Предисловие

В разделе 1 излагается методика расчета мощности и технико-экономического обоснования вариантов комплектации судовой электростанции. В приложении 1 дается пример расчета мощно­сти электростанции навалочного судна (балкера). В основу ме­тодики расчетов положены материалы из «Технико-эксплуатационных требований по оптимальной комплектации электростанций морских транспортных судов».

В разделе 2 рассматривается решение задач проектирования сетей распределения электроэнергии, выбора типовой схемы глав­ного тока и разработки схемы автоматизированной электростан­ции. Рассматриваются обобщенные функциональные группы САЭЭС и их взаимосвязь в различных режимах работы электро­станции.

Вопросы устойчивости САЭЭС рассматриваются в разделе 3. Ос­новное внимание здесь уделяется простой и удобной для практи­ческого применения приближенной методике анализа устойчиво­сти генераторных агрегатов с устройствами автоматизации. По вопросам расчета динамической устойчивости нужно читать дей­ствующий отраслевой стандарт и учебную литературу, где до­статочно подробно излагаются теоретические основы, методики и программы расчетов на ЭВМ.

В связи с ограниченным объемом учебного пособия не пред­ставилось возможным рассмотреть более широкий круг задач построения и эксплуатации САЭЭС, а также привести приложе­ние с необходимыми для расчетов справочными данными и про­граммами расчета на ЭВМ. Поэтому в тексте приводятся ссылки на отраслевые стандарты, справочники и литературу, что в ка­кой-то мере способствует устранению этого недостатка.

1. Расчет мощности и выбор варианта комплектации электростанции

1.1. Расчет мощности электростанции

Количество и установленная мощность источников электро­энергии СЭС зависят от установленной мощности потребителей электроэнергии и характера изменения потребляемой мощности во времени при различных режимах работы судна.

Опыт эксплуатации показывает, что характер изменения на­грузок СЭС относится к категории случайных процессов, поэтому определять такие нагрузки следует с использованием вероятност­ных методов.

Предлагается рассчитать мощность СЭЭС аналитическим методом.

Этот метод расчета мощности СЭС основывается на статистическом анализе реальных нагрузок СЭС и основных потребителей электроэнергии на различных типах морских транс­портных судов в нормальных эксплуатационных условиях. При этом основными расчетами режима работы СЭС для судов любо­го типа с дизельной ЭУ считаются расчеты режимов хода и стоянки судна без грузовых операций судовыми средствами, достигающих в сумме по продолжительности 90% времени экс­плуатируемого периода судов. Остальные расчетные режимы ра­боты СЭС (маневров, стоянки судна с грузовыми операциями, судовыми средствами и др.) являются производными от основных.

Суммарная расчетная мощность режима Р_СЭС состоит из мак­симальной интегральной мощности стандартных потребителей электроэнергии Р_mах в соответствующем основном режиме и сум­мы добавочных мощностей ∑∆P, необходимых для обеспечения электроэнергией дополнительных потребителей в данном режиме:

Р_СЭС = Р_mах + ∑∆P. (1)

Интегральная мощность стандартных потребителей Р_mах основного режима — это мощность, формируемая потребителями, качественно одинаковыми для любого типа судна с дизельной ЭУ. К числу таких потребителей по главным двигателям (ГД), ди­зель- генераторам (ДГ) и котлам относят насосы смазочного масла, охлаждающей пресной и забортной воды и подачи топли­ва ГД, ДГ, вспомогательных и утилизационных котлов; насосы смазочного масла редукторов ГД и прокачки дейдвудов; цирку­ляционные насосы котлов и котельные вентиляторы; главные воздушные компрессоры; вспомогательные механизмы и системы; насосы перекачки топлива, смазочного масла, воды и отходов; - сепараторы топлива и масла; вспомогательные воздушные ком­прессоры; насосы испарительной установки; рулевые машины; вентиляция машинного отделения (только в ходовом режиме); вентиляция жилых, служебных и грузовых помещений (кроме вентиляции грузовых трюмов и других помещений, предназна­ченных для перевозки транспортных средств с топливом в баках); рефрижераторная установка провизионных камер; электроподогреватели мытьевой и питьевой воды; насосы мытьевой и питье­вой воды; балластные и пожарные насосы в режиме кратковре­менной работы; осушительные насосы; инсинератор; установки очистки льяльных и сточных вод; фекальные насосы; валоповоротные устройства и тельфер машинного отделения; система катод­ной защиты.

