POWER MANAGEMENT SYSTEM

ABSTRACT This research contains the details, function and possibilities of improvement of the Power Management System (PMS) of the mv Azoresborg.

Vincent van Wolferen Wagenborg / MIWB

POWER MANAGEMENT SYSTEM Onderzoek v1.6 / 14-06-2014

Voorwoord Gedurende de opleiding Maritiem Officier op het Maritiem Instituut Willem Barentsz (MIWB) ben ik bekend geworden met elektronica aan boord van schepen. Vanwege mijn blijvende interesse heb ik de minor Scheepselektronica gekozen en heb ik tijdens deze minor een thesis over de High Voltage simulator gemaakt. Gedurende deze minor heb ik meer kennis en inzicht gekregen over elektronica aan boord van schepen. Tijdens mijn tweede stage voor deze opleiding wordt er van mij verwacht om een verdiepende opdracht te maken om mijn HBO competentie te tonen. In deze verdiepende opdracht wordt er gekeken of het mogelijk is om het Power Management Systeem aan boord van de ms Azoresborg te verbeteren zodat er energie wordt bespaard.

1

Inhoudsopgave Voorwoord ................................................................................................................................ 1 1.

Summary ............................................................................................................................ 4

2.

Afkortingen en namen..................................................................................................... 5

3.

Inleiding .............................................................................................................................. 6

4.

Onderzoeksopzet ............................................................................................................. 7 4.1

Huidige situatie .......................................................................................................... 7

4.2

Aanleiding tot het onderzoek ................................................................................. 7

4.3

Onderzoek.................................................................................................................. 7

4.3.1

Doelstelling .......................................................................................................... 7

4.3.2

Probleemstelling ................................................................................................. 8

4.3.3

Hoofdvraag ........................................................................................................ 8

4.3.4

Onderzoeksvragen ............................................................................................ 8

4.4

Inkadering .................................................................................................................. 8

4.5

Belang ......................................................................................................................... 8

4.6

Verloop van het onderzoek ..................................................................................... 9

4.6.1

Data verzamelen ............................................................................................... 9

4.6.2

Desk research ..................................................................................................... 9

4.6.3

Data analyse ...................................................................................................... 9

4.6.4

Evaluatie en eindrapportage .......................................................................... 9

4.7

Inhoud scriptie ........................................................................................................... 9

5.

Tijdplanning ..................................................................................................................... 10

6.

Theoretisch kader ........................................................................................................... 11 6.1

Technische specificaties ........................................................................................ 11

6.1.1 6.2

Power management .............................................................................................. 13

6.2.1 6.3

PMS..................................................................................................................... 13

Load sharing ............................................................................................................ 17

6.3.1 7.

Power supply .................................................................................................... 11

Factoren ............................................................................................................ 17

Onderzoek ....................................................................................................................... 21 7.1

Onderzoeksvraag 1................................................................................................. 22

7.1.1

Modes ................................................................................................................ 23

7.2

Onderzoeksvraag 2................................................................................................. 24

7.3

Onderzoeksvraag 3................................................................................................. 27

7.3.1

Signalen ............................................................................................................. 27

7.3.2

Software ............................................................................................................ 29

2

7.4

Onderzoeksvraag 4................................................................................................. 30

7.5

Onderzoeksvraag 5................................................................................................. 32

7.5.1 8.

Berekeningen ................................................................................................... 33

Conclusie ......................................................................................................................... 37 8.1 Optimal, equal of calculated load sharing? ........................................................... 37 8.2 Voor- en nadelen ......................................................................................................... 38 8.3 Toepassing? .................................................................................................................. 38 8.4 Hoofdvraag................................................................................................................... 38

9.

Aanbevelingen ............................................................................................................... 39

10.

Bibliografie ................................................................................................................... 40

11.

Bijlagen ......................................................................................................................... 41

3

1. Summary This report describes the research of the efficiency of implementing the optimal load sharing function to the power management system on board of the mv Azoresborg. Herein, the working order of the power management system on board is described, including the specifications of the electrical equipment of the diesel generators and the power management part of the main switchboard. Calculations have been made to compare the specific fuel consumption of the auxiliary engines at specific loads between the equal and optimal load sharing functions. These values are used to show the influence of the load of a generator on the specific fuel consumption. This is shown on a total power take-off scale of 50-1080 kW. The result is that implementing an optimal load sharing function only improves the specific fuel consumption of the system at a very limited amount of loads. Next to that the difference in the average specific fuel consumption, and the behaviour of the power distribution on the auxiliary engines are shown in graphs. The vessel has 3 cranes and 4 winches. When these cranes and/or winches are operating, the power demand can increase sufficiently. In equal load sharing mode the fluctuating power demand is equally divided between the generators. When the cranes will be used in a situation where there is optimal load sharing, the fluctuating power demand has to be supplied by only one generator, since the other generator has a fixed load. Sharing the load over 2 generators results in a system which is more steady. Therefore, equal load sharing is required in some situations. The conclusion is that implementing an optimal load sharing does not always save any fuel, and the optimal load sharing function provides a less steady power system than the equal load sharing function. Therefore, it has no or barely any benefits to implement this function, and it is not worth investing in.

4

2. Afkortingen en namen De volgende afkortingen en namen worden in dit verslag gebruikt: o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o

PMS - Power Management System HFO - Heavy Fuel Oil MDO - Marine Diesel Oil IFO - Intermediate Fuel Oil LSHFO - Low Sulphur Fuel Oil LO - Lubricating oil PPU - Protection and Paralleling Unit PLC - Programmable Logic Controller AVR - Automatic Voltage Regulator TO - Thermal Oil FO - Fuel Oil CPP - Controllable Pitch Propeller AC - Air Conditioning ER - Engine Room ECR - Engine Control Room ICCP - Impressed Current Cathodic Protection AOP - Additional Operating Panel EPG - Electrically Powered Governor Vdc - Voltage direct current VAC - Voltage Alternating Current DG - Dieselgenerator ACB - Air Circuit Breaker SFC - Specific Fuel Consumption FC - Fuel Consumption PTO - Power Take-Off

5

3. Inleiding Het Power Management Systeem (PMS) is een goed voorbeeld van een automatiseringssysteem aan boord van schepen. Het PMS zorgt ervoor dat het elektrisch vermogen aan boord van schepen goed wordt verdeeld en benut. Bijvoorbeeld wanneer er twee dieselgeneratoren op het net staat en een dekkraan een start-request aanvraagt, dan berekend het PMS of het starten van de kraan er voor zorgt dat er meer dan 80% van het beschikbare vermogen wordt gevraagd. Als dit zo is, dan wordt er een derde dieselgenerator gestart, als dit niet zo is dan wordt de start-request geaccepteerd en kan de kraan starten. Dit rapport zal mogelijke verbeteringen van het PMS met betrekking tot het (specifiek) brandstofverbruik verdiepend weergeven. Er zal worden gekeken naar de huidige situatie, de werking van het systeem en de technische mogelijkheden van het gebruikte apparatuur. Er wordt gefocust op de vermogensverdeling en op mogelijke verbeteringen hiervan.

6

4. Onderzoeksopzet In dit hoofdstuk worden de doelen en stappen van het onderzoek beschreven. Hiermee zal er geprobeerd worden inzicht te geven hoe er, door middel van verschillende stappen, naar het eindproduct zal worden gewerkt. De inkadering van het project zal worden beschreven, de onderzoeksopzet en de methode van onderzoeken welke toegepast zal worden.

4.1

Huidige situatie

Op de ms Azoresborg wordt gebruik gemaakt van een PMS welke twee standen kent; de ‘river’ mode en de ‘normal’ mode. De ‘normal’ mode zorgt voor een normale werking van het PMS en de ‘river’ mode zorgt er voor dat er altijd minstens twee dieselgeneratoren op het net staan, zodat er altijd vermogen beschikbaar is voor de winches en/of kranen die mogelijk gebruikt kunnen worden. Als er meerdere dieselgeneratoren op het net staan dan wordt er door het PMS geregeld dat alle dieselgeneratoren ongeveer evenveel worden belast (equal load sharing).

4.2

Aanleiding tot het onderzoek

Aan boord van de ms Azoresborg zorgt het huidige PMS er voor dat wanneer er meerdere dieselgeneratoren op het net geschakeld staan, de vermogensverdeling mogelijk niet optimaal en niet economisch wordt verdeeld. Energiebesparing is erg in trek en de regelgeving verplicht het sinds 1 januari 2013 (SEEMP) dat er wordt gekeken en gehandeld naar energiebesparing.

4.3

Onderzoek

4.3.1 Doelstelling In de laatste paar decennia is de brandstofprijs erg gestegen. Aan boord van schepen wordt alle elektrische energie, via dieselgeneratoren of via de as-generator welke via de reductiekast gekoppeld zit aan de hoofdmotor, uit de brandstof gehaald. Aangezien de prijs van de brandstof is gestegen, is de prijs van de elektrische energie aan boord van schepen ook gestegen. Het doel van dit onderzoek is een verbetering toebrengen tot het huidige PMS zodat, een optimale vermogensverdeling bereikt kan worden. Met een optimale vermogensverdeling wordt een situatie bedoeld waarin de vermogensvoorziening economisch en betrouwbaar is. In figuur 1 is te zien welke variabelen te maken hebben met energiebesparing aan boord.

Figuur 1: Conceptueel model

7

4.3.2 Probleemstelling Het PMS aan boord van de ms Azoresborg is beperkt tot ‘equal load sharing’. Dit is niet altijd de meest zuinige instelling van de vermogensverdeling.

4.3.3 Hoofdvraag Wat kan er verbeterd worden aan het huidige PMS aan boord van de ms Azoresborg zodat een optimale vermogensverdeling wordt gecreëerd?

4.3.4 Onderzoeksvragen Om goed inzicht te krijgen in de werking en mogelijkheden van het PMS zullen er een aantal onderzoeksvragen beantwoord moeten worden. -

4.4

Hoe worden de geleverde vermogens verdeeld in de huidige situatie? Wat is het specifiek brandstofverbruik van de dieselmotoren bij verschillende belastingen en waar hangt dit van af? Wat doen de PPU’s en wat zijn de mogelijkheden en/of beperkingen welke deze units met zich mee brengen? Wat zijn de voor- en/of nadelen van verschillende ‘load sharing’ opties en wanneer is welke optie optimaal? Hoe zal de efficiëntie van de vermogensverdeling veranderen door het implementeren van een ‘optimal load sharing’ functie?

Inkadering

Het PMS heeft meerdere functies. De enige functie welke van toepassing is voor het onderzoek, is het vermogensbeheer van de dieselgeneratoren. De as-generator wordt buiten beschouwing gelaten met betrekking tot vermogensverdeling aangezien de dieselgeneratoren niet parallel kunnen draaien met de as-generator. Dit onderzoek zal ingekaderd worden tot de efficiëntie van de vermogensopwekking door de hulpgeneratoren en de verdeling van deze vermogens. Met de verdeling van de vermogens wordt bedoeld hoeveel procent van de totale belasting elke dieselgenerator op zich neemt.

