Presentasjon av Masteroppgave

1 Presentasjon av Masteroppgave State of the Art Electrical Driven Winches for Offshore Cranes Årsmøte Kranteknisk Forening 2008 Sivilingeniør Margrethe Aven Storheim, DNV

2 Oppgaven Kartlegge state of the art av elektrisk drevne vinsjer for offshore kraner. Hovedfokus på sikkerhet og pålitelighet 1. Sikkerhet Definere akseptkriterier med basis i krav og retningslinjer gitt i EN 13852-1, Cranes Offshore cranes General purpose. 2. Pålitelighet Eiers krav/forventninger, vedlikeholdsrutiner/-kostnader og reservedelsfilosofi.

3 Oppgaven Oppgaven skulle løses spesielt med hensyn til: AOPS Automatic Overload Protection System MOPS Manual Overload Protection System Nødoperasjoner Nødlåring Nødkjøring Det skulle videre konkluderes med egnethet/fordeler og ulemper de forskjellige typer konsepter for elektrisk drevne kraner, både relatert til sikkerhet og pålitelighet.

4 Forberedelser Kontakte potensielle kranprodusenter som kunne bidra 3 svarte positiv, hvorav 1 trekte seg i løpet av prosessen Deltakelse i FMECA analyse på elektrisk dreven offshore kraner utviklet og bygget i USA. Utarbeide spørreskjema for innhenting av data Bryte ned kran/heisvinsjen i passende undersystemer Identifisere krav i standarder basert på heisvinsjens undersystemer EN 13852-1 Cranes Offshore Cranes General Purposes EN 13135-1 Cranes Safety Design Requirements for equipment Part 1: electrotechnical equipment EN 13135-2 Cranes Safety Design Requirements for equipment Part 2: Non-electrotechnical equipment EN 982 Safety of Machinery Safety requirements for fluid power systems and their components Hydraulics EN 954-1 Safety of Machinery Safety related parts of control systems Part 1: General principles for design EN 418 Safety of Machinery Emergency stop equipment, functional aspects Principles for design

5 Nedbryting av en kran i undersystemer

6 Identifisering av krav i standarder

7 Oppfyllelse av krav gitt standarder 3 Systemet oppfyller ikke kravet gitt i standardene 2 1 Systemet oppfyller ikke kravet på en god måte eller kravene i standarden er ikke egnet for systemet. Systemet oppfyller kravet gitt i standarden til en hvis grad eller kravet i standarden kunne vært mer presist/egnet. 0 Systemet oppfyller karvet i standarden, men ytelsen til systemet er ukjent. 0 Systemet oppfyller kravene i standarden. X NA Informasjon om systemet mangler eller standarden har ingen egnede krav. Kravet er ikke egnet eller gjelder ikke for systemet.

8 System A

9 System B

10 Sikkerhetssystem AOPS og MOPS Treghetsmoment: I w 1 = mr 2 2 Energi i systemet: K 1 I 2 2 s = wω + 1 2 mv 2 1 I w = mr 2 2

11 Sikkerhetssystem AOPS Formel for å konverter treghetsmoment til en lineærmasse Formel for å beregne AOPS uttrekningskraft 1 fall 3 fall

12 Sikkerhetssystemene MOPS System A: Om elektrisitet er tilgjengelig blir vinsjen retardert og kjørt ut med full hastighet. Om elektrisitet ikke er tilgjengelig blir bremser løftet av slik at tau og krok kan trekkes ut. System B: På grunn av det nyttes en permanent magnet motor vil denne alltid kunne virke som en generator, slik vil system B fungere på samme måte uavhengig av om elektrisitet er tilgjengelig eller ikke. Ved å brenne av den genererte elektrisiteten over en motstand vil vinsjen rotere med en gitt hastighet avhengig av motstandens størrelse. Større motstand fører til høyere hastighet

13 Sikkerhet og pålitelighet System A blokkdiagram/energiflyt Energi Forklaring Strømforsyning for normaloperasjon og energiflyt når en last blir løftet eller holdt i ro. Nødstrøm som benyttes om normalstrøm feiler. Energiflyt når en last låres. Mekanisk energi blir gjort om til elektrisk energi. Likeretterenne forsyner likestrøm til DCbusen, som er felles for alle kranens bevegelser.

