την ομαλή μεταφορά της ενεργού ισχύος στο δίκτυο. Παράλληλα ρυθμίζει την άεργο ισχύ που απαιτείται για τη διατήρηση της τάσης του δικτύου στην ονομαστική της τιμή λειτουργώντας έτσι ως σύγχρονος πυκνωτής χωρίς επιπλέον κόστος επένδυσης και συντήρησης. Η χρήση του μετατροπέα τεσσάρων τεταρτημορίων επιτρέπει επίσης την αντίστροφη ροή ισχύος δίνοντας στη μηχανή τη δυνατότητα να λειτουργεί ως κινητήρας σε περίπτωση βλάβης της κύριας μηχανής του πλοίου αλλά και επικουρικά σε αυτή. Τέλος, η ευελιξία που προσφέρει το προτεινόμενο σύστημα ελέγχου αξονικών γεννητριών εξετάστηκε από τη σκοπιά της κατανάλωσης καυσίμου. Η χρήση του διευκολύνει την πλήρη αξιοποίηση των αξονικών γεννητριών ενώ ταυτόχρονα επιτυγχάνει τον περιορισμό της χρήσης των γεννητριών ντήζελ, οι οποίες χαρακτηρίζονται από σημαντικά μεγαλύτερη κατανάλωση καυσίμου. Υπολογίστηκε πως η κατανάλωση καυσίμου για ένα τυπικό ταξίδι μπορεί να μειωθεί έως και 3%, γεγονός που αποτελεί ενθαρρυντικό παράγοντα για την εφαρμογή του προτεινόμενου συστήματος έλεγχου αξονικών γεννητριών στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας του πλοίου. Αναφορές [1] MAN B&W, Shaft generators for the MC and ME engine. [2] Γ.Παλουμπής, Μελέτη μεταβατικών καταστάσεων λειτουργίας συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας πλοίου, Διπλωματική εργασία, Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Ε.Μ.Π., Αθήνα 2011.