ENERGIOPTIMERING AF KØLEVANDSSYSTEM

Transkript

1 December 2018 ENERGIOPTIMERING AF KØLEVANDSSYSTEM Tue Sepstrup Olesen & V14907 V14890

2 1) Titelblad Titel: Undertitel: Energioptimering af kølevandssystem Projektperiode: Efterår 2018 Afleverings dato: 21/ Antal normalsider: 30 Uddannelsesinstitution: Aarhus Maskinmesterskole Vejleder : Tom Banke Andersen Gruppemedlemmer: V14890 Tue Sepstrup Olesen V14907 Underskrift: Tue Sepstrup Olesen Side 1 af 57

3 2) Abstract This report is a part of the final semester on Aarhus School of Marine and Technology Engineering, and the other part was an internship at a company in a profession relevant occupation. The writers of this report were in an internship at NCC s fleet of hopper dredgers, where maintenance and repairs for machinery was the main tasks. A part of the internship was to identify a problem or a possibility for optimization, which would lay the foundation of a report. After some time on M/S Baltic, it was found that the seawater cooling system on the main engine was vastly oversized and therefore used more energy than needed. In addition to that, the ship was working in different scenarios where the need for cooling would be different. In this report it will be investigated about how the expense on fuel can be lowered by optimizing the seawater cooling system on the main engine. The amount of cooling needed for the engine and the attached systems in the different scenarios, is then calculated from measurements on the cooling system. Two solutions are found, installing a frequency converter or implementing new smaller pumps. The pros and cons are discussed for the two solutions, there among the price and return-on-investment. The conclusion of this report is that it is possible to reduce the fuel consumption with the two solutions. Either replacing the pumps with new ones or installing a frequency converter to the current system. It is suggested that NCC invests in the solution with the frequency converter. This is mainly due to significant savings and a return-on-investment period of only half a year, but also for environmental reasons and lowered maintenance. Side 2 af 57

4 Indholdsfortegnelse 1) Titelblad ) Abstract ) Forord ) Læsevejledning ) Beskrivelse af skibet ) Problemstilling ) Problemformulering ) Afgrænsning ) Metode ) Analyse af det nuværende system ) Hovedmotorens kølevandssystem ) Måleinstrumenter og usikkerheder ) Analysering af det påkrævede flow ) Energiforbrug ) Det nødvendige forbrug ) Løsningsforslag ) Pumpe - Teoriafsnit ) Økonomi - Teoriafsnit ) Frekvensregulering - Teoriafsnit ) Løsningsforslag 1 - Frekvensregulering ) Løsningsforslag 2 - Udskiftning af pumpesættene ) Sammenligning af løsninger ) Anbefaling til NCC ) Konklusion Side 3 af 57

5 12) Referenceliste ) Figur- og tabelliste ) Bilagsliste Side 4 af 57

6 3) Forord Denne rapport er udarbejdet på maskinmesteruddannelsens niende og sidste semester. Dette semester indbefatter en praktikperiode, samt et projektarbejde med udgangspunkt i en professionsrelevant problemstilling, der er udvalgt af den studerende. Rapporten er den sidste der skrives på uddannelsen og ender ud i et mundtligt forsvar af denne. Formålet er at kunne drage sammenhæng fra tillært teoretisk viden til erfaring og praktiske færdigheder. Hvor projektet er en mulighed for at kunne identificere professionsrelevante problemstillinger, analysere data og formidle en løsning. Gennem projektets forløb skal der arbejdes med projektstyring og projektledelse, for at kunne først og fremmest overholde en deadline, men også opretholde en struktur i projektets forløb. Baggrunden for denne rapport er en problemstilling fundet i praktikperioden på M/S Baltic, der indvinder råstoffer for NCC. Undertegnede har arbejdet som maskinmesteraspiranter og været en del af besætningen på fire udmønstringer a 14 dage i efteråret Projektet omhandler kølevandssystemet, på hovedmotoren, ombord på M/S Baltic. Den henvender sig hovedsagelig til personer med grundlæggende teknisk indsigt, i det der kan være benyttet tekniske formuleringer. I forbindelse med udarbejdelsen af denne rapport rettes der en tak til følgende: Michael Sørensen, Rederichef NCC Industry A/S Jørn Malcow, Maskinmester på M/S Baltic Tom Banke Andersen, Vejleder Christian Lohse, DESMI Peter Rohde & Jan Helbo, Danfoss Nordhavn, Randers Side 5 af 57

7 4) Læsevejledning Ved kildereferencer er der blevet benyttet Havardmetoden, hvor kilden står i en parentes efter den tekst der skal refereres. Der kan findes en oversigt, samt uddybning af kilden, i afsnittet efter konklusionen. Når der skal refereres til et bilag, benyttes der en fodnote, hvor der i denne fodnote står hvilket bilag der er benyttet. Der findes en bilagsliste i slutningen af rapporten og selve bilagene er vedlagt rapporten. Figur og tabeller er inddelt i numre, således det er mere overskueligt at referere hertil. Der vil i slutningen af rapporten være en oversigt over henholdsvis figur og tabeller. I rapporten er der benyttet forkortelser, der vil være uddybet herunder: Pumpediagram, hvor den vandrette aksel er flowet i m Q-H diagrammet: 3 /h og den lodrette er løftehøjden i meter vandsøjle. mvs: Meter vandsøjletryk HT: High-Temperature FV: Ferskvand LT: Low-Temperature SV: Søvand Symbolliste: Q = Effekt [kw] eller Flow [ m3 h ] V = Volumeflow [ L h ] ρ = Massefylde [ kg m 3] c L V = Specifik brændstofværdi [ kwh ] kj c = Varmekapacitet [ kg K ] eller [ kj kg o C ] d y = Ydre diameter [mm] t = Temperatur [ o C] d i = Indre diameter [mm] P = Effekt [kw] v = Hastighed [ m s ] η = Virkningsgrad H = Løftehøjde [mvs] E = Energiforbrug [kwh] n = Omdrejninger pr. minut [min 1 ] f = Frekvens [Hz] Side 6 af 57

8 5) Beskrivelse af skibet M/S Baltic er en slæbesuger der indvinder sand og ral, til fortrinsvis byggeri for NCC. Skibet blev bygget på Limfjordværket i 1983 sammen med søsterskibene Nordia og Skandia, hvor Nordia sammen med Baltic, stadig er i drift hos NCC. Med rederiets 5 skibe indvindes, der omkring tre millioner kubikmeter råstoffer, om året fra havbunden (NCC, 2018). Materialerne suges op fra havbunden gennem et sugerør med en sugefod for enden. Sugefoden ligger så vidt mulig plan med havbunden. For at hvirvle materiale op, sidder der nogle spuledyser, som leverer et vandtryk mod havbunden. Denne sugefod slæbes langsomt langs havbunden, deraf slæbesuger i modsætning til stiksuger. Til at indvinde råstoffer, sidder der en 12-cylinderet Mitsubishi S12A2 MPT med 445 kw i forskibet, der driver en Warman 24/20 HG pumpe. Denne pumper råstoffer og vand op til soldet, hvor det bliver sorteret, alt efter hvilket råstof man ønsker at fylde lasten med. Et eksempel er mørtelsand, der er et fint materiale. Her er diameteren på maskerne i soldet små, hvilket gør at mørtelsandet og vandet kan falde igennem maskerne på soldet. Derefter fortsætter det videre ned igennem to sandlemme og herefter ned i lastrummet, hvor vandet løber ud over skibssiden. Råstofferne som er for store til at komme igennem soldets masker, bliver ført ud over skibssiden via en sliske. Ønskes derimod ral, bliver ralslisken kørt ned så materialet ender i lastrummet. Hvor vand og sand bliver spulet ned igennem soldet og ud gennem afharpningsrenden. Der kommer altid vand i lasten og for at kunne sortere det fra, eksisterer der en rende i bunden af lastrummet hvorfra vandet kan lænses. Side 7 af 57

