Frekvensstyrning av sjövattenpumpar ombord på ms Finnfellow. Erik Larsson

43 Pages·2012·2.76 MB·Swedish

Sjöingenjörsprogrammet
Självständigt arbete

Frekvensstyrning av sjövattenpumpar ombord
på m/s Finnfellow

Erik Larsson
2012-05-02
Program: Sjöingenjörsprogrammet
Ämne: Självständigt arbete
Nivå: 15hp
Kurskod: SA300S
391 82 Kalmar
Tel [phone]
[email protected]
Lnu.se

ii
Linnéuniversitetet
Sjöfartshögskolan i Kalmar

Utbildningsprogram: Sjöingenjörsprogrammet
Arbetets omfattning: Självständigt arbete om 15 hp
Titel: Frekvensstyrning av sjövattenpumpar ombord på
m/s Finnfellow
Författare: Erik Larsson
Handledare: Magnus Nilsson

ABSTRACT
Detta arbete handlade om att undersöka de olika fördelar och nackdelar som kan finnas med att
installera frekvensstyrning av sjövattenpumparna på fartyget m/s Finnfellow. Arbetet hade som
huvudsyfte att ge den tekniska chefen ombord på fartyget ett underlag för att kunna besluta om en
installation av frekvensstyrning var lämplig att genomföra. Det undersöktes mest hur systemen
ombord fungerade och hur en frekvensstyrning skulle påverka sjövattensystemet.
Resultatet blev att det skulle sparas in ca 122MWh/år i elenergi. Detta gör att man sparar in
installationskostnaderna för frekvensstyrningen på under 2 år med ungefärliga bränslekostnader i
dagens läge, det ger också en miljöfördel genom att fartyget förbrukar ca 26 ton tjockolja mindre per
år.
Slutsatsen blev att det skulle vara mycket förmånligt att installera en frekvensstyrning ombord på
detta fartyg med gällande system. Det fanns vissa nackdelar t.ex. installationskostnaderna och
eventuella EMC-problem, men fördelarna bedöms överväga dessa.

iii
Linnaeus University
Kalmar Maritime Academy

Degree course: Marine Engineering
Level: Diploma Thesis, 15 ETC
Title: Variable-frequency drive for sea-water pumps
onboard m/s Finnfellow
Author: Erik Larsson
Supervisor: Magnus Nilsson

ABSTRACT
This diploma thesis was made for working out the pro and cons of installing a variable-frequency
drive for the sea-water pumps on the ship m/s Finnfellow. The main object of the work was to give
the chief engineer of the ship a foundation on which he could decide if it is worth installing this or
not.
The main investigation in the work was to find out how the variable-frequency drive would affect the
sea-water system.
The result of the work was that a considerable amount of electrical energy could be saved yearly
(122MWh). This would mean that the installation cost could be repaid in fewer than 2 years with the
current fuel prices, also an environmental advantage was discovered because the ship would
consume 26 tons of fuel oil less each year.
The conclusion of the work is that it would be very beneficial to have a variable-frequency drive
onboard.

iv
Nyckelord:
 Frekvensomriktare= En maskin som kan förändra frekvensen på utgående elmatning. Detta
för att t.ex. förändra varvtalet hos en elmotor.
 SW= Sea water= Sjövatten som används för att kyla låg temperatur färskkylvattnet.
 LT/LTFW= Low Temperature Fresh Water= Låg temperatur färskkylvatten används för att kyla
huvudmaskinerna och viss kringutrustning.
 DNV= Det Norske Veritas= Stort klassningssällskap för sjöfart.
 HM= Huvudmaskin, framdrivningsmaskineri av fartyget.
 Crossovertank= Detta är en samlingstank för sjövatten från både lågsuget och högsuget. Från
denna tank tar alla sjövattenpumparna sitt sjövatten.
 BB= Babord.
 SB= Styrbord.

