Frekvensomriktardrift av sjökylvattenpumpar: Ett underlag för konvertering från strypreglering

Examensarbete

Frekvensomriktardrift av

sjökylvattenpumpar

- ett underlag för konvertering från strypreglering

Författare: Josef Almert David Ljung Handledare: Tobias Hedin Examinator: Joakim Heimdahl Termin: VT18

Linnéuniversitetet

Sjöfartshögskolan i Kalmar

Utbildningsprogram: Sjöingenjörsprogrammet Arbetets omfattning: Självständigt arbete, 15hp

Titel: Frekvensomriktardrift av sjökylvattenpumpar – ett underlag för konvertering från

strypreglering

Författare: Josef Almert och David Ljung

Handledare: Tobias Hedin

Abstrakt

Det här projektet är utfört samarbete med maskinbesättningen på sjöfartsverkets isbrytare. Syftet med detta arbete är att belysa fördelarna av konvertering från

strypreglering till varvtalsreglering, av sjökylvattenpumparna på deras isbrytare. Detta med hjälp av frekvensomriktare.

Energieffektivisering är något som prioriteras på dagens fartyg, där allting byggs och optimeras för att vara så kostnadseffektivt som möjligt. Gamla fartyg har ofta äldre system som är ineffektiva ur energisynpunkt då tekniken vid byggnadstillfället var begränsad. Dagens teknik blir billigare och billigare vilket gör att fler är villiga till att fasa ut de gamla ineffektiva systemen med strypreglering mot nya varvtalsreglerade system.

Resultatet blev att redan efter tre till fyra år så lönar det sig att installera frekvensomriktare. Bränslekostnaderna för att köra två kylvattenpumpar med frekvensomriktare vid 60 % last, ger en besparing på 16961 kronor i

bränsleförbrukning. Att köra sjökylvattenpumparna med frekvensomriktare kommer att bidra till ett minskat slitage på pump och rörsystem, det kommer även att generera ett minskat CO2 utsläpp vilket är gynnsamt ur miljösynpunkt.

Slutsatsen blev att det var lönsamt att installera frekvensomriktare, både ur miljö- och kostnadssynpunkt.

Linnaeus University

Kalmar Maritime Academy

Degree course: Marine Engineering Level: Diploma thesis 15 ETC

Title: Frequency converter operation of sea water pumps – a base for conversion from

throttling control

Author: Josef Almert and David Ljung Technical supervisor: Tobias Hedin

Abstract

This project has been conducted in cooperation with the engine crew onboard the Swedish Maritime Administration's icebreakers. The purpose of this work is to highlight the benefits of conversion from throttling control to frequency control, of the sea water pumps on their icebreakers. This by means of a frequency converter.

Energy efficiency is something that is prioritized on modern ships, where everything is built and optimized to be as cost-effective as possible. Old ships do often have older systems that are inefficient from an energy point of view, as the technology at the time of construction was limited. Today's technology is getting cheaper and cheaper, which makes more people willing to phase out the old inefficient systems with throttle regulation, against new frequency-controlled systems.

The result was that after three to four years, it would be worth installing a drive. The fuel costs for running two cooling water pumps with a 60% load drive will generate a saving of 16961 SEK in fuel consumption. Running the sea water pumps with

frequency drives will help reduce wear and tear on pump and pipe systems, it will also generate a reduced CO2 emission, which is beneficial from an environmental point of view.

The conclusion was that it was profitable to install frequency converters, both from an environmental and cost point of view.

Nomenklatur

Frekvensomriktare - En frekvensomriktare styr motorns varvtal genom att ändra elnätets

frekvens med hjälp av dioder och transistorer.

Propellermotor - En likströmsmotor som är direkt kopplad till fartygets propeller. PT-100-givare - En temperaturgivare som har en resistans på 100 ohm vid 0 grader

Celsius, vid temperaturökning så ökar också motståndet i givaren och på så sätt kan temperaturen fördelaktigt mätas.

Pleigerventil - En pneumatisk trevägsventil.

Hylstätningar - En tätning som tätar propelleraxeln där den går igenom skrovet och

håller vattnet på utsidan.

Skott - Avgränsning mellan två utrymmen på ett fartyg.

Smörjoljekylare - En värmeväxlare, där sjövattnet används för att kyla smörjoljan. Bunker - Term för fartygsbränsle.

MGO - Marine Gas Oil.

Spant - Den invändiga stommen i fartygsskrov. Stäv - Ett fartygs för- eller akterände.

Kaskadreglering - Reglering av exempelvis temperatur, med flera mätpunkter. H - Uppfordringshöjd [m].

h - Geodetisk höjd [m]. p - Statiskt tryck [Pa]. ρ - Densitet [kg/m3_]. g - Tyngdacceleration [m/s2]. c - Hastighet [m/s]. hf - Höjdförlust [m]. Q - Volymflöde [m3_/s]. D - Pumphjulsdiameter [mm].

Tack till

Maskinbesättningen på Isbrytaren Frej och Isbrytaren Atle. Charlotte Bøgstedt, Wärtsilä Svanehøj.

Tobias Hedin, KMA. Stefan Fagergren, KMA.

