Investigation of optimized design and operation of ship electric power system with emphasis on the generation subsystem

Abstract

Traditionally, on ships, consumers are supplied by energy systems consisting of generating sets that contribute proportionally to their rated power. As shipping becomes more competitive and environmental regulations are already being imposed, it has become necessary to examine more economical architectures. Among them, shaft generators and electric propulsion are gaining ground, while alternative energy sources are becoming more attractive. However, these technologies have their own particularities, which, in order to constitute a worthwhile investment, require proper integration and management. In this doctoral dissertation, the benefits of adopting shaft generators were investigated and new load distribution methods were proposed that contribute to a significant increase in the operational performance of a ship. Also, many cost aspects were taken into account and a valuable tool was produced to assist in the design of an electrical power generation plant. Initially, traditional electricity generation facilities with diesel engine generating sets were compared with hybrid facilities that also include shaft generators. The use of the latter was found to be very beneficial, since it allows a significant increase in the safe operating area of the installation, enabling the ship to expand its operational profile without risk to the equipment. Additionally, a notable reduction in fuel consumption – and therefore in exhaust emissions – was achieved, reducing the overall operating cost of the ship. This is mainly observed when the ship supplies large electrical loads, such as during loading / unloading, refueling at sea, etc., and in some cases achieves an improvement of up to 12.7%. If overloading of the engines is allowed and increased exhaust emissions are tolerated, this improvement can reach 24.3%. Subsequently, a new algorithm was developed, based on the Lagrange method, for the optimal load distribution between diesel generators and shaft generators of various types and sizes. This was compared to the classical proportional allocation method, which is widely used, and was found to achieve an additional gain of 4.2% with normal generator loading and 5.3% with overloading. This algorithm was gradually enhanced by emphasizing the technical constraints of the equipment and also by including more cost factors, such as maintenance and start-up costs. IMO environmental constraints were also taken into account. Expanding its scope, this study went beyond power generation facilities and extended to ship speed optimization for demand management. Using dynamic programming and real operational equipment data, various realistic scenarios were examined, starting with a traditional platform with diesel generators and propulsion engines and gradually introducing optimal power distribution, environmental constraints, optimal propulsion control and shaft generators. It became evident that each upgrade improves various aspects of the ship's operation, such as electrical power generation, efficiency and exhaust emissions, showing savings of up to 3.8%. All these calculation systems can be integrated into any existing ship with negligible financial burden. Further extension of the algorithm includes the costs of fuel and lubricants, redundant units and reliability, purchase and installation, maintenance and crew payroll. Borrowing and investment systems are also considered and a realistic profile of a real ship is used, together with real equipment specifications. All this is covered by a suitable new calculation method, which uses exhaustive calculations of all possible combinations of machinery and the memoization method to increase its speed. This development has produced a very powerful tool for the designer of a ship and of her propulsion and power plant, allowing the optimal selection of machinery, so that they are now suitable for a range of real requirements. At the same time, a way of measuring the economic viability of such an investment was introduced. This is the cost difference of the maximum available capital per power unit of installed shaft generator, which shows whether the additional capital for this particular investment can be amortized by the operating cost reduction. Together with sensitivity analysis in terms of fuel costs, operational life, interest rate, propulsion power duration curve etc., it becomes clear that the installation of shaft generators can be economically viable, especially for long voyages at low speed.

