Een inventarisatie van componenten, systemen en regelgeving m.b.t. elektrische installaties

0 C. 0

TU Delft

Woc/r3 Ac5\--,-kc\e_e.v-Ve_vb\cxo CIDeV10

957//

2_

-10-cks.

\)°,-Ee-Ni _{NvE.N Veva Skarr le \LAN COMV=ONet41-e\i,}

c4arre-MeN eb.it 14eg EV

ELG-cca-KZISCH 1/41C-tn2TS-rtAkAA r4çstysreu_jevri

INHOUDSOPGAVE INLEIDING

1 HET VOORBEELDSCHIP 5

1.1 DE GEINSTALLEERDE MACHINES 5

1.2 DE ELEKTRISCHE BALANS VAN HET

NEVENVERBRUIK 6

1.3 DE VAARTIJDEN 10

2 DE VOORTSTUWINGSINSTALLATIE 11

3.1 HET COMPLETEREN VAN DE E-BALANS 25

3.2 HET SAMENSTELLEN VAN DE

POWER-PLANT 32

4 DE UITEINDELIJRE INSTALLATIES 40 4.1 DE PWM INSTALLATIE MET EEN. MOTOR.. 40

4.2 DE PWM INSTALLATIE MET TWEE

MOTOREN 42

4.3 DE LCI INSTALLATIE 43 4.4 DE CCV INSTALLATIE 44 4.5 DE 'OPTIMALE INSTALLATIEI 45

3

2.1 WEERSTAND, VOORTSTUWING EN SCHROEF.12

2.2 E-MOTOR DIRECT OF MET REDUCTIE 15

2.2.1 COMBINATIE E-MOTOR + REDUCTIE 16 2.2.2 E-MOTOR DIRECT 18 2.3 DE FREQUENTIE OMVORMERS 19 2.3.1 DE PWM CONVERTERS 20 2.3.2 DE SYNCHRO-CONVERTER 20 2.3.3 DE CYCLO-CONVERTER 21 DE POWER-PLANT ... 24 ...

VERGELIJRING DIESELELERTRISCH, DIESEL

DIRECT. 47

5a1 VERGELIJKING VOOR HET STANDAARD

PROFIEL 48

VERGELIJKING BIJ WIJZIGENDE

TIJDEN ...53

VERGELIJKING BIJ GEWIJZIGDE VERMOGENS

5-4 VERGELIJKING BIJ WIJZIGENDE TIJDEN EN GEWIJZIGDE VERMOGENS, OF: IS ER VOOR HET VOORBEELDSCHIP EEN

REALISTISCH SCENARIO WAARBIJ DIESELN ELEKTRISCH GUNSTIGER IN VERBRUIK IS

DAN DIESELDIRECT 63

ROSTENVERGELIJKING TUSSErDIESELDIRECT

EN DIESELELERTRISCH NET bEHULP VAN EEN

ALGEMEEN MODEL . 6%

6.1 ALGEMENE VERGELIJKING AAN DE HAND

VAN EEN 'CRUISEPROFIEM 72

6.2 ALGEMENE VERGELIJKING VOOR DYNAMISCH

POSITIONEER BEDRIJF 79 7 CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN. .«. 7.1 CONCLUSIES. 84 7.2 AANBEVELINGEN...,,I...; LITERATUURLIJST' EN INFORMATIEBRONNEN.4. SIJLAGEM:

HUIDIGE INDELING VAN HET VOORBEELDSCHIP ... II OPEN WATER D.PAGRA44EN ...

III MOGELIJRE NIEUWE INDELING VAN HET' VOORBEELDSCHIP ...«.«.100 IV AJEUZELIJST MET DIESELMOTOREN...,:ai.102

iT VERMOGENS UIT DE EBALANS«..E...10e

5 5.2 5.3 55 6 84 86 87 I 96 98

INLEIDING

Dit rapport is geschreven als, tweede gedeelte van de

afstudeeropdracht: gecombineerde elektrische

aandrijving van voortstuwing en hulpwerktuigen. Daar waar het eerste gedeelte een inventarisatie van

componenten en systemen betrof, bestaat het tweede

gedeelte uit een case-studie.

Bij het samenstellen en berekenen van de

installaties is er aangenomen dat de lezer op de

hoogte is van de inhoud van het

eerder genoemde

eerste gedeelte. Tevens is er van uitgegaan dat de

lezer bekend is met weerstand en voortstuwings-terekeningen.

Uit de inventarisatie is gebleken dat er, voor de

toepassing waar hier naar gekeken wordt, grofweg

drie soorten omvormers voor draaistroom voort-stuwingsinstallaties op de markt zijn. De opzet van dit rapport is: een voorbeeldschip "uit rusten" met

deze omvormers om zodoende een vergelijking tussen

de zo gevormde installaties onderling, en tussen de diesel-elektrische en de diesel-directe installatie

in het algemeen te maken. Er zal daarbij zowel aan

technische als aan economische aspecten aandacht besteed worden. Dit zal gebeuren In vijf hoofdstukken:

Het eerste hoofdstuk behandelt het

voorbeeldschip. Er zal onder andere aandacht besteed worden aan de geinstalleerde machines het operationele scenario en de elektrische balans.

Het tweede hoofdstuk behandelt de elektrischer voortstuwingsinstallaties en de keuze van er motor, tandwielkast en frequentie omvormer. Het derde hoofdstuk behandelt de power-plant. Hier zal allereerst de elektrische balans

gecompleteerd worden en zal vervolgens gekeken worden wat de meest optimale splitsing van, het vermogen is.

Het vierde hoofdstuk behandelt de complete installaties zoals die samengesteld zijn. Er zal aandacht besteed worden aan prijzen en

massa's.

Het vijfde hoofdstuk behandelt de invloeden die varieties in het scenario hebben op het verbruik van de diesel-elektrische en

diesel-directe installatie zodat er een vergelijking

III

Het beschouwen van zowel de synchro-converter (LCI= load commutated inverter), de pulsbreedte modulatie cmvormer (PWM= pulse width modulation) als cyclo-converter (CCV) is in eerste instantie wat merkwaardig.

De CCV wordt over het algemeen daar

toegepast waar vermogen, of koppel bij lage toeren,

van de LCI en PWM niet toereikend zijn. De CCV is

aanmerkelijk zwaarder en duurder dan de LCI en PWM

maar am redenen van compleetheid en over-zichtelijkheid leek het wenselijk cm de CCV toch in het geheel te betrekken.

In een zesde hoof dstuk zal

en meer

algemene vergelijking tussen een diesel-elektrische installatie en twee diesel-directe installaties gemaakt warden. Er zal daarbij de nadruk gelegd worden op de power-profielen van cruise-schepen en

schepen met dynamisch positioneer bedrijf ten einde een vergelijking te hebben betreffende specifieke DE toepassingen_

Als laatste punt van deze inleiding is het zinvol cm stil te staan bij de nauwkeurigheid en herkomst van getallen die in diverse berekeningen en

vergelijkingen gebruikt zijn. Het is verleidelijk cm veer wat betreft rendementen en specifiek brandstofverbruik tot op tienden of honderdsten

nauwkeurig te gaan rekenen. Het probleem is echter

Ill dat deze kenmerken van machine tot machine

verschillen, en dat het verloop van rendementen en verbruiken als functie van de belasting vaak niet

exact bekend is.

Een aantal waarden die in dit rapport gebruikt

worden zijn daarom niet de exacte waarde voor een

bepaalde machine maar gemiddelde waarden zoals die

(voor een klasse machines onder betreffende

omstandigheden geldt. Er is hiervoor gebruik gemaakt van documentatie en mondelinge informatie van verschillende fabrikanten en leveranciers. De

getallen die op deze wijze tot stand zijn gekomen

zullen als bronvermelding 'richtwaarde documentatie'

01 (rwd) krijgen.

Voor de vermelde richtwaarden van prijzen geldt dat deze zijn afgeleid uit diverse offertes uit 1994/1995 of tot stand zijn gekomen door gesprekken met leveranciers.

1 HET VOORBEELDSCHIP

Het voorbeeldschip is een in Nederland gebouwde chemicalien-tanker van 5100 dwt, varend voor een Nederlandse reder. Het betreft een IMO type II

tanker met roestvrij stalen tanks.

1.1 DE GEINSTALLEERDE MACHINES

Het schip is een enkelschroefschip dat uitgerust is met een verstelbare vierbladschroef. De diameter van deze schroef bedraagt 4300 mm. Het toerental van de schroef is circa 144 omwentelingen per minuut.

De schroefas wordt (1:5,2) via een tandwielkast met PTO (2,4:1) aangedreven door een Wartsila Vasa 9R32

motor. De brandstof die gebruikt wordt is IFO 380

cSt/50°C. Het motor toerental bedraagt 750

omwentelingen per minuut, het maximale vermogen bedraagt 3375 kW.

De installatie is zodanig uitgelegd dat het motorvermogen maximaal 3000 kW bedraagt, dit om aan

de eisen voor UMS (onbemande machinekamer) te

voldoen. De asgenerator van 625 kVA draait met een

toerental van 1800 omwentelingen per minuut. De

frequentie van het boordnet is 60 Hz en de spanning bedraagt 440 V.

Voor havenbedrijf zijn er twee dieselgeneratoren geinstalleerd. De 430 kVA generatoren worden aangedreven door Deutz MWM dieselmotoren van het

type TED 604-L6A (de latere B-versie heeft een groter vermogen). Deze 6 cilinder lijnmotoren met

een boring van 160 mm en een slag van 185 mm leveren 375 kW bij 1200 omwentelingen per minuut en draaien

op MDO. De noodset wordt aangedreven door een dieselmotor van 54 kW.

Er is een boegschroef van 330 kW uitgelegd voor een S2 bedrijfsvoering.

S2 wil zeggen: kortstondig bedrijf, bedrijf bij constante belasting gedurende een bepaalde

tijd, die korter is dan die waarin thermisch evenwicht zou worden bereikt, gevolgd door een rustperiode van voldoende duur om thermisch evenwicht met het koelmiddel te herstellen.

Het totale geinstalleerde vermogen bedraagt dus 4179 kW, het aantal cilinders bedraagt daarbij: 9 met een diameter van 320 mm, 12 met een diameter van 160 mm en -waarschijnlijk- 4 met een onbekende diameter, <

160 mm. (Over de noodset is niets gepubliceerd) Dit

soorten brandstof, in het schip geinstalleerd zijn. Van deze 25 cilinders zullen er 21 frequent gebruikt worden. De noodgenerator draait op gasolie.