4.5

Belang

Het beantwoorden van de hoofdvraag heeft vooral een financieel belang. Het onderwerp ‘energie besparing’ is erg in trek tegenwoordig aangezien dit beter is voor het milieu en voor de financiën van een rederij. Met betrekking tot de regelgeving is energiebesparing ook een belangrijk punt, sinds 1 januari 2013 is het SEEMP verplicht op alle schepen groter van 400GT. Momenteel is de enige energiebesparing waar het PMS over beschikt; dat als de kranen worden afgeschakeld en het totaal gevraagde vermogen geleverd kan worden door minder dieselgeneratoren, dan schakelen na 10 minuten de overbodige dieselgeneratoren af. Als er uit dit onderzoek blijkt dat er energie wordt bespaard door een andere manier van ‘load sharing’ te implementeren, zorgt dit voor brandstofbesparing, geldbesparing en een betere toepassing van de SEEMP regelgeving.

8

4.6

Verloop van het onderzoek

4.6.1 Data verzamelen Er zijn verschillende methoden om data te verzamelen voor een onderzoek. Het grootste deel van dit onderzoek zal bestaan uit een ‘desk research’, dit betekent dat er informatie uit boekwerken en al bestaande data wordt gehaald. Dit kan informatie zijn over bijvoorbeeld de werking van de PPU’s of informatie van de proefstandgegevens van de dieselgeneratoren.

4.6.2 Desk research De data voor onderzoeksvraag 2 zal worden verkregen uit de proefstandgegevens. Deze gegevens zijn verkregen door op een nauwkeurige manier metingen uit te voeren. Deze nauwkeurigheid is hier aan boord niet bereikbaar. Er kan verschil tussen de proefstandgegevens en de praktijk zitten, maar dit zal voor het onderzoek niets uit maken. Op basis van beschikbare boekwerken wordt de rest van de informatie verkregen. Deze informatie wordt tevens gebruikt voor de berekeningen.

4.6.3 Data analyse Naast de verzameling van data, moet de data worden geanalyseerd. Op basis van de verzamelde data en berekeningen, moeten er conclusies worden getrokken. Als er uit alle gevonden data en berekeningen een conclusie kan worden gemaakt, zullen deze conclusies worden vertaald naar suggesties en/of advies. De mentor aan boord zal met de gevonden informatie en conclusies eens moeten zijn voordat het onderzoek klaar is voor de evaluatie.

4.6.4 Evaluatie en eindrapportage Hier wordt het onderzoek en de verslaglegging hiervan geëvalueerd. Hierbij gaat het, naast het resultaat van het onderzoek, ook om de manier waarop het onderzoek is uitgevoerd. De evaluatie zal door de begeleider van school worden uitgevoerd.

4.7

Inhoud scriptie

Deze scriptie zal de beantwoorde onderzoeksvragen, de conclusies, en de aanbevelingen bevatten. Bij het beantwoorden van de onderzoeksvragen zal verwezen worden naar de onderdelen in het theoretisch kader. Mogelijke suggesties en aanbevelingen zullen op basis van de conclusies worden behandeld. Aan het eind is een bibliografie toegevoegd met alle gebruikte bronnen voor dit onderzoek.

9

5. Tijdplanning Week: 8 9 10 11 12 13 14-30

Onderdeel: Plan van aanpak opsturen Theoretisch kader Onderzoeksvragen 1,2,3 beantwoorden Onderzoeksvragen 4,5 beantwoorden Extra metingen doen voor het specifiek brandstofverbruik Hoofdvraag beantwoorden, conclusies trekken en concept opsturen Onderzoek verbeteren indien nodig

Tabel 1: Tijdplanning

10

6. Theoretisch kader Hier zullen de technische eigenschappen en aspecten van het PMS en bijbehorende systemen aan boord van de ms Azoresborg, en achterliggende theoretische kennis over een aantal begrippen worden behandeld.

6.1

Technische specificaties

Aan boord van de ms Azoresborg zitten verscheidene systemen. Hier worden er een aantal uitgelegd.

6.1.1 Power supply De elektrische energie wordt opgewekt door middel van dieselgeneratoren en door middel van een as-generator die gekoppeld is aan de hoofdmotor. Er zijn 3 dieselgeneratoren aan boord. Naast de normale elektrische energievoorzieners is er ook een noodgenerator aan boord. Wanneer er een ‘black-out’ voor komt, zal het PMS proberen om de dieselgeneratoren stuk voor stuk bij te zetten (met een timedelay van ongeveer 6 seconden na elkaar). Wanneer de dieselgeneratoren niet willen starten doordat de schakelaar van de betreffende dieselgenerator niet op ‘AUTO’ staat of doordat de betreffende dieselgenerator een mechanisch mankement heeft, zal de noodgenerator opstarten en het noodschakelbord van stroom voorzien. Daarna zullen de meeste gebruikers op het MSB af moeten worden geschakeld zodat het noodschakelbord met het hoofdschakelbord verbonden kan worden en een aantal gewenste gebruikers (welke niet op het noodschakelbord zitten) weer bij kunnen worden gezet. Hoe de generatoren geschakeld zijn met het net is te zien in figuur 2

Figuur 2: Schema van de schakeling

Wanneer alle verbruikers aan boord hun maximale vermogen vragen, zou het totaal te leveren werkelijk vermogen grofweg 2,3 MW zijn. Aangezien de meeste verbruikers niet maximaal belast worden wanneer ze worden gebruikt en een aantal verbruikers dubbel zijn uitgevoerd, wordt deze hoeveelheid vermogen nooit gevraagd.

11

Dieselgeneratoren De dieselgeneratoren zijn de S6R2 MPTK motoren van Mitsubishi. Deze leveren elk een werkelijk vermogen van 450 kW en dus een schijnbaar vermogen van 563 kVA bij een power factor van 0,8. De motoren zelf leveren bij 100% belasting een asvermogen van 500 kW, maar de generator is gemaakt voor 450 kW. De dieselgeneratoren hebben een nominaal toerental van 1200 rpm. Aangezien de generator 3 polenparen heeft, is de netfrequentie 60 Hz. De geleverde spanning is 450 V. De dieselmotor en de generator zijn met elkaar verbonden via een flexibele koppeling om gevaarlijke torsievibraties te vermijden. De dieselmotor is een 4-slag motor met directe inspuiting. De dieselgenerator kan een vermogen leveren van 500 kW voor 1 uur per 12 uur (10% overbelasting). De motoren draaien op MDO. De dieselmotoren worden door middel van startlucht gestart. Het type generator is de LSAM 50.1-S4 van het merk Leroy Somer. Deze is zelfbekrachtigend en zelf regelend. De spanningsregeling van de AVR heeft een onnauwkeurigheidslimiet van +/- 1% bij een power factor van 0,8 tot 1,0. Het gegeven specifiek brandstofverbruik van de S6R2 MPTK is met een bepaalde belasting: o o o

100% = 201 g/kWh 75% = 200 g/kWh 50% = 208 g/kWh

Dit is gegeven met een onnauwkeurigheid van 5%, dit komt door dat er vanuit wordt gegaan dat er een brandstof met een stookwaarde van 42.000 KJ/kg wordt gebruikt. (VAC MARINE, 2005) As-generator De as-generator zit via een flexibele koppeling en een reductiekast aan de krukas van de hoofdmotor gekoppeld. De as-generator is het type LSA 50 M6/4P en kan een werkelijk vermogen leveren van 800 kW. De as-generator levert net als de dieselgeneratoren 3fase 450 V met een frequentie van 60 Hz. Het toerental van de asgenerator is 1800 rpm dus deze generator heeft 2 polenparen. De as-generator wordt aangedreven door de hoofdmotor. De hoofdmotor aan boord van de ms Azoresborg is een 6L46F van Wärtsilä, deze motor is een 6 cilinder lijnmotor en heeft een nominaal toerental van 600 rpm. Dit toerental wordt door middel van de reductiekast omgezet naar 1800 rpm voor de as-generator. (Wärtsilä Finland Oy, 2006) (Hudong-Zhongua Shipyard, 2006)

12

Noodgenerator De noodgenerator aan boord wordt aangedreven door de 6D24-TC van Mitsubishi. Deze noodgenerator kan een werkelijk vermogen leveren van 180 kW en dus 225 kVA bij een power factor van 0,8. Deze motor heeft een nominaal toerental van 1800 rpm. De generator heeft 2 polen paren dus de netfrequentie is 60 Hz. Verder levert deze net als de dieselgeneratoren 3fase 450 V. De dieselmotor is een 4-slag motor met directe inspuiting. Deze motor kan een vermogen van 235 kW leveren voor een tijdsduur van 1 uur per 12 uur (10% overbelasting). De dieselmotor kan automatisch worden gestart door middel van accu’s of handmatig door de noodbediening door middel van hydrauliek. Het type generator die op deze dieselgenerator zit, is de LSAM 46.2-L6 van het merk Leroy Somer. Deze heeft net als de LSAM 50.1-S4 een spanningsregelaar met een nauwkeurigheid van +/- 1% bij een power factor tussen de 0,8 en 1,0. Hiernaast is deze ook zelf-bekrachtigend. Het specifiek brandstofverbruik van de noodgenerator is 226 g/kWh bij 100% load, met een onnauwkeurigheid van 5%. (VAC MARINE, 2005)

6.2

Power management

Het elektrisch vermogen dat wordt gevraagd door bepaalde gebruikers. Het systeem wat voor het vermogensbeheer zorgt is het PMS. Dit systeem bestaat uit verschillende apparatuur.

6.2.1 PMS Het Power Management Systeem aan boord van de ms Azoresborg is een systeem wat door middel van een PLC verbonden met de PPU’s de vermogens en de verbruikers beheert. De PLC en de I/O modules zijn geleverd door Schneider Electric. PLC De PLC welke het PMS gebruikt is de TSX 37 22 (figuur 3). Deze PLC heeft een 3-slot I/O rack met 6 posities en is verbonden met een 2-slot I/O uitbreidingsrack (TSX RKX 02). In de I/O slots zitten deze units: -

Positie1: Positie 3: Positie 5: Positie 6: Positie 7:

I/O UNIT DMZ-64DTK I/O UNIT DMZ-64DTK AI UNIT AEZ-414 I/O UNIT DMZ-16DTK I/O UNIT DMZ-28DTK

Figuur 3: TSX 37 22

Functies De functies van de TSX 37 22 PLC zijn als volgt: -

De I/O verbinding is een 24 Vdc verbinding. Een set van modules maken het mogelijk dat de PLC goed is in te stellen. Voor nauwkeurige metingen van de I/O’s kan het best een TSX AEZ/ASZ/AMZ worden gebruikt, de metingen die geen nauwkeurigheid nodig hebben kunnen direct op de PLC worden aangesloten.

