4. Лабораторная работа №4

Тема работы: Эксплуатационные режимы работы судовой электростанции.

Цель работы: Исследовать основные эксплуатационные режимы работы судовой электростанции. Отработать действия выхода в режим и распределения нагрузки между СГ. Изучить метод расчета и выбора мощности генераторов судовой электростанции. Разработать схему судовой ЭЭС (4 часа).

Теоретический раздел Основной эксплуатационный режим работы судовой электростанции.

В судовой электростанции предусматриваются как автономные, так и параллельные режимы работы СГ. При автономной работе генераторы работают на отдельные, не связанные между собой секции шин главного распределительного щита. От каждой секции получает питание группа потребителей электроэнергии. При параллельной работе СГ подключают к общим шинам ГРЩ, от которых получают питание все судовые потребители электроэнергии.

Различают длительную и кратковременную параллельную работу генераторов. Кратковременную параллельную работу предусматривают на время перевода нагрузки с одного генератора на другой (или береговой источник электроэнергии). При длительной параллельной работе СГ появляется возможность согласовать мощность потребителей с количеством параллельно работающих судовых СГ. При изменении суммарной нагрузки на шинах ГРЩ, соответственно, изменяют количество параллельно работающих генераторов с тем, чтобы нагрузка каждого генератора составляла 60…90 % номинальной.

В целом режим параллельной работы судовых генераторных агрегатов обладает следующими преимуществами:

– обеспечивается работа каждого ГА при наивысших значениях КПД;

– не допускается работа дизельгенератора при нагрузках менее 30% номинальной мощности для предотвращения чрезмерного изнашивания деталей и повышения удельного расхода топлива;

– обеспечивается большая надежность ЭЭС, так как при дроблении установленной мощности между несколькими ГА уменьшается вероятность отказа всей системы электроснабжения в целом;

– возможен перевод нагрузки с одного генератора на другой без перерыва питания потребителей;

– снижаются колебания напряжения и частоты судовой сети при изменении нагрузки потребителей;

– обеспечивается возможность ремонта или профилактики части ГА с сохранением электроснабжения судна исправными агрегатами.

К основным недостаткам параллельной работы генераторных агрегатов можно отнести:

– увеличение токов короткого замыкания в ЭЭС и повышение требований к разрывной способности коммутационной аппаратуры;

– необходимость решения задач распределения нагрузки между генераторами и устойчивости их работы.

Исходя из изложенного, в судовых электроэнергетических системах основным эксплуатационным режимом принято считать режим параллельной работы СГ генераторных агрегатов.

Требования Морского Регистра к выбору количества, мощности и типа генераторов

При выборе числа, единичной мощности и типа генераторных агрегатов судовой электроэнергетической системы руководствуются требованиями и правилами Морского Регистра, которые выражаются следующими положениями:

1. Количество ГА СЭС не может быть меньше двух и больше шести и должно быть минимизировано. Как правило, на судах устанавливаются три – пять ГА с учетом аварийного

2. Загрузка работающих ГА должна составлять 70…85  их номинальной мощности;

3. Мощность резервного ГА выбирается такой, чтобы при выходе из строя любого основного ГА СЭС работала нормально;

4. Экономичность работы судовой электростанции достигается:

– применением режима длительной параллельной работы ГА с загрузкой не менее 60 % номинальной мощности;

– отказом от параллельной работы ГА в наиболее длительных режимах при пониженной нагрузке СЭС;

– уменьшением типоразмеров ГА;

– применением разумной степени автоматизации СЭС и выбором дистанционного управления ГА

5. Все ГА должны быть одного типа и одинаковой (соизмеримой) мощности, при этом соотношение мощностей должно быть не более 1:3;

6. Обеспечения нормального качества вырабатываемой электроэнергии генераторами, то есть поддержания постоянства напряжения и частоты тока на заданном уровне Стабильность этих основных параметров обычно обеспечивается применением систем автоматического регулирования напряжения (АРН) генераторов и частоты их вращения (АРЧ)

Выбор числа, единичной мощности и типа генераторных агрегатов судовой электроэнергетической системы выполним аналитическим методом. Расчет мощности судовой электростанции по аналитическому методу выполняется для основных режимов: ходового, стояночного с грузовыми операциями и без них, маневрирования, аварийных и специальных режимов.