De totale massa van daze installatie, inclusief smeerolie en koelwater, exclusief in- en uitlaat

systemen, za1 ongeveer als volgt samengesteld zijn:

noodset 1250 kg

2 generatorsets 9000 kg

hoofdmotor 46000 kg

tandwielkast & koppeling 12000 kg

asgenerator 1350 kg

verstelbare schroef, as & toebehoren..15000 kg elektrische installatie & switchboard. 4500 kg IFO separators/heaters 5000 kg

totaal 94100 kg (rwd)

Voor deze componenten kunnen de volgende richtprijzen aangenomen warden:

noodset f

80000,-2 generatorsets f

400000,-hoofdmotor f

1500000,-tandwielkast & koppeling f

400000,-asgenerator f

30000,-verstelbare schroef, as & toebehoren f 350000,-elektrische installatie & switchboard f 1200000,-IFO separators/heaters f

100000,-totaal f

4060000,-In bijlage I bladzijde 96 is een voorbeeld gegeven van een mogelijke machinekamer indeling van een tanker zoals het voorbeeldschip betreft.

1.2

DE ELEKTRISCHE BALANS VAN HET NEVENVERBRUIK

Voor de elektrische balans is gebruik gemaakt van

een lijst met alle elektrische verbruikers aan

boord. De gelijktijdigheidsfactoren en

belastings-graden zijn afgeleid uit twee voorbeeld e-balansen

[o.a. Klein Woud, 1989]. De waarden die hier zijn

gebruikt zijn dus niet specifiek voor het voorbeeldschip, er is sprake van een arbitraire

keuze.

De diverse gebruikers zijn in een aantal tabellen

ondergebracht en per tabel zijn er drie

verschillende

belastingstoestanden: varen, manoeuvreren en haven. Hierbij moet opgemerkt warden dat er voor het manoeuvreren en havenbedrijf sprake

4,

aenvulling vbor tesPectievalijk boegschroef gebruik of

pompen-Het maximale aantal tegelijk in gebruik zijnde ladingpompen is zes terwijl maximaal zes uur get:so/apt wordt [rederij]. Dit gebeurt bij en pompbelasting

van circa 90%.

De kW belasting voor het net wordt steeds gevonden

door eerst een gelijktijdigheidsfactor te nemen,

deze geeft de gemiddelde inschakelduur aan en heeft een waarde tussen 0 en 1. Vervolgens wordt de

belastingsgraad hiermee vermenigvuldigd deze heeft

ook een waarde tussen 0 en 1. Vermenigvuldiging met het nominale netverlogen -geeft de belasting voor het

net.

Zoals eerder vermeld zijn de waarden voor de genoemde gelijktijdigheidsfactoren en belastings-graden indicatief voor het voorbeeldschip.

tabei /./ netvermogens van _{de machinekamer}

hulp-vermogene tij dens verschillende bedrijfstoeJtanden van het schip.

_TIMICielbM) Wigttg)ng bij irulgt,g1-2,9, Vc) P:51:erntnleg In

i 2Xslop rump 34 5 0,1x0,8x34,5=2,76 0 ₀

2XbrilLast pump 21 0_ 0 0 2x0,8x21=3,36

1Xfi-fi pump 90 i 0 _____ _ Al-- 0

1Xfi-fi pump 52 I 0 _ 0 _ _ 0 1Xsludge pump 2,2 i. C43x0,8x2,2=0,53 ,1 0,1x0,8x2,2=0,18 0 1x0,8x2,2=0,18 1Xbig wtr sep 0 75 0,1x0,8x0,75=0,06 0,1x0.13x0.75=0,06 0,1x0,8x0,75=6,06___ 0,5x0,8x1125=0,511 2Xfr wtr hydr 1 25 I 0,5x0,8x1,25=0,50 0 5x0,8x1,25=0,50 1Xejtimp fr wtr 8,5 I 0,5x0,8x8,5=3,40 i 0,5x0,8x8,5=3,40 0,5x0,8x8 5=3 40 1)(fr wtr puma G,75 ;11,5x0,8x0,7521,341 I 0,5x0,8x0,75=0,30 10,5x0,8x0,75=0,30

1Xwrkno air cup 30 0 1x0 9x30=2 ZO c1x0,9x30=2,70 0 2x0,9x30=5 40 2Xht wtr pimp 12,7 1x0,9x12,7=11,43 I 1x0,9x12,7=11443 _{1x0,9x12,7=11,43} 1Xsewage pump 3,5 0 8x0 6x3 5=i,68 0,84,6x3,5=t,68. 0 8x0,6x3 5=1 68 I

I 2Xgrinder 1.1 I 0,8x0,8x1,1=0,7 _ 0,8x0,8x1,1=0,7Q 1J 0,8x0,8x1,1=0,70 1Xcalorifier 13 1 0,5x0,8x13=5,20 0,5x0,8x13=5,20_ i I 0,5x0,8x13=5,20 06x0,8x33=15,84 2xthrm oil inst 33 0,9x0,8x33=23,76 0,9x0,8x33=23,76 I

2Xth oil cirpor 11 0,9x0,8x11=7192 0,9x0,8x11=7,92 1 0,6x0,8xl1=5 28I

2Xth oil prpirmo 15 0,9x08x15=10,80 0,9x0,8x15=10,80 0,6x0,8x15=7,20 - I 1x0,9x2,5=2.3 , 1Xsteam gen 2,5 0 _{_} 0. 1Xwtr oil det 0,5 1x0,8x0,5=0,40 ---0.7xO 2x408=3.02 I lx0 8x0 S=0 40 0 1x0 5x0 5=0,25n 0 2Xburner mtr 4 8 I 1Xfoam p.o. 12,5 I 0 0

,

1Xlo grbx 8,7 1x0 7x8, 7=6 09 1x0 7x8, 7=6 09 0_ 2Xstrnogr pmp 18,5 10,2x18.5=3,70 lx0 9x18 5=16,65_ 0 totaal 530,6 84,95 I , 91,771 63,08 0

tabe1 1.2 netvermogens van de ventilatie.

tabel 1.3 netvermogens van dekmachines en

lading-behande1ingsinsta1latie. Er is hier sprake van relatief kortstondig in gebruik zijnde machines.

tabe1 1.4

netvermogens

van air conditioning en ventilation (kW) _{r=intt4)ng bij}

_{2:A=2P, ini)}

_{P=InSt4i)ng in}

2Xeng room fan 9,5 1x0,8x11,70=9,36 1x0,8x11,70=9,36 1x0,8x11,70=9,36 1Xpumproom fan 2,6 1x0,8x2,6=2,08 1x0,8x2,6=2,08 1x0,8x2,6=2,08 1Xcargo tnk fan 43 1x0,8x43=34,40 1x0,8x43=34,40 1x0,8x43=34,40 1x0,8x2,6=2,08 1Xvoid spce fn 2,6 1x0,8x2,6=2,08 1x0,8x2,6=2,08 1XN2 room fan 0,3 1x0,8x0,3=0,24 1x0,8x0,3=0,24 1x0,8x0,3=0,24 2Xexhaust fan 0,65 1x0,8x0,65=1,04 1x0,8x0,65=1,04 1x0,8x0,65=1,04 1Xfn bwthr rm 0,66 1x0,8x0,66=0,53 1x0,8x0,66=0,53 1x0,8x0,66=0,53 1Xfn bwthr r. 0,9 1x0,8x0,9=0,72 1x0,8x0,9=0,72 1x0,8x0,9=0,72 1x0,8x0,46=0,37 1x0,8x6,4=5,12 1x0,8x0,23=0,18 1x0,8x0,44=0,35 3x0,8x0,03=0,72 1Xfn rstr box 0,46 1x0,8x0,46=0,37 1x0,8x0,46=0,37 1XAC. fan 6,4 1x0,8x6,4=5,12 1x0,8x6,4=5,12 1Xfan oil clr 0,23 1x0,8x0,23=0,18 1x0,8x0,44=0,35 1x0,8x0,23=0,18 1x0,8x0,44=0,35 1Xf h oil clr 0,44 3Xfn cl units 0,03 3x0,8x0,03=0,72 3x0,8x0,03=0,72 totaal 70,68 57,19 57,19 57,19

deck machinery &

cargo hiing (kW) ilgtellMi)ng bij irmiVOVX;i4 '11J)

etbelasting in haven (kW) 14Xcargo pumps 52 0 0 0,9x(6x52)=281 0,1x0,8x(2x4,6)=0,7 2Xh dr it vlvs 4,6 0 0 1Xanchor winch 37 0 0 0 1Xanchor winch 30 0 o 0 2Xhp capstan 30 o 0 0 1XoiL con. 2,5 o 0 0 1Xdrling mchn 1,1 0 o o totaal 867,8 0 0 282

gfartlgrator, AC & =]rell?Wng bij zg&ii,?4p, I;j,) etbelasting in haven (Kw) 1XAC comp. 25 1X0,8X25=20 1X0,8X25=20 1X0,8X25=20 1XAC inst. 31,7 1X0,8X31,7=25,4 1X0,8X31,7=25,4 1X0,9X31,7=28,5 1XAC swtchb rm 4,6 1X0,6X4,6=2,8 1X0,6X4,6=2,8 1X0,6X4,6=2,8 1XAC ht crc p 0,9 1X0,6X0,9=0,5 1X0,6X0,9=0,5 1X0,6X0,9=0,5 1Xbrth aircmp 2,6 1X0,7X2,6=1,8 1X0,7X2,6=1,8 1X0,6X2,6=1,6 3Xheater unit 0,6 1X0,5X1,8=0,9 1X0,5X1,8=0,9 1X0,5X1,8=0,9 1Xheater unit 6,6 1X0,5X6,6=3,3 1X0,5X6,6=3,3 1X0,5X6,6=3,3 1Xhtr eng.rm 0,25 0 0 1X0,8X0,25=0,2 totaal 73,45 54,7 54,7 57,8 _

Label 1.5 netvermogens van verlichting en

noodsystemen.

Label 1.6 netvermogen van de boegschroef.

tabe1 1.7 netvermogens van de hoofdmotor.

