Τα σκάφη εσωτερικής ναυσιπλοΐας έχουν πολλά να κερδίσουν από την ηλεκτρική πρόωση diesel

Από τον Joshua Slade Sebastian, PE • 21 Μαρτίου 2018

Η ηλεκτροκίνηση ντίζελ δεν είναι μια νέα έννοια. Όπως και τα αζιμουθιακά συστήματα, η εφαρμογή της στην εσωτερική ναυτιλιακή αγορά έχει υστερήσει σε άλλες περιοχές της ναυτιλιακής βιομηχανίας. Το πετρέλαιο ντίζελ έχει κερδίσει έλξη σε βιομηχανίες όπου η εξοικονόμηση καυσίμου και ο πλεονασμός των συστημάτων πρόωσης για την ασφάλεια είναι πρωταρχικής σημασίας. Συγκεκριμένα, τα πλοία όπως τα επιβατηγά οχηματαγωγά πλοία και τα πλοία ανοικτής θαλάσσης προμηθεύτηκαν τα πλεονεκτήματα των ηλεκτρικών συστημάτων ντίζελ. Η εσωτερική βιομηχανία towboat μοιράζεται πολλές από αυτές τις ανησυχίες και θα επωφεληθεί από την εξέταση της ηλεκτρικής τεχνολογίας ντίζελ ως μέρος μιας ολοκληρωμένης διαδικασίας σχεδιασμού μηχανικής.

Στις αρχές του 2017, η Shearer Group, Inc. (TSGI), μαζί με το θαλάσσιο τμήμα της ABB, ξεκίνησε τη μελέτη εφαρμογής της ηλεκτρικής τεχνολογίας ντίζελ στην εσωτερική ναυτιλία. Το TSGI αρχικά διερεύνησε την ηλεκτροκίνηση ντίζελ για ρυμούλκες γύρω από το 2007, αλλά εκείνη την εποχή η τεχνολογία και η τιμή δεν το καθιστούσαν εφικτή επιλογή για την αγορά. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια, κάποιες θεμελιώδεις αλλαγές στη βιομηχανία έχουν μετατοπίσει την εξίσωση, καθιστώντας το ηλεκτρικό ντίζελ μια βιώσιμη επιλογή κατά το σχεδιασμό ενός νέου towboat.

Τι είναι το Diesel Electric Propulsion;

Με απλά λόγια, η ηλεκτροκίνηση με ντίζελ είναι μια ιδέα που χρησιμοποιεί μια ηλεκτρική εγκατάσταση που αποτελείται από πολλαπλές γεννήτριες ισχύος που αναπτύσσουν ηλεκτρική ενέργεια στο εργοστάσιο πρόωσης μέσω της χρήσης ηλεκτρικών κινητήρων. Το ηλεκτρικό σύστημα πρόωσης αποτελείται από γεννήτριες, ηλεκτρικό σύστημα διανομής, κινητήρες μεταβλητής συχνότητας, ηλεκτρικούς κινητήρες πρόωσης και σύστημα ελέγχου.

Τα μηχανικά συστήματα με κινητήρα ντίζελ παρέχουν ανώτερη απόδοση σε πολύ στενό εύρος λειτουργιών, συνήθως πάνω από 60% MCR. Ως εκ τούτου, είναι σημαντικό να καθοριστεί ο συνολικός κύκλος λειτουργίας των κινητήρων για μεγάλο χρονικό διάστημα. Το πετρέλαιο ντίζελ βελτιώνει την απόδοση του συστήματος προώθησης ενός σκάφους διευρύνοντας το φάσμα των βέλτιστων λειτουργιών και παρέχοντας περισσότερη συνολική απόδοση σε περιοχές έξω από το βέλτιστο εύρος ενός μηχανικού συστήματος κίνησης.