Innehåll

3.1.1 Nuvarande energi och bränsleförbrukning per år _________________ 15 3.1.2 Nuvarande kostnad per år ____________________________________ 15 3.1.3 Kostnad för inköp och installation av en frekvensomriktare __________ 16 3.1.4 Kostnad för inköp och installation av en Pleigerventil ______________ 16 3.1.5 Årskostnad för underhållsarbetet på en Pleigerventil _______________ 16 3.1.6 Frekvensomriktarens inverkan på underhållsarbetet _______________ 16 3.1.7 Största nackdelen med installationen ___________________________ 16 3.1.8 Tabell över sjökylvattenpumpens effektuttag vid varierande belastning 17 3.1.9 Förtydligande av resultat ____________________________________ 17 3.1.10 Jämförelsediagram ________________________________________ 18 4 Diskussion _______________________________________________________ 21 4.1 Felkällor _____________________________________________________ 22 Referenser ________________________________________________________ 23 Bilagor ___________________________________________________________ 25

-1 Inledning

Detta projekt är utfört i samarbete med Sjöfartsverket. Sjöfartsverket ville få kunskap om fördelar och nackdelar med frekvensstyrning av sjövattenpumparna till

propellermotorerna, på deras isbrytare Atle. I utgångsläget så styrs

sjövattentemperaturen med hjälp av pneumatiska trevägsventiler som reglerar mängden sjövatten till kylarna. Dessa, så kallade “Pleigerventiler”, förbrukar mycket luft och kräver en hel del underhåll för att upprätthålla sin funktion. Sjökylvattenpumparna har en onödigt hög strömförbrukning då de går på full effekt vid drift. Det skulle kunna besparas en del energi med hjälp av frekvensstyrda motorer som reglerar

sjövattentemperaturen till propellermotorerna, med hjälp av en temperaturgivare av modell ”PT100”, monterad i rummet.

1.1 Bakgrund

Behovet av isbrytning uppkom på senare delen av 1800-talet när segelfartygen

tvingades avsluta seglationsperioden i oktober/november. Seglationen kunde inte upptas igen förrän normalt i maj månad. Eftersom import och exportgodset främst

transporterades till havs så var det önskvärt att kunna förlänga skeppningssäsongen i svenska farvatten (Fischerström 1997, 10-15). Dåtidens lastfartyg var små med svag maskinstyrka och hade svårt att ta sig fram i havsis eller fast skärgårdsis.

I Sverige byggdes de första isbrytarna för att arbeta i anslutning till de större hamnarna. Det började i Göteborg, vars hamn hade stängt i tre månader under vintern 1881, på grund av is. Året därpå byggdes Sveriges första isbrytare vid namn Isbrytaren 1. Vintern 1883 kom hon i tjänst och fyllde sin uppgift så väl, att dessa farleder med få undantag kunde utnyttjas även under stränga isvintrar (Fischerström 1997, 10-15). Sedan 1926 har isbrytarverksamheten bedrivits av den svenska staten men ansvaret för själva isbrytningen ligger på Sjöfartsverket (Sjöfartsverket 2017a).

Isbrytarverksamheten leds av isbrytarledningen från huvudkontoret i Norrköping. Sjöfartsverket ser till att alla svenska hamnar kan ha öppet året runt genom att bryta is till havs, dirigera, leda och bogsera fartyg som har problem att ta sig fram under svåra isförhållanden.

Sjöfartsverket har fem isbrytare: Ale, Atle, Frej, Ymer och Oden (Sjöfartsverket 2017b). Atle, Frej och Ymer ligger under klassen Atle och är konstruktions- och

prestandamässigt identiska med varandra (Fischerström 1997, 159-171). Atletypen är försedd med dubbelbotten och är indelad i tio vattentäta avdelningar.

Skrovkonstruktionen är förstärkt gentemot traditionella fartyg med en spantbredd på 800 millimeter. Fartygen är förstärkta längs hela bordläggningen. Plåttjockleken i isbältet är 32 millimeter förskepps, 30 millimeter i akterskepp och 28 millimeter i midskeppsdelen (Fischerström 1997, 162). Atletypens framdrivningsmaskineri är dieselelektriskt och består av fem dieselmotorer som är direkt kopplade till fem

likströms dubbelankar-generatorer som driver fyra stycken propellermotorer, varav två förliga och två akterliga. För- och aktermotorerna är i sin konstruktion identiska med varandra, men aktermotorerna har en effekt på 2455 kW vid 190 rpm och de förliga motorerna har en effekt på 1605 kW vid 250 rpm (Wärtsilä 1974, 54).

Fartygets egna elnät är ett trefas 400-volts nät på 50 Hz och matas från fyra

dieselmotorer som är kopplade till varsin synkrongenerator som har en nominell effekt på 785 kVA vid 750 rpm. Detta nät är helt frånskilt från fartygets framdrivningsnät (Wärtsilä 1974, 206).

Ale sjösattes 1973 och byggdes för att möjliggöra sjöfart på Vänern året runt. Hon är den minsta statsisbrytaren eftersom hon måste kunna passera Trollhätte kanal. Istället för propellrar i fören har hon ett luftbubblingssystem för att minska friktionen mellan skrovet och isen (Fischerström 1997, 148).

Isbrytaren Oden är byggd med en helt annan skrovtyp gentemot Atle-klassen med en stävkonstruktion som pressar ner isen och för den åt sidorna. Oden har en skrovtjocklek på 50 millimeter. Hon har inga propellrar i fören och maskineriet är ett konventionellt dieselmekaniskt system. Hon är även utrustad med två stycken centrifugalpumpar som spolar 9000 kubikmeter vatten i timmen genom dysor i fören för att minska friktionen mellan skrovet och isen. (Fischerström 1997, 201).

