Frekvensstyrning av sjövattenpumpar ombord på m/s Finnfellow

Sjöingenjörsprogrammet Självständigt arbete Frekvensstyrning av sjövattenpumpar ombord på m/s Finnfellow Erik Larsson 2012-05-02 Program: Sjöingenjörsprogrammet Ämne: Självständigt arbete Nivå: 15hp Kurskod: SA300S

391 82 Kalmar Tel 0772-28 80 00 sjo@lnu.se Lnu.se ii

Linnéuniversitetet Sjöfartshögskolan i Kalmar Utbildningsprogram: Arbetets omfattning: Titel: Författare: Handledare: Sjöingenjörsprogrammet Självständigt arbete om 15 hp Frekvensstyrning av sjövattenpumpar ombord på m/s Finnfellow Erik Larsson Magnus Nilsson ABSTRACT Detta arbete handlade om att undersöka de olika fördelar och nackdelar som kan finnas med att installera frekvensstyrning av sjövattenpumparna på fartyget m/s Finnfellow. Arbetet hade som huvudsyfte att ge den tekniska chefen ombord på fartyget ett underlag för att kunna besluta om en installation av frekvensstyrning var lämplig att genomföra. Det undersöktes mest hur systemen ombord fungerade och hur en frekvensstyrning skulle påverka sjövattensystemet. Resultatet blev att det skulle sparas in ca 122MWh/år i elenergi. Detta gör att man sparar in installationskostnaderna för frekvensstyrningen på under 2 år med ungefärliga bränslekostnader i dagens läge, det ger också en miljöfördel genom att fartyget förbrukar ca 26 ton tjockolja mindre per år. Slutsatsen blev att det skulle vara mycket förmånligt att installera en frekvensstyrning ombord på detta fartyg med gällande system. Det fanns vissa nackdelar t.ex. installationskostnaderna och eventuella EMC-problem, men fördelarna bedöms överväga dessa. iii

Linnaeus University Kalmar Maritime Academy Degree course: Level: Title: Author: Supervisor: Marine Engineering Diploma Thesis, 15 ETC Variable-frequency drive for sea-water pumps onboard m/s Finnfellow Erik Larsson Magnus Nilsson ABSTRACT This diploma thesis was made for working out the pro and cons of installing a variable-frequency drive for the sea-water pumps on the ship m/s Finnfellow. The main object of the work was to give the chief engineer of the ship a foundation on which he could decide if it is worth installing this or not. The main investigation in the work was to find out how the variable-frequency drive would affect the sea-water system. The result of the work was that a considerable amount of electrical energy could be saved yearly 122MWh. This would mean that the installation cost could be repaid in fewer than 2 years with the current fuel prices, also an environmental advantage was discovered because the ship would consume 26 tons of fuel oil less each year. The conclusion of the work is that it would be very beneficial to have a variable-frequency drive onboard. iv

Nyckelord: Frekvensomriktare= En maskin som kan förändra frekvensen på utgående elmatning. Detta för att t.ex. förändra varvtalet hos en elmotor. SW= Sea water= Sjövatten som används för att kyla låg temperatur färskkylvattnet. LT/LTFW= Low Temperature Fresh Water= Låg temperatur färskkylvatten används för att kyla huvudmaskinerna och viss kringutrustning. DNV= Det Norske Veritas= Stort klassningssällskap för sjöfart. HM= Huvudmaskin, framdrivningsmaskineri av fartyget. Crossovertank= Detta är en samlingstank för sjövatten från både lågsuget och högsuget. Från denna tank tar alla sjövattenpumparna sitt sjövatten. BB= Babord. SB= Styrbord. v

Innehållsförteckning 1. Inledning... 1 1.1 Frågeställning... 2 1.2 Metod... 2 1.3 Tidigare forskning/arbeten... 4 2. Resultat... 5 2.1 Pumpar... 5 2.2 Elmotor... 7 2.3 Värmeväxlare... 8 2.4 Värmeöverföring i värmeväxlare... 9 2.5 Lagar och klassning av frekvensomriktare... 12 2.6 Tillverkare av frekvensomriktare... 12 2.7 Olika modeller av frekvensomriktare och offerterat pris... 13 2.7.1 Vacons modeller... 13 2.7.2 Mitsubishi Electrics modell... 14 2.8 Energibesparing vid drift med frekvensomriktare... 15 2.9 Förändrat underhåll... 17 3. Slutsats... 18 4. Egna reflektioner... 21 5. Källhänvisning... 22 5.1 Litteraturförteckning... 22 5.2 Figurförteckning... 22 6. Bilagor... 23 6.1 Bilaga 1. Projektdirektiv... 23 6.2 Bilaga 2. Pumpkurva för 1750 rpm och 1450 rpm... 25 6.3 Bilaga 3. Pumpkurva för 1450 rpm och 870 rpm... 26 6.4 Bilaga 4. Pumpkurva för 1450 rpm, 1056 rpm och 870 rpm... 27 6.5 Bilaga 5. Offert från Vacon... 28 6.6 Bilaga 6. Offert från Beijer Electronics Automation AB... 29 6.7 Bilaga 7. Beräkningsbilaga 1... 30 6.8 Bilaga 8. Beräkningsbilaga 2... 32 6.9 Bilaga 9. Beräkningsbilaga 3... 33 6.10 Bilaga 10. Beräkningsbilaga 4... 36 6.11 Bilaga 11. Intyg om slutfört uppdrag... 37 vi

1. Inledning Detta projektarbete är gjort på uppdrag av den tekniska chefen på m/s Finnfellow. Han ville att det skulle undersökas vilka fördelar och nackdelar det finns med att installera frekvensstyrning på fartygets sjövattenpumpar. Detta på grund av stora kavitationsskador på pumphjul och pumphus. Det finns också troligen en hel del pengar att tjäna i minskad elenergi då fartyg endast går på linjen Kapellskär Nådendal där det aldrig blir några riktigt höga sjövattentemperaturer, vilket gör att det inte behövs lika stor kylning av färskkylvattnet. Fartyget m/s Finnfellow är ett Ro-pax fartyg som ägs av rederiet Finnlines. Hon är byggd av Astilleros Españoles på uppdrag av Stena Line. Fartyget köptes av Finnlines 2003 och har ägts av dem sedan dess. Fartyget är 188,12x28,7x6,31m, har en dödvikt på 6155ton och har en lastkapacitet på 3079 lastmeter samt får ta 188 passagerare. Lite bakgrund om själva systemet ombord: Finnfellow har 4 stycken huvudmaskiner på 6000kw styck. Dessa är uppdelade i två maskinpar som driver varsin propelleraxel. Varje maskinpar har sitt eget sjökylvattensystem som kyler färskkylvattensystemet till varje maskinpar. Sjökylvattensystemen tar sitt vatten från en gemensam crossovertank som i sin tur får sjövattnet från antingen ett lågsug eller högsug. Efter crossovertanken så är de båda sjökylvattensystemen helt skilda åt. Varje system har två stycken pumpar som suger från crossovertanken och levererar sitt vatten till två stycken värmeväxlare. Efter värmeväxlarna så går det att köra sjövattnet överbord, tillbaka till crossovertanken eller till låg- respektive hög-sugen. På babordssystemet så leds det även bort sjövatten till pannornas dump-kondensor. In till värmeväxlarna går det också LT-vatten som ska kylas av för att i sin tur sedan kyla huvudmaskinerna och övriga system i maskinrummet. Detta LT-vatten är ett slutet system utan kontakt med sjövattnet och pumpas runt i systemet med hjälp av två stycken LT-pumpar. Även här är det alltid bara en pump i drift samtidigt oavsett tidpunkt på året. I normala fall så används det en pump och en värmeväxlare per sida. Även under högsommaren så används denna konfiguration, detta då pump och värmeväxlare har så hög kapacitet och fartyg endast i nuläget går på traden mellan Kapellskär i Sverige och Nådendal i Finland. Överkapaciteten beror på att fartyget är byggt för att vara redundant och då kunna fungera även om man har förlorat en viss del av kapaciteten på maskineriet ombord. Till exempel om en av sjövattenpumparna går sönder ska man fortfarande kunna ha full driftförmåga på fartyget. Detta arbete tar upp och undersöker vad som krävs av konfigurationen ombord för att kunna installera en frekvensstyrning samt vad för någon typ av utrustning som ska installeras för att få en fungerande varvtalsstyrning. Detta med några olika alternativ. Arbetet visar upp vad man kan tjäna in på både elenergi och underhållskostnader. Exakt vad som givits av uppdragsgivaren står i projektdirektivet. 1 För att tydliggöra så är frekvensstyrning en metod för att ändra varvtalet på en elmotor genom att ändra den ingående frekvensen till elmotorn. Medan en frekvensomriktare är den maskin som åstadkommer denna förändring av frekvensen. 1 Se bilaga 1. 1

