Ανάπτυξη Τοπολογίας Προσαρμοστικού Ελέγχου Διεργασιών Πλοίων Με Ρυθμιστές Στροφών Για Εξοικονόμηση Ισχύος Και Καυσίμου Γεννητριών

Abstract

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται την ανάπτυξη τοπολογίας σθεναρού προσαρμοστικού ελέγχου στροφών κινητήρων σε βιομηχανικές διεργασίες πλοίων σχετιζόμενες με τη λειτουργία της κύριας μηχανής και των βοηθητικών μηχανημάτων, οι οποίες εμφανίζουν μεταβαλλόμενες απαιτήσεις ροής σε σχέση με τη λειτουργική κατάσταση του πλοίου την εκάστοτε στιγμή. Η προτεινόμενη τοπολογία οδηγεί στη βελτίωση του ισοζυγίου ισχύος στο αυτόνομο σύστημα ηλεκτρικής ισχύος του πλοίου, επιτυγχάνοντας βελτιστοποίηση της διαχείρισης ενέργειας, της κατανάλωσης καυσίμου και χρήσης των ηλεκτρογεννητριών, ιδιαίτερα στην περίοδο πλεύσης. Αρχικά παρουσιάζονται οι μεταβολές στο ισοζύγιο ισχύος που προκύπτουν από την εφαρμογή της πρακτικής μείωσης της ταχύτητας πλεύσης (slow steaming), η οποία χρησιμοποιείται κατά κόρον σήμερα για την εξοικονόμηση καυσίμου από την κύρια μηχανή, έχοντας αρνητική ωστόσο συνέπεια τη συχνή χρήση επιπλέον ηλεκτρογεννήτριας παράλληλα με την υπάρχουσα. Ταυτόχρονα δημιουργείται περιθώριο εξοικονόμησης ισχύος λόγω της μεταβολής των αναγκών ψύξης, εξαερισμού και απαγωγής θερμότητας της κύριας μηχανής και των βοηθητικών μηχανημάτων στο μηχανοστάσιο του πλοίου, το οποίο παραμένει ωστόσο ανεκμετάλλευτο εφόσον οι κινητήρες που σχετίζονται με τις παραπάνω διεργασίες εξακολουθούν να λειτουργούν στο ονομαστικό τους φορτίο. Η προτεινόμενη τοπολογία περιλαμβάνει προσαρμοστικό έλεγχο στροφών των κινητήρων που οδηγούν τις αντλίες ψύξης του δικτύου θαλασσινού νερού και τους ανεμιστήρες εξαερισμού του μηχανοστασίου με γνώμονα τα δεδομένα πιέσεων και θερμοκρασιών, καθώς και τις δυναμικά μεταβαλλόμενες απαιτήσεις των αντίστοιχων διεργασιών ανάλογα με τη λειτουργική κατάσταση του πλοίου. Οι παράμετροι του προτεινόμενου ελέγχου αυτορυθμίζονται σε πραγματικό χρόνο με βάση τα δεδομένα έτσι ώστε οι κινητήρες που οδηγούν τις αντλίες και τους ανεμιστήρες αντίστοιχα να λειτουργούν με τη βέλτιστη ταχύτητα προκειμένου να επιτευχθεί η μέγιστη εξοικονόμηση ισχύος. Ταυτόχρονα, ο έλεγχος εξασφαλίζει ότι τα ελάχιστα όρια ταχύτητας προσαρμόζονται δυναμικά σε σχέση με τις μεταβαλλόμενες απαιτήσεις ροής νερού και αέρα από την κύρια μηχανή και τα βοηθητικά μηχανήματα. Η σχεδίαση της προτεινόμενης τοπολογίας γίνεται με γνώμονα ένα τυπικό δεξαμενόπλοιο (tanker) με εκτόπισμα 105,000 τόνους στο οποίο πραγματοποιείται και η εφαρμογή. Η προτεινόμενη τοπολογία προσαρμοστικού ελέγχου δεδομένων υλοποιείται με προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή (PLC) με απεικόνιση σε οθόνη διεπαφής ανθρώπου-μηχανής (HMI). Ο έλεγχος στροφών των κινητήρων γίνεται με την τεχνική έμμεσου διανυσματικού ελέγχου με προσανατολισμό πεδίου του δρομέα και προσαρμοστικό εκτιμητή ταχύτητας (MRAS), ενώ η παλμοτροφοδότηση των ημιαγωγικών διακοπτών IGBT του αντιστροφέα δύο επιπέδων τάσης γίνεται με χωρικά διανύσματα (SVPWM). Για να διασφαλιστεί η διατήρηση της ποιότητας ισχύος στο αυτόνομο σύστημα ηλεκτρικής ισχύος του πλοίου σύμφωνα με όρια που τίθενται από τους νηογνώμονες, προτείνεται μεθοδολογία προσδιορισμού, ανάλυσης και μέτρησης του επιπέδου αρμονικών συνιστωσών ρεύματος και τάσεως, η οποία χρησιμοποιείται για τη διαστασιολόγηση κατάλληλων φίλτρων αρμονικών για τους ρυθμιστές στροφών. Τα πειραματικά αποτελέσματα που προκύπτουν από την εγκατάσταση (retrofit) του προτεινόμενου συστήματος σε τυπικό δεξαμενόπλοιο συγκρίνονται με τις προηγούμενες συνθήκες λειτουργίας, ώστε να αναδειχθούν τα οφέλη της βελτιστοποίησης του ισοζυγίου ισχύος και της λειτουργίας των ηλεκτρογεννητριών ως προς την κατανάλωση καυσίμου. Στο πλαίσιο αυτό προτείνεται μέθοδος υπολογισμού για τα οικονομικά και περιβαλλοντικά οφέλη, με βάση τον τύπο του καυσίμου που χρησιμοποιείται, την ειδική κατανάλωση καυσίμου των ηλεκτρογεννητριών και το λειτουργικό προφίλ του πλοίου. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το προτεινόμενο σύστημα οδηγεί σε μείωση της ετήσιας κατανάλωσης ενέργειας από το σύστημα ηλεκτρικής ισχύος του πλοίου κατά 18.3% και σε μείωση της ετήσιας κατανάλωσης καυσίμου των ηλεκτρογεννητριών κατά 20.3%, επιβεβαιώνοντας τη σημασία και τα οφέλη της προτεινόμενης τοπολογίας για τη ναυτική βιομηχανία.