Внутренние рабочие лодки могут извлечь большую выгоду из дизельного электропривода

Джошуа Слейд Себастьян, ЧП • 21 марта 2018

Дизельное электрическое движение не является новой концепцией. Подобно азимутирующим приводам, его применение на внутреннем морском рынке отстает от других областей морской промышленности. Дизель-электрик приобрел тягу в отраслях, где экономия топлива и избыточность силовых установок для обеспечения безопасности имеют первостепенное значение. В частности, суда, такие как пассажирские паромы и морские суда снабжения, пользовались преимуществами дизельных электрических систем. Внутренняя буксирная промышленность разделяет многие из этих проблем и будет пользоваться преимуществами дизельных электрических технологий в рамках комплексного процесса проектирования.

В начале 2017 года The Shearer Group, Inc. (TSGI) вместе с морским подразделением ABB приступили к изучению применения дизельных электрических технологий для морской промышленности. TSGI первоначально исследовал дизельное электропривод для буксиров около 2007 года, но в то время технология и цена не сделали его возможным вариантом для рынка. Однако в последние несколько лет некоторые фундаментальные изменения в отрасли изменили это уравнение, сделав дизельное электричество жизнеспособным вариантом при планировании нового буксира.

Что такое дизельное электрическое движение?

Проще говоря, дизельное электропривод представляет собой концепцию, в которой используется электростанция, состоящая из нескольких генераторов энергии, которые вырабатывают электроэнергию на двигательной установке с помощью электродвигателей. Электрическая силовая установка состоит из генераторов, электрической распределительной системы, приводов с переменной частотой, электродвигателей и системы управления.

Механические дизельные двигатели обеспечивают превосходную эффективность в очень узком диапазоне операций, обычно выше 60% MCR. Таким образом, важно определить общий рабочий цикл двигателей в течение длительного времени. Дизель-электрик повышает эффективность движительной системы судна, расширяя диапазон оптимальных операций и обеспечивая более общую эффективность в диапазонах, не соответствующих оптимальному диапазону механической приводной системы.

Под эгидой дизельного электрооборудования сегодня существует несколько вариантов:

Гибридный (PTO / PTI)

Гибридные системы используют механическую ось вала с выводом мощности и мощностью (PTO / PTI) в сочетании с электрической системой генерации. Эта система сочетает в себе преимущество прямого приведения в движение через коробку передач с гибкостью «повышения мощности» от электрической системы судна, но также позволяет основным двигателям работать более эффективно, обеспечивая электроэнергию на судне, когда мощность не требуются для целей движения. Когда требуется больше энергии, генераторы действуют как двигатели, которые подают дополнительную мощность на валы через PTO / PTI. При более низком энергопотреблении основные двигатели могут быть сбиты, и судно может работать только на одном электродвигателе, или главные двигатели могут подавать силовую мощность, а также подавать PTO / PTI для подачи электроэнергии для вспомогательных нагрузок.

Система A / C

Дизельная электрическая система A / C является самой традиционной и общей дизельной электросистемой на сегодняшний день. Он состоит из электростанции с несколькими генераторами, обеспечивающей мощность для всех нагрузок на судне; двигательный, вспомогательный и отель. Мощность от распределительного щита подается на двигательные двигатели с помощью частотно-регулируемых приводов, чтобы позволить двигателям работать практически на любом обороте вала.

Система D / C

Дизельная электрическая система D / C очень похожа на систему кондиционирования, но обеспечивает некоторые улучшения в определенных областях. Ток переменного тока от генератора выпрямляется до постоянного тока в генераторе и распределяется непосредственно через распределительные щиты. Затем ток постоянного тока инвертируется по мере необходимости, чтобы обеспечить мощность переменного тока для движения и нагрузки в гостиницах. Системы с прямым током меньше и легче в целом, с меньшим количеством деталей внутри распределительных щитов. Двигательные двигатели на основе постоянного тока приносят наибольшую выгоду в сочетании с некоторым типом хранения энергии, где решетка постоянного тока может позволить батареям мгновенно подавать энергию на электрическую систему судна.

Дизель электрический с энергосбережением

Когда дизельные электрические системы сочетаются с хранением энергии, преимущества дизельных электрических систем продолжают улучшаться. Для типичного морского применения использование литиево-ионных батарей (Li-ion) может помочь добавить запас спиннинга, пиковое бритье и операции с нулевым выбросом для повышения общей эффективности сосудов.