1.1 Frågeställning Det som har blivit gjort i projektet är att det tagits fram en projektering som besvarar följande frågor: Hur mycket det kommer kosta att installera frekvensstyrning på alla/alternativt 2 st.en på varje sida sjövattenpumpar i huvudmaskinernas sjökylvattensystem? Alltså hur mycket som själva delarna kommer att kosta då arbetskraft för att installera detta finns anställd ombord. Vad man kommer att tjäna på att göra en ombyggnation till frekvensstyrning av dessa pumpar? Detta i insparad el, minskade kavitationsskador, ändrade värmeförhållanden på kylvattnet på vintern, nedlagd arbetstid på pumparna och reservdelskostnader. Samtidigt ska det tas upp hur systemet påverkas av en lägre flödeshastighet, detta med hänsyn till sedimenteringsproblem. Vad det är som ska göras för en installation av frekvensomriktarna, vilka större delar behöver bli inköpta och installerade? Inte då en detaljerad installationsplan, men vilka delar, alltså märke modell och var de kan köpas ifrån. Också hur EMC problem påverkar installationen och vad som ska göras för att ta bort dessa? 1.2 Metod Metoden som använts är främst en blandning mellan olika mätningar/kontroller på plats i fartyget, information från tillverkares manualer och beräkningar på de inhämtade värdena. Mätningarna/kontrollerna som är gjorda på fartyget är för att få reda på hur systemet ser ut och beter sig vid olika driftsförhållanden. Dessa tog form i olika steg: Producera en systemskiss. För att få reda på hur SW- och LT-systemen ser ut, så att det syns hur vattnet rör sig i systemen och var temperaturmätningar samt tryckmätningar är lämpliga att göra. Systemskissen konstruerades med hjälp av studier av existerande systemritningar och visuell kontroll av systemen. Hämta information om komponenter i systemet. Detta gick ut på att kontrollera märkskyltar och skriva upp de märkdata som stod där för att senare kunna hämta rätt information ifrån manualer. Mäta upp temperaturer och tryck i systemet. Det gjordes en hel del olika mätningar för att få reda på vilka temperaturer och tryck som förekom i systemet vid olika driftsituationer på huvudmaskinerna. Det var två olika driftsituationer som var aktuella för mätningarna, normaldrift med en huvudmaskin på varje sida och normaldrift med två huvudmaskiner på varje sida. Med normaldrift menas det högst normalt tillåtna kraftuttaget från huvudmaskinerna. Dessa mätningar utgör senare grunden för värmeöverföringsberäkningarna som blivit gjorda. Dessa mätningar blev gjorda med hjälp av existerande analoga manometrar/termometrar och med hjälp av en lasertermometer. 2

Information som hämtades in från tillverkares manualer gjordes i två olika steg. Det första steget var att hämta så mycket information som möjligt från de manualer som fanns ombord. Tyvärr så var detta inte tillräckligt då vissa inte gav all information som behövdes och vissa existerade inte. Det andra steget var att kontakta tillverkarna av de olika komponenterna för att få fram den information som inte kunde upphämtas ifrån manualerna ombord på fartyget. Den information som blev uttagen i dessa steg var den information som var intressant för att ta reda på hur komponenterna skulle reagera på frekvensstyrning eller ändrat flöde. Kontakten med tillverkarna var främst genom email kontakt men vissa telefonsamtal förekom också. Denna information blev presenterad i ett avsnitt för varje huvudkomponent. Innan kontrollerna och inhämtandet av informationen ombord på fartyget ägde rum så gjordes efterforskning i vilka värden/information som behövdes för att kunna göra korrekta beräkningar senare. Denna efterforskning bestod av att läsa igenom information från frekvenstillverkares manualer och kontroll av formelsamling utgiven av skolan. De beräkningar som utfördes var grundade på den information som blev inhämtad i tidigare steg. Beräkningarna utfördes i huvudsakligen fyra olika avsnitt: Upprättande och kontroll av pumpkurvor. Här tillverkades en ny pumpkurva för det lägst tillåtna varvtalet som konstaterats innan med hjälp av affinitetslagarna för pumpar. Det gjordes även senare en beräkning för att ta reda på en ny driftspunkt för ytterligare ett varvtal. Beräkning för utvecklad värmemängd. Utifrån de uppmätta värdena från systemet ombord så räknades det ut vilken värmemängd som huvudmaskinerna utvecklar vid de olika driftsituationerna. Detta för att senare kunna bestämma hur mycket flödet på sjövattnet ska kunna minskas. De formler som användes var de för överförd värme effekt räknat på det kalla mediet. Beräkning för de minst tillåtna SW-flödena. Från de uträknade värmemängderna som huvudmaskinerna utvecklar så räknas de minst tillåtna SW-flödena för både SB- och BB-sida ut. Dessa minsta tillåtna flöden ligger sedan i sin tur som grunden för uträkningen av energibesparing. Även dessa beräkningar utfördes med den formeln som är för överförd värmeeffekt till det kalla mediet, men det förekommer också en kontroll mot temperaturen för LT-vattnet så det inte blir en för hög uttemperatur från värmeväxlaren. Total energibesparing. Energibesparing räknades ut med hjälp av en jämförelse för hur mycket pumparna drar i nuläget med hur mycket de skulle dra om de går med det nya minsta varvtalet. Sen så gjordes denna energibesparing om till hur mycket bränsle som kan bli inbesparat på grund av detta med hjälp av information från hur mycket bränsle en huvudmaskin förbrukar för att tillverka denna mängd energi. Lagar och regler för frekvensomriktare ombord kontrollerades genom att gå igenom de lagar och regler som gäller för svenska fartyg och enligt DNV. Denna information fanns tillgänglig på internet. Sen förhördes det med de tillverkare för frekvensomriktare som kontaktades om deras produkter följde dessa lagar och regler. Vid framtagande av olika tillverkare och modeller av frekvensomriktare så togs det kontakt med flertalet stora tillverkare av dessa produkter. Detta gjordes med email kontakt och senare telefon samtal. Det presenterades för dem vilka komponenter som existerade i systemet och ställdes frågan om vilka av deras modeller som de kunde rekommendera. Vissa förslag var givna i frågan till dem och det var de som var de mest passande också. Sedan fortsatte kontakten med tillverkarna tills de kunde presentera en komplett offert på deras produkt. 3

1.3 Tidigare forskning/arbeten Det finns tidigare arbeten skrivna om frekvensstyrning av elmotorer gjorda på sjöfartshögskolan i kalmar, men dessa är mer en beskrivning utav hur det funkar i teorin och i praktiken på vissa mindre pumpar. Samt hur det är att installera frekvensstyrning på dessa. Informationen i dessa hjälper inte till särskilt mycket i den typen av arbete som skrivs här. Även på Chalmers tekniska högskola så finns det två stycken arbeten som kanske skulle kunna vara till hjälp men då dessa inte är publicerade på internet och endast kan fås genom deras bibliotek så har bara abstracten på dessa blivit genomgångna. Efter genomgång av abstrakten så verkar de inte riktigt handla om en lika konkret projektering som detta projekt och därför har dessa arbeten inte studerats mer ingående. De tidigare arbeten som upptäckts finns med på källhänvisningen, detta för att de blivit genomgångna för att se om de var relevanta för projektet. En annan källa till mycket information är en guide som är sammanställd av Elforsk AB, denna guide handlar om frekvensomriktare och har mycket användbar information inom sig. 2 Det finns även flera andra arbeten och forskning gjord men den har inte blivit genomgången då den informationen som redan har blivit inhämtad anses vara tillräcklig för att kunna genomföra detta projekt. 2 Sven-Erik berglund, 2004 4