När de nuvarande svenska isbrytarna projekterades i början av 1970 talet så uppskattades deras livslängd till ca 30 år. Under åren som gått har en del livstidsförlängande åtgärder vidtagits i form av utbyte av maskinutrustning, övervakning m.m. (Sjöfartsverket 2017c, 7).

Isbrytaren Atle har varit i tjänst sedan 1974 och maskineriet börjar bli utdaterat

(Sjöfartsverket 2018). Den senaste livstidsförlängningen som gjordes år 2010, bestod av att byta ut fartygets gamla sjövattenrör mot nya korrosionsbeständiga sådana. Även sjövattenkylarna byttes ut mot nya (Detta då en utav författarna till detta arbete var ombord). Ett steg i livstidförlängningen är att installera frekvensomriktare på sjökylvattensystemets pumpar.

1.2 Pumpkaraktäristik

Pumpkurvan beskriver sambandet mellan pumpens volymflöde och uppfordringshöjd (Björkner 2010, 34-35). Kurvans utseende kallas även pumpkaraktäristik. Pumpkurvan beskriver, med hjälp av detta, pumpens egenskaper. För att få fram en pumpkurva så måste tryck samt volymflöde läsas av, vid varierande motstånd i systemet. Motståndet i systemet ändras vanligtvis genom att en ventil på pumpens trycksida stryps stegvis, därefter kan tryck och flöde läsas av. Dessa värden förs sedan in i diagrammet (Alvarez 2006, 143-146).

En pump är en anordning som uppfordrar eller transporterar vätska. Det finns många varianter och utföranden men i huvudsak är det två grundläggande driftsprinciper; förträngningspumpar och centrifugalpumpar. I följande text kommer pumparnas arbetsprinciper och tillämpningsområden att förklaras.

1.2.1 Centrifugalpump

Centrifugalpumpen bygger på en enkel arbetsprincip: Vätska leds in vid pumphjulets nav och slungas utåt, mot pumphjulets periferi med hjälp av centrifugalkraften

(Björkner 2010, 20-24). Konstruktionen är billig, pålitlig och enkel och pumpens höga varvtal gör att den enkelt kan kopplas till en asynkronmotor utan någon växel eller liknande. Centrifugalpumpen ger ett jämt vätskeflöde som kan regleras antingen via att strypa på strypventilen på pumpens trycksida eller genom att sänka pumpens varvtal (Björkner 2010, 18). Centrifugalpumpar används för många ändamål som till exempel, cirkulationspumpar i värmesystem, luftkonditioneringssystem, eller

tappvarmvattensystem. I dagens industri används nästan uteslutande centrifugalpumpar som transportmedel för vätska (Björkner 2010, 54-59).

1.2.2 Förträngningspump

Förträngningspumpar eller deplacerande pumpar som de även kallas, har en tvingad strömning, vilket betyder att för varje varv eller slag som pumpen gör så flyttas en given vätskemängd och kan på så sätt bygga upp ett väldigt högt tryck. Till skillnad från centrifugalpumpen så får de deplacerande pumparna ej köras mot stängd tryckventil p.g.a trycket som uppstår. De deplacerande pumparna är har ofta inbyggda

överströmningsventiler för att skydda pump och rörsystem. Flödet regleras vanligen genom varvtalsreglering (Björkner 2010, 29-34).

1.2.3 Systemkurva

Med systemkurva menas summan av den statiska höjden och förlusterna i rörsystemet vid olika flöden. Systemkurvan visar hur rörsystemets uppfordringshöjd varierar med pumpens flöde. Förlusterna utgörs mestadels av den statiska uppfordringshöjden, friktionsförluster i rörledningar, ventiler, böjar m.m. difftryck mellan tryck och sugsida och hydraulisk friktion. För beräkning av systemkurvan behöver man ta reda på

systemets statiska och dynamiska uppfordringshöjd.

För att beräkna uppfordringshöjden enligt Alvarez (2006, 143), med hänsyn till förluster, används ekvationen:

H = ℎ2 − ℎ1 +𝑝2−𝑝1 ρ𝑔 +

𝑐22−𝑐12

2𝑔 + ∆ℎ𝑓12 (1.0)

1.2.4 Statisk uppfordringshöjd

Enkelt beskrivet är det nivåsklillnaden mellan de olika nivåerna som vätskan skall transporteras mellan. En tank som är placerad två meter över en pump så är den statiska uppfordringshöjden två meter (Alvarez 2006, 116-117).

1.2.5 Dynamisk uppfordringshöjd

Den dynamiska uppfordringshöjden är det motstånd som uppstår i rörledningar, filter, ventiler, värmeväxlare och andra komponenter i systemet när vätskan är i rörelse. Ju fler ventiler och krökar i ett rörsystem desto större motstånd har rörledningen. Om

flödeshastigheten är högre så blir systemkurvan brantare. Motståndet ökar kvadratiskt med flödeshastigheten och gör den till den största faktorn som påverkar systemkurvan men även rörens innerdiameter, ytråhet, rörlängd och vätskans densitet spelar roll.

Räknar man fram summan av tryckfallen i rörledningar och komponenter och översätter tryckfallet till höjdförluster så får man fram systemkurvan (Alvarez 2006, 116-117).

1.2.6 Strypreglering

Vid strypreglering så går pumpen med ett konstant varvtal. En ventil reglerar flödet på pumpens trycksida genom att öppna eller stänga till önskad position. Ventilen brukar antingen regleras manuellt eller pneumatiskt.

Strypreglering leder ofta till onödiga strömningsförluster, men det är fortfarande den mest använda metoden för reglering av flödet (Alvarez 2006, 146-150).

