Σύστημα εποπτείας-καταγραφής και ανάλυση ποιότητας ισχύος

«ΔιερΕΥνηση Και Aντιμετώπιση προβλημάτων ποιότητας ηλεκτρικής Ισχύος σε Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) πλοίων» (ΔΕΥ.Κ.Α.Λ.Ι.ΩΝ) πράξη ΘΑΛΗΣ-ΕΜΠ, πράξη ένταξης 11012/9.7.2012, MIS: 380164, Κωδ.ΕΔΕΙΛ/ΕΜΠ: 68/1129 Παραδοτέο: Π7.1.1 (Φάκελος Περιγραφής Μετρητικού Συστήματος Ποιότητας Ισχύος ΠΙ και Μετρήσεων σε Πραγματικό Πλοίο) Σύστημα εποπτείας-καταγραφής και ανάλυση ποιότητας ισχύος

Πίνακας Περιεχομένων Εισαγωγή.. 1 1 Εξομοιωτής Ηλεκτρικού Δικτύου Πλοίου... 2 2 Εγκατάσταση μετρητικών οργάνων σε πραγματικό πλοίο.. 6 2.1 Παρουσίαση των υπό ανάλυση ηλεκτρικών φορτίων.. 6 2.2 Αναλυτική περιγραφή του μετρητικού συστήματος. 7 2.3 Εγκατάσταση των μετρητικών οργάνων στο πλοίο 10

Εισαγωγή Τα πλοία στα οποία στηρίζονται οι θαλάσσιες μεταφορές αποτελούν πηγές ρύπων που συντείνουν στο «φαινόμενο του θερμοκηπίου» κατά ένα σημαντικό ποσοστό. Για το λόγο αυτό, με πρωτοβουλία του Διεθνούς Οργανισμού Ναυτιλίας (International Maritime Organization- ΙΜΟ) που τελεί υπό την αιγίδα του Οργανισμού Ηνωμένων Εθνών, τα τελευταία χρόνια έχει ξεκινήσει μία προσπάθεια ελέγχου και περιορισμού της ρύπανσης που προκαλούν. Η ποσοτικοποιημένη πιστοποίηση γίνεται μέσω ενός δείκτη σχεδίασης των ενεργειακών συστημάτων του πλοίου, του επονομαζόμενου Energy Efficiency Design Index EEDI. Εξάλλου, σε διαβούλευση για μελλοντική έκδοση σχετικής οδηγίας από τον ΙΜΟ είναι ο αντίστοιχος δείκτης λειτουργίας των ενεργειακών συστημάτων του πλοίου, ο επονομαζόμενος Energy Efficiency Operation Index EEOI. Αμφότεροι οι δείκτες αξιολόγησης των επιδόσεων των ενεργειακών συστημάτων του πλοίου μετρούν την ανηγμένη ποσότητα παραγόμενου CO 2 ως προς το ωφέλιμο παραγόμενο μεταφορικό έργο. Τέλος, για την επιτυχημένη παρακολούθηση, εποπτεία και καταγραφή των επιδόσεων ενός πλοίου όσον αφορά στην κατανάλωση καυσίμου και την παραγωγή ρύπων, κάθε πλοίο θα πρέπει να διαθέτει ένα Σχέδιο Κεντρικής Διαχείρισης των επιδόσεών του, το επονομαζόμενο Ship Energy Efficiency Management Plan - SEEMP. Ο τρόπος σχεδίασης και λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος δέν έχει ακόμη προτυποποιηθεί, ωστόσο, ήδη όλες οι σύγχρονες ναυπηγήσεις διαθέτουν ένα Κεντρικό Σύστημα Ενεργειακής Παρακολούθησης (Power Management System-PMS) στο οποίο μπορεί να ενσωματωθεί και το SEEMP. Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό, η εποπτική παρακολούθηση της απόδοσης του πλοίου, κατά την αποστολή του απαιτεί το σχεδιασμό και την εγκατάσταση ενός πολυμετρητικού συστήματος, το οποίο πρέπει να συνδυάζει την επίτευξη του στόχου μέτρησηςπαρακολούθησης-καταγραφής μαζί με επικουρικό σύστημα αποφάσεων του εκάστοτε έχοντα την ευθύνη χειρισμών σε όσο το δυνατόν χαμηλότερο κόστος (κτήσης, λειτουργίας και συντήρησης). Το μετρητικό αυτό σύστημα θα πρέπει να ενσωματώνεται στο Κεντρικό Σύστημα Ενεργειακής Διαχείρισης (Power Management System) και μπορεί να περιλαμβάνει τα εξής: - βέλτιστη λειτουργία ΣΗΕ πλοίου (παρακολούθηση ενεργειακής ροής σε ενεργό και άεργο ισχύ και συμβάντων ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος ) - βέλτιστη λειτουργία συστήματος πρόωσης πλοίου - βέλτιστη εκμετάλλευση συνθηκών πλεύσης Το κεφάλαιο αυτό επικεντρώνεται σε δύο βασικά σημεία. Στο πρώτο σημείο θα γίνει η περιγραφή ενός Εξομοιωτή Ηλεκτρικού Δικτύου Πλοίου (Ship Electric Grid Emulator) που σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε στο πλαίσιο του έργου MARINELIVE και ο οποίος αποτελεί μικρογραφία ενός τυπικού Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) πλοίου. Στο δεύτερο κομμάτι του κεφαλαίου αυτού θα δοθεί μια αναλυτική περιγραφή του μετρητικού 1