Παραδοσιακά στα πλοία, οι καταναλωτές τροφοδοτούνται από ενεργειακά συστήματα αποτελούμενα από ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη που συνεισφέρουν αναλογικά με την ονομαστική τους ισχύ. Καθώς η ναυτιλία γίνεται περισσότερο ανταγωνιστική και ήδη επιβάλλονται περιβαλλοντικοί κανονισμοί, έχει καταστεί αναγκαία η εξέταση οικονομικότερων αρχιτεκτονικών. Μεταξύ αυτών, οι αξονικές γεννήτριες και η ηλεκτροπρόωση κερδίζουν έδαφος, ενώ οι εναλλακτικές πηγές ενέργειας γίνονται πιο ελκυστικές. Όμως, οι τεχνολογίες αυτές έχουν τις δικές τους ιδιαιτερότητες, οι οποίες για να αποτελέσουν αξιόλογη επένδυση, χρειάζονται πρέπουσα ενσωμάτωση και διαχείριση. Στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή, εξετάστηκαν τα οφέλη της υιοθέτησης αξονικών γεννητριών και προτάθηκαν νέες μέθοδοι κατανομής φορτίου που συμβάλουν στη σημαντική αύξηση της λειτουργικής επίδοσης ενός πλοίου. Επίσης, ελήφθησαν υπόψη πολλές πτυχές κόστους και παρήχθη ένα πολύτιμο εργαλείο υποβοήθησης της σχεδίασης μιας εγκατάστασης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Αρχικά, οι παραδοσιακές εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη ντιζελομηχανών συγκρίθηκαν με υβριδικές εγκαταστάσεις που περιλαμβάνουν και αξονικές γεννήτριες. Η χρήση των τελευταίων ευρέθη να είναι πολύ ωφέλιμη, αφού επιτρέπει σημαντική αύξηση της ασφαλούς περιοχής λειτουργίας της εγκατάστασης, δίνοντας τη δυνατότητα στο πλοίο να επεκτείνει το λειτουργικό του προφίλ χωρίς κίνδυνο για τον εξοπλισμό. Επιπρόσθετα, επετεύχθη αξιοσημείωτη μείωση στην κατανάλωση καυσίμου – και συνεπώς στις εκπομπές καυσαερίων – μειώνοντας το συνολικό κόστος λειτουργίας του πλοίου. Αυτό παρατηρείται κυρίως όταν το πλοίο τροφοδοτεί μεγάλα ηλεκτρικά φορτία, όπως κατά τη διάρκεια της φόρτωσης / εκφόρτωσης, του ανεφοδιασμού εν πλω κλπ., και σε ορισμένες περιπτώσεις επιτυγχάνει βελτίωση έως και 12.7%. Εάν επιτραπεί η υπερφόρτωση των μηχανών και γίνει ανεκτή η αυξημένη εκπομπή καυσαερίων, η βελτίωση αυτή μπορεί να φτάσει το 24.3%. Ακολούθως, ένας νέος αλγόριθμος αναπτύχθηκε, βασισμένος στη μέθοδο Lagrange, για τη βέλτιστη κατανομή φορτίου μεταξύ γεννητριών ντίζελ και αξονικών γεννητριών διαφόρων τύπων και μεγεθών. Αυτή συγκρίθηκε με την κλασική μέθοδο αναλογικής κατανομής, που χρησιμοποιείται ευρέως, και βρέθηκε να επιτυγχάνει επιπρόσθετο κέρδος 4.2% με κανονική φόρτωση γεννητριών και 5.3% με υπερφόρτωσή τους. Ο αλγόριθμος αυτός ενισχύθηκε σταδιακά δίνοντας έμφαση στους τεχνικούς περιορισμούς του εξοπλισμού και επιπλέον με την συμπερίληψη περισσοτέρων παραγόντων κόστους, όπως της συντήρησης και του κόστους εκκίνησης. Οι περιβαλλοντικοί περιορισμοί του IMO επίσης ελήφθησαν υπόψη. Επεκτείνοντας το εύρος της, η συγκεκριμένη μελέτη ξεπέρασε τις εγκαταστάσεις ηλεκτροπαραγωγής και επεκτάθηκε στη βελτιστοποίηση της ταχύτητας του πλοίου για διαχείριση ζήτησης. Χρησιμοποιώντας δυναμικό προγραμματισμό και πραγματικά λειτουργικά δεδομένα εξοπλισμού, διάφορα ρεαλιστικά σενάρια εξετάστηκαν, ξεκινώντας με μία παραδοσιακή πλατφόρμα με γεννήτριες ντίζελ και προωστήριες μηχανές και εισάγοντας σταδιακά βέλτιστη κατανομή ισχύος, περιβαλλοντικούς περιορισμούς, βέλτιστη ρύθμιση πρόωσης και αξονικές γεννήτριες. Έγινε φανερό ότι κάθε αναβάθμιση βελτιώνει διάφορες πτυχές της λειτουργίας του πλοίου, όπως την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος, την απόδοση και τις εκπομπές καυσαερίων, εμφανίζοντας εξοικονομήσεις έως και 3.8%. Όλα αυτά τα συστήματα υπολογισμών μπορούν να ενσωματωθούν σε κάθε υφιστάμενο πλοίο με αμελητέα οικονομική επιβάρυνση. Περαιτέρω επέκταση του αλγορίθμου περιλαμβάνει τα κόστη καυσίμου και λιπαντελαίου, των πλεοναζουσών μονάδων και της αξιοπιστίας, της αγοράς και της εγκατάστασης, της συντήρησης και της μισθοδοσίας του πληρώματος. Συστήματα δανεισμού και επενδύσεων επίσης εξετάζονται και ένα ρεαλιστικό προφίλ αληθινού πλοίου χρησιμοποιείται, μαζί με πραγματικές προδιαγραφές εξοπλισμού. Όλα αυτά καλύπτονται από μία κατάλληλη νέα υπολογιστική μέθοδο, που χρησιμοποιεί εξαντλητικούς υπολογισμούς όλων των δυνατών συνδυασμών μηχανημάτων και τη μέθοδο της απομνημόνευσης για αύξηση της ταχύτητάς του. Αυτή η εξέλιξη παρήγαγε ένα πολύ ισχυρό εργαλείο για τον σχεδιαστή ενός πλοίου και για την εγκατάσταση πρόωσης και ενέργειάς του, επιτρέποντας τη βέλτιστη επιλογή μηχανημάτων, ώστε αυτά να είναι πλέον κατάλληλα για ένα εύρος πραγματικών απαιτήσεων. Παράλληλα, εισήχθη ένας τρόπος μέτρησης της οικονομικής βιωσιμότητας μιας τέτοιας επένδυσης. Αυτό είναι η διαφορά του κόστος του μεγίστου διαθεσίμου κεφαλαίου ανά μονάδα ισχύος εγκατεστημένης αξονικής γεννήτριας, που δείχνει εάν το πρόσθετο κεφάλαιο για τη συγκεκριμένη επένδυση μπορεί να αποσβεστεί από τη μείωση του λειτουργικού κόστους. Μαζί με ανάλυση ευαισθησίας ως προς το κόστος καυσίμου, τη λειτουργική διάρκεια ζωής, το επιτόκιο, την καμπύλη διάρκειας ισχύος πρόωσης κλπ, γίνεται φανερό ότι η εγκατάσταση αξονικών γεννητριών μπορεί να είναι οικονομικά βιώσιμη, ειδικά για μεγάλους πλόες με χαμηλή ταχύτητα.