1.2.7 Frekvensomriktarstyrning

Frekvensomriktare används för att omvandla en växelspänning med en frekvens till en växelspänning med justerbar frekvens. Genom att ändra drivmotorns frekvens så kan man steglöst styra motorns varvtal mycket noggrant (Alfredsson 2011, 137-139). Varvtalsreglering av motorn minskar belastningen på elektriska komponenter samt slitage på rörsystem och pumpar genom att flödet och trycket sjunker med varvtalet.

1.3 Syfte

Syftet med denna uppsats är att ta reda på om frekvensstyrda pumpar i

sjökylvattensystemet till propellermotorerna, är övervägande fördelaktigt, i jämförelse med nulägets pneumatiska trevägsventiler.

Arbetet kommer att mynna ut i en analys av energiåtgång och arbetsbelastning, vid förberedelsen för installationen av dessa komponenter. Denna analys skall sedan tjänstgöra som underlag för att besvara våra frågeställningar.

Allt sammantaget så vill vi även framhäva fördelarna med frekvensstyrning. Då detta, enligt vår empiriska grund, skall vara överlägset i ett system av denna karaktär.

1.4 Frågeställningar

 Hur mycket kommer det att kosta att installera frekvensstyrning på

sjövattenpumparna till propellermotorernas kylvattensystem, räknat på material och mantimmar för installationen?

 Hur mycket kommer man att spara på att fasa ut det gamla, pneumatiska systemet, med hänsyn till bunkersförbrukning?

 Hur ser systemet ut idag?

 Vad är den största nackdelen som denna installationen medför?  Vad har frekvensomriktaren för inverkan på underhållsarbetet?

1.5 Avgränsningar

Ombord på isbrytaren Atle så finns det ett förligt och ett akterligt propellermotorrum. I vardera av rummen så är två propellermotorer lokaliserade. Propellermotorerna i det aktra rummet, har högre nominell effekt och spänning än de som står i det förliga. Därför har vi valt de aktra propellermotorerna till vår undersökning, eftersom de axiomatiskt kommer behöva mer kylning.

Sjövattenpumparna trycker även vatten genom trycklagrens smörjoljekylare och till inre hylstätningar i propellermotorerna. Dessa påverkar dock inte kylbehovet i någon annan riktning än vad propellermotorerna behöver, då högre last innebär mer kylning för både propellermotor, lager, och tätningar.

I varje propellermotorrum så finns också andra källor som tillför värme så som

elmotorer, rörsystem, elskåp med mera. Detta har vi valt att avgränsa oss från och enkelt hålla oss till propellermotorernas kylbehov då de andra systemen ej är i kontinuerlig drift och kommer bli svårt att få något exakt värde att räkna på.

2 Metod

För att bedöma en eventuell energi-, likvid- och mantimmebesparing så kunde data bestående av trender, informationsblad från pumptillverkare och specifikationer för propellermotorerna samlas in. Allt detta i samverkan med maskinbesättningen på isbrytaren Frej och isbrytaren Atle. En förenklad ritning på den befintliga anläggningen gjordes, för lättare överblick av de behandlade komponenterna (Se figur 3).

En undersökningsmetod valdes, bestående av datainsamling och teoretiska beräkningar, då arbetet i framtiden skall tjänstgöra som underlag för konvertering till

frekvensomriktning. Praktiska tester ombord omöjliggjordes, då installationen av frekvensomriktare ej var genomförd ännu. Metoden är ej tänkt att mynna ut i ett resultat som färgas av strikta toleranser. Resultatet är en vägledning, bestående av teoretiska och beräknade modeller med empiriskt ingenjörsmässiga grundpelare.

Startskottet för projektet gick, när ett samtal upprättades med en kontakt på

Sjöfartsverket. Idén lyftes och blev direkt attraktiv, i och med att energibesparing och upprustning låg väl i tiden, för just denna isbrytare från 1974 (Sjöfartsverket, 2017b). Information om detta påbörjade projekt lades fram för berörd personal, ombord på Isbrytaren Atle. Idén bemöttes positivt och ett besök ombord på systerbåten Frej gjordes kort därefter. Då Atle och Frej är identiska, så kunde värden från Frej användas till undersökningen. Under besöket ombord på Isbrytaren Frej, så samlades data in på sjökylvattensystemet, kylfläktarna, propellermotorerna och temperaturen i

propellermotorrummet. Det sistnämnda sattes det även en trend på, så att skillnaden på rumstemperaturen när propellermotorerna var i drift, kontra när de var stoppade, kunde fastställas. På detta vis så inhämtades en adekvat uppfattning om kylbehovet och temperaturfluktuationen. Kopior gjordes på ritningar över system och diverse informationsblad till sjökylvattenpumparna, som senare kom till användning i beräkningsdelen.

De nuvarande ritningarna av de berörda systemen analyserades och reviderades till förmån för frekvensstyrningen.

Fortlöpande kontakt har bibehållts med maskinbesättningen på Isbrytaren Atle. De hade förberett för just denna övergång till frekvensstyrning, men installationen har inte genomförts ännu. Detta samarbete underlättade för både denna forskning och för isbrytarbesättningens praktiska genomförande. Då de tjänstgjorde som en praktiskt tillämpad falang, till gagn för detta arbete. Samtidigt som Atle-besättningens

vägledande tips kom till att vara till stor hjälp för en potentiell framtida installation på isbrytaren Frej.