Met de hiervoor gevonden netbelastingen kunnen de in tabel 1.8 vermelde totalen samengesteld worden. Er

most hierbij opgemerkt worden dat er voor de 1800

rpm sets, Deutz en nood/havenset (en Mitsubishi blz

66) is aangenomen dat deze geen e-vermogen vragen

tijdens draaien. Voor de power-plant van de DE

installatie zijn dezelfde e-vermogens aangenomen als

voor de hoofdmotor, tabel 1.7, waarbij voor pompen

voor de power-plant een e-vermogen van 14 kW is

aangenomen, zie tabel 1.8 bladzijde 10. Pnom(kW)

_WgINng

(kW) bij

r7,:g:-;?,

PZOKW)ng in 1XLight trafo 45 1X0,5X45=22,5 1X0,5X45=22,5 1X0,7X45=31,5 emergency 1Xlight trafo 12,5 0 0 0 1Xfi-fi pump 12,5 0 0 0 hotel

2gley &pantry 0,1X0,7X45,2=3,16 0,1X0,7X45,2=3,16 1X0,7X45,2=3,16 laundry 26,8 0,1X0,7X26,8=1,88 0,1X0,7X26,8=1,88 0,1X0,7X26,8=1,88

totaat 142 27,54 27,54 36,54

bowthruster

r=lnW)ng bij

zr=a=g

haven (kW)etbelating ins

1Xbowthruster 330 0 0,9X330=297 0

totaal 330 0 297 0

auxiliaries per

Z1gLaLjng bij M:g:iXeirrelg [(lid!) PgiglaW)ng in 2Xfo bsterpump 0,9 1X0,7X0,9=0,63 1X0,5X0,9=0,45 0 2Xfo crpump 1,75 1X0,7)(1,75=1,23 1X0,5X1,75=0,88 0 2Xnzzl clng p 0,65 1X0,7X0,65=0,46 1X0,5X0,65=0,33 0 2Xmn sea cwpmp8,7 1X0,7X8,7=6,09 1X0,5X8,7=4,35 0 2Xlt ow crpmp 12,7 1X0,7X12,7=8,89 1X0,4X12,7=5,08 0 2Xsb circ.p 12,7 0 0 0 1Xlo pump 34 1X0,6X34=20,4 1X0,4X34=13,60 0 1Xsea/harb cwomp 8 1X0,6X8=4,8 1X0,4X8=3,2 0 totaal 116,8 42,50 27,89 0 -I I 1

tabel 1,8 deo totale vermogensbehoefte exclusief

elektrische voortstuwing, inclusief benodigd ,elektrisch vermogen voor de dieselmotor(en).

De vermogens zoals die in tabel 1.8 vermeld staan

zullen gebruikt worden om samen met het voort-stuwingsvermogen .de generatoren te dimensioneren,

dit zal gebeuren in hoofdstuk 4. Voor een verder

uitgesplitste opsomming van daze vermogens zie

bijlage V bladzijde 103.

1.3 DE VAARTIJDEN

Van het voorbeeldschip zijn gedurende een periode

van circa anderhalf jaar de vaartijden bijgehouden. Er is een splitsing gemaakt naar varen, manoeuvreren en havenbedrijf. In hoeverre de manoeuvreertijd en haventijd ook bestaan uit wachten is niet duidelijk, wel duidelijk is dat in de gegevens niets staat over eventuele reparaties en onderhoud. Er moet dus

vanuit gegaan worden dat dit gebeurt gedurende het

havenverblijf tijdens de normale cyclus. De tijden zijn gepresenteerd in tabel

tabe1 1.9 de vaar-, manoeuvreer- en haventijden en bijbehorende standaarddevia ties.

Voor het berekenen

van de

standaard deviatie is

gebruik gemaakt van de volgende formule,:.

1

D

n-1

(xixgem) 2

s

Door de grote waarden van de standaard deviaties is het duidelijk dat er in werkelijkheid sprake is van

een sterk gevarieerd scenario. Uitspraken over de

11

1 iii:1 112nIng binj ,

Zg:=5,,biL)

R

etbelasting in even (kW) basishelast_2489 Lgszio 259 0 229 extrabelastiFT I 0 . 297 282 0.141 aantal havens vaartijd (uren) manoeuvreer tijd (uren) 'haventijd (uren) totaal 195 7480,241 457,68 4429,93 ; gemiddeld 38,36, 2,35 i 22,72

deviatie

47,38 2,03 16,74 1.9. 10

economische haalbaarheid bij een bepaald scenario moeten dan ook met de nodige voorzichtigheid gedaan

warden.

Het totaal aantal uren -12367,85- komt overeen met 1,41 jaar. Bij het berekenen van jaarlijkse kosten op basis van de hier genoemde tijden zal uitgegaan

worden van 195/1,41= 138 havenbezoeken per jaar.

2 DE VOORTSTUWINGSINSTALLATIE

Under de voortstuwingsinstallatie zal in dit hoofdstuk de schroef, schroefas, eventuele tandwielkast, e-motor en frequentie omvormer verstaan worden. Om tot een goed gedimensioneerde

voortstuwingsinstallatie te komen, zal er een

weerstandsmodel van het schip moeten zijn. Er zal

daarom allereerst een weerstandsmodel opgesteld worden, waarbij oak de schroefkeuze belicht wordt. Vervolgens zullen de mogelijke e-motor/tandwielkast combinaties belicht worden. Er zal daarbij terug-gegrepen warden naar de weerstand en voortstuwings-berekening.

Er is voor gekozen om, in tegenstelling tot het

voorbeeldschip, een vaste schroef te gebruiken. Het

gebruik van een verstelbare schroef wordt vooral

voorgeschreven door het toepassen van een asgenerator, deze vereist een constant toerental, en door het felt dat er een thrust van nul...± maximaal beschikbaar moet zijn om te kunnen manoeuvreren. Met een diesel-elektrische installatie vervalt de

asgenerator en kan een toerental, dus thrust, van

nul...± maximaal gerealiseerd warden. Er kan dus volstaan warden met een vaste schroef. Om de keuze van een vaste schroef aannemelijk te maken zijn de

volgende twee citaten opgenomen:

Dhr. G Patience in de discussie bij het artikel

Fantasy and reality van J W Hopkins [1994]:

"For a diesel-electric installation the cpp has no advantage over the equivalent (pp - other then the ease of blade replacement mentioned

(which is difficult anyway when underwater). In fact, the cpp is at a considerable disadvantage due, firstly, to its high capital cost and

complexity of design and build - and, secondly, the higher running costs throughout its life due to its much inferior efficiency."

Borman en Sharman [1994] over de diesel-elektrische pijpenlegger Lorelay:

"The variable speed motors, with fp propellers and thrusters, have the short response times necessary to satisfy the requirements of the positioning control system II

Einde citaat.

De bladoppervlakte verhouding van de te gebruiken

vaste schroef zal gelijk gekozen warden aan de

gebruikte verhouding van de verstelbare schroef,

0,50 [Lips]. De reden hiervan is dat de

bladoppervlakte verhouding zodanig gekozen wordt dat cavitatie zoveel mogelijk wordt vermeden [Kuiper 1994].

Voor de massa van de schroef en schroefas zal steeds 11000 kg aangenomen warden (rwd).

2.1

WEERSTAND, VOORTSTUWING EN SCHROEF

Van het voorbeeldschip zijn geen weerstand en

voortstuwingsberekeningen beschikbaar. Er is daarom

in een 'omgekeerde' berekening, met een aantal aannames, een weerstandsmodel opgesteld. Er is

daarbij vanuitgegaan dat de lezer op de hoogte is

met weerstand en voortstuwingsberekeningen.

Voor de volledigheid wordt hier verwezen naar Klein Woud [1991] voor een beknopte uiteenzetting, en Kuiper [1994] voor een uitgebreide behandeling van

weerstand en voortstuwingsberekeningen.

In de berekeningen warden de volgende grootheden

gebruikt:

vs =scheepssnelheid (m/s)

ve =intrede snelheid van het water in de schroef (m/s)

w =volgstroomgetal (=wake fraction) [Ve=Vs (1-w) ]

To =stuwkracht van een vrijvarende schroef (N) Te =effectieve stuwkracht van een schroef

achter een schip (N)

t =zoggetal (=thrustdeduction) [Te=To(1-t)]

R =de weerstand van het schip=Te (N) Pm =het (e-)motor vermogen (kW)

Pd =het aan de schroef geleverde vermogen (kW)

n. =rendement van de schroefas (0,99 aanname)

1Q0, =moment nodig vocii"; de Vrijvarende

schroef (Nm)

IQ, =moment nodig voor de schroef achter een schip (Nm)

Tio =open water rendement van een schroef

IN ='romp invloedscodfficient" fl1-t)/(1-w)/ ir =verband tussen Qo en Q, mag 1 gesteld

worden [Kuiper,1994]

it =lino

rtiki a= (PE) / (Pm)

p =soortelijke massa zeewater=1025 kg/10 KQ =dimensieloze koppelcoefficient

KT =dimensieloze voortstuwingskracht-coefficient

J =dimensieloze shelheidsgradient van de schroef

Van het voorbeeldschip warden hier een aantal gegevens vermeld am inzicht in afmetingen en

grootheden te verschaffen:!

Cblok summer toad

Lengte loodlijnen. (m)) = Breedte (m) go (15 knopen) volgstroom (15 knopen) = bladoppervlak verhoud- = 0,73 [proeftochtverslag] 97,50 [proeftochtverslag], 17,0 [proeftochtverslag] 0,60 [Lips] 0,30 [Lips] 0,50 [Lips]

Voor het zoggetal geeft Kuiper [1994] twee formules,

een daarvan gebruikt gegevens die niet beschikbaar

zijn, de ander is sterk verouderd (Taylor, 1917)

maar is gebaseerd op een 'bekend' gegeven, het volg-stroomgetal:

t=0,6w

dus tet w=04_3(1 levert ditif t=k18.

Tevens wordt de vereenvoudiging ingevoerd

_{dat ht}

Volgstroomgetal en het zoggetal constant _zijn.

Er zal uitgegaan warden van het

_{volgende verband} voor de weerstand als functie

_vdn

_{de snelheid:}

R=a(vs),2.. 1

Gezien het verband tussen R en PE, tussen PE en _Pd,

en tussen Pd en Pm (zie blz 12) geldt het volgende verband voor het benodigde motorvermogen _{als functie} van de snelheid: Tih=a CY) 13 2 = = =

Uit het proeftochtverslag blijkt dab bij een motorvermogen van 3000 kW, een snelheid van 15,38

knopen=7,912 m/s bereikt wordt. Van deze 3000

kW is:

(1/71k-nwm)= 267,0/0,98.0,95= 287 kW

nodig voor de asgenerator. Dit betekent dat er voor de voortstuwing een vermogen van 2713 kW beschikbaar is. Er volgt dan uit formule 2 het volgende verband voor het vermogen als functie van de snelheid:

0v99.0,98..2.713000.0,6011-0,18)/(1-0,30=a(7,-912Y3 flat betekent een waarde voor alpha van 37351 dust:

,R=3735(Vs )12 4 .3

Aangezien de maximale snelheid gelijk is an 15,38

knopen, dat is 7,912 meter per seconde, moet de

schroef een voortstuwingskracht leveren om een

weerstand van 233810 Newton te overwinnen. Met een zoggetal van 0,18 betekent dit een

openwatervoort-stuwingskracht van 285134 Newton. De intrede snelheid van het water in de schroef bedraagt

daarbij:

ve-,1(1-01, 30Y 7,912=5,,,538,4 mts,

Voor de nu volgende voortstuwingsberekening-

zal

van

de volgende dimensieloze kentallen gebruik gemaakt

worden: J.= Ire

-D.n

Qo

K=

p.n2.D5

T ..Kr7

p.n2.D4

cinder de aanname dat de todgepaste diameter de

maximalp ig

blijvan als enige vrijheidsuaden het

schroeftoerental en

de

spoed

over.

