Transcript 2. ELPRODUKTION 2.1 Allmänt. Elproduktionen på fartyg sker idag

 2. ELPRODUKTION 2.1 Allmänt. Elproduktionen på fartyg sker idag uteslutande med växelströmssynkrongeneratorer av samma typ som i landkraftverk. Däremot kan kraftmaskineriet för generatorerna utföras på ett flertal olika sätt. Vanligast är att elkraftproduktionen sker med egna kraftmaskiner, sk hjälpmaskiner och fartygets framdrivning utförs av egna maskiner, sk huvudmotorer. På fartyg med elektrisk framdrift kan det vara naturligt att huvudmaskinerna även producerar el för fartygets normala elnät. Dessutom finns ett antal mellanformer med hjälpmaskiner som kompletteras med elproducerande utrustningar på huvudmaskinerna. 2.2. Hjälpgeneratorer med dieseldrift. I detta, det vanligaste utförandet, drivs varje hjälpgenerator av en egen hjälpdiesel. Antalet aggregat skall enligt klassreglerna vara redundant så att med vilket som helst aggregat ur funktion ‐ normal framdrift och säkerhet skall upprätthållas ‐ den största viktiga (”essential, important” se klassregeldefinitioner) elmotorn skall kunna startas ‐ förhållandena ombord för besättning och passagerare skall uppfylla minimivillkor ‐ huvudmaskineriet skall kunna startas från ”dead ship condition”. För ett vanligt fraktfartyg betyder detta i allmänhet 3 lika stora dieselaggregat av vilka två är i gång i normal drift på möjligast optimal belastning (75 ‐85%). För fartyg med stora speciella elförbrukare såsom kylanläggningar, lastnings/lossningsutrustningar, stora bogpropellrar, brandbekämpningsutrustningar oa kan valet av antalet aggregat vara annorlunda. För att uppnå bättre belastningsgrad för dieslarna kan aggregaten vara av olika storlek. 7 Fig 2.1 Dieseldriven hjälpgenerator. Hjälpdieslar av lämplig storlek tillverkas för varvtal från 600 r/min till 1500/1800 r/min, dvs för 4‐ till 10‐poliga synkrongeneratorer. Vilket varvtal som väljs är främst en ekonomisk fråga som beror på dieseln: investeringskostnader, slitage, underhålls‐ och reservdelskostnader, bränsletyp, verkningsgrad. I praktiken väljs oftast ett varvtal mellan 750 och 1000 r/min. För generatorn gäller generellt att ett lägre varvtal leder till större generatordimensioner och därmed till ett högre pris. Högvarviga 2‐ och 4‐poliga generatorer skulle vara billigare men detta leder till en konstruktion med cylindrisk rotor (”turbogenerator”) som igen är en dyrare konstruktion och som man undviker på vanliga fartyg. Hjälpdieslar och –generatorer byggs i allmänhet ihop på ett gemensamt fundament, fig 2.2.1. Generatorn är 2‐lagrad med fötter och fri axeltapp och kopplas till dieselns axel med flexibel koppling, sk IM1101 montering, vilket underlättar axellinjeringen. Ett annat alternativ är att generatorns statorstomme flänsas till dieselns stomme, sk B5/B20 montering. För att minska längden på aggregatet kan större generatorer ibland göras i IM1305‐utförande, dvs med ett lager i N‐änden, fötter och axelfläns med stum montering till dieselaxeln. Dieselns D‐lager bär generatoraxeln. Fig 2.2 Dieselaggregat på gemensamt fundament, generator IM1101, flexibel koppling. 8 Fig 2. 3 Generator med fri axeltapp, fötter och statorfläns. IM‐ Fig 2..4 Generator med ett lager, axelfäns och fötter. IM‐1305. 9 2.3 Hjälpgenerator med gasturbindrift Höga driftskostnader gör att detta alternativ sällan används på fartyg, men på off‐