I samråd med Schneider-Electric kring olika typer av frekvensomriktare, så bestämdes modellen som skulle lämpa sig bäst till detta system. Detta med hänsyn till

installationskostnad, produktkostnad och funktion.

Kontakt upprättades med pumptillverkaren, som i detta fallet var Svanehøj, för att få fram pumpkurvor. De presenterade kurvor som tillhörde en likadan pump, men

pumphjulsdiametern skiljde sig från den pump som skulle nyttjas ombord på isbrytaren Atle. Diametern på pumpen som skulle användas, var på 270mm.

Därmed fick en beräkning göras för att få fram kurvan som överensstämmer med rätt pump. Enligt Björkner (2010, 179) används då ekvationen: 𝐻2

𝐻1≈ 𝑄2 𝑄1 ≈ ( 𝐷2 𝐷1) 2 (2.0) Figur 2 Pumpkurvor

Resultatberäkningarna påbörjades, i samband med att maskinbesättningen på Isbrytaren Frej och Isbrytaren Atle hjälpte till att ta fram värden som behövdes i uträkningarna. Först och främst så beräknades energiförbrukningen per år, för en sjökylvattenpump vid 100% last. Detta gjordes genom att multiplicera effekten på pumpen i kilowatt, med drifttimmarna för pumpen per år, enligt ekvationen: 𝑘𝑊 × ℎ = 𝑘𝑊ℎ. (3.0)

0 5 10 15 20 25 30 0 50 100 150 200 250 300 Upp for d ri n gsh ö jd [H ] Volymflöde [m³_/h]

Svanehøj NIP 125-b @ 1450rpm

I nästa beräkning var målet att få reda på hur mycket bunker som gick åt att driva en sjökylvattenpump, vid den givna lasten, per år. För att få fram detta så multiplicerades energiförbrukningen för en sjökylvattenpump per år, med den specifika

bränsleförbrukningen för dieselgeneratorerna. Produkten fick sedan divideras med 106, för att få svaret i ton/år, enligt ekvationen: (

𝑘𝑊ℎ å𝑟 ) × (

𝑔 𝑘𝑊ℎ)

106 = 𝑡𝑜𝑛 å𝑟⁄ . (4.0)

Slutligen, för att få fram en kostnad på detta, så inhämtades bunkerpriser för drivmedlet till dieselgeneratorerna (MGO). Eftersom bunkerpriserna från källan presenterades i USD, så fick priset räknas om till SEK och sedan multipliceras med

bunkerförbrukningen för sjökylvattenpumpen. Allt enligt ekvationen: 𝑈𝑆𝐷

𝑡𝑜𝑛

⁄ _{× 𝑆𝐸𝐾 𝑈𝑆𝐷}⁄ _{× 𝑡𝑜𝑛 å𝑟}⁄ _{= 𝑆𝐸𝐾 å𝑟}⁄ . (5.0)

Priser på frekvensomriktare, Pleigerventiler och tillhörande material samlades in. Likaså samlades värden in, avseende mantimmar och kostnad för arbetet.

När värden på detta fanns tillgodo, så kunde kostnaden för inköp och installation avseende frekvensomriktarna, beräknas enligt ekvationen:

𝐼𝑛𝑘ö𝑝𝑠𝑝𝑟𝑖𝑠 [𝑆𝐸𝐾] + (𝑇𝑖𝑑𝑠å𝑡𝑔å𝑛𝑔[ℎ] × 𝑆𝐸𝐾 ℎ⁄ ) = 𝑆𝐸𝐾. (6.0)

Sedan gjordes beräkningar på Pleigerventilerna. Den första avser inköpspris och kostnaden för installationen. Den andra avser underhållskostnad per år.

Den första ekvationen lyder:

𝐼𝑛𝑘ö𝑝𝑠𝑝𝑟𝑖𝑠[𝑆𝐸𝐾] + (𝑇𝑖𝑑𝑠å𝑡𝑔å𝑛𝑔[ℎ] × 𝑆𝐸𝐾 ℎ⁄ ) = 𝑆𝐸𝐾. (7.0)

Den andra ekvationen lyder:

I den slutgiltiga beräkningen, presenteras de olika fallen i ett diagram. För att få ett så exakt resultat som möjligt, så gjordes beräkningarna utifrån det verkliga driftsläget. Det verkliga driftsläget avser två sjökylvattenpumpar i drift. Sedan valdes mätpunkter med femårsintervaller, då klasscertifikatet för maskin förnyas vart femte år, enligt

Transportstyrelsen (Transportstyrelsen, 2016). Eftersom Isbrytaren Atle hade valmöjligheten att antingen installera frekvensomriktare, eller byta ut alla gamla Pleigerventiler mot nya, så togs även inköpspris och mantimmar för installation av Pleigerventiler med i fall nummer ett.

