内陸作業船はディーゼル電気推進から多くを得る

Joshua Slade著セバスチャン、PE • 21 3月 2018

ディーゼル電気推進は新しい概念ではない。ドライブのアジマス化と同様に、内陸部の海洋市場への適用は、海洋産業の他の領域に遅れをとっています。ディーゼル・エレクトリックは、燃料経済性と安全性のための推進システムの冗長性が最も重要な産業で牽引力を得ています。特に、乗客フェリーやオフショア供給船のような船舶は、ディーゼル電気システムの利点を享受している。内陸曳航産業はこれらの懸案事項の多くを共有しており、包括的なエンジニアリング設計プロセスの一環としてディーゼル電気技術を検討することで利益を得ることができます。

2017年の初めに、シーアラー・グループ・インク（TSGI）は、ABBの海洋部門と共に、内陸海洋産業にディーゼル電気技術を適用する研究に着手しました。 TSGIはもともと、2007年頃に曳船用のディーゼル電気推進を研究しましたが、当時、その技術と価格は市場にとって実現可能な選択肢にはなりませんでした。しかし、ここ数年の間に、いくつかの基本的な業界の変化がこの式をシフトさせ、新しい曳航船を計画する際にディーゼル電気を実行可能なオプションにしました。

ディーゼル電気推進とは何ですか？

簡単に言えば、ディーゼル電気推進は、電気モータを使用して推進プラントに電力を発生させる複数の発電機からなる発電プラントを使用する概念である。電気推進システムは、発電機、配電システム、可変周波数駆動装置、電気推進モーターおよび制御システムからなる。

機械式ディーゼル駆動システムは、非常に狭い操作範囲、典型的には60％を超えるMCRで優れた効率を提供する。このように、エンジンの全運転サイクルを長期にわたって決定することが重要である。ディーゼル・エレクトリックは、最適運転範囲を広げ、機械的駆動システムの最適範囲外の範囲でより総合的な効率を提供することによって、船舶の推進システムの効率を向上させる。

ディーゼル電気推進の傘の下で、今日市場にはいくつかの変種が存在します：

ハイブリッド（PTO / PTI）

ハイブリッドシステムでは、パワーテークオフとパワーテイクイン（PTO / PTI）と発電システムを組み合わせたメカニカルシャフトラインを使用しています。このシステムは、ギアボックスを介した直接駆動推進の利点と、船舶の電気システムからの「パワーブースト」の柔軟性とを組み合わせたものであるが、電力が供給されているときに船舶に電力を供給することにより、推進目的では必要ありません。より多くの電力が必要な場合、発電機はPTO / PTIを介してシャフトに追加の電力を供給するモーターとして機能します。低出力運転中には、主機関を締め付けることができ、船舶は電動機単独で作動することができ、主機関は推進力を供給することができ、補助負荷の電力供給のためにPTO / PTIに電力を供給することもできる。

A / Cシステム

A / Cディーゼル電気システムは、今日の水上で最も伝統的で一般的なディーゼル電気システムです。それは、船舶の全ての負荷に電力を供給するいくつかの発電機を備えた発電所と、推進、補助、およびホテル。配電盤からの電力は、モーターを事実上あらゆる軸RPMで動作させるために、可変周波数ドライブを介して推進モーターに供給される。

D / Cシステム

D / Cディーゼル電気システムは、A / Cシステムと非常によく似ていますが、特定の分野ではいくつかの改良が施されています。発電機からの交流電流は発電機で直流に整流され、配電盤を介して直接配電される。その後、必要に応じてDC電流を逆転させて、推進力およびホテル負荷に交流電力を供給する。直流システムは、一般に小型で軽量であり、配電盤内の部品点数が少なくて済みます。 DCベースの推進システムは、DCグリッドがバッテリが船の電気システムに即時の電力応答を提供できるようにする、あるタイプのエネルギー貯蔵と組み合わせた場合に最も効果的です。

ディーゼル・エレクトリカル・エネルギー・ストレージ

ディーゼル電気システムがエネルギー貯蔵と組み合わされると、ディーゼル電気システムの利点は改善し続ける。典型的な海洋用途では、リチウムイオン電池（Liイオン）を使用することで、紡績予備力、ピークシェービング、およびゼロエミッション操作を追加して、船舶の全体効率を高めることができます。

