Development of cost and energy efficient digital hydraulic winch system

MacGregor jobber sammen med partnerne Universitetet i Agder, Diinef og Imenco Bauer Hydraulics om å anvende digitale, hydrauliske høy-moment motorer til å drive store vinsjer for bruk i offshore og maritim operasjoner. Vinsjene kan typisk løfte fra 100-900 t, og de kompenserer for skipets eller plattformens bevegelser i bølgene, således at lasten holdes i ro. Det stilles derfor ekstreme krav til dreiemoment og presisjon. Foreløpig resultater i prosjektet viser at man kan få et betydelig redusert behov for installert effekt og at man betydelig redusere energiforbruket i operasjon uten å få en kostnadsøkning på vinsjen i forhold til dagens løsninger ved anvende slike digitale hydrauliske høy-moment motorer. Dette gjør derfor at en slik løsning er kommersielt attraktiv, samtidig som den er mer gunstig for miljøet. I digital hydraulisk motor teknologi brukes nye, elektroniske styreventiler som tilsluttes hver enkelt motorsylinder. Ventilene kontrollerer tilgangen til høytrykk og lavtrykk etter behov og gir på den måten full kontroll over motoren. Et slikt unikt digital motor konsept har blitt utviklet og testet av prosjektpartnerne Diinef AS og Imenco Bauer Hydraulics AS. I prosjektet er disse derfor motorene og deres kontrollenheter videreutviklet, slik at flere kontrollenheter kan kobles sammen og få synkronisert styring av flere motorer mot en felles vinsj. Det er videre utviklet et komplett vinsjsystem med kontrollsystem, som skal demonstreres ved å kjøre en test-vinsj med digitale motorer og tilhørende kontrollsystem og energiforsyning. Det er også gjennomført Hardware-In-Loop testing av kontrollsystemet mot en vinsj simulator samt utviklet en egen HMI for testen. Testing er utført ved Mechatronics Innovation Lab (MIL) i Grimstad der vi benytter MIL sin Winch Lab, som er utviklet og bygget for formålet, og inkluderer testtårn med 25 tonn testlast og 25 tonns vinsj med elektriske drifter for å kunne teste flere operasjonelle scenarioer. Demonstrasjon av funksjonalitet har blitt gjennomført for partnere.

Preliminary results in the project show that one can significantly reduce the need for installed power and significantly reduce the energy consumption in operation without having a cost increase on the winch compared to current solutions by using such digital hydraulic high-torque motors. This therefore means that such a solution is commercially attractive, while being more environmentally friendly

The idea of this project is to use new high torque low speed radial piston motors with digital distributor valve systems in large Active Heave Compensated (AHC) offshore and maritime winches. According to Maritim21, CO2 footprint of maritime business must be reduced and therefore there is a definite pressure towards energy efficient solutions. State of art solutions comprise hydraulic solutions with secondary control(i.e. the winch is controlled by adjusting a variable hydraulic motor) and energy recovery. These solutions are proprietary and expensive, and even if they are the most energy efficient hydraulic solutions, they still suffer from significant losses in gearboxes and hydraulic motors. More cost effective solutions are often preferred, but these are more complex and energy efficiency is even much worse. By using High Torque Low Speed radial piston motors with digital distributor valves (digital HTLS motors) it is possible to increase efficiency above state of art, to reduce cost below cost effective systems and to improve performance and reduce the number of components compared to both: 1)Digital HTLS motors have less than half the losses of hydraulic winch motors used today and need no gearbox 2)Digital HTLS motors can operate with a unique combination of full speed and full torque, thereby increasing performance and operating window of a vessel 3)Reduced number of components will result in a less complex winch system that is more robust and easier to maintain and assemble 4)Cost of winch drives with digital HTLS motors is estimated to be less than the cost of today's most cost effective solutions Further, the idea is to develop a hydraulic energy storage system as a part of the winch system and to recover long-range lowering energy and send it to other consumers on the vessel. The result will be heavy duty winch systems with significantly less CO2 footprint than any present solutions.