4.3. Единые судовые электроэнергетические системы
Единые или объединенные с силовой установкой СЭЭС предполагают питание потребителей СЭЭС и гребных электродвигателей от общих шин (рис. 4.17).
Рис. 4.17. Структурная схема единой СЭЭС.
На рис. приняты следующие обозначения: ПУ – преобразовательное устройство; ГЭД – гребной электродвигатель.
Применение таких систем возможно только на судах, где для привода движителей используются электродвигатели, т.е. суда с ГЭУ. Напряжение и частота на шинах единых электростанций сохраняются стабильными. Регулирование частоты вращения электроприводов (если это необходимо) осуществляется с помощью индивидуальных преобразователей или специальных пускорегулирующих устройств. Наличие мощных преобразователей существенно влияет на качество вырабатываемой электроэнергии. Вследствие этого, данную систему целесообразно применять на судах с судовыми крыльчатыми движителями или винтами регулируемого шага.
Единые СЭЭС находят применение на судах технического флота, например, земснарядах. На стоянке, когда земснаряд выполняет работы по выемке грунта, генераторы нагружаются в основном электроприводами технологических лебедок. В ходовом режиме генераторы работают на электроприводы движителей (гребных винтов). Подобная система применяется на плавучих кранах, где имеются мощные технологические электроприводы и электроприводы судовых крыльчатых движителей. Объединенные ЭЭС применяются на рыбопромысловых судах, где имеется мощное технологическое электрооборудование.
Таким образом, единые СЭЭС применяются в тех случаях, когда мощность, необходимая для обеспечения общесудовых потребителей электроэнергии, соизмерима с мощностью главной энергетической установки или когда от генераторов ГЭУ можно питать общесудовые потребители электрической энергии.
Проектирование единых СЭЭС связано с решением комплексных задач, обусловленных требованиями автономных СЭЭС и гребных электрических установок.
В настоящее время единые ЭЭС находят широкое применение. Ниже рассматриваются примеры судов и кораблей с едиными ЭЭС.
Еээс танкеров-газовозов
В последние годы наметилась устойчивая тенденция увеличения объема перевозок природного газа морским транспортом, что привело к необходимости постройки и ввода в эксплуатацию новых специализированных судов, перевозящих газ в сжиженном состоянии, – танкеров-газовозов.
Рост доли сжиженного природного газа (СПГ) в общем объеме торговли и добычи природного газа в мире существенно растет. Ежегодные темпы роста продажи СПГ более чем в 1,5 раза превышают аналогичный показатель трубопроводного газа. В настоящее время в рамках международной газовой торговли, составляющей около 850 млрд м3, соотношение объема поставок природного газа в сжиженном виде к трубопроводному достигло значения 1 : 3.
В нашей стране в 2006 г. на о. Сахалин построен первый завод по сжижению природного газа. Разрабатываются проекты строительства еще нескольких заводов на Ямале, в Мурманской и Ленинградской областях. Для ООО «Газфлот» к 2020 г. планируется строительство около 20 танкеров-газовозов, необходимых для освоения шельфовых месторождений и транспортирования СПГ.
Танкеры для перевозки СПГ (Liquefied Natural Gas Carriers, или LNG Carriers) относятся к классу специализированных транспортных судов. К ним предъявляются жесткие требования по экологической безопасности, надежности, экономичности.
На рис. 4.18 представлен вариант ЕЭЭС с двухвальным пропульсивным комплексом и прямой передачей вращающего момента на винт фиксированного шага. На практике возможно применение редукторов, а также двух гребных электродвигателей (ГЭД), работающих на один гребной вал через суммирующую редукторную передачу.
Рис. 4.18. ЕЭЭУ с двухтопливными главными двигателями: ПП — полупроводниковый преобразователь; Тр — трансформатор
Для повышения качества электроэнергии в судовой сети ПП 1,2 подключены к четырем трехобмоточным силовым трансформаторам Тр 1-4. Мощность системы электродвижения составяет 28 МВт, при этом мощность на валу ГЭД — около 7 МВт.
Главные распределительные устройства разделены на две группы: два основных (ГРУ 1,2) и два для питания грузовых систем (ГРУ 3,4). От первых получают питание балластные насосы и носовое подруливающее устройство. Высоковольтные грузовые насосы, компрессоры высокого и низкого давления подключаются, как правило, ко вторым. Пуск наиболее мощных судовых приемников электроэнергии, компрессоров высокого давления и носового подруливающего устройства осуществляется с помощью устройств плавного пуска.
Новая структура судовой ЕЭЭС, предложенная судостроительной фирмой «Вяртсиля», которую специалисты фирмы «Вяртсиля» назвала LLC – Low Loss Concept (рис.4.19).
В соответствии с этой концепцией в составе электростанции используются низковольтные генераторы (690 В), а ГРЩ имеет не одну линию шин, к которой подключаются генераторные агрегаты, а две. Генераторные агрегаты синхронизируются так, чтобы напряжения на двух линиях шин были сдвинуты на 30ºе. На преобразователи частоты, питающие основные потребители электроэнергии питание поступает напрямую от линий ГРЩ. На входе преобразователи имеют два выпрямителя, и каждый из них получает питание от одной из двух линий шин ГРЩ, а выходы выпрямителей соединены. Поскольку напряжения на двух линиях шин сдвинуты на 30ºе, то на выходе выпрямителей получается выпрямленное 12-пульсное напряжение с минимальными пульсациями.
Для питания остальных судовых потребителей используются трансформаторы, имеющие две первичные обмотки, каждая из которых подключена к одной из двух линий ГРЩ. Первые гармоники напряжения на первичных обмотках смещены на 30ºе, а пятая и седьмая гармоники смещены на 150º и 210º и взаимно подавляют друг друга. В результате на вторичной обмотке, с которой снимается напряжение питания для общесудовых потребителей, качество напряжения значительно повышается.
В аварийной ситуации эти же трансформаторы могут использоваться для передачи электроэнергии с одной линии шин на другую, в результате мощность ГЭУ уменьшится только на 25%.
При компоновке элементов и узлов ЕЭЭС на судне фирме «Вяртсиля» удалось разместить большую часть энергетического оборудования в носовой части судна, освободив кормовую часть для грузов.
Специалисты «Вяртсиля» отмечают следующие достоинства системы LLC:
высокая степень резервирования – любой отказ приводит только к уменьшению мощности ГЭУ на 25%, все движители сохранят 75% мощности;
передача электроэнергии от генераторов к преобразователям частоты ГЭУ происходит напрямую, без промежуточных трансформаторов – это обеспечивает высокий к.п.д. системы и значительный выигрыш в весе и габаритах;
низковольтная система более безопасна для экипажа и компактна для размещения на судне;
уровень гармонических составляющих напряжения сети меньше 5%;
низкие токи короткого замыкания.
Рис. 4.19. Структурная схема ЕЭЭС фирмы «Вяртсиля»