2. Resultat I det här avsnittet kommer resultatet av undersökningen som blivit gjord presenteras. 2.1 Pumpar Sjövattenpumparna som finns ombord på m/s Finnfellow är centrifugalpumpar som är tillverkade av Allweiler AG och är av modellen Nim 200-250/3/252. Dessa är idag direktdrivna av en elmotor på 46 kw och med ett varvtal på 1750 rpm. Pumpen ger då en uteffekt på 34,3 kw och ger ett flöde på 460 m 3 /h. 3 Detta är det flöde som den gav när pumpen var ny. Det nuvarande flödet på pumpen är troligen mindre på grund av slitage på pumphjul och andra komponenter i pumpen. Det borde vara ett mindre flöde nu på grund av det slitage som delar i pumpar har utsatts för under sin drifttid och för det ökade motstånd som borde uppstått som en följd av korrosion/beväxning i rörsystemet. Detta går inte att mäta upp med den nuvarande konstruktionen av systemet, då tillräcklig mätutrustning för detta saknas. Men det minskade flödet kan konstateras genom att pumpen egentligen ska ge en uppfodringshöjd på 20m enligt specifikationerna. Men i nuläget så ger pumpen bara en uppfodringshöjd på 18,3m som har tagits fram mätvärden från manometrarna vid pumpen. Men beräkningarna som är gjorda senare i arbetet utgår från ett flöde på 460 m 3 /h för att det ska stämma in på specifikationer från andra nya komponenter där det endast finns tillgång till original värden och inte värden efter förslitning. Sen så kommer också flödet att förändras när man byter ut pumphjul för att de är utslitna. Flödet kommer då att återgå till nära märk flödet. Dessa sjövattenpumpar är konstruerade för att drivas av elmotorer som har både 50Hz och 60Hz matning. Detta gör att de har bra verkningsgrad vid båda driftförhållandena. Vid 60Hz matning som elmotorn nu går på så ger den som tidigare sagt ett varvtal på 1750 rpm som ger flödet 460 m 3 /h med verkningsgraden 73,1% och uppfodringshöjden 20m. 4 Figur 1. Pumpkurva för 1750 rpm. 3 Se bilaga 2. 4 Se bilaga 2. 5

Skulle det varit en 50Hz matning till motorn istället så går den med ett varvtal på 1450 rpm som ger ett flöde på 385 m 3 /h med verkningsgraden 74,0% och uppfodringshöjden 13,9m. 5 Skillnaden på uteffekt i pumpen är stor även vid denna ganska marginella skillnad i flöde på pumpen. Den minskar från 34,3 kw till 19,7 kw. Även vid ytterligare minskat varvtal så försämras verkningsgraden i pumpen endast marginellt. Skulle man driva pumpen med ett varvtal på 870 rpm ca 30Hz på elmotorn så ger den ett Figur 2. Pumpkurva för 1450 rpm. flöde på 230 m 3 /h med en verkningsgrad på ca 72% och uppfodringshöjden 5m. 6 Pumpen kommer då att ge en uteffekt på ca 4,5 kw istället för 34,3 kw som den ger vid 1750rpm. Beräkningarna är dock inte baserade på ett sådant lågt varvtal på grund av elmotorn orsaken kommer i avsnitt 2.2. Vid ett högre varvtal så blir det även mer marginaler, för att uppfodringshöjden som pumpen ger ökar och därmed kompenserar för att beräkningarna är baserade på en helt ny pump. De pumpkurvor som finns bifogade är från Allweilers återförsäljare i Sverige, förutom den som är för drift vid varvtalet 1056 rpm, 7 den är baserad på de andra kurvorna och beräknad med hjälp av affinitetslagarna för pumpar. 8 Vid kontakt med återförsäljare så uttryckte han inga problem med att driva pumparna med ett så lågt varvtal som 870 rpm. 9 Driver man pumpen med varvtalet så ger den ett flöde på 280 m 3 /h och uppfodringshöjden 7,45m. 5 Se bilaga 3. 6 Se bilaga 3. 7 Se bilaga 4. 8 Se bilaga 7. 9 Morin, 2011 6 Figur 3. Pumpkurva för 1056 rpm.

2.2 Elmotor Elmotorn som sitter fastkopplad med pumpen är en ABB-motor av modellen MBT 225 M-4/8. Den har nu en matning på 60Hz och levererar en effekt på 46 kw vid varvtalet 1750rpm. Kontakt togs med tillverkaren ABB för att höra med dem hur de anser att elmotorn lämpar sig för frekvensstyrning. 10 De ansåg att själva motortypen inte hade någon begränsning i sig att drivas av en frekvensomriktare förutom om man går ner mycket i varvtal. Ner till 50% av märkvarvtal eller effekt så krävdes det ingen extra kylning. Går man däremot ner ända till 25% av märkvarvtal eller effekt så är det rekommenderat att man tillsätter forcerad kylning, t.ex. med hjälp av externt driven kylfläkt. Det som de tyckte var mer oroväckande var att denna modell är gammal och borde börja närma sig slutet av sin livslängd. Denna modell av elmotor slutade tillverkas i slutet på 1980-talet, det som då kan vara problemet med en så pass gammal motor är att veta statusen på lindningen. Men i och med att fartyget inte är tillverkat förrän 1999 så har elmotorn bara varit i drift 13 år fast den är av äldre modell. Det skall också kontrolleras efter en tids drift att lagren i elmotorn inte har tagit skada av läckströmmar från frekvensomriktaren. Då kan det behövas installation av ett isolerande lager i ickedrivändan. Sådana lager finns att beställa från SKF. Slutsatsen från ABB är att den går bra att driva med frekvensstyrning men det kommer troligen att förkorta ner livslängden på elmotorn och att man får observera motorn och lagren närmare efter installation av frekvensstyrning. För att öka marginalerna för kylning av elmotorn och för att se till att det inte sliter lika mycket på elmotorn så sätts det minsta varvtalet till 60% av märkvarvtalet 1056 rpm. Det är detta varvtal som minst kommer att gälla för olika beräkningar senare i projektet. Detta är inte ett varvtal som är givet från tillverkaren utan ett varvtal som är taget för att ge mer marginaler i både kylning för elmotorn och för SW-flödet. Vid installation av frekvensomriktaren bör det också beaktas att man måste ha en speciell skärmad kabel mellan frekvensomriktare och motor. Vacons instruktionsmanual rekommenderar kabel av typerna FKKJ, NKCABLES /MCMK eller motsvarande. 10 Hurtig, 2012 7

2.3 Värmeväxlare Värmeväxlarna i sjövattensystemet utgörs av 4 stycken plattvärmeväxlare från tillverkaren APV Heat exchanger A/S. Dessa är konstruerade för ett SW-flöde på 460 kg/h och ett LT-flöde på 212 kg/h. LTpumpen har en kapacitet på 220 m 3 /h. Dessa värden är tagna från manualen till värmeväxlaren. 11 LTflödet in till värmeväxlaren styrs av en regulator som väljer att låta en viss del av flödet gå igenom kylaren och resten av flödet går direkt vidare i systemet. Vid minskning av SW-flödet in i värmeväxlaren så får regulatorn släppa in mer LT-flöde in i värmeväxlaren för att kompensera. Detta fungerar ända tills regulatorn släpper in fullt LT-flöde in i värmeväxlaren och fortfarande kan upprätthålla rätt temperatur ut till systemet igen. Beräkningen för detta kommer i nästa avsnitt 2.4. Försök att kontakta tillverkaren av värmeväxlaren angående om det finns något krav på minsta SWflöde igenom värmeväxlaren har gjorts men inga säkra uppgifter har lämnats från tillverkaren. Att inga säkra uppgifter har blivit utlämnade är troligen för att tillverkaren bara kan ge en siffra för en nytillverkad värmeväxlare och inte då en äldre sliten värmeväxlare. På grund utav detta får det hållas hårdare egenkontroller på problem som kan uppstå i systemet. Varför det kan vara dåligt med ett för lågt SW-flöde igenom värmeväxlaren är att det kan samlas sediment i den vilket i sin tur kan sätta igen värmeväxlaren. På grund av uteblivet svar från tillverkaren så bör det kontrolleras hur mycket beväxning och slam som samlas i värmeväxlaren. Ett sätt att göra denna kontroll på, är att man tar ut sjövatten silen i värmeväxlaren och därifrån gör en visuell kontroll. Ett annat sätt är att man vid den årliga rengöringen av värmeväxlaren gör en visuell kontroll av beväxning och sediment. Beväxningen och slammet är något man måste vara uppmärksam på då det ger ökade motstånd för flödet i hela systemet. 11 APV Heat exchanger A/S, 1998 8