13

-

-

De TSX Micro PLC bevat intern RAM geheugen welke 20 Kwoorden kan opslaan, en een Flash EPROM geheugen welke minstens 5 Kwoorden kan opslaan als backup. De TSX SCP114 kaart zorgt voor de mogelijkheid om via de TSX SCA 50 door middel van Modbus R485 te communiceren met XR6 waar alarmen van de PPU en PLC zelf binnenkomen zoals: o PMS PLC Failure (PLC) o PREF TRIP 1 (PLC) o PREF TRIP 2 (PLC) o MAIN BUS VOLTAGE HIGH (PPU) o MAIN BUS VOLTAGE LOW (PPU) o MAIN BUS FREQUENCY HIGH (PPU) o MAIN BUS FREQUENCY LOW (PPU) o ES&PREF TRIP SOURCE FAIL (PLC) o 440V INSULATION LOW (PLC) o 220V INSULATION LOW (PLC) o DC 24Vdc Source Failure

(Schneider Electric, 2009) Inputs/Outputs De I/O’s van de PLC zijn verdeeld over meerdere modules; DMZ-64DTK, DMZ-16DTK en DMZ-28DTK. Hiernaast komt er ook informatie binnen bij de TSX AEZ 414. Deze inputs zijn nauwkeuriger dan de standaard inputs, en hier komen de vermogens van de dieselgeneratoren en as-generator binnen. (Zie Bijlage I) Vermogen en frequentie beheer Het PMS kan de ‘speed governors/AVRs’ bedienen door middel van een relais of analoge uitgangssignalen. De ‘load sharing’ functie heeft een aparte analoge load share lijn. Dit maakt het plaatsen van extra ‘bus couplers’ in het switchboard mogelijk en zorgt er voor dat de load sharing goed werkt. De regelaar functies wat dit systeem mogelijk maakt zijn als volgt: -

Active load sharing Reactive load sharing Spanningsbeheer PF, VAR beheer

(optioneel) (optioneel)

(DEIF, 2006) Load blocking Het PMS bevat een load blocking functie. Dat wil zeggen dat wanneer er een grote gebruiker een ‘start request’ naar de PLC stuurt, dat de PLC kijkt hoeveel vermogen die gebruiker nominaal nodig heeft en kijkt of het starten van deze gebruiker niet 85% van het totaal te leveren vermogen van de aangesloten dieselgeneratoren overschrijdt. Als 85% van het totaal te leveren vermogen niet wordt overschreden kan de betreffende gebruiker gestart worden. Als dit wel wordt overschreden dan zorgt het PMS er voor dat er nog een dieselgenerator wordt gestart, zodat er genoeg vermogen beschikbaar is.

14

Als er geen dieselgenerator kan worden bijgezet, dan wordt er geen ‘start authorized’ signaal uitgestuurd naar de gebruiker. Dit is dus ‘load blocking’. De enige manier om de gebruiker dan nog bij te zetten is door het handmatig overschrijden van het load blocking door de operator. Naast de load blocking zorgt het PMS er ook voor dat wanneer de kranen weer worden afgeschakeld, er wordt berekend hoeveel het net belast is en of er nog genoeg vermogen geleverd kan worden als er een dieselgenerator wordt afgeschakeld. Als dit het geval is dan zullen de overbodige dieselgeneratoren na 10 minuten automatisch afschakelen. PPU Een Protection and Paralleling Unit is een compacte alles-in-één bedieningsunit met een microprocessor welke alle nodige functies voor het bedienen en beschermen van een synchrone/asynchrone generator. De PPU is ontworpen voor de volgende toepassingen: 1. Standalone 2. Parallel met andere generatoren 3. Parallel met het net De PPU kan de generator synchroniseren en na de synchronisatie kan deze alle nodige bedieningen en beveiligingen uitvoeren. Het past goed in een PLC-bediend systeem en de PPU kan verbonden worden met het systeem via digitale en analoge I/O’s of via (optionele) seriële communicatie. De display unit kan direct op de main unit of op de switchboard deur worden geïnstalleerd. Via deze display unit kunnen alle gemeten en berekende waarden worden uitgelezen, net als de alarmen en data van de log. De weergegeven waarden kunnen vrij worden aangepast naar wensen van de gebruiker of systeem specifieke eisen. Een PPU heeft 4 verschillende bedieningsmodes en deze kunnen makkelijk worden geselecteerd via digitale inputs op de standaard PPU, zodat de governor als volgt zal worden bediend: 1. 2. 3. 4.

Vaste frequentie Vast vermogen Droop Load sharing

Als de AVR bediend wordt door de PPU zijn de bedieningsmodes als volgt: 1. 2. 3. 4.

Vaste spanning Vaste VAr Vaste power factor VAr sharing

15

De PPU krijgt ingangssignalen van sensoren welke beveiligingen activeren, hiernaast beschikt de PPU over enkele interne beveiligingen. De interne beveiligingen waar de PPU’s gebruik van maken aan boord van de ms Azoresborg zijn: -

Reverse power (TerugWatt) Over current Busbar high voltage Busbar low voltage Busbar high frequency Busbar low frequency Synchronising failure General failure Battery low V

(DEIF, 2009) (DEIF, 2006) Automatic Voltage Regulator Het type AVR welke door de dieselgeneratoren wordt gebruikt is de Leroy Somer type R449. De R449 heeft een potentiometer ingangssignaal (terminal 25 en 26) zodat de DEIF apparatuur direct verbonden kan worden. Governor interface De governor welke wordt gebruikt door de dieselgeneratoren is de Woodward type 1724 governor. Dit is een EPG systeem; de governor heeft geen mechanische of hydraulische aansturing nodig. De governor accepteert spanningssignalen (+/- 5 Vdc) direct op de terminal 7 (+) en 8 (-), zodat de DEIF controllers direct kan worden verbonden met de governor. De EPG is ontworpen voor precieze snelheidsbediening van onder andere diesel motoren. De bedieningen worden speciaal ontworpen voor de bepaalde motortoepassingen. Dit soort EPG’s zijn drie-component governor systemen voor 24 Vdc werking. Alle EPG systemen bevatten een actuator en een elektronische snelheidsbediening. Isochrone elektrische bedieningen zijn beschikbaar met of een start-brandstof limiet of met een schakelaar geselecteerde ‘dual dynamics’. Units met een start-brandstof limiet kunnen overspeed en overmatige rook bij het opstarten voorkomen. De EPG actuator is mechanisch gelinkt aan de brandstofbediening. De uitgaande as heeft een maximale draaihoek van 35° rechtsom of linksom. Interne veren zorgen voor het askoppel in richting van de brandstof vermindering en voor het stoppen van de motor indien het elektronische ingangssignaal weg valt. Als de motor draait, vergelijkt de bediening de snelheid van de motor met de gewenste snelheid of gewenste belasting en regelt hier naar. De droop wordt geregeld door een isochrone snelheidsbediening met een load sensor. (Woodward, 1991)

16

6.3

Load sharing

Load sharing is het verdelen van de vermogensbelasting. Dit kan werkelijk vermogen (kW) zijn, of blind vermogen (kVAR) zijn. Hiernaast is er nog een verschil tussen de werking van de vermogensverdeling van een systeem welke gebruik maakt van ‘droop-regeling’ of van een ‘isochrone-regeling’.

6.3.1 Factoren Als een dieselgenerator-set parallel geschakeld is, moeten de spanning en frequentie van de generator precies het zelfde zijn als ze op het zelfde net geschakeld zitten. Hierdoor kan een generator set control system niet zomaar de netspanning en de frequentie als referentie gebruiken voor het behouden van gelijke vermogensverdeling. Dit zou wel kunnen als ze los van elkaar geschakeld zouden staan. Als, bijvoorbeeld, een dieselgenerator een hogere bekrachtiging (AVR) heeft dan de anderen, dan zal het blindvermogen niet gelijk zijn verdeeld. Net als wanneer bij een dieselgenerator de snelheid wordt geregeld (governor), dan zal het werkelijk vermogen niet gelijk verdeeld zijn tussen de dieselgeneratoren. Elke dieselgenerator in het systeem heeft twee actieve control systems welke altijd in werking zijn: het bekrachtigingssysteem welke het voltage regelt (AVR), en het brandstofregelsysteem welke de snelheid van de motor regelt (governor). Het kan zijn dat dieselgeneratoren het werkelijk vermogen goed verdelen maar het blindvermogen niet, en vice versa. Voor succesvolle vermogensverdeling moet beide het werkelijk- en het blindvermogen goed worden verdeeld. Werkelijk vermogen verdelen hangt af van de snelheidsregeling en brandstofregeling tussen de dieselgeneratoren in het systeem gebaseerd op het percentage van de kW belasting. Blindvermogen verdelen hangt af van de spanningsregeling en bekrachtigingsregeling van het systeem wat af hangt van de het percentage belasting tussen de dieselgeneratoren. Er zijn verschillende manieren van load sharing aanwezig: -

Droop governing en spanningsregeling Isochrone kW load sharing Isochrone spanning kVAR load sharing ‘Cross current’ compensatie voor kVAR load sharing

Als de brandstofregeling van één dieselgenerator in een groep wordt verhoogd, zorgt dit niet naar een verhoging van de snelheid en dus een verhoging van de frequentie (zoals het zou zijn als deze alleen zou draaien) maar het zal zorgen voor een grotere hoeveelheid werkelijk vermogen wat deze generator aan het net levert. Als de brandstofregeling wordt verlaagd zorgt dit dus voor een kleinere hoeveelheid werkelijk vermogen wat deze generator aan het net levert. Bij spanningsregeling werkt dit volgens hetzelfde principe maar dan door middel van de regeling van de AVR.

17

Droop load sharing Zoals te zien is in figuur 4, droop governing of spanningsregeling staat het doe dat de snelheid van de motor (wat wordt gemeten in Hz) of generatorspanning daalt met een bepaald percentage wat verandert zodra de belasting groter wordt. Voor de duidelijkheid, als twee machines starten op dezelfde frequentie en spanning met nul belasting, en deze waarden houden bij alle belastingen (0%-100%), dan werkt het systeem isochroon.

Figuur 4: Droop vs. isochronous load sharing

Om een droop systeem goed te laten werken moet er aan de volgende eisen worden voldaan: -

De generatoren moeten bij nul belasting dezelfde frequentie en spanning hebben als ze los van het net draaien. Elke generator moet zijn ingesteld dat ze evenveel in spanning daalen vanaf nul tot volle belasting. Elke generator moet zijn ingesteld dat ze evenveel in frequentie daalen vanaf nul tot volle belasting.

Het is goed om te weten dat de frequentiedroop en spanningsdroop niet hetzelfde percentage hoeven te zijn. Frequentiedroop (Hz): 100 ∗

𝐻𝑧NL−𝐻𝑧FL 𝐻𝑧FL

Spanningsdroop (V): 100 ∗

𝑉NL−𝑉FL 𝑉FL

NL = no load

FL = full load

18

Figuur 5 laat zien wat de impact is van verkeerde spanningsinstellingen bij nullast. Generator 1 zal altijd meer belast zijn dan generator 2. Generator 2 krijgt terugkomend blindvermogen bij nullast omdat de spanning van generator 1 hoger is.

Figuur 5: Generatoren hebben dezelfde droopval maar beginnen op verschillende spanningen

Figuur 6 laat de impact van verschillende droop instellingen zien. De generatoren starten op dezelfde frequentie maar generator 1 zal altijd meer belast zijn dan generator 2.

Figuur 6: Generatoren beginnen op dezelfde frequentie maar hebben verschillende droopinstellingen.

