Zusammenfassung: Mit dem erfolgreichen Bau des 38.500-DWT-Öltankers der Boston-Klasse und dem anschließenden Auftrag für eine Reihe weiterer Schiffe haben sich Flüssiggutschiffe mit elektrischen Tiefbrunnenpumpen und Frequenzumrichtern zum Hauptschiffstyp des Unternehmens entwickelt. Dieser Artikel beschreibt das Frequenzumrichter-Steuerungssystem der elektrischen Tiefbrunnenpumpe. Schlüsselwörter: Flüssiggutschiff, Frachtpumpe , Frequenzumrichter, Elektrotechnik. 1. Einleitung: Das 38.500-DWT-Flüssiggutschiff ist ein wirtschaftliches Flüssiggutschiff, das von unserem Unternehmen für die dänische Reederei NORDEN entwickelt wurde und über eigene Schutzrechte verfügt. Seit seiner Indienststellung erfreut es sich großer Beliebtheit am Markt. Bis heute haben wir Aufträge für 23 Schiffe von vier Reedereien in drei Ländern erhalten: Dänemark, Italien und Griechenland. Damit ist es unser Hauptprodukt. Eine seiner Hauptmerkmale ist der Einsatz von elektrischen Tiefbrunnenpumpen mit Frequenzumrichtern. Im Folgenden wird das Frequenzumrichter-Steuerungssystem der elektrischen Tiefbrunnenpumpe kurz vorgestellt. 2. Systemskürzung Die Konfiguration des elektrischen Ladungspumpensystems des 38.500-DWT-Flüssigfrachters ist in Abbildung 1 dargestellt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 1. Konfigurationsdiagramm des elektrischen Ladungsölpumpensystems [/ALIGN] 1) Ladungsölpumpen/Schlammpumpen. Das Schiff verfügt über 10 Ladungsölpumpen (je 230 kW Leistung und maximaler Betriebsstrom von 362 A) und 2 Schlammpumpen (je 125 kW Leistung und maximaler Betriebsstrom von 196 A). Diese sind auf Backbord und Steuerbord verteilt, jeweils 5 Ladungsölpumpen und 1 Schlammpumpe pro Seite. Die Motoren sind explosionsgeschützte Motoren von ABB. Die Pumpen werden von MARFLEX in den Niederlanden hergestellt. 2) Frequenzumrichter: Das Schiff verfügt über 6 Frequenzumrichter. Diese sind in 2 Gruppen mit je 3 Frequenzumrichtern unterteilt. Jede Gruppe steuert eine Seite der Ladungsölpumpen/Schlammpumpen, und jeder Frequenzumrichter kann eine der 6 Pumpen steuern. Jede Gruppe von Frequenzumrichtern kann maximal 3 Pumpen gleichzeitig steuern. Auf dem gesamten Schiff können maximal 6 Pumpen gleichzeitig betrieben werden. 3) Matrix-Panel: Das Schiff verfügt über zwei Matrix-Panels, die wie die Frequenzumrichter gruppiert sind. Jedes Matrix-Panel hat 18 installierte Schütze, von denen 15 die Ladungsölpumpen und 3 die Schlammpumpen mit Strom versorgen. Siehe Abbildung 2 für das einseitige Prinzip. [ALIGN=CENTER] Abbildung 2 Schema des Matrix-Panels [/ALIGN] 4) Bedienfeld: Das Bedienfeld ist das Herzstück des Ladungsölpumpensystems des Schiffes. Es steuert die Frequenzumrichtersteuerung der Ladungsöl-/Schlammpumpen über die Schütze im Matrix-Panel; es führt Abfragefunktionen für hohe Lasten durch Kommunikation mit der Hauptschalttafel durch und gewährleistet so den Schutz der Schiffsstromversorgung während des Be- und Entladens; und ermöglicht es dem Ladeölrechner, das gesamte Ladeölsystem über eine RS485-Kommunikation mit dem Ladeölrechner zu steuern. Siehe Abbildung 3 für das Prinzip. [ALIGN=CENTER] Abbildung 3: Schaltplan des Bedienfelds [/ALIGN] 3. Systemaufbau 1) Anordnung der Ladeöl-/Schlammpumpen. Es gibt insgesamt 10 Ladeölpumpen und 2 Schlammölpumpen, die sich jeweils in den Ladeöltanks und Schlammöltanks im Laderaum befinden. Die Motoren sind mit speziellen, vom Hersteller bereitgestellten Tankdurchführungen an der Decksoberfläche befestigt. Die Pumpengehäuse befinden sich am Boden der Öltanks und sind über ein mehrere Meter langes Edelstahlrohr mit der Ladeölleitung verbunden. 2) Umrichteranordnung. Ein weiterer Unterschied dieses Schiffes zu anderen Flüssiggutschiffen mit hydraulischen Ladeölpumpen besteht darin, dass es über einen separaten Umrichter-Kontrollraum für die Ladeölpumpen verfügt, der sich an der Backbordseite des Oberdecks befindet. Die genaue Anordnung ist in Abbildung 4 dargestellt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 4: Anordnung des Wechselrichters [/ALIGN] 4. Funktionsmerkmale des Systems Da dieses Schiff mit wechselrichtergesteuerten elektrischen Ladungsölpumpen ausgestattet ist, weist es spezifische Merkmale auf. Basierend auf den Gegebenheiten dieses Schiffes wird der Funktionstest des Wechselrichters für eine einseitige Ladungsölpumpe im Folgenden beschrieben. 