συστήματος ποιότητας ισχύος, το οποίο εγκαταστάθηκε σε πραγματικό πλοίο, για την online διαχείριση και βελτιστοποίηση της κατανάλωσης ισχύος ηλεκτρικών φορτίων, τα οποία θεωρούνται σημαντικά για την ομαλή λειτουργία και αποδοτικότητα του πλοίου. Συγκεκριμένα θα παρουσιαστούν οι δυνατές συνδεσμολογίας των μετρητικών που χρησιμοποιήθηκαν, ενώ θα επικεντρωθούμε στον τρόπο με τον οποίο πραγματοποιήθηκε η εγκατάσταση των μετρητικών αυτών οργάνων στα φορτία του πλοίου. Παράλληλα, θα παρουσιαστούν αναλυτικά τα φορτία αυτά, αναφέροντας τα χαρακτηριστικά μεγέθη του καθενός καθώς επίσης και τις συνθήκες λειτουργίας τους. Η εγκατάσταση του μετρητικού συστήματος πραγματοποιήθηκε στο πετρελαιοφόρο Μ/Τ SEASCOUT, της ναυτιλιακής εταιρείας THENAMARIS. Οι καταγραφές πραγματοποιήθηκαν σε χρονικό διάστημα ενός μηνός, προκειμένου να συγκριθεί η κατανάλωση ενέργειας σε συγκεκριμένα φορτία των οποίων η λειτουργία εκκίνησής τους άλλαξε. 1. Εξομοιωτής Ηλεκτρικού Δικτύου Πλοίου Ο Εξομοιωτής Ηλεκτρικού Δικτύου Πλοίου (Ship Electric Grid Emulator) που σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε στο πλαίσιο του έργου MARINELIVE αποτελεί μικρογραφία ενός τυπικού Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) πλοίου. Το δίκτυο του εξομοιωτή (που απεικονίζεται στο Σχήμα 1, και στις Εικόνες 1-3) διαθέτει τρεις σύγχρονες γεννήτριες (δύο των 5.9 kva και μία των 5 kva), οι οποίες (ή όποιες είναι σε λειτουργία) τροφοδοτούν ένα παθητικό φορτίο RL ή/και ένα τριφασικό κινητήρα επαγωγής, ενώ υπάρχει πρόβλεψη για συνδέσεις άλλων πηγών ηλεκτρικής ενέργειας, είτε απευθείας (για εξομοίωση διασύνδεσης ξηράς και cold-ironing), είτε μέσω διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος (για σύνδεση κυψελών καυσίμου Fuel Cells, όπως η μονάδα NEXA K00-792 του γερμανικού οίκου Heliocentris, βλ. Εικόνα 4 ή άλλων ανανεώσιμων πηγών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας). 2

GRID BUS1 BUS2 AC/DC/AC IM1 SG1 IM AC/DC/AC IM2 SG2 RL LOAD AC/DC/AC IM3 SG3 FUEL CELL Σχήμα 1. Διάγραμμα του πειραματικού συστήματος 3

Εικόνα 1. Ηλεκτρικές Μηχανές του Εξομοιωτή Ηλεκτρικού Δικτύου Πλοίου Εικόνα 2. Κεντρική Μονάδα Ελέγχου Εξομοιωτή 4