2.4 Värmeöverföring i värmeväxlare I värmeväxlaren så förekommer ett värmeutbyte från det varma mediet LT-vattnet till det kalla mediet SW-vattnet. Värmeväxlaren har en max kapacitet på hur mycket värmeeffekt den kan föra över från det varma mediet till det kalla mediet. I denna värmeväxlare så är det ett värmeutbyte på 7850kW från det varma mediet till det kalla. Detta utbyte går inte utan förluster vilket gör att man skickar på lite mer sjövatten än vad som teoretiskt krävs för denna värmemängd. Värmeutbytet i värmeväxlaren är taget från värmeväxlarens instruktionsmanual. 12 Figur 4. Förenklad bild av SB sjövattensystem. Mätningar har gjorts ombord på m/s Finnfellow av temperaturer på både SW och LT in/ut ur värmeväxlaren. Genom dessa mätningar som förekom under både oktober och december 2011 så togs ett genomsnittligt värde för hur stor värmemängd huvudmaskinerna behöver kyla bort under drift. Mätningarna ägde rum under normaldrift av maskinerna med både en och två huvudmaskiner igång samtidigt. Detta för att kunna se vilken skillnad det gör om man kör med endast en maskin på varje sida eller två maskiner. Mätningarna ägde också rum på både styrbords och babords sidas system. Detta för att dump-kondensorn tar sitt kylvatten från BB-sida vilket gör att det blir ett mindre sjövattenflöde genom den värmeväxlaren. Temperatur mätningarna gjordes med hjälp av lasertermometer med en felmarginal på +-2% och med instickstermometrar med en felmarginal på 0,5 grader Celsius. Det har tagits mätningar med bägge dessa termometrar där det varit möjligt och sen har det tagits ett medelvärde mellan dessa. Detta för att instickstermometern har en större felmarginal men mäter i mitten av röret medan lasertermometern mäter utanpå röret. På grund av mätningar med båda metoderna och sen ett medelvärde mellan dem så kommer noggrannheten av mätning inom en rimlig marginal för de kommande beräkningarna. 12 APV Heat exchanger A/S, 1998 9

Den mängd sjövatten som leds bort till dump-kondensorn är svår att mäta med tanke på att det inte finns några tryckmätare eller flödesmätare på den ledningen. Men i och med att varje maskin oavsett vilken sida den sitter på utvecklar lika mycket värme som den behöver kyla bort så kunde man se att sjövattnets temperatur på babords sida var högre efter värmeväxlaren och därmed hade behövt ta emot en större mängd värmeenergi. Vid mätningarna var sjövattentemperaturen 5 respektive 8 grader Celsius. Detta visades göra en viss skillnad i värmeutbytet men inte en sådan stor skillnad att beräkningarna påverkas i någon större grad. Denna skillnad beror främst på skillnad i temperatur i maskinrummet och på ej så fullt exakta instrument. Nedan så kommer en tabell som visar vad mätningarna på värmeväxlarna gav. Det är de högst uppmätta temperaturerna, av ett flertal mätningar, som visas för att kompensera för de fel som kan ha uppkommit i mätningarna och för att ge en marginal vid fortsatta beräkningar. Det är beräknat på hur mycket värmeeffekt som sjövattnet tar upp i värmeväxlaren, detta för att sjövatten flödet in till värmeväxlaren är känt men inte LT-vattnets flöde in till värmeväxlaren. LT-vattnet går genom en reglerventil så flödet är okänt då mätutrustning saknas för att mäta detta. Värdena för den överförda värmemängden är sedan avrundade uppåt för att ge mer marginal. 13 Tabell 1. Värmemängd överförd. 1 HM på varje sida 2 HM på varje sida BB SB BB SB LT in 45 C 45 C 55 C 55 C LT ut 10 C 10 C 12 C 12 C SW in 5 C 5 C 5 C 5 C SW ut 10 C 9 C 15 C 14 C Värmemängd överförd till SW Ca 2700kW Ca 2150kW Ca 5400kW Ca 4850kW Dessa mätningar är inte helt exakta men ger en klar bild av vilket kylbehov som behövs. Varför dessa värden inte är helt exakta beror på att det finns felmarginaler i mätmetoderna. Den större värmemängden som behövs för att kyla babordssidan märks också tydligt i tabellen. Det är egentligen inte denna värmemängd som kyls bort i babords värmeväxlare, det blir en missvisande bild för att den värmemängden är beräknad på ett fullt sjövattenflöde. Men hela sjövattenflödet går inte in i babords värmeväxlare för att en viss del av flödet går in till dump-kondensorn istället. Den värmemängd som är skillnaden mellan babordssidan och styrbordssidan är direkt jämförbart med det flöde som går till dump-kondensor. Men det går ändå att bygga vidare på dessa mätvärden då de ger en tydlig indikation på att man inte kan dra ner lika mycket på flödet på babordssidan. Så när denna högre värmemängd används så kompenserar det för det delflöde som går till dump-kondensorn. Det minskade flödet till dump-kondensorn, som uppstår när man förändrar varvtalet på pumpen, gör inget i dessa mätningar. Detta för att förändringen i flödet kommer ske på vintern då fartygets avgaspannor inte klarar av att producera all ånga utan minst en vanlig panna får stå och stödelda hela tiden. Det ger då ingen överproduktion av ånga som behöver kylas bort. Även på sommaren så klarar oftast avgaspannorna bara precis av att producera tillräckligt mycket ånga. Men på sommaren kan man inte heller dra ner flödet. 13 Se bilaga 8. 10

Med tanke på att mätningarna som utförts endast har blivit gjorda under vintermånaderna så är det svårt att beräkna hur mycket man kan minska flödet på sjövattnet under sommaren. Det finns flera faktorer som påverkar när det blir varmare i vattnet. Det blir t.ex. varmare i maskinrummet vilket får till följd att maskinerna inte kan avge lika mycket värme till omgivningen. Det blir också varmare i vattnet vilket gör att smörjoljetankarna inte har en lika kall omgivning som ger att inte heller dessa kan avge lika mycket värme till sin omgivning. Värmeväxlaren i sig ska kunna avge sin värmemängd mellan LT-vattnet och SW-vattnet även när sjövattnet är så varmt som 32 C inkommande till värmeväxlaren. Men då blir det samtidigt en högre temperatur på LT-vattnet vilket inte är önskvärt. För att inte ge en orealistisk bild av hur mycket som kan sparas in på minskat flöde på sjövattnet så blir det i uträkningarna ett fullt sjövattenflöde när det är temperaturer på sjövattnet över 10 C. Detta för att de uträkningar som blivit gjorda för hur mycket värmeenergi som behöver kylas av från LTvattnet är gjort när det bara har varit under 10 C varmt sjövatten. Det borde vara möjligt att minska ner sjövattenflödet även vid högre temperaturer än detta men i och med att mätningar inte gjorts så kan det inte tas med i dessa beräkningar. För att räkna ut vilken det minsta flödet på sjövattnet som är användbart så används vanliga värmeöverföringsformler. Sen är det beräknat att nära allt LT-vatten går igenom värmeväxlaren och fortfarande kommer ut under 35 C vilket är den temperatur som regulatorn vill hålla på LT-vattnet. Beräknat är att man vid temperaturer under 10 C på sjövattnet så ska man kunna minska ner sjövattenflödet till följande: 14 Tabell 2. Beräknat sjövattenflöde. BB SB Teoretiskt möjligt: 302 m 3 /h 272 m 3 /h Rekommenderat: 320 m 3 /h 280 m 3 /h Det är ett högre rekommenderat flöde för att ge mer marginaler så att det inte blir något problem med kylningen av huvudmaskin även vid ändrade driftsförhållanden. Det är också en större skillnad mellan babordssidan och styrbordssidan på grund av att dump-kondensorn sitter på babordssidan och man inte vill få för lite kylning av denna. Alla dessa värden som är framräknade är på komponenter med de specifikationer som var gällande när de var nya. Det måste tas hänsyn till detta vid drift av anläggningen senare, för att slitna komponenter inte ger samma prestanda som nytillverkade. Vintertid så blir det en annan fördel av att man ändrar flödet. Det är att man recirkulerar en viss del av sjövattenflödet tillbaka till crossovertanken och till hög- respektive lågsug. Vid minskat sjövattenflöde så ökas temperaturen på utgående sjövatten från värmeväxlaren, vilket gör att vattnet som recirkulerar till crossovertanken och sjövattenintagen blir varmare. Detta bidrar till en minskad risk för isbildning i dessa. 14 Se bilaga 9. 11

