1 / 47

P O D p r o p u l z i j a

Brodski pogonski sustavi. P O D p r o p u l z i j a. Miroslav Crnić / Aleš Podnar. 1. Uvod i povijesni pregled električne propulzije. POD - propulzor pogonjenom elektromotorom koji je ugra đ en u podvodno, strujno dobro oblikovano tijelo, engleski nazvano «pod» ( s li č no mahuni) .

katen
Download Presentation

P O D p r o p u l z i j a

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Brodski pogonski sustavi P O D p r o p u l z i j a Miroslav Crnić / Aleš Podnar

  2. 1. Uvod i povijesni pregled električne propulzije POD - propulzor pogonjenom elektromotorom koji je ugrađen u podvodno, strujno dobro oblikovano tijelo, engleski nazvano «pod» (slično mahuni). POD - u tehničkom nazivlju - na hrvatskom je gondola (npr. balona, zrakoplovnog motora), a poddedpropulsor gondolski propulzor. Ideja električne propulzije datira još iz sredine XIX stoljeća. Međutim, inovacije na području upravljivosti i kontrole električnih motora s promjenjivim brzinama u širokom rasponu snaga, a preko kompaktnih, ali i cijenom prihvatljivih rješenja, upotreba električne propulzije zauzima sve značajnije mjesto tijekom 80. i 90. godina XX stoljeća. Električna propulzija pogonjena plinskim turbinama ili diesel generatorima se koriste u stotinama brodova različitih namjena i konfiguracija (kruseri, trajekti, polagači kabela i cijevi, ledolomci, opskrbni brodovi, ratni brodovi,…). Velika istraživanja na ovom polju govore u prilog značenju ove vrste pogona i za postojeće, ali i za neke nove aplikacije. 2 1.1. Uvod

  3. 1. Uvod i povijesni pregled elektro propulzije Tablica 1.1. Povijesni prikaz 3 1.2. Povijest

  4. 2. POD proizvođači - pregled Na tržištu su prisutna dva glavna proizvođača: ABB i Rolls-Royce. “ABB” • kompanija s najvećim brojem isporučenih POD-a • dva tipa proizvoda: AZIPOD i Compact • AZIPOD: 5MW – 30MW • Compact: 400kW – 5MW • Isporučuje cjelokupno rješenje. Slika 2.1. AZIPOD “Rolls-Royce” • proizvod tip: Mermaid pod • raspon snaga: 5MW – 25MW • surađuje s “Covnerteam” koja isporučuje elektične dijelove. Slika 2.2. Rolls-Royce Osim ova dva proizvođača na tržištu su još: • SEP (Schottel Electric Propulsion) - samostalno proizvode uređaje manjih snaga, a u suradnji sa Siemensom (SSP – Siemens Schottel Propulsion) uređaje većih snaga, • neke japanske kompanije koje su predstavile svoje prototipe • Converteam – objavio da je razvio svoj POD. 4

  5. 3. Mehanički pregled POD-a Većina uređaja danas generalno imaju sličan dizajn. Glavne karakteristike: - montaža izvana, na dnu trupa broda - mogućnost zakretanja POD-a 360° (prednosti: nepotrebno kormilo uz poboljšana manevarska svojstva u lukama i kanalima). Slika 3.1. AZIPOD Slika 3.2. Mermaid Slika 3.3. SSP Kao što se vidi na slici, AZIPOD i Mermaid vrlo su slični, dok se SSP (Siemens Schottel Pod) nešto razlikuje zbog dva vijka. 5

  6. 3. Mehanički pregled POD-a MERMAID POD Na slici 3.4 prikazan je presjek Mermaid uređaja - struktura koja se koristi u većini današnjih konstrukcija. Karakteristike: • Zajednička osovina rotora el.motora i vijka – nepotrebni prijenosnici! • Osovina je učvršćena na krajevima prstenovima koje isporučuje SKF (ABB i RR). • Čovjek prikazuje približan omjer veličine za 20MW POD • Raspon snage 0,4-5MW – manje konstrukcije. • Raspon snage 5-30MW veće konstrukcije. Slika 3.4. Mermaid POD 6

  7. 3. Mehanički pregled POD-a 7

  8. 4. Električni sustav POD propulzije Elektro sustav POD propulzije sastoji se od: - izvora el.energije - razvodnih ormara - transformatora - frekvencijskih pretvarača - propulzijskih elektro motora. Transformatori i pretvarači su smješteni u POD prostoriji u brodu, dok je elektro motor smješten direktno u POD. Za prijenos električne energije od pretvarača do motora koriste se klizni/kružni prstenovi. Slika 4.1. Razine upravljanja Slika 4.1 prikazuje principijelnu shemu sustava elektro propulzije. Uobičajeno se sastoji od dva seta POD-a jednake konfiguracije i koji su neovisni jedan o drugom. 8