v
Innehållsförteckning
1. Inledning .......................................................................................................................................... 1
1.1 Frågeställning .......................................................................................................................... 2
1.2 Metod ...................................................................................................................................... 2
1.3 Tidigare forskning/arbeten ...................................................................................................... 4
2. Resultat ............................................................................................................................................ 5
2.1 Pumpar .................................................................................................................................... 5
2.2 Elmotor .................................................................................................................................... 7
2.3 Värmeväxlare ........................................................................................................................... 8
2.4 Värmeöverföring i värmeväxlare ............................................................................................. 9
2.5 Lagar och klassning av frekvensomriktare ............................................................................ 12
2.6 Tillverkare av frekvensomriktare ........................................................................................... 12
2.7 Olika modeller av frekvensomriktare och offerterat pris ..................................................... 13
2.7.1 Vacons modeller ............................................................................................................ 13
2.7.2 Mitsubishi Electrics modell ............................................................................................ 14
2.8 Energibesparing vid drift med frekvensomriktare ................................................................ 15
2.9 Förändrat underhåll .............................................................................................................. 17
3. Slutsats .......................................................................................................................................... 18
4. Egna reflektioner ........................................................................................................................... 21
5. Källhänvisning ................................................................................................................................ 22
5.1 Litteraturförteckning ............................................................................................................. 22
5.2 Figurförteckning .................................................................................................................... 22
6. Bilagor ............................................................................................................................................ 23
6.1 Bilaga 1. Projektdirektiv......................................................................................................... 23
6.2 Bilaga 2. Pumpkurva för 1750 rpm och 1450 rpm ................................................................ 25
6.3 Bilaga 3. Pumpkurva för 1450 rpm och 870 rpm .................................................................. 26
6.4 Bilaga 4. Pumpkurva för 1450 rpm, 1056 rpm och 870 rpm ................................................. 27
6.5 Bilaga 5. Offert från Vacon .................................................................................................... 28
6.6 Bilaga 6. Offert från Beijer Electronics Automation AB ......................................................... 29
6.7 Bilaga 7. Beräkningsbilaga 1 .................................................................................................. 30
6.8 Bilaga 8. Beräkningsbilaga 2 .................................................................................................. 32
6.9 Bilaga 9. Beräkningsbilaga 3 .................................................................................................. 33
6.10 Bilaga 10. Beräkningsbilaga 4 ................................................................................................ 36
6.11 Bilaga 11. Intyg om slutfört uppdrag ..................................................................................... 37
vi
1. Inledning
Detta projektarbete är gjort på uppdrag av den tekniska chefen på m/s Finnfellow. Han ville att det
skulle undersökas vilka fördelar och nackdelar det finns med att installera frekvensstyrning på
fartygets sjövattenpumpar. Detta på grund av stora kavitationsskador på pumphjul och pumphus.
Det finns också troligen en hel del pengar att tjäna i minskad elenergi då fartyg endast går på linjen
Kapellskär – Nådendal där det aldrig blir några riktigt höga sjövattentemperaturer, vilket gör att det
inte behövs lika stor kylning av färskkylvattnet.

Fartyget m/s Finnfellow är ett Ro-pax fartyg som ägs av rederiet Finnlines. Hon är byggd av Astilleros
Españoles på uppdrag av Stena Line. Fartyget köptes av Finnlines 2003 och har ägts av dem sedan
dess. Fartyget är 188,12x28,7x6,31m, har en dödvikt på 6155ton och har en lastkapacitet på 3079
lastmeter samt får ta 188 passagerare.

Lite bakgrund om själva systemet ombord:
Finnfellow har 4 stycken huvudmaskiner på 6000kw styck. Dessa är uppdelade i två maskinpar som
driver varsin propelleraxel. Varje maskinpar har sitt eget sjökylvattensystem som kyler
färskkylvattensystemet till varje maskinpar. Sjökylvattensystemen tar sitt vatten från en gemensam
crossovertank som i sin tur får sjövattnet från antingen ett lågsug eller högsug. Efter crossovertanken
så är de båda sjökylvattensystemen helt skilda åt. Varje system har två stycken pumpar som suger
från crossovertanken och levererar sitt vatten till två stycken värmeväxlare. Efter värmeväxlarna så
går det att köra sjövattnet överbord, tillbaka till crossovertanken eller till låg- respektive hög-sugen.
På babordssystemet så leds det även bort sjövatten till pannornas dump-kondensor.
In till värmeväxlarna går det också LT-vatten som ska kylas av för att i sin tur sedan kyla
huvudmaskinerna och övriga system i maskinrummet. Detta LT-vatten är ett slutet system utan
kontakt med sjövattnet och pumpas runt i systemet med hjälp av två stycken LT-pumpar. Även här är
det alltid bara en pump i drift samtidigt oavsett tidpunkt på året.

I normala fall så används det en pump och en värmeväxlare per sida. Även under högsommaren så
används denna konfiguration, detta då pump och värmeväxlare har så hög kapacitet och fartyg
endast i nuläget går på traden mellan Kapellskär i Sverige och Nådendal i Finland. Överkapaciteten
beror på att fartyget är byggt för att vara redundant och då kunna fungera även om man har förlorat
en viss del av kapaciteten på maskineriet ombord. Till exempel om en av sjövattenpumparna går
sönder ska man fortfarande kunna ha full driftförmåga på fartyget.