Εικόνα 3. Υποσυστήματα Διανομής και Προστασίας Εξομοιωτή Εικόνα 4. Κυψέλη καυσίμου NEXA K00-792 Κάθε γεννήτρια έχει ως κινητήρια μηχανή (prime mover) ένα κινητήρα επαγωγής που οδηγείται από ένα μετατροπέα ηλεκτρονικών ισχύος, ο οποίος με τη σειρά του τροφοδοτείται από τον πίνακα του εργαστηρίου. Σημειώνεται ότι, καθώς η τάση των γεννητριών είναι ήδη χαμηλή (400 V πολική), δεν χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές υποβιβασμού/ανύψωσης της τάσης στο σύστημα. Το σύστημα είναι ηλεκτρικά αυτόνομο από το δίκτυο (ΔΕΗ) που τροφοδοτεί τους μετατροπείς ισχύος (όπως και το ηλεκτρικό δίκτυο ενός πλοίου), με εξαίρεση την τροφοδοσία των βοηθητικών κυκλωμάτων. Εξάλλου, όσον αφορά το σύστημα γείωσης, ακολουθείται η λογική του «αγείωτου» συστήματος, όπως συμβαίνει στην πλειονότητα των πλοίων, επομένως όλες οι τριφασικές διατάξεις είναι συνδέονται κατά «αστέρα με αγείωτο κόμβο» ή κατά «τρίγωνο». Όσον αφορά στη συχνότητα του αυτόνομου συστήματος, η χρήση κινητήρων επαγωγής ως κινητήριες μηχανές (αντί π.χ. ενός κινητήρα diesel με ρυθμιστή στροφών) παρουσιάζει ιδιαιτερότητες. Στη συνέχεια περιγράφεται σύντομα πώς εξασφαλίζεται η πρωτεύουσα ρύθμιση συχνότητας. Για το σκοπό αυτό θεωρείται ότι οι τρεις ή όσες γεννήτριες λειτουργούν στο σύστημα είναι ίδιες, όπως και οι κινητήρες επαγωγής που τις οδηγούν. Επίσης, οι κινητήρες επαγωγής τροφοδοτούνται από τους μετατροπείς ισχύος με ονομαστική τάση και συχνότητα. Με τις υποθέσεις αυτές οι γεννήτριες μπορούν να θεωρηθούν ως μία ισοδύναμη η οποία οδηγείται από έναν (ισοδύναμο) κινητήρα επαγωγής και τροφοδοτεί το συνολικό φορτίο του αυτόνομου συστήματος, όπως στο Σχήμα 2. 5

GRID AC/DC/AC AUTONOMOUS SYSTEM BUS IM SG LOAD Σχήμα 2. Απλοποιημένο διάγραμμα του πειραματικού συστήματος Η μηχανική ισχύς που αποδίδει ο κινητήρας επαγωγής συναρτήσει της ταχύτητας περιστροφής υπό ονομαστική τερματική τάση και συχνότητα φαίνεται στο Σχήμα 3, όπου τα μεγέθη είναι ανηγμένα στις ονομαστικές τους τιμές (ανά μονάδα σύστημα). 3 2.5 2 Mechanical Power (pu) 1.5 1 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Rotor Speed (pu) Σχήμα 3. Καμπύλη ισχύος ταχύτητας περιστροφής κινητήρα επαγωγής Ως γνωστόν, η ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα επαγωγής σε κανονική λειτουργία είναι πολύ κοντά στη σύγχρονη ταχύτητα (1 α.μ.), δηλ. στο τμήμα της καμπύλης του Σχήματος 3, με τη μεγάλη αρνητική κλίση. Για παράδειγμα για παραγωγή ισχύος ίση με το μισό της ονομαστικής (0.5 α.μ.), η ταχύτητα περιστροφής είναι περίπου 0.98 α.μ. Δεδομένου ότι η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα του κινητήρα επαγωγής είναι και η σύγχρονη ταχύτητα του αυτόνομου συστήματος (οι δρομείς των δύο ηλεκτρικών μηχανών έχουν κοινό άξονα), τότε η συχνότητα του αυτόνομου συστήματος είναι 98% της ονομαστικής, δηλ. 49 Hz. Υποθέτοντας ιδανικό τον ρυθμιστή τάσης της γεννήτριας και καθαρά ωμικό φορτίο, τότε σε ένα άλλο σημείο λειτουργίας με μεγαλύτερη αγωγιμότητα του φορτίου, η γεννήτρια θα αποδίδει την απαιτούμενη αυξημένη ισχύ, όπως και ο κινητήρας. Όπως φαίνεται από την χαρακτηριστική καμπύλη του Σχήματος 3, σε αυτό το σημείο λειτουργίας ο κινητήρας θα 6

