Transcript POD

Brodski pogonski sustavi
POD propulzija
Miroslav Crnić / Aleš Podnar
1. Uvod i povijesni pregled električne propulzije
1.1. Uvod
POD - propulzor pogonjenom elektromotorom koji je ugrađen u podvodno, strujno dobro
oblikovano tijelo, engleski nazvano «pod» (slično mahuni).
POD - u tehničkom nazivlju - na hrvatskom je gondola (npr. balona, zrakoplovnog motora), a
poddedpropulsor gondolski propulzor.
Ideja električne propulzije datira još iz sredine XIX stoljeća. Međutim, inovacije na području
upravljivosti i kontrole električnih motora s promjenjivim brzinama u širokom rasponu snaga, a
preko kompaktnih, ali i cijenom prihvatljivih rješenja, upotreba električne propulzije zauzima
sve značajnije mjesto tijekom 80. i 90. godina XX stoljeća.
Električna propulzija pogonjena plinskim turbinama ili diesel generatorima se koriste u stotinama
brodova različitih namjena i konfiguracija (kruseri, trajekti, polagači kabela i cijevi, ledolomci,
opskrbni brodovi, ratni brodovi,…).
Velika istraživanja na ovom polju govore u prilog značenju ove vrste pogona i za postojeće, ali i za
neke nove aplikacije.
2
1. Uvod i povijesni pregled elektro propulzije
1.2. Povijest
1838. god.
Jacobi predstavio prvo plovilo na električni pogon
1913.god.
US Navy “JUPITER” – teretnjak za prijevoz ugljena 12.700 t. deplasmana
(1921. godine rekonstruiran u nosač zrakoplova USS Langley)
1920.-1930.god.
gradnja većeg broja ratnih i putničkih brodova (dizel motori nemaju
sposobnost reverziranja)
II svjetski rat
porinuće preko 300 ratnih brodova i 530 tankera – razlog brza gradnja
sredina XX st.
razvoj dizelskih motora, reduktora i vijaka usporava primjenu električne
propulzije, osim na ledolomcima i istraživačkim brodovima
70. godine XX st.
otkriće tiristora i reguliranih elektromotornih pogona
80. godine XX st.
pojava statičkih pretvarača frekvencije
90. godine XX st.
AZIPOD – podtrupni potisnici
Tablica 1.1. Povijesni prikaz
3
2. POD proizvođači - pregled
Na tržištu su prisutna dva glavna proizvođača: ABB i Rolls-Royce.
“ABB”
• kompanija s najvećim brojem isporučenih
• dva tipa proizvoda: AZIPOD i Compact
• AZIPOD: 5MW – 30MW
• Compact: 400kW – 5MW
• Isporučuje cjelokupno rješenje.
POD-a
Slika 2.1. AZIPOD
“Rolls-Royce”
•
•
•
proizvod tip: Mermaid pod
raspon snaga: 5MW – 25MW
surađuje s “Covnerteam” koja
isporučuje elektične dijelove.
Slika 2.2. Rolls-Royce
Osim ova dva proizvođača na tržištu su još:
• SEP (Schottel Electric Propulsion) - samostalno proizvode uređaje manjih snaga, a
u suradnji sa Siemensom (SSP – Siemens Schottel Propulsion) uređaje većih snaga,
• neke japanske kompanije koje su predstavile svoje prototipe
• Converteam – objavio da je razvio svoj POD.
4
3. Mehanički pregled POD-a
Većina uređaja danas generalno imaju sličan dizajn.
Glavne karakteristike:
- montaža izvana, na dnu trupa broda
- mogućnost zakretanja POD-a 360° (prednosti: nepotrebno kormilo uz poboljšana
manevarska svojstva u lukama i kanalima).
Slika 3.1. AZIPOD
Slika 3.2. Mermaid
Slika 3.3. SSP
Kao što se vidi na slici, AZIPOD i Mermaid vrlo su slični, dok se SSP (Siemens Schottel Pod)
nešto razlikuje zbog dva vijka.
5
3. Mehanički pregled POD-a
MERMAID POD
Na slici 3.4 prikazan je presjek Mermaid
uređaja - struktura koja se koristi u većini
današnjih konstrukcija.
