1) mgr inż. Bartłomiej Bastian, Akademia Morska w Gdyni, Katedra Elektroenergetyki Okrętowej, ul. Morska 81-87, 81-225 Gdynia, e-mail: bbastian@am.gdynia.pl
sierpień
2009
strona
538
www.energetyka.euposzczególnych państw i zostały przez niektóre z nich wpro-wadzone, m.in. przez: DNV, LR, GL, ABS [5 – 8]. Tabela 1 przedstawia zestawienie klas statków DP wg okólnika IMO oraz przepisów poszczególnych towarzystw klasyfikacyj-nych.
W zależności od wyposażenia, a tym samym niezawod-ności systemu, wyodrębniamy następujące klasy:
DP 1 – dla wyposażenia klasy 1 utrata pozycji może
nastą-pić w przypadku pojedynczej awarii. Komponenty systemu DP nie muszą być powielone.
DP 2 – dla wyposażenia klasy 2 utrata pozycji nie może
nastąpić w przypadku pojedynczej awarii jakiegokolwiek aktywnego składnika systemu (przez aktywne składniki rozu-mie się wszelkiego rodzaju maszyny wirujące, aparaty elek-tryczne, urządzenia pomiarowe, natomiast elementami pasywnymi są kable, szyny, przewody). Podsumowując, sys-tem DP 2 musi posiadać powielone wszystkie aktywne skład-niki.
DP 3 – dla wyposażenia klasy 3 utrata pozycji nie może
nastąpić w przypadku pojedynczej awarii, zarówno składnika aktywnego, jak i pasywnego. Ponadto, instalacje muszą być zaprojektowane i fizycznie rozmieszczone tak, aby w wypad-ku pożaru lub zalania jednej sekcji, statek utrzymywał zadaną pozycję.
Od urządzeń i podzespołów, z których wykonywane są instalacje zapewniające dynamiczne pozycjonowanie wyma-gana jest wysoka jakość i niezawodność. Jednak nawet naj-lepsze wykonanie nie zagwarantuje nam 100% pewności zadziałania, dlatego wprowadza się redundancję (zwielokrot-nienie) dla kluczowych, bądź wszystkich urządzeń systemu. Wg okólnika IMO [5] redundancją określa się zdolność skład-nika lub systemu do podtrzymania bądź odtworzenia funkcji, nawet w przypadku pojedynczej awarii. Redundancja może być osiągnięta poprzez zwielokrotnienie składników, jak rów-nież przez zastosowanie alternatywnego sposobu wykonania funkcji.
Na rysunku 1 przedstawiono przykładową konfigurację systemu energetycznego statku klasy DP1. Dla funkcjonowa-nia systemu DP1 nie wymaga się nawet zwielokrotnionej liczby prądnic czy zdublowanego systemu rozdziału i przesy-łu energii. Jednak z powodu innych wymagań, a mianowicie wymagań bezpieczeństwa żeglugi dla jednostek morskich należy zastosować dwa lub więcej niezależnych źródeł ener-gii elektrycznej oraz rozdzielnicę główną z możliwością podziału na dwie sekcje. Odbiorniki powinny być skonfiguro-wane tak, aby zasilanie tylko jednej z sekcji zapewniało pod-stawowe funkcje i nie zagrażało bezpieczeństwu. Po stronie odbiorników w przedstawionej konfiguracji DP1 mamy poje-dynczy system napędu elektrycznego i pojepoje-dynczy pędnik, zatem w przypadku awarii któregokolwiek z nich jednostka nie będzie w stanie utrzymać zadanej pozycji czy trajektorii.
Na rysunku 2 przedstawiono przykładową konfigurację systemu energetycznego statku klasy DP2. Aktywne składni-ki systemu są powielone. W przypadku pojedynczej awarii generatora, aparatury rozdzielczej, napędu elektrycznego lub śruby – drugi z systemów jest w stanie utrzymać zadaną pozycję lub trajektorię.