Κάτω από την ομπρέλα της ηλεκτρικής κίνησης ντίζελ, υπάρχουν πολλές παραλλαγές που υπάρχουν στην αγορά σήμερα:

Υβριδικό (PTO / PTI)

Τα υβριδικά συστήματα χρησιμοποιούν μια μηχανική γραμμή άξονα με ηλεκτρικό ρεύμα (PTO / PTI), σε συνδυασμό με ένα ηλεκτρικό σύστημα παραγωγής. Το σύστημα αυτό συνδυάζει το πλεονέκτημα της προώθησης της άμεσης κίνησης μέσω ενός κιβωτίου ταχυτήτων με την ευελιξία μιας «ενίσχυσης ισχύος» από το ηλεκτρικό σύστημα του πλοίου, αλλά επιτρέπει επίσης στους κύριους κινητήρες να λειτουργούν πιο αποτελεσματικά παρέχοντας ηλεκτρική ισχύ στο πλοίο όταν η ισχύς είναι δεν χρειάζονται για σκοπούς πρόωσης. Όταν χρειάζεται περισσότερη ισχύ, οι γεννήτριες λειτουργούν ως κινητήρες που παρέχουν πρόσθετη ισχύ στους άξονες μέσω του PTO / PTI. Κατά τη λειτουργία χαμηλής ισχύος, οι κύριοι κινητήρες μπορούν να συσσωρευτούν και το σκάφος μπορεί να λειτουργεί μόνο με ηλεκτρικό κινητήρα ή οι κύριοι κινητήρες μπορούν να τροφοδοτήσουν την ηλεκτρική ενέργεια και επίσης να τροφοδοτήσουν το PTO / PTI για παροχή ηλεκτρικής ισχύος για βοηθητικά φορτία.

Σύστημα A / C

Το ηλεκτρικό σύστημα πετρελαιοκινητήρων A / C είναι το πλέον παραδοσιακό και κοινό ηλεκτρικό ντίζελ στο νερό σήμερα. Αποτελείται από μια μονάδα ηλεκτροπαραγωγής με αρκετές γεννήτριες που παρέχουν ισχύ για όλα τα φορτία στο σκάφος. προωθητικό, βοηθητικό και ξενοδοχείο. Η ισχύς από τον πίνακα διανομής παρέχεται στους κινητήρες πρόωσης μέσω μεταδόσεων μεταβλητής συχνότητας, ώστε να επιτρέπεται στους κινητήρες να λειτουργούν σχεδόν σε οποιαδήποτε περιστροφή στροφών.

Σύστημα D / C

Το ηλεκτρικό σύστημα D / C diesel είναι πολύ παρόμοιο με το σύστημα κλιματισμού, αλλά παρέχει κάποιες βελτιώσεις σε ορισμένες περιοχές. Το ρεύμα AC από τη γεννήτρια διορθώνεται στο DC στη γεννήτρια και διανέμεται απευθείας μέσω των πινάκων. Το ρεύμα συνεχούς ρεύματος αναστρέφεται στη συνέχεια, όπως είναι απαραίτητο, για να παρέχει ισχύ εναλλασσόμενου ρεύματος στα φορτία πρόωσης και ξενοδοχείων. Τα συστήματα συνεχούς ρεύματος είναι μικρότερα και ελαφρύτερα γενικά, με λιγότερα μέρη μέσα στους πίνακες. Τα συστήματα προώθησης βασισμένα σε DC παρέχουν το μεγαλύτερο πλεονέκτημα όταν συνδυάζονται με κάποιο είδος αποθήκευσης ενέργειας όπου το δίκτυο DC μπορεί να επιτρέψει στις μπαταρίες να παρέχουν άμεση απόκριση ισχύος στο ηλεκτρικό σύστημα του πλοίου.

Ηλεκτρικό ντίζελ με αποθήκευση ενέργειας

Όταν τα ηλεκτροκίνητα συστήματα ντίζελ συνδυάζονται με την αποθήκευση ενέργειας, τα οφέλη των ηλεκτρικών συστημάτων ντίζελ συνεχίζουν να βελτιώνονται. Για τυπική θαλάσσια εφαρμογή, η χρήση μπαταριών ιόντων λιθίου (ιόντων λιθίου) μπορεί να βοηθήσει στην προσθήκη αποθεμάτων κλώσης, ξυρίσματος κορυφής και μηδενικών εκπομπών για την αύξηση της συνολικής απόδοσης των σκαφών.