14 Sikkerhet og pålitelighet System B blokkdiagram/energiflyt

15 Sikkerhet og pålitelighet System A Topologi kontrollsystem

16 Sikkerhet og pålitelighet System B Topologi kontrollsystem

17 Sikkerhet system A Punkt Klass. Nor / info Kommentar 1.2.5 3 I De to mekaniske bremsene virker på vinsjen gjennom girkassene. 4.1.10 3 N 1.2.2 2 N 4.1.8 2 N 3.1.5 1 N 1.2.4 0 N Heissystemet vil ikke kunne holde en last lik R 0 (Tillatt løftekapasitet for plattformløft) når vinsjen begynner å spole tau ut med full hastighet. Den dynamiske oppbremsingen er gjennomført ved hjelp av det elektriske drive systemet. De mekaniske bremsene er kun brukt som statiske bremser. EN 13852-1 omhandler ikke elektriske oppbremsing. Heissystemet vil ikke kunne holde en last lik R 0 (Tillatt løftekapasitet for plattformløft) når vinsjen begynner å spole tau ut med full hastighet. Det kan diskuteres om det å bringe kranen til full stopp er den sikreste handlingen i alle situasjoner, f.eks. Ved løft av en last fra en supply båt. Med den informasjonen som er gjort tilgjengelig er det ukjent hvor godt egnet de mekaniske bremsene er for dynamisk bremsing. 1.2.11 0 N Det er ukjent hvor store dynamiske krefter de mekaniske bremsene vil forårsake i en nødssituasjon, f.eks. tap av hovedstrøm. 1.4.1 0 N Det er transmisjon mellom begge bremser og vinsjetrommelen. 3.1.11 0 N Alle handlinger som følge av avvik fra forhåndssatte sikkerhetsrelaterte parametere er ikke vurdert. 3.2.2 0 N Informasjon om lastindikering er ikke gitt, det antas at dette er I henhold til kravene. 4.2.5 0 N Det er ukjent hvor godt de mekaniske bremsene vil vikke over en periode, f.eks. endring I friksjon som følge av varmeoppbygging.

18 Sikkerhet system B NB: Ingen informasjon angående AOPS ble mottatt for system B Punkt Klass. Nor / info Kommentar 2.1.6 3 N 1.2.2 2 N 4.3.1 2 N 3.1.5 1 N Om hovedstrømmen feiler som følge av feil I sleperingen, vil kranen være uten en sekundær strømforsyning. Den dynamiske oppbremsingen er gjennomført ved hjelp av det elektriske drive systemet. De mekaniske bremsene er kun brukt som statiske bremser. EN 13852-1 omhandler ikke elektriske oppbremsing. Om hovedstrømmen feiler som følge av feil I sleperingen, vil kranen være uten en sekundær strømforsyning. Det kan diskuteres om det å bringe kranen til full stopp er den sikreste handlingen i alle situasjoner, f.eks. Ved løft av en last fra en supply båt. 4.3.2 1 N Om sleperings enhet eller motor feiler kan ikke personell berges med kranen selv. 1.2.11 0 N 3.1.11 0 N Det er ukjent hvor store dynamiske krefter de mekaniske bremsene vil forårsake i en nødssituasjon, f.eks. tap av hovedstrøm. Alle handlinger som følge av avvik fra forhåndssatte sikkerhetsrelaterte parametere er ikke vurdert. 3.2.2 0 N Informasjon om lastindikering er ikke gitt, det antas at dette er I henhold til kravene. 4.2.5 0 N 4.2.7 0 N Det er ukjent hvor godt de mekaniske bremsene vil vikke over en periode, f.eks. endring I friksjon som følge av varmeoppbygging. Informasjon om kapasiteten til nødlåringsfunksjonen er ikke gitt, hvor lang periode kan det låres over

19 Pålitelighet system A Ingen spesifikk informasjon om komponenter ble gitt. Kortslutningsmotorer har et enkelt design og er en velprøvd teknologi. Systemstrukturen til system A viser at det er stor grad av redundans i systemet. Dobbelt opp med motorer og bremser 100 % SWL. Lav belastning på girkassene. Mulighet for å bytte veksleretter mellom motorene. Kran kan operere med redusert kapasitet om en likeretter feiler. Hardwired kontrollsystem uavhengig av normalt kontrollsystem. Nødstrøm kan kobles utenfor sleperingsenhet

20 Pålitelighet system B Ingen spesifikk informasjon om komponenter ble gitt. Permanentmagnet motoren har et design som mekanisk sett er veldig likt kortslutningsmotoren. Systemstrukturen til system B viser at det er lavere grad av redundans enn i system A. Mulighet for å bytte veksleretter mellom motorene på en enkle måte ved hjelp av switcher. Kran kan operere med full kapasitet om en likeretter feiler 2oo3 system. System B har mulighet for nødlåring om hovedstrøm feiler. Kontrollsystemet til system B har stor grad av redundans, dobbelt opp med PLS og I/O er Hardwired kontrollsystem uavhengig av normalt kontrollsystem.

21 Konklusjon De to elektromotorteknologiene har en rekke likheter, men også noen viktige forskjeller. Virkningsgrad Momentkurve Turtall Begge systemer er utstyrt med ISPS (Independnet Speed Protection System) System som sammenligner virkelig hastighet med ønsket hastighet. Kan ikke benyttes over skip hvor AOPS og MOPS skal være tilgjengelig.

22 Konklusjon De burde stilles krav til en helt uavhengig strømforsyning, hvordan denne føres frem og redundans. Krav til elektrisk bremsing i EN 13852-1 Krav til Choppere. Krav til motstander. Krav til vekselretter. Krav til 2 uavhengige systemer med 100 % kapasitet hver? Kravene til pålitelighet er i all hovedsak operasjonelle. Vedlikehold Inspeksjon Opplæring

23 Til Slutt Takk til Kranteknisk Forening og dets styre for stipendet som ble innvilget tilknyttet denne masteroppgaven og prosjektoppgave høsten 2006. Videre en takk til mine veiledere ved NTNU og DNV Kåre Tommy Talberg