Aangezien de vereiste voortstuwingskracht wel bekend is zal door combineren van formules 4 en 6 een verband tussen KT

en J ontstaan, formule 7, dat in het

openwaterdiagram ingetekend moet worden cm het optimale toerental en spoedverhouding te vinden.

Kw= T

.3-2=0,4905.3(2.u:2

p.(v)2.D2

267,0.

4 5 6

"Wit de openwaterdiagrammen van de B4-40 schroef en

de B4-55 schroef (bijlage II blz 98), deze zijn

beschikbaar de B4-50 niet, blijkt dat voor J=0,60 het openwater rendement van de schroef maximaal is en 0,62 bedraagt. Het gaat daarbij am een schroef

met P/D=0,9. Er wordt, middels interpolatie, een KT

van 0,177 en een Km. van 0,0273 gevonden..

Bij gegeven ve=5,5384 m/s en 0=4,3 in zal er, om aan de voorwaarde J=0,60. te voldoen, een schroeftoeren-tal gekozen moeten warden van n=2,1467 rps ofwell

.nsdhme=128,13 rpm.

De geleverde openwatervoortstuwingskracht is dan 0,177.1025.(241467)2.(4,3)42285825 Newton Deze voortstuwifigskracht wijkt 0,24% af

van de

vereiste 285134 Newton. Deze schroef met dit toeren= tal is dus een geschikte combinatie.

Het voor de schroef vereist koppel bedraagt.:

Q.=.0,0273.1025.(2,1467)2.(4,3)5=18957D Nth.

Zodat met de volgende formule het aan de schroef toe te voeren vermogen berekend kan worden:

Pd=2.7r-n.Q.= 2.m.2,1467.1895710 = 2557 kW

Dit is 2,8% lager dan de (2713x0,99x0,98 =) 2631 kW

voor de verstelbare schroef installatie. Een

verlaging in deze orde van grootte ligt, door _het

hogere rendement van de vaste schroef, in de lijn

der

verwachtingen-E-MOTOR, DIRECT OF MET REDUCTIE

Nu het optimale _{schroeftoerental en het} schroefvermogen bekend zijn kunnen de verschillende e-motoren en tandwielkasten geselecteerd worden. Er worden zowel asynchrone als synchrone motoren gebruikt. De slip van een asynchrone motor _{van een} vermogen rond de 2500 kW bedraagt hooguit 0,5% (rwd). Er zal hier daarom geen onderscheid gemaakt

worden tussen synchrone en asynchrone motoren bij _de

keuze van het nominale toerental in combinatie _met

een tandwielkast.

Wel zal er onderscheid gemaakt worden tussen _{de CCV} installatie enerzijds en de PWM _{en LCI installatie} anderzijds. De eerste heeft namelijk _{een motor die} de schroef direct aandrijft de twee _{laatste drijven}

2.2.1 COMBINATIE E-MOTOR + REDUCTIE

De afmetingen en massa van een e-motor, van een

bepaald vermogen, nemen af naarmate het nominale (60

Hz) toerental van de motor hoger is (minder rotor

polen). Het is dus wenselijk am een motor met een zo hoog mogelijk toerental te kiezen.

De toerentallen die gekozen kunnen worden, 60 Hz synchroon, zijn 600 rpm (12 polen), 720 rpm (10

polen), 900 rpm (8 polen) of 1200 rpm (6 polen). De

tandwielkast die het motortoerental moet reduceren

is echter begrensd in zijn maximale reductie. Er kan per trap een maximale reductie van 1:6 (rwd) gekozen

warden. Net verlies bedraagt circa 2% per trap. Om

het verlies acceptabel te houden wordt gekozen voor een kast met een trap.

Een kast met twee trappen die een grotere totale

reductie mogelijk maakt is grater en zwaarder en

geeft een lager rendement, circa 4% verlies. Mocht

in een later stadium blijken dat de diesel-elektrische installatie in bepaalde gevallen economisch zinvol is dan zal een tweetraps kast alsnog bekeken worden. Dit voorbeeld zal uitgaan van een reductie die maximaal 1:6 bedraagt.

Het maximale motortoerental bedraagt dan: 6x128,8=772,8 rpm.

Er moet dus voor een 720 rpm motor met een 1:720/128,8 = 1:5,6 tandwielkast gekozen warden.

De motor zal dan een vermogen van:

2557/1a.ilk

= 2557/0,99.0,98=2635 kW

moeten hebben, neem aan 2650 kW.

De tandwielkast '800C' heeft een massa van 9500 kg,

TAM? Marine] en een LxHxB van 1,8 x 2,3 x 2,3 meter figuur 2.1.

Een tweede mogelijkheid die met een tandwielkast

gerealiseerd kan warden is een kast met twee ingangen en een uitgang. Er kunnen nu twee 'kleine'

e-motoren gelnstalleerd warden. Voor de keuze van

toerental en reductie gelden dezelfde overwegingen

De tandwielkast 01500* heeft een massa van 5500 kw

[AMW Marine] en een LXHXB van 1,2 X 1,7 X 2,4 meter figuur 2.2.

figuur 2.1 afmetingen en massa van een tandwielkast met 1 ingang en 1 uitgang.

Een asynchrone motor van 2650 kW en 720, rpm zal een massa van circa 10000 kg hebben (rwd).

Een synchrone motor van 2650 kW en 720 rpm zal een massa van circa 12000 kg hebben (rwd).

17 i -ci A 1 _II ____..

IN)

'

I

IllillW

II

Vitt

II=

Itit:

rol

1 :_---._ i i 1 . 11/11/11 i I

il

=al=

ill

I

p

il

Inict111

t

:3

iml

1,..

iv al

rl

MII

)4r I* 4 h

1111.11.04M11

i

-NO

_*#

GI

1

. .

w

-s:

21? il

.2 v I

-

-,4

ollkirepArrai

U _al 1 _

1 I

_

ITS/

_A VIII

ra ... IGEHAUSE ANTRIESSWELLES ASTRIESSWELLER GH

HSN

,

A7A

/444.1

HOUSING DRIVE SHAFT), DRIVEN SHAFT" -94

1 ' I I I 1 ra.e..,.. 0-55.405144 /494 4- I 1 Type 13 ABIRIESSWELLE3) DRIVEN SHAFT') C Type 0 Su' p A9 _C, A G /4 1 -I it I. m N 0 P R 4, Et, 414 Es 0 I El 0 9 kgI KO 75-5 MO MO 2001 780 200 I 510 90 1600 1450 MO 2401 00 138 191 350 400/ 450 an 400 asp 523 sea nO 400 /380 220 ! 550 110 1700 1650 780 265 95 156 175 421 450 500 400 ₇₇₀ 410 770 MO CO 1,5-6 610 933 MO 970 f 250 693 120 15 1850 570 300 AO 170 IN 470 500 556 NO 560 500 NO 5190 710 1,5.4 710 1120 500 193 293 90 I IN 2100 240 970 333 On 200 OM 625 510 876 530 946 592 046 7300

//co 1,5-e 5 :coo 560 1200 315 am 150 50 2300 1060 NM 715 210 2421 586 6301 5611 5 1056 MO 195 MOO

923 1.52 9443 um 630 1270 355 910 1 leo 2500 2500 1123 420 IRO 235 275 MO 710 93 CM 1215 710 1215 la

' IS 1.5-8 99 1250 710 ,1520 400 9000 180 2730 2660 9270 480 900 250 310 746 930 ₁₁₈₆ 750 ma e00 1365 /9900

1120 1.5.4 1120 15 802 193 454 11031 190 2943 329 IS 510 IS 2111 360 95 ow 1000 NO 1510 goal ism 21260

1 zoo 0.5-5 1250 , ow 5 900 '500 tow 195 3300 3600 Imo sro 1120 90 5 se 1000 1125 950 1575! 15 1675 375

1420 1.62 Imo 1230 1COG 2020 580 1050 I 220 3000 4030 1720 sea 1230 XS 640 1000 1120 1200 IS IS 1150115515515 2 Gr '1 680 680 1.5-8 I 11

figuur 2.2 afmetingen en massa van een tandwie1kast met 2 ingangen en 1 uitgang.

Een asynchrone motor van 1325 kW en 720 rpm zal een massa van circa 6000 kg hebben (rwd).

2.2.2 E-MOTOR DIRECT

De uitgangsfrequentie van een CCV bedraagt maximaa1 eenderde van de voedingsfrequentie (rwd). Er zal

dus, bij een uitgangsfrequentie van maximaal 20 Hz,

een synchrone motor gekozen moeten worden die een

A I 1 le_ ,

11111111iiiiiIIPF

_it

-14-°II

MI 10,,,,ri . Illig ." K 1 1 1

Gehause Antriebswelle Abtriebeweilel Type

SIDS

Housing Drive Shall Driven Shed') 'moltG4. G4:44.1 1

Ataf. A

TM A Auer, 0Type 8 WeilM

M..) A G I _{L 14} N ch 3, I ds I Ea 0 Ea 0 Er ,Iq T251 iggLi 20 1 _1252 250 750 340 580 1 320 1750 1400 ,2000

-

i,

j 375 450 00 475 11-10 475 1253_ I -28°-/ '- -C81-: 600 1254 1250 750 400 685 303 410 1750 , 1400 2000 825 --0/-450 ,--/ViF, WO ₄₉₀ 800 450 / 3_550, 1400 850 370 630j 300 350 1950 , 1560/2250 825 ;24 403 I-1114--/ 475 11.01---/ 530 4C°4 1 530 1K834'

ill

1400 850 430 650 i 355 440 1950 1550 2250 900- 3005-1 473 11F: 560 6701-r3-0I 670 -/-44373-.../a 1000 950 400 870/ 300 375 2203 1750 2500 900 -131- 460 r255- 530 as2Q__, 600 ,_, um. 1:t, .. 4 600 _..., 11/.4 1600 RSO 470 820/ 400 510 2200 1730I 500 NO SOO __459_, ₇₈₀ H-:--* j 600 0,00 , , 750 1800 1050 430 740/375 425 2300 1900 /2800 950 475 40,404°° i560 ' '''512-4₄ 670 870 EMI I /75 _m_i '422-two 1050 500 870j 450 545 2300 1950 2800 1000 2750 2100-j3150 COO

i,

SOO F-51-0 670 500 /--/419-- 600 530 / -5(2'1-'1 800 7/0 , mo 5/3° ND - I 7/0 _515o 735° 2000 1100 470 BOO 475 500 -17-57 . : . WM I/00 650 900 / 500 6315 2750 2100 ,3150 1120 135 030 13539---/ 710 -24-1 900 -543-1 900 _2541 225

2250 1250 520 860 500 510 3150 2350 3550 low 19-221-.-"--521-L-1QQ-1_550.12._530 i---₅₀₀ eao ,_530__: 800 _5130_1₆₀₀

___35QQ.,-14M-195 560 _LS110Q 2253 2250 1250 600 1100 500 720 3150 2350 ' 3550 1250 _an 55° WO --339-1 1000 57° J_0590j___44011 z../54 245 NO ' ' ' 710 1000 2501 "-IN- 670 --5M--1 53° -1-2-4°° 2502 1400 570 NO! 530 500 moo 2800 j4050 1180 ..4,33° 560 900 1 NO ₁₃₆₅₀ ,3sn,45433 7.500 1400 no um / 800 703 mm 2000/4050 i360 ""215--1 710 --:₁₁₁₀ 050 /14n -72i1-, 1120: 751;in 1120 -122353-,q, I C 4 K

-1 1 I , ,

De keuze is dan tussen een motor met 16 polen en een

CCV-frequentie van 17,1733 Hz of een motor met 18

polen en een CCV-frequentie van 19,32 Hz. Aangezien

de afmetingen van de e-motoren hier niet wezenlijk

zullen verschillen, gelijke vermogens en toeren-tallen, wordt de keuze bepaald door de omvormer.