Na rysunku 3 przedstawiono przykładową konfigurację systemu energetycznego statku klasy DP3. Poza spełnieniem wymagań z DP2 niezbędnym jest, aby w razie zalania lub pożaru jednej z sekcji statek utrzymywał pozycję bądź zada-ną trajektorię. Realizuje się to poprzez powielenie zarówno aktywnych jak i pasywnych składników systemu oraz podział maszynowni, elektrowni, pomieszczenia napędów na dwie części przy zastosowaniu grodzi o klasie ochrony A60 (A60 – jest to powszechnie stosowane oznaczenie klasy ochrony przeciwpożarowej zdefiniowane przez IMO oraz towarzystwa klasyfikacyjne).
Jeśli jakaś część systemu np. kable ze względów kon-strukcyjnych muszą przechodzić przez to samo pomieszcze-nie to wymaga się, aby były one zainstalowane w tunelu o klasie ochrony A60. Statek klasy DP3 jako jednostka o naj-większej niezawodności stosowany jest do najtrudniejszych zadań, niejednokrotnie przy pracy ludzi na głębokościach.
Tabela 1
Klasy statków DP wg IMO i towarzystw klasyfikacyjnych
O M I a s a l K DNV LloydReg. ABS GL - DNV-T DP(CM) DPS-0 -1 s s a l c P D DNV-AUT DP(AM) DPS-1 DPclass1 2 s s a l c P D DNV-AUTR DP(AA) DPS-2 DPclass2 3 s s a l c P D DNV-AUTRO DP(AAA) DPS-3 DPclass3
Rys. 1. Przykładowa konfiguracja dla statku klasy DP1
sierpień
2009
www.energetyka.eu strona539
Przykładowe aplikacje
Jako jeden z przykładów aplikacji przedstawiony został sys-tem elektroenergetyczny dużego statku klasy DP3, przeznaczo-nego do prowadzenia podwodnych prac konstrukcyjnych. System elektroenergetyczny tej jednostki przedstawia rysunek 4. Jednostka wyposażona jest w elektrownie o łącznej mocy 24 MVA. Rozdzielnica główna składa się z dwóch sekcji, umieszczo-nych w oddzielumieszczo-nych pomieszczeniach przedzieloumieszczo-nych grodzią o klasie ochrony A60. W przypadku zwarcia w jednej z sekcji nastą-pi automatyczne rozdzielenie szyn i możliwa dalsza praca jednej z sekcji. Większość zapotrzebowania na energię elektryczną w systemie wynika z zainstalowanych pędników oraz sterów stru-mieniowych odpowiednio 12 MW i 8,8 MW. Na każdą z dwóch śrub głównych statku pracują poprzez wspólną przekładnię po dwa regulowane częstotliwościowo silniki elektryczne. Dzięki temu nawet w przypadku awarii jednego z silników bądź ukła-dów zasilania jednostka może wykorzystywać napór śruby na-pędowej wytworzony przez moment mechaniczny pozostałego – prawidłowo prcującego silnika. Poza pędnikami, głównymi pozostałymi urządzeniami wykonawczymi, umożliwiającymi
utrzymanie pozycji jest 5 azymutalnych sterów strumienio-wych (stery umieszczone w gondolach, mogące obracać się o 3600). Cztery z nich zasilane są z poszczególnych sekcji – po dwa na każdą z nich. Natomiast jeden z nich o mocy 1,8 MW zasilany może być z obu sekcji, przy czym przełączenie w przy-padku zaniku zasilania następuje automatycznie.
Rozdzielnica 930 V prądu stałego zasilana jest z części wew-nętrznej przekształtników częstotliwości. Jest ona również dzielona na dwie sekcje. Odbiornikami tej rozdzielnicy są fa-lowniki zasilające wszelkiego rodzaju windy i wciągarki i pompy używane do prac podwodnych. Rozdzielnica 690 V służy do zasilania odbiorników maszynowych, wszelkiego ro-dzaju pomp, sprężarek, wirówek, wentylatorów itp. Rozdziel-nica 450 V służy do zasilania gniazd pokładowych i robotów podwodnych oraz poprzez rozdzielnicę awaryjną do zasilania odbiorników awaryjnych. Do rozdzielnicy 450 V podłączony jest układ zasilania z lądu (używany niekiedy podczas postoju w porcie). Rozdzielnica ta poprzez transformatory zasila roz-dzielnice 230 V, będącą źródłem zasilania dla urządzeń stero-wania, dla oświetlenia, dla pomieszczeń mieszkalnych. Ważne odbiorniki sterujące, zasilane są z rozdzielnicy awaryjnej, pop-rzez układ zasilania bezprzerwowego UPS.