shoreinstallationer där bränslet är ”gratis” kan detta förekomma. Gasturbinaggregat är små och lätta och enkla att placera i anläggningen. På grund av gasturbinens höga varvtal används alltid växel mellan turbin och generator och generatorn är oftast 2‐polig med cylindrisk rotor. Fig 2. 5 gasturbindriven hjälpgenerator. Generatorn (IM1101) monteras på samma fundament som turbinen och växeln och kopplas med flexibel koppling. Fig 2.6 visar ett exempel på ett aggregat för 1530kW kontinuerlig effekt. Vikt 1810 kg. Fig 2. 6 Gasturbin‐hjälpgeneratoraggregat. 10 2.3. Hjälpgenerator driven av ångturbin. Här finns två varianter. 2.3.1 Ångturbin driven av huvudångpanna. På fartyg med turbindrift, där man i alla fall har en ångpanna, blir oftast minst ett av hjälpaggregaten drivet av ångturbin som är kopplad till samma pannsystem som huvudturbinen, fig 2. 7. Fig 2. 7 Ångturbindriven hjälpgenerator. För generatorn gäller samma uppbyggnad som för gasturbingeneratorn. 2.3.2 Ångturbin driven av avgaspanna. För dieseldrivna fartyg där effekten i avgaserna inte utnyttjas till annat leds avgaserna genom en panna som producerar ånga för drift av en ångturbin för generatoraggregat. Fig 2.8 Hjälpgenerator driven av avgaspanna på huvuddiesel. 11 Beroende på motortyp, medeltryck och avgastemperatur kan man ta ut upp till 15 ‐ 20 % av huvudmotorns axeleffekt som generatoreffekt. Investeringskostnaden är hög men i de fall den avgivna effekten täcker fartygets behov till sjöss är detta ekonomiskt lönsamt. Parallellkörning med effektfördelning mellan ång/gasturbin‐ och dieseldrivna generatorer är möjlig med rätt anpassade vartalsregulatorer. 2.4. Huvudmotordriven generator, axelgenerator. Klassreglerna tillåter att en generator drivs propellermaskineriet under vissa betingelser. DNV Pt 4 Ch 8 Sec 2 B.102: “A generator driven by a main propulsion unit (shaft generator) which is intended to operate at constant speed, e.g. a system where vessel speed and direction are controlled only by varying propeller pitch, may be one of the required generators according to 101. There shall be at least one generator driven by a separate prime mover. The capacity of separately driven generators shall be sufficient to supply all essential and important services that can be expected to be simultaneously in use, regardless of the operational mode of the vessel, including stopped. This shall be possible without utilising any emergency power source. (Interpretation of SOLAS Ch. II‐1/41.1.3) 12 Shaft generator installations which do not comply with the requirements, may be fitted as additional source(s) of power provided that: ‐ on loss of the shaft generator(s) or upon frequency variations exceeding ± 10%, a stand‐by generating set is started automatically ‐ the capacity of the stand‐by set is sufficient for the loads necessary for propulsion and safety of the vessel. “ I huvudsak krävs att huvuddieselns varvtal kan hållas konstant genom att använda CP‐propeller, men det finns även system med frekvensomvandlare som kan tillåta att varvtalet varierar, se nedan. Generatorn kan installeras på ett flertal olika ställen i systemet: direkt eller via växel i framkant på huvuddieseln, eller på ett extra uttag på propellerväxeln. Fig 2.9 Generator driven av huvudmotor. 13 Fig 2.10 Axelgenerator monterad med utväxling i framkant på huvuddiesel. Fig 2.11 Vertikal axelgenerator i framkant på huvuddiesel. 14 Fig 2.12 Axelgenerator monterad på propellerväxel. Propulsion modes: Mode 1: Diesel propulsion, propeller speed 155 rpm, clutch 1 and 3 engaged, clutch 2 electrically interlocked Mode 2: Mode 1 and alternator (PTO), clutches as in mode 1 Mode 3: Diesel propulsion , propeller speed 110 rpm, clutch 3 and 2 engaged, clutch electrically interlocked Mode 4: Mode 3 and alternator (PTO), clutches as in mode 3 Mode 5: diesel electric propulsion (APD), propeller speed 110 rpm, clutch 2 engaged, clutches 1 and 3 electrically interlocked. Clutch 1 and 2 can never be engaged at the same time (hydraulic interlock) Clutch 3 to be manually interlocked. 