Προσομοίωση ναυτικών ενεργειακών συστημάτων και ανάλυση αποστολής πλοίου

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως κύριο θέμα την προσομοίωση επιδόσεων ναυτικών ενεργειακών συστημάτων και την ανάλυση αποστολής πλοίου. Κατά την εκπόνηση του θέματος, αναπτύχθηκε κώδικας σε προγραμματιστικό περιβάλλον Fortran, ο οποίος, υπολογίζει τα χαρακτηριστικά της αποστολής ενός πλοίου και τις επιδόσεις του προωστήριου συστήματός του κατά την διάρκεια της αποστολής. Σκοπός του προγράμματος είναι να παρέχεται η δυνατότητα στον σχεδιαστή του πλοίου να αξιολογήσει διαφορετικά ενεργειακά συστήματα και διατάξεις μηχανών και να εκτιμήσει σε πρώτο στάδιο την επίδραση διαφορετικών παραμέτρων της αποστολής στις επιδόσεις τους. Η υπολογιστική μέθοδος που αναπτύχθηκε ενσωματώνει διάφορα αριθμητικά και υπολογιστικά μοντέλα με σκοπό τον προκαταρτικό υπολογισμό της απαίτησης ισχύος ναυτικού σκάφους, την μοντελοποίηση της αποστολής του και την προσομοίωση των επιδόσεων του ενεργειακού του συστήματος. Οι κυριότερες προωστήριες μηχανές, η προσομοίωση των οποίων έγινε, είναι οι αεριοστρόβιλοι και οι ναυτικοί κινητήρες Diesel. Αναλυτικότερα, η προσομοίωση ναυτικών αεριοστροβίλων έγινε με ένα στατιστικό και ένα πραγματικό πλήρες μοντέλο μηχανής ενώ για τις ανάγκες της μελέτης δημιουργήθηκε ένα απλοϊκό μοντέλο επιδόσεων ναυτικού κινητήρα Diesel. Για την εφαρμογή της μεθόδου, δημιουργήθηκαν τρία σενάρια αποστολής ισάριθμων πλοίων: ενός αντιτορπιλικού σκάφους, ενός επιβατηγού – οχηματαγωγού πλοίου και ενός τάνκερ υγροποιημένου φυσικού αερίου. Για κάθε σκάφος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της ανάλυσης αποστολής σε διαφορετικές καιρικές συνθήκες θαλάσσης καθώς και οι επιδόσεις των μηχανών. Επίσης, μελετήθηκε η επίδραση της ρύπανσης της γάστρας καθώς και πιθανής βλάβης στους αεριοστροβίλους στην συνολική κατανάλωση καυσίμου των μηχανών. Η μελέτη έδειξε ότι δεν μπορούν να γίνουν ακριβείς υπολογισμοί των επιδόσεων αεριοστροβίλων με στατιστικά μοντέλα διότι παρουσιάζουν αποκλίσεις όταν λειτουργούν οι μηχανές στο μερικό φορτίο ισχύος. Επίσης, οι καιρικές συνθήκες στην αποστολή ενός πλοίου παίζουν σημαντικό ρόλο στην αποδοτικότητα και την κατανάλωση καυσίμου των μηχανών. Τέλος, η μελέτη έδειξε ότι η ύπαρξη ακόμη και μικρών βλαβών στους συμπιεστές αεριοστροβίλων μειώνει αρκετά τον θερμικό βαθμό απόδοσης, αυξάνοντας την κατανάλωση καυσίμου και συνεπώς το λειτουργικό κόστος της αποστολής του πλοίου.

The purpose of this thesis was to create a generic computational method for the simulation of marine energy systems in the context of ship mission analysis. The method was implemented in Fortran® 90/95 code which can calculate the elements of a ship’s mission and the performance characteristics of its propulsion system during the trip. The scope of the developed program is to provide the engineer the ability to compare several marine power plants of different engine configurations and to predict in a preliminary stage the effect of numerous parameters of a ship’s mission on the engines’ performance. The computational method incorporates several arithmetic and computational models such as an approximate power prediction model, the ship’s mission analysis model, two marine gas turbine performance simulation models and a simple Diesel engine performance model. The marine engines that were simulated were the marine gas turbine and the marine four stroke turbocharged Diesel engine. The gas turbine engine was simulated in two different manners: utilizing a statistical model based on regression techniques of real performance data or utilizing lab-developed software called TEACHES. The marine Diesel engine performance simulation was held off with the development of a regression-based model deriving from performance data of current commercial engines. In order to apply the developed method, three test cases were examined that correspond in three marine vessels. The first ship represents a destroyer with a variable speed profile; the second represents a RoPax ferry and the last one is an LNG carrier. For each vessel, mission analysis as long as the performance of their marine power plant is calculated in calm and adverse open sea weather conditions. Furthermore, the effect of hull fouling or/and common gas turbine compressor degradation mechanisms on total fuel consumption, maximum speed, mission duration and engine performance can be quantified. The use of the statistical gas turbine performance model in part load operation gave inaccurate results in comparison to the integrated engine model. Finally, the evaluation of compressor degradation phenomena (e.g. fouling, blade erosion) in engine performance showed that thermal efficiency will decrease resulting in an increase of the overall fuel consumption and consequently in the operating cost of a ship’s mission.