Kolejnym przykładem zastosowania omawianych syste-mów jest system elektroenergetyczny jednostki klasy DP3 pły-wającej platformy wiertniczej. Poglądowy schemat systemu elektroenergetycznego tej jednostki przedstawiony został na rysunku 5.
Jednostka wyposażona jest w elektrownię o łącznej mocy 40 MVA. Rozdzielnica główna składa się z 4 sekcji, umieszczo-nych w osobumieszczo-nych pomieszczeniach oddzieloumieszczo-nych grodzią o klasie ochrony A60. Sieć połączona jest w układzie pierście-niowym. W przypadku zwarcia na którejś z sekcji zostanie ona automatycznie odłączona, lecz pozostałe 3 sekcje będą nadal zasilane. Głównymi odbiornikami energii elektrycznej są pęd-niki, tj. 26 MW oraz transformatory zasilające prostowniki roz-dzielnicy 660 V, tj. 10 MVA. Rozdzielnica 660 V prądu stałego służy do zasilania odbiorników biorących udział w procesie wiertniczym, napędów głównych, pomp, napędów pomocni-czych, smarowania itd. Sieć wyposażona jest w 6 transforma-torów 11 kV na 690 V zasilających rozdzielnicę odbiorników ogólno-maszynowych, tj. pomp, sprężarek, wirówek (co nie jest pokazane na schemacie poglądowym ze względu na sto-pień skomplikowania instalacji). Napięcie z rozdzielnicy 690V jest dalej transformowane na 230 V w celach zasilania urzą-dzeń sterowania, oświetlenia oraz pomieszczeń mieszkalnych. Kluczowe odbiorniki zasilane są poprzez własne układy UPS. Rys. 3. Przykładowa konfiguracja dla statku DP3
Rys. 4. System elektroenergetyczny jednostki klasy DP3, przeznaczonej do podwodnych prac konstrukcyjnych
Rys. 5. System elektroenergetyczny jednostki klasy DP3, pływającej platformy wiertniczej
sierpień
2009
strona
540
www.energetyka.euMetody prognozowania zapotrzebowania 24-godzinnego na energię elektryczną stanowią ważny czynnik poprawy efektywności gospodarowania energią, gdyż umożliwiają precyzyjne planowanie w tej dziedzinie gospodarki. Z tego powodu tematyka ta jest rozwijana na świecie od wielu lat. Stosować można różne metody prognozowania, poczynając od metod liniowych, takich jak algorytmy autoregresyjne (ARX, ARMAX, ARIMA), poprzez różnego rodzaju dekompo-zycje (Fouriera, SVD, PCA, falkowa), klasyczne metody opty-malizacyjne, w tym optymalizacji globalnej (algorytmy gene-tyczne, ewolucyjne, symulowanego wyżarzania) aż po naj-częściej dziś stosowane sztuczne sieci neuronowe [2, 5, 7, 8, 11, 17].
Zwykle próbuje się różnych metod wybierając spośród nich tę, która zapewnia najlepsze działanie systemu progno-stycznego na danych weryfikujących, nie biorących udziału w uczeniu. Należy podkreślić, że prognozowanie obciążeń 24-godzinnych należy do zadań trudnych, gdyż obserwuje się dużą wariancję w przebiegu godzinnym obciążeń. Dla przykładu dla danych w Polskim Systemie Elektro-energetycznym (PSE) w ostatnim roku przy średnim obcią-żeniu Pm = 16019 MW odchylenie standardowe równało się
σ= 2800 MW. Przy tak dużej zmienności obciążeń wymaga się jednocześnie jak bardziej precyzyjnej prognozy dla każdej godziny doby.
