Transcript 13.1 Skäl för elektrisk framdrift Det finns ett antal skäl till att välja

13.1 Skäl för elektrisk framdrift Det finns ett antal skäl till att välja elektriska framdrivningsmaskinerier för vissa typer av fartyg trots den fördyring och komplicering av maskineriet detta för med sig. Grovt sett kan dessa skäl vara: -
-
Elektrisk framdrift är det enda möjliga alternativet, tex konventionella u‐båtar Elektrisk framdrift ger maskineriet egenskaper som ett konventionellt diesel‐ eller turbinmaskineri inte har, tex isbrytare Elektrisk framdrift kan kombineras med många andra stora eldrivna förbrukare, tex farkoster för off‐shore‐industri Elektrisk framdrift kan möjliggöra ekonomiskt och flexibelt utnyttjande av maskinutrymmena ombord och kombineras med stora elförbrukarnät, tex kryssningsfartyg och färjor Större driftsäkerhet genom att dela upp maskineriet i mindre redundanta delar Möjlighet att använda lättare högvarviga kraftmaskiner Mindre vibrationer och skakningar pga kortare propelleraxlar och kraftmaskiner som går på konstant varvtal. Nackdelarna är naturligtvis en dyrare anläggning med extra komponenter som introducerar mera förluster och kräver eget utrymme. Å andra sidan ger elektrisk framdrift möjlighet att använda propellrar och kraftmaskiner av en typ eller på ett sätt som ger högre prestanda eller lägre förluster, mer om detta längre fram. I dagens läge kan elektrisk framdrivning vara ett ekonomiskt alternativ för de flesta typer av fartyg och för kryssningsfartyg och off‐shore‐
farkoster har den nästan blivit standardlösning. Queen Elizabeth II byggdes om från ångturbindrift till dieseldrift med 9 stycken dieslar som drev synkrongeneratorer kopplade parallellt till ett 10kV nät som matade 2 st synkronmotorer som drev CP‐propellrar. Dieslarna gick på konstant varvtal (60Hz‐nät) och propellermotorerna hade därför konstant varvtal varför CP‐propellrar måste användas. Problemet med en sådan anläggning är att starta propellermotorerna, på QE‐II löstes detta med synchrokonvertrar som var dimensionerade för en lägre effekt men som gav motorerna fullt varvtal med låg stigning på propellrarna. Vid högre effekt och fullt varvtal kopplades synchrokonvertrarna bort och motorerna matades direkt från 60Hz‐nätet, fig 13.12. Detta får ses som ett steg i utvecklingen fram till dagens dieselelektriska kryssningsfartyg. Fig 13.12. QE‐II dieselektriskt maskineri. 9 st 10,5MW, 10kV, 60Hz, 400 rpm generatorer. 2 st 11MW synchrokonvertrar, 2 st 44MW 144 rpm synkronmotorer 13. 3. Elektriskt framdrivningsmaskineri för bättre utrymmesutnyttjande, bättre komfort: kryssningsfartyg. Genom att kunna placera kraftmaskineriet fritt och undvika långa propelleraxlar kan man få ett bättre utnyttjande av utrymmena ombord och minska vibrationer och störande ljud. Med dieselelektrisk drift kan kraftmaskinerna köras på konstant varvtal och med optimal belastning vilket ger mer ekonomisk drift, bättre driftegenskaper vid varierande driftsituationer och minskade utsläpp och kombinerat med poddade propellrar bättre manöverförmåga. Frekvensomriktare för elmotorerna gör även att man kan använda fasta propellrar som är billigare och eventuellt har bättre verkningsgrad (i vissa driftlägen). Allt detta har gjort att kryssningsfartyg byggda efter 1990 nästan uteslutande har dieselektrisk framdrift med frekvensomriktare. Stora kryssningsfartyg har även ett stort effektbehov för sitt hotell (>10MW) vilket lämpligen kombineras med framdrivningselsystemet. I fig 13.15 ses ett 1‐linjediagram för elsystemet på ett kryssningsfartyg. Fig 13.15 Dieselektriskt kryssningsfartyg. Nätet är uppbyggt symmetriskt kring en bus‐tie‐delning i både högspännings‐ och lågspänningsnätet (klasskrav). Propellermotorerna har normalt dubbla statorlindningar som vardera matas av egna frekvensomvandlare kopplade korsvis till de båda näthalvorna, detta ger både större tillgänglighet/driftsäkerhet och genom 12‐pulskoppling av omriktarna mindre återverkningar på elnätet. Som omriktare kan användas både cyklokonverter och synchrokonverter.. I schemat i fig 13.15 visas CP‐propellrar. Detta användes i de tidiga anläggningarna, senare fartyg har i allmänhet fasta propellrar och POD:ar. Frekvensomriktarna matas via transformatorer (gjuthartsisolerade eller esteroljeisolerade). I och för sig kan frekvensomriktarna byggas för direktkoppling till högspänning (exempel isbrytare Fennica) men tillverkarna/användarna tycks oavsett effekt föredra transformatormatade omriktare på kryssningsfartyg. Exempeldata: cyclokonvertertrafo 13kV/1kV, motorhuvudspänning 1,5kV; synchrokonvertertrafo 6kV/2,9kV , motorhuvudspänning 2,75kV. Lågspänningsnätet matas via transformatorer från högspänningstavlan, undantag kan utgöras av vissa störningskänsliga anläggningar (navigation/kommunikationsutrutning), som i fig 13.15 matas via roterande omformare. 13.6 Ekonomiska aspekter. I de (få) fall där elektrisk framdrift inte är den enda tekniska lösningen är det naturligtvis ekonomiska avgöranden som bestämmer val av maskineri. Här kan man beakta investeringskostnaden, förlusterna och driftsekonomin samt eventuellt behov av speciellt skolad personal. Investeringsmässigt innebär elektrisk framdrift en fördyring, men även inbesparingar i form av kortare propelleraxlar, inga mekaniska utväxlingar, fasta propellrar istället för ställbara. Dessa utgifter och inbesparingar är lätta att ställa mot varandra. De extra anläggningarna som eldriften behöver ökar på de totala förlusterna, typiska verkningsgrader för de olika delarna är: generator: η = 0,95‐0,97, ställverk η = 0,999, transformator: η = 0,99‐0.995, frekvensomvandlare: η = 0,98‐0,99, elmotor: η = 0,95‐0,97. Totalt ger detta en verkningsgrad från dieselaxeln till propellern på ca 0,88‐0,92 vid full last och verkningsgraden sjunker vid lägre last. Mot detta skall vägas inbesparingar i form av den bättre hydrodynamiska verkningsgraden för den fasta varvtalsstyrda propellern och den bättre bränsleekonomin hos kraftmaskineriet som driver ett elsystem med konstantvarvtal och hög belastning. Figur 13.22 visar a) specifik bränsleförbrukning för en typisk medelvarvig diesel och b) förbrukad effekt som funktion av dragkraft (thrust) för en CP‐ och en fast propeller. Beroende på typ av fartyg och dess driftsprofil kan dessa inbesparingar uppskattas och en ekonomisk jämförelse bli möjlig. Valet mellan konventionellpropellermaskineri och elektrisk framdrift görs slutligen på ekonomiska och tekniska och driftsmässiga grunder enligt de egenskaper hos maskinerierna som behandlats ovan. Fig 13.22 Bränsleförbrukning för diesel a) och effektbehov för propeller b).