1) Lokale Steuerungsfunktion Die lokale Steuerung ermöglicht den direkten Betrieb der Ladungsölpumpe über den Wechselrichter. Im lokalen Steuerungsmodus können die Ladungsölpumpen direkt vom Frequenzumrichter gesteuert werden. Da die lokale Steuerung keine SPS-Programmierung zur Ansteuerung des Frequenzumrichters erfordert, kann jeder Frequenzumrichter einer Gruppe nur eine von zwei Ladungsölpumpen/Schlammpumpen steuern. Die spezifischen Betriebsbedingungen sind wie folgt: Frequenzumrichter 1 steuert entweder Ladungsölpumpe 1 oder 2; Frequenzumrichter 2 steuert entweder Ladungsölpumpe 3 oder 4; Frequenzumrichter 3 steuert entweder Ladungsölpumpe 5 oder Schlammpumpen. 2) Fernsteuerungsfunktion: Die Fernsteuerung erfolgt über den Ladeölrechner an der Ladeöl-Kontrollkonsole und steuert die Ladeölpumpen über die Netzwerksteuerung der SPS am Frequenzumrichter. Im einseitigen Betrieb bildet sich ein 6/3-Matrix-Steuerungsmodus mit folgenden Hauptmerkmalen: Frequenzumrichter können beliebig mit Ladeölpumpen/Schlammpumpen gekoppelt werden, wobei ein Frequenzumrichter eine beliebige Ladeölpumpe/Schlammpumpe innerhalb der Matrix steuern kann. Pro Seite können maximal 3 Ladeölpumpen/Schlammpumpen und auf dem gesamten Schiff maximal 6 Ladeölpumpen/Schlammpumpen gleichzeitig betrieben werden. 3) Not-Aus-Funktion: Die Ladeölpumpen/Schlammpumpen können im Notfall lokal oder ferngesteuert gestoppt werden. Das Schiff verfügt über 4 Not-Aus-Vorrichtungen: im Wechselrichterraum, im Ladekontrollraum, an der Backbordseite und an der Steuerbordseite der Betankungsstation. 4) Alarm- und Pumpenstoppfunktionen ① Gemäß den Spezifikationen und Datenblättern verfügt das Maschinenraum-Alarmsystem nur über umfassende Fehleralarme für jede Wechselrichtergruppe. ② Da jedoch zahlreiche Alarme an den Wechselrichtern selbst vorliegen, umfassen die wichtigsten Alarm-/Pumpenstoppfunktionen: Fehler in jedem Wechselrichter, Stromausfall in jedem Wechselrichter, niedrige Isolation in jedem Wechselrichter, Ausfall der Steuerungsfunktion, niedrige Isolation in jeder Ladeölpumpe und hohe Temperatur in jeder Ladeölpumpe. 5) Überlastabfragefunktion Der genaue Ablauf der Überlastabfrage ist wie folgt: Bei jedem Start einer Ladeölpumpe sendet der Frequenzumrichter ein Anforderungssignal an die Hauptschalttafel. Die Hauptschalttafel ermittelt anhand der maximalen Betriebsleistung von 230 kW pro Ladeölpumpe und des aktuellen tatsächlichen Verbrauchs, ob die verbleibende Leistung ausreicht. Ist dies der Fall, sendet sie ein Startsignal an den Frequenzumrichter, wodurch die Ladeölpumpe gestartet werden kann. Nach dem Start sendet die Ladeölpumpe ein Betriebssignal an die Hauptschalttafel, woraufhin die Leistung automatisch von der Ladeölpumpe abgezogen wird. Bei unzureichender Leistung sendet die Hauptschalttafel nach dem Anlaufen und der Anbindung des Notstromaggregats ein weiteres Startsignal („Zulassen“) an den Frequenzumrichter, um den Start der Ladeölpumpe zu ermöglichen. Da die maximale Betriebsleistung jeder Ladeölpumpe 230 kW beträgt, werden unter Berücksichtigung der Kennlinien der Frequenzumrichtersteuerung der Ladeölpumpe und der tatsächlichen Schiffssituation zum Schutz des Schiffes folgende Regelungen für das Kraftwerksmanagement getroffen: ① Sind drei Generatoren und mindestens fünf Ladeölpumpen in Betrieb, werden die Generatorsätze zum Schutz des Kraftwerks nicht abgeschaltet. ② Sind drei Generatoren und weniger als fünf Ladeölpumpen in Betrieb und beträgt die Last mehr als 1400 kW, werden die Generatorsätze nicht abgeschaltet. ③ Sind drei Generatoren und weniger als fünf Ladeölpumpen in Betrieb und beträgt die Last weniger als 1400 kW, wird ein Generatorsatz abgeschaltet. ④ Sind zwei Generatoren und drei oder mehr Ladungsölpumpen in Betrieb, werden die Generatorsätze zum Schutz des Kraftwerks