De systemen hebben altijd beide kW en kVAR load sharing nodig, maar het is niet een voorwaarde dat het dezelfde soort systemen zijn. Eén kan isochroon zijn en de andere droop. VAR load sharing via droop wordt meestal ‘reactive droop compensation’ genoemd. Het grootste voordeel van droop gebruiken in een systeem is dat verschillende machines parallel geschakeld kunnen worden zonder dat er zorgen gemaakt hoeven te worden voor de load sharing interface. De spanningsvariaties die voor komen door de droop-werking zijn niet significant in een geïsoleerde netsystemen zoals aan boord van schepen, maar de frequentievariaties kunnen wel significant zijn, vooral bij nood/stand-by systemen waar de belasting door de tijd heen erg kan verschillen.

19

Cross current compensation Cross current is een flow van elektrische stroom tussen de dieselgeneratoren wat veroorzaakt wordt door verschillen in bekrachtigingen van de generatoren. ‘Cross current compensation’ is een term wat de werking van parallel geschakelde dieselgeneratoren zonder bedoelde spanningsdroop beschrijft. Dit wordt bereikt door het installeren van een stroomtransformator (CT), meestal op de ‘B’ fase van elke generator, en door de CT’s met elkaar te verbinden wordt er een identieke spanningsbias aan elke AVR in het systeem geleverd. Het systeem werkt het beste als alle AVR’s van het zelfde merk en model zijn. Isochrone kW en kVAR load sharing Isochrone load sharing regelsystemen zijn actieve regelsystemen welke het percentage van de werkelijk- en blindvermogen van een dieselgenerator berekent, deze berekende waardes worden vergeleken met de gemeten percentages. Op basis hiervan worden de brandstof en bekrachtiging van die bepaalde dieselgenerator geregeld totdat de berekende en gemeten waardes overeenkomen. Load sharing is belangrijk als er dieselgeneratoren parallel geschakeld moeten worden, omdat de load sharing communicatie het enige punt is waar de dieselgeneratorbedieningen met elkaar in contact staan als ze op een geïsoleerd net geschakeld staan. Om load sharing functies mogelijk te maken, moet elke dieselgenerator in het systeem een control system hebben welke het totale percentage kW en kVAR belasting van de machine berekent. Hiernaast moeten ze ook beschikken over de mogelijkheid om die waardes te vergelijken met het systeem in het geheel. De communicatiemiddelen tussen deze control systems kunnen in twee grote groepen worden verdeeld: -

Systemen welke analoge signalen gebruiken voor load sharing Systemen welke digitale signalen gebruiken voor load sharing (zoals CAN, RS485 of Ethernet)

Analoge control systems reageren meestal sneller dan control systems die gebruik maken van digitale communicatie en analoge systemen kunnen vaak worden ingesteld dat de systemen van verschillende fabrikanten samen kunnen werken. Control systems die gebruik maken van digitale communicatie verschillen voor elke fabrikant, dus als een systeem daar gebruik van maakt moeten de load sharing regelingsfuncties door de zelfde maker worden geregeld. De nieuwste geïntegreerde parallel-regelaars (het apparatuur wat alle functies voor het parallel schakelen op een enkel systeem) gebruiken bijna allemaal digitale communicatie signalen voor load sharing. Dat zorgt er voor dat wanneer een nieuwe dieselgenerator met een digitaal regelsysteem van een ander merk deel gaat maken uit een bestaand systeem, dat het verstandig is om alle apparatuur te vervangen en overal apparatuur van het zelfde merk/model te installeren. (Cummins Power Generation, 2010)

20

7. Onderzoek Nu het theoretische deel is beschreven kunnen de onderzoekvragen worden beantwoord. Elke onderzoeksvraag zal een kleine hoeveelheid beschrijvende theorie bevatten naast het antwoord op de vraag. Hier nogmaals de onderzoeksvragen: Onderzoeksvraag 1:

Hoe worden de geleverde vermogens verdeeld in de huidige situatie?

Onderzoeksvraag 2:

Wat is het specifiek brandstofverbruik van de dieselmotoren bij verschillende belastingen en waar hangt dit van af?

Onderzoeksvraag 3:

Wat doen de PPU’s en wat zijn de mogelijkheden en/of beperkingen welke deze units met zich mee brengen?

Onderzoeksvraag 4:

Wat zijn de voor- en/of nadelen van verschillende ‘load sharing’ opties en wanneer is welke optie optimaal?

Onderzoeksvraag 5:

Hoe zal de efficiëntie van de vermogensverdeling veranderen door het implementeren van een ‘optimal load sharing’ functie?

21

7.1

Onderzoeksvraag 1

Hoe worden de geleverde vermogens verdeeld in de huidige situatie? Het PMS heeft verschillende standen. De standen kunnen worden geselecteerd door middel van schakelaars. Eén van de opties is de keus tussen ‘normal’ en ‘river’ mode. Wanneer de stand ‘normal’ wordt gekozen op het ‘bustie & synchro panel’ (zie Bijlage II) zal er standaard minstens één generator bij staan. Tijdens varen over zee staat de schakelaar op ‘normal’ en wordt het elektrisch vermogen in de meeste gevallen geleverd door de as-generator. Dit is goedkoper dan wanneer de dieselgeneratoren worden gebruikt, aangezien de hoofdmotor tijdens varen meestal rond de 80% belast is, en het specifiek brandstofverbruik van de hoofdmotor optimaal is rond de 80% belasting. Hiernaast kan de hoofdmotor op zware olie (HFO/LSFO/IFO) draaien terwijl de dieselgeneratoren alleen op MDO kunnen draaien. Zware olie is een stuk goedkoper dan MDO dus de prijs per kW is lager wanneer de as-generator wordt gebruikt. Wanneer er wordt gevaren met slecht weer en wanneer het schip hierdoor gaat stampen, kan het voor komen dat door de steeds veranderende druk op de schroef het toerental van de hoofdmotor gaat fluctueren. Hierdoor gaat het toerental van de as-generator fluctueren en dus ook de netfrequentie. Als de frequentie hoger dan 63 Hz wordt of lager dan 57 Hz, zorgt de beveiliging er voor dat de breaker van de as-generator tript. Hierdoor wordt er een black-out veroorzaakt. Het PMS zorgt er vervolgens voor dat er weer een dieselgenerator, of uiteindelijk de noodgenerator bij wordt geschakeld. In de praktijk wordt er als het schip aan het stampen is, één of twee dieselgeneratoren gestart. Het hangt maar net van de situatie af. De dieselgeneratoren kunnen elk 450 kW leveren terwijl de as-generator 800 kW kan leveren. Als de situatie zo is dat er 400 kW wordt gevraagd, dan wordt er voor de zekerheid een extra dieselgenerator gestart en staan er dus twee dieselgeneratoren parallel op het net. De tweede stand is de ‘river’ stand. Wanneer de schakelaar hierop staat, wordt de dieselgenerator die in stand-by staat opgestart. De ‘river’ stand wordt meestal gekozen wanneer er op een rivier wordt gevaren, wanneer er een haven in of uit wordt gevaren, maar ook soms tijdens slecht weer. Tijdens het varen op een rivier of tijdens het in- of uitvaren van een haven, kan het zo zijn dat er dek machinerie zoals winches wordt gebruikt. Om er voor te zorgen dat er genoeg vermogen is voor het gebruik van deze machines, staan er minstens twee dieselgeneratoren te draaien. Tijdens dit soort situaties staat de as-generator direct gekoppeld aan de boegschroef. De boegschroef vraagt maximaal 750 kW dus dit kan de as-generator leveren. Wanneer er meer dan één dieselgenerator op het net staat geschakeld, wordt de totale vermogensbelasting gelijk verdeeld over alle bijgeschakelde generatoren.

22

7.1.1 Modes Op het MSB zitten er, naast de schakelaar voor de ‘normal’ en ‘river’ modes, nog meer schakelaren om modes te kiezen. MODE SELECT Bij deze schakelaar kan men kiezen tussen twee opties, namelijk: 1. MANUAL 2. AUTO Wanneer de schakelaar in de MANUAL positie staat, kunnen de bepaalde dieselgenerator en Air Circuit Breaker (ACB) alleen handmatig worden bediend. Wanneer de schakelaar in de AUTO positie staat, zorgt het PMS voor de bediening van de dieselgenerator en ACB. Alle handmatige bedieningen zullen nu ook worden geweigerd behalve de handmatige stopfunctie van de dieselgenerator. STANDBY SELECT Deze schakelaar heeft vier mogelijke opties, namelijk: 1. 2. 3. 4.

OFF DG1 DG2 DG3

Wanneer de schakelaar op OFF staat en de MODE SELECT op AUTO positie staat, zal het systeem semi-automatisch werken. Het systeem zal alleen de ‘auto load sharing’ en semi-automatische synchronisatie/semi-load shifting functies van het PMS kunnen gebruiken. Wanneer de gewenste DG is gekozen, zal de AUTO mode van het PMS automatisch worden geactiveerd. Hiernaast zal de stand-by volgorde van de DG’s af hangen van op welke DG de schakelaar staat. Eén DG wordt gebruikt, twee DG’s staan stand-by, bijvoorbeeld: DG1 draait, de schakelaar wordt op positie ‘DG3’ gezet wat er voor zorgt dat DG3 de eerste standby DG, en DG2 de tweede stand-by DG is. (Schneider Electric, 2007)

23

7.2

Onderzoeksvraag 2

Wat is het specifiek brandstofverbruik van de dieselgeneratoren bij verschillende belastingen en waar hangt dit van af? Voordat een motor wordt opgeleverd, wordt de motor getest op hoe deze in bepaalde situaties reageert. De resultaten van de tests zijn te vinden in de ‘Engine test record’ ofwel proefstandgegevens van de ‘Technical file IMO-Certification’ documentatie. De ‘Technical File’ van de hulpmotor is opgedeeld in 9 hoofdstukken. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Engine description Component identification & settings Engine test record Designation and restrictions for engine family Replacement parts/components specification Marking details for spare parts/components and family engine components Procedure for NOx emission test on test bench Procedure for NOx emission verification survey onboard EIAPP Certificate

In het hoofdstuk; ‘Engine test record’, staat een tabel waarin wordt weergegeven hoe de motor reageert op bepaalde belastingen. Hierin staat de tijd waarin de tests zijn uitgevoerd, de belastingen en de bepaalde koppels waarop de motor getest is, de bijbehorende vermogens, brandstofverbruik, specifiek brandstofverbruik, temperaturen en drukken beschreven. De tests zijn uitgevoerd op belastingen van 10, 25, 50, 75, 100 en 110% van de motor. Aangezien de motor S6R2-MPTKF van Mitsubishi een nominaal asvermogen heeft van 500 kW, wordt dit tijdens te test als 100% belasting gezien. Het is belangrijk dat er rekening mee wordt gehouden dat de dieselgenerator aan boord maar een maximaal vermogen van 450 kW levert. De test is uitgevoerd bij een omgevingstemperatuur van 20 °C en een omgevingsdruk van 1.020 hPa. De waardes voor het specifiek brandstofverbruik die in de engine test record te vinden zijn, zijn weergegeven in de tabel. (Zie Bijlage III.I, III.II, III.III) Tabel 2: SFC Dieselgeneratoren Belasting (%)

Asvermogen (kW)

SFC DG1 (g/kWh)

SFC DG2 (g/kWh)

SFC DG3 (g/kWh)

10

50

351,9

322,0

327,0

25

125

241,0

225,1

228,4

50

250

208,5

203,2

203,5

75

375

201,9

198,5

198,1

100

500

199,2

197,2

197,0

110

550

199,5

196,6

196,5

Zoals te zien is in tabel 2, daalt het specifiek brandstofverbruik zodra de belasting groter wordt. Bij de meeste motoren ligt het punt waar het specifiek brandstofverbruik minimaal is rond de 80% belasting. Dit komt doordat de turbocharger dan het meest efficiënt is. Deze motoren hebben hun optimale punt rond de 100% belasting.

