المراكب الداخلية لديها الكثير لتكسبه من الدفع الكهربائي للديزل

بقلم جوشوا سلاد سيباستيان ، ب • 4 رجب 1439

الدفع الكهربائي الديزل ليس مفهوما جديدا. ومثل محركات السيموت ، تخلف تطبيقها في السوق البحرية الداخلية عن المناطق الأخرى في الصناعة البحرية. وقد اكتسبت الديزل الكهربائية قوة في الصناعات حيث الاقتصاد في استهلاك الوقود والتكرار من أنظمة الدفع للسلامة أمر بالغ الأهمية. على وجه الخصوص ، تمتعت السفن مثل عبّارات المسافرين وسفن الإمداد البحرية بفوائد أنظمة الكهرباء بالديزل. وتشارك صناعة القطر الداخلي العديد من هذه المخاوف ، وسوف تستفيد من النظر في تكنولوجيا الديزل الكهربائية كجزء من عملية التصميم الهندسي الشامل.

في أوائل عام 2017 ، شرعت مجموعة شيرر ، شركة (TSGI) ، جنبا إلى جنب مع قسم البحرية في ABB ، على دراسة تطبيق تكنولوجيا الديزل الكهربائية في صناعة البحرية الداخلية. في البداية ، بحثت شركة TSGI عن الدفع الكهربائي بواسطة الديزل لقوارب السحب في عام 2007 ، ولكن في ذلك الوقت لم تكن التكنولوجيا والسعر خيارًا مناسبًا للسوق. ومع ذلك ، في السنوات القليلة الماضية ، غيرت بعض التغييرات الصناعية الأساسية المعادلة ، مما يجعل خيار الديزل الكهربائي خيارًا قابلاً للتطبيق عند التخطيط لقارب جديد.

ما هو الديزل الكهربائية الدفع؟

وببساطة ، فإن الدفع الكهربائي بالديزل هو مفهوم يستخدم محطة طاقة كهربائية تتكون من مولدات طاقة متعددة تقوم بتطوير الطاقة الكهربائية لمحطة الدفع عن طريق استخدام المحركات الكهربائية. يتكون نظام الدفع الكهربائي من مولدات كهربائية ، ونظام توزيع كهربائي ، ومحركات تردد متغيرة ، ومواتير دفع كهربائية ، ونظام تحكم.

توفر الأنظمة الميكانيكية التي تعمل بالديزل كفاءة فائقة في نطاق ضيق جدًا من العمليات ، التي تزيد عادةً عن 60٪ MCR. على هذا النحو ، من المهم تحديد دورة التشغيل الإجمالية للمحركات على مدار فترة زمنية طويلة. تعمل الديزل الكهربائية على تحسين كفاءة نظام دفع السفن عن طريق توسيع نطاق العمليات المثلى وتوفير المزيد من الكفاءة الكلية في نطاقات خارج المدى الأمثل لنظام الدفع الميكانيكي.

تحت مظلة الدفع الكهربائي الديزل ، هناك العديد من المتغيرات الموجودة في السوق اليوم:

الهجين (PTO / PTI)

تستفيد الأنظمة الهجينة من خط المحور الميكانيكي مع الإقلاع عن الطاقة وتأخذ الطاقة (PTO / PTI) ، مع نظام توليد كهربائي. يجمع هذا النظام بين فائدة الدفع المباشر من خلال صندوق تروس مع مرونة "تعزيز الطاقة" من النظام الكهربائي للسفينة ، ولكنه يسمح أيضًا بتشغيل المحركات الرئيسية بكفاءة أكبر من خلال توفير الطاقة الكهربائية للسفينة عندما تكون الطاقة لا حاجة لأغراض الدفع. عندما تكون هناك حاجة إلى مزيد من الطاقة ، تعمل المولدات كمحركات توفر طاقة إضافية للأعمدة عبر PTO / PTI. أثناء التشغيل المنخفض للطاقة ، يمكن أن تطفو المحركات الرئيسية ويمكن أن يعمل الوعاء على المحرك الكهربائي وحده ، أو يمكن للمحركات الرئيسية أن تزود قوة الدفع ، وكذلك قوة PTO / PTI لتزويد الطاقة الكهربائية للأحمال الإضافية.