9 Figur 1 Lastrummet og sold (Eget arkiv) Agter i lastrummet, findes der en tilgang til en Danena-pumpe, der kan bruges til at sprøjte lasten ud over skibssiden, og over f.eks. en spuns til et nyt havnebyggeri. Men denne pumpe bruges også til at fylde lasten med vand efter losning, da skibet bliver mere sødygtig af at ligge dybere i vandet, end hvis der sejles med et helt tomt lastrum. Dette er for at trykke skibet ned og derved opnå en bedre stabilitet, hvilket gør at skibet er mindre modtageligt for vind og vejr. Derudover er det monteret en vandkanon under soldkassen, til at fordele lasten eller når der skal losses med Danena-pumpe over spuns. Der bliver dog hovedsageligt losset med en gravko i havn. Side 8 af 57

10 6) Problemstilling I dette afsnit vil der være en introduktion til problemstillingen, hvor der vil blive forklaret, hvad det overordnede problem i virksomheden er og hvilke fokuspunkter, der vil blive behandlet i rapporten, for at imødekomme problemet. I løbet af praktikforløbet, har forfatterne observeret flere tiltag fra NCC s ledelse, hvor der forsøges at reducere omkostningerne af deres 5 sandsugere. Dette kan skyldes, at der til tider ikke er nok arbejde til de forskellige sandsugere, hvilket også resultererede i at der for nylig var en af sandsugerne, der blev lagt op og besætningen afskediget. Derudover er der også forsøgt at reducere omkostningerne ved at indfører en ny leverandør af fødevarer, der ville kunne levere billigere end den forrige. Da skibet er af ældre dato, vil der være muligheder for at optimere forskellige komponenter på skibet pga. den udvikling, som er sket over de år, der er gået siden den blev bygget. Der er blevet observeret, at hovedmotoren på skibet, hovedsageligt kun kører ved sejlads og pumpning. Hvilket vil være lidt over halvdelen af tiden, skibet er i drift 1. Derudover kører den med lavere omdrejninger, når der indvindes råstoffer, da skibet ikke har behov for samme fremdrift, som ved sejlads. Hovedmotoren trækker dog en hydraulikpumpe, som leverer tryk til hydrauliksystemet på skibet. Hovedmotoren vil derfor ikke have behov for den samme mængde kølevand i de forskellige situationer, der vil derfor også her være mulighed for at reducere kølevandsmængden. Der vil under pumpning også opstå et unødvendigt slid på rørsystemer, rørvarmevekselerer og pumper. Dette skyldes at havbunden bliver hvirvlet op og små urenheder kommer ind i systemet, der er af mindre diameter end søfilterets masker. Ved at søvandspumperne kører 100%, vil der være en stor mængde søvand og urenheder, der bliver ført gennem søvandssystemet. Der er installeret redundante søvandspumper med tilhørende elmotorer, i ferskvandssystemet er der en tvangstrukket pumpe på hovedmotoren og en eldrevet pumpe, der benyttes som en reserve, hvis den tvangstrukket pumpe skulle havarere. På 1 Bilag 1 Sejltid - Statistik Side 9 af 57

11 grund af at ferskvandssystemet hovedsagelig kører på den tvangstrukket pumpe, bliver der kun fokuseret på mulige optimeringer på søvandspumperne. En overdimensionering af kølevandssystemet har også miljømæssige konsekvenser, idet et overforbrug forurener, når der som i dette tilfælde afbrændes fossile brændstoffer. For at kunne fremstå som en miljørigtig virksomhed, bør der søges efter energioptimeringer for at mindske påvirkningen af miljøet. 6.1) Problemformulering Med udgangspunkt i problemstillingen undersøges følgende: Hvordan kan omkostningerne på brændstof reduceres, ved at optimere på hovedmotorens kølevandssystem? 6.2) Afgrænsning I dette afsnit vil der blive gennemgået de punkter, som rapporten vil afgrænse sig fra og de vil derfor ikke indgå senere i rapporten. I udregningerne vil ikke der ikke være taget forhold til, om lasten er fuld eller tom ved sejlads, dog er alle målinger taget under samme forhold. Dette skyldes, at lasten bliver fyldt med vand, når der sejles uden råstoffer og derfor vil forskellen ikke være af større betydning. Pumpning over spuns er en mindre del af losningsscenariet og vil derfor ikke blive fokuseret på. Da temperaturmålingerne, brugt til udregning, er temperaturen på røret, vil der ikke være taget forbehold for ændring af varmetransmissionskoefficienten, på grund af flowet. Der afgrænses fra en stigning i effektforbrug på gearolien, smøreolien og ladeluften, ved at hæve afgangstemperaturen på kølevandet fra hovedmotoren. Der forudsættes at effektbruget vil forblive det samme, som i det nuværende system. Side 10 af 57

12 7) Metode Dette projekt tager udgangspunkt i M/S Baltic, der tilhører NCC, hvor praktikperioden har fundet sted. Dermed er data i høj grad indsamlet på skibet, både i form af datablade og målinger, men også samtaler med besætningen. Der benyttes en hypotetisk-deduktiv metode, hvori der anvendes empirisk viden og logik som værktøjer, heriblandt tilegnet viden fra studie og litteratur fra Aarhus Maskinmesterskole. Samtaler ombord med maskinmesteren, Jørn Malcow, har givet et godt indblik i skibets opbygning og grundet mange års erfaring, anses for at være troværdig. Disse samtaler har ført hen imod projektets problemstilling. Der er udover samtalerne også indsamlet data fra forskellige virksomheder, såsom Nordhavn ang. dieselgeneratoren. I de målinger der er foretaget, vil der være en usikkerhed, men stadig være gyldige under de forhold der opereres under. Det vil blive nærmere belyst under afsnittet Måleinstrumenter og usikkerheder. Kildekritik De anvendte kilder, som bøger og internetsider, vurderes at være valide efter at have været kontrolleret med andre kilder. Formler anses for at være præcise, hvorimod de målte værdier som er målt på kølevandssystemet, kan variere i nøjagtighed. Derfor er de udregnede resultater ikke defineret som sande værdier, da de er baseret på de målte værdier. Undervisningsmateriale på Maskinmesterskolen, anses for at være pålidelig og har givet en grundlæggende viden omkring maskineri på et skib. Side 11 af 57

