4.2. Судовые электроэнергетические системы с отбором мощности

В ходовых режимах главная энергетическая установка обычно имеет резерв мощности, которого достаточно для обеспечения (после соответствующего преобразования) общесудовых потребителей электроэнергии. Отбор мощности от главной энергетической установки судна для СЭЭС может осуществляться применением в составе электростанций:

1. генераторов (валогенераторов), привод которых осуществляется через механическую передачу от судового валопровода или от вала отбора мощности главного двигателя (рис. 4.13, а);

2. турбогенераторов, которые получают пар от утилизационных котлов, использующих тепло выхлопных газов главных двигателей (рис. 4.13, б).

Рис. 4.13. Структурные схемы СЭЭС с отбором мощности

От главной энергетической установки

Первые могут применяться как на теплоходах, где главный двигатель – ДВС или газовая турбина, так и на пароходах, с паровой машиной или паровой турбиной в качестве главных двигателей. Вторые – только на теплоходах. Существуют комбинированные СЭЭС, которые имеют валогенераторы (ВГ) и турбогенераторы отбора мощности. Валогенераторные системы являются системами непосредственного отбора мощности, турбогенераторы – системами косвенного отбора мощности.

Применение таких СЭЭС целесообразно на тех судах, которые почти все ходовое время имеют постоянную или с незначительными колебаниями скорость движения (в пределах от «полного» до «среднего»). Это позволяет в ходовых режимах широко использовать валогенераторы (турбогенераторы), что приводит к уменьшению количества установленных дизель-генераторов, увеличению срока их службы и удешевлению электроэнергии.

Наибольшее распространение применение ВГ получили на рыболовных судах. Однако они также используются и на судах с динамическими принципами поддержания (рис. 4.14).

Рис. 4.14. ЭЭС КДПП с отбором мощности

Утилизация выхлопных газов главных двигателей используется не только для получения электрической энергии, но и для отопления помещений, подогрева масла или топлива и т.д., что всегда повышает экономическую эффективность судовой энергетической установки. Опыт показывает, что установка утилизационных котлов и соответствующих им турбогенераторов вместо дизель-генераторов рациональна только при мощности главной энергетической установки не ниже 3600 кВт и использовании турбогенераторов в течение периода, составляющего не менее половины ходового времени.

Основным недостатком систем отбора мощности является зависимость их работы от скорости движения судна.

При применении ВГ изменение скорости движения судна, т.е. изменение частоты вращения гребного вала, непосредственно связано с изменением частоты вращения генератора, в результате чего выходные параметры ВГ – напряжение и частота, уменьшаются от номинальных значений при ходе со скоростью «полный» до нуля при постановке главных машин на «стоп». Это в свою очередь:

• затрудняет или делает почти невозможной параллельную работу ВГ с автономными генераторами;

• требует быстрого включения резервного источника электроэнергии при постановке машин на «стоп»; перерыв питания не должен превышать 5…10 с.

Стабилизировать выходные параметры ВГ и улучшить условия их параллельной работы можно двумя путями:

- поддержанием постоянства частоты вращения генератора с помощью специальных устройств;

- преобразованием электрической энергии плохого качества.

Для стабилизации частоты вращения используют муфты сложной конструкции или каскадное соединение электрических машин. Примером второго способа поддержания частоты вращения может служить схема, представленная на рис.4.15.

Рис. 4.15. Структурная схема СЭЭС с валогенератором

От главного двигателя 1 через редуктор 2 приводится во вращение генератор постоянного тока 3, который обеспечивает питанием двигатель постоянного тока 4. Основным назначением регуляторов напряжения генератора и частоты вращения двигателя является стабилизация частоты вращения последнего. Двигатель постоянного тока вращает СГ 6. При снижении частоты вращения главного двигателя ниже некоторого допустимого уровня а также при его авариях происходит переключение синхронного генератора на вращение от автономного дизеля 7. Переключение осуществляется с помощью электромагнитных фрикционных муфт 5. В СЭЭС также предусмотрен автономный ДГ 8. Согласно требованиям Регистра валогенераторы должны быть рассчитаны, как минимум, на кратковременную параллельную работу с другими типами генераторных агрегатов для возможности ручного, а также автоматического (при наличии) перевода нагрузки.

На рис. 4.16 представлена СЭЭС с ВГ современного траулера.

Рис. 4.16. Структурная схема СЭЭС траулера с валогенератором

В этой системе установлены: два главных двигателя (Д₁ и Д₂) по 2640 кВт; два валогенератора на переменном и постоянном токах; два вспомогательных дизель-генератора (ДГ₃ и ДГ₄) по 800 кВт. Общая мощность потребления электроэнергии составляет 3000…3400 кВт. Наиболее энергоемкими потребителями являются две ваерные лебедки по 650 кВт каждая. Ваерная лебедка – это промысловая лебедка для травления и выборки ваера (wire), буксировки трала. В промысловом режиме работают два дизель-генератора и один валогенератор. При максимальной загрузке производственного комплекса – два валогенератора и один дизель-генератор. В качестве валогенератора постоянного тока рекомендуется использовать генераторы с независимым возбуждением. Данная схема позволяет уменьшить мощность источников переменного тока, упростить ГРЩ, улучшить массогабаритные характеристики системы в целом.

Электрические способы преобразования электрической энергии, получаемой от ВГ с нестабильными выходными параметрами, как правило, базируются на использовании полупроводниковых преобразователей со звеном или без звена постоянного тока. В валогенераторных установках с полупроводниковыми преобразователями электроэнергии допускается использовать генераторы с независимым приводом в качестве синхронных компенсаторов. При этом между генераторами и их приводными двигателями должны быть установлены автоматические разобщительные муфты.

Перспективным направлением разработки этого способа, наряду с совершенствованием схем преобразователей и развитием их элементной базы, является создание электрических машин специальных конструкций: машины, возбуждаемые переменным током, высокочастотные и многофазные машины.

Применение валогенераторов наиболее целесообразно на судах с гребной электрической установкой (ГЭУ). ГЭУ включает в себя ГД, генератор и гребной электродвигатель (ГЭД). Регулирование скорости движения судна осуществляется изменением частоты вращения ГЭД, т.е. частота вращения ГД, а, следовательно, и валогенератора, не меняется в зависимости от изменения режима работы судна.

Утилизационные турбогенераторы благодаря тепловой инерции системы, а также возможности регулирования расхода пара имеют более стабильные выходные параметры и могут удовлетворительно работать параллельно с автономными генераторами. При постановке машин на «стоп» они продолжают функционировать в течение 5…20 мин. Утилизационные турбогенераторы, применяемые для питания судовой сети, должны быть рассчитаны на параллельную работу с генераторами с независимым приводом.