15 At mode 5 there will be a pitch limitation. Fig 2.13 Axelgenerator med flera utväxlingar och möjlighet till ”take me home” drift. Vissa specialfartyg, tex off‐shore supply fartyg, kan även ha andra maskinerier, som tex brandpumpar, kopplade till huvuddieseln, som i figur 2.14. Klassningsreglerna ställer i detta fall krav på driftsättet så att dieseln inte överbelastas. Fig 2.14 Supplyfartyg med huvuddieseldrivna PTO för axelgenerator och brandpump. Parallellkörning mellan axelgenerator och hjälpdieseldrivna generatorer är i inte möjlig annat än under en kort period för att flytta över lasten utan black‐out. Om axelgeneratorn kopplas till frekvensomvandlare kan man tillåta att axelgeneratorns varvtal varierar och även köra axelgenerator och hjälpgeneratorer parallellt. I dessa system är generatorn oftast lågvarvig och kopplad direkt till dieseln (fig 2.15) eller till propelleraxeln (fig 2.16). Frekvensomriktaren är en synkrokonverter med tyristorbryggor. Eftersom denna inte kan producera reaktiv effekt för nätet måste anläggningen innehålla en synkronmaskin för detta ändamål, antingen en parallellgående hjälpgenerator eller en tomgående synkrongenerator; synkronkompensator (synchronous condenser), fig 2.15 och schema fig 2.17. Vid uppstart av anläggningen startas synkronkompensatorn av en elmotor eller med hjälp av synkrokonvertern och fasas in till elnätet varefter axelgeneratorns magnetisering kopplas på och axelgeneratorn kan börja belastas via synkrokonvertern. Axelgeneratorn kan parallellköras med hjälpgeneratorerna. Typiska driftvärden är full effekt mellan 70 och 100% varvtal och reducerad effekt ca 50% vid ca 40% varvtal. 16 Synkronkompensatorn matar den kortslutningsström som krävs för selektiv utlösning av kortslutningsskydd. Lågspänningsanläggningar finns upp till ca 7MVA och på 6,6 och 10kV kommer man upp till ca 15MVA. .
Fig 2.15 Axelgenerator direkt kopplad till diesel, med frekvensomriktare. Fig 2.16 Axelgenerator direkt på propelleraxel (, med frekvensomriktare). 17 En nyare version innehåller en PWM‐inverter istället för synkrokonverter, figur 2.17. Med en pulsfrekvens på ca 3 kHz utlovas en distortion ( < 5% THD) hos nätspänningen som underskrider klasskraven, fig 2.18. Invertern kan leverera både aktiv och reaktiv effekt och mata kortslutningsström vilket gör att en synkronkompensator inte behöver användas. Fig 2.16 Axelgenerator med synkrokonverter frekvensomformare och synkronkompensator. 18 Fig 2.17 Axelgenerator med PWM‐inverter. Fig 2.18 Spänning och ström i en axelgenerator med PWM‐inverter. 19 Axelgeneratorn med synkrokonverter har i princip möjlighet att användas som motor driven av hjälpgeneratorerna i nätet (”take me home drift”) eller som boostermotor som utnyttjar effekt från huvuddieselns avgaspanna och turbogenerator. För specialfartyg (supply‐fartyg, dykarfartyg, rörläggningsfartyg, stand‐by fartyg inom off‐shore verksamheten) som körs långa tider på reducerad effekt kan ett elsystem med axelgeneratorer utan frekvensomriktare och med hjälpdieselgeneratorer enligt figur 2.19 vara tänkbart. Anläggningen har 4 huvuddieslar, 2 propellrar, 2 axelgeneratorer och 2 hjälpaggregat. Vid normal drift i öppen sjö är brytarna a1 eller a2 och a5 till. En av axelgeneratorerna Fig 2.19 ”Komplicerad anläggning” med axel‐ och hjälpgeneratorer. levererar all eleffekt, huvuddieslarna går på konstant varvtal. Vid manöver, lastning, lossning öppnas brytare a5 och känsliga förbrukare matas från skena I av hjälpgeneratorerna medan mindre känsliga förbrukare som trustermotorer, pumpsystem, kompressorer matas från skena II av axelgeneratorerna. Drift med reducerad effekt kan ske med en huvuddiesel som via sin axelgenerator driver även den andra propellern via dess axelgenerator som går som motor och dessutom levererar eleffekt till nätet. Skena III och IV bildar ett dubbelskensystem som ger större omkopplingsmöjligheter vid eventuella fel i ställverk och elnät. 20