ディーゼル・エレクトリックが内陸市場にどのように適合しているか

今日まで、ディーゼル電気のほとんどが内陸曳航船の市場を迂回しています。しかし、TSGIはABBの技術者と協力して、ディーゼル電気曳船設計コンセプトの開発と微調整を行ってきました。この設計努力の原動力は、典型的な曳船の操作プロファイルです。私たちが所有者に彼らの船舶の運営方法を尋ねたとき、ほとんどの人は80％から100％の負荷がほぼ100％の負荷であると考えています。実際には、河川を運航する船舶の実際のエンジンデータは全く異なっていることがわかりました。

80％以上の負荷で動作させるのではなく、従来考えられていたように、私たちが調査した船舶の動作プロファイルは、元々考えられていたよりも80％内陸河川のさまざまな部分の多くのオペレーターにとって、実際の曳航船はほとんどの場合、総出力の50％以下を費やし、短いピークは80％を超えます。これは、ディーゼル電気が内陸の河川で曳船を運転することに関連する操業費にプラスの影響を与える機会を招く。

船舶操作プロファイルは、特定の船舶のディーゼル電気システムの適合性を決定する上で非常に重要である。両方のサンプルプロファイルは、異なる船舶の365日間の運転の間に実際の運用データを表しています。

ディーゼル電気推進は、これらの節約を様々な利益から提供する。 2,400 HPのそれぞれの牽引船の推進機械は以下のとおりです。

典型的な2,400HP機械：

-Prime Mover：2 x 1,200HP Tier IVエンジン

発電機：2 x 200kW Tier III発電機

2,400HPディーゼル電気機械：

- 発電：4 x 800hp Tier III発電機

機械式曳船の場合、アイドリングから100％までのエンジン負荷では、完全な操縦と家の電気負荷を維持するために最低3台のエンジンで稼働しています。ディーゼル電気は、しかし、最適化された数のエンジンを実行しています。アイドルから約25パーセントの負荷まで、2つのシャフトに加えて家の電気負荷を船舶に供給するために、1つのエンジンのみを稼働させる必要があります。ディーゼル・エレクトリック・ディーゼル・エレクトリックは、機械式推進システムに比べてかなり高い負荷（通常> 80％）でのみ効率を上げます。

燃料節約を超えて

ディーゼル電気推進システムはまた、燃料節約を超える利益をもたらす。設計プロセス中、推進システムの冗長性、尿素の消費と貯蔵、エンジンのメンテナンスなどの項目を考慮する必要があります。

ディーゼルの電気は、冗長性と安全性に関しても輝きがあります。いずれのエンジンでもいずれかの推進モータに動力を供給することができるため、オペレータは原動機の故障による影響を最小限に抑えることができます。機械的なシステムでは、原動機が失われると、推進装置の50％と軸全体が失われます。ディーゼル電気式曳船では、発電機セットの喪失は最大の利用可能電力の25パーセントの損失をもたらし、それでも両シャフトに電力を供給することができる。同様に、機械システム上の発電機の喪失により、船舶は今や家庭用および補機用のバックアップを持たない。ディーゼル電気システムは、発電のために複数のバックアップを提供し続けることができる。

複数のTier IIIジェネレータを使用することで、SCRまたはEGR技術を使用して排気ガスの要件を満たすTier IVエンジンの要件が取り除かれます。容器がSCRに尿素を使用している場合、典型的なDEF投与率が5％である場合、新しい容器設計は、尿素タンク、SCRおよび追加の排気配管を収容しなければならない。

もう1つのメリットは、エンジンの保守スケジュールです。エンジンの数を最適な数に減らすことにより、ディーゼル電気推進は、部分負荷で費やされるエンジン時間の数を削減する。 50％未満の推進負荷で運転時間の40％を費やす船舶は、機械駆動システムと比較して3つではなく、2つのエンジンで時間を維持することができます。また、船舶には1種類のエンジンのみが搭載されているため、船舶と岸辺の両方のサポートのためのスペアパーツの数を減らすことができます。

あなたのためにディーゼル電気ですか？

ディーゼル・エレクトリックは、アジマス・ドライブと同じように、川のすべての運転プロファイルにとって最適なソリューションである場合とそうでない場合があります。しかし、多くのシナリオでは明確な利点があり、船舶を設計する際の全体的な意思決定プロセスの一部として考慮する必要があります。利点は、曳航船の操業の安全性と冗長性を高めることによって、単なる操業コストの節約にとどまりません。

著者

Joshua Slade Sebastian、PEは、The Shearer Group、Inc.（TSGI）のエンジニアリングマネージャーです。 TSGIはコンセプトディーゼル電気曳航船の電気設計とこの記事の技術情報の一部を提供するABB海兵隊に感謝します 。

（ Marine Newsの 2018年3月版に掲載されているように）