13 Projektstyring Til at udarbejde denne rapport, er der taget udgangspunkt i Frederik W. Taylors metode. Denne metode går i sin enkelhed går ud på at dele projektet i mindre dele, for at overskue det endelige mål. Projektet er først og fremmest udarbejdet i to faser. Fase et har været under praktikperioden, hvor der blev arbejdet med udformning af problemformuleringen. Allerede fra start var der en ide, om at gennemføre et projekt om optimering af driften på skibet. Gennem samtaler med besætningen på M/S Baltic og ved at opnå bedre kendskab til skibet, udmundede det i et projekt om kølevandet på hovedmotoren. I denne periode har målet været at kunne finde en problemstilling, samt indhente data om skibet og dets komponenter. I fase 2 startede projektskrivningen, der blev afviklet hovedsagelig på skolen, hvor der første dag i hver uge blev opstillet delmål for ugen. Denne opstilling har bidraget til en systematisk koordinering af projektarbejdet. Hver afsnit er skrevet for sig selv inden den endelige sammensætning, for at holde processen overskuelig. Desuden er der gennem ugen ofte blevet opstillet delmål for den enkelte dag, for at sikre koordinering og overblik. Ved at benytte Taylors tilgang har der været et bedre overblik og mere systematisk tilgang, hjulpet på vej af en punktopstilling på tavle, både daglig og ugentlig. Til weekender har der været lavet en To-Do-liste med mindre punkter, der skulle rettes eller lignende. Der har fra start været en forestilling om et bestemt antal møder med vejleder, hvor mindst 3 møder ville være tilfredsstillende. Dette har været for at sikre projektet gik den rette vej i forhold til vejlederens forventninger og undervisningsplanen. Side 12 af 57

14 Tidsplan Der er udarbejdet en tidsplan over projektets forløb. De enkelte felter har været opdelt som nævnt i ovenstående, hvor det fra start ikke har været mulig at specificere nærmere for hver enkelt uge. Tidsplanen er blevet brugt til at give det overordnede overblik i projektforløbet. Hvilket har gjort udarbejdelsen af projektet mere overskueligt. Aktiviteter Uge Uge 48 Uge 49 Uge 50 Uge 51 Fase 1 - Praktikfase Problemstilling x Problemformulering x Dataindsamling x Fase 2 - Projektfase Valg af teori og x x x metode Databearbejdning x x Litteratursøgning x x Analysedelen x x Samle rapport x Endelig tekst x Korrektur x Aflevering d. 21/12 Figur 2 Tidsplan (Eget arkiv) x Side 13 af 57

15 8) Analyse af det nuværende system 8.1) Hovedmotorens kølevandssystem I dette afsnit vil der først være en kort beskrivelse af hovedmotorens kølevandssystem, som er opbygget af et søvands- og ferskvandssystem, herefter vil der blive gennemgået de målte data i de forskellige scenarier. Ved at beskrive det nuværende system, gives et udgangspunkt for forståelse af projektets problemstilling. Søvandskølesystem Figur 3 Diagram af søvandskølesystem (Eget arkiv) Herover, på figur 3, ses diagrammet for søvandskølesystemet, som består af to pumper, således at der kan skiftes i tilfælde af havari eller vedligehold på den ene pumpe. Sådan som systemet fungerede under scenarierne, er ved at bypass-ventilen til ladeluftkøleren var åben, således at retur fra ladeluftkøleren blev blandet med søvandet til smøreoliekøleren. Søvandet blev heller ikke recirkuleret, men i stedet pumpet overbord. Det er dog muligt at recirkulere kølevandet ved at åbne ventilen, dette bliver dog ikke Side 14 af 57

16 benytte ved målingerne. Der kan monteres en brandslange på hydranten og derved kan en ekstern pumpe benyttes f.eks. brandpumpen, i tilfældet af at begge fast installerede pumper havarerer. Ferskvandskølesystem Figur 4 Diagram af ferskvandskølesystem (Eget arkiv) Ferskvandskølesystemet benytter primært den tvangstrukket pumpe og det er kun i tilfældet af at den er havareret eller ved reparation, at reservepumpen bliver benyttet. Skulle begge pumper være i stykker, kan der tilkobles en brandslange på hydranten og derved benytte søvand til køling af hovedmotoren. Dette skal kun benyttes i yderste nødstilfælde, da der kan forekomme tæringer af motoren ved at benytte søvandet og generelt skade motoren. Kølevandstemperaturen bliver reguleret ved, at termostaten fordeler hvor meget af kølevandet, der kan omgås varmeveksleren. Hvilket vil sige, at når afgangstemperaturen fra hovedmotoren stiger, vil der være mere kølevand der bliver cirkuleret igennem varmeveksleren. Der kan derfor holdes en forholdsvis konstant afgangstemperatur til hovedmotoren. Afgangstemperaturen på det nuværende system, er målt til omkring 66 o C. Side 15 af 57

17 Under de målte scenarier har kedlen været omgået, denne funktion bliver normalt kun benyttet til længere stilstands perioder, hvor hovedmotoren risikerer at falde for meget i temperatur og blive kold. Det vil sige, at denne funktion kun bliver benytte ved værftophold, diverse længere varende reparationer, samt hvis skibet ligger til kaj ved f.eks. dårligt vejr. 8.2) Måleinstrumenter og usikkerheder I dette afsnit vil der blive gennemgået, de benyttede måleinstrumenter til måling af data på skibet og der vil være en gennemgang af de måleusikkerheder, der nu måtte være ved målingerne. Flowmåling Til at foretage flowmålingerne i kølevandsrørene på skibet, er der blevet benyttet en Tofting TF-100W (Tofting, 2012), som er en ultralydsflowmåler. Dette har været nødvendigt, idet skibet ikke har installeret noget overvågningssystem og har et meget begrænset antal måleinstrumenter på kølevandsanlægget. Ved at benytte ultralydsflowmåleren, har det været muligt at lave målingerne på rørene, uden at der skulle foretages en ændring på kølevandssystemet. Det har dog været nødvendigt at slibe nogle af rørene før montering, for at få en måling af høj nok kvalitet. Figur 5 Placering af flowmåler (Tofting, 2012) Når flowmåleren er installeret korrekt, er det muligt at opnå en præcision på ±1% (Tofting, 2012). Dette betyder at Tofting TF-100W flowmåleren vil være meget velegnet til at måle flowet i kølevandssystemet på skibet. For at opnå de mest optimale målinger, er der nogle betingelser til placeringen af flowmåleren, i forhold til rørenes udformning. Disse betingelser kan ses på figur 5, og de er Side 16 af 57