Для определения мощности ГА необходимы следующие исходные данные: тип, водоизмещение и назначение судна; тип и мощность главных двигателей судна; перечень механизмов и устройств с указанием мощности и режимов их работы; расчетные нагрузки электродвигателей механизмов и устройств.

Таблица 4.1 – Исходные данные вариантов для расчета мощности ГА

Исходные данные	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9			10
Тип судна	Рыболовный траулер морозильный				Танкер			Транспортный рефрижератор
D, т	4400	8000	6200	9000	26400	48000	73000	7400		9800			11600
N, л.с.	2800	6200	4400	6200	15600	17000	28000	6200			8400		10200
Тип гл.дв.	ДВС	ДВС	ДВС	ДВС	ДВС	ДВС	ДВС	ДВС			ДВС		ДВС
Род тока	~	~	~	~	~	~	~	~			~		~
Uс ,В	400	400	400	400	400	400	400	400			400		400
fн , Гц	50	50	50	50	50	50	50	50			50		50
Рэн , кВт	38	62	48	80	104	114	144	86			88		102
Рк , кВт	16	22	18	20	24	17	32	28			34		38
Рбв, кВт	18	24	22	28	32	38	42	26			34		38
Ркв, кВт	26	30	28	30	34	44	46	32			42		46
Ргм, кВт	88	108	88	126	142	160	206	106			126		146
Рсо, кВт	16	24	22	26	34	44	52	26			34		36
Ркп, кВт	34	44	38	44	66	62	88	48			62		70
Рбр, кВт	48	68	66	89	86	102	128	86			96		106
Рху, кВт	200	300	260	320	250	400	500	300			500		700
Ртл, кВт	190	320	210	400	-	-	-	-			-		-

В таблице 4.1. приведены варианты задания для расчета мощности, потребляемой механизмами в указанных режимах судна. Номер варианта соответствует порядковому номеру студента в группе и назначается преподавателем.

В таблице 4.1 кроме общепринятых применены следующие обозначения:

– D – водоизмещение судна, т;

– N – мощность главных двигателей энергетической установки;

–Рэн – наибольшая мощность эпизодической нагрузки;

– Рк – мощность потребителей камбуза;

– Рбв – расчетная мощность бытовых приемников;

– Ркв – мощность систем кондиционирования воздуха;

– Ргм – мощность грузовых механизмов;

– Рсо – мощность сети освещения;

– Ркп – мощность компрессора пускового воздуха;

– Рбр – мощность брашпиля;

– Рху – мощность холодильной установки;

– Ртл – мощность траловой лебедки.

Расчет мощности судовой электростанции, выбор типа и количества СГ

Аналитический метод определения мощности ГА основан на том, что мощности механизмов и устройств энергетической установки зависят непосредственно от мощности главных двигателей, а всех остальных приемников (светильников, вентиляторов, эпизодически включаемых механизмов машинного отделения, рулевого устройства) – лишь косвенно от мощности главных двигателей и водоизмещения судна. При использовании экспериментальных и статистических данных получены приближенные формулы, выражающие зависимость мощности СЭС в ходовом режиме от мощности главных двигателей Путем непосредственного учета установленной мощности приемников и степени энерговооруженности судна рассчитывают мощность для характерных групп приемников с помощью коэффициентов спроса к_С для каждой группы. При определении мощности генераторных агрегатов трудность вызывает сложность расчета потребляемых мощностей приемников электроэнергии, работающих с различными нагрузками в разных режимах. Кроме этого для каждого режима работы судна имеются свои нагрузки, зависящие от назначения, водоизмещения судна, типа энергетической установки и мощности приемников электроэнергии

Мощность, потребляемую судовыми электропотребителями, рассчитывают для указанных режимов в следующем порядке (в кВт).

Ходовой режим. Требуемую мощность для обеспечения ходового режима р_Х, кВт, определяют из выражения

р_X = 18 + 0,028N + 0,85 Р_ХУ +Р_ЭН, (4.1)

где N – мощность главных двигателей энергетической установки, л.с.

Выражение (4.1) справедливо для энергетической установки современного судна с электрифицированными масляными охлаждающими насосами, а также насосами забортной и пресной воды. При этом учитывают мощности приемников, работающих непрерывно или периодически, и наибольшую мощность эпизодически работающих приемников Р_ЭН.

