Σύνδεση Μελών

Σύνδεση με προνόμια ΕΛ.Ι.Ν.Τ.

Ανάπτυξη Πλαισίου Μοντελοποίησης για το Σχεδιασμό, Λειτουργία και Έλεγχο Ναυτικών Ενεργειακών Συστημάτων

Γεώργιος Γ.  Δημόπουλος και Νικόλαος Μ. Π. Κακαλής
Det Norske Veritas Research & Innovation, Piraeus, Greece

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Το διεθνές οικονομικό περιβάλλον, οι διακυμάνσεις των τιμών καυσίμων, οι ισχύοντες/αναμενόμενοι κανονισμοί για τις εκπομπές ρύπων επιβάλλουν την αύξηση της αποδοτικότητας, τη μείωση του κόστους και τον περιορισμό των εκπομπών ρύπων από τη λειτουργία των πλοίων. Η εγκατάσταση πρόωσης και παραγωγής χρήσιμων μορφών ενέργειας είναι ο βασικός συντελεστής του λειτουργικού κόστους, των εκπομπών ρύπων και της απόδοσης του πλοίου. Για την επίτευξη των στόχων αυτών, η περιπλοκότητα των ενεργειακών συστημάτων διαρκώς αυξάνει και απαιτείται ανάπτυξη νέων μεθοδολογιών για τη σύνθεση, το σχεδιασμό, τη λειτουργία και τον έλεγχο όλων των διαδικασιών μετατροπής ενέργειας επί πλοίου σε ένα ολοκληρωμένο επίπεδο θεώρησης. Ταυτόχρονα, η συνδυασμένη εκτίμηση των επιδόσεων, της ασφάλειας και της αξιοπιστίας της εγκατάστασης, υπό πραγματικές συνθήκες υπηρεσίας και δυναμικές φορτίσεις, γίνεται ολοένα πιο σημαντική τόσο για τους πλοιοκτήτες όσο και τους νηογνώμονες.

Σε αυτή την εργασία παρουσιάζεται μια καινοτόμος, ολοκληρωμένη προσέγγιση με βάση τη δυναμική μοντελοποίηση και προσομοίωση ναυτικών ενεργειακών συστημάτων. Η μεθοδολογία βασίζεται στη μαθηματική μοντελοποίηση της δυναμικής συμπεριφοράς των θερμοδυναμικών και ρευστομηχανικών χαρακτηριστικών των επιμέρους στοιχείων των ναυτικών ενεργειακών συστημάτων όπως εναλλάκτες θερμότητας, ατμοπαραγωγοί, συμπιεστές, στροβιλομηχανές, καθώς και πρωτογενείς μετατροπείς ενέργειας όπως μηχανές Diesel και αεριοστρόβιλοι. Κάθε μοντέλο εξαρτήματος αναπτύσσεται έτσι ώστε να είναι γενικής χρήσης, προσαρμόσιμο σε διαφορετικά είδη μελετών προσομοίωσης και αντιπροσωπευτικό για το μεγαλύτερο δυνατό εύρος συνθηκών λειτουργίας. Ακολουθώντας μια ιεραρχική μέθοδο δόμησης, γίνεται σύνθεση των συνιστωσών σε υποσυστήματα και κατόπιν σε ολοκληρωμένα ενεργειακά συστήματα. Λειτουργικά και πειραματικά δεδομένα χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της αξιοπιστίας και τη βαθμονόμηση των μοντέλων. Για την ανάπτυξη των μοντέλων χρησιμοποιούνται σύγχρονα και εύρωστα υπολογιστικά εργαλεία που επιτρέπουν τη σύνδεση των μοντέλων με ακριβείς αναπαραστάσεις των τρόπων λειτουργίας και δυναμικών φορτίσεων. Έτσι γίνεται δυνατή η εκτέλεση πλειάδας υπολογιστικών μελετών όπως προσομοίωση σε σταθερές/μεταβατικές συνθήκες, σχεδιασμός και διαστασιολόγηση συστημάτων, βελτιστοποίηση και έλεγχος κάτω από πραγματικές συνθήκες λειτουργίας.