18 forsøgt overholdt, hvor det har været muligt. Dette har dog ikke været muligt ved alle flow målingerne, da de lige rørstykker, ikke har været lange nok og der har været for mange bøjninger på kølevandssystemet. Det betyder at nogle af målingerne kan være påvirket af dette, da vandet bevæger sig anderledes nær en bøjning end på et langt lige stykke rør. Det har ikke været muligt at foretage en måling af flowet på afgangssiden af smøreoliekøleren, dette kan skyldes at længden på røret ikke har været tilstrækkelige i forhold til at kunne placere måleren korrekt pga. bøjninger på røret. Placeringen af røret kan ses på figur 6 til højre. Dertil varierede målingerne af godstykkelsen af røret, hvilket kunne indikere at røret er rusten på indersiden eller der er andre urenheder. Figur 6 Rør efter smøreoliekøler (Eget arkiv) Temperaturmåling Til at lave temperaturmålingerne var det planlagt, at benytte den medfølgende temperaturføler PT 100 til Tofting TF-100W. Målingerne foretaget med temperaturføleren stemte dog ikke overens med de fast installerede temperaturmålere, og det blev vurderet ud fra egne observationer, at det var temperaturføleren der ikke virkede korrekt. Samtidig var der kun én temperaturføler, hvilket ville gøre at temperaturføleren skulle monteres og derefter skulle tilpasse sig rørets temperatur, før det var muligt at aflæse en måling. Dette ville have gjort at målingerne, ville blive foretaget over en længere tidsperiode. Til at foretage temperaturmålingerne blev der i stedet lånt en håndholdt laser temperaturmåler, UNI-T UT300B (UNI-T, 2018). Dette har gjort at tidsperioden mellem målingerne ikke er ret stor i forhold til temperaturføleren, der skulle monteres på røret ved hver måling. Ved at reducere tiden mellem målingerne er det muligt, at opnå mere præcise målinger, da ændringen i temperaturen på røret vil være mindre. UNI-T UT300B har en præcision på ± 2 o C (UNI-T, 2018), hvilket betyder at der er mulighed for relative unøjagtige målinger. Der er ved gentagende målinger, dog en reduceret afvigelse på ± 0,5 o C. Der har derfor ved alle målinger med UNI-T UT300B, blevet foretaget flere målinger for at se at afvigelsen for hver målinger ikke har været stor. Side 17 af 57

19 Ved temperaturmålingerne er det vigtigt at notere, at det er overfladetemperaturen på røret og ikke kølevandet inde i røret, som bliver den aflæste temperatur. For at få kølevandets temperatur skal de målte temperaturer, derfor behandles efterfølgende vha. varmetransmissionsberegninger for at få en mere præcise temperatur. Dette er der dog valgt at se bort fra, da det vurderes ud fra erfaringer, at temperaturforskellen på et stålrør uden isolering ikke er betydelig stor og derfor er påvirkningen på resultatet af målingerne begrænset. Dertil er måleusikkerheden på temperaturmåleren også af sådan en størrelse, at temperaturen vil svinge mere ved dette end pga. varmeovergangen i stålrøret. Tykkelsesmåling For at kunne indstille flowmåleren, har det været nødvendigt at kende tykkelserne på rørene. Til dette har der været anvendt skibets tykkelsesmåler Diesella TG-C2188 (UNI-T, 2018). Denne har et måleområde fra 1-200mm, hvilket gør den velegnet til de foretaget målinger. Den har en nøjagtighed på ±0,5 %, hvilket betyder at der ikke vil kunne forekomme større unøjagtigheder ved brug af dette måleudstyr. Yderlige måleusikkerheder Under målingerne har der været nogle yderlige måleusikkerheder, der kan have påvirket de optagede målingerne. De vil være beskrevet herunder. Da det ikke har været muligt at foretage alle målingerne som øjebliksværdier, vil der være nogle unøjagtigheder, idet der vil være ændringer af temperatur og flow, selvom scenariet er den samme, f.eks. ved sejlads. Ved sejlads og i særdeleshed pumpningen, vil modtrykket for søvandspumpen variere og derved vil der være en ændring af flowet. Under sejlads, når dybdegangen er stabil vil modtrykket ikke variere så voldsomt, dog kan strømmene i vandet godt have indflydelse på dette. Under pumpningen vil lasten på skibet øges og derved vil dybdegangen på skibet også øges. Dette resulterer i at modtrykket for pumpen også vil stige og derved vil flowet også ændres. Side 18 af 57

20 8.3) Analysering af det påkrævede flow I dette afsnit vil der blive udregnet, hvilket flow der er påkrævet på søvandssiden. Der bliver undersøgt, hvilke scenarier skibet sejler under og hvilken påvirkning det har på energiforbruget der afsættes i varmeveksleren. Til sidst vurderes resultater og observationer. For at finde et flow gøres der brug af formlen Q[kW] = m [ m3 kj ] ρ [kg 3] c [ ] t[ ] (kg ) (Nielsen & Nielsen, 2007) samt den specifikke varmekapacitet for vand og saltvand (Gyldendal.dk, 2018). Mængden af den påkrævede køleeffekt til selve motoren og tilhørende komponenter er afgørende for hvilken minimumeffekt, der skal leveres af kølesystemet. Derfor kan der ved at finde denne effekt undersøges, hvilket flow der bliver leveret på nuværende system og hvor meget der egentlig er påkrævet, for at holde hovedmotoren kølet. h m Scenarie 1: Sejlads I dette scenarie sejler skibet for fuld kraft enten til eller fra pumpestedet. Hovedmotoren yder fuld kraft og den største mængde køling er derfor krævet under dette scenarie. Scenarie 2: Pumpning Under pumpning arbejder hovedmotoren tilnærmelsesvis i tomgang, eftersom kravet til skibets fremdrift er meget begrænset, hvilket betyder maksimalt 2-3 knob. Udover den mindre fremdrift bliver der dog benytte en anden forbruger, i form af hydrauliksystem til styring af diverse spil til sugerøret. Side 19 af 57

21 Scenarie 3: Havn I dette scenarie bliver lasten losset vha. en gravemaskine eller skibet ligger i havn af andre årsager, såsom reparationer, besætningsskifte eller ventetid på havnens gravemaskine. Her er hovedmotoren hovedsagelig slukket og derfor er kølevandssystemet også lukket ned. Beregninger for den afsatte energimængde i det nuværende system under sejlads Sejlads Komponent Flow m 3 Tilgang Afgang h ( o C) ( o C) FV - Hovedmotor FV - Varmeveksler SV - Gearoliekøler SV - Ladeluftkøler SV - Smøreoliekøler SV - Varmeveksler Figur 7 Målinger ved sejlads 2 Den afsatte mængde af køling i hovedmotoren, udregnes som følgende ved hjælp af den aflæste temperatur på ind- og udgang på hovedmotoren, flowmængden og den specifikke varmekapacitet for saltvand: Q motor = m vand ρ vand C vand t = ,18 (68,5 64,9) = 154,7 kw 3600 Afsat mængde af køling til gearolie-, ladeluft- og smøreoliekøler er regnet ud fra temperaturdifferencen på rørene, på hver side af systemerne: Q diverse = m søvand ρ søvand C søvand t = 31, ,93 (12,8 9,6) = 111,7 kw Bilag 8 Målinger Side 20 af 57

