01 Contexte opérationnel: Groupe CSL et la flotte Panamax

Le Groupe CSL Inc.. est une compagnie maritime privée basée à Montréal et le plus grand propriétaire et exploitant de navires autodéchargeurs au monde.. Sa flotte transporte des marchandises en vrac sec – du minerai de fer, grain, charbon, sel, agrégats, sucre — aux clients de l'ensemble de la construction, acier, énergie, et industries agroalimentaires à l'échelle mondiale. CSL offre plus que 70 millions de tonnes de marchandises en vrac sec par an.[1]

CSL a mis en service neuf nouveaux navires autodéchargeurs de classe Panamax auprès de Chengxi Shipyard Co.. Ltd. dans la ville de Jiangyin, Chine. Panamax désigne la plus grande classe de navires pouvant transiter par le canal de Panama – conçue pour s'adapter aux dimensions minimales des écluses du canal tout en transportant le maximum de marchandises autorisées.. Ce ne sont pas des petits bateaux.

Quatre des neuf navires étaient désignés pour l'exploitation de la Voie maritime des Grands Lacs : le Duluth, Du Minnesota au golfe de Saint-Laurent. Route Lawrence — en unités de classe Laker Trillium. Les cinq autres étaient à destination de l'océan pour des routes internationales en eaux bleues.. Les deux catégories nécessitaient une certification par le Lloyd's Registry et l'American Bureau of Shipping. (ABS) avant d'entrer en service, et les deux organismes de certification imposent une limite stricte: distorsion harmonique totale de la tension (THDv) sur le système d'alimentation électrique du navire ne doit pas dépasser 5%.[2][3][1]

Figue. 1. Navire CSL Baie St. Paul — l'un des quatre navires autodéchargeurs Panamax de classe Laker Trillium destinés à l'exploitation de la Voie maritime des Grands Lacs. Source: Mirus International / Groupe CSL.[1]

02 La découverte: 30% Au-dessus de la limite THDv lors des essais en mer

Lors d'essais en mer en Chine, CSL a découvert que le THDv sur les navires’ les systèmes d’alimentation électrique ont dépassé les 5% Limite Lloyd's/ABS d'environ 30% — ce qui signifie que le THDv mesuré était compris entre 30 et 35 %. Les navires n'ont pas pu être certifiés et n'ont pas pu entrer en service tant que ce problème n'a pas été résolu..[1]

CSL a engagé Mirus International pour fournir une solution d'atténuation des harmoniques pour l'ensemble de la flotte. Mirus a commencé avec sa méthodologie standard: la simulation d'abord, puis mesure sur le terrain pour valider le modèle.

2.1 Simulation avec SOLV™

Les ingénieurs de Mirus ont utilisé leur SOLV exclusif™ logiciel de simulation harmonique pour modéliser le système électrique complet de chaque navire – générateurs, architecture de distribution, et toutes les charges VFD dans diverses conditions de fonctionnement. La simulation a produit des niveaux de THDv prédits aux points de mesure clés requis par les organismes de certification..[1]

2.2 Mesure de terrain embarquée

Pour valider le SOLV™ modèle, Les ingénieurs de Mirus sont montés à bord de l'un des navires et ont effectué des mesures harmoniques sur site. Les valeurs THDv mesurées sur le terrain correspondaient étroitement à celles du SOLV™ prévisions de simulation et mesures d’essais en mer de CSL — confirmant que le modèle de simulation représentait avec précision le système électrique réel du navire.. Cet accord à trois (simulation, Mesure du champ Mirus, Essai en mer CSL) a donné une grande confiance dans les prédictions post-filtrage.[1]

03 Chargements VFD sur les vraquiers modernes: Pourquoi les harmoniques sont inévitables

Les navires CSL Panamax représentent l'état actuel de la conception des vraquiers. Les variateurs de fréquence sont déployés partout, et non après coup, mais en tant que stratégie d'efficacité de base:[1]

• Entraînements de propulseur — manœuvres et maintien en poste du navire
• Entraînements de pompes de ballast — gestion de l'assiette et de la stabilité (2 × 350-400 HP par navire)
• Entraînements de convoyeurs à déchargement automatique — la capacité déterminante d'un navire à déchargement automatique; le système de convoyeur décharge la cargaison sans équipement à terre (4 × 400 HP par navire)
• Entraînements de ventilateurs — ventilation des cales et des locaux des machines, vitesse contrôlée pour plus d'efficacité

Chacun de ces systèmes d'entraînement offre de réels avantages opérationnels: consommation de carburant réduite à charge partielle, contrôle précis de la vitesse, usure mécanique réduite. Mais collectivement, ils représentent une forte concentration de charges non linéaires à 6 impulsions sur un système électrique du navire alimenté entièrement par des générateurs embarqués - la même impédance de source élevée, problème de système insulaire rencontré dans les études de cas précédentes de cette série, porté à une flotte de neuf navires.

3.1 Le convoyeur de déchargement – ​​une source d’harmoniques concentrée

Le système de convoyeur d’auto-déchargement est la technologie déterminante des navires de CSL et la plus grande source d’harmoniques à bord.. Quatre 400 Les entraînements de convoyeur HP fonctionnant simultanément représentent 1,600 HP d'une charge de redresseur à 6 impulsions sur un bus à un seul navire. Lorsque ces moteurs fonctionnent à pleine capacité pendant le déchargement de la cargaison, c'est-à-dire exactement lorsque le navire est à proximité d'un port., fonctionnant avec une redondance limitée du générateur — la charge harmonique sur le système électrique du navire est à son maximum.