24

Het specifiek brandstofverbruik kan verschillen wanneer er een ander type brandstof wordt gebruikt. Tijdens de test is er brandstof met een dichtheid van 0,8378 kg/l en een stookwaarde van 42,83 MJ/kg. Elke keer dat er brandstof wordt gebunkerd, is er een grote kans dat de stookwaarde en dichtheid verschillen van de stookwaarde en dichtheid van de brandstof die tijdens de test gebruikt werd. Een andere stookwaarde zorgt voor een ander specifiek brandstofverbruik. Als één kg brandstof meer energie bevat, dan wordt het specifiek brandstofverbruik lager. Aangezien de brandstof aan boord per gebunkerde hoeveelheid van eigenschappen kan verschillen, worden de gegevens van de engine test record gebruikt voor het onderzoek. Slecht onderhoud van de motoren kan het rendement en het specifiek brandstofverbruik van de motor verslechteren, maar het vaststellen van de invloed van de kwaliteit van het onderhoud op het specifiek brandstofverbruik is zeer lastig. In tabel 2 is te zien dat het specifiek brandstofverbruik per dieselmotor bij dezelfde belasting verschilt. Dit gebeurt vooral bij lage belastingen. Dit is te verklaren doordat geen enkele motor precies gelijk is, of precies gelijk reageert op bepaalde omstandigheden. Zo heeft dieselgenerator 1 over het algemeen een groter specifiek brandstofverbruik dan dieselgenerator 2 of 3. Aangezien de SFC’s van de dieselgeneratoren verschilt, heeft dit invloed op het gemiddelde specifiek brandstofverbruik van het systeem. Door het gemiddelde specifiek brandstofverbruik per startvolgorde bij een totale vermogensvraag van 50 tot 1350 kW te berekenen, en deze ten opzichte van elkaar te vergelijken, kan worden gekeken welke startvolgorde het zuinigst is. Vanaf 720 kW draaien alle drie de dieselgeneratoren parallel op gelijke vermogens, dat wil zeggen dat in elke schakelvolgorde het gemiddelde specifiek brandstofverbruik gelijk is. De grafiek en tabel laten alleen het interessante gebied zien (tot 750 kW). (Mitsubishi Diesel Engines Turbochargers, 2009) Om een beeld te geven wat de verschillen zijn van het gemiddelde specifiek brandstofverbruik tussen bepaalde schakelvolgordes, worden alle zes schakelvolgordes in een grafiek met elkaar vergeleken. Bij een belasting van 360 kW wordt er een tweede dieselgenerator bijgeschakeld en bij 720 kW wordt de derde dieselgenerator bijgeschakeld.

25

Tabel 3: SFC's bij bepaalde schakelvolgordes

PTO

1-2-3 350 360 400 450 500 550 600 650 700 720 750

1-3-2 203,2 221,1 216,7 211,3 205,9 204,7 203,6 202,5 201,3 207,2 205,1

2-1-3 203,2 222,1 217,5 211,7 206,0 204,8 203,6 202,4 201,2 207,2 205,1

2-3-1 199,4 221,1 216,7 211,3 205,9 204,7 203,6 202,5 201,3 207,2 205,1

3-1-2 199,4 216,5 212,7 208,0 203,4 202,3 201,3 200,3 199,3 207,2 205,1

3-2-1 199,2 222,1 217,5 211,7 206,0 204,8 203,6 202,4 201,2 207,2 205,1

199,2 216,5 212,7 208,0 203,4 202,3 201,3 200,3 199,3 207,2 205,1

In Tabel 3 is te zien dat schakelvolgordes 2-3-1 en 3-2-1 over het algemeen het zuinigst zijn. Om deze twee schakelvolgordes met elkaar te vergelijken worden deze uitgezet in een grafiek. In Grafiek 1 is te zien dat tot een vermogensvraag van ongeveer 300 kW de schakelvolgorde 2-3-1 het zuinigst is, maar zodra er meer dan dat wordt gevraagd is 3-2-1 net iets zuiniger. Er wordt als er meerdere generatoren op het net staan geschakeld meestal ongeveer 400 kW gevraagd. Hierdoor wordt er besloten dat in equal load sharing mode, de schakelvolgorde 3-2-1 de meest ideale schakelvolgorde is. Wanneer er één dieselgenerator op het net geschakeld staat, zou DG2 het meest ideaal zijn. Met deze stelling wordt onderhoud en het verschil in draaitijd tussen de generatoren buiten beschouwing gelaten.

Gemiddelde SFC schakelvolgordes 275,0 265,0

SFC (g/kWh)

255,0 245,0 235,0

DG2 - DG3 - DG1

225,0

DG3 - DG2 - DG1

215,0 205,0 195,0 50

150

250

350

450

550

650

750

Total PTO (kW) Grafiek 1: Verschil in gemiddeld SFC

26

7.3

Onderzoeksvraag 3

Wat doen de PPU’s en wat zijn de mogelijkheden en/of beperkingen welke deze units met zich mee brengen? PPU’s zijn Protection and Parallelling Units zoals beschreven in hoofdstuk 6.2.1 van het theoretisch kader. Deze units zorgen voor het verdelen van de vermogens en voor het beveiligen van de dieselgeneratoren. De lijst van beveiligingen en parameters staan in Bijlage IV. De parameters kunnen worden ingesteld in de display unit van de PPU.

7.3.1 Signalen De PPU’s krijgen analoge signalen binnen van onder andere de hoofd PLC en van de andere PPU’s. De signalen welke deze unit binnen krijgt zullen stuk voor stuk behandeld worden. De inkomende en uitgaande signalen zijn voor elke dieselgenerator het zelfde. Zie Bijlage V voor een hardware overview en zie Bijlage II voor een overzicht van het Bustie & Synchro Panel. START SYNC/CONTR Het ‘START SYNC/CONTR’ signaal komt de PPU binnen op de PPU (input 25) wanneer de schakelaar van MODE SELECT op ‘Auto’ staat en de DG CB gesloten is. Het is ook mogelijk dat deze input een signaal krijgt als de PMS PLC een ‘DG AUTO SYNCHRO’ signaal uitstuurt, er gaat dan een lampje branden en er schakelt een relais. DE-LOAD Het ‘DE-LOAD’ ofwel ‘load shift’ signaal komt binnen op de PPU (input 43) als de PMS PLC het ‘DG LOAD SHIFT’ signaal uitstuurt. Er gaat niet als bij START SYNC/CONTR een lampje branden en er schakelt een relais. De PMS PLC krijgt het load shift command wanneer de schakelaar de load shift drukknop wordt ingedrukt. ALARM INHIBIT, CB OPEN, CB CLOSED Deze signalen komen binnen als de CB geopend of gesloten is. Als de CB open is zal ALARM INHIBIT (input 23) en CB OPEN (input 54) een signaal krijgen. Als de CB gesloten is zal CB CLOSED (input 55) een signaal krijgen. Een andere manier om de CB te sluiten is door de MODE SELECT op MANUAL te zetten, de DG te starten en te wachten tot deze op >95% van de nominale spanning is, en dan op MANUAL CLOSE CB te drukken. Er moet natuurlijk wel op worden gelet dat de fases niet verdraaid zijn. ANALOG TRANSDUCER OUTPUT Deze output geeft een signaal aan de PMS PLC waardoor de PMS PLC weet of de DG vermogen levert of niet. Bediening DG Het starten en stoppen van de dieselgeneratoren gaat niet via de PPU maar dit kan op twee manieren gebeuren. 1. Als de MODE SELECT schakelaar op ‘MANUAL’ staat en de starthendel wordt overgehaald. 2. Als de MODE SELECT schakelaar op AUTO staat en de PMS PLC het DG ENGINE START COMMAND geeft. Het stoppen van de dieselgenerator kan gebeuren als de PMS PLC het DG ENGINE STOP COMMAND geeft of als de dieselgenerator geen DG RUNNING meer uitstuurt.

27

PROTECTIONS In de PPU zitten 11 relais welke beveiligingen kunnen activeren. Relais nummer 3 wordt niet gebruikt. Relais 1:

Dit relais beveiligt het systeem tegen overcurrent (te hoge stroom), wanneer deze beveiliging wordt geactiveerd zullen alle gebruikers in de ‘Preferential Trip 1’ én ‘Preferential Trip 2’ groep trippen.

Relais 2:

Dit relais beveiligt het systeem tegen reverse power (terugWatt), wanneer deze beveiliging wordt geactiveerd zal de CB na een time delay van 10s trippen. Deze beveiliging wordt geactiveerd wanneer er 10% of meer van het totale vermogen aan reverse power aanwezig is.

Relais 4:

Dit relais zal net als relais 2 de CB na een time delay van 10s openen. Dit relais wordt geactiveerd door de ‘CB De-load Open’ opdracht van het PMS.

Relais 5:

Dit relais wordt geactiveerd door de ‘High Frequency’ beveiliging van de PPU. Als deze wordt geactiveerd wordt er een signaal naar de PMS PLC gestuurd, dit signaal komt binnen op de ‘High Frequency’ input van de PLC.

Relais 6:

Dit relais wordt geactiveerd door de ‘Low Frequency’ beveiliging van de PPU. Als deze wordt geactiveerd gaat er net als bij de ‘High Frequency’ beveiliging een signaal naar de PMS PLC, alleen komt deze op de ‘Low Frequency’ input van de PLC.

Relais 7:

Dit relais wordt geactiveerd door de ‘Voltage High’ beveiliging van de PPU. Als deze wordt geactiveerd wordt er een signaal naar de ‘Voltage High’ input van de PMS PLC gestuurd.

Relais 8:

Dit relais wordt geactiveerd door de ‘Voltage Low’ beveiliging van de PPU. Net als de 'Voltage High’ beveiliging stuurt deze een signaal naar de PMS PLC maar dan naar de ‘Voltage Low’ input.

Sync. Relay: Dit relais schakelt als er gesynchroniseerd wordt en de CB gesloten kan worden. Als deze schakelt dan wordt er, als de MODE SELECT schakelaar op AUTO staat, de CB van de betreffende DG gesloten. Gov. Contr: Deze ‘Gov. Raise’ en ‘Gov. Lower’ relais schakelen als de governor control op stand 2 ‘OFF’ staat. Als de governor control op stand 1 ‘LOWER’ of stand 3 ‘RAISE’ dan wordt de governor handmatig bediend. Ald de governor control op ‘OFF’ staat dan zorgt de PPU voor de governor control. MEASURING CIRCUIT De PPU krijgt een aantal meetwaarden binnen van de busbar- én generatorkant van de CB. Van de busbarkant en de generatorkant wordt de stroom (busbar input 73-7577, generator input 74-76-78) en de spanning (busbar input 85-87-89, generator input 85-87-89) van L1, L2 en L3 gemeten.