Как дизель-электрик подходит для внутреннего рынка

На сегодняшний день большая часть внимания дизельного электрооборудования обошла рынок внутреннего буксирного судна. Тем не менее, TSGI работает с инженерами ABB, чтобы разработать и точно настроить концепцию дизайна дизельного электрического буксира. Толчком для этого проекта является типичный эксплуатационный профиль буксира. Когда мы спросили владельцев, как они управляют своими судами, большинство считают, что они составляют от 80% до 100% нагрузки почти в 100% случаев. В действительности мы обнаружили, что фактические данные двигателя от судов, работающих на реках, были совершенно разными.

Вместо того, чтобы работать с более чем 80-процентными нагрузками большую часть времени (как считалось ранее), мы обнаружили, что эксплуатационный профиль судов, которые мы исследовали, проводил гораздо меньше времени выше 80% нагрузки, чем первоначально предполагалось. Для ряда операторов на различных участках внутренних рек фактический буксир проводит большую часть времени ниже 50 процентов общей мощности с короткими пиками выше 80 процентов. Это дает возможность дизельному электроснабжению оказывать положительное воздействие на эксплуатационные расходы, связанные с эксплуатацией буксирного судна на внутренних реках.

Профили работы судна очень важны для определения пригодности дизельной электрической системы для конкретного судна. Оба профиля пробы представляют реальные эксплуатационные данные в течение 365 дней работы для разных судов.

Дизельное электрическое движение обеспечивает эти сбережения из множества преимуществ. Ниже приведено силовое оборудование для каждого буксирного судна 2,400 л.с.:

Типичное оборудование 2,400HP:

-Prime Mover: 2 x 1,200HP Tier IV Двигатели

-генератор: генераторы уровня 3 x 200 кВт

2,400HP Дизельное электрооборудование:

- Генерация энергии: генераторы уровня 4 x 800hp

Для механического буксира при любой нагрузке двигателя от холостого хода до 100 процентов вы работаете как минимум на трех двигателях, чтобы поддерживать полное маневрирование и электрическую нагрузку дома. Однако в дизельном электричестве работает оптимизированное количество двигателей. От нагрузки от холостого хода до примерно 25 процентов требуется только один двигатель для обеспечения подачи на два вала плюс электрическая нагрузка дома на судно. Только при гораздо более высоких нагрузках (обычно> 80%) дизель-электрик теряет часть своей эффективности в механической силовой установке.

За пределами экономии топлива

Дизельные электрические силовые установки также обеспечивают преимущества, превышающие экономию топлива. Во время процесса проектирования следует учитывать такие элементы, как избыточность силовых установок, потребление и хранение мочевины и обслуживание двигателя.

Дизель-электрик также светит в отношении избыточности и безопасности. С любым двигателем, способным обеспечивать питание двигателем с двигателем, оператор может минимизировать влияние сбоя первичного двигателя. В механической системе потеря первичного двигателя приводит к потере 50 процентов движителя и всей оси. На дизельном электрическом буксирном судне потеря генераторного агрегата приводит лишь к потере 25 процентов максимальной доступной мощности, при этом все еще можно обеспечить питание обоих валов. Аналогичным образом, с потерей генератора на механической системе, судно теперь не имеет резервной базы для внутренних и вспомогательных нагрузок. Дизельная электрическая система может поддерживать мощность с несколькими резервами для электрогенерации.

Использование нескольких генераторов Tier III устраняет требования к двигателям Tier IV, которые используют технологию SCR или EGR для соответствия требованиям к выбросам. Если судно использует мочевину для SCR, при типичной дозе DEF, равной 5%, новая конструкция сосуда должна содержать бак мочевины, SCR и дополнительные выхлопные трубы.

Еще одно преимущество - графики технического обслуживания двигателя. Уменьшая количество двигателей, работающих до оптимального числа, дизельное электропривод уменьшает количество часов двигателя, затрачиваемых на частичные нагрузки. Судно, которое тратит 40% своего времени на нагрузку менее 50%, может удерживать часы на двух двигателях вместо трех по сравнению с механической системой. И поскольку на судне есть только один тип двигателя на борту, количество запасных частей для поддержки судна и береговой стороны может быть уменьшено.

Является ли Diesel Electric для вас?

Дизель-электрик, так же, как азимутационные приводы, может быть или не быть лучшим решением для всех эксплуатационных профилей на реке. Тем не менее, он дает определенные преимущества во многих сценариях и должен рассматриваться как часть общего процесса принятия решений при проектировании судна. Льготы выходят за рамки экономии эксплуатационных расходов, обеспечивая также повышенную эксплуатационную безопасность и избыточность для буксиров.

Автор

Джошуа Слейд Себастьян, ЧП, является инженером-менеджером в Shearer Group, Inc. (TSGI). TSGI хотел бы поблагодарить Морской дивизион в ABB за помощь в электрическом дизайне концепции дизельного электрического буксира и предоставление технической информации для этой статьи .

(Как опубликовано в издании Marine News в марте 2018 года)