2.5 Lagar och klassning av frekvensomriktare Det är viktigt att se till att installationen av en frekvensomriktare inte går emot någon av de lagar eller förordningar som finns för fartyg och elinstallation. För fartyg gäller Sjöfartsverkets författningssamling SJÖFS 2008:81, i denna så står det att konstruktion, tillverkning och underhåll av elektriska installationer ska ske enligt IEC 60092 och en erkänd organisations tillämpliga regler. 15 För att inga lagar och förordningar ska bli brutna genom installationen av dessa frekvensomriktare så är alla frekvensomriktare som är utvalda godkända av DNV. Detta för att DNV är en erkänd organisation och att de bygger upp sina krav på IEC 60092. 16 Detta krav har lett till att vissa tillverkares produkter har blivit mer kostsamma men då garanterar de att deras produkter är godkänd av DNV, så länge produkterna blir installerade på det sätt som de föreskriver i sin installationsmanual. Blir installationen gjord på det sätt som tillverkaren föreskriver så är de frekvensomriktare som finns med i projektet godkända av DNV och därmed också av SJÖFS 2008:81. 2.6 Tillverkare av frekvensomriktare Det finns flera olika tillverkare av frekvensomriktare både större och mindre. Det enda önskemålet från fartyget var att Vacon AB skulle vara en av tillverkarna som skulle kontaktas. Andra firmor som blev tillfrågade om deras frekvensomriktare var Beijer Electronics Automation AB som är återförsäljare för Mitsubishi Electric, Regal Components AB som är återförsäljare för Parker, Schneider Electrics och ABB. Vid projektets slut så hade bara två tillverkare svarat och skickat offerter. Så detta blir ett avsteg från vad som är angivet i projektdirektivet. Tyvärr så tillåter inte tiden att invänta svar från de övriga tillverkarna. Men de två offerter som har kommit in är bra. De som har svarat och lämnat fram en offert på sina produkter är Vacon och Beijer Electronics Automation AB. Vacon lämnade fram två förslag med olika pris. Mer om de olika modellerna presenteras i nästa avsnitt 2.7. 15 Sjöfartsverket SJÖFS 2008:81 16 Samma som Sjöfartsverket SJÖFS 2008:81 12

2.7 Olika modeller av frekvensomriktare och offerterat pris 2.7.1 Vacons modeller Vacon har två olika modeller som passar bra till sjövattensystemet som de har skickat offert på. En är billigare än den andra men klarar inte av en lika hög ström och effekt som den andra. Den andra är lite dyrare men har högre prestanda vilket gör att den kan operera i en högre omgivningstemperatur än den första. NXS01055A5T0 SSV A1A2 00 00 00 heter den modell som klarar av en bra mycket högre ström och effekt än det som krävs av elmotorn. Detta gör att den utan problem kan klara av driften av elmotor och sjövattenpump. NXS00875A5T0 SSV A1A2 00 00 00 heter den lite mindre modellen som precis klarar av strömmen och effekten som krävs för elmotorn vid normal drift. Det ska inte vara något problem med denna modell försäkrar tillverkaren så länge man inte har en omgivningstemperatur på över 45 C. Denna modell är billigare än den andra modellen. Båda dessa typer har samma funktioner och gör samma saker, men med tanke på att frekvensomriktaren ska sitta i ett maskinrum där det kan bli ganska varmt på sommaren verkar den lite kraftfullare modellen vara ett säkrare val. Detta för att när det är varmt i ett maskinrum så kommer troligen också sjövattenpumpen behöva gå på full effekt vilket gör att man ligger på gränsen med den mindre modellen. Båda dessa modeller har en IP-klass på 54 och har lackade kretskort för att klara av drift i den tuffa miljö som det är i ett maskinrum. En fördel med båda dessa modeller från Vacon är att de har en inbyggd PID-regulator. Detta gör, tillsammans med dess in och utgångar, att den lämpar sig väl för att utrusta med en mätomvandlare och givare för att få en kontinuerlig reglering på sjövattentemperaturen ut ur värmeväxlaren. På detta sätt så slipper man själv justera frekvensen på frekvensomriktaren vid varierande sjövattentemperatur utan frekvensomriktaren kan själv göra detta. Då får man pumpen att gå på optimalt varvtal hela tiden. Detta sparar in ännu mera energi vid drift av endast en maskin då regulatorn själv känner av och justerar för detta. Modellerna är också godkända av DNV och har intyg på detta. Mer information om dessa modeller och deras funktioner finns på Vacons hemsida. De dokument som är lämpliga att kontrollera är BC00170E 17 och UD00767G 18. Dessa är instruktionsmanual och broschyr för dessa modeller. Offerten finns med som bilaga 5. 17 Vacon, 2010 18 Vacon, 2009 13

2.7.2 Mitsubishi Electrics modell Beijer Electronics Automation AB är den svenska återförsäljaren för Mitsubishi Electronics i Sverige och har kommit fram med en offert på en av deras frekvensomriktare. Det är en modell som ska passa bra in på den drift vi har ombord. FR-A740-00930-EC heter deras modell som de rekommenderar för denna användning. Den har samma fördelar som Vacons frekvensomriktar modeller med att den är IP-54 skyddad, har en inbyggd PID-regulator och in/ut gångar för inkoppling tillsammans med en mätomvandlare och givare. Detta då för automatisk styrning av varvtalet. Mer information om denna modell finns på deras hemsida. 19 Offerten på denna finns i bilaga 6. 19 Beijer Electronics, 2009 14