  9. 4. Električni sustav POD propulzije Transformatori – omogućavaju podjelu elektro sustava na različite naponske nivoe, koji su pri tom i međusobno izolirani. U POD propulziji zastupljeni su i uljni i suhi transformatori (uobičajeni i kod ABB i kod RR). Izlazni dio transformatora, koji napaja POD sustav, prilagođen je ulaznom dijelu ispravljača / pretvarača. Slika 4.2. Transformatori Slika 4.2 shematski prikazuje transformatore namjenjeni za 6, 12, 18 i 24 pulsna ispravljača. 9 4.1. Transformatori

  10. 4. Električni pregled POD propulzije Svrha frekvencijskih pretvarača jest kontrola brzine i momenta motora pretvarajući konstantnu frekvenciju u promjenjivu (varijabilnu). Razvoj poluvodičke tehnologije značajno je utjecao na različite dizajne pretvarača. Pretvarači imaju i negativne efekte kao što su harmonici koji mogu jako onečistiti elektro mrežu. Slika 4.3. Frekvencijski pretvarači U POD propulziji trenutno se koriste tri vrste pretvarača: Load Commutated Inverter (RR) - tiristor Cyclo pretvarač (ABB) – tiristor VSI – upravljive sklopke (ABB – IGCT/Integrated gate commutated thyristor) / (RR – IGBT/Insulated gate bipolar transistor). 10 4.2. Frekvencijski pretvarači

  11. 4. Električni pregled POD propulzije Tablica 4.1. Usporedba frekvencijskih pretvarača 11 4.2. Frekvencijski pretvarači

  12. 4. Električni pregled POD propulzije Slika 4.4. Cyclo frekvencijski pretvarač Primjer – najčešće korišteni Cyclo pretvarač. Cyclo pretvarač – direktni tip, bez DC veze. AC napon motora se “konstruira” selektiranjem faznog segmenta dolaznog naponaupravljanjem antiparalelnim tiristorskim mostom. Na slici je prikazana 12-pulsna konfiguracija, a napon motora se kontrolira preko 1/3 ulazne frekvencije (~20Hz) što omogućava široku primjenu u direktnim pogonima bez upotrebe prijenosnika.Ovakav tip pretvarača je obožavan na aplikacijama kod kojih se traže male brziname i velike performanse (ledolomci,…). 12 4.2. Frekvencijski pretvarači

  13. 4. Električni pregled POD propulzije Tablica 4.2. Usporedba elektromotora korišteni kod POD propulzije Sinkroni motor – najčešće primjenjivan zbog visoke iskoristivosti na visokim snagama. Sinhron zato što se rotor vrti sinhronom brzinom tj. istom brzinom koju mu daje okretno magnetsko polje statora. Opremljen je strujnom uzbudom koja se napaja preko faznog pretvarača kojim mu se može mijenjati snaga. Sinkroni motor s permanentnim magnetom – umjesto rotora opremljen je permanentnim magnetom zbog čega nema gubitaka u rotorskom dijelu. Ima ograničenja u primjeni za visoke snage zbog magnentne karakteristike materijala. Indukcijski motori – najčešće primjenjivan motor u industrijskim aplikacijama zbog svoje robusnosti i jednostavne konstrukukcije, međutim primjenjuje se u POD-ima s manjim snagama. 13 4.3. Elektro motori

  14. 5. Upravljanje snagom i propulzijom Slika 5.1. Razine upravljanja Korisničko sučelje: - Operatorske stanice - smještene na komandnom mostu ili kontrolnoj sobi strojarnice Kontrola razine sustava: - Kontroleri / PLC - integrirani u PLC-u, centralizirani ili distribuirane periferije, ovisno o konstrukciji broda Niska razina kontrole: - Governors, AVR, Zaštita - odvojene distribuirane periferije na različitim razinama broda 14 5.1. Uvod – Razine upravljanja

  15. 5. Upravljanje snagom i propulzijom Slika 5.2. Integrirani sustav upravljanja plovilom Fieldbus Network – real time komunikacijska mreža na niskoj razini kontrole između uređaja i kontrolera Control Network – real time mreža za izmjenu podataka između operatorskih stanica i kontrolera Office Plant Network – mreža koja povezuje sustave unutar ureda i informacijske sustave 15