22 Her beregnes den afsatte mængde køling på FV siden: Q FV = m ferskvand ρ ferskvand C ferskvand t = ,18 (68,7 42,1) = 216,2 kw 3600 Og den beregnede afsatte mængde køling på SV siden: Q SV = m søvand ρ søvand C søvand t = 31, ,93 (15,9 12,8) = 108,2 kw 3600 Beregninger for den afsatte energimængde i det nuværende system under pumpning Pumpning Komponent Flow m 3 Tilgang Afgang h ( o C) ( o C) FV - Hovedmotor FV - Varmeveksler SV - Gearoliekøler SV - Ladeluftkøler SV - Smøreoliekøler SV - Varmeveksler Figur 8 Målinger ved pumpning 3 Da den afsatte energimængde, ved pumpning ikke er magen til energimængden, når skibet er under sejlads, beregnes her den afsatte mængde af køling i hovedmotoren under pumpning: Q motor = m vand ρ vand C vand t = 27, ,18 (66,3 64) = 72,6 kw 3600 Her beregnes den afsatte mængde af køling til gearolie-, ladeluft- og smøreoliekøler: Q diverse = m søvand ρ søvand C søvand t = ,93 (11,4 9,6) = 64,5 kw Bilag 8 Målinger Side 21 af 57

23 Beregning af den afsatte mængde køling på FV siden: Q FV = m ferskvand ρ ferskvand C ferskvand t = 1, ,18 (65 26,8) = 58,2 kw 3600 Beregning af den afsatte mængde køling på SV siden: Q SV = m søvand ρ søvand C søvand t = ,93 (12,9 11,4) = 53,7 kw 3600 Varmevekslerens virkningsgrad beregnes ud fra de udregnede værdier, der er afsat i varmevekslerens ferskvandsside og saltvandsside: η varmeveksler = Q SV [ m3 h ] Q FV [ m3 h ] = 53,71 58,215 = 0,923 Diskussion angående resultater De 216,2 kw, der udregnes på ferskvandssiden under sejlads, antages for at være usandsynlig høj. Dette er taget i betragtning ud fra, at der bliver afsat mere energi i varmeveksleren end motoren producerer. Der er også beregnet et stor energitab mellem motor og varmeveksler under begge situationer. Disse forskelle kan delvis forklares med et varmetab i rør og strålevarme, men størstedelen skyldes muligvis en måleusikkerhed i flowmåleren. Udregningen af varmevekslerens virkningsgrad vurderes til at være troværdig, grundet ferskvandet fra hovedmotoren strømmer i rørvekslerens kappe og derfor afgiver varme til omgivelserne. Der kan dog igen være en mindre usikkerhed i målingerne fra flowmåleren. Der er under behandling af ovenstående data, observeret en udgangstemperatur på hovedmotoren på 66 o C og 68 o C i de forskellige scenarier. Dette er meget lavt og giver en forværring i motorens brændstofforbrug og ydelse, grundet den høje temperaturforskel på begge sider af cylinderen. Den høje temperaturforskel betyder at en stor del af den energi, der bliver frigjort over stemplet, bliver afsat til kølevandet og er derfor ikke til megen nytte. Side 22 af 57

24 Ifølge motorens manual (MaK, 1988) skal der for optimal drift, afgives en temperatur på 85 ± 2 o C. Dette vil kræve termostaten fungerer og er indstillet korrekt. 8.4) Energiforbrug I dette afsnit vil der først blive undersøgt, hvordan driftstiden på skibet er, hvilket vil sige hvor lang tid der bliver benyttet på de forskellige scenarier under en udmønstring. Herefter vil det nuværende energiforbrug for søvandspumperne blive analyseret og der vil blive undersøgt, hvor meget brændstof pumpesættene bruger på et år, i scenarierne hvor hovedmotoren er i drift. Dette gøres for at kunne sammenligne det aktuelle forbrug med forbruget i løsningsforslagene. Driftstid for søvandspumper Ud fra udmønstringerne i praktikperioden, er der blevet udarbejdet et skema over driftstiden af de forskellige scenarier; sejlads, pumpning og kaj/losning. Ved disse scenarier er hovedmotoren tændt ved sejlads og pumpning, hvilket vil sige at det også er her at søvandspumpen er tændt. Side 23 af 57

25 Scenarie timer Jespers mønstring Tues mønstring I alt Sejlads ,5 238,5 Pumpning Kaj/losning ,5 311,5 Fordelen af scenarier Sejlads; 36% Kaj/losning; 46% Pumpning; 18% Figur 9 Fordeling af scenarier 4 Ud fra driftsskemaet, på figur 9, som er taget over én måned, kan det ses at 54% af tiden bliver søvandspumperne benyttet. Den årlige driftstid på skibet, er blevet vurderet til at være 11 måneder, hvilket skyldes bl.a. at skibet er ude af drift imellem jul og nytår, samt at skibet har reparationer i havn i løbet af året. Derfor vil en årlig driftsperiode for skibet på 11 måneder være mere realistisk. Ud fra den sammenlagte udmønstring på en måned, opskaleres dette til 11 måneder, for at give en indikation om driften over et år. Herunder udregnes de årlige driftstimer for søvandspumperne. Dette gøres ved at lægge driftstimerne for sejlads (238,5 timer) og pumpning (122 timer) sammen, for at få den samlede tid, som søvandspumperne er i drift i løbet af en måned. Herefter findes driftstiden for 11 måneder, da dette er den vurderede driftsperiode for skibet i løbet af et år. Drift Søvandspumper = (238, ) 11 = 3965,5 timer Pumperne har derfor en driftsperiode på 3965,5 timer i løbet af et år. 4 Bilag 1 Sejlads - Statistik Side 24 af 57

26 Søvandspumpernes energiforbrug For at finde frem til effekten på søvandspumpernes elmotorer, er der blevet aflæst akseleffekten for pumpen i QH-diagrammet, vha. Desmi s program WinPSP som viser pumpekurver. Her er der blevet aflæst et flow på 32 m 3 /h, hvor effekten er 5,03 kw 5. Herefter er fundet en virkningsgrad for elmotoren DMA 132SX2 på 87% (DM Motors Danmark A/S, u.d.) og det er nu muligt at udregne elmotorens effektforbrug. P 2 = 5,03 kw η elmotor = 0,87 P 1 = P 2[kW] = 5,03 = 5,78 kw η elmotor 0,87 Det er nu muligt at udregne det årlige energiforbrug for søvandspumpernes elmotorer. E Søvandspumper.årligt = P 1 [kw] Drift Søvandspumper [h] = 5, ,5 = 22920,59 kwh For at finde ud af hvor meget brændstof søvandspumperne bruger, er det nødvendigt at udregne generatorsættets specifikke brændstofforbrug. Dette gøres ved at beregne det gennemsnitlige energiforbrug for generatoren, ved sejlads og pumpning. Der er lavet to aflæsninger på el-tavlen for generatoren 6, en ved sejlads og en ved pumpning. For at finde gennemsnittet af generatorens effekt, ganges den respektive effekt med den tilhørende procentdel af driften i sceneriet. Dette gøres ved begge scenarier. P gen Sejlads = P[kW] Drift Sejlads[h] Drift Samlet [h] = ,5 = 20,51 kw 238, P gen Pumpning = P[kW] Drift Pumpning[h] Drift Samlet [h] = = 14,55 kw 238, Bilag 2 Pumpekurve - Desmi 6 Bilag 8 Målinger Side 25 af 57