Detta arbete tar upp och undersöker vad som krävs av konfigurationen ombord för att kunna
installera en frekvensstyrning samt vad för någon typ av utrustning som ska installeras för att få en
fungerande varvtalsstyrning. Detta med några olika alternativ. Arbetet visar upp vad man kan tjäna in
på både elenergi och underhållskostnader. Exakt vad som givits av uppdragsgivaren står i
projektdirektivet.1

För att tydliggöra så är frekvensstyrning en metod för att ändra varvtalet på en elmotor genom att
ändra den ingående frekvensen till elmotorn. Medan en frekvensomriktare är den maskin som
åstadkommer denna förändring av frekvensen.

1 Se bilaga 1.
1
1.1 Frågeställning
Det som har blivit gjort i projektet är att det tagits fram en projektering som besvarar följande frågor:

 Hur mycket det kommer kosta att installera frekvensstyrning på alla/alternativt 2 st.(en på
varje sida) sjövattenpumpar i huvudmaskinernas sjökylvattensystem? Alltså hur mycket som
själva delarna kommer att kosta då arbetskraft för att installera detta finns anställd ombord.
 Vad man kommer att tjäna på att göra en ombyggnation till frekvensstyrning av dessa
pumpar? Detta i insparad el, minskade kavitationsskador, ändrade värmeförhållanden på
kylvattnet på vintern, nedlagd arbetstid på pumparna och reservdelskostnader. Samtidigt ska
det tas upp hur systemet påverkas av en lägre flödeshastighet, detta med hänsyn till
sedimenteringsproblem.
 Vad det är som ska göras för en installation av frekvensomriktarna, vilka större delar behöver
bli inköpta och installerade? Inte då en detaljerad installationsplan, men vilka delar, alltså
märke modell och var de kan köpas ifrån. Också hur EMC problem påverkar installationen
och vad som ska göras för att ta bort dessa?

1.2 Metod
Metoden som använts är främst en blandning mellan olika mätningar/kontroller på plats i fartyget,
information från tillverkares manualer och beräkningar på de inhämtade värdena.
Mätningarna/kontrollerna som är gjorda på fartyget är för att få reda på hur systemet ser ut och
beter sig vid olika driftsförhållanden. Dessa tog form i olika steg:
 Producera en systemskiss. För att få reda på hur SW- och LT-systemen ser ut, så att det syns
hur vattnet rör sig i systemen och var temperaturmätningar samt tryckmätningar är lämpliga
att göra. Systemskissen konstruerades med hjälp av studier av existerande systemritningar
och visuell kontroll av systemen.
 Hämta information om komponenter i systemet. Detta gick ut på att kontrollera märkskyltar
och skriva upp de märkdata som stod där för att senare kunna hämta rätt information ifrån
manualer.
 Mäta upp temperaturer och tryck i systemet. Det gjordes en hel del olika mätningar för att få
reda på vilka temperaturer och tryck som förekom i systemet vid olika driftsituationer på
huvudmaskinerna. Det var två olika driftsituationer som var aktuella för mätningarna,
normaldrift med en huvudmaskin på varje sida och normaldrift med två huvudmaskiner på
varje sida. Med normaldrift menas det högst normalt tillåtna kraftuttaget från
huvudmaskinerna. Dessa mätningar utgör senare grunden för
värmeöverföringsberäkningarna som blivit gjorda. Dessa mätningar blev gjorda med hjälp av
existerande analoga manometrar/termometrar och med hjälp av en lasertermometer.

2
Information som hämtades in från tillverkares manualer gjordes i två olika steg. Det första steget var
att hämta så mycket information som möjligt från de manualer som fanns ombord. Tyvärr så var
detta inte tillräckligt då vissa inte gav all information som behövdes och vissa existerade inte. Det
andra steget var att kontakta tillverkarna av de olika komponenterna för att få fram den information
som inte kunde upphämtas ifrån manualerna ombord på fartyget. Den information som blev uttagen
i dessa steg var den information som var intressant för att ta reda på hur komponenterna skulle
reagera på frekvensstyrning eller ändrat flöde. Kontakten med tillverkarna var främst genom email
kontakt men vissa telefonsamtal förekom också. Denna information blev presenterad i ett avsnitt för
varje huvudkomponent.
Innan kontrollerna och inhämtandet av informationen ombord på fartyget ägde rum så gjordes
efterforskning i vilka värden/information som behövdes för att kunna göra korrekta beräkningar
senare. Denna efterforskning bestod av att läsa igenom information från frekvenstillverkares
manualer och kontroll av formelsamling utgiven av skolan.