Karakteristike:
• Zajednička osovina rotora el.motora i vijka
– nepotrebni prijenosnici!
• Osovina je učvršćena na krajevima
prstenovima koje isporučuje SKF (ABB i RR).
• Čovjek prikazuje približan omjer veličine za
20MW POD
• Raspon snage 0,4-5MW
– manje
konstrukcije.
• Raspon snage 5-30MW veće konstrukcije.
Slika 3.4. Mermaid POD
6
3. Mehanički pregled POD-a
7
4. Električni sustav POD propulzije
Elektro sustav POD propulzije sastoji se od:
- izvora el.energije
- razvodnih ormara
- transformatora
- frekvencijskih pretvarača
- propulzijskih elektro motora.
Transformatori i pretvarači su smješteni u
POD prostoriji u brodu, dok je elektro motor
smješten direktno u POD.
Za prijenos električne energije od pretvarača do
motora koriste se klizni/kružni prstenovi.
Slika 4.1. Razine upravljanja
Slika 4.1 prikazuje principijelnu shemu sustava elektro propulzije. Uobičajeno se sastoji od dva
seta POD-a jednake konfiguracije i koji su neovisni jedan o drugom.
8
4. Električni sustav POD propulzije
4.1. Transformatori
Transformatori – omogućavaju podjelu elektro sustava na različite naponske nivoe, koji su pri tom
i međusobno izolirani.
U POD propulziji zastupljeni su i uljni i suhi transformatori (uobičajeni i kod ABB i kod RR).
Izlazni dio transformatora, koji napaja POD sustav, prilagođen je ulaznom dijelu ispravljača /
pretvarača.
Slika 4.2. Transformatori
Slika 4.2 shematski prikazuje transformatore namjenjeni za 6, 12, 18 i 24 pulsna ispravljača.
9
4. Električni pregled POD propulzije
4.2. Frekvencijski pretvarači
Svrha frekvencijskih pretvarača jest kontrola brzine i momenta motora pretvarajući
konstantnu frekvenciju u promjenjivu (varijabilnu).
Razvoj poluvodičke tehnologije značajno je utjecao na različite dizajne pretvarača.
Pretvarači imaju i negativne efekte kao što su harmonici koji mogu jako onečistiti
elektro mrežu.
Slika 4.3.
Frekvencijski pretvarači
U POD propulziji trenutno se koriste tri vrste pretvarača:
a) Load Commutated Inverter (RR) - tiristor
b) Cyclo pretvarač (ABB) – tiristor
c) VSI – upravljive sklopke (ABB – IGCT/Integrated gate commutated thyristor) / (RR
– IGBT/Insulated gate bipolar transistor).
10
4. Električni pregled POD propulzije
4.2. Frekvencijski pretvarači
LCI
POD
(company)
Cyclo
VSI - PWM
Mermaid(RR)
Azipod(ABB)
Compact, Azipod(ABB),
Mermaid(RR)
Prednosti
Jednostavna i
prilagodljiva
konstrukcija.
Jednostavan
upravljački
sustav.
Jaki moment na
niskim
brzinama.
Prilagodljiv i fleksibilan
sa visokim
performansama.
Nedostaci
Bez jakog
momenta na
niskim brzinama.
Kompleksna
konstrukcija.
Brza preklapanja
poluvodičkih sklopki
stvaraju struje vrlo visokih
frekvencije što značajno
povećava napon i
opterećuje vodove.
Tablica 4.1. Usporedba frekvencijskih pretvarača
11
4. Električni pregled POD propulzije
4.2. Frekvencijski pretvarači
Slika 4.4.
Cyclo
frekvencijski
pretvarač
Primjer – najčešće korišteni Cyclo pretvarač.
Cyclo pretvarač – direktni tip, bez DC veze. AC napon motora se “konstruira”
selektiranjem faznog segmenta dolaznog napona upravljanjem antiparalelnim
tiristorskim mostom. Na slici je prikazana 12-pulsna konfiguracija, a napon motora se
kontrolira preko 1/3 ulazne frekvencije (~20Hz) što omogućava široku primjenu u
direktnim pogonima bez upotrebe prijenosnika. Ovakav tip pretvarača je obožavan na
aplikacijama kod kojih se traže male brziname i velike performanse (ledolomci,…).
