Improved algorithm for supervisory control and data acquisition of combined vessel’s energy system

Abstract

Main development trends of modern ship power systems have been analyzed. The purpose of the paper is the analysis of energy modes and the development of criteria for transitions between different modes of an integrated marine vessel’s power system, providing maximum efficiency in the use of fuel and motor resources of main vessel engines. It is proposed to identify, in addition to the shore-to-ship mode, four main operating modes in the presence of a synchronous machine on a propeller shaft and a converter that ensures an operation of this machine in both motor and generator modes. By dividing the main engine load into four levels – small, medium, nominal and large – an automatic system can accordingly control (or recommend in semi-automatic mode) the switching sequence of power equipment and actuating machines and mechanisms. Using a few container ships as an example, it is shown when the ship moves at a low speed, the main engine load becomes so low that it can be provided by diesel generators of the ship’s energy system (“Power-Take-Home” mode). This, on the one hand, allows to save fuel, and on the other hand increases the completeness of fuel oil consumption, since diesel generators operate at an optimal load unlike the main engine, the load of which reaches only 10 percent. Similarly, in case of medium loading of the main engine, it is recommended to switch to the power supply of ship’s grid from the main engine with the shaft generator (“Power-Take-Off” mode), and if it is necessary to obtain increased power of the propulsion system, the synchronous machine is switched to the engine mode powered by diesel generators (“Power-Take-In” mode). In addition, the ability to switch of these and main modes in emergency situations quickly increases the vessel’s survivability and safety. Based on the analysis, an algorithm for switching between modes is proposed, which can be implemented in Supervisory Control Ad Data Acquisition of ship’s energy systems, in particular, on a physical simulator at the National University “Odessa Maritime Academy”.

Проведено аналіз основних тенденцій розвитку сучасних суднових електроенергетичних систем. Метою роботи є аналіз енергетичних режимів і розробка критеріїв переходів між різними режимами комбінованої силової установки, що забезпечують максимальну ефективність використання палива і моторесурсу основних машин судна. Запропоновано виділити, крім режиму берегового живлення, чотири основні режими роботи при наявності в системі синхронної машини на гребному валу і перетворювача, що забезпечує роботу цієї машини в режимах двигуна та генератора. Розділивши навантаження головного двигуна на чотири рівні – мале, середнє, номінальне і велике – система автоматичного керування може відповідно управляти (або в напівавтоматичному режимі рекомендувати) послідовність перемикання комутаційної апаратури і виконавчих машин і механізмів. На прикладі суднових енергетичних установок деяких контейнеровозів показано, що при пересуванні судна з малою швидкістю навантаження головного двигуна стає настільки низького рівня, який може бути забезпечений дизель-генераторами електро-енергетичної системи (PTH mode). Це, з одного боку, дозволяє економити паливо, а з іншого боку підвищує повноту згоряння палива, так як дизель-генератори працюють при оптимальному навантаженні на відміну від головного двигуна, навантаження якого досягає лише десяти вілсотків. Аналогічно при неповному завантаженні головного двигуна рекомендується перехід на живлення всіх споживачів від головного двигуна з валогенератором (PTO mode), а при необхідності отримання підвищеної потужності пропульсивной системи - синхронна машина переводиться в режим двигуна з живленням від дизель-генераторів (PTI mode). Крім того, можливість швидкого перемикання між режимами PTH-PTO-PTI-MAIN в аварійних ситуаціях підвищує рівень живучості та безпеки судна. На підставі проведеного аналізу запропоновано алгоритм перемикання між режимами, який може бути реалізований в системі керування, диспетчеризації та збору даних суднових енергетичних систем, зокрема на фізичному тренажері в Національному університеті «Одеська морська академія».

Проведен анализ основных тенденций развития современных судовых электроэнергетических систем. Целью работы является анализ энергетических режимов и разработка критериев переходов между различными режимами комбинированной силовой установки, обеспечивающими максимальную эффективность использования топлива и моторесурса основных машин судна. Предложено выделить, кроме режима берегового питания, четыре основных режима работы при наличии в системе синхронной машины на гребном валу и преобразователя, обеспечивающего работу этой машины как в двигательном, так и в генераторном режиме. Разделив нагрузку главного двигателя на четыре уровня – малая, средняя, номинальная и большая – система автоматического управления может соответственно формировать (или в полуавтоматическом режиме рекомендовать) последовательность переключения коммутационной аппаратуры и исполнительных машин и механизмов. На примере силовых установок некоторых контейнеровозов показано, что при передвижении судна с малой скоростью нагрузка главного двигателя становится настолько низкого уровня, который может быть обеспечен дизель-генераторами судовой энергетической системы (PTH mode). Это, с одной стороны, позволяет экономить топливо, а с другой стороны повышает полноту сгорания топлива, так как дизель-генераторы работают при оптимальной нагрузке в отличие от главного двигателя, нагрузка которого достигает лишь десяти процентов. Аналогично при неполной загрузке главного двигателя рекомендуется переход на питание всех потребителей от главного двигателя с валогенератором (PTO mode), а при необходимости получения повышенной мощности пропульсивной системы – синхронная машина переводится в режим двигателя с питанием от дизель-генераторов (PTI mode). Кроме того, возможность быстрого переключения между режимами PTH–PTO–PTI–MAIN в аварийных ситуациях повышает уровень живучести и безопасности судна. На основании проведенного анализа предложен алгоритм переключения между режимами, который может быть реализован в системе управления, диспетчеризации и сбора данных судовых энергетических систем, в частности на физическом тренажере в Национальном университете «Одесская морская академия».