2.8 Energibesparing vid drift med frekvensomriktare Energibesparing vid drift genom en frekvensomriktare sker endast när man kan köra med lägre varvtal. Vid drift med märkvarvtal så blir det ingen energibesparing. Med hänsyn till tidigare beräkningar på när man kan minska sjövattenflödet och till vilken nivå så måste man då ta i anspråk vilken temperatur det är på sjövattnet i östersjön under året. Enligt en rapport från havsmiljöinstitutet så ligger ytvattentemperaturen på en medeltemperatur av lite under 10 C på ett år. 20 Med tanke på att m/s Finnfellow går nära kusten och på inte så stora sjövattendjup en stor del av sin resa mellan Kapellskär-Nådendal så kan man förutsätta att det är mer än halva året som fartyget kan gå i vatten som har en temperatur på mer än 10 C och då inte kan minska sitt flöde av sjövatten genom värmeväxlaren. För att få lite marginal på detta så blir beräkningarna utförda på att man kan gå på reducerat varvtal på sjövattenpumparna fyra månader varje år. Troligen blir det månaderna november till februari då det normalt aldrig går upp till över 10 C på sjövattentemperaturen även vid grunt vatten. När man räknar på dessa månader med de rekommenderade sjövattenflödena som ges i tidigare avsnitt 2.4 så får man följande uträkning: November+December+Januari+Februari=> 30+31+31+28= 120 dagars drift totalt under dessa månader. Det blir några dagar kortare egentligen då fartyget ligger still under jul och har liggedagar men dessa räknas bort då det borde vara möjligt att köra med reducerat flöde några dagar i månaderna innan och efter. Varje dag så går pumparna under 16 timmars överfart plus en halvtimma totalt innan och efter. 120*16,5= 1980h per pump i drift alltså en för varje sjövattensystem och vinterperiod. Normalt sett så drar varje elmotor 46 kw. 1980*46= 91080 kwh drar varje pump normalt per vinterperiod. Drar man ner flödet på båda sidorna får man denna förbrukning: SB: 280m 3 /h ger en effektförbrukning i pumpen på 7,5 kw vid ett varvtal på 1056 rpm. Detta varvtal ger en ungefärlig verkningsgrad på 72%. Verkningsgraden är en uppskattning från pumpkurvan med 870 rpm, 1056 rpm och 1450 rpm. 21 Då blir effektförbrukningen i elmotorn 7,5/0,72= 10,5 kw. Sen tas ytterligare en liten marginal för en möjlig försämring i verkningsgrad på elmotorn vid detta varvtal. Så elmotorn antas då förbruka 12kW. 1980*12= 23760 kwh Vilket ger en besparing på 91080-23670= 67320 kwh per vinterperiod. BB: 320m 3 /h ger en effektförbrukning i pumpen på 11,6 kw vid ett varvtal på 1220 rpm, detta varvtal ger en ungefärlig verkningsgrad på 72,5%. 22 Då blir effektförbrukningen i elmotorn 11,6/0,725= 16,0 kw. Sen tas ytterligare en liten marginal för en möjlig försämring i verkningsgrad på elmotorn vid detta varvtal. Så elmotorn antas då förbruka 18 kw. 1980*18= 35640 kwh Vilket ger en besparing på 91080-35640= 55440 kwh per vinterperiod. 20 Andersson, 2011 21 Se bilaga 4. 22 Se bilaga 10. 15

Totalt ger detta en insparad energimängd på 67320+55440= 122760 kwh alltså ca 122 MWh per vinterperiod. När sjövattenpumparna går så är det till största delen axelgeneratorerna som står för eltillverkningen ombord. Dessa får sin kraft ifrån huvudmaskinerna som bränner tjockolja för att tillverka denna effekt som krävs. Huvudmaskinerna går i normala fall på ca 80% av full effekt gång i skärgård mm inräknad. Detta ger då en bränsleförbrukning på ca 0,1955 kg/kwh i effekt ut ifrån maskin. Sen har axelgeneratorn en verkningsgrad på 90%. Detta ger då att det går åt 0,1955/0,9= 0,217 kg bränsle/ kwh i elkraft ut till nätet. En energibesparing på 122 MWh ger då en bränslebesparing på 122000*0,217= ca 26000kg bränsle eller 26 ton bränsle per vinterperiod. Alla dessa beräkningar är som tidigare sagt gjorda på nya maskiner och komponenter vilket gör att det inte är samma värden som kommer att visas i verkligheten vid drift. 16

2.9 Förändrat underhåll Det förändrade underhållet är svårt att räkna på. Det är mest en uppskattning att en hel del slitage på pumpen kommer minska då det blir en sänkning av varvtalet på pumpen och den inte går lika hårt. Ser man endast på minskningen i effekt som presenterades i avsnittet innan så ser man att det är en stor förändring av krafterna i pumpen. Ett problem som sjövattenpumparna har ombord på m/s Finnfellow är avsevärda kavitationsskador på främst pumphjul men också pumphus. Detta har lett till tidigare reperationer av pumphjulen med mindre lyckade resultat. Pumphjulen är dyra att köpa in nya och tar tid att byta. En minskad kavitation i pumpen skulle öka livslängden på pumphjulet och därmed öka intervallet mellan byten av dem. Sen ger pumpen även ett sämre flöde vid ett slitet pumphjul. Vid sänkt varvtal minskas risken för kavitation i Figur 5. Gammalt pumphjul med kavitationsskador. pumpen vilket ger en ökad livslängd för pumphjulet. För när man sänker varvtalet på pumpen så minskas strömningsmotståndet i systemet på grund av det minskade flödet. Detta gör att kavitationsrisken minskar då kavitation uppstår när det är ett lågt tryck innan pumpen. Ett nytt pumphjul kostar, enligt en ny offert, 5700 euro. Detta blir en stor kostnad om det behövs köpas in nya pumphjul vart 10 år till varje pump av de fyra som finns ombord. Det blir en årlig kostnad på 2280 euro för alla sjövattenpumparna om man måste ha en sådan bytesintervall. Även fast det blir en minskad belastning på pumpen så är det fortfarande bra att bibehålla intervallen för inspektion och byte av lager samt tätningar. Denna tid kan ökas på om man konstaterar att det blir en minskning av slitage på lager och tätningar. Men till en början blir det troligen ingen minskning av arbetstiden som läggs ner på pumparna. En annan del i sjövattensystemet som bör få ett minskat slitage är backventilerna efter sjövattenpumparna, för flödet genom dem blir mindre. Dessa backventiler byts idag ut ganska ofta minst 1 styck per 4 pumpar och år. Och dessa backventiler kostar enligt den senaste offerten 525 euro styck. Ytterliggare en faktor som får tas med i beräkningen är vad elmotor tillverkaren sa om slitaget på elmotorn. Den kommer troligen att få ett ökat slitage som måste kontrolleras så att det inte blir alldeles för stort. 17

3. Slutsats Detta var vad som ställdes som frågeställning i början av projektet: Hur mycket det kommer kosta att installera frekvensstyrning på alla/alternativt 2 st.en på varje sida sjövattenpumpar i huvudmaskinernas sjökylvattensystem? Alltså hur mycket som själva delarna kommer att kosta då arbetskraft för att installera detta finns anställd ombord. Vad man kommer att tjäna på att göra en ombyggnation till frekvensstyrning av dessa pumpar? Detta i insparad el, minskade kavitationsskador, ändrade värmeförhållanden på kylvattnet på vintern, nedlagd arbetstid på pumparna och reservdelskostnader. Samtidigt ska det tas upp hur systemet påverkas av en lägre flödeshastighet, detta med hänsyn till sedimenteringsproblem. Vad det är som ska göras för en installation av frekvensomriktarna, vilka större delar behöver bli inköpta och installerade? Inte då en detaljerad installationsplan, men vilka delar, alltså märke modell och var de kan köpas ifrån. Också hur EMC problem påverkar installationen och vad som ska göras för att ta bort dessa? Denna frågeställning har jag valt att besvara på det sättet att ställa upp det i för och nackdelar med installationen för att sedan dra slutsatser av resultaten. Fördelar: En fördel är den minskade energiförbrukningen. Denna är också den som går att bevisa på ett klart sätt. Man kan här se att det går att spara in ca 122 MWh vid en installation av frekvensomriktare. Detta ger som sagt en inbesparing på ca 26 ton tjockolja per vinterperiod. Med denna minskade effektförbrukning så kan man inom en snar framtid tjäna in installationskostnaderna för frekvensomriktarna. Minskade kavitationsskador bör uppkomma då man minskar ner varvtalet och flödet så att pumpen inte behöver gå lika hårt. Man sänker NPSH Net Positive Suction Head värdet en hel del när man sänker varvtalet till 1056 rpm. Minskade kavitationsskador kommer märkas tydligt på ett minskat slitage av främst pumphjulet i pumpen. Med tanke på att det är en ganska dyr del att byta så finns det även här pengar att tjäna in. Ökad temperatur på kylvattnet tillbaka till sjökistor eller cross-over tank kommer att inträffa då en minskad mängd sjövatten går igenom värmeväxlaren och därmed tar upp en större värmemängd. Detta ger ett varmare klimat i cross-over tanken och i sjökistorna än tidigare på vintern, detta är klart fördelaktigt då man löper mindre risk för isbildning i dessa och det blir varmare i de maskinrum som har mycket kontakt med lågsug, högsug och cross-overtank. 18