W tej pracy przedstawimy specjalne podejście do gnozowania, bazujące na zastosowaniu wielu układów pro-gnostycznych na raz. Każdy system prognozy działa na tych samych danych wejściowych. Wyniki działania każdego z nich są integrowane w jednym wspólnym zespole sieci. Takie rozwiązanie pozwala wykorzystać dobre cechy każde-go predyktora, pozwalając w ten sposób na uzyskanie precy-zyjniejszej prognozy. Pokażemy dwa różne podejścia do inte-gracji wyników działania wielu predyktorów. Jedno z nich wy-korzystuje ślepą separację sygnałów i stosuje liniowe
podej-Podsumowanie
W artykule podjęto próbę zapoznania z zagadnieniem sieci elektroenergetycznych na statkach klasy DP, inaczej mówiąc sieci okrętowych o podwyższonej niezawodności. Przedstawione przykłady aplikacji przybliżają metody podej-ścia do zagadnienia redundancji na etapie projektowania. Przykłady aplikacji sygnalizują również, że wraz z wielkimi mocami na statkach pojawiają się średnie napięcia. Jako naj-bardziej typowe można wskazać napięcia 3 kV; 6 kV; 10 kV dla częstotliwości 50 Hz oraz 3,3 kV; 6,6 kV; 11 kV dla często-tliwości 60 Hz [9 – 12, 15, 16].
Zagadnienie sieci elektroenergetycznych na statkach klasy DP jest dużo szersze i wymaga scharakteryzowania systemu alarmowego, pomiarowego oraz automatyki i za-rządzania siecią elektroenergetyczną oraz omówienia wyma-gań nie tylko w aspekcie projektowania, lecz także eksploata-cji, testowania, remontów, gospodarki częściami zamienny-mi i zarządzania personelem. Oddzielnym zagadnieniem jest problem jakości energii elektrycznej i środków technicznych do jej zapewnienia.
Literatura
[1] Max J. Morgan: Dynamic Positioning of Offshore Vessels [M], Marine Division Honeywell Inc, 1978
[2] Guoqing Xia: Design of Dynamic Positioning Systems Using Hybrid CMAC-based PID Controller for A Ship, Proceedings of the IEEE International Conference on Mechatronics & Auto-mation Niagara Falls, Canada, Jul 2005
[3] Zhi Zhigao Zhao: The development and research method of dy-namic positioning systems, The Ocean Engineering 20 (1), 2002, 91 – 97
[4] Mindykowski J.: Ocena jakości energii elektrycznej w syste-mach okrętowych z układami przekształtnikowymi, Wyd. Okrę-townictwo i Żegluga, Komitet Elektrotechniki PAN, Gdańsk 2001
[5] IMO, Guidelines for vessels with dynamic positioning sys-tems, MSC/Circ.645
[6] DNV, Special Equipment and additional class; Dynamic posi-tioning systems, Rules for classification of ships newbuil-dings part 6 chapter 7, Jan 2008
[7] Lloyd Register of Ships, Dynamic Positioning Systems, Rules and regulations for the classification of the ships, July 2008 [8] American Bureau of Ships, Rules for building and classing
steel vessels 2006, Part 4 Vessel systems and machinery [9] Adnanes A. K., Sorensen A. J., Hackman T.: Essential
Charact-eristics of Electrical Propulsion and Thruster Drives in DP Ves-sels, Dynamic Positioning Conference 1997
[10] Adnanes A. K.: Maritime Electrical Installations and Diesel Electric Propulsion, Turtolrial Report/Textbook – ABB Marine AS, Oslo 2003
[11] Radan D.: Power Energy Managment of Marine Power Sys-tems, NTNU Trondheim, Norway
[12] Radan D.: Power Electronic Converters for Ship Propulsion Electric Motors, NTNU Trondheim, Norway
[13] Sorensen A. J., Adnanes A. K.: Reconfigurable Marine Control Systems and Electrical Propulsion Systems for Ships [14] Christ R. D., R. L. Wernli Sr: The ROV Manual: A user Guide
for Observation-Class Remotely Operated Vehicles
[15] Boaz J., Osburn D., Sims C., Weingarth L.: Drilling Vessel Po-wer Plant Control Systems, Dynamic Positioning Conference 2000
[16] Functional Description Power Management System, ABB, ma-nual no 3AJM000049