Fall ett: Drift med fyra nya Pleigerventiler i systemet, med pumparna gåendes på 100% last. Ekvationen för detta ser ut på följande vis:

𝐼𝑛𝑘ö𝑝𝑠𝑝𝑟𝑖𝑠[𝑆𝐸𝐾] + 𝐾𝑜𝑠𝑡𝑛𝑎𝑑 𝑓ö𝑟 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛[𝑆𝐸𝐾] +

(𝑈𝑛𝑑𝑒𝑟ℎå𝑙𝑙𝑠𝑘𝑜𝑠𝑡𝑛𝑎𝑑 [𝑆𝐸𝐾 å𝑟⁄ ] + 𝐷𝑟𝑖𝑓𝑡𝑘𝑜𝑠𝑡𝑛𝑎𝑑 [𝑆𝐸𝐾 å𝑟⁄ ]) × 𝑎𝑛𝑡𝑎𝑙 å𝑟 = 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑘𝑜𝑠𝑡𝑛𝑎𝑑[𝑆𝐸𝐾] (8.0) Fall två: Drift med fyra gamla Pleigerventiler i systemet, med pumparna gåendes på 100% last. Ekvation:

(𝑈𝑛𝑑𝑒𝑟ℎå𝑙𝑙𝑠𝑘𝑜𝑠𝑡𝑛𝑎𝑑 [𝑆𝐸𝐾 å𝑟⁄ ] + 𝐷𝑟𝑖𝑓𝑡𝑘𝑜𝑠𝑡𝑛𝑎𝑑 [𝑆𝐸𝐾 å𝑟⁄ ]) × 𝑎𝑛𝑡𝑎𝑙 å𝑟 = 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑘𝑜𝑠𝑡𝑛𝑎𝑑 [𝑆𝐸𝐾]. (8.1) Fall tre: Drift med två frekvensomriktare, med pumparna gåendes på 50-100% last. I ekvationen så markeras driftskostnaden vid de olika lasterna som ”x”. Inköpspriset avser två frekvensomriktare. Ekvation:

𝐼𝑛𝑘ö𝑝𝑠𝑝𝑟𝑖𝑠[𝑆𝐸𝐾] + (𝑥_50−100%[𝑆𝐸𝐾] × 𝑎𝑛𝑡𝑎𝑙 å𝑟) = 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑘𝑜𝑠𝑡𝑛𝑎𝑑[𝑆𝐸𝐾]. (8.2)

De tidigare kunskaperna som funnits tillhanda, samt empirin som samlats in under mönstrad tid till sjöss och på Sjöfartshögskolan, kom att appliceras på så vis att en verklighetsgrundande infallsvinkel kunde sätta sin prägel på detta arbete.

Det är även därför frekvensstyrningen valdes som alternativ styrkälla till projektet. Då det har visats vara det mest smidiga och konstnadseffektiva sättet att reglera flödet i ett system.

3 Resultat

Idag ser systemet ut som följande.

På varje propellermotor sitter fyra stycken centrifugalfläktar placerade och fyra stycken kylare som försörjer propellermotorn med luft. Luften tas från propellermotorrummet och sugs in i motorn via insugningsfilter, för att sedan passera magnetpoler, rotor etc. Den utströmmande uppvärmda luften kyls när den passerar sjövattenkylarna och utblåsfilter, för att sedan blåsas ut i rummet igen.

Luftkylarna är av sjövattentyp och sitter monterade på varje propellermotor. Dessa är dimensionerade för en sjövattentemperatur på 13°C, lufttemperaturen före kylaren är 38°C och efter kylaren 25°C.

Sjövattenkylarna har termostatstyrda trevägsventiler (Pleigerventiler) som har till uppgift att hålla en konstant temperatur i rummet på 25°C.

I propellermotorrummet sitter två centrifugalpumpar som är av vertikal centrifugaltyp direkt kopplade till elmotorer varav den ena står i reserv. Pumparna förser kylarna med sjövatten med ett konstant flöde på 135 m3/h vid 2 Bars övertryck.

Figur 3 Nuvarande kylsystem för en propellermotor (förenklat)

Figur 4 Sjökylvattenflöde

I figur 4 så förevisas sjövattnets flöde genom systemet i de olika fallen. I det ena fallet så är den pneumatiska trevägsventilen, med hjälp av temperaturgivaren, ställd i sådant läge att allt vatten går via kylaren.

I det andra fallet så finns inget kylbehov av propellermotorn, så sjövattnet går direkt överbord, utan att gå igenom kylaren.

3.1 Beräkningar

Här nedan presenteras värdena som fåtts fram genom besöket på isbrytaren Frej, datablad på de olika komponenterna och diverse beräkningar.

3.1.1 Nuvarande energi- och bränsleförbrukning per år Energiförbrukning för en sjökylvattenpump per år, vid 100% last: 18,5 𝑘𝑊 × 941 𝑡𝑖𝑚𝑚𝑎𝑟 = 17408,5 𝑘𝑊ℎ.

Sjökylvattenpumpens bidragande bränsleförbrukning vid 100% last: 17408,5 kWh × 112,8 g/kWh

106 = 1,96368 ton/år .

3.1.2 Nuvarande kostnad per år

Bunkerpris för MGO1 : 655 USD/ton (1 USD=8,41 SEK)2. Kostnad för körning av en sjökylvattenpump vid 100% last:

655 𝑈𝑆𝐷/𝑡𝑜𝑛 × 8,41 𝑆𝐸𝐾/𝑈𝑆𝐷 × 1,96368 𝑡𝑜𝑛/å𝑟 = 10817 𝑘𝑟/å𝑟.

Figur 5 Stapeldiagram årskostnad

Stapeldiagrammet visar årskostnaden för bunker, avseende drift av en sjökylvattenpump vid frekvensstyrning (i nuvarande fall, utan frekvensstyrning, så körs pumpen på

100%). 1 _{Hämtat 2018-02-05 från https://shipandbunker.com/prices#MGO} 1352 2336 3710 5538 7885 10817 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 50% 60% 70% 80% 90% 100% K o stn ad p e r år [ SE K ] Last på sjökylvattenpump

Frekvensstyrning

3.1.3 Kostnad för inköp och installation av en frekvensomriktare 25000𝑘𝑟 + (61 𝑡𝑖𝑚𝑚𝑎𝑟 × 400 𝑘𝑟/ℎ) = 49400 𝑘𝑟.

3.1.4 Kostnad för inköp och installation av en Pleigerventil 55000𝑘𝑟 + (16 𝑡𝑖𝑚𝑚𝑎𝑟 × 400 𝑘𝑟/ℎ) = 61400 𝑘𝑟.

3.1.5 Årskostnad för underhållsarbetet på en Pleigerventil

Antal belagda timmar för underhållsarbete på en Pleigerventil: 4 timmar/år. Kostnad för underhållsarbetet: 400 kr/h.