27 Nu lægges værdierne af de to scenarier sammen, således at gennemsnitseffekten for generatoren findes. P gen Gennemsnit = P gen Sejlads [kw] + P gen Pumpning [kw] = 20, ,55 = 35,06 kw Ved at udregne generatorens gennemsnitlige effekt på denne måde, er der en risiko for at en af aflæsningerne var foretaget, mens der var tilkoblet en større forbruger, som normalt ikke er tilsluttet ved scenariet. Dette betyder at, i tilfældet med en større tilkoblet forbruger, som under drift normalt ikke er tilkoblet, vil den aflæste effekt være højere end ved normal drift og derfor er der mulighed, for at den udregnede gennemsnits effekt vil være højere. Dette gør at der er risiko for at den udregnede gennemsnits effekt kan være misvisende. Akseleffekten kan nu beregnes ved at dividere med generatorens virkningsgrad, som er aflæst i databladet for generatoren til 92,6% 7. Derefter kan det årlige energiforbrug på akslen findes, ved først at udregne effekten på akslen. η Gen = 0,926 P Aksel = P Gen[kW] = 35,06 = 37,86 kw η Gen 0,926 E Aksel.årligt = P Aksel [kw] Drift Søvandspumper [h] = 37, ,5 = ,83 kwh Det specifikke brændstofforbrug for dieselgeneratorsættet Sisu 634 DSBAEG, udregnes ved at først at finde procentdelen som motoren er belastet: Belastning % = P Aksel [kw] 37, = 100 = 25,24 % P Fuldbelastning [kw] Bilag 3 Stamford - Generator Side 26 af 57

28 Ud fra databladet aflæses brændstofforbruget ved 25% til at være 10,5 L/h 8. Nu kan den samlede mængde diesel, som generatoren bruger årligt, når hovedmotoren er tændt udregnes: V = 10,5 L h V diesel = V [ L h ] Drift Søvandspumper[h] = 10,5 3965,5 = 41637,75 L For at finde den samlede mængde brændstof, som søvandspumperne bruger, udregnes der først hvor mange liter, dieselgeneratoren bruger pr. kwh ved drift med hovedmotoren. c V = V [ L h ] P Aksel [kw] = 10,5 L = 0,277 37,86 kwh Den samlede mængde brændstof som søvandspumperne bruger: L V Søvandspumper = c V [ kwh ] E Søvandspumper.årligt[kWh] = 0, ,59 = 6349 L Prisen for 1000 L marine diesel ved OK er 9218,4 kr. (OK, 2018), hvilket er den nuværende forhandler af diesel. Der udregnes en literpris: Literpris = 9218, = 9,218 kr L Den årlige udgift til brændstof for at benytte søvandspumperne bliver til: Årlige udgifter Søvandspumpe = V Søvandspumper [L] Literpris [ kr ] = ,218 L = 58527,65 kr 8 Bilag 4 Sisu - Datablad Side 27 af 57

29 Delkonklusion I det overstående afsnit blev driftstiden for søvandspumperne udregnet til 3965,5 timer, til at udregne dette blev det vurderet at driftsperioden for skibet i løbet af et år var 11 måneder. Dette kan dog godt variere fra år til år, hvilket vil påvirke de årlige udgifter til søvandspumperne i form af brændstof, da skibet f.eks. skal til syn eller har behov for andre større værftophold. Under logning af scenarierne var der kun mindre reparationer ved kaj og driftsperioden, over en måned, kan derfor være unøjagtig i forhold til, hvis den var foretaget over et helt år. Den årlige udgift til søvandspumperne, i form af brændstof på 58527,65 kr., kan ligeledes også variere, alt efter priserne på brændstof ved forhandleren og/eller hvis NCC har en forhandlingsaftale med leverandøren. 8.5) Det nødvendige forbrug I dette afsnit vil der blive beregnet det nødvendige flow på søvandssiden af kølesystemet. Dette er for at kunne afgøre hvilken mængde køling, der er påkrævet af pumpen og derved kunne komme frem til, hvilken løsning der er optimal. Der vil også medtages andre krav end ren energiafsætning, da der vil blive taget hensyn til korrosion og begroning. Beregninger for den afsatte energimængde og det nødvendige flow på søvandssiden ved sejlads På søvandssiden vil en maksimumafgangstemperatur på o C være foretrukket. Dette er grundet, at saltvand indeholder meget luft, der bliver frigjort ved opvarmning og derved giver anledning til stærke tæringer (Wetterberg, 2010). Derfor vil der regnes efter søvandets afgangstemperatur er på maksimalt 45 o C. Dertil skal der tages højde for havtemperaturen i Danmark, der ifølge seatemperature.org (Seatemperature.org, 2018) har været højst på 21 o C ved Kalundborg, hvor skibet ofte sejler. Der tages udgangspunkt i det værst tænkelige scenarie, hvor havvandet er 21 o C og afgangstemperatur over skibssiden er på 45 o C. Derved kan der findes et flow, der sikre mængden af køling til motoren. Side 28 af 57

30 Den påkrævet køling er 108,23 kw fra varmeveksleren og 111,72 kw fra gearolie-, ladeluft- og smøreoliekøler, hvilket sammenlagt giver 108, ,72 = 220 kw i alt. Derved kan der findes et nyt påkrævet flow, ved at omskrive følgende formelen, således at flowet bliver isoleret: Q[kW] = m [ m3 h m = kj ] ρ [kg m3] c [ kg ] t[ ] Q ρ c t 3600 = ,93 (45 21) 3600 = 8,19 m3 /h Flow ved det værst tænkelige scenarie, ved en havtemperatur på 21 o C og en afgangstemperatur overbord på 45 o C, er derfor 8,19 m 3 /h. Beregninger for den afsatte energimængde og det nødvendige flow på søvandssiden ved pumpning Den påkrævede køling er 53,71 kw fra varmeveksleren og 64,5 kw fra gearolie-, ladeluft- og smøreoliekøler, hvilket giver sammenlagt 118,21 kw. Derved kan der findes et nyt påkrævet flow beregnes: m = Q[kW] ρ [ kg kj m3] c [ kg ] t[ ] 3600 = 118, ,93 (45 9,6) 3600 = 2,98 m3 /h Grundet et mindre flow, vil hastigheden i væsken blive reduceret, hvilket kan resultere i indre tæring og begroning af rør. Der anbefales at der er et minimums flow på 3ft/s 1 m/s (Petrowiki, 2018), og for at opfylde dette, skal der laves en beregning ud fra den indre rørdiameter og en minimumshastighed på 1 m/s. Herunder udregnes den indre diameter: d y = 76 mm Godstykkelse = 5 mm d i = d y (Godstykkelse 2) = 76 (5 2) = 66 mm Side 29 af 57