28

(Schneider Electric, 2006)

7.3.2 Software De PPU beschikt over een standaard software, in deze software zit een PLC met programmeerbare waardes. De waardes kunnen via de display unit van de PPU worden aangepast nadat het wachtwoord ‘2000’ is ingevoerd. De settings in de software hebben een eigen nummer. Via de ‘jump’ functie kan er direct naar een setting worden gegaan. In de parameter list (Bijlage IV) van deze PPU staat een lijst met functies van de PPU en of deze aanwezig is en wel of niet gebruikt wordt. Bijvoorbeeld:

Figuur 7: Parameters

Zoals te zien is in figuur 7, zijn er twee BUS high-voltage beveiliging aanwezig. Eén is nummer 1180 en de ander 1190. Beide staan ze ingesteld op 105% en hebben ze een time-delay van 5s. Van de twee beveiligingen wordt er maar één gebruikt, namelijk nummer 1180. Zo is er een hele lijst aanwezig waarin staat hoe de PPU staat ingesteld. Hierin staat ook dat bij nummer 4260 de belasting kan worden ingesteld wanneer er een tweede dieselgenerator automatisch bij wordt gezet. De waarde staat op 80% maar deze functie wordt niet gebruikt. Met betrekking tot de optimal load sharing functie is de mogelijkheid om een minimaal te leveren vermogen bij een dieselgenerator wordt ingesteld softwarematig aanwezig, alleen is deze niet aangesloten op deze PPU’s.

29

7.4

Onderzoeksvraag 4

Wat zijn de voor- en/of nadelen van verschillende ‘load sharing’ opties en wanneer is welke optie optimaal? Bij het verkrijgen van een optimale vermogensverdeling worden een aantal variabelen in rekening gebracht. In theorie is de situatie waarin het specifiek brandstofverbruik het laagst is, de optimale situatie. In de praktijk blijkt dat in bepaalde situaties het systeem stabiel of juist instabiel is, en dit kan een bepaalde wijze van vermogensverdeling minder ideaal maken. Wanneer er grote veranderingen in de vermogensvraag voor kunnen komen, wordt deze vermogensverandering in een ‘equal load sharing’ situatie gelijk verdeeld over alle parallel draaiende generatoren. Wanneer er wordt gedraaid in ‘optimal laod sharing’ situatie is er één dieselgenerator die de hele vermogensverandering moet opvangen. Als de vermogensverandering erg groot is, is het mogelijk dat de dieselgenerator dit niet op tijd kan leveren. Dit kan er voor zorgen dat het toerental van de dieselgenerator inzakt en dat de dieselgenerator mogelijk door de beveiliging van het net wordt geschakeld. Zoals beschreven in onderzoeksvraag 1 is bij aankomst en vertrek waar de winches aan dek worden gebruikt, of wanneer er kranen worden gebruikt voor het laden of lossen, de kans op een grote vermogensverandering aanwezig. In deze situaties is het onvermijdelijk om de generatoren in ‘equal load sharing’ te laten draaien. Wanneer er een kraan gestart wordt, wordt er eerst een start request gevraagd aan de PMS PLC. Deze PLC bekijkt of het totale vermogen na het starten van de kraan onder 80% belasting van de dieselgeneratoren komt, indien dit het geval is dan kan de kraan starten, indien dit niet het geval is wordt er een extra dieselgenerator gestart. Dat wil zeggen dat wanneer kranen worden gebruikt, er genoeg vermogen beschikbaar is en er geen, of in elk geval minder zorgen gemaakt hoeven te worden over de stabiliteit van de vermogensopwekking. Wanneer de winches worden gebruikt wordt er van te voren niet gekeken of er genoeg vermogen beschikbaar is. Bij het gebruik van de winches moet er dus zelf voor worden gezorgd dat er genoeg vermogen beschikbaar is om de rappe veranderingen in de vermogensvraag te kunnen leveren. Om hier zeker van te zijn, wordt het systeem in ‘river’ mode gezet wanneer de winches gebruikt worden. Wanneer de winches en de kranen niet intensief worden gebruikt, is het een optie om de dieselgeneratoren zo veel mogelijk in hun meest zuinige (minimaal specifiek brandstofverbruik) te laten draaien. Bij deze hulpgeneratoren is het specifiek brandstofverbruik het laagst bij 100% belasting. Dit zou er voor zorgen dat een schommeling in het gevraagde vermogen niet of zeer moeizaam opgevangen kan worden door de generatoren. De motoren in 100% belasting laten draaien zou dan wel voor een minimaal specifiek brandstof zorgen, maar tegelijkertijd ook voor een zeer gevoelig systeem. Door de gevoeligheid van het systeem wordt het praktisch gezien niet zo optimaal. Het is beter om de motoren op 80% belasting te laten draaien, dan kunnen schommelingen in de vermogensvraag makkelijker worden opgevangen. Een optimale vermogensverdeling is dus een situatie waarin een goede verhouding wordt gevonden tussen een zo laag mogelijk specifiek brandstofverbruik en een zo stabiel mogelijk systeem.

30

De mogelijke manieren van vermogensverdeling: Equal load sharing: De vermogens worden gelijk verdeeld over de generatoren, elke generator levert evenveel vermogen en hierdoor kunnen schommelingen in de vermogensvraag makkelijker worden opgevangen. Optimal load sharing: De vermogens worden verdeeld over de generatoren, waarin één of meerdere generatoren worden belast tot hun 80% en de overige generator levert het resterende gevraagde vermogen. Hiernaast zou er nog berekend kunnen worden hoeveel de generatoren belast moeten worden om het minimale specifieke brandstofverbruik te behouden. Dit wordt per situatie opnieuw berekend. De governor van de dieselgeneratoren worden isochroon aangestuurd, dit biedt de mogelijkheid om de vermogensverdeling digitaal in te stellen en dus zouden de governors door een computer kunnen worden aangestuurd. Dit noemen we de ‘calculated load sharing’ methode. De dieselgeneratoren draaien in een berekende vermogensverdeling, wanneer er schommelingen komen in de vermogensvraag zal dit net als op de equal load sharing methode gelijk worden verdeeld over de generatoren. Na het stabiliseren van het systeem zal er weer opnieuw worden gerekend naar een zuinig(ere) vermogensverdeling. Om het gemiddeld specifiek brandstofverbruik zo laag mogelijk te krijgen, moet er gekeken worden bij hoeveel belasting elke dieselgenerator het minimale SFC bereikt. Voor de calculated load sharing methode wordt de startvolgorde van DG3 – DG2 – DG1 gebruikt. De waardes die berekend zijn voor een minimaal gemiddeld specifiek brandstofverbruik zijn te vinden in de tabel in de Bijlage VI. De maximaal gewenste belasting van de dieselgeneratoren in deze load sharing methode is 80% met betrekking tot het opvangen van schommelingen. Deze methode van vermogensverdeling zorgt vergeleken met de andere methoden alleen voor een verschil in SFC tussen een belasting van 360 en 1080 kW. Bij de vermogens buiten deze waardes zal het gemiddeld SFC gelijk zijn. Om de verschillen weer te geven worden de gemiddelde SFC’s van de calculated load sharing vergeleken met de equal load sharing en optimal load sharing methodes.

213,0

213,0

208,0

208,0

203,0

203,0

198,0

198,0 350

550

750

SFC Calculated

950 SFC Equal

350

550 SFC Calculated

750

950 SFC Optimal

Grafiek 2: SFC equal en calculated load sharing Grafiek 3: SFC optimal en calculated load sharing

31

7.5

Onderzoeksvraag 5

Hoe zal de efficiëntie van de vermogensverdeling implementeren van een ‘optimal load sharing’ functie?

veranderen

door

het

Hoe de efficiëntie van de vermogensverdeling verandert door het implementeren van een ‘optimal load sharing’ functie, zoals beschreven in onderzoeksvraag 4, hangt af van het specifiek brandstofverbruik bij bepaalde vermogens. De efficiëntie wordt bepaald door een zo laag mogelijk gemiddeld (specifiek) brandstofverbruik te bereiken. Er wordt van uit gegaan dat er bij 80% belasting een extra dieselgenerator wordt opgestart. De verandering van de efficiëntie wordt bekeken ten opzichte van de ‘equal load sharing’ functie. Het specifiek brandstofverbruik is te zien in grafiek 4 en in tabel 4. Tabel 4: SFC Dieselgeneratoren Power Take-Off (kW)

SFC DG1 (g/kWh)

SFC DG2 (g/kWh)

SFC DG3 (g/kWh)

351,9

322

327

125 (28%)

241

225,1

228,4

250 (56%)

208,5

203,2

203,5

375 (83%)

201,9

198,5

198,1

500 (111%)

199,2

197,2

197

50 (11%)

Specifiek brandstofverbruik dieselgeneratoren SFC (G/KWH)

380 330 280

DG1

230

DG2 DG3

180 10

30

50

70

90

110

BELASTING (%)

Grafiek 4: SFC Dieselgeneratoren

In de grafiek is te zien dat vanaf ongeveer 80% belasting het specifiek brandstofverbruik redelijk constant blijft. Hiervoor stellen we dat 80% belasting de optimale belasting is. De dieselgenerator zit nog niet aan de maximale belasting, maar als dit het geval is dan zou de dieselgenerator moeite kunnen hebben met schommelingen in de vermogensvraag. Zoals bekend is, hangt het brandstofverbruik af van het geleverde vermogen door de dieselgenerator. 100% belasting is een werkelijk vermogen van 450 kW. Hoe minder energie er wordt gevraagd, hoe minder brandstof er wordt gebruikt. Van het specifiek brandstofverbruik zijn de kosten per kiloWatt-uur te bepalen, terwijl uit het totale brandstofverbruik de totale kosten te bepalen zijn.

32

Om te berekenen hoeveel brandstof er wordt gebruikt door de dieselgeneratoren als deze op ‘equal load sharing’ draaien, wordt het specifiek brandstofverbruik (SFC) van een generator op de bepaalde load afgelezen, en vermenigvuldigd met het totaal geleverde vermogen (Ptot). De waardes voor de SFC bij de tussenliggende belastingen worden lineair geïnterpoleerd. Voor het berekenen van het brandstofverbruik bij de ‘optimal load sharing’ conditie is er naast het specifiek brandstofverbruik bij een bepaalde load, ook het vermogen van die load van belang. Dit is omdat er dan gekeken kan worden naar hoeveel de andere generatoren belast worden en dus wat de SFC’s van die dieselgeneratoren zijn. Bij het berekenen van het totale brandstofverbruik tijdens ‘optimal load sharing’ zijn er meer variabelen aanwezig. Wanneer er meerdere generatoren op het net staan geschakeld, is de P waarde van de generator(en) welke ‘optimaal’ wordt belast, 80% van het maximale vermogen; dus 450 ∗ 0,80 = 360 kW. Het specifiek brandstofverbruik van deze dieselgenerator(en) is dan ongeveer 200 g/kWh, die dieselgenerator die zou dan 72 kg MDO per uur verbruiken. De formule welke gebruikt kan worden voor het brandstofverbruik is als volgt: 𝐹𝐶 =

𝑆𝐹𝐶1 ∗ 𝑃1 + 𝑆𝐹𝐶2 ∗ 𝑃2 + 𝑆𝐹𝐶2 ∗ 𝑃3 1000

Waarin: SFC1:

Specific Fuel Consumption generator 1 (g/kWh)

P1:

Power take-off generator 1 (kW)

Enz.