نظام تكييف الهواء

إن نظام التيار الكهربائي الديزل A / C هو أكثر نظام كهربائي ديزل تقليدي ومشترك في الماء اليوم. وتتكون من محطة توليد طاقة كهربائية بها عدة مولدات توفر الطاقة لجميع الأحمال على السفينة ؛ الدفع ، مساعدة ، والفندق. يتم توفير الطاقة من لوحة التبديل لمحركات الدفع عبر محركات التردد المتغيرة من أجل السماح للمحركات بالعمل في أي عمودي RPM تقريبًا.

D / C النظام

يتشابه نظام D / C الكهربائي مع نظام A / C لكنه يقدم بعض التحسينات في بعض المناطق. يتم تصحيح التيار المتردد من المولد إلى DC في المولد ويتم توزيعه مباشرة من خلال لوحات المفاتيح. ثم يتم عكس تيار التيار المستمر مرة أخرى عند الضرورة لتوفير طاقة التيار المتردد لأحمال الدفع والفنادق. أنظمة التيار المباشر أصغر وأخف وزناً بشكل عام ، مع أجزاء أقل داخل لوحات المفاتيح. توفر أنظمة الدفع المعتمدة على DC أقصى فائدة عند دمجها مع نوع من تخزين الطاقة حيث يمكن لشبكة التيار المستمر أن تسمح للبطاريات بتوفير استجابة فورية للطاقة للنظام الكهربائي للسفينة.

ديزل كهربائية مع تخزين الطاقة

عندما يتم الجمع بين أنظمة الطاقة الكهربائية والديزل مع تخزين الطاقة ، تستمر فوائد أنظمة الكهرباء بالديزل في التحسن. بالنسبة للتطبيق البحري النموذجي ، يمكن أن يساعد استخدام بطاريات Lithium Ion (Li-ion) في إضافة احتياطي التدوير ، وحلق الذروة ، وعمليات انبعاثات صفرية لزيادة الكفاءة الكلية للأوعية.

كيف تتناسب ديزل الكهربائية في السوق الداخلية

حتى الآن ، تجاوز معظم التركيز على الديزل الكهربائي في سوق القطر الداخلي. ومع ذلك ، تعمل شركة TSGI مع مهندسين من ABB لتطوير وضبط مفهوم تصميم القارب الكهربائي الديزل. الدافع لجهد التصميم هذا هو المظهر التشغيلي التقليدي للقطارات. عندما طلبنا من المالكين كيفية تشغيل سفنهم ، يعتقد معظمهم أن ما بين 80 في المائة إلى 100 في المائة يحملون ما يقرب من 100 في المائة من الوقت. في الواقع ، وجدنا أن بيانات المحرك الفعلية من السفن العاملة في الأنهار كانت مختلفة تمامًا.

وبدلاً من العمل بأكثر من 80 بالمائة من الأحمال في معظم الوقت (كما كان يعتقد سابقاً) ، وجدنا أن المظهر التشغيلي للأوعية التي قمنا بالتحقيق فيها قضى وقتًا أقل بكثير يتجاوز 80 بالمائة مما كان يعتقد في السابق. بالنسبة لعدد من المشغلين في أجزاء مختلفة من الأنهار الداخلية ، تنفق القوارب الفعلية معظم الوقت أقل من 50 في المائة من الطاقة الكلية ، مع وجود قمم قصيرة فوق 80 في المائة. وهذا ما يتيح الفرصة للكهرباء التي تعمل بالديزل لإحداث تأثيرات إيجابية على التكاليف التشغيلية المرتبطة بتشغيل زورق على الأنهار الداخلية.

تعتبر عمليات تشغيل السفن مهمة جدا في تحديد مدى ملاءمة نظام كهربائي ديزل لسفينة معينة. تمثل كل من نماذج العينات بيانات تشغيلية حقيقية على مدار 365 يومًا من التشغيل لمختلف السفن.

