Design and Verification of Control Systems for Safe and Energy-efficient Vessels with Hybrid Power Plants

D2V-prosjektet omhandler utvikling av kunnskap og kompetanse innen design og verifisering av reguleringssystemer for sikrere og mer energieffektive maritime fartøyer med installerte hybride elektriske anlegg og systemer for kraftgenerering og distribusjon. Tradisjonelt består en marine kraftverk vanligvis av flere dieselgeneratorsett som er koblet til et AC eller DC-distribusjonssystem (strømbuss), skilt av brytere. I et hybrid marine kraftverk, blir generatorene assistert av bruk energilagringsenheter (ESDer) som batterier og superkondensatorer. Vi har spesielt undersøkt potensialet til å bruke batterier. ESD er en enhet som kan lade opp og lagre energi og levere den på etterspørsel. I likhet med bilindustrien, vil hybrid kraftverk på skip forbedre sikkerheten og energieffektivitet. Dette vil medføre redusert utslipp av forurensende gasser. Prosjektpartnerne er NTNU, Kongsberg Maritime og DNV GL. Prosjektet har også vært knyttet til SFF NTNU AMOS. Prosjektet inkluderte 6 doktorgradsstudier innen: Modellering og regulering av hybridkraftverk; Transiente ytelse og utslipp av en turbo-ladet dieselmotor for marine kraftverk; Scenario- og optimaliseringsbasert regulering av elektriske marine systemer; Optimaliseringsbasert regulering av diesel-elektriske skip i dynamisk posisjonering; Hybrid elektriske systemer for dynamiske posisjoneringsfartøyer: modellering, styring og feiltoleranse; og Sikkerhetsvurdering og verifisering av avanserte maritime systemer. Flere masteroppgaver ble også knyttet til prosjektet. Prosjektresultatene er publisert bredt i anerkjente internasjonale peer review tidsskrifter og konferanser. Et marint kraftverk simulator er utviklet som en del av prosjektet, og tilknyttet prosjektet er et marint hybrid kraftlaboratorium også utviklet og brukt for modell verifikasjons formål. Elektriske kraftverk med flere dieselgeneratorer som er adskilt på flere kraftbusser, har blitt den foretrukne løsningen for skip med en variasjon i driftsprofil og tilhørende strømkrav. Eksempler på slike skip er dynamisk posisjonerte (DP) fartøyer med kraftverk i størrelsesorden 10-80 MW som brukes i offshore olje- og gassindustrien for ulike marine operasjoner og transitt. Operasjonene er karakterisert som sikkerhetskritiske og vil finne sted hele året med store variasjoner i miljøbelastningen som virker på skipet på grunn av vind, bølger, havstrømmer. Ved riktig design kan det oppnås betydelige drivstoffbesparelser som gjør skipene grønnere og sikrere. Redundans og segregasjon brukes til å øke sikkerheten ved å ha flere generatorer, busser, thrustere og tilhørende elektrisk utstyr tilkoblet enn det som er strengt nødvendig av totalbelastningen, samt fysisk og elektrisk segregering av utstyr og kabling i forskjellige grener og soner av skipet. Enhver enkelt feil på det overflødige systemet bør ikke føre til blackout, det vil si et totalt tap av strøm. En motsetning kan oppstå når du optimaliserer både sikkerhet og drivstofforbruk. Dessverre fører sikkerhetsmotivert minimumsredundansbehov altfor ofte til driftsforhold for motoren utenfor det optimale driftspunktet med økt drivstofforbruk og dermed gassutslipp. Selv om marine operasjoner og frakt er den mest effektive transporten når det gjelder tonnevis av varer per energivalg, er potensialet for å forbedre drivstoffeffektiviteten og redusere utslippene betydelige. Velfungerende elektrisk kraft- og energistyringssystemet som styrer elektrisk kraftfordeling, start og stopp av generatorer, og lastene for fremdrift, kran, boring, ventilasjon, etc., er avgjørende for å sikre sikker og effektiv drift. Vellykkede operasjoner av elektrisk drevne fartøy er avhengig av avansert integrert programvarekontrollfunksjonalitet. Derfor kan designmangler og programvarerelaterte problemer, ofte i forbindelse med maskinvare og / eller menneskelige feil, føre til uakseptabel risiko, økte gassutslipp til miljøet og uønsket nedetid under operasjonen. Det tilhørende tapet av inntekter og økt kostnad for kundene kan være alvorlig. Forbedrede metoder for testing og verifisering av maskinvare og programvare er viktige og kan oppnås ved hjelp av forbedret simuleringsteknologi samt laboratorietesting. Trenden i den maritime næringen er mot økt autonomi. Dette vil gi enda flere krav til relevant og effektiv testmetode i et livssyklusperspektiv.

Objectives of the project: oGreener vessels: to develop new technology for safe and energy-efficient control of production, and consumption of electric power. o Safer vessels: to develop improved verification methods and procedures for reducing risks in n ew complex control systems. oProof of concept with pilot studies: The academic research carried out in Greener and Safer vessels will be prepared for pilot tests in order to check that the research can be applied in an industrial context. In addition t he project will increase the knowledge and awareness of operators and end clients (vessel owners, oil companies and other stakeholders) to critical issues regarding the technology and operation of complex marine vessels with electric power plants.