Kostnad för reservdelar: 2000 kr/år.

Kostnad för underhållsarbetet på en Pleigerventil: 400 𝑘𝑟/ℎ × 4 ℎ/å𝑟 + 2000𝑘𝑟 = 3600 𝑘𝑟/å𝑟 .

3.1.6 Frekvensomriktarens inverkan på underhållsarbetet

Då pumparna i nuläget arbetar med sin fulla kapacitet så ger pumparna maximalt flöde och tryck. Vid installation av frekvensomriktare så kommer varvtalet att sänkas, därmed kommer belastningen på pumpen kommer att minska, vilket medför ett lägre slitage på pumpens slitdelar. Detta kommer i sin tur att leda till en underhållsbesparing på sikt. Reglerventilerna kommer ej att förbruka lika mycket systemluft då de kommer att låsas i ett sådant läge att allt kylvattenflöde kommer att passera kylaren. Även underhållet på Pleigerventiler kommer att minska, då de ej belastas som tidigare.

3.1.7 Största nackdelen med installationen

Samtidigt som slitaget på pumpen minskar efter installation av frekvensomriktare, så kommer slitaget på elmotorn att öka, då den flukturerande lasten går hårt på elmotorns komponenter.

Installationen sker väldigt sent i Atle-klassens livstid.

3.1.8 Tabell över sjökylvattenpumpens effektuttag vid varierande belastning Figur 6 Tabell effektuttag

Det röda fältet markerar det icke önskvärda området att köra pumpen på, utan forcerad kylning. Med ”formelsamling” så avses den tekniska formelsamlingen, sammanställd av Stefan Fagergren år 2014 på Kalmar sjöfartshögskola.

3.1.9 Förtydligande av resultat

Då pumpens belastning med frekvensomriktardrift ännu är okänd, så presenteras här ett exempel på besparingen av bunker över en tioårsperiod vid 60% last, jämfört med det nuvarande systemet.

Bunkerskostnaden för det nuvarande systemet under 10 år: 320340 kr. Bunkerskostnaden för frekvensomriktardrift under 10 år: 145520 kr. Besparingen blir då 174820 kr (320340-145520)

3.1.10 Jämförelsediagram

Här nedan följer jämförelsediagram över de olika fallen, med tillhörande kostnader som presenteras. Figur 7 Figur 8 0 5 10 15 20 25 30 Fall 1 245600 425770 565940 706110 846280 986450 1126620 Fall 2 0 180170 320340 460510 600680 740850 881020 Fall 3 (100%) 98800 206970 315140 423310 531480 639650 747820 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 K o stn ad [ SE K ] År

Fall 1&2 jämförs med Fall 3 vid 100% last

0 5 10 15 20 25 30 Fall 1 245600 425770 565940 706110 846280 986450 1126620 Fall 2 0 180170 320340 460510 600680 740850 881020 Fall 3 (90%) 98800 177650 256500 335350 414200 493050 571900 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 K o stn ad [ SE K ] År

Figur 9 Figur 10 0 5 10 15 20 25 30 Fall 1 245600 425770 565940 706110 846280 986450 1126620 Fall 2 0 180170 320340 460510 600680 740850 881020 Fall 3 (80%) 98800 154180 209560 264940 320320 375700 431080 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 K o stn ad [ SE K ] År

Fall 1&2 jämförs med Fall 3 vid 80% last

0 5 10 15 20 25 30 Fall 1 245600 425770 565940 706110 846280 986450 1126620 Fall 2 0 180170 320340 460510 600680 740850 881020 Fall 3 (70%) 98800 135900 173000 210100 247200 284300 321400 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 K o stn ad [ SE K ] År

Figur 11 Figur 12 0 5 10 15 20 25 30 Fall 1 245600 425770 565940 706110 846280 986450 1126620 Fall 2 0 180170 320340 460510 600680 740850 881020 Fall 3 (60%) 98800 122160 145520 168880 192240 215600 238960 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 K o stn ad [ SE K ] År

Fall 1&2 jämförs med Fall 3 vid 60% last

0 5 10 15 20 25 30 Fall 1 245600 425770 565940 706110 846280 986450 1126620 Fall 2 0 180170 320340 460510 600680 740850 881020 Fall 3 (50%) 98800 112320 125840 139360 152880 166400 179920 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 K o stn ad [ SE K ] År

4 Diskussion

I arbetets begynnelse så var det tänkt att en exakt beräkningsmodell skulle framställas, med praktiska tester som assistans. Denna idé fick avstyras, då varken tid eller material var tillräckligt för genomförandet.

Då tidigare forskning ej har genomförts på just detta system, så blir arbetet unikt i sig. Svårigheter, i form av brist på annan forskning att luta sig mot, har uppkommit. Dock har kompetent hjälp från isbrytarbesättningen tillhandahållits.

En empirisk grund är av stor vikt i denna typ av arbete, då den har gjort metoden och beräkningarna väldigt överkomliga.