De sinusvorm die de uitgangsspanning van de CCV

heeft wordt slechter naarmate de uitgangsfrequentie hoger wordt [Deel 1, 1995). Een gevolg hiervan is

extra verwarming van de motor. Het is dus wenselijk

cm de combinatie 16 polen en nominale

uitgangs-frequentie van 17,1733 Hz, zie 2.3, te kiezen.

Het aan de schroef toe te voeren vermogen bedraagt

bier oak weer 2557 kW.

Er is dit keer geen tandwielkast, er is dus alleen

schroefas verlies. Het benodigde e-motorvermogen is: 2557/0,99=- 2583 kW neem een motor van 2600 kW

De massa van een synchrone 16 polen motor met een vermogen van 2600 kW bij 128,8 rpm ligt in de orde

van grootte van 40, ton.

2.3 DE

_{El/EVENT-ft Okimiumis}

-In dit hoofdstuk zal, met een paragraaf voor iedere installatie, stilgestaan worden bij de omvormers. Er wordt oak bier weer gebruik gemaakt van gegevens van verschillende leveranciers..

Terugkomend op de in 2.2 gekozen uitgangsfrequentie-3 van de omvormers het volgende:

Om een e-motor te regelen in toerental moet, cm het beschikbare koppel maximaal te houden, niet alleen

de uitgangsfrequentie maar oak de uitgangsspanning

geregeld worden.

De verhouding

t/f

(statorflux) moet constant gehouden warden en gelijk zijn aan Umx/fm, (de

frequentie kan nog verder verhoogd worden tot fm,

terwijl de spanning maximaal blijftr'men spreekt _van het veldverzwakkingsgebied).

Het punt Um, en fr. noemt men het nominale punt, het nominale punt is binnen zekere grenzen vrij te

kiezen door keuze van fm, _{(de mogelijkheden zijn}

type en fabrikant afhankelijk),

Door deze keuzevrijheid is het mogelijk om een combinatie van rotorpolen en uitgangsfrequentie _te kiezen zoals bijvoorbeeld in 2,2,2 gedaan is.

2.3.1 DE PWM CONVERTERS

Uit

2.2.1

is gebleken dat er twee mogelijkheden zijn

waarbij gebruik gemaakt wordt van PWM omvormers. Het

gaat dan om de aansturing van een asynchrone motor

van 2650 kW of twee van circa 1325 kW per stuk.

Het vermogen van de omvormers, in kVA, wordt met een arbeidsfactor, van de e-motor naar de omvormer, in

de orde van grootte van 0,8 gedefinieerd. Dit

betekent in dit geval een PWM omvormer van circa

3500 kVA, of twee PWM omvormers van circa 1700

kVA/stuk.

De gebruikte voedingsspanning is, behalve van het

benodigde vermogen, afhankelijk van de voorkeur van de fabrikant. Het voorbeeldschip zal voor de

installatie met 1 motor voorzien worden van een

6600V net [HOLEC], en voor de installatie met 2

motoren van een 660V net [ABB].

De benodigde omvormers hebben de volgende afmetingen en massa's: PWM omvormer 3500 kVA, 1950V:

LxHxB=5,5x2,0x1,0

meter,

massa=3600

kg. bijbehorende

6600V-1950V

trafo:

LxHxB=2,4x1,6x2,4

meter, massa=7100 kg. Pwm omvormers 2x1700 kVA, 660V:

LxHxB=4,6x2,25x1,0

meter, massa=3000 kg/stuk.

De arbeidsfactor van de PWM converters naar het net

is constant en bedraagt ongeveer

0,95.

Eventuele rem-energie wordt in een remweerstand gedissipeerd.

2.3.2 DE SYNCHRO-CONVERTER

tilt de aard der werking van de synchro-converter

volgt dat deze altijd gebruikt dient te worden in

combinatie met een synchrone motor, zie deel een, of een asynchrone motor en een condensatorbatterij. Dit voorbeeld zal beperkt blijven tot de combinatie van een synchro-converter en een synchrone motor.

Ook hier geldt dat de

spanning van het net niet

van de fabrikant speelt oak een rol. Er zal voor een netspanning van 660V gekozen worden [Bakker-Sliedrecht].

De benodigde omvormer heeft de volgende afmetingen

en massa:

-synchro-converter voor 2650 kW motor: LxHxB= meter,

massa= 5000 kg.

De arbeidsfactor van de synchro-converter naar het

net bedraagt maximaal 0,85 bij maximale

uitgangs-frequentie. Bij afnemen van de uitgangsfrequentie neemt de arbeidsfactor evenredig af [Hensler, 1989], zie figuur 3.1, blz 24. De gevolgen hiervan voor de

benodigde actieve en reactieve vermogens zullen in

'3.1 HET COMPLETEREN VAN DE E-BALANS' behandeld worden.

2.3.3

DE CYCLO-CONVERTER

De cyclo-converter is beschikbaar van 1500 kW tot 15 MW in laagspanningsuitvoering [ABB], bijvoorbeeld

voor een synchrone walsaandrijving met een groot

aantal motoren.

In middenspanningsuitvoering (1500V) is de

cyclo-converter beschikbaar van 5000 kW tot 30 MW [ABB].

De CCV heeft standaard scheidingstrafo's aan de

ingangszijde. Er is ook een uitvoering in de handel die geen scheidingstrafo's aan de ingang heeft, deze

CCV moet echter gecombineerd worden met een motor

waarvan de statorwikkelingen gescheiden zijn. Zowel

deze motor als deze omvormer zijn een niet standaard

produkt, dus zorgen voor een meerprijs in een toch

al dure installatie (zie blz 44, 45). Een voordeel

is natuurlijk dat er, door de mogelijkheid am

trafo's weg te laten, een minder zware installatie ontstaat.

Door het in serie schakelen van de halfgeleiders is het mogelijk am een 6,6kV CCV te creeren

Het in dit voorbeeld gebruikte e-motorvermogen is

zowel in midden- als in laagspanning uitvoering gebruikelijk.

Met de hiervoor genoemde mogelijkheden ontstaan er

een aantal mogelijke uitvoeringsvormen van de CCV

installatie die in de figuren 2.3, 2.4, 2.5 en 2.6 gepresenteerd worden. Aileen in de

660V I 6600V Pomv=Pmotor 660V _71", 1500V figuur 2.3 standaard CCV. 660V P0f11VPmot or 6600V

By

Pomv>Pmotor

figuur 2.4 standaard CCV met step-up trafo's aan de 1

660V 6600V

i

A POMV mot or v 660V B

I

Pomv>Pmotor V 6600V

figuur 2.5 CCV zonder scheidingstrafo's.

660V

V

PomvPmotor

V

figuur 2.6 CCV zonder scheidingstrafo's en met

step-up

trafo's.

71-De door ABS, aangeboden installatie komt overeen, met' de in figuur. 2.3B afgebeelde installatie.

Met de aangeboden omvormer sijn de 'volgende

afmetingen en massa's gemoeid: cyclo-converter van 5000 kW;

ixHxB=8,5x2,3x1,2 meter, massa=6600 kg.

3 trafo's voor faseversChuivingz scheiding en. spanningsreductie:

LxHxB=2,2x2,1x1,3 meter per stuk, massa=8900 kg per stuk.

Ook bij de CCV is de arbeidsfactor naar het net niet over het hele toerenbereik constant. Tussen 100% en

80% van het toerental is de arbeidsfactor ongeveer

0,75. Tussen 80% en 0% neemt de arbeidsfactor lineair af [ABB], zie figuur 3.1. De gevolgen hiervan voor de benodigde actieve en reactiever

vermogens zullen in '3.1 HET COMPLETEREN VAN DE E-r (BALANS' behandeld warden.

DE POWER-PLANT

In dit hoofdstuk zal allereerst aandacht besteed

warden aan het completeren van de e-balans. Er zal

daarbij voor de benodigde e-vermogens uitgegaan.

warden van het verband tussen het sleepvermogen PE en

de scheepssnelheid vs:

RE--37350,Y

Vervolgens zal met deze PE, tabel 3.1, eh het totaal rendement van de installatie, aangevuld met de rendementen van e-motor en omvormer, het elektrische

vermogen berekend warden dat, als functie van de

snelheid, aan het net onttrokken

wordt-Vervolgens zal gekeken worden hoe het te ihstaileren

dieselvermogen gesplitst moet worden am, met een

minimaal aantal aan- en uitschakel acties van de

dieselmotoren, de verschillende vermogensniveaus optimaal te kunnen dekken.

tabel

3.1

het

sleepvermogen

als

functie

van

de

snelheid.

3.1

HET COMPLETEREN VAN DE E-BALANS

Voor het berekenen van de netvermogens uit _de sleep-vermogens zal met constante rendementen gerekend

warden. In de praktijk zal dit niet _{het geval zijn}

echter de rendementsvariaties als functie van de

belasting zijn meestal niet bekend. _{Bovendien zijn} deze parameters dermate machine _{afhankelijk dat ze} niet van een machine van het ene fabrikaat voor een machine van het andere fabrikaat gebruikt mogen

warden. Wel mag aangenomen warden _{dat de orde van}

grootte van de varieties _{voor een klasse machines}

algemeen toepasbaar is.

vs (knopen) _ scheepssnelheid vs (m/s) sleepvermogen PE (kW) 1

0,5144

_0,508

2

1,0289

4,067

3

1,5433

_13,726

4

2,0578

_32,539

5

2,5722

_63,549

6

3,0867

_109,819

7

3,6011

_174,381

8

4,1156

_260,311

9

4,6300

_370,626

10

_5,1444

_508,390

11

_5,6589

_676,689

12

_6,1733

_878,507

13

_6,6878

_1116,974

14

_7,2022

_1395,047

14,5

7,4594

_1549,904

15

_7,7167

_1715,804

15,38

7,9122

_1849,599

Om het rekenen met constante rendementen te

rechtvaardigen zijn in figuur 3.1 de rendementen van synchrone generatoren gegeven bij verschillende belastingen.

figuur 3.1 generator gegevens waaruit blijkt dat het rendement slechts kleine varia ties vertoont als

functie van de be1asting.