31 Et minimumsflow kan nu udregnes med følgende ligning: m min = π 4 d i[m] 2 v min [ m s ] = π 4 0, = 12,3 m 3 /h Delkonklusion Ud fra de ovenstående beregninger kan det konkluderes, at ved at benytte 12,3 m 3 /h i stedet for 8,19 m 3 /h, vil der kunne undgås en større begroning og tæring på rørene i søvandssystemet. Dette betyder samtidigt at det er rørene i søvandssystemet, der bestemmer det minimale flow, hvilket indikerer at det nuværende system er overdimensioneret. Det kan også konkluderes, at der er mulighed for at optimere på søvandssystemet, ved at sænke flowet fra de nuværende 36 m 3 /h til et minimumsflow på 12,3 m 3 /h. Side 30 af 57

32 9) Løsningsforslag I dette afsnit vil der blive undersøgt, hvilke muligheder der er for at optimere kølevandssystemet, i forhold til at kunne reducere omkostningerne af driften. Nye centrifugalpumper og elmotorer Ved at installere nye pumper med et mindre flow, vil der være mulighed for at kunne udnytte energien bedre. Fordelen ved dette vil være at kunne installere mindre elmotorer med tilhørende pumper, hvor den afsatte effekt vil være mindre end de eksisterende pumper. Der vil også være mulighed for at de nye pumpesæt, sandsynligvis ikke har havari i den første tid, på grund af de er nye. Frekvensomformer på de eksisterende pumpesæt med fast frekvens En installation af frekvensomformer på det eksisterende system, vil kunne sænke energiforbruget betragtelig. Eftersom der manuelt kan nedjusteres i frekvens og derved omdrejningerne på elmotoren, kan der indstilles efter det nødvendige flow til kølevandssystemet. Omlægning af rørsystemet Der kan ved at helt omlægge kølevandssystemet undgås et større slid på rør og vekslere. Her kunne der være én varmeveksler der optager varme fra ferskvand til søvand, i stedet for fire. Da søvand slider mere på rør og veksler, vil en reducering af søvandsrørsystemet resultere i et mindre slid af dette. Dette vil dog kræve en betydelig konstruktionsændring af hovedmotorens kølevandssystem, samt indkøb af flere pumper, da både ferskvandssiden og søvandssiden skal være redundant. Men systemet vil blive lignede de systemer der findes på andre skibe med et HT, LT og søvandssystem. Det vil dog ved denne løsning være nødvendigt at indkøbe flere pumper, for at holde tre forskellige systemer kørende. Derfor er dette umiddelbart en større investering. Side 31 af 57

33 9.1) Pumpe - Teoriafsnit I dette afsnit vil der blive gennemgået den brugte teori vedrørende pumper. Her vil der blive fokuseret på brugen af centrifugalpumpe, da dette er den nuværende benyttede pumpe. Da en af løsningsforslagene omhandler hastighedsregulering af pumperne, vil teorien til dette også indgå i afsnittet her. Skibets anlæg Ved pumper skelnes der mellem åben og lukket anlæg (Heilmann, 2017). Søvandssystemet på skibet er et åben anlæg pga. at søvandet ikke vender tilbage til udgangspunktet i systemet, men derimod bliver ført overbord. Ved at søvandssystemet er et åben anlæg betyder det, at der vil være en statisk løftehøjde i anlægget, som skal overvindes før at der vil være et flow igennem rørene. Idet søvandet skal pumpes op fra søkassen og igennem varmevekslerne, for derefter at blive pumpet overbord lige under dækket. Den statiske løftehøjde er, på skibet, ikke konstant, dette skyldes at dybdegangen på skibet ændrer sig alt efter, om der er lastet eller om den sejler med tom last. Når dybdegangen ændrer sig, vil modtrykket på søkassen også ændre sig, det sker på grund af det udefra kommende tryk på søkassen vil ændres. Derfor vil den statiske løftehøjde ikke være konstant i anlægget. Derudover vil tæringer og korrosion også kunne påvirke den samlede løftehøjde, da der vil være et større tryktab i rørene, når de for en mere ru overflade. Hvilket betyder at den samlede løftehøjde vil stige og derved vil flowet i anlægget falde eller at pumpen skal yde mere. Pumpekarakteristik Ud fra pumpekarakteristikken i Q-H diagrammet ses pumpens ydelse ved en 100 % belastning. Her er det muligt at se hvad flowet er ved en given løftehøjde eller omvendt. Sådan som skibets nuværende pumper er installeret vil flowet ændre sig alt efter, den varierende løftehøjde i forbindelse med dybdegangen på skibet og driftspunktet vil følge Side 32 af 57

34 pumpekarakteristikkens kurve imellem yderpunkterne, som er den minimale og maksimale dybdegangen. Affinitetsligningerne Når en pumpe skal reguleres, er det muligt at benytte affinitetsligningerne, hvilket er ligninger som kan bruges til udregning af flow, løftehøjde, omdrejninger eller effekten som pumpen afgiver ved to forskellige driftssituationer. Det er dog kun muligt at benytte affinitetsligningerne på driftspunkter der ligger på affinitetsparablen, se figur 10. Figur 10 Affinitetsparabel (Heilmann, 2017) Da der skal udregnes et nyt omdrejningstal, ved en given driftssituation, er der behov for at vide hvordan det kan lade sig gøre. Herunder ses affinitetsligningerne: Flow (Q) Løftehøjde (mvs) Effekt (P) Q x Q n = n x n n H x = ( n 2 x P x ) = ( n 3 x ) H n n n P n n n Ud fra ligningerne kan det ses at ved en ændring i flowet, vil der ske en 1:1 ændring i forhold til omdrejningerne. En ændring i løftehøjden vil ændre omdrejningerne i anden potens. Til sidst vil en ændring, i den tilførte effekt, være i tredje potens. Der vil derfor være en større ændring i effekten ved at hastighedsregulere. Det er derfor muligt at opnå en stor effektbesparelse, ved at sænke omdrejningerne på pumpen. Dette gør det muligt at sænke omdrejningerne, hvor det er effekten som bliver berørt mest i forhold til flowet og løftehøjden. (Heilmann, 2017) Side 33 af 57