  16. 5. Upravljanje snagom i propulzijom • Kontakt posade za nadzor i upravljanje brodom • Smješteno na komandnom mostu ili kontrolnoj sobi strojarnice • Operatorske stanice – grafički prikaz: • sučelja upravljanja brodom • statusa i mjerenja • inputa i komandi operatera • alarma • Fleksibilnija i jeftinija rješenja od “žaruljica i gumba” • Izazov u osmišljavanju grafičkog sučelja – kombinacija sigurnosti i “user-friendly” sučelja za jednostavniju primjenu i pronalaženje potrebne informacije Slika 5.3. Tipično korisničko sučelje 16 5.2. Korisničko sučelje

  17. 5. Upravljanje snagom i propulzijom 5.3.1. Upravljanje snagom – upravljanje energijom (PMS – EMS) • Svrha PMS-a: • osiguravanje dovoljne snage za normalno upravljanje sustavom • praćenje opterećenja i statusa generatora i električne mreže • nadzor i kontrola toka energije uz optimiziranje potrošnje goriva • U slučaju pada snage ispod granične vrijednosti, PMS automatski starta slijedeći generator postavljen u sekvenci • Glavne funkcije se mogu grupirati: • Upravljanje snagom – nadzor sustava preko nadzora frekvencije i napona, te aktivnog i pasivnog opterećenja - uvjetuje start/stop seta generatora • Upravljanje opterećenjem – nadzor opterećenja i koordinacija startanja velikih potrošača na temelju raspoložive snage • Upravljanje distribucijom – nadzor distributivne mreže i redistribucija potrošača na mreži zbog rasterećenja sustava • Najteži kvar je tzv. “blackout” sustava • Mehanizmi za izbjegavanje “blackouta” su povezani sa PMS-om, kao što su start/stop funkcije, redukcije pogona i ostalih opterećenja • Ako “blackout” potraje ili se ponovi s vremena na vrijeme, potrebno je rekonfigurirati sustav i sekvence startanja te sinhronizirati opterećenja generatora 17 5.3. Visoka razina kontrole

  18. 5. Upravljanje snagom i propulzijom 5.3.2. Upravljanje plovilom • Uključuje ručnu, automatsku i polu-automatsku kontrolu pomoćnih sustava (ventili, HVAC sustavi, kontrole balasta i tereta...) • Mogu uključivati i alarmne sustave, te sigurnosne sustave 5.3.3. Upravljanje pogonom i dinamičkim pozicioniranjem • Sastoje se od: • MTC sustava – omogućuje kontrolu nad pojedinim potiskivačima i vijcima • “auto pilot” sustava – automatsko održavanje i korekcija kursa tjekom plovidbe • Ako se plovilo koristi za pozicioniranje ili manevriranje: • DPS sustava – ručno ili automatsko pozicioniranje u skladu sa potrebnim manevrom • Posmoor ATA – pozicioniranje usidrenih plovila pomoću potisnika – ručno (Posmoor TA) ili automatsko (Posmoor ATA) • Kontrola upravljanja pogonom i dinamičkim pozicioniranjem je vrlo važno za sigurno upravljanje brodom • Potrebno je pažljivo razmatranje njihovog sučelja i uzajamno testiranje sa upravljanjem sustava snage/energije i upravljanja plovilom 18 5.3. Visoka razina kontrole

  19. 5. Upravljanje snagom i propulzijom 5.4.1. Zaštita motora i governor • Uređaji za zaštitu motora služe za prevenciju i iskapčanje motora pri over-speed, velikim temperaturama, gubitka sredstva za podmazivanje... • Governor kontrolira frekvenciju reguliranjem dotoka goriva glavnom pogonu • Može biti tzv. “speed-drop” tip – frekvencija pada proporcionalno s povećanjem opterećenja • Jednostavna i robusna metoda održavanja ravnomjernog opterećenja između dva paralelno spojena generatora 5.4.2. Automatic voltage regulator (AVR) • Kontrolira napon pomoću struje magnetiziranja u namotu generatora • U tzv. “droop-mode” granice osjetljivosti su mu ± 2.5% • Ako aplikacija nema “droop-mode”, postoje alternativne metode: • Kompenzacija pada napona – namještanjem setpointa na kojem će se djelomično ili potpuno kompenzirati pad napona • Integrirani kontroler – namještanje setpointa napona u zavisnosti od opterećenja i izbegavanje devijacija statičkog napona 19 5.4. Niska razina kontrole