12
4. Električni pregled POD propulzije
4.3. Elektro motori
Sinhroni
Permanentni
Indukcijski
Pod
(Company)
Mermaid(RR)
Azipod(ABB)
Compact (ABB) SSP
(SS)
Converteam
SEP(Siemens)
Prednosti
Viskoka
Nema gubitaka rotora Jednostavna i
iskoristivost za Jednostavna
robusna
velike snage
konstrukcija
konstrukcija
Kompaktan dizajn
Nedostaci
Komplicirana
izvedba
Nije moguć za velike
snage
Loša iskoristivost
za velike snage
Tablica 4.2. Usporedba elektromotora korišteni kod POD propulzije
Sinkroni motor – najčešće primjenjivan zbog visoke iskoristivosti na visokim snagama. Sinhron
zato što se rotor vrti sinhronom brzinom tj. istom brzinom koju mu daje okretno magnetsko
polje statora. Opremljen je strujnom uzbudom koja se napaja preko faznog pretvarača kojim
mu se može mijenjati snaga.
Sinkroni motor s permanentnim magnetom – umjesto rotora opremljen je permanentnim
magnetom zbog čega nema gubitaka u rotorskom dijelu. Ima ograničenja u primjeni za visoke
snage zbog magnentne karakteristike materijala.
Indukcijski motori – najčešće primjenjivan motor u industrijskim aplikacijama zbog svoje
robusnosti i jednostavne konstrukukcije, međutim primjenjuje se u POD-ima s manjim
snagama.
13
5. Upravljanje snagom i propulzijom
5.1. Uvod – Razine upravljanja
Slika 5.1. Razine upravljanja
Korisničko sučelje: - Operatorske stanice
- smještene na komandnom mostu ili kontrolnoj sobi strojarnice
Kontrola razine sustava: - Kontroleri / PLC
- integrirani u PLC-u, centralizirani ili distribuirane periferije, ovisno o konstrukciji broda
Niska razina kontrole: - Governors, AVR, Zaštita
- odvojene distribuirane periferije na različitim razinama broda
14
5. Upravljanje snagom i propulzijom
Slika 5.2. Integrirani sustav upravljanja plovilom
Fieldbus Network – real time komunikacijska mreža na niskoj razini kontrole između uređaja
i kontrolera
Control Network – real time mreža za izmjenu podataka između operatorskih stanica i
kontrolera
15
Office Plant Network – mreža koja povezuje sustave unutar ureda i informacijske sustave
5. Upravljanje snagom i propulzijom
5.2. Korisničko sučelje
•
Kontakt posade za nadzor i upravljanje brodom
• Smješteno na komandnom mostu ili kontrolnoj sobi strojarnice
• Operatorske stanice – grafički prikaz:
• sučelja upravljanja brodom
• statusa i mjerenja
• inputa i komandi operatera
• alarma
• Fleksibilnija i jeftinija rješenja od “žaruljica i gumba”
• Izazov u osmišljavanju grafičkog sučelja – kombinacija sigurnosti i
“userfriendly” sučelja za jednostavniju primjenu i pronalaženje
potrebne
informacije
Slika 5.3. Tipično korisničko sučelje
16
5. Upravljanje snagom i propulzijom
5.3. Visoka razina kontrole
5.3.1. Upravljanje snagom – upravljanje energijom (PMS – EMS)
•
Svrha PMS-a:
• osiguravanje dovoljne snage za normalno upravljanje sustavom
• praćenje opterećenja i statusa generatora i električne mreže
• nadzor i kontrola toka energije uz optimiziranje potrošnje goriva
• U slučaju pada snage ispod granične vrijednosti, PMS automatski starta
slijedeći generator postavljen u sekvenci
• Glavne funkcije se mogu grupirati:
• Upravljanje snagom – nadzor sustava preko nadzora frekvencije i napona,
te aktivnog i pasivnog opterećenja - uvjetuje start/stop seta generatora
• Upravljanje opterećenjem – nadzor opterećenja i koordinacija startanja
velikih potrošača na temelju raspoložive snage
• Upravljanje distribucijom – nadzor distributivne mreže i redistribucija
potrošača na mreži zbog rasterećenja sustava
• Najteži kvar je tzv. “blackout” sustava
• Mehanizmi za izbjegavanje “blackouta” su povezani sa PMS-om, kao što su
start/stop funkcije, redukcije pogona i ostalih opterećenja
• Ako “blackout” potraje ili se ponovi s vremena na vrijeme, potrebno je
rekonfigurirati sustav i sekvence startanja te sinhronizirati opterećenja
generatora
17
5. Upravljanje snagom i propulzijom
5.3. Visoka razina kontrole
5.3.2. Upravljanje plovilom
Uključuje ručnu, automatsku i polu-automatsku kontrolu pomoćnih sustava
(ventili, HVAC sustavi, kontrole balasta i tereta...)