In dit stadium zal met de waarden, inclusief ntraf.

(rwd), die in tabel 3.2 staan gerekend warden:

tabel 3.2 rendementen waarmee de elektrische vermogens in deze paragraaf berekend zijn.

PRESTAZIONI A COSr= 0,8 PERFORMANCES AT KENNDATEN BEI CARACTERISTIOUES A ANSALDO MOLOr$ ... TIPO TYPE TYp COOICE CODE BEZEICHNUNG POTENZA RATING LE/STUNG puissANcE RENDIMENTO EFFICIENCY WIRKUNGSGRAD PENDEMENT POTENZA RATING LEISTUNG PUISSANCE REND1MENTO EFFICIENCY YVIRKUNGSGRAD RENOEMENT SERV. EMERG. STAND-BY NOTBETRIEB SER. SECOURS J PESO WEIGHT GEWoCHT POD ,, --TYPE CODE % WA 1 KW 4/41 3#4 I 2/4 xv4 1 Kw 4i4 I 314 [ PA 5,1, on 16) ,,, kip, kg ... POO 0 POLES

. POLIC 50 Hz - 750 1/min 60 Hz - 900 1/min

POLES SA M5B4004. 050. 240 192 915 91.8 91.0 288 zao 91.9 92.3 91.6 255 310 12.9 1420 SO M5134014. COO.. 290 232 42.0 923 91.5 348 278 92.3 92.8 92.1 310 370 153 1550 SW SC m5194024. 003.. 350 280 92.3 920 91.8 420 336 92.7 93.0 92.3 375 450 18 3 1750 536 knE 400 SD M5134064. MO.. 400 320 92.5 92.8 92.0 4110 3134 92.9 93.2 92.5 430 515 19 8 1900 SW MA M584O34. COO_ 475 360 93.0 93.1 92.5 570 456 934 93.5 93.0 510 610 21.5 2050 SS MB M5134044. 000.. 600 480 93.2 933 92.8 720 576 93.6 93.8 43.1 .640 770 23.2 2200 660 MC m584054. 000.. 700 560 93.5 918 932 040 677 939 /142 93.4 750 900 24.8 2500 no AG M585014. 050.. 800 640 94.5 95.1 950 960 768 95.0 95 5 95 3 655 1025 53 3500

-MX 500 AN CG M5B5024. 000.. m505074. 000.. 1000 800 1250 1000 95.0 954 95.2 95.1 95.5 951 1200 960 1500 1200 95 4 959 95.0 95.5 960 9/18 1070 1290 1340 1600 70.5 79.5 GOO 4750 -CH M5115084, L. 1400 1120 95.2 956 95.4 1680 1344 956 /162 960 1500 /600 89 5050 -PWM LCI CCV schroef+ as (+reductie) 0,705 0,705 0,719 e-motor 0,95 0,95 0,95 omvormer 0,99 0,99 0,98 I I I I,

De arbeidsfactor van de omvormer bepaalt hoeveel

reactief vermogen (kVAr) beschikbaar moet zijn bij voorgeschreven actief vermogen (kWe), vectorieel opgeteld vormen deze twee het schijn vermogen (kVA). Bij de LCI en CCV is de arbeidsfactor niet constant maar varieert volgens figuur 3.2_

Power Factor 0.7,5-MA '0.5 0.45 0.35 0.25 0.15 -td, Propeller Curve 7

CYCLO POWER FACTOR,

Power Factor

10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Propeller speed %

Constant Power Factor Area

Power¶. 110 00 90 80 io, 60F1 30., 20I 10 Powe Factor Os 10.75 'Os .0.5 0.45 0.3 0_25 0.1

SYNCHRO POWER FACTOR'

Power %1 log Power Factor _{Al 901'} 80 70 60 50 30 20 0 _{10 20 30 40 50 60 70 80 90 100} Propeller Speed % Propeller Curve

figuur 3.2 arbeidsfactor als functie van het toerental, bron: Hensler [1989] en ABB.

Zoals eerder vermeld is de arbeidsfactor van de PWM converter naar het net constant. Er zal

in dit

rapport gerekend worden met 005.

Omdat de snelheid bij benadering rechtevenredig is

met het _{schroeftoerental,} is er bij de LCI installatie een lineair verband tussen snelheid en arbeidsfactor. Bij de CCV installatie is

er de

eerste 80% van de _{uitgangsfrequentie} (dus

schroeftoerental, dus snelheid) _{een lineair verband} tussen snelheid en arbeidsfactor. De waarden waarmee gerekend wordt staan vermeld in tabel 3.3.

4

5

5

50 40 110 40 10

-tabel 3,3 de arbeidsfactor van CCV de LCI en de pyM. Met de nu bekende arbeidsfactoren en de eerder genoemde rendementen en effectieve vermogens kunnen de actieve, reactieve en schijn voortstuwings-vermogens van de verschillende installaties berekend warden. Door bij deze voortstuwingsvermogens de

vermogens van het nevenverbruik op te, tellen

ontstaat de totale vermogensbehoefte.

Er zal voor een snelheid van 1 tm 3 knopen gerekend warden met het nevenverbruik voor manoeuvreren, 259

kWe, boven 3 knopen met het nevenverbruik voor

varen, 267 kWe_ Voor het nevenverbruik zal een cos p van 0,9 aangehouden warden. Tevens wordt de

vereenvoudiging ingevoerd dat het nevenverbruik constant is.

Op deze manier ontstaan er 3 verschillende tabellen met snelheidsafhankelijke vermogensbehoeften. Een voor de installaties met PWM, een voor de installatie met LCI en een voor de CCV installatie.

1 1 X?nn ?Pk! ti-Pvt i M.!! VP', f PLJM 1 21161111' 1 I 1 1 0,063 0,998 0,055 0,998 0,95 ;10,31 '0,125 0,992 0,111 '0,994 0,95 10,31 0,31 3 0,188 0,982 0,166 0,986 0,95 4 0,250. 0,968 0,221 0,975 0,95 0,31 5 0,313 0,950 0,276 i 0,961_ 0,95 0,31 6 0,375 0,927 0,332 I - -_0.94L3_ 0,95_ 0,31 7 0,438 0,899 0,387 _0,:g7_2 0,95 0,31 8 0,500 0,866 _0,442 1 0,897 0,95 0,31 9 0,563 0,827 0,497 0,868 0,95 0,31 10 0,625 0,781 0,553 0,833 0,95 0,31 11 0,688 0,726 0,608 0,794 10,95 0,31 12 0,75 0,661 0,663 0,748 0,95 .0,31 13 0,75 0,661 0,718 0,696 0,95 0,31 14 0,75 0,661 0,774 1 0,634 0,95 0,31 14,5 0,75 0,661 1 0,801 0,598 . 0,95 0,31 15 0,75 0,661 0,829 0,559 0,95 0,31 15,38

-

:0,75 I 0,661 0,850 0,527 0,95 0,31

11

Met behulp van de volgende formules worden de

het net onttrokken vermogens berekend (met cos is constant - 0,9 - en cos 9,01-tst uit tabel 3.3):

sinpvrt siny v

- kiVe(kVIW=

"

_ti FE ( )

in at ) + Priv& (

rn

2/ br

P

9 t e-mtr 1 annermr C°S-Y yr c, c

--SCinvbx PkW0)1 2 4- (PkVAX UI PkWe

.",S1t0

Cot D Plcia 'kVA aan Priveor

Voor de PWM installaties worden

den

de waarden Van tabel 3.4 qevonden.

tabe/ 3.4 _{elektrische vermogensbehoefte en totale} arbeidsfactor van de PWM inst en het nevenverbruik. De totale arbeidsfactor

is

dermate hoog dat de generatoren met

cos p

van 0,85 - 0,9 gedimensioneerd zouden kunnen worden (zie 4.1 en 4N.2).

Vs

Yknnnen) Pactie(Welt PreactierkVArl Pscmm(INA) _ 1

cos p

frn 11 sin p (tntpal '1 259,8 126,9

28%1I

0,90. 0,44 2 265,1 1 128,6 I 294,6 _ 0,90 I, 0,44 3 _{279,7 133,4} . 309,9 0,90 0,43 4 II 316,1 146,5 348 4 J 0,91 0,42 5 362,8 161,8 1 397_,2 0,91 1 0,41 1 6 432,6 , 184,6

470,

0,92 0,39 7 1 530,0 1 216,4 I 572,5_11 0,93 0,38 8 659,61 258,6 708,5_ 0,93 0,36 I 9 I 826,011 312,9 883 3

i

0,94 _.0,35 1 10 1033,7 380,7 1101,6_ 0,94 1 0,35 11 1 1287,6 1 463,6 _I 1368,51, 0,94 0,34 12 1591,9 562,9 , 1688,5 I 0,94 1 0,33 13 1951,6 680,2 1 2066,7' 1 0,33 14 I2371,0 817,1 2507,8 0,95 0,33 14,5 2604,5 ) 893,3 2753,4 0,95 , -0,32 1 15 2854,7 , 975,0 13016,6 0,95 0,32 1 15,381 3056,5 1040,8 , ? 3228,8 0,95 0,32 1 0,94

Er wordt voor de berekening van de vermogens van de

LCI installatie, tabel 3.5, gebruik gemaakt van dezelfde formules als op blz. 29, de cos p en sin p van de voortstuwing komen uit tabel 3.3.

tabel 3.5 de elektrische vermogensbehoefte en totale arbeidsfactor van de LCI inst en het nevenverbuik.

De totale arbeidsfactor is bij een snelheid tot circa 4, en boven van circa 11 knopen, hoog genoeg om de generatoren met een cos p van 0,8 te

dimensioneren.

Voor het gebied van 6, 7 en 8 knopen zou overwogen kunnen worden om de generatoren te dimensioneren met een lagere cos p. In 4.3 meer hierover.

Vs

(knopPn)

Pact ief

(kW) Preactief(kVAr) Pschi jn(kVA)

COS fp ( tntaaI) sin p (tors ) 1 259,8 140,5 295,4 0,88 0,48 2 265,1 163,0 311,2 0,85 0,52 3 279,7 249,6 374,9 0,75 0,67 4 316,1 347,0 469,4 0,67 0,74 5 362,8 464,2 589,2 0,61 0,79 6 432,6 601,0 740,5 0,58 0,81 7 530,0 757,1 924,2 0,57 0,82 8 659,6 927,3 1138,0 0,58 0,81 9 826,0 1106,8 1381,0 0,60 0,80 10 1033,7 1285,5 1649,6 0,63 0,78 11 1287,6 1463,3 1949,1 0,66 0,75 12 1591,9 1625,3 2275,0 0,70 0,71 13 1951,6 1763,5 2630,3 0,74 0,67 14 2371,0 1854,0 3009,8 0,79 0,62 14,5 2604,5 1875,7 3209,6 0,81 0,58 15 2854,7 1875,5 3415,7 0,84 0,55 15,38 3056,5 1860,0 3578,0 0,85 0,52 ,

Er wordt voor de berekening van de vermogens van de CCV installatie, tabel 3.6, gebruik gemaakt van dezelfde formules als op blz. 29, de cos 9 en sin 9 van de voortstuwing komen uit tabel 3.3.

tabel 3.6 de elektrische vermogensbehoefte en totale

arbeids

factor

van

de

CCV installatie en het

nevenverbruik.