Το μεθοδολογικό πλαίσιο που αναπτύχθηκε στοχεύει στην παροχή βοήθειας στη διαδικασία λήψης αποφάσεων αναφορικά σε: α) ενεργειακά και περιβαλλοντικά βέλτιστο σχεδιασμό συστημάτων μετατροπής ενέργειας πλοίου, β) αξιολόγηση και βελτιστοποίηση υπαρχόντων ναυτικών ενεργειακών συστημάτων στις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας τους, και γ) αξιολόγηση της εφικτότητας καινοτόμων σχεδιαστικών λύσεων και της εισαγωγής νέων τεχνολογιών. Το βασικό πλεονέκτημα αυτής της συστηματικής και ενοποιημένης μεθοδολογικής αντιμετώπισης είναι η ταυτόχρονη αξιολόγηση και βελτιστοποίηση των ονομαστικών χαρακτηριστικών, της σταθερής λειτουργίας σε μερικό φορτίο και της δυναμικής συμπεριφοράς των ναυτικών ενεργειακών συστημάτων. Τα βασικά πλεονεκτήματα της μεθόδου παρουσιάζονται μέσω μιας εφαρμογής σε ναυτικό σύστημα συνδυασμένου κύκλου Diesel με ανάκτηση θερμότητας καυσαερίων και παραγωγή πρόσθετης ισχύος σε ατμοστρόβιλο.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η κτήση και λειτουργία πλοίων στο νέο διεθνές οικονομικό περιβάλλον, καθώς και οι ισχύοντες αλλά και αναμενόμενοι κανονισμοί για τις εκπομπές ρύπων, επιβάλλουν την αύξηση της αποδοτικότητας, τη μείωση του κόστους και τον περιορισμό των εκπομπών ρύπων καθ’ όλη τη διάρκεια ζωής του πλοίου. Η εγκατάσταση πρόωσης και παραγωγής χρήσιμων μορφών ενέργειας (ναυτικό ενεργειακό σύστημα) είναι ο βασικός συντελεστής του λειτουργικού κόστους, των εκπομπών ρύπων και της απόδοσης του πλοίου. Οι ως άνω ανάγκες και περιορισμοί συχνά οδηγούν τους πλοιοκτήτες/διαχειριστές (ship-operators) σε αποφάσεις που ωθούν διάφορα συστήματα στα ονομαστικά τους όρια –και συχνά εκτός αυτών– με αποτέλεσμα την αύξηση του κόστους και την εμφάνιση διάφορων θεμάτων ασφάλειας και αξιοπιστίας. Στο εγγύς μέλλον η ανάγκη για αποδοτικές και φιλικές προς το περιβάλλον θαλάσσιες μεταφορές θα οδηγήσει σε αύξηση της περιπλοκότητας των ναυτικών ενεργειακών συστημάτων. Ταυτόχρονα, η ενεργειακή απόδοση, οι εκπομπές ρύπων, η ασφάλεια, η αξιοπιστία και η διαθεσιμότητά τους υπό πραγματικές συνθήκες υπηρεσίας και δυναμικές φορτίσεις, γίνονται ολοένα πιο σημαντικές τόσο για τους πλοιοκτήτες όσο και τους νηογνώμονες.

Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται ένα καινοτόμο μεθοδολογικό πλαίσιο για τη μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση ναυτικών ενεργειακών συστημάτων. Η μεθοδολογία βασίζεται στη μαθηματική μοντελοποίηση της στατικής και δυναμικής συμπεριφοράς των θερμοδυναμικών και ρευστομηχανικών χαρακτηριστικών των επιμέρους στοιχείων (συνιστωσών). Αυτή είναι η πρώτη φορά (σε γνώση των συγγραφέων) που τεχνικές μοντελοποίησης συστημάτων διεργασιών εφαρμόζονται σε προβλήματα ναυτικής μηχανολογίας. Σε αυτό το μεθοδολογικό πλαίσιο, τα ονομαστικά χαρακτηριστικά, η συμπεριφορά σε μερικό φορτίο/πραγματικές συνθήκες υπηρεσίας και οι μεταβατικές/δυναμικές αποκρίσεις ναυτικών συστημάτων μπορούν ενιαία και ταυτόχρονα να εκτιμηθούν και να βελτιστοποιηθούν. Το μεθοδολογικό πλαίσιο μοντελοποίησης που αναπτύχθηκε στοχεύει στο να αποτελέσει ένα εργαλείο υποστήριξης λήψης αποφάσεων στους ακόλουθους τομείς:

  1. Ενεργειακά και περιβαλλοντικά βέλτιστο σχεδιασμό συστημάτων μετατροπής ενέργειας πλοίου.
  2. Αξιολόγηση και βελτιστοποίηση υπαρχόντων ναυτικών ενεργειακών συστημάτων στις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας τους.
  3. Αξιολόγηση της εφικτότητας και λειτουργικότητας καινοτόμων λύσεων και της εισαγωγής νέων τεχνολογιών.

Οι στόχοι αυτοί ορίζουν το γενικότερο πλαίσιο της προτεινόμενης ολιστικής θεώρησης των ναυτικών ενεργειακών συστημάτων: από την ενέργεια του καυσίμου στους διάφορους καταναλωτές και στις διάφορες μορφές ενέργειας.

