Fuel Optimal Thrust Allocation In Dynamic Positioning

This thesis gives a short introduction to the Dynamic Positioning (DP) domain and focuses on developing a fuel optimal thrust allocation algorithm for marine DP vessels with a diesel electric power plant. Obtained data is used to develop a static model for the fuel consumption of a diesel generator, as a function of its produced power. This model is used to formulate a convex Quadratic Programming (QP)-problem that finds fuel optimal solutions to the thrust allocation problem. This is possible due to the fact that DP vessels are usually over-actuated in terms of their thrusters. The fuel optimal thrust allocation algorithm shows promising results with respect to minimizing consumed fuel of the generators, when compared to thrust allocation algorithms that minimizes produced thrust or consumed power by the thrusters. The simulations in this thesis typically gives a fuel reduction on a rather common Platform Supply Vessel (PSV) of up to 2% of its maximum possible fuel consumption, when compared to thrust and power minimizing thrust allocation algorithms. The fuel optimization can be implemented as a standard QP-problem by recalculation of its cost function weights based on linear and quadratic model approximations at the current operation point. A method for reducing load variations in the diesel generators produced power, and its implications on fuel consumption, sooting and NOx emission is proposed and discussed. Additionally, simulations of the thrust allocation assisting the Power Management System (PMS) by reserving power on the bus for external consumers about to connect are presented, and it is shown that it might prevent start-up of extra generators. Sammendrag Denne masteroppgaven gir en kort introduksjon til Dynamisk Posisjonering (DP) og har hovedfokuset p̊a utviklingen av en drivstoff optimal thrusterallokeringsalgoritme for maritime DP fartøy med diesel elektrisk kraftverk ombord. Innhentet data ble brukt til utvikling av en statisk modell for drivstofforbruket til en diesel generator, som funksjon av dens generte kraft. Denne statiske modellen blir brukt til å formulere et konvekst QP-problem som finner drivstoff optimale løsninger p̊a thrusterallokeringsproblemet. Dette er mulig p̊a grunn av at DP fartøy som regel er over-aktuert med tanke p̊a thrustere. Den drivstoff optimale thrusterallokeringen gir lovende resultater n̊ar den sammenlignes med kjente thrusterallokeringer som er optimale i forhold til produsert thrust eller effekttrekket til thrusterene. Simuleringene i denne masteroppgaven gir en drivstoffreduksjon p̊a et standard PSV fartøy p̊a opptil 2% av maksimum mulig drivstofforbruk, n̊ar den drivstoff optimale thrusterallokeringen sammenlignes med thrustog thruster effekttrekk minimerende thrusterallokeringer. Den fuel minimerende thrusterallokeringen kan implementeres som et standard QP-problem ved rekalkulering av kostfunksjonsvekter basert p̊a lineære og kvadratiske model approksimasjoner rundt det n̊aværende operasjonspunktet. En metode for å redusere last variasjoner i diesel generatorenes produserte effekt, og dens implikasjoner p̊a drivstofforbruk, soting og NOx utslipp er presentert og diskutert. I tillegg er det vist simuleringer av at thrusterallokeringen hjelper PMS ved å reservere last p̊a en av tavlene for utstyr som skal til å kobles til. Det er vist at dette kan hindre oppstart av flere generatorer. Preface This report concludes my MSc thesis in Engineering Cybernetics at the Norwegian University of Science and Technology. This project was carried out from January 2013 to June 2013. I would like to thank my supervisor, Prof. Tor Arne Johansen at the Center for Autonomous Marine Operations and Systems, Norwegian University of Science and Technology for his good advice and guidance during my MSc thesis. Trondheim, Norway June 2013 Martin Rindarøy