  20. 5. Upravljanje snagom i propulzijom 5.4.3. Zaštitni releji • Zaštitni uređaji i releji služe za zaštitu ljudskog života ili ozljeda od kvarova u električnim sustavima i za izbjegavanje ili reduciranje oštećenja opreme • Najčešće su smješteni u razvodnim ormarima ili u specijalnim kontrolnim i zaštitnim panelima • Danas se najčešće koriste digitalni releji na bazi mjerenja struja, napona, frekvencija koji su programirani da odspoje djelove opreme unutar zadanog vremena i definirani su ANSI/IEEE i IEC normama 20 5.4. Niska razina kontrole Tablica 5.1. Standardne zaštite za pojedine djelove pogona

  21. 5. Upravljanje snagom i propulzijom 5.3.4. Kontrola propulzije • Održava zadanu brzinu unutar granica brzina, momenata i dinamičkih mogućnosti • Povezan je sa sustavom upravljanja, sustavom snage i distribucije i sustavom upravljanja na komandnom mostu (joystick, autopilot, dinamičko pozicioniranje...) • U slučaju “blackouta” postoje tri grupe redukcije opterećenja: • PMS na temelju prioriteta raspodjeljuje maksimum opterećenja dostupne snage pogonima • Tzv. “event-trigged” smanjenje opterećenja – digitalni signal koji prisiljava redukciju snage koje se predaje motoru na razinu dostupne snage • Tzv. “frequency trigged” smanjenje opterećenja – mjerenjem frekvencije na strani napajanja, reagira posljednji uslijed pada frekvencije ili preopterećenja generatora • Usporedba kako se stabilizira snaga koja se • povlači iz mreže pomoću kontrole brzine i • kontrole opterećenja • Kod ledolomaca ili plovila koja plove kroz led • opterećenje brže i više varira kada vijak • udari u led, pa se sa kontrolom snage uspješno • reduciraju smetnje u mreži Slika 5.4. Usporedba kontrole brzine i kontrole opterećenja 21 5.3. Visoka razina kontrole

  22. 5. Upravljanje snagom i propulzijom Slika 5.5. Prikaz upravljačkog sustava 22

  23. 5. Upravljanje snagom i propulzijom Slika 5.6. Prikaz komunikacijskih krugova 23

  24. 5. Upravljanje snagom i propulzijom Slika 5.7. Topologija mreže upravljanja plovilom Slika 5.8. Prikaz električnog sustava 24

  25. 5. Upravljanje snagom i propulzijom Slika 5.9. MV ormar, 3300V IGCT VSI drive (ABB ACS600) 1. Diodni ispravljači 2. Ormar sa rednim stezaljkama i upravljačkim modulima 3. IGCT inverter modul 4. Kapacitivne baterije 5. Jedinica za hlađenje vodom, sa izmjenjivačem topline i cirkulacijske pumpe 25

  26. 5. Upravljanje snagom i propulzijom 26 Slika 5.10. Funkcionalna integracija i distribucija informacija u PMS-u

  27. 5. Upravljanje snagom i propulzijom 27 Slika 5.11. Prikaz upravljačkog pulta

  28. 5. Upravljanje snagom i propulzijom Slika 5.12. Prikaz djelovanja prilikom “blackouta” 28

  29. 6. Primjeri konfiguracija • Popis putničkih plovila sa električnom propulzijom u današnje vrijeme je dugačak i povećava se • Glavni zahtjevi snage naprema propulziji su: • Sigurnost i udobnost putnika i posade • Ekonomičnost potrošnje goriva • Iskoristivost • Zahtjevi za zaštitom okoliša pokreću zahtjeve za redukcijom emisija, ispusta i šteta na koraljnim grebenima prilikom sidrenja • Stoga se plovila moraju pozicionirati isključivo s potisnicima, što povećava potrebu za električnom propulzijom • Zbog čestih ulazaka/izlazaka iz luke i pristajanja, POD propulzija uvelike reducira potrošnju goriva • Instalirana snaga za manje trajekte je 30-40 MW, dok je za kruzere oko 10-15 MW Slika 6.1. Manevar kruzera opremljenog POD propulzorom 29 6.1. Putnička plovila – Kruzeri i trajekti

  30. 6. Primjeri konfiguracija Slika 6.2. Primjer propulzije i sustava upravljanja na putničkom brodu 30 6.1. Putnička plovila – Kruzeri i trajekti

  31. 6. Primjeri konfiguracija Slika 6.3. Primjer jednopolne sheme upravljanja na putničkom brodu 31 6.1. Putnička plovila – Kruzeri i trajekti