λειτουργεί σε χαμηλότερες στροφές, άρα η συχνότητα του αυτόνομου συστήματος θα είναι χαμηλότερη, π.χ. 97% της ονομαστικής ή 48,5 Hz. Επομένως, θεωρώντας ευθεία την χαρακτηριστική ισχύος στροφών του κινητήρα επαγωγής στην περιοχή λειτουργίας, ο κινητήρας λειτουργεί ως ισοδύναμο μιας πηγής μηχανικής ροπής για την γεννήτρια (όπως ένας στρόβιλος) με τον ρυθμιστή στροφών της. Η κλίση της χαρακτηριστικής ορίζει τον στατισμό του ισοδύναμου ρυθμιστή στροφών, αλλά με μηδενική παραγωγή στα 50 Hz, που είναι η συχνότητα τροφοδοσίας του κινητήρα από τον μετατροπέα. Η δευτερεύουσα ρύθμιση της συχνότητας (ώστε αυτή να διατηρείται ακριβώς στα 50 Hz) γίνεται μέσω του κεντρικού συστήματος διαχείρισης ενέργειας (βλ. επόμενη παράγραφο). Αυτή αναλαμβάνεται από μία γεννήτρια (ρυθμίζουσα) και έναν αναλογικόολοκληρωματικό (PI) ρυθμιστή με είσοδο το σφάλμα της συχνότητας του αυτόνομου συστήματος και μεταβλητή ελέγχου την συχνότητα τροφοδοσίας του κινητήρα της ρυθμίζουσας γεννήτριας. Εφόσον λειτουργούν παράλληλα δύο γεννήτριες, ένας δεύτερος PI ρυθμιστής με μεταβλητή ελέγχου τη συχνότητα τροφοδοσίας του κινητήρα της μη ρυθμίζουσας γεννήτριας, εξασφαλίζει τον καταμερισμό της ισχύος στις γεννήτριες, όπως επιθυμείται από τον χειριστή. 2. Εγκατάσταση μετρητικών οργάνων σε πραγματικό πλοίο 2.1. Παρουσίαση των υπό ανάλυση ηλεκτρικών φορτίων Κατά τη διάρκεια της εργασίας αυτής επιλέχθηκαν τρεις κινητήρες για την εγκατάσταση των μετρητικών οργάνων. Για την καλύτερη ανάλυση της ποιότητας ισχύος επιλέξαμε να εγκαταστήσουμε τα μετρητικά σε δύο κινητήρες, των οποίων η διαδικασία εκκίνησης τους άλλαξε, όπως φαίνεται στον Πίνακα 2.1. Πίνακας 2.1 Τρόπος Εκκίνησης Κινητήρων Α/Α MOTOR OLD STARTER NEW STARTER 7

1 NO.1 M/E L.O PUMP D.O.L D.O.L 2 NO.1 MAIN/COPT COOLING SEA WATER PUMP Υ/Δ VFD 3 NO.1 E/R VENTILATION FAN D.O.L VFD Όπως φαίνεται και στον Πίνακα 2.1 οι αλλαγές στην εκκίνηση πραγματοποιήθηκαν στους κινητήρες 2 και 3, ενώ στον κινητήρα 1 δεν πραγματοποιήθηκε καμία αλλαγή. Στον Πίνακα 2.2 παρουσιάζονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά των υπό μελέτη κινητήρων. Αξίζει να σημειωθεί ότι επιλέξαμε κινητήρες διαφορετικής ισχύος προκειμένου να πραγματοποιηθεί μια όσο το δυνατόν πιο εμπεριστατωμένη μελέτη. Πίνακας 2.2 Ονομαστικά Μεγέθη Κινητήρων Α/Α MOTOR P (kw) V (V) I (A) f (Hz) 1 NO.1 M/E L.O PUMP 75 440 122.3 60 2 NO.1 MAIN/COPT COOLING SEA WATER PUMP 3 NO.1 E/R VENTILATION FAN 75 440 129.1 60 11 440 22.3 60 2.2. Αναλυτική περιγραφή του μετρητικού συστήματος Όπως αναφέρθηκε και στις προηγούμενες παραγράφους στα πλαίσια αυτού του πακέτου εργασίας χρησιμοποιήθηκαν τρία μετρητικά όργανα. Τα όργανα αυτά είναι τα ELSPEC G4K BLACKBOX Device (G4420 BLACJBOX SPG-4420-0000), όπως φαίνεται στο σχήμα 4. 8