Πώς η Diesel Electric ταιριάζει στην εσωτερική αγορά

Μέχρι σήμερα, το μεγαλύτερο μέρος του ενδιαφέροντος για το πετρέλαιο ντίζελ έχει παρακάμψει την εσωτερική αγορά towboat. Ωστόσο, η TSGI συνεργάζεται με μηχανικούς της ABB για να αναπτύξει και να τελειοποιήσει τη σχεδίαση ντίζελ ηλεκτρικών towboat. Η ώθηση για αυτή τη σχεδιαστική προσπάθεια είναι το τυπικό επιχειρησιακό προφίλ του towboat. Όταν ρωτήσαμε τους ιδιοκτήτες πώς λειτουργούν τα σκάφη τους, οι περισσότεροι πιστεύουν ότι είναι μεταξύ 80% και 100% φορτίο σχεδόν το 100% του χρόνου. Στην πραγματικότητα, διαπιστώσαμε ότι τα πραγματικά δεδομένα κινητήρα από σκάφη που λειτουργούσαν στα ποτάμια ήταν αρκετά διαφορετικά.

Αντί να λειτουργούν σε φορτία πάνω από 80 τοις εκατό (όπως αναφέρθηκε προηγουμένως), διαπιστώσαμε ότι το επιχειρησιακό προφίλ των δοχείων που ερευνήσαμε ξόδεψε πολύ λιγότερο χρόνο πάνω από το 80 τοις εκατό του φορτίου από ό, τι πίστευε αρχικά. Για ορισμένους χειριστές σε διάφορα μέρη των ποταμών εσωτερικής ναυσιπλοΐας, το πραγματικό towboat ξοδεύει το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου κάτω από το 50% της συνολικής ισχύος, με βραχυπρόθεσμες κορυφές άνω του 80%. Αυτό προσκαλεί την ευκαιρία για το πετρέλαιο ντίζελ να παράσχει θετικές επιπτώσεις στο λειτουργικό κόστος που συνδέεται με τη λειτουργία ενός towboat στα εσωτερικά ποτάμια.

Τα προφίλ λειτουργίας του σκάφους είναι πολύ σημαντικά για τον προσδιορισμό της καταλληλότητας ενός ηλεκτρικού συστήματος ντίζελ για ένα συγκεκριμένο σκάφος. Και τα δύο προφίλ δειγμάτων αντιπροσωπεύουν πραγματικά λειτουργικά δεδομένα κατά τη διάρκεια των 365 ημερών λειτουργίας για διαφορετικά σκάφη.

Η ηλεκτροκίνηση με πετρέλαιο ντίζελ παρέχει αυτές τις εξοικονομήσεις από μια ποικιλία πλεονεκτημάτων. Τα μηχανήματα προώθησης για κάθε ρυμούλκα 2.400 HP αναφέρονται παρακάτω:

Τυπικά μηχανήματα 2.400HP:

-Πρώτος κινητήρας: 2 x 1.200 κιλά κινητήρες κατηγορίας IV

- Γεννήτρια: Γεννήτριες Tier III 2 x 200kW

2,400 χιλιόμετρα Ηλεκτρικά μηχανήματα ντίζελ:

- Παραγωγή ισχύος: Γεννήτριες Tier III 4 x 800hp

Για το μηχανοκίνητο ρυμουλκό, σε οποιοδήποτε φορτίο κινητήρα από το ρελαντί έως το 100% τρέχετε σε τουλάχιστον τρεις κινητήρες για να διατηρήσετε τους πλήρεις ελιγμούς και το ηλεκτρικό φορτίο του σπιτιού. Το πετρελαιοκίνητο, ωστόσο, τρέχει έναν βελτιστοποιημένο αριθμό κινητήρων. Από το φορτίο ρελαντί σε περίπου 25 τοις εκατό φορτίζεται μόνο ένας κινητήρας που πρέπει να λειτουργεί για να παρέχει πρόωση σε δύο άξονες συν το ηλεκτρικό φορτίο του σπιτιού στο σκάφος. Μόνο σε πολύ υψηλότερα φορτία (τυπικά> 80 τοις εκατό) το ηλεκτρικό ντίζελ χάνει κάποια από τα κέρδη αποδοτικότητάς του σε σχέση με το μηχανικό σύστημα πρόωσης.

Πέρα από την εξοικονόμηση καυσίμου

Τα συστήματα ηλεκτροκίνησης ντίζελ παρέχουν επίσης οφέλη πέρα ​​από την εξοικονόμηση καυσίμου. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σχεδιασμού, θα πρέπει να εξεταστούν τα στοιχεία όπως η απόλυση των συστημάτων πρόωσης, η κατανάλωση και αποθήκευση ουρίας και η συντήρηση του κινητήρα.