يوفر الدفع الكهربائي الديزل هذه الوفورات من مجموعة متنوعة من الفوائد. يتم سرد آلات الدفع لكل قطره 2،400 HP أدناه:

الآلات النموذجية 2،400HP:

-محرك السرعة: 2 x 1،200HP من الفئة IV محركات

-المولدات: 2 x 200kW Tier III Generators

2،400HP ديزل آلات كهربائية:

توليد الطاقة: 4 × 800hp مولدات المستوى الثالث

بالنسبة إلى القارب الميكانيكي ، عند أي حمل محرك من الخمول إلى 100 بالمائة ، يتم تشغيل ثلاثة محركات على الأقل للحفاظ على المناورة الكاملة بالإضافة إلى الحمل الكهربائي للمنزل. لكن وقود الديزل يعمل على عدد محسّن من المحركات. من العطل إلى حوالي 25 في المائة ، يلزم تشغيل محرك واحد فقط لتوفير الدفع إلى مهاتين بالإضافة إلى الحمل الكهربائي للمنزل إلى السفينة. فقط عند الأحمال العالية (عادةً> 80٪) يفقد كهربائي الديزل بعض مكاسب الكفاءة على نظام الدفع الميكانيكي.

ما وراء الوقود الادخار

كما توفر أنظمة الدفع الكهربائية بالديزل فوائد تتجاوز توفير الوقود. أثناء عملية التصميم ، يجب مراعاة عناصر مثل تكرار أنظمة الدفع ، استهلاك وتخزين اليوريا ، وصيانة المحرك.

كما يضيء الديزل الكهربائي فيما يتعلق بالتكرار والسلامة. مع أي محرك قادر على توفير الطاقة لمحرك الدفع ، يمكن للمشغل تقليل تأثير فشل المحرك الرئيسي. على النظام الميكانيكي ، يؤدي فقدان المحرك الرئيسي إلى خسارة 50٪ من الدفع وعمود كامل. في القارب الكهربائي للديزل ، يؤدي فقدان مجموعة المولدات فقط إلى خسارة 25 بالمائة من الطاقة القصوى المتاحة بينما لا تزال قادرة على توفير الطاقة لكل من الممرات. وبالمثل ، مع فقدان مولد على نظام ميكانيكي ، ليس لدى السفينة الآن احتياطيًا للأحمال المنزلية والإضافية. يمكن للنظام الكهربائي الديزل الحفاظ على توفير الطاقة مع نسخ احتياطية متعددة للتوليد الكهربائي.

إن استخدام مولدات Tier III يزيل متطلبات محركات Tier IV ، التي تستخدم تكنولوجيا SCR أو EGR لتلبية متطلبات الانبعاثات. إذا كانت السفينة تستخدم اليوريا لـ SCR ، مع معدل نمو DEF نموذجي يبلغ 5٪ ، فيجب أن يتكيف تصميم السفينة الجديدة مع خزان اليوريا ، و SCR ، وأنبوب العادم الإضافي.

فائدة أخرى تشمل جداول صيانة المحرك. من خلال تقليل عدد المحركات التي تعمل إلى رقم مثالي ، فإن الدفع الكهربائي بالديزل يقلل من عدد ساعات المحرك التي يتم إنفاقها في الأحمال الجزئية. يمكن للسفينة التي تنفق 40 في المائة من وقت تشغيلها بأقل من 50 في المائة من حمل الدفع أن تبقي ساعات على محركين بدلاً من ثلاثة إذا ما قورنت بنظام ميكانيكي. ولأن السفينة تحتوي فقط على نوع واحد من المحركات على متنها ، يمكن تقليل عدد قطع الغيار لكل من السفينة ودعم الجانب الساحلي.

هو الديزل الكهربائية بالنسبة لك؟

الديزل الكهربائي ، تماما مثل محركات الأقراص السمعية ، قد يكون أو لا يكون أفضل حل لجميع التشكيلات التشغيلية على النهر. ومع ذلك ، فإنه يوفر مزايا واضحة في العديد من السيناريوهات وينبغي اعتباره جزءًا من عملية اتخاذ القرار العامة عند تصميم السفينة. تتجاوز الفوائد مجرد وفورات في التكاليف التشغيلية من خلال توفير المزيد من الأمان التشغيلي والإفراط في العمل لزوارق القطر.

المؤلف

جوشوا سلاد سيباستيان ، PE ، هو مدير الهندسة في شركة Shearer Group، Inc. (TSGI). تود شركة TSGI أن تشكر قسم Marine في ABB للمساعدة في التصميم الكهربائي للقارب الكهربائي لمفهوم الديزل وتوفير بعض المعلومات الفنية لهذه المادة .

(كما نشر في طبعة مارس 2018 من Marine News )