Il s'agit du pire scénario dans lequel les essais en mer doivent démontrer la conformité pour, et c'est précisément le scénario qui a produit le 30%+ Dépassement du THDv qui a bloqué la certification.

04 Solution: Linéateur AUHF sur les plus grands disques, À l'échelle de la flotte

4.1 Stratégie de placement de filtre

Après simulation et analyse, Les ingénieurs de Mirus ont recommandé d'appliquer des filtres Lineator AUHF sur les plus grands VFD de chaque navire, en particulier les entraînements du convoyeur et les entraînements des pompes de ballast.. Cette stratégie de placement sélectif reflète un principe important d'atténuation des harmoniques: les plus gros variateurs produisent les courants harmoniques absolus les plus importants et ont donc le plus grand impact sur le THDv du bus. L'atténuation des sources harmoniques dominantes permet d'atteindre la conformité sans nécessiter de filtres sur chaque lecteur à bord.[1]

4.2 Conformité confirmée par simulation

SOLV™ les simulations avec les filtres Lineator installés ont montré un THDv réduit bien dans les limites 5% Limite Lloyd’s/ABS sur les neuf navires dans toutes les conditions d’exploitation modélisées. Le même accord étroit entre la simulation et les mesures sur le terrain qui avait caractérisé la ligne de base avant le filtre donnait l'assurance que les résultats de la simulation après le filtre étaient des prédictions fiables de ce que les essais en mer confirmeraient..[1]

Figue. 2. Vue du pont d'un navire autodéchargeur CSL Panamax montrant l'infrastructure du convoyeur. Les quatre 400 Les entraînements de convoyeur HP représentent la source harmonique dominante sur le bus du navire et étaient les principales cibles de l'installation du Lineator AUHF.. Source: Mirus International / Groupe CSL.[1]

05 La perspective de la qualité de l’énergie: Ce qu’illustre cette étude de cas

5.1 Découverte de problèmes harmoniques lors des essais en mer : un schéma récurrent

Le cas du CSL partage une caractéristique structurelle avec le cas des navires de service offshore étudié plus tôt dans cette série.: la conformité harmonique n'a pas été vérifiée lors de la conception du navire et n'a été découverte que lors d'essais en mer. Dans les deux cas,, le navire a été construit et prêt à fonctionner avant que le système électrique ne soit testé dans des conditions de fonctionnement réelles avec toutes les charges principales fonctionnant simultanément.

Ce modèle est évitable. La simulation harmonique pendant la phase de conception – avant la construction du chantier naval – peut déterminer si le complément VFD prévu produira un THDv conforme dans tous les scénarios d'exploitation.. Le coût d’un SOLV™ la simulation au stade de la conception ne représente qu’une fraction du coût d’une solution de rénovation post-construction. Pour une flotte de neuf navires, l'argument en faveur d'une analyse harmonique précoce est convaincant.

5.2 Placement de filtre sélectif – la stratégie de source dominante

La décision de filtrer uniquement les plus gros entraînements (convoyeurs et pompes de ballast) plutôt que tous les entraînements du navire est la bonne approche technique lorsque le budget harmonique est dominé par quelques grosses charges.. L'amplitude du courant harmonique du redresseur à 6 impulsions s'adapte à peu près à la taille du variateur.. Les quatre 400 Entraînements de convoyeur HP et deux 400 HP (ou 350 HP) Les entraînements des pompes de ballast représentent ensemble environ 2 300 à 2 400 HP de charge non linéaire par navire. Les lecteurs restants - lecteurs de propulseur, les ventilateurs de ventilation — sont plus petits et leur contribution au bus THDv, bien que réel, est secondaire.

Le filtrage des sources dominantes amène THDv au sein du 5% limite. Filtrer chaque disque entraînerait une augmentation des coûts et de la complexité sans amélioration proportionnelle de la marge de conformité.. Le SOLV™ la simulation a quantifié exactement l'amélioration produite par chaque placement de filtre, permettant de valider la stratégie sélective avant toute commande de matériel.

5.3 L'accord simulation-mesure comme outil d'ingénierie

L'accord tripartite étroit entre SOLV™ simulation, Mesures du champ Mirus, et les propres données d’essais en mer de CSL méritent d’être soulignées comme point méthodologique.. Lorsqu'un modèle de simulation est validé par rapport à des mesures indépendantes sur le terrain avant qu'une solution ne soit mise en œuvre, le résultat de la simulation post-solution a un réel poids prédictif. Ceci est différent de la simulation seule, qui dépend de l'exactitude des données d'entrée et des hypothèses.

Pour une flotte de neuf navires, monter à bord de chaque navire pour des mesures post-filtrage prendrait du temps et serait coûteux. Le modèle validé permet d'appliquer les mêmes spécifications de filtre à l'ensemble de la flotte, une fois que l'exactitude du modèle est confirmée sur un navire., la prédiction pour les autres est fiable. C'est la simulation comme outil d'ingénierie, pas comme présentation commerciale.

Références

1. [1] Mirus International Inc., “Étude de cas: Groupe CSL Inc.. — Atténuation des harmoniques des navires Panamax,” Étude de cas d'application, Brampton, Ontario, Canada. Disponible: mirusinternational.com
2. [2] Bureau américain de la navigation (ABS), “Notes d'orientation sur le contrôle des harmoniques dans les systèmes d'alimentation électrique,” ABS, Houston, Émission.
3. [3] Registre du Lloyd's, “Règles et règlements pour la classification des navires,” Registre du Lloyd's, Londres, Royaume-Uni.