Nackdelar: Installationskostnaden är en stor initial kostnad vilket kan göra en installation svår att motivera om man har begränsade resurser. Sen så är den minskade energiförbrukningen bara en uppskattad vilket gör att den kanske inte blir lika stor i verkligheten. Men installationskostnaden blir inte så hög i jämförelse med vad man tjänar in i energiförbrukning. Speciellt inte om man väljer att bara installera en frekvensomriktare per sjövattensystem, då kommer man ner i lite mer än hälften av kostnaden. EMC problem kan uppstå som extra slitage på lagren i elmotorn, detta är något som får kontrolleras vid byte av lagren i elmotorn. Om sådant slitage uppkommer ska det bytas till isolerat lager i icke-drivändan enligt tillverkaren. Men man får som sagt hålla en noggrannare kontroll av lagren i början på elmotor och pump. Märks det förslitningar på dessa borde det installeras skydd mot sådana skador. Detta kan t.ex. vara speciella jordborstar på axeln mellan elmotor och pump. Annars är dagens frekvensomriktare så pass bra att det inte förekommer så mycket EMC-problem om allt monteras enligt tillverkaren rekommendationer. Speciellt när man monterar frekvensomriktaren vid pumparna, för då får man den största störande delen, som är kabeln från frekvensomriktaren till elmotorn, så kort som möjligt. Monteras de uppe i elcentralen så måste man dra en ny speciellt skärmad kabel ner till motorn för att kompensera för störningar från frekvensomriktaren. Men nu är frekvensomriktarna skyddade enligt IP-54 vilket gör att de är menade för montage vid elmotorn. Sedimenteringsproblem i värmeväxlare och rör är ett problem som är osäkert om det kommer att inträffa. Sjövattenflödet kommer inte sänkas så mycket att det borde bli ett problem, men i och med att värmeväxlarnas tillverkare inte givit ett säkert svar om det kan inträffa, bör det förekomma jämna okulära besiktningar av beväxning och sediment i värmeväxlaren. Detta för att försäkra sig om att det inte blir några problem med denna beväxning. En ökad beväxning i värmeväxlaren kan ge problem då denna i sådana fall skulle behövas göras ren mer än en gång per år vilket sker i dagsläget, och detta ger ett extra arbetsmoment som tar upp tid i onödan från ordinarie drift. Två av punkterna som nämndes i projektdirektivet som fördelar och nackdelar är inte direkt något av dessa. Ett minskat slitage på elmotorn blir det på det sättet att den går mindre, men samtidigt så kan den ta skada av mindre kylning och de övertoner som frekvensomriktaren ger ut. Därför kan man inte räkna detta som varken en fördel eller nackdel. Efter installation och drift med frekvensomriktaren en tid så bör man titta över lagren i elmotorn med tanke på förslitning. Det krävs en viss egenkontroll på detta för att se till att det inte har blivit en onormal försämring, och man kan samtidigt se om det har blivit en förbättring. Det andra är att det skulle kunna behövas en ombyggnation för att kunna installera denna frekvensomriktare, men det ska det inte behövas. Det som däremot behövs byggas är en ställning för frekvensomriktaren men inte någon annan stor ombyggnation. Därför så kan det inte tolkas som varken en fördel eller nackdel. 19

Efter att ha avslutat det här projektet så har det visats att det finns väldigt mycket att tjäna på att investera i en frekvensstyrning av sjövattenpumparna. Det som går att bevisa på en gång är den rena energibesparingen. Det finns även andra nämnda fördelar som t.ex. minskat slitage på delar i systemet, som troligen kommer att inträffa men är svårt att bevisa i förhand. Kontrollerar man direkt på om man skulle investera i en frekvensstyrning från Vacon så skulle man hamna på en ren inköpskostnad på SEK 174000 exkl. moms. Och sen tillkommer en del installationskostnader. En sådan installation bör då kunna spara in ca 26 ton bränsle varje år. 26 ton tjockolja av IF180 betyder att man sparar in ca 129500kr/år enligt gällande bunkerpriser den 24 april 2012. Alltså 707$/mt i Rotterdam och valutakursen 7,04kr/$ vilket ger 26*707*7,04= ca 129500kr. 23 Det skall också betänkas den minskade miljöpåverkan detta kommer att göra när man bränner upp 26 ton tjockolja mindre varje år. Det finns också nackdelar med denna frekvensstyrning. En av dem är det ökade slitaget på elmotorn som tillverkaren gjorde uttryck för. Detta är något man får kontrollera noggrant vid installation av frekvensomriktaren men det bör ändå inte vara en så stor nackdel så att det överväger de fördelar som finns. 23 Forex bank och Bunkerworld 20

4. Egna reflektioner Genom arbetets gång så har jag upptäckt att det finns mycket att vinna på att installera en frekvensstyrning. Men det kommer självklart inte utan vissa bekymmer. Det svåraste är att veta hur systemet egentligen kommer bete sig med tanke på att allt man räknat på är hur ett nytt system skulle fungera. Just att man kan spara in så mycket elenergi till ett ändå ganska lågt installationspris gör att man blir lite förvånad att det inte redan finns frekvensstyrning på fler fartyg. Men det är nog en stor effekt av att man tror att det inte finns så mycket att spara och att det skulle vara dyrt att installera. En bättre marknadsföring från tillverkare av frekvensomriktare som är mer riktad till sjöfart skulle nog vara bra. Det skulle nog få många att inse fördelarna och se att nackdelarna inte är så stora. Även ur miljösynpunkter så finns det stora vinster med detta då man sparar in hel del tjockolja som annars skulle förbrukas i maskinerna. Detta ger en minskning av CO 2 -utsläppen, vilket många rederier vill åstadkomma. En sak som förvånade lite var att vissa tillverkare av frekvensomriktare inte alls verkade särskilt intresserade av att svara på offertförfrågan. Det känns som att det ändå borde ligga i deras intresse även om det bara handlade om 4 stycken frekvensomriktare till ett fartyg. För att skulle detta fungera bra på m/s Finnfellow så finns det en stor chans att detta införs även på andra fartyg inom Finnlines och då Finnlines är ett stort rederi så finns det många fartyg som kanske skulle få en sådan installation. 21

5. Källhänvisning 5.1 Litteraturförteckning Albert Liljenborg, T. L. 2002. Varvtalsstyrning av kugghjulspump. Kalmar: Kalmar sjöfartshögskola. Allweiler. u.d.. Förkortad pumpkurva för 1750 rpm. Centrifugal pumps character curves, NIM 200-250/03. Alvarez, H. 2008. Energiteknik. Elanders Beijing Printing Co. Ltd. Andersson, A. P. 2011. www.havsmiljoinstitutet.se. Hämtat från http://www.havsmiljoinstitutet.se/digitalassets/1350/1350786_havet_2011_oceanografi.pdf den 22 01 2012 APV Heat exchanger A/S. den 06 07 1998. PW/PHE/PWA Type M92 MGS, K-212000 Kg/h Freshewater. Kolding, Danmark. Beijer Electronics. den 22 10 2009. Beijer Electronics - FR-A700. B. Electronics, Red. Hämtat från Beijer Electronics: http://www.beijer.se/web/web_se_be_se.nsf den 26 01 2012 Bunkerworld. u.d.. Bunkerworld. Hämtat från Bunkerworld: www.bunkerworld.com den 24 04 2012 Bäckius, M. 2006. Frekvensstyrda kompressorer. Kalmar: Kalmar sjöfartshögskola. Daniel Jönsson, J. K. 2007. Varvtalsstyrda pumpar. Kalmar: Kalmar sjöfartshögskola. Daniel Molnar, J. K. 2010. Studie av problem och förslag på lösningar vid frekvensstyrning av motorer. Göteborg: Chalmers tekniska högskola. Instutitionen för energi och miljö. Det Norske Veritas. 01 2012. DNV Rules for Classification of Ships. Fagergren, S. 2008. Teknisk Formelsamling. Kalmar: Kalmar maritime academy. Forex bank. u.d.. Forex bank. Hämtat från Forex bank: www.forex.se den 24 04 2012 Hurtig, C. den 23 01 2012. Svensk Försäljning Motorer och Drivsystem. ABB. E. Larsson, Intervjuare Martin Melander, L. N. 2002. Flödesreglering med frekvensomformare. Kalmar: Kalmar sjöfartshögskola. Mattias Lavén, S. H. 2007. Frekvensstyrning av sjövattenpump med hjälp av Profibus. Göteborg: Chalmers tekniska högskola. Instutitionen för sjöfart och marin teknik. Morin, A. den 14 12 2011. Försäljare vid Torell Pump AB. E. Larsson, Intervjuare Sjöfartsverket SJÖFS 2008:81. u.d.. SJÖFS 2008:81 kapitel 18 3. SJÖFS 2008:81. Sven-Erik berglund, R. G. 2004. Frekvensomriktare - guide för elanvändare och allmänt sakkuniga inom elområdet. Stockholm: Elforsk. Vacon. den 29 08 2009. Frekvensomriktare - Vacons varvtalsreglerade AC drivsystem - Produktinformation. Vacon, Red. Hämtat från Vacons varvtalsreglerade AC drivsystem: http://www.vacon.se/ den 26 01 2012 Vacon. den 06 04 2010. Frekvensomriktare - Vacon vartalsregelerade AC drivsystem - Produktinformation. Vacon, Red. Hämtat från Vacons varvtalsreglerade AC drivsystem: http://www.vacon.se/ den 26 01 2012 Westin, J. 2006. Problem vid installation av frekvensomriktare. Kalmar: Kalmar sjöfartshögskola. 5.2 Figurförteckning Figur 1. Pumpkurva för 1750 rpm. Från Allweiler återförsäljare, ändrad av Erik Larsson... 5 Figur 2. Pumpkurva för 1450 rpm. Från Allweiler återförsäljare, ändrad av Erik Larsson... 6 Figur 3. Pumpkurva för 1056 rpm. Tillverkad av Erik Larsson... 6 Figur 4. Förenklad bild av SB sjövattensystem. Tillverkad av Erik Larsson... 9 Figur 5. Gammalt pumphjul med kavitationsskador. Tagen av Erik Larsson... 17 22