Τα βασικά πλεονεκτήματα αυτής της συστηματικής και ενοποιημένης μεθοδολογικής αντιμετώπισης είναι:

  • Ποσοτικοποιημένη, συνεπής και ακριβής αποτίμηση της συμπεριφοράς και επιδόσεων του ναυτικού ενεργειακού συστήματος.
  • Εμβάθυνση στη λειτουργία των συστημάτων και αναγνώριση των παραγόντων που επηρεάζουν την ενεργειακή αποδοτικότητα και τις εκπομπές ρύπων.
  • Βελτιστοποίηση της λειτουργίας με ταυτόχρονο συνυπολογισμό της στατικής και δυναμικής απόκρισης του συστήματος.
  • Υποβοήθηση της διαδικασίας σχεδιασμού για ενεργειακά συστήματα νεότευκτων πλοίων ή σχεδιαστικές αλλαγές σε μετασκευές μέσω της αξιολόγησης ή/και βελτιστοποίησης με χρήση μοντέλων υπολογιστή.
  • Υποβοήθηση της διαδικασίας λήψης αποφάσεων με χρήση μοντέλων υπολογιστή σε ολόκληρο το κύκλο ζωής του ναυτικού ενεργειακού συστήματος: από το σχεδιασμό ως την καθημερινή λειτουργία.
  • Εξέταση νέων ή/και καινοτόμων σχεδιαστικών λύσεων και τεχνολογιών μέσω της σύγκρισης και αξιολόγησης των διάφορων τεχνικών επιλογών.

Στην παρούσα εργασία περιγράφονται οι στόχοι, προδιαγραφές και το πλαίσιο ανάπτυξης του εργαλείου μοντελοποίησης ναυτικών ενεργειακών συστημάτων. Δίνονται οι βασικές μαθηματικές σχέσεις της μοντελοποίησης των επιμέρους στοιχείων/εξαρτημάτων και περιγράφεται η υλοποίηση σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Τέλος, οι πιθανοί τρόποι χρήσης του εργαλείου και τα πλεονεκτήματά του αναδεικνύονται με ένα παράδειγμα εφαρμογής σε ναυτικό σύστημα συνδυασμένου κύκλου Diesel με ανάκτηση θερμότητας καυσαερίων και παραγωγή πρόσθετης ισχύος σε ατμοστρόβιλο.

Το πληρες άρθρο είναι διαθέσιμο μόνο για τα μέλη ΕΛ.Ι.Ν.Τ.
Αν είστε μέλος παρακαλούμε συνδεθείτε με τον κωδικό σας.
Για να γίνετε μέλος ΕΛ.Ι.Ν.Τ. ακολουθήστε τις οδηγίες στις Εγγραφές Μελών
Τετάρτη, 24 Απριλίου 2013

TRAINING WORKSHOP, ΠΟΥ ΟΡΓΑΝΩΘΗΚΕ ΑΠΟ «ΕΛΙΝΤ» / «MAR.TEC.M.A.» / «Ε.Ε.Δ.Ε.» ΣΤΙΣ 19 & 20 ΑΠΡΙΛΙΟΥ 2013, ΣΤΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΤΩΝ ΕΚΔΗΛΩΣΕΩΝ:
«ΗΦΑΙΣΤΟΣ 2013» / ΑΘΗΝΑ & «HE.M.E.EXPO. 2013» / ΣΑΓΚΑΗ

Σε συνέχεια της προηγούμενης – ενημερωτικής εσπερίδας που οργανώθηκε

Περισσότερα...
Παρασκευή, 25 Νοεμβρίου 2016

Το καθιερωμένο βραβείο ΕΛ.Ι.Ν.Τ απονεμήθηκε φέτος κατά τη διάρκεια του Επίσημου Δείπνου στο Ναυτικό Όμιλος Ελλάδος στον κ. Αθανάσιο Μαρτίνο για τη μεγάλη του προσφορά στο ναυτιλιακό χώρο αλλά και για το σημαντικό κοινωνικό έργο.

Περισσότερα...
Παρασκευή, 02 Μαΐου 2014

ΗΜΕΡΙΔΑ ΕΠΑΓΓΕΛΜΑΤΙΚΟΥ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΤΩΝ ΜΑΘΗΤΩΝ TOY 9ου ΕΠΑΓΓΕΛΜΑΤΙΚΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ ΠΕΙΡΑΙΑ – ΝΑΥΤΙΚΗΣ & ΝΑΥΤΙΛΙΑΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ

Γίνεται γνωστό ότι την Τρίτη 08/04/2014 με πρωτοβουλία του «Ελληνικού Ινστιτούτου Ναυτικής Τεχνολογίας» πραγματοποιήθηκε

Περισσότερα...
Δευτέρα, 08 Απριλίου 2013

ΕΣΠΕΡΙΔΑ – “HEPHAESTUS 2013” ΤΗΝ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ 29/03/2013

Πραγματοποιήθηκε με πολύ μεγάλη επιτυχία η πρώτη προγραμματισμένη ενημερωτική εκδήλωση του forum «Ήφαιστος 2013» την Παρασκευή 29/03/2013 στις εγκαταστάσεις της «Environmental Protection Engineering» – E.P.E. S.A. Περισσότερα...