7.5.1 Berekeningen Om het verschil in brandstofverbruik tussen de equal load sharing en optimal load sharing situatie te berekenen, is er als voorbeeld genomen dat dieselgenerator 1 op het net staat, dieselgenerator 2 op 1st stand-by staat en dieselgenerator 3 op 2nd stand-by. Hiernaast zijn de berekeningen gedaan bij een netbelasting van 50 kW tot 1350 kW. Bij een vermogensvraag van 1350 kW leveren alle drie de dieselgeneratoren hun maximale vermogen. Vanaf een totaal vermogen van 1080 kW (80% van 1350 kW) leveren alle generatoren in beide situaties evenveel vermogen, in deze situatie zit er geen verschil in gemiddeld specifiek brandstofverbruik of totaal brandstofverbruik tussen de twee situaties. Met behulp van de grafieken wordt er duidelijk gemaakt hoe de belastingen in beide situaties worden verdeeld over de generatoren en hoe het specifiek brandstofverbruik hierdoor wordt beïnvloed.

33

Equal load sharing situatie: Zodra de vermogensvraag groter wordt dan 80% van de het maximaal te leveren vermogen van de dieselgenerator(en) die op het net staat, wordt er handmatig een extra dieselgenerator opgestart.

Equal load sharing PTO DG1

PTO (KW)

500

DG2

DG3

400 300 200 100 0 50

250

450

650

850

1050

1250

TOTAL PTO (KW)

Grafiek 5: Equal load sharing power take-off

Zoals te zien is in grafiek 5, wordt het gevraagde vermogen netjes verdeeld over de dieselgeneratoren. Wanneer er meer dan 360 kW wordt gevraagd wordt de tweede dieselgenerator bijgezet en wordt het vermogen over die twee dieselgeneratoren verdeeld. Dit is in de grafiek te zien als een verticale daling van vermogen van de bijstaande dieselgenerator, en een verticale stijging van vermogen bij de toegevoegde dieselgenerator. Beide lijnen komen halverwege samen. Wanneer er daarna meer dan 720 kW wordt gevraagd (80% belasting van de op het net geschakelde dieselgeneratoren) wordt er nog een derde dieselgenerator bijgezet en wordt het gevraagde vermogen gelijk over de drie dieselgeneratoren verdeeld. Dit wil dus zeggen dat de dieselgeneratoren gelijk belast zullen zijn, en dus ongeveer een gelijk specifiek brandstofverbruik hebben (in de praktijk heeft DG1 een iets hoger SFC). Dit is te zien in grafiek 6; er staat in het begin één dieselgenerator bij, het gevraagde vermogen stijgt tot 360 kW en hier komt een tweede dieselgenerator bij. De belasting wordt gelijk verdeeld, dus de belasting van de eerste dieselgenerator daalt. Als de belasting daalt, dan verslechtert het specifiek brandstofverbruik van die dieselgenerator ook. Dit gebeurt voor beide dieselgeneratoren nogmaals wanneer er een derde op het net wordt geschakeld.

Equal load sharing SFC SFC1

SFC (G/KWH)

390

SFC2

SFC3

340 290

240 190 50

250

450

650

850

1050

1250

TOTAL PTO (KW)

Grafiek 6: Equal load sharing specific fuel consumption

34

Optimal load sharing situatie In dit geval wordt er voor gezorgd dat er zo veel mogelijk dieselgeneratoren in hun optimale werkgebied werken. Dit punt ligt bij de 80% belasting ofwel een werkelijk vermogen van 360 kW.

Optimal load sharing PTO DG1

PTO (KW)

500

DG2

DG3

400 300 200 100 0 50

250

450

650

850

1050

1250

TOTAL PTO (KW)

Grafiek 7: Optimal load sharing PTO

Zoals te zien is in grafiek 7, wordt er bij een vermogensvraag van 360 kW (80% belasting) een tweede dieselgenerator gestart. In plaats van dat de vermogens gelijk worden verdeeld over de dieselgeneratoren, blijft één dieselgenerator in zijn optimale werkgebied draaien. Dit zorgt er voor dat het specifiek brandstofverbruik van de dieselgenerator welke in zijn optimale werkgebied draait zo laag mogelijk is, maar het specifiek brandstofverbruik van de andere dieselgenerator aanzienlijk hoger is.

Optimal load sharing SFC SFC1

SFC (G/KWH)

390

SFC2

SFC3

290

190 50

250

450

650

850

TOTAL PTO (KW)

1050

1250

Grafiek 8: Optimal load sharing specific fuel consumption

In grafiek 8 is te zien dat vanaf een vermogensbelasting van 360 kW het specifiek brandstofverbruik van DG1 bijna minimaal en aardig constant blijft. Aangezien DG1 het meeste vermogen levert en DG2 het overige vermogen levert, resulteert dit in een gemiddeld specifiek brandstofverbruik wat tot een belasting van ongeveer 400 kW iets lager is dan bij de ‘equal load sharing’ functie, zoals te zien is in grafiek 9.

35

Difference in average SFC SFC Optimal

SFC (G/KWH)

390,0

SFC Equal

340,0 290,0 240,0 190,0 50

250

450

650

850

1050

1250

TOTAL PTO (KW)

Grafiek 9: Difference in average specific fuel consumption between optimal and equal sharing mode

De grijs-blauwe lijn Is het gemiddeld specifiek brandstofverbruik van de optimal load sharing methode. Hier is te zien dat deze langzaam stijgt zodra er een extra generator wordt bijgezet, terwijl bij de equal load sharing functie het gemiddeld SFC ineens stijgt en daarna af blijft nemen totdat de volgende generator wordt bijgezet. Het verschil in specifiek brandstofverbruik bij een bepaald gevraagd vermogen resulteert in een verschil in brandstofverbruik (kg/h).

FC Difference

FC DIFFERENCE (KG/H)

7 5 3 1 -1 50

250

450

650

850

1050

1250

-3 -5

TOTAL PTO (KW)

Grafiek 10: Difference in fuel consumption between optimal and equal load sharing mode

In grafiek 10 is te zien dat er bij een vermogen van ongeveer 400 kW, 600 kW, 750 kW, 950 kW en vanaf 1050 kW er geen verschil is in brandstofverbruik tussen beide situaties. De optimal load sharing zou alleen brandstof besparen ten opzichte van de equal load sharing situatie wanneer de waardes in de grafiek positief zijn. Het is dus te zien dat het grootste deel van de tijd equal load sharing zuiniger is dan optimal load sharing.

36

8. Conclusie 8.1 Optimal, equal of calculated load sharing? Wanneer er wordt geladen of gelost met eigen kranen, is de totale vermogensvraag meestal tussen de 400 en 450 kW. In zo’n situatie staan er altijd twee dieselgeneratoren bijgeschakeld. De vermogensverdeling die aan boord wordt gebruikt is equal load sharing. Deze manier van vermogens verdelen is bij een vraag van 400 à 450 kW zuiniger dan optimal load sharing. De derde manier van vermogens verdelen; calculated load sharing, is het zuinigst. Ten opzichte van equal load sharing kan het een brandstofbesparing genereren van 6,5 kg/h (zie Grafiek 11), maar tussen belastingen van 400 en 450 kW maar ongeveer 1 kg/h. In de grafiek is te zien dat het verschil in brandstofverbruik tussen de calculated load sharing methode en de equal load sharing methode het hoogst is zodra er bij een belasting van 360 kW een tweede dieselgenerator wordt bijgeschakeld. Aangezien het specifiek brandstofverbruik bij equal load sharing snel daalt zodra er meer vermogen wordt gevraagd, daalt het verschil tussen de twee load sharing methodes ook zeer snel. Over het algemeen is de bereikbare brandstofbesparing niet zeer groot.

FC Difference 7

6

FC (kg/h)

5 4 3

FC Difference

2 1 0

-1

300

500

700

900

1100

1300

Total PTO

Grafiek 11: Verschil in brandstofverbruik tussen equal load sharing en calculated load sharing

Zo zouden de dieselgeneratoren 1000 uur moeten draaien in een belasting van 400 kW om één ton brandstof te besparen. Aangezien er tijdens onderhoudende werkzaamheden al snel een aantal liters brandstof wordt gebruikt, is een besparing van 1 kg/h niet interessant.

37

8.2 Voor- en nadelen Elke manier van load sharing heeft een aantal voor- en nadelen. Type load- Voordelen sharing Equal

-

Optimal

-

Stabiel systeem Is al aanwezig Werkt betrouwbaar Onderhoud goed te plannen DG draait in optimale belasting In sommige situaties zuiniger

Nadelen -

Niet altijd de meest zuinige

-

Belasting ongelijk verdeeld (kan m.b.t. het plannen van onderhoud problemen geven) Gevoeliger voor opvangen van vermogensveranderingen

-

Calculated

-

Meest zuinige manier van vermogens verdelen Kan in theorie vermogensschommelingen goed opvangen

-

Nog niet bekend of het goed werkt Kan met het huidige systeem niet worden geïmplementeerd Belasting ongelijk verdeeld (onderhoud)

8.3 Toepassing? De huidige apparatuur ondersteunt de functie om een dieselgenerator op een fixed load te laten draaien, dit zou optimal load sharing mogelijk maken. Aangezien de huidige apparatuur het toepassen van calculated load sharing niet ondersteunt, zou er, indien het gewenst zou zijn deze manier van load sharing te implementeren, er een nieuw systeem moeten worden aangelegd. De governor wordt isochroon geregeld (zie theoretisch kader; droop load sharing), deze manier van regelen ondersteunt de toepassing van optimal/calculated load sharing.

8.4 Hoofdvraag Wat kan er verbeterd worden aan het huidige PMS aan boord van de ms Azoresborg zodat een optimale vermogensverdeling wordt gecreëerd? Om het huidige PMS te verbeteren om een optimale vermogensverdeling te creëren zou calculated load sharing de enige gunstige optie zijn. Het implementeren van deze vermogensverdeling vereist een toevoeging van bepaalde apparatuur aan het power management systeem. Door het minimale verschil in brandstofverbruik vergeleken met equal load sharing en doordat onbekend is of de calculated load sharing methode betrouwbaar en stabiel is, zie ik equal load sharing als de optimale vermogensverdeling.

38

9. Aanbevelingen Uit het onderzoek blijkt dat equal load sharing de meest betrouwbare manier van vermogens verdelen is. De andere manieren van vermogens verdelen zijn of minder zuinig, of minder betrouwbaar. Het implementeren van calculated load sharing kan voor onstabiliteit in het systeem zorgen en er moet in worden geïnvesteerd. Hiernaast is de behaalbare brandstofbesparing minimaal. Mijn aanbeveling is dat de vermogensverdeling van het PMS aan boord van de Azoresborg onveranderd blijft.

39

10.