• Mogu uključivati i alarmne sustave, te sigurnosne sustave
•
5.3.3. Upravljanje pogonom i dinamičkim pozicioniranjem
•
Sastoje se od:
• MTC sustava – omogućuje kontrolu nad pojedinim potiskivačima i vijcima
• “auto pilot” sustava – automatsko održavanje i korekcija kursa tjekom
plovidbe
• Ako se plovilo koristi za pozicioniranje ili manevriranje:
• DPS sustava – ručno ili automatsko pozicioniranje u skladu sa potrebnim
manevrom
• Posmoor ATA – pozicioniranje usidrenih plovila pomoću potisnika – ručno
(Posmoor TA) ili automatsko (Posmoor ATA)
• Kontrola upravljanja pogonom i dinamičkim pozicioniranjem je vrlo važno za
sigurno upravljanje brodom
• Potrebno je pažljivo razmatranje njihovog sučelja i uzajamno testiranje sa
upravljanjem sustava snage/energije i upravljanja plovilom
18
5. Upravljanje snagom i propulzijom
5.4. Niska razina kontrole
5.4.1. Zaštita motora i governor
Uređaji za zaštitu motora služe za prevenciju i iskapčanje motora pri overspeed, velikim temperaturama, gubitka sredstva za podmazivanje...
• Governor kontrolira frekvenciju reguliranjem dotoka goriva glavnom pogonu
• Može biti tzv. “speed-drop” tip – frekvencija pada proporcionalno s povećanjem
opterećenja
• Jednostavna i robusna metoda održavanja ravnomjernog opterećenja između
dva paralelno spojena generatora
•
5.4.2. Automatic voltage regulator (AVR)
• Kontrolira napon pomoću struje magnetiziranja u namotu generatora
• U tzv. “droop-mode” granice osjetljivosti su mu ± 2.5%
• Ako aplikacija nema “droop-mode”, postoje alternativne metode:
• Kompenzacija pada napona – namještanjem setpointa na kojem
će se
djelomično ili potpuno kompenzirati pad napona
• Integrirani kontroler – namještanje setpointa napona u zavisnosti od
opterećenja i izbegavanje devijacija statičkog napona
19
5. Upravljanje snagom i propulzijom
5.4. Niska razina kontrole
5.4.3. Zaštitni releji
Zaštitni uređaji i releji služe za zaštitu ljudskog života ili ozljeda od kvarova u električnim
sustavima i za izbjegavanje ili reduciranje oštećenja opreme
• Najčešće su smješteni u razvodnim ormarima ili u specijalnim kontrolnim i zaštitnim
panelima
• Danas se najčešće koriste digitalni releji na bazi mjerenja struja, napona, frekvencija koji
su programirani da odspoje djelove opreme unutar zadanog vremena i definirani su
ANSI/IEEE i IEC normama
•
Motor:
Generator:
- Prekostrujna
- Kratkospojna
- Termička
- Zemljospojna
- Podnaponska
- Redosljed faza
- Motor start: broj startanja
-Prekostrujna i kratkospojna
- Zemljospojna
- Reverse power
- Redosljed faza
- Pod- i prenaponska
- Prefrekventna
- Pod- i premagnetizirajuća
- Diferencijalna
Razvodni ormar:
- Pod- i prenaponska (alarm)
- Pod- i prefrekventna (alarm)
- Zemljospoj, trip ili alarm
- Diferencijalna
Sabirnice:
-Kratkospojna
-Zemljospojna
-Diferencijalna
Transformator:
-Prekostrujna
- Kratkospojna
- Termička
- Zemljospojna
- Podnaponska
- Redosljed faza
- Motor start: broj startanja
Tablica 5.1. Standardne zaštite za pojedine djelove pogona
20
5. Upravljanje snagom i propulzijom
5.3. Visoka razina kontrole
5.3.4. Kontrola propulzije
Održava zadanu brzinu unutar granica brzina, momenata i dinamičkih mogućnosti
Povezan je sa sustavom upravljanja, sustavom snage i distribucije i sustavom upravljanja
na komandnom mostu (joystick, autopilot, dinamičko pozicioniranje...)