35 9.2) Økonomi - Teoriafsnit I dette afsnit vil der være en gennemgang af den brugte teori, omhandlende økonomien ved løsningsforslagene. Der vil være en grundlæggende forklaring af teorien om kapitalværdismetoden, samt hvordan denne bliver benyttet i rapporten. Kapitalværdimetoden Som grundlag for en investering kan der udarbejdes en investeringskalkule, hvor man ser på de fremadrettede økonomiske konsekvenser. Ved at bruge kapitalværdimetoden tager man forbehold for værdien af investeringen i fremtiden, ved at omsætte investeringen til nutidsværdi. (Bang, et al., 2013) NCC har ikke opgivet en kalkulationsrente med hensyn til kapitalværdismetoden, der antages derfor en rente på 10%, da dette vurderes at være realistisk. I rapporten er der indsat, ved begge løsningsforslag, en tabel med en investeringskalkule hvor der indgår kapitalværdimetoden, for at få et overblik over investeringen. Herunder, på tabel 1, se opstillingen af tabellen, som forløber sig over en periode på tre år: Kapitalværdimetoden Antal år Investering Årlig besparelse Netto betalingsstrøm Kapitalværdi ved 10% Tilbagebetaling 0 - kr. - kr. - kr. - kr. - kr. 1 - kr. - kr. - kr. - kr. - kr. 2 - kr. - kr. - kr. - kr. - kr. 3 - kr. - kr. - kr. - kr. - kr. Total - kr. - kr. - kr. - kr. - kr. Tabel 1 Kapitalværdimetoden - Teoriafsnit 9 Investering; her indsættes prisen på investeringerne, som er foretaget. I dette tilfælde vil der kun være én investering, der er foretaget med det samme. Årlig besparelse; her indsættes den årlige besparelse, ved brugen af det specifikke løsningsforslag. 9 Bilag 9 Kapitalværdimetoden Side 34 af 57

36 Netto betalingsstrøm; dette er det sammenlagte regnskab over investeringsudgifterne og den årlige besparelse. Den bliver udregnet således i tabellen: Netto betalingsstrøm = Investering + Årlig besparelse Kapitalværdi; her udregnes kapitalværdien ved en kalkulationsrente på 10%. Dette gøres ved at gange netto betalingsstrømmen med diskonteringsfaktoren. Diskonteringsfaktoren udregnes således: Antal år Diskonteringsfaktor = (1 + kalkulationenrenten) Formlen, der er benyttet i tabellen, ser således ud: Antal år Kapitalværdi = Netto betalingsstrøm (1 + 0,10) Hvis kapitalværdien er positiv, vil investeringen være godkendt i forhold til kalkulationsrenten på 10%. Hvis den derimod er negativ, bør virksomheden ikke foretage investering. Tilbagebetaling; her udregnes, ud fra kapitalværdien, det samlede regnskab for investeringen. Det er derfor muligt at se hvornår selve investeringen er tilbagebetalt, hvilket bliver udregnet således, hvor værdien i tilbagebetaling ved år 0 er det samme som kapitalværdien i pågældende år: Tilbagebetaling = Kapitalværdi + Tilbagebetaling Året før 9.3) Frekvensregulering - Teoriafsnit Der vil i dette afsnit blive forklaret teorien omkring frekvensregulering og hvordan det er muligt at lave en frekvensregulering, ved at benytte en frekvensomformer. Derudover vil der blive forklaret sammenhængen mellem en frekvensomformer og en pumpe. En frekvensomformer eller AC-til-AC-konverter anvendes til at ændre vekselstrøms frekvens og derved kan der hastighedsreguleres trinløs på trefasede vekselstrømsmotorer. Gennem denne trinløse regulering vil man kunne opnå en tilpasset hastighed til det ønskede formål. Det grundlæggende princip i frekvensomformeren, er at kunne ændre den Side 35 af 57

37 tilførte frekvens, der i dette tilfælde er 50 Hz, til en jævnstrøm og tilbage til et vekselstrømoutput. Den vekselstrømsfrekvens og spænding bestemmes af en input-værdi, i frekvensomformerens styrekort, som både kan være manuelt indtastet eller sensorstyret. Ved at frekvensregulere en pumpe sænker man pumpekarakteristikken, hvor formålet i dette tilfælde er at få et andet flow og derved opnå en besparelse i elforbruget. Da den optagne effekt i motoren falder i tredje potens ved at sænke omdrejningerne er besparelsen stor hvis pumpen er overdimensioneret eller der på andre tidspunkter påkræves et mindre flow. Der vil dog findes et mindre tab i en frekvensomformer, men en moderne frekvensomformer ligger som regel på en virkningsgrad mellem 95 og 100%, alt efter belastning (Danfoss, 2014). 9.4) Løsningsforslag 1 - Frekvensregulering I følgende afsnit vil der blive undersøgt en løsning med en frekvensomformer, som tilsluttes de eksisterende pumpesæt. Hvor der vil blive opsat en styring der resulterer i et mindre flow. Der vil også blive undersøgt hvordan en finansiering og tilbagebetaling vil se ud for denne løsning. Tidligere er der bestemt et minimumsflow på 12,3 m 3 /h og derfor vil der blive undersøgt hvilken betydning dette har for effektforbruget og hvilke forholdsregler der skal tages. Minimum og maksimum omdrejninger For at kunne indstille frekvensomformeren skal der udregnes minimum og maksimum frekvens. Dette bliver frekvensomformerens styringsområde. Derfor beregnes det mindste omdrejningstal motorens styring må sættes ned til, hvis der skal afsættes et flow på 12,3 m 3 /h og hvor det nominelle omdrejningstal er 2920 omdr/min. n min n nominel = n min = Q min [ m3 h ] Q nominel [ m3 h ] Q min n Q nominel = 12, = 1122 omdr/min nominel 32 Side 36 af 57

38 Den minimumfrekvens der skal indtastes på frekvensomformeren, er udregnet som følgende: f min f nominel = f min = Q min [ m3 h ] Q nominel [ m3 h ] Q min f Q nominel = 12,3 50 = 19 Hz nominel 32 Den maksimale frekvens er den nominelle 50 Hz, som det er muligt at gå op til, hvis det er påkrævet. Derved at der udregnet i hvilket frekvensområde elmotoren skal bevæge sig, for at kunne levere det minimumsflow der er påkrævet. Ved at omdrejningsregulere ned vil den optagne effekt falde i tredje potens, det vises med følgende formel, hvor der bliver udregnet det optagne effektforbrug ved at drosle ned til 1122 omdr/min. Elmotorens optagne effekt er fundet ud fra driftspunkt på pumpekurven på 5,03 kw 10 og elmotorens virkningsgrad på 87% (DM Motors Danmark A/S, u.d.). P B [kw] = P A [kw] ( n B[min 1 3 ] n A [min 1 ] ) P 19hz = P Nominel [kw] ( n min[min 1 3 ] n nominel [min 1 ] ) = 5,03 3 0,87 ( ) = 0,33 kw Der regnes med en virkningsgrad på 95% (Danfoss, 2014): P Frekvensomformer = P 19hz [kw] = 0,33 = 0,35 kw η frekvensomformer 0,95 Derfor vil et effektforbrug ende på 0,35 kw ved et flow på 12,3 m 3 /h. Dette effektforbrug vil være en betragtelig reducering af den optagne effekt og i sidste ende en stor besparelse i brændstof. 10 Bilag 2 Pumpekurve - Desmi Side 37 af 57