Запас мощности, равный наибольшей мощности приемников эпизодической нагрузки, может быть использован при включении неответственных бытовых приборов (электрифицированного оборудования камбузов, общесудовых вентиляторов, системы кондиционирования воздуха и др.). При перегрузках генераторных агрегатов в ходовом режиме отключаются неответственные бытовые приемники.

Режим стоянки без грузовых операций. Среднюю расчетную мощность судовой электростанции в данном режиме находят по формуле:

р_СТ = 11 + 0,002·D+ 0,85 Р_ХУ (4.2)

В эту мощность входят мощности эпизодически включаемых приемников, освещения, систем кондиционирования воздуха, специальных вентиляторов, электрифицированного оборудования камбуза.

Режим маневрирования является обычно кратковременным (не более 1% времени работы судна) и требуемую мощность режима находят по формуле

р_ЭМ = р_Х1 + 0,8(р_БР + р_ПК), (4.3)

Режим стоянки с грузовыми операциями. Требуемую мощность судовой электростанции в этом режиме определяет мощность грузовых лебедок и механизмов, работающих на стоянке. Рабочий цикл грузовых лебедок (работа в повторно-кратковременном режиме) обусловливает полный характер суммарного графика нагрузки и, соответственно, сложность расчета мощности электроприводов. Требуемая мощность, потребляемая в этом режиме, определяется выражением

р_СТ.Г = р_СТ + р_ГМ,, (4.4)

Режим работы СЭС при аварии судна. В этом режиме за счет работы пожарных насосов и водоотливных средств мощность СЭС необходимо увеличить на 25…30 % по сравнению с мощностью в ходовом режиме

Р_А = (1,25  1,30)р_Х . (4.5)

Аварийный режим работы СЭС. Согласно требованиям Морского Регистра мощность СЭС выбирается в соответствии с нагрузкой потребителей, которые должны работать в аварийном режиме. Такими потребителями являются штурманское и радионавигационное оборудование, аварийное освещение, сигнальные огни, пожарные насосы, прожекторы, аварийная пожарная сигнализация, рулевые механизмы.

При предварительном приближенном определении мощности аварийного режима СЭС, когда неизвестны мощности потребителей, работающих в аварийном режиме, можно принять

р_АЭС = (0,1 – 0,2)р_Х . (4.6)

Специальные режимы. В зависимости от назначения судна рассчитывают мощности судовой электростанции для специальных режимов.

Например, для рыболовного траулера (РТМ) специальным режимом является ходовой промысловый режим, когда работает траловая лебедка. Мощность этого режима для РТМ рассчитывается по формуле

Р_СР = Р_Х + Р_ТЛ (4.7)

Например, для рыбоконсервного завода мощность специального режима определяет мощность технологического оборудования

Р_СР = Р_РХ + Р_ТО , (4.8)

По результатам расчета мощности судовой электростанции в различных режимах работы судна составляют итоговую таблицу расчета (таблица 4.2). Суммарную расчетную мощность (столбец 5) получают суммированием мощностей, указанных в столбцах 2, 3 и 4.

После определения расчетной мощности в отдельных режимах можно приступить к выбору количества и номинальной мощности основных генераторов. Количество и тип синхронных генераторов выбирают по режиму с наибольшей расчетной нагрузкой из таблицы 4.3 и записывают в столбец 6 таблицы 4.2. Например, 4* МСК 92-4. Суммарная установленная мощность (столбец 6) должна быть больше суммарной расчетной мощности (столбец 5). Для каждого режима рассчитывают коэффициент загрузки СГ в данном режиме, который определяется как отношение мощности работающих в режиме генераторов к суммарной расчетной мощности режима. Для уменьшения расхода топлива и, следовательно, уменьшения стоимости вырабатываемой электроэнергии количество и номинальные мощности генераторов должны быть такими, чтобы коэффициент загрузки при работе в наиболее длительных режимах эксплуатации судна составлял 60…90 % номинальной нагрузки ГА.