Σχήμα 4. Το μετρητικό ELSPEC G4420 BLACKBOX Το παραπάνω μετρητικό όργανο μπορεί να μετρά και να καταγράφει τις τάσεις και τα ρεύματα που εφαρμόζονται πάνω σε οποιοδήποτε ηλεκτρικό φορτίο. Για τη μέτρηση της τάσης υπάρχουν πέντε τερματικά καλωδίων, τρία για κάθε μία από τις φάσεις (R,S και Τ), ένα για τη γείωση και άλλο ένα για τον ουδέτερο, ενώ όσον αφορά τη μέτρηση του ρεύματος υπάρχουν 6 οπές, μέσα από τις οποίες διέρχονται τα καλώδια τα οποία διαρρέονται από το υπό μέτρηση ρεύμα. Από αυτές τις 6 οπές, τρεις είναι για κάθε μία φάση, μία για τον ουδέτερο και από τις υπόλοιπες δύο η μία είναι εφεδρική ενώ η υπ αριθμόν Νο. 6 είναι απενεργοποιημένη (Σχ. 5). (a) (b) (c) Σχήμα 5. (a) Το μετρητικό όργανο πλήρως συνδεδεμένο (b) Συνδέσεις τάσης (c) Συνδέσεις ρεύματος Εξαιτίας των υψηλών ρευμάτων που αναπτύσσονται στα υπό μελέτη φορτία, όπως π.χ. κατά τη διάρκεια της εκκίνησης των κινητήρων (ρεύματα εκκίνησης), χρησιμοποιήθηκαν 9

συνολικά εννέα μετασχηματιστές ρεύματος, τρεις για κάθε φάση και για τους τρεις κινητήρες. Ο λόγος μετασχηματισμού αυτών των μετασχηματιστών είναι διαφορετικός, διότι χρησιμοποιήθηκαν για κινητήρες διαφορετικής ισχύος. Συγκεκριμένα, για τους κινητήρες 1 και 2, των οποίων η ισχύς ήταν 75 kw, ο λόγος μετασχηματισμού ήταν 500/1 ενώ για τον κινητήρα 3, με ισχύ 11 kw, ο αντίστοιχος λόγος ήταν 250/1, όπως φαίνεται χαρακτηριστικά και στο σχήμα 6. (a) (b) Σχήμα 6. (a) Οι μετασχηματιστές ρεύματος 500/1 (b) Οι μετασχηματιστές ρεύματος 250/1 Τα μετρητικά όργανα, τα οποία εγκαταστάθηκαν, έχουν τη δυνατότητα να ανταποκρίνονται σε κάθε είδους συνδεσμολογίας, ανάλογα με το είδος του φορτίου στο οποίο θα συνδεθούν. Οι συνδεσμολογίες στις οποίες ανταποκρίνεται το μετρητικό ELSPEC είναι οι ακόλουθες: Φάση-Ουδέτερος Φάση-Φάση Φάση-Φάση με ουδέτερο (Single split phase) Συνδεσμολογία Αστέρα με Ουδέτερο Συνδεσμολογία Αστέρα χωρίς Ουδέτερο Συνδεσμολογία τριγώνου. 10

Δεδομένου ότι δεν υπάρχει ουδέτερη φάση στις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις πλοίων, η επιλογή συνδεσμολογίας του μετρητικού οργάνου στην περίπτωση μας ήταν η συνδεσμολογία τριγώνου (Σχ. 7). Σχήμα 7. Συνδεσμολογία τριγώνου για το ELSPEC BLACKBOX 2.3. Εγκατάσταση των μετρητικών οργάνων στο πλοίο. Στο κεφάλαιο αυτό θα παρουσιάσουμε εικόνες από τα εγκατεστημένα μετρητικά όργανα πάνω στο πλοίο και για τους τρεις κινητήρες. Στα σχήματα 8 έως 10 παρουσιάζονται ο συνολικός εγκατεστημένος εξοπλισμός για τους κινητήρες 1,2 και 3. 11

Σχήμα 8. Εγκατεστημένο μετρητικό για τον κινητήρα Νο 1 Σχήμα 9. Εγκατεστημένο μετρητικό για τον κινητήρα Νο 2 12

Σχήμα 10. Εγκατεστημένο μετρητικό για τον κινητήρα Νο 3 13