• U slučaju “blackouta” postoje tri grupe redukcije opterećenja:
• PMS na temelju prioriteta raspodjeljuje maksimum opterećenja dostupne snage
pogonima
• Tzv. “event-trigged” smanjenje opterećenja – digitalni signal koji prisiljava redukciju
snage koje se predaje motoru na razinu dostupne snage
• Tzv. “frequency trigged” smanjenje opterećenja – mjerenjem frekvencije na strani
napajanja, reagira posljednji uslijed pada frekvencije ili preopterećenja generatora
• Usporedba kako se stabilizira snaga koja se
povlači iz mreže pomoću kontrole brzine i
kontrole opterećenja
• Kod ledolomaca ili plovila koja plove kroz led
opterećenje brže i više varira kada vijak
udari u led, pa se sa kontrolom snage uspješno
reduciraju smetnje u mreži
•
•
Slika 5.4. Usporedba kontrole brzine i
kontrole opterećenja
21
5. Upravljanje snagom i propulzijom
Slika 5.5. Prikaz upravljačkog sustava
22
5. Upravljanje snagom i propulzijom
Slika 5.6. Prikaz komunikacijskih krugova
23
5. Upravljanje snagom i propulzijom
Slika 5.7. Topologija mreže
upravljanja plovilom
Slika 5.8. Prikaz električnog sustava
24
5. Upravljanje snagom i propulzijom
Slika 5.9. MV ormar, 3300V IGCT VSI drive (ABB ACS600)
1. Diodni ispravljači
2. Ormar sa rednim stezaljkama i upravljačkim modulima
3. IGCT inverter modul
4. Kapacitivne baterije
5. Jedinica za hlađenje vodom, sa izmjenjivačem topline i cirkulacijske pumpe
25
5. Upravljanje snagom i propulzijom
Slika 5.10. Funkcionalna integracija i distribucija informacija u PMS-u
26
5. Upravljanje snagom i propulzijom
Slika 5.11. Prikaz upravljačkog pulta
27
5. Upravljanje snagom i propulzijom
Slika 5.12. Prikaz djelovanja prilikom “blackouta”
28
6. Primjeri konfiguracija
6.1. Putnička plovila – Kruzeri i trajekti
Popis putničkih plovila sa električnom propulzijom u današnje vrijeme je
dugačak i povećava se
• Glavni zahtjevi snage naprema propulziji su:
• Sigurnost i udobnost putnika i posade
• Ekonomičnost potrošnje goriva
• Iskoristivost
• Zahtjevi za zaštitom okoliša pokreću zahtjeve za redukcijom emisija, ispusta i
šteta na koraljnim grebenima prilikom sidrenja
• Stoga se plovila moraju pozicionirati isključivo s potisnicima, što povećava
potrebu za električnom propulzijom
• Zbog čestih ulazaka/izlazaka iz luke i pristajanja, POD propulzija uvelike
reducira potrošnju goriva
•Instalirana snaga za manje trajekte je 30-40 MW, dok je za kruzere oko 10-15
MW
•
Slika 6.1. Manevar kruzera opremljenog
POD propulzorom
29
6. Primjeri konfiguracija
6.1. Putnička plovila – Kruzeri i trajekti
Slika 6.2. Primjer propulzije i sustava
upravljanja na putničkom
brodu
30
6. Primjeri konfiguracija
6.1. Putnička plovila – Kruzeri i trajekti
Slika 6.3. Primjer jednopolne sheme
upravljanja na putničkom
brodu
31
6. Primjeri konfiguracija
6.2. Tankeri, LNG brodovi
Slika 6.4. Primjer propulzije i sustava
upravljanja na tankeru
32
6. Primjeri konfiguracija
6.2. Tankeri, LNG brodovi
Slika 6.5. Primjer konfiguracije za LNG brodove
33
6. Primjeri konfiguracija
6.2. Tankeri, LNG brodovi
Slika 6.6. Primjer jednopolne sheme
upravljanja na tankeru
34
6. Primjeri konfiguracija