Распределение нагрузки между СГ

Распределение активной мощности между параллельно работающими СГ при отсутствии специальных устройств определяется наклонами скоростных характеристик n=f(P) ГА и зоной неточности регулирования частоты вращения первичных двигателей, обусловленной нечувствительностью регуляторов частоты вращения и нелинейностью указанных характеристик. На рисунке 4.1 показаны скоростные характеристики генераторных агрегатов и распределение активной нагрузки между двумя СГ при номинальной частоте вращения n_н.

n, о.е.

Рисунок 4.1. – Скоростные характеристики ГА1 (1) и ГА2 (3)

Таблица 4.2 – Итоговая таблица расчета мощности судовой электростанции и выбора генераторных агрегатов

Режимы работы судна	Расчетная мощность Рр, кВт	Потери в сетях (5% от Рр,) кВт	Вращающийся резерв мощности (10…20 % от Рр), кВт	Суммарная расчетная мощность ∑Рр, кВт	Суммарная установленная мощность, Руст кВт	Число и тип СГ	Коэффициент загрузки, КЗ СГ в режиме
1	2	3	4	5	6	7	8
Ходовой режим
Стоянка без грузовых операций
Стоянка с грузовыми операциями
Режим маневрирования
Режим работы при аварии судна
Аварийный режим электроэнергетической системы
Специальный режим

Таблица 4.3 – Технические характеристики синхронных генераторов

Тип генератора	Р, кВт	I, А	U, В	cosφ	n, об/мин	КПД, %
						Нагрузка 100%	Нагрузка 75%
МСК 83-4	50	91	400	0,8	1500	86,0	87,5
МСК 91-4	75	135	400	0,8	1500	86,5	88,7
МСК 92-4	100	180	400	0,8	1500	87,0	89,9
МСК 102-4	150	270	400	0,8	1500	87,5	90,2
МСК 103-4	200	361	400	0,8	1500	87,8	90,5
МСК 113-4	300	540	400	0,8	1500	90,0	91,5
МСК 500-1500	400	720	400	0,8	1500	90,1	91,7
МСК 625-1500	500	925	400	0,8	1500	91,2	92,0
МСК 750-1500	600	1080	400	0,8	1500	91,5	92,5
МСК 940-1500	750	1350	400	0,8	1500	91,6	93,0
МСК 1250-1500	1000	1820	400	0,8	1500	91,6	93,0
МСК1560-1500	1250	2250	400	0,8	1500	92,0	93,5
МСК 1875-1500	1500	2700	400	0,8	1500	92,0	93,5
МСК 375-1000	300	540	400	0,8	1000	91,1	92,0
МСК 625-1000	500	925	400	0,8	1000	89,1	90,2
МСК 790-1000	630	1134	400	0,8	1000	89,6	91,2
МСК 1000-1000	800	1440	400	0,8	1000	90,4	92,0
МСК 1250-1000	1000	1800	400	0,8	1000	92,5	94,0
ГМС 13-31-12	250	450	400	0,8	500	90,0	91.5
ГМС 13-41-12	320	576	400	0,8	500	91,1	92,5
ГМС 14-29-12	400	720	400	0,8	500	91,2	92,8
ГМС 14-41-12	500	925	400	0,8	500	92,0	93,5
МСС 91-4	75	135	400	0,8	1500	88,0	89,5
МСС 92-4	100	180	400	0,8	1500	89,5	91,0
МСС 102-4	160	288	400	0,8	1500	90,0	91,5
МСС 103-4	200	361	400	0,8	1500	91,0	92,0
2СН59/31-4	200	361	400	0,8	1500	89,8	91,2
2СН59/39-4	250	450	400	0,8	1500	90,6	92,2
2СН74/31-4	315	567	400	0,8	1500	91,0	92,5
2СН74/28-8	160	288	400	0,8	750	90,0	91,5
2СН74/35-8	200	361	400	0,8	750	91,4	92.0
2СН74/44-8	250	450	400	0,8	750	91,3	92.5
2СН85/40-8	315	567	400	0,8	750	91,5	93.0
ГСС103-8М	100	181	400	0,8	750	88,5	90,0
ГСС114-8М	160	288	400	0,8	750	88,9	91,0

Как видно из рисунка 4.1 мощность первого СГ Р₁ определяется по характеристике 1, а мощность второго СГ Р₂ – по характеристике 3. Абсолютная неравномерность распределения активной мощности равна Р₁ – Р₂.