Ett förslag till fortsatt forskning inom detta, kan vara att det nya forskningsarbetet nyttjar praktiska tester och provar att köra systemet på flera olika sätt, exempelvis kaskadreglering.

I resultatet kan det konstateras att belastningen på sjökylvattenpumpen, i förhållande till bunkerkostnad per år för att driva den, inte är linjär. Det som kan utläsas av detta, är att endast en sänkning från 100% till 90% i belastning, ger 27% lägre bunkerkostnad för pumpen per år. Detta motsvarar ungefär en halv kubikmeter bunker.

En sänkning utav bunkerförbrukning, medför en direkt sänkning av CO2-utsläpp. Att hålla ner CO2-utsläppen är en ständig kamp för sjöfarten, på detta enkla vis kan det uppnås en rejäl sänkning utan någon vidare ansträngning eller några väsentliga förluster.

För att få en uppfattning om hur pass stor besparing det kan bli och efter hur lång tid som drift med frekvensomriktarna kommer bli lönsamt, så kan jämförelsediagrammen

Figur 7-Figur 12 observeras. Tidpunkten då frevensomriktarna lönar sig, ses i

skärningspunkterna. Dessa är i samtliga diagram mellan 0 till 5 år, förutom vid 100% belastning på pumpen. Tas 60% belastning som exempel, så nås en brytpunkt efter ungefär tre år, då frekvensomriktarna har betalat av sig.

I Figur 6 ses ett rödmarkerat område under 50% belastning, i vilket det avråds från att köra pumpen. Detta är på grund av att elmotorns fläkt inte uppnår någon betydande kylförmåga i detta belastningsområde. Vid önskad drift på denna låga last så rekommenderas extern kylning av elmotorn.

Frekvensomriktare som driver elmotorer med extern kylning kan också ses som ett förslag på vidare forskning, då det kan fastställas när det är lönsamt att köra på det här sättet, samt vad det har för inverkan på slitaget.

Vid installation av frekvensomriktare så uppkommer en del risker som bör undvikas. Några exempel är att använda sig av skärmade kablar och övertonsfilter, då övertoner anses vara en stor störkälla vid drift av frekvensomriktare.

En annan aspekt är hur pass slitna elmotorerna är. Frekvensomriktare som styrdon tenderar nämligen att ge en ökad påfrestning på exempelvis lager.

Då nya isbrytare är i ritningsstadiet och Atle-klassen sakta fasas ut, så kommer

drifttimmarna bli mindre. Detta leder till att återbetalningstiden för frekvensomriktarna kommer att förlängas.

Ur drift- och miljösynpunkt så hade det varit mer gynnsamt att genomföra denna konvertering vid ett tidigare tillfälle. Dock var inköpspriserna på frekvensomriktare betydligt högre för ett par år sedan, vilket kan ha bidragit till att många drog sig för att installera dessa.

4.1 Felkällor

Pleigerventilerna har en luftförbrukning som ej har räknats med. Det gick inte att få fram något luftflöde, då det saknades flödesmätare till ventilerna.

Tryckluftsförbrukningen är kostsam. Ventilerna förbrukar luft när de reglerar, därmed skulle ytterligare en besparing bidragit till slutsatsen, om detta system hade tagits med i beräkningarna.

Värden som fåtts fram genom beräkningar kan skilja sig något från verkligheten. Detta på grund av att beräkningarna är genomförda med värden från nya pumpar och

elmotorer.

Elmotorerna ombord i nuläget, är cirka fyrtio år gamla. De kan då även skilja sig något i strömförbrukning, i jämförelse med nyskick.

Referenser

Alfredsson, A. (2011). Elkraft (Upplaga 4). Stockholm: Liber AB.

Alvarez, H. (2006). Energiteknik (Upplaga 3). Lund: Studentlitteratur AB.

Björkner, M. (2010). Pumphandboken 2010. Billdal: Process Contact Scandinavia AB.

Fischerström, S. (1997). Isbrytare: Med statens isbrytare under 80 år. Falkenberg: Marinlitteratur AB.

Sjöfartsverket (2017a). Isbrytarhistoria. Hämtad den 14:e februari, 2018 från: http://www.sjofartsverket.se/sv/Sjofart/Isbrytning/Isbrytarhistoria/

Sjöfartsverket (2017b). Våra isbrytare. Hämtad den 14:e februari, 2018 från: http://www.sjofartsverket.se/sv/Sjofart/Isbrytning/Vara-isbrytare1/

Sjöfartsverket. (2017c). Isbrytare 2020: Förstudie - Slutrapport 1 (Utgåva 1.0). Hämtad den 11:e mars, 2018 från Sjöfartsverkets hemsida.

Sjöfartsverket (2018). Framtida behov av kraftiga isbrytare. Hämtad den 10:e februari, 2018 från:

http://www.sjofartsverket.se/sv/Sakra-farleder/Malmporten/Nyheter/Framtida-behov-av-kraftigare-isbrytare/

Transportstyrelsen (2016). Klasscertifikat. Hämtad den 19:e februari, 2018 från: https://www.transportstyrelsen.se/static/thb/WebHelp/dokumentation/1_02_Klasscertifi kat.htm

Wärtsilä. (1974). Specifikation för statsisbrytaren Frej – 22.000 axelhästkrafters

dieselelektrisk isbrytare för Svenska staten, byggn. nr. 406. Helsingfors:

Bilagor

391 82 Kalmar Tel 0772-28 80 00 sjo@lnu.se