6. Bilagor 6.1 Bilaga 1. Projektdirektiv 1 Uppdragsgivare och tagare Uppdragsgivare: Jan Karlsson, Tch, M/S Finnfellow. Uppdragstagare: Erik Larsson, Student vid sjöfartshögskolan i Kalmar 2 Bakgrund Sjövattensystemets pumpar ombord på m/s Finnfellow har problem med kavitationsskador. Detta har lett till att pumphjul har behövts skickas in på rekonditionering och att ett av husen till en pump har spruckit. Detta är ett problem som skulle behöva åtgärdas. En lösning på detta problem är att installera frekvensstyrning på pumparna för att kunna ändra deras varvtal. Det skulle också få den fördelen att man kan reglera ner mängden kylvatten som går genom värmeväxlarna på vintern då dessa har en stor överkapacitet. Finnfellow har 4 stycken huvudmaskiner på 6000kw styck. Dessa är uppdelade i två maskinpar som driver varsin propelleraxel. Varje maskinpar har sitt eget sjökylvattensystem som kyler färskkylvattensystemet till varje maskinpar. Sjökylvattensystemen tar sitt vatten från en gemensam crossovertank som i sin tur får sjövattnet från antingen ett lågsug eller högsug. Efter crossovertanken så är de båda sjökylvattensystemen helt skilda åt. Varje system har två stycken pumpar som suger från crossovertanken och levererar sitt vatten till två stycken värmeväxlare. Efter värmeväxlarna så kan man välja att köra sjövattnet överbord, tillbaka till crossovertanken eller till låg/hög sugen. På ena systemet så går det också sjövatten till pannornas dump-kondensor. I normala fall så används det en pump och en värmeväxlare per sida. Även under högsommaren så används denna konfiguration, detta då pump och värmeväxlare har så hög kapacitet och fartyg endast i nuläget går på traden mellan Kapellskär i Sverige och Nådendal i Finland. 3 Uppdrag Det som ska göras är att ta fram en projektering/kalkyl som ska innehålla följande saker: Hur mycket skulle det kosta att installera frekvensstyrning på alla/alternativt 2 st.en på varje sida sjövattenpumpar i huvudmaskinernas sjökylvattensystem. Alltså hur mycket skulle själva delarna kosta då arbetskraft för att installera detta finns anställd ombord. Vad skulle man tjäna på att ha frekvensstyrning av dessa pumpar. Detta i insparad el, minskade kavitationsskador, ändrade värmeförhållanden på kylvattnet på vintern, nedlagd arbetstid på pumparna och reservdelskostnader. Samtidigt hur påverkas systemet av en lägre flödeshastighet, med hänsyn till sedimenteringsproblem. Vad är det som ska göras för en installation. Vilka större delar behöver bli inköpta och installerade, inte detaljerad installationsplan, men vilka delar, alltså märke modell och var de kan köpas ifrån. Hur påverkar EMC problem installationen och vad ska göras för att ta bort dessa. 23

4. Mål Målet med projektet är att få en grund för bestämmande om denna installation ska ske på m/s Finnfellow. Det ska framgå tydligt i den inlämnade projekteringen hur denna installation påverkar fartyget i fråga om kostnad och fördelar/nackdelar med installationen. Fördelar: Minskade kavitationsskador, ökade underhållsintervaller, minskat slitage på elmotor, minskad elförbrukningen och ökad temperatur på kylvatten tillbaka till låg/hög sug. Nackdelar: Hög installationskostnad, uppkomna problem med EMC, stort arbete vid ombyggnation t.ex. byte av pump och ombyggnation av rör vid pump och problem med lågt flöde genom systemet. 5 Kostnadsram Uppdragstagaren får tid att undersöka förhållandena ombord på schemalagd arbetstid som han har genom sin anställning ombord m/s Finnfellow. Övriga kostnader får uppdragstagaren själv stå för eller då speciellt ansöka om ifall några sådana skulle uppkomma. 6 Tidsplan Den färdiga projekteringen ska vara inlämnad till uppdragsgivaren senast den 31 januari 2012. Projektet ska påbörjas senast den 1 november 2011 och det ska inkomma uppdateringar varannan vecka till uppdragsgivaren hur projektet framskrider. Vid framtagen projektplan ska den lämnas in till uppdragsgivaren för granskning. Undertecknade är överens om projektet som ovan beskrivs. Uppdragsgivare: Jan Karlsson Tch, M/S Finnfellow Uppdragstagare: Erik Larsson 24

6.2 Bilaga 2. Pumpkurva för 1750 rpm och 1450 rpm 25

6.3 Bilaga 3. Pumpkurva för 1450 rpm och 870 rpm 26

6.4 Bilaga 4. Pumpkurva för 1450 rpm, 1056 rpm och 870 rpm 27

6.5 Bilaga 5. Offert från Vacon 28

Hej Erik 6.6 Bilaga 6. Offert från Beijer Electronics Automation AB Mitsubishi Electric FR-A740 serien är samtliga storlekar godkänd av Norsk Veritas, DNV. Intyg bifogas vid leverans FR-A740 har alla de funktioner som kan behövas i en marinapplikation, kom igång doc finns på svenska. Den leveras färdig monterad i ett IP54 skåp enligt bild nedan då det behövs i er miljö I skåpet sitter också en sk. DC-drossel som minskar de udda övertonerna av 50 Hz mot nätet. Frekvensomriktare som vi har offererat FR-A740-00930-EC som kan generera 93A kontinuerligt och med en överlastkapacitet på 120% i 3 sek och 110 % i en minut.storleken mindre ligger på samma pris 77A Storleken på skåpet är 800*1200*400 Pris för skåp med allt enligt bild samt frekvensomriktare FR-A740-00930-EC med DNV intyg 1-2st pris: 36 000:- skr +moms netto/st exkl frakt o emb 4st eller fler pris: 32 900:- skr +moms netto/st exkl frakt o emb ------------------------------------------------------------------------------------ Niklas Edholm Account Manager Drive Systems Beijer Electronics Automation AB Box 326192 30 Sollentuna Tel 08 6260434, Mobil 0705 750235 Fax 08 7548851 http://www.beijer.se mailto: nem@beijer.se 29