  32. 6. Primjeri konfiguracija Slika 6.4. Primjer propulzije i sustava upravljanja na tankeru 32 6.2. Tankeri, LNG brodovi

  33. 6. Primjeri konfiguracija Slika 6.5. Primjer konfiguracije za LNG brodove 33 6.2. Tankeri, LNG brodovi

  34. 6. Primjeri konfiguracija Slika 6.6. Primjer jednopolne sheme upravljanja na tankeru 34 6.2. Tankeri, LNG brodovi

  35. 6. Primjeri konfiguracija • Platforme većinu vremena provode u poziciji mirovanja, a potisnike i propulzore koriste za održavanje pozicije i premještanje na drugu lokaciju • Donedavno su naftne i plinske bušotine bile u plitkim vodama i moguće ih je bilo crpiti sa fiksnom pozicijom • Eksplotacija i bušenje u dubokim vodama je moguće sa dinamičkim pozicioniranjem ili nadzorom pozicije s potisnicima • Tipična konfiguracija se sastoji od dva, tri ili četiri odvojena sustava napajanja • Tipično za ova plovila je velika instalirana snaga potisnika 20-50 MW, a zajedno sa bušilicama i ostalim potrošačima je 25-55 MW Slika 6.7. Eksplotacijski brod i naftna platforma 35 6.3. Eksplotacija nafte i plina – Platforme

  36. 6. Primjeri konfiguracija Slika 6.8. Primjer propulzije i sustava upravljanja na platformama 36 6.3. Eksplotacija nafte i plina – Platforme

  37. 6. Primjeri konfiguracija 37 6.3. Eksplotacija nafte i plina – Platforme Slika 6.9. Primjer jednopolne sheme upravljanja na platformama

  38. 6. Primjeri konfiguracija • S rastućom potrebom za brzom širokopojasnom mrežom i globalnom mrežom optičkih kabela, osnovala se velika flota plovila za podmorsko polaganje kabela sa električnom propulzijom i dinamičkim pozicioniranjem • Kod ovih plovila, električna propulzija je među prvima ugrađivana, najprije s propelerima s konstantnom brzinom, a kasnije s potisnicima s promjenjivom brzinom • Instalirana snaga je od 8-30 MW 38 6.4. Plovila za opskrbu i offshore radove Slika 6.10. Plovila za opskrbu prilagođena su za plovidbu u različitim vremenskim uvjetima

  39. 6. Primjeri konfiguracija Slika 6.11. Primjer propulzije i sustava upravljanja na plovilima za opskrbu i offshore radove 39 6.4. Plovila za opskrbu i offshore radove

  40. 6. Primjeri konfiguracija Slika 6.12. Plovila za opskrbu i offshore radove 40 6.4. Plovila za opskrbu i offshore radove

  41. 6. Primjeri konfiguracija Slika 6.13. Primjer jednopolne sheme upravljanja na plovilima za opskrbu 41 6.4. Plovila za opskrbu i offshore radove

  42. 6. Primjeri konfiguracija Slika 6.14. Ledolomci i plovila po zaleđenim morima 42 6.5. Ledolomci i plovila po zaleđenim morima

  43. 6. Primjeri konfiguracija Slika 6.15. Primjer jednopolne sheme upravljanja na ledolomcima 43 6.5. Ledolomci i plovila po zaleđenim morima

  44. 6. Primjeri konfiguracija • Dva suprotnovrteća vijka • Kombinacija vijka na osovini sa “aktivnim kormilom” – Azipod-om • Okrenuti su “licem u lice” i rotiraju se suprotnim smjerom vrtnje • Prednosti: • smanjenje gubitaka nastalih zbog rotacije mlaza • poništavanje reaktivnog momenta vrtnje koji se prenosi na brod • Nedostatak: • složenost konstrukcije – zbog toga se ugrađivao samo na torpeda • CRP koncept se razvio za različite tiplove plovila, uključujući putnička plovila, kontejnerska plovila, tankere, LNG plovila, a od 2003 i za brza RoPax plovila 44 6.6. CRP – Contra rotating propulsion Slika 6.16. CRP konfiguracija za RoPax plovila

  45. 6. Primjeri konfiguracija Slika 6.17. Primjer CRP Azipod 45 6.6. CRP – Contra rotating propulsion

  46. 6. Primjeri konfiguracija Slika 6.18. Primjer jednopolne sheme upravljanja sa CRP 46 6.6. CRP – Contra rotating propulsion

  47. Hvala na pažnji! 47

More Related