nicht abgeschaltet. ⑤ Sind zwei Generatoren und nur zwei Ladungsölpumpen in Betrieb und beträgt die Last mehr als 300 kW, werden die Generatorsätze zum Schutz des Kraftwerks nicht abgeschaltet. ⑥ Sind zwei Generatoren und nur zwei Ladungsölpumpen in Betrieb und beträgt die Last weniger als 300 kW, wird ein Generatorsatz abgeschaltet. ⑦ Sind zwei Generatoren und nur eine Ladungsölpumpe in Betrieb und beträgt die Last mehr als 500 kW, werden die Generatorsätze zum Schutz des Kraftwerks nicht abgeschaltet. ⑧ Sind zwei Generatoren und nur eine Ladungsölpumpe in Betrieb und beträgt die Last weniger als 500 kW, wird ein Generatorsatz abgeschaltet. 6) Sequenzieller Start der Frequenzumrichter: Aufgrund der 6/3-Matrixsteuerung ist am Bedienfeld für jede Gruppe von Frequenzumrichtern ein Schalter zur Auswahl des sequenziellen Starts installiert. Der Schalter hat drei Positionen, die folgenden Startsequenzen entsprechen: „1“ – Startsequenz der Frequenzumrichter: 1#, 2#, 3#; „2“ – Startsequenz der Frequenzumrichter: 2#, 3#, 1#; „3“ – Startsequenz der Frequenzumrichter: 3#, 1#, 2#. 5. Erfahrungen und Erkenntnisse : 1) Herstellerauswahl: Bei der Bestellung der Ausrüstung konkurrierten zwei Ölpumpenhersteller. Die Wahl fiel schließlich auf MARFLEX und HAMWORTHY. Die Pumpen beider Hersteller waren hinsichtlich der Anzahl der Frequenzumrichter, Ölpumpengehäuse und Ölpumpenmotoren im Wesentlichen identisch. Die Hauptunterschiede sind in Tabelle 1 dargestellt. [ALIGN=CENTER] Tabelle 1 [/ALIGN] Aufgrund des obigen Vergleichs und unter Berücksichtigung des Preisunterschieds der Geräte entschieden wir uns letztendlich für MARFLEX als Direktlieferanten. 2) Erkenntnisse Da das Unternehmen zum ersten Mal ein frequenzumrichtergesteuertes elektrisches Tiefbrunnen-Frachtpumpensystem einsetzte, gab es keine Erfahrungswerte in der Konstruktion oder im Bauwesen. Der Hersteller hatte seinen Sitz in Europa, und die technische Vereinbarung sah vor, dass der Hersteller der Frachtpumpe und der Hersteller der Frachtsteuerkonsole die Schnittstelle selbst koordinieren und uns über die Ergebnisse informieren sollten. Aufgrund der Belastung durch das Stromversorgungssystem und meiner eigenen Arbeit konnte ich das Schnittstellenprotokoll zwischen den beiden Herstellern nicht rechtzeitig überwachen. Darüber hinaus lieferte der Hersteller der Frachtpumpe die Bestätigungszeichnungen zu spät, und der Hersteller der Frachtsteuerkonsole lieferte gemäß den Anforderungen des Herstellers der Frachtpumpe lediglich einen Entwurf für ein Kommunikationsmodul, das in der Frachtsteuerkonsole installiert wurde. Später forderte der Hersteller der Frachtpumpe zwei Kommunikationsmodule an, was zu Änderungen im Entwurf des Herstellers der Frachtsteuerkonsole führte. Glücklicherweise verhinderte die rechtzeitige Koordination Unterbrechungen der Lieferungen des Herstellers und der Inbetriebnahme der Geräte. Diese Erfahrung lehrte mich, dass wir die Hersteller hinsichtlich der Schnittstellen zwischen den Systemen nicht vernachlässigen dürfen; wir müssen ihren Koordinierungsprozess aktiv verfolgen und die Ergebnisse überprüfen. 6. Fazit: Obwohl dies meine erste Konstruktion eines elektrischen Systems war, insbesondere eines neuen Systems mit einer frequenzumrichtergesteuerten elektrischen Tiefbrunnen-Ladungsölpumpe, und mir zu Beginn des Bestellprozesses keine Referenzmaterialien zur Verfügung standen, konnte ich die Herausforderungen verspäteter und qualitativ minderwertiger Herstellerzeichnungen durch die Unterstützung erfahrener Kollegen und mein eigenes Lernen bewältigen und die Systemkonstruktion erfolgreich abschließen. Nach der Installation der Anlage stellte der Hersteller die Testverfahren nicht rechtzeitig zur Verfügung. Schweren Herzens musste ich daher auf Grundlage meiner Kenntnisse im Schiffsingenieurwesen und meines Systemverständnisses eigene Testverfahren zur Genehmigung durch den Hersteller erstellen. Glücklicherweise wurden meine Verfahren vom Hersteller weitgehend akzeptiert, und die Inbetriebnahme und die Abnahmeprüfung konnten erfolgreich abgeschlossen werden.