De beräkningar som utfördes var grundade på den information som blev inhämtad i tidigare steg.
Beräkningarna utfördes i huvudsakligen fyra olika avsnitt:
 Upprättande och kontroll av pumpkurvor. Här tillverkades en ny pumpkurva för det lägst
tillåtna varvtalet som konstaterats innan med hjälp av affinitetslagarna för pumpar. Det
gjordes även senare en beräkning för att ta reda på en ny driftspunkt för ytterligare ett
varvtal.
 Beräkning för utvecklad värmemängd. Utifrån de uppmätta värdena från systemet ombord
så räknades det ut vilken värmemängd som huvudmaskinerna utvecklar vid de olika
driftsituationerna. Detta för att senare kunna bestämma hur mycket flödet på sjövattnet ska
kunna minskas. De formler som användes var de för överförd värme effekt räknat på det
kalla mediet.
 Beräkning för de minst tillåtna SW-flödena. Från de uträknade värmemängderna som
huvudmaskinerna utvecklar så räknas de minst tillåtna SW-flödena för både SB- och BB-sida
ut. Dessa minsta tillåtna flöden ligger sedan i sin tur som grunden för uträkningen av
energibesparing. Även dessa beräkningar utfördes med den formeln som är för överförd
värmeeffekt till det kalla mediet, men det förekommer också en kontroll mot temperaturen
för LT-vattnet så det inte blir en för hög uttemperatur från värmeväxlaren.
 Total energibesparing. Energibesparing räknades ut med hjälp av en jämförelse för hur
mycket pumparna drar i nuläget med hur mycket de skulle dra om de går med det nya minsta
varvtalet. Sen så gjordes denna energibesparing om till hur mycket bränsle som kan bli
inbesparat på grund av detta med hjälp av information från hur mycket bränsle en
huvudmaskin förbrukar för att tillverka denna mängd energi.
Lagar och regler för frekvensomriktare ombord kontrollerades genom att gå igenom de lagar och
regler som gäller för svenska fartyg och enligt DNV. Denna information fanns tillgänglig på internet.
Sen förhördes det med de tillverkare för frekvensomriktare som kontaktades om deras produkter
följde dessa lagar och regler.
Vid framtagande av olika tillverkare och modeller av frekvensomriktare så togs det kontakt med
flertalet stora tillverkare av dessa produkter. Detta gjordes med email kontakt och senare telefon
samtal. Det presenterades för dem vilka komponenter som existerade i systemet och ställdes frågan
om vilka av deras modeller som de kunde rekommendera. Vissa förslag var givna i frågan till dem och
det var de som var de mest passande också. Sedan fortsatte kontakten med tillverkarna tills de kunde
presentera en komplett offert på deras produkt.

3
1.3 Tidigare forskning/arbeten
Det finns tidigare arbeten skrivna om frekvensstyrning av elmotorer gjorda på sjöfartshögskolan i
kalmar, men dessa är mer en beskrivning utav hur det funkar i teorin och i praktiken på vissa mindre
pumpar. Samt hur det är att installera frekvensstyrning på dessa. Informationen i dessa hjälper inte
till särskilt mycket i den typen av arbete som skrivs här.
Även på Chalmers tekniska högskola så finns det två stycken arbeten som kanske skulle kunna vara
till hjälp men då dessa inte är publicerade på internet och endast kan fås genom deras bibliotek så
har bara abstracten på dessa blivit genomgångna. Efter genomgång av abstrakten så verkar de inte
riktigt handla om en lika konkret projektering som detta projekt och därför har dessa arbeten inte
studerats mer ingående. De tidigare arbeten som upptäckts finns med på källhänvisningen, detta för
att de blivit genomgångna för att se om de var relevanta för projektet.

En annan källa till mycket information är en guide som är sammanställd av Elforsk AB, denna guide
handlar om frekvensomriktare och har mycket användbar information inom sig.2

Det finns även flera andra arbeten och forskning gjord men den har inte blivit genomgången då den
informationen som redan har blivit inhämtad anses vara tillräcklig för att kunna genomföra detta
projekt.

2 (Sven-Erik berglund, 2004)
4