Кривая 2, проведенная между характеристиками 1 и 3, является основной теоретической характеристикой регулирования частоты вращения ГА. Действительные характеристики ГА располагаются в указанной зоне неточности, поэтому даже при одинаковом наклоне скоростных характеристик при наличии зоны неточности регулирования 2∆ активные мощности могут распределяться между СГ в соответствии с их характеристиками 1 и 3.

Эффективным способом уменьшения неравномерности распределения активных нагрузок является использование устройства автоматического распределения активной нагрузки, которое устанавливают на каждом параллельно работающем СГ. К таким отечественным устройствам относятся УРЧН (устройство регулирования частоты и нагрузок), УРМ (устройство распределения активной мощности), БРНГ (блок регулирования нагрузки генераторов). Эти устройства обеспечивают в установившихся режимах работы судовых систем погрешность распределения активной мощности в пределах 5…10 % при изменении мощности генераторов от 20 до 110 % номинальной при cosφ = 0,6…1,0.

Распределение реактивной мощности.

Неравномерность распределения реактивной мощности между параллельно работающими СГ определяется их внешними характеристиками. И зависит от различных уровней возбуждения СГ. Разность ЭДС генераторов вызывает появление реактивных уравнительных токов, сдвинутых относительно этой разности на углы, близкие к 90°, поэтому эти токи не влияют на активные мощности, развиваемые генераторами. Отсюда следует, что изменяя токи возбуждения СГ можно осуществлять перераспределение их реактивной нагрузки, Для перераспределения активной нагрузки между параллельно работающими СГ необходимо изменять вращающие моменты, развиваемые приводными двигателями СГ, т.е. регулировать подачу топлива.

Для уменьшения реактивных уравнительных токов при параллельной работе СГ применяют различные способы на основе уравнительных соединений между генераторами, например, параллельное соединение обмоток возбуждения или увеличение наклона внешних характеристик при включении однотипных СГ на параллельную работу.

Исследование распределения нагрузок между СГ

При исследовании распределения нагрузок при параллельной работе СГ на лабораторной установке все регулирование параметров СГ осуществляется вручную. Для каждого режима необходимо зафиксировать распределение нагрузок в указанных заданием на ЛР режимах и заполнить таблицу 4.4.

Расчет неравномерности распределения нагрузок между СГ необходимо выполнять по соотношениям:

–активной нагрузки – по показаниям ваттметров СГ ;

–реактивной нагрузки – по токам возбуждения СГ

Таблица 4.4 – Распределение нагрузок между СГ

Нагрузка и режим системы		СГ1				СГ2				Неравномерность распределения нагрузки
		U	Р1	I1	Iв1	U	Р2	I2	Iв2	Активной %	Реактивной %
Холостой ход системы
Нагрузка системы 4,5 кВт
Нагрузка системы 9 кВт	Между СГ1 и СГ2
	Нагрузка на СГ1
	Нагрузка на СГ2
Оптимальный режим системы по условию КПДmax

Разработка схемы ЭЭС

Схема электроэнергетической системы разрабатывается в однолинейном варианте и должна учитывать результаты выбора количества СГ. Рисунок схемы системы выполняется в упрощенном виде только с учетом основных элементов: количество и назначение СГ, их коммутационной аппаратуры, секций главного распределительного щита системы с коммутационной аппаратурой, а также элементов системы питания с берега и включения резервного ГА. Пример схемы электроэнергетической системы в однолинейном изображении показан на рисунке 4.3. Кроме того, на схеме необходимо привести примеры распределения электроэнергии по судну.

В выводах по лабораторной работе необходимо привести анализ основного эксплуатационного режима судовой электроэнергетической системы на основе лабораторной установки, в которых отразить следующие вопросы:

– качество выполнения синхронизации и выхода в режим, выполнение условий включения СГ на параллельную работу, ударные токи при включении;

– распределение активной нагрузки между СГ1 и СГ2, неравномерность распределения и чем она определяется;

– распределение реактивной нагрузки между СГ1 и СГ2, неравномерность распределения и чем она определяется;

– решение по выходу в оптимальный режим работы электростанции по условию максимального КПД при данной нагрузке системы.