Bibliografie

Cummins Power Generation. (2010). Paralleling Dissimilar Generators: Part 3 - Load Sharing Compatibility. Cummins Inc. DEIF. (2006). Data sheet PPU. Frisenborgvej: DEIF A/S. DEIF. (2009). PPU Parameters. Frisenborgvej: DEIF A/S. Hudong-Zhongua Shipyard. (2006). Test Record Electrical Power. Hudong-Zhongua: Hudong-Zhongua Shipyard. Hudong-Zhongua Shipyard. (2006). Test Record Generators. Hudong-Zongua: Hudong-Zhongua Shipyard. Mitsubishi Diesel Engines Turbochargers. (2009). Technical File IMO-Certification. Almere: MHI Equipment Europe BV. Schneider Electric. (2006). MAIN SWITCHBOARD. Beijing: Schneider Electric. Schneider Electric. (2007). Operating Instruction for MSB. Hudong Zhonghua: Schneider Electric. Schneider Electric. (2009). Modicon TSX Micro. Telemecaníque. VAC MARINE. (2005, mei 24). Mitsubishi Diesel Engine. Fredriksberg: VAC MARINE. Wärtsilä Finland Oy. (2006). Instruction Manual. Vaasa: Wärtsila Finland Oy. Woodward. (1991). Electrically Powered Governor Systems. Rockford: Woodward.

40

11.

Bijlagen

-

Bijlage I – I/O’s PMS PLC Bijlage II – Bustie & Synchro Panel

-

Bijlage III – Engine Test Records Bijlage IV – PPU Parameters

-

Bijlage V – PPU Hardware Overview

-

Bijlage VI – SFC Calculated Load Sharing

41

Bijlage I – I/O’s PMS PLC

Module 1: DMZ-64DTK (figuur 8) Inputs: POSITION 1-A 1. MODE SELECT AUTO & SHORE CB OPEN 2. DG1 STANDBY 3. DG2 STANDBY 4. DG3 STANDBY 5. BUSBAR FREQ.HIGH 6. DG1 CB PB NOT OPEN 7. DG2 CB PB NOT OPEN 8. DG3 CB PB NOT OPEN 9. DG1 CB CLOSED 10. DG2 CB CLOSED 11. DG3 CB CLOSED 12. LOAD SHIFT CANCEL 13. BUSBAR VOLTAGE HIGH 14. BUSBAR FREQ. LOW 15. ES & PREF. TRIP SOURCE FAIL 16. BUSBAR VOLTAGE LOW

Figuur 8: DMZ-64DTK

POSITION 1-B 1. 440V BUSBAR LOW INSULATION 2. 220V BUSBAR LOW INSULATION 3. BUZZER STOP 4. FLICKER STOP 5. LAMP & BUZZER TEST 6. DG1 CB TROUBLE RESET 7. DG2 CB TROUBLE RESET 8. DG3 CB TROUBLE RESET 9. DG1 AUTO SYNCHRO COMMAND 10. DG2 AUTO SYNCHRO COMMAND 11. DG3 AUTO SYNCHRO COMMAND 12. DG1 LOAD SHIFT COMMAND 13. DG2 LOAD SHIFT COMMAND 14. DG3 LOAD SHIFT COMMAND 15. BUSBAR NO VOLTAGE 16. BT1 CLOSED

42

Outputs: POSITION 2-A 1. NO.1 DK CRANE START AVAILABLE 2. NO.2 DK CRANE START AVAILABLE 3. NO.3 DK CRANE START AVAILABLE 4. – 5. – 6. – 7. DG1 CB TROUBLE 8. DG2 CB TROUBLE 9. DG3 CB TROUBLE 10. DG1 CB TRIP 11. DG2 CB TRIP 12. DG3 CB TRIP 13. PREF. TRIP COMMAND 14. DG1 ENGINE START COMMAND 15. DG2 ENGINE START COMMAND 16. DG3 ENGINE START COMMAND POSITION 2-B 1. DG1 AUTO SYNCHRO 2. DG2 AUTO SYNCHRO 3. DG3 AUTO SYNCHRO 4. DG1 LOAD SHIFT 5. DG2 LOAD SHIFT 6. DG3 LOAD SHIFT 7. DG1 CB BLACKOUT CLOSE 8. DG2 CB BLACKOUT CLOSE 9. DG3 CB BLACKOUT CLOSE 10. DG1 ENGINE STOP 11. DG2 ENGINE STOP 12. DG3 ENGINE STOP 13. PLC FAILURE 14. BUZZER

43

Module 2: DMZ-64DTK (figuur 8) Inputs: POSITION 3-A 1. DG1 READY TO START 2. DG1 RUNNING 3. DG1 START FAILURE 4. DG1 VOLTAGE ESTABLISHED 5. DG2 READY TO START 6. DG2 RUNNING 7. DG2 START FAILURE 8. DG2 VOLTAGE ESTABLISHED 9. DG3 READY TO START 10. DG3 RUNNING 11. DG3 START FAILURE 12. DG3 VOLTAGE ESTABLISHED 13. NO.1 BALLAST & BILGE PUMP REMOTE 14. NO.1 BALLAST & BILGE PUMP FAULT 15. NO.2 BALLAST & BILGE PUMP REMOTE 16. NO.2 BALLAST & BILGE PUMP FAULT POSITION 3-B 1. PREF. TRIP 2. DG1 COMMON TRIP ALARM 3. DG2 COMMON TRIP ALARM 4. DG3 COMMON TRIP ALARM 5. SG CB PB NOT OPEN 6. SG CB CLOSED 7. SG CB TROUBLE RESET 8. SG AUTO SYNCHRO COMMAND 9. SG LOAD SHIFT COMMAND 10. SG VOLTAGE ESTABLISHED 11. BOW THRUSTER CB CLOSED 12. NO.1 DK CRANE START REQUEST 13. NO.2 DK CRANE START REQUEST 14. NO.3 DK CRANE START REQUEST 15. EM’CY GEN START FAIL

44

OUTPUTS: POSITION 4-A 1. DG1 READY TO START 2. DG2 READY TO START 3. DG3 READY TO START 4. DG1 1ST STANDBY 5. DG2 1ST STANDBY 6. DG3 1ST STANDBY 7. DG1 2ND STANDBY 8. DG2 2ND STANDBY 9. DG3 2ND STANDBY 10. PREF. TRIP 11. BUSBAR VOLTAGE LOW 12. BUSBAR FREQUENCY LOW 13. CONTROL SOURCE FAIL FOR ES & PREF. TRIP 14. 440V BUSBAR LOW INSULATION 15. 220V BUSBAR LOW INSULATION 16. DG1 CB ABNORMAL TRIP POSITION 4-B 1. DG2 CB ABNORMAL TRIP 2. DG3 CB ABNORMAL TRIP 3. DG1 CB NON CLOSE 4. DG2 CB NON CLOSE 5. DG3 CB NON CLOSE 6. DG1 ENGINE START FAILURE 7. DG2 ENGINE START FAILURE 8. DG3 ENGINE START FAILURE 9. BUSBAR VOLTAGE HIGH 10. BUSBAR FREQ. HIGH 11. EM’CY GEN. START FAIL 12. SG CB TROUBLE 13. SG AUTO SYNCHRO 14. SG LOAD SHIFT 15. SG CB TRIP 16. SG CB ABNORMAL TRIP Module 3: AEZ-414 (figuur 9) 4 Analog input channels: POSITION 5 1. 2. 3. 4.

DG1 POWER DG2 POWER DG3 POWER SG POWER

Figuur 9: AEZ-414

45

Module 4: DMZ-16DTK (figuur 10) Inputs(1-8)/Outputs(9-16): POSITION 6-A(1-8)/6-B(9-16) 1. HFO TRANSFER PUMP RUNNING 2. MODE SELECT (1. SHAFT GENERATOR/2. BOW THRUSTER) 3. – 4. – 5. – 6. – 7. – 8. – 9. SG CB NON CLOSE 10. DG1 3RD STANDBY 11. DG2 3RD STANDBY 12. DG3 3RD STANDBY

Figuur 10: DMZ-16DTK

Module 5: DMZ-28DTK (figuur 11) Inputs: POSITION 7 1. NO. ½ M/E HTFW PUMP ST-BY ALARM 2. NO. ½ M/E LTFW PUMP ST-BY ALARM 3. NO. ½ M/E CSW PUMP ST-BY ALARM 4. M/E LO PUMP ST-BY ALARM 5. NO.1 M/E LTFW PUMP RUNNING 6. NO.2 M/E LTFW PUMP RUNNING 7. NO.1 M/E HTFW PUMP RUNNING 8. NO.2 M/E HTFW PUMP RUNNING 9. NO.1 CSW PUMP RUNNING 10. NO.2 CSW PUMP RUNNING 11. FIRE PUMP RUNNING 12. PRE-LUB PUMP RUNNING 13. NO.1 BALLAST & BILGE PUMP RUNNING 14. NO.2 BALLAST & BILGE PUMP RUNNING 15. NO.3 M/E CSW/EM’CY BILGE PUMP RUNNING 16. M/E LO ST-BY PUMP RUNNING

Figuur 11: DMZ-28DTK

Outputs: POSITION 8 1. 2. 3. 4.

NO.1 BALLAST & BILGE PUMP START NO.1 BALLAST & BILGE PUMP STOP NO.2 BALLAST & BILGE PUMP START NO.2 BALLAST & BILGE PUMP STOP

(Schneider Electric, 2006)

46

Bijlage II – Bustie & Synchro Panel

47

Bijlage III.I – Engine Test Record DG1

48

Bijlage III.II – Engine Test Record DG2

49

Bijlage III.III – Engine Test Record DG3

50

Bijlage IV – PPU Parameters

51

52

53

54

Bijlage V – PPU Hardware Overview

55

Bijlage VI – SFC Calculated Load Sharing

Total PTO 50 100 150 200 250 300 350 360 400 450 500 550 600 650 700 720 750 800 850 900 950 1000 1050 1080 1100 1150 1200 1250 1300 1350

DG3 50 100 150 200 250 300 350 360 275 250 250 300 350 360 360 360 250 266 250 270 300 320 340 360 366,67 383,33 400,00 416,67 433,33 450,00

DG2 0 0 0 0 0 0 0 0 125 200 250 250 250 290 340 360 250 266 250 270 290 320 350 360 366,67 383,33 400,00 416,67 433,33 450,00

DG1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 250 268 350 360 360 360 360 360 366,67 383,33 400,00 416,67 433,33 450,00

SFC3 327,00 261,27 223,42 213,46 203,50 201,34 199,18 198,75 202,42 203,50 203,50 201,34 199,18 198,75 198,75 198,75 203,50 202,81 203,50 202,64 201,34 200,48 199,61 198,75 198,46 198,03 197,88 197,73 197,59 197,44

SFC2

225,10 211,96 203,20 203,20 203,20 201,70 199,82 199,06 203,20 202,60 203,20 202,45 201,70 200,57 199,44 199,06 198,81 198,41 198,24 198,07 197,89 197,72

SFC1

208,50 207,55 203,22 202,69 202,69 202,69 202,69 202,69 202,34 201,72 201,36 201,00 200,64 200,28

SFC Calculated 327,0 261,3 223,4 213,5 203,5 201,3 199,2 198,7 209,5 207,3 203,4 202,2 200,9 200,1 199,3 198,9 205,1 204,3 203,3 202,6 202,0 201,3 200,6 200,2 199,9 199,4 199,2 198,9 198,7 198,5

56