Το ηλεκτρικό ντίζελ επίσης λάμπει σε σχέση με την απόλυση και την ασφάλεια. Με κάθε κινητήρα ικανό να παράσχει ισχύ σε κινητήρα πρόωσης, ο χειριστής μπορεί να ελαχιστοποιήσει την επίδραση της βλάβης της κύριας μηχανής κίνησης. Σε ένα μηχανικό σύστημα, η απώλεια ενός κύριου κινητήρα οδηγεί στην απώλεια του 50% της πρόωσης και ενός ολόκληρου άξονα. Στο ηλεκτρικό ρυμουλκούμενο ντίζελ, η απώλεια ενός γεννήτριου έχει ως αποτέλεσμα μόνο την απώλεια 25 τοις εκατό της μέγιστης διαθέσιμης ισχύος, ενώ εξακολουθεί να είναι σε θέση να παρέχει ισχύ και στους δύο άξονες. Παρομοίως, με την απώλεια μιας γεννήτριας σε ένα μηχανικό σύστημα, το σκάφος δεν έχει πλέον εφεδρεία για οικιακά και βοηθητικά φορτία. Το ηλεκτρικό σύστημα πετρελαίου μπορεί να διατηρήσει την παροχή ισχύος με πολλαπλά αντίγραφα ασφαλείας για την ηλεκτρική παραγωγή.

Η χρήση πολλαπλών γεννήτρων Tier III καταργεί την απαίτηση για κινητήρες Tier IV, οι οποίοι χρησιμοποιούν την τεχνολογία SCR ή EGR για να καλύψουν τις απαιτήσεις εκπομπών. Εάν ένα σκάφος χρησιμοποιεί ουρία για SCR, με τυπικό ρυθμό δοσολογίας DEF 5%, ένας νέος σχεδιασμός δοχείου πρέπει να φιλοξενήσει μια δεξαμενή ουρίας, το SCR και τις πρόσθετες σωληνώσεις εξάτμισης.

Ένα άλλο πλεονέκτημα περιλαμβάνει τα προγράμματα συντήρησης του κινητήρα. Με τη μείωση του αριθμού των κινητήρων που λειτουργούν σε έναν βέλτιστο αριθμό, η ηλεκτρική πρόωση του ντίζελ μειώνει τον αριθμό των ωρών λειτουργίας των κινητήρων σε μερικά φορτία. Ένα σκάφος που ξοδεύει το 40 τοις εκατό του χρόνου λειτουργίας του σε λιγότερο από 50 τοις εκατό φορτίο πρόωσης μπορεί να κρατήσει ώρες σε δύο κινητήρες αντί των τριών σε σύγκριση με ένα μηχανικό σύστημα οδήγησης. Και επειδή το σκάφος διαθέτει μόνο έναν τύπο κινητήρα στο πλοίο, ο αριθμός των ανταλλακτικών τόσο για το σκάφος όσο και για την πλευρά στήριξης της ακτής μπορεί να μειωθεί.

Είναι το Diesel Electric για σας;

Το πετρέλαιο ντίζελ, όπως και οι μονάδες αζιμουθίου, μπορεί να είναι η καλύτερη λύση για όλα τα επιχειρησιακά προφίλ του ποταμού. Ωστόσο, προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα σε πολλά σενάρια και πρέπει να θεωρείται ως μέρος της συνολικής διαδικασίας λήψης αποφάσεων κατά το σχεδιασμό ενός σκάφους. Τα οφέλη υπερβαίνουν απλώς τη μείωση του λειτουργικού κόστους, παρέχοντας επίσης αυξημένη ασφάλεια λειτουργίας και πλεονασμό για ρυμουλκά.

Ο συγγραφέας

Ο Joshua Slade Sebastian, PE, είναι Διευθυντής Μηχανικών στο The Shearer Group, Inc. (TSGI). Η TSGI θα ήθελε να ευχαριστήσει τη Διεύθυνση θαλάσσιων μεταφορών στην ABB για βοήθεια σχετικά με τον ηλεκτρικό σχεδιασμό της τεχνολογίας diesel diesel towboat και την παροχή ορισμένων τεχνικών πληροφοριών για αυτό το άρθρο .

(Όπως δημοσιεύθηκε στην έκδοση Marine News του Μαρτίου 2018)