Voor de CCV installatie geldt voor de arbeidsfactor van het totale verbruik dezelfde overweging als voor de LCI installatie. Er is hier sprake van een wat minder extreme situatie op de lagere toerentallen

maar op vollast is de situatie minder gunstig, zie

ook 4.4.

(Zowel de Statendam, cruiseschip van de HAL, als de

Healy, ijsbreker van de USCG, hebben een CCV

voortstuwing waarbij de generatoren met een cos (

van 0,7 zijn gedimensioneerd [ABB].)

Vs

omnpero Pactief(kW(.)

Preactief

NOW) Pschi jnmay

cos 9 (rotast ) sin 9 (totani.) 1 259,8 138,7 294,5 0,88 0,47 2 265,1 174,8 342,0 0,86 0,51 3 279,5 234,0 364,5 0,77 0,64 4 315,6 318,8 448,6 0,70 0,71 5 361,9 419,1 553,7 0,65 0,76 6 431,1 536,1 687,9 0,63 0,78 7 527,5 665,8 849,4 0,62 0,78 8 655,9 804,1 1037,7 0,63 0,77 9 820,7 944,6 1251,3 0,66 0,75 10 1026,5 1079,6 1489,7 0,69 0,72 11 1277,9 1198,0 1751,6 0,73 0,68 12 1579,4 1287,2 2037,5 0,78 0,63 13 1935,6 1601,2 2512,0 0,77 0,64 14 2351,1 1967,3 3065,6 0,77 0,64 14,5 2582,4 2171,2 3373,8 0,77 0,64 15 2830,2 2389,6 3704,1 0,76 0,65 15,38 3030,1 2565,8 3970,5 0,76 0,65 .655,9

3.2 HET SAMENSTELLEN VAN DE POWER-PLANT

Voor het samenstellen van de power-plant is het van

belang cm de stationaire gedeelten van het

power-profiel te kennen. Er zal hier gerekend worden met twee stationaire gedeelten die bepalend zijn voor de samenstelling van de power-plant:

Het varen, met 14,5 knopen [rederij] Het ladingpompen

Het vermogen tijdens in de haven liggen is een

factor twee keer zo klein als het vermogen dat

beschikbaar moet zijn voor manoeuvreren en pompen, ale blz 9, (229 : 525). Het is daarom niet zinvol om

het havenverbuik in de power-plant op te nemen.

Een mooiere oplossing hiervoor is om de noodgenerator zodanig te dimensioneren en

installeren dat deze geschikt is am het havenverbruik optimaal te dekken. Op deze manier zal de noodgenerator oak regelmatig

draaien en onderhouden warden. Dit is voor SI

een doorslaggevende reden am zo'n constructie

toe te staan [SI, 1995].

Het manoeuvreren beslaat slechts 2,35 uur per havenbezoek, zeg 1,175 uur voor en na het varen, zodat dit niet als een stationaire situatie beschouwd zal warden. Wanneer er langer gemanoeuvreerd wordt zal dit feitelijk langzaam varen betekenen, bijvoorbeeld het binnenlopen van havens als Rotterdam of Antwerpen. Er zal dus wel

gedist warden dat er op een acceptabele belasting

langzaam gevaren kan warden.

Om een indruk van het scenario te geven is dit in

figuur 3.3 weergegeven: * manoeuvreren varen 2605 kWe pomp *525 kWe haven 229

Bij de belasting van de dieselmotoren zal vooral op

het brandstofverbruik maar ook op de NO

emissie gelet worden. Er is om over deze, machine afhankelijke, gegevens algemene uitspraken te kunnen

doen gebruik gemaakt van informatie uit een aantal

brochures en artikelen, onder andere Stapersma [1994], waaruit figuur 3.4 is samengesteld.

25 (14°.) 20 - 270 260 1 5 ₂₅₀ NO - 240 230 10 220_c 3 5 FOC. 210 ---.... cry - 200 5 _________ "A- 190 - 180 0 0% 20% 40% 60% 80% 100%

figuur 3.4 specifiek

brandstofverbruik

en NO uitstoot van medium speed

dieselmotoren.

Een belasting van 85% van de diesels op stationaire

gedeeltes van het scenario is wenselijk om zowel

naar verbruik als NO emissie te optimaliseren.

Een minimale belasting van 40% is wenselijk om

vervuilen te voorkomen. Een maximale belasting van

90% lijkt wenselijk, hoewel in uitzonderings-situaties zowel hogere, 95%, als lagere, 20%,

belastingen toelaatbaar zijn.

In verband met reserve onderdelen en onderhoud is

het wenselijk om slechts motoren van hetzelfde type en met dezelfde boring en slag te installeren.

Aangezien er een 60 Hz net gevoed wordt most een

toerental van 600 rpm, 720 rpm, 900 rpm, 1200 rpm of

1800 rpm gekozen warden. _{Hierbij meet opgemerkt}

worden dat hogere toerentallen lagere generator massa's en kleinere afmetingen opleveren.

Er zal gerekend worden met een generator rendement

van 0,95 cm van de elektrische vermogensbehoefte tot een dieselvermogen te komen.

Omdat er een stationaire situatie van 525 kWe is zal er een diesel van: 525 kWe/0,95.0,85=646 kWb

geinstalleerd moeten worden (dit vermogen is vrij te kiezen binnen een range van zo'n 610 tot 685 kWb). Het manoeuvreren gebeurt op een vermogensniveau van

circa 260 kWe (exclusief boegschroef). Omdat uitvallen van het vermogen tij dens manoeuveren een

ongewenste situatie oplevert wordt er gemanoeuvreerd

met twee generatoren op het net. Er zullen dus

minimaal twee generatoren van 610 tot 685 kWb geinstalleerd worden. Op deze manier is er oak genoeg generatorcapaciteit om de boegschroef e.d. te gebruiken.

Om een onlogisch schakel-patroon te vermijden wordt

de power-plant zo gedimensioneerd dat tij dens het

varen de twee 'manoeuvreer' generatoren aan staan. Het totals geinstalleerde vermogen zal in de orde

van grootte van 3060 kWe/0,95=3221 kWb moeten zijn.

Voor het varen met 14,5 knopen is het wenselijk om

2604,5 kWe/0,95.0,85=3225 kWb beschikbaar te hebben. Dit komt overeen met het totaal te installeren vermogen.

In bijlage IV bladzijde 102 is een lijst opgenomen

met een aantal motoren waaruit een keuze is gemaakt.

Er is daarbij vooral gekeken of het vermogen per cilinder en de aantallen cilinders die beschikbaar

zijn een werkbare combinatie opleveren.

Met de volgende motor zijn de stationaire vermogens goed te benaderen:

De Wartsila Vasa 20 met 155 kW/ cil

bij 900 rpm. Beschikbaar in 4, 6, 8 en 9

cilinder uitvoering. Geschikt voor brandstof van max. 700 cSt/50°C.

Met de Wartsila 20 motoren zijn de volgende

power-plants mogelijk:

I - 3 x 4 oil. + 1 x 9 cil.

II - 2 x 4 cil. + 1 x 6 cil. + 1 x 8 cil.

Het totale vermogen van plant I bedraagt 3255

kWb opgewekt door 21 cilinders. Het totale vermogen van plant II bedraagt 3410 kWb

Een power-plant met twee keer een vier cilinder motor en twee keer een acht cilinder motor zal

tijdens varen een te lage belasting hebben, 73,7%, of een ongewenst schakelpatroon tot gevolg hebben.

Een plant met twee keer een vier cilinder motor

en twee keer een zes cilinder motor heeft een

te klein totaal vermogen.

Zodoende zijn de eerder vermelde power-plants I en II de enige plants die aan de gestelde eisen voldoen.

Een alternatief voor de Wartsila motoren, weliswaar minder goed passend,is:

De New Sulzer Diesel S20 met 130 kW/cil

bij 900 rpm. Beschikbaar in

4,

6,

8 en 9 cilinder uitvoering. Geschikt voor brandstof van max. 700 oSt/50°C.

De enige power-plant configuratie die het gevraagde vermogen van

3220

kW niet (te veel)

overschrijdt en minimaal twee 'kleine' diesels bevat is als volgt samengesteld:

III - 3 x 6 cil. + 1 x 8 cil.

Het totale vermogen van plant III bedraagt

₃₃₈₀

kWb opgewekt door 26 cilinders.

Om te kunnen beoordelen welke combinatie het beste

past bij het scenario zullen van de verschillende

power-plants 'engine load diagrammen' gemaakt worden. In deze diagrammen staat de belasting uitgezet tegen het beschikbare vermogen.

De engine load diagrammen zijn genummerd figuur

3.5

tot en met 3.7 en hebben betrekking op

respectievelijk power-plant I, II en III.

Uitgangspunt is dat er altijd gemanoeuvreerd wordt

op twee kleine generatoren en dat er voor het varen, afhankelijk van de te varen snelheid, den 'kleine'

(A), een 'grote' (B) of beide generatoren

bijgeschakeld warden.

Op deze manier kan met de schakelvolgorde geanticipeerd worden op de te varen snelheid.

Voor het haven- en noodgebruik zal een

(nood)-generator van 229/0,95.0,85= 283,6 kWb

geinstalleerd worden. Neem hier een diesel van 285

kWb. Voor deze dieselgenerator zal in een later stadium met dezelfde verbruiken gerekend worden als voor de gensets in de standaard situatie.

II

11

figuur 3.5 engine' load diagram van power-plant

I-100%11 9,0% 410% P(kWb) Aantal 1

/

/

/ "

/

/

//

t 1 1 -cilinders 620 1x4 1240

1860

2635

3255

2x4 3x4, 2x4 3x4 1x9 1x9 , 100% 90%

.

,

B1 I I , 1

/

//

! I

/

/..,

i /

//...c.

/

_//...-

// '

. r :IDLkWb) 620' 1240

2170

2480

3410

Aanta 1 1x4 2x4 2x4 2x4 2x4 cilinders, 1x6 1x6

lx8

lx8'

/

/

/

/

/

/

/

/

figuur 3.7 engine load diagram Win power-plant III.

Om.

_{duidelijk te maken wat de power-plants in de}

stationaire toestand bieden zijn de beschikbare

e-vermogens, tussen 75% en 95% belasting van de

dieselmotoren, in een staafdiagram gezet, figuur

3.8

bladzijde

38.