6.3. Eksplotacija nafte i plina – Platforme
Platforme većinu vremena provode u poziciji mirovanja, a potisnike i propulzore
koriste za održavanje pozicije i premještanje na drugu lokaciju
• Donedavno su naftne i plinske bušotine bile u plitkim vodama i moguće ih je
bilo crpiti sa fiksnom pozicijom
• Eksplotacija i bušenje u dubokim vodama je moguće sa dinamičkim
pozicioniranjem ili nadzorom pozicije s potisnicima
• Tipična konfiguracija se sastoji od dva, tri ili četiri odvojena sustava napajanja
• Tipično za ova plovila je velika instalirana snaga potisnika 20-50 MW, a zajedno
sa bušilicama i ostalim potrošačima je 25-55 MW
•
Slika 6.7. Eksplotacijski brod i naftna
platforma
35
6. Primjeri konfiguracija
6.3. Eksplotacija nafte i plina – Platforme
Slika 6.8. Primjer propulzije i
sustava upravljanja
na platformama
36
6. Primjeri konfiguracija
6.3. Eksplotacija nafte i plina – Platforme
Slika 6.9. Primjer jednopolne sheme upravljanja na platformama
37
6. Primjeri konfiguracija
6.4. Plovila za opskrbu i offshore radove
S rastućom potrebom za brzom širokopojasnom mrežom i globalnom mrežom
optičkih kabela, osnovala se velika flota plovila za podmorsko polaganje kabela
sa električnom propulzijom i dinamičkim pozicioniranjem
• Kod ovih plovila, električna propulzija je među prvima ugrađivana, najprije s
propelerima s konstantnom brzinom, a kasnije s potisnicima s promjenjivom
brzinom
• Instalirana snaga je od 8-30 MW
•
Slika 6.10. Plovila za opskrbu prilagođena su za plovidbu u različitim vremenskim uvjetima
38
6. Primjeri konfiguracija
6.4. Plovila za opskrbu i offshore radove
Slika 6.11. Primjer propulzije i sustava
upravljanja na plovilima
za opskrbu i offshore radove
39
6. Primjeri konfiguracija
6.4. Plovila za opskrbu i offshore radove
Slika 6.12. Plovila za opskrbu i
offshore radove
40
6. Primjeri konfiguracija
6.4. Plovila za opskrbu i offshore radove
Slika 6.13. Primjer jednopolne sheme
upravljanja na plovilima za opskrbu
41
6. Primjeri konfiguracija
6.5. Ledolomci i plovila po zaleđenim morima
Slika 6.14. Ledolomci i plovila po
zaleđenim morima
42
6. Primjeri konfiguracija
6.5. Ledolomci i plovila po zaleđenim morima
Slika 6.15. Primjer jednopolne sheme
upravljanja na ledolomcima
43
6. Primjeri konfiguracija
6.6. CRP – Contra rotating propulsion
Dva suprotnovrteća vijka
• Kombinacija vijka na osovini sa “aktivnim kormilom” – Azipod-om
• Okrenuti su “licem u lice” i rotiraju se suprotnim smjerom vrtnje
• Prednosti:
• smanjenje gubitaka nastalih zbog rotacije mlaza
• poništavanje reaktivnog momenta vrtnje koji se prenosi na brod
• Nedostatak:
• složenost konstrukcije – zbog toga se ugrađivao samo na torpeda
• CRP koncept se razvio za različite tiplove plovila, uključujući putnička plovila,
kontejnerska plovila, tankere, LNG plovila, a od 2003 i za brza RoPax plovila
•
Slika 6.16. CRP konfiguracija za RoPax plovila
44
6. Primjeri konfiguracija
6.6. CRP – Contra rotating propulsion
Slika 6.17. Primjer CRP Azipod
45
6. Primjeri konfiguracija
6.6. CRP – Contra rotating propulsion
Slika 6.18. Primjer jednopolne sheme
upravljanja sa CRP
46
Hvala na pažnji!
47