_{Door deze e-vermogens te vergelijken} met de kWe vermogens uit tabel

3.4,

_bladzijde

29, is

duidelijk te zien wat da verschillende power-plants

bieden.

De richtprijzen voor de power'-plants, gebaseerd op complete generatorsets, _{inclusief reserve-.} onderdelen, zijn als volgtt

plant I f

2250000,- [SWD, 1995]

plant II f

2277000,- [SWD, 1995]

plant III f

2025000,-

_{[NSD Nederland,}

_1995]

Gezien het aantal motoren, de vermogens en de

toerentallen kan men verwachten dat in een

concurrentie situatie de prijs voor de verschillende plants vrijwel gelijk zal zijn

Qua prijs is er dus niet echt een voorkeur voor een bepaalde plant uit te spreken.

De massams, inclusief water eh one, zijn als

plant I

₆₉₁₀₀

kg plant II

69900

kg

75400

100%. 40%

,,,/,

.

'

90%i________

0

I

_/

/

_// i ,9,

/-

'

gt I P(kWb) Aantal cilinders

780

1x6 15602x6

2340

3x6

2600

2x6

3380'

3x6 1x8 1x8 volgt:

figuur 3.8 beschikbare e-vermogens (kWe) van de

een diesel -belasting van 75% tot

3078--2938

2430--

2378--

2319--2238

1958

1877

1767 1679

1546-1325 1119 884

560--442 .=

=1853

3050

2408

2347

2112

1667

1408 1112 704 556 =r B I B

r'r

--r

--A A

--A

plant III

plant I

plant II

11/11/11

Wat direct opvalt is dat plant III in de lage vermogens ongunstig uitvalt omdat het laagste vermogensniveau hier vrij hoog ligt.

Een ander opvallend punt is dat bij zowel plant II als plant III de flexibiliteit, door de keuze am via

A of B naar het totale vermogen te schakelen, nauwelijks vergroot wordt.

Door het lagere totaal vermogen van plant I is daar

de belasting, bij 14,5 knopen varen, wat gunstiger

dan bij plant II, 84% tegen 80%.

Het aantal cilinders, vaak aangegeven als maat voor de onderhoudsgevoeligheid, is bij plant III 26, bij

plant II 22 en bij plant I 21.

Het specifieke brandstofverbruik ligt voor de Sulzer motoren zo'n 1 - 2 g/kWh hoger dan voor de Wartsila Vasa motoren. Net smeerolie verbruik ligt voor de Sulzer motoren circa 0,5 g/kWh hoger dan voor de

Wartsila motoren, figuur 3.9 [General Technical Data Sulzer S20 Marine Generating Sets & Wartsila Vasa 20 Project Guide].

Een voordeel van plant I en plant III boven plant II is dat er maar twee verschillende motoren gebruikt warden.

Gezien het voorgaande zal er voor plant I gekozen

worden.

figuur 3.9 specifiek verbruik van de mogelijk te

gebruiken motoren, de Sulzer motoren kennen geen verschillende verbruiken (S20), de Wartsila motoren

hebben een enigszins van de configuratie afhangend

50 55 60 65 70 75 80 90 95 100 % BSFC l[gA<Whj 205 200 195 190

!I

Een vergelijking van figuur 3.8 en tabel 3c..4 leert

het volgende over het gebruik van plant I:

Bij uitval van 1 x 4 cil kan er zonder gevaar voor overbelasting van de resterende diesels

een snelheid van 14 knoop gevaren worden. Bij uitval van de 9 cil kan er zonder gevaar voor overbelasting van de resterende diesels een snelheid van ruin 12 knoop gevaren warden.

Op 2 x 4 oil, na manoeuvreren, kan op een diesel-belasting van 85% een snelheid van 10 knoop gevaren warden.

Op 1 x 4 cil kan, wanneer noodzakelijk, een snelheid van 7 knoop gevaren warden, zonder gevaar voor overbelasting van de diesel.

Duidelijk is dat met plant I een grate flexibiliteit

gerealiseerd wordt voor wat betreft in te zetten,

opwekkendc vermogen.

4 DE VITEINDELIJKE INSTALLATIES

In dit hoofdstuk zullen voor de verschillende installaties zoals die eerder gedefinieerd zijn, per installatie, de massa's en prijzen vermeld warden. Deze prijzen varieren per leverancier, aan dat aspect zal hier geen aandacht besteed warden.

Tevens zullen de generatoren gedimensioneerd warden zodat er een compleet beeld van de installatie entstaat. In de laatste iSaragraaf zal de keuze voor

een optimale installatie toegelicht warden. In 7

bijlage III bladzijde 100 zal een mogelijke nieuwe

indeling van de machinekamer van het voorbeeldschip gegeven warden aan de hand van de optimale installatie.

4.1 DE PAM INSTALLATIE MET EEN MOTOR

Gezien de totals arbeidsfactor van het net, tabel

3.4 blz 29, is het mogelijk out de generatoren te

dimensioneren met een cos 9 van 0,9. Met name op

lagere snelheden zou dit kunnen leiden tot een hogs generator belasting.

Gezien het feit dat op

lage snelheid, vooral manoeuvreren, er sprake is van een

'extra generator' op het net is dit gevaar ondervangen.

Het te installeren generator vermogen bedraagt voor

Zodat de volgende generator vermogens gespecificeerd

word en:

3 x 655 kVA, 6600V, 60Hz. 1 x 1475 kVA, 6600V, 60Hz.

Het totale generator vermogen komt daarmee op 3440

kVA hetgeen voldoende is, tabel 3.4 blz 29.

Ten opzichte van standaard generatoren is dit een

vermogensafname van 11%. Dit zal een prijsverlaging in de orde van grootte van f 21000,- mogelijk maken

(uitgaande van een prijs van rond de f 35000,- voor een generator van circa 700 kVA en een

prijs-wijziging die bij benadering evenredig is met een

wijziging in het kVA vermogen (rwd)).

De massa van de power-plant zal, door het kleinere

kVA vermogen, met circa 600 kg afnemen.

Het hoofdschakelbord zal in _bijna alle gevallen bestaan uit vier generatorsecties, den scheidings-sectie, een uitgaande sectie voor de voortstuwing en

twee uitgaande secties voor het huIpverbruik.

De massa van het hoofdschakelbord bedraagt circa 700 kg per sectie (rwd).

Voor de totale installatie warden flu de volgende

massa's en prijzen gevonden:

schroef & as _{11000 kg}

tandwielkast & koppeling _{10000 kg}

e-motor _{10000 kg}

omvormer _{3600 kg}

trafo _{7100 kg}

elektrische installatie & switchboard _{7000 kg}

IFO separators/heaters _{5000 kg}

nood-/havengenerator _{3500 kg}

dieselgeneratoren _{68500 kg}

totaal _{125700 kg}

Dit is een gewichtstoename van 34% ten opzichte van de standaard situatie, bladzijde 6.

schroef & as f

275000,-tandwielkast & koppeling _f 322000,-e-motor

omvormer ₁ f

855000,-trafo

elektrische installatie & switchboard.f

2000000,-IFO separators/heaters f

100000,-nood-/havengenerator _f

150000,-dieselgeneratoren _f

2229000,-totaal _f

4.2

DE PWM INSTALLATIE MET TWEE MOTOREN

Voor het totaal te installeren generatorvermogen gelden dezelfde overwegingen als bij de PWM installatie met den motor. Een verschil is dat voor de installatie met twee 'kleine' motoren een

aanbieding voor een 660V systeem is gedaan [ABB].

Er zullen hier de volgende vermogens geinstalleerd

Warden:

3 x 655 kVA, 660V, 60 Hz 1 x 1475 kVA, 660V, 60 Hz

Ook hier gelden prijs en massa afnames van dezelfde orde grootte als in 4.1 genoemd zijn.

Voor het hoofdschakelbord en toebehoren wordt een

grotere massa aangenomen dan in 4.1 gedaan is omdat

er nu twee uitgaande secties voor de voortstuwing

zijn.

Voor de totale installatie worden nu de volgende

massa's en prijzen gevonden:

schroef & as 11000 kg

tandwielkast & koppeling 6000 kg

e-motoren 12000 kg

omvormers 6000 kg

elektrische installatie & switchboard 7700 kg IFO separators/heaters 5000 kg nood-/havengenerator 3500 kg

dieselgeneratoren 68600 kg

totaal 119800 kg

Dit is een gewichtstoename van 27% ten opzichte van de standaard situatie, bladzijde 6.

schroef & as f

275000,-tandwielkast & koppeling f

339000,-e-motoren

omvormers 1 f

1200000,-elektrische installatie & switchboard f 2000000,-IFO separators/heaters f

100000,-nood-/havengenerator f

150000,-dieselgeneratoren f

2229000,-totaal f

6293000,-Dit is een prijsstijging van 55% ten opzichte van de standaard situatie, bladzijde 6.

4.3

DE LC

INSTALLATIE

Zoals op blz. 30 reeds vermeld is zal een standaard generator dimensionering, cos 9 0,8 en sin 9 0,6

niet toereikend zijn am op lagere snelheden zowel de diesels als de generatoren optimaal te benutten. Aangezien het varen op lagere snelheden als een off-design conditie aangemerkt wordt is dit niet bezwaarlijk en zal er met een cos 9 van 0,8

gedimensioneerd warden.

Er moet wel rekening gehouden worden met het felt dat de generatoren eerder overbelast raken dan de

diesels. Er zal een adequate beveiliging

geinstalleerd moeten worden die voorkomt dat er op

deellast teveel e-vermogen gevraagd wordt. De

aanbieding voorziet in een netspanning van 660V.

Voor de LCI

installatie in combinatie met

power-plant I worden de volgende generator vermogens gespecificeerd:

3 x 735 kVA, 660V, 60Hz 1 x 1655 kVA, 660V, 60Hz

Het totale generator vermogen komt daarmee op 3860

kVA hetgeen voldoende is, tabel 3.5 blz 30.

Voor de totale installatie warden dan de volgende

massa's en prijzen gevonden:

schroef & as 11000 kg

tandwielkast & koppeling 10000 kg

e-motor 12000 kg

omvormer 5000 kg

elektrische installatie & switchboard 7000 kg IFO separators/heaters 5000 kg

nood-/havengenerator 3500 kg

dieselgeneratoren 69100 kg

totaal _{122600 kg}

Dit is een gewichtstoename van 30% ten de standaard situatie, bladzijde 6.

schroef & as f

275000,-tandwielkast & koppeling f 322000,-e-motor

omvormer ₁ f

960000,-elektrische installatie & switchboard f 2000000,-IFO separators/heaters f

100000,-nood-/havengenerator f

150000,-dieselgeneratoren f

2250000,-totaal f

5967000,-Dit is een prijsstijging van 47% ten opzichte van de standaard situatie, bladzijde 6.