К числу потребителей палубных механизмов относятся швар­товные лебедки в режиме автоматической работы; механизмы люковых закрытий, грузовых рамп, лацпортов и платформ; трало­вые и шлюпочные лебедки и другие вспомогательные грузоподъ­емные устройства в режиме кратковременной работы.

В число бытовых, хозяйственных и прочих потребителей вхо­дят камбузное оборудование; оборудование кают, медицинского блока, сауны, бассейна и прачечной; пассажирские и провизион­ные лифты; оборудование мастерских; сварочные преобразовате­ли и зарядные устройства. К освещению и электронагреватель­ным приборам относят; освещение внутренних помещений (кроме освещения грузовых трюмов и других помещений, предназначен­ных для перевозки транспортных средств с топливом в баках), на­ружное освещение, сигнально-отличительные огни и прожекторы, электронагревательные приборы для обогрева служебных поме­щений и неработающего оборудования.

Необходимо также учесть средства радиосвязи, электронавига­ционные приборы, средства внутрисудовой связи и сигнализации, средства управления судном и автоматизации главных двигате­лей, генераторных агрегатов (ГА), вспомогательных и утилиза­ционных котлов.

К потребителям добавочной мощности ∆Р относятся специфи­ческие потребители специализированных судов, потребители, ра­ботающие только в производных режимах (подруливающие устройства — ПУ, грузовые устройства и системы и др.), а также другие потребители с продолжительным режимом работы (систе­мы летнего кондиционирования воздуха, вентиляции МО в ре­жиме стоянки, системы глубокой утилизации тепла ГД и УТГ и др.), формирующие в рамках основных режимов соответствую­щие подрежимы.

Эмпирические распределения интегральной мощности в основ­ных режимах с достаточной для практических целей точностью могут быть описаны нормальным законом, что позволяет характе­ризовать конкретные распределения только средней величиной и стандартным отклонением S. Величина представляет со­бой наиболее вероятную интегральную мощность, на формирова­ние которой решающее влияние оказывают потребители с продол­жительным режимом работы. Величина стандартного отклоне­ния S определяется главным образом потребителями кратковре­менного, прерывисто-продолжительного и повторно-кратковремен­ного режимов работы. Максимальная интегральная мощность в основных режимах определяется выражением [7]

Р_mах = + 3S. (2)

При этом вероятность появления уровня мощности, соответст­вующего Р_mах, составляет 0,003.

Расчет мощности Р_mах сводится к нахождению статистик и S, которые зависят от основных данных судна: полного водо­измещения D (тыс. т); суммарной максимальной длительной мощности ГД N (МВт); типа ГД по конструкции — «Бурмейстер и Вайн — БМЗ», МАН, «Зульцер») и частоты вращения — МОД, СОД.

Средняя мощность в ходовом режиме Р_ход для судов с МОД типа «Бурмейстер и Вайн — БМЗ» и всех типов СОД определя­ется выражениями:

_ход = 46N кВт, если N < 9 МВт; (3)

_ход = 13N + 330 кВт, если N > 9 МВт, (4)

а для судов с МОД типа «Зульцер»

_ход = 53 кВт. (5)

Стандартное отклонение S _ход мощности в режиме хода:

S _ход = 1,7D кВт, если D ≤ 16 тыс. т; (6)

S _ход = 0,12D + 25 кВт, если D >16 тыс. т. (7)

Средняя мощность _ход и стандартное отклонение S_ст в режиме стоянки:

_ход = 9D кВт, если D ≤ 11тыс. т; (8)

_ход = 0,6D + 100 кВт, если D > 11 тыс. т; (9)

S_cт = 4,2 кВт. (10)

_ход и _ст, полученные по формулам (3) — (5), (8), (9), долж­ны быть увеличены с учетом норм освещения: на 5 кВт, если D ≤ 5 тыс. т; на 10 кВт, если 5 тыс. т < D ≤ 11 тыс. т; на 20 кВт, если 11 тыс. т < D ≤ 40 тыс. т; на 30 кВт, если D ≤ 40 тыс. т.

Зная статистики и S, можно определить интегральные мощ­ности в ходовом и стояночном режимах:

Р_{mах ход} = _ход + 3S _ход кВт. (11)

Р_{mах ст} = _ст + 3S_ст кВт. (12)

Мощность СЭС в основных режимах Р_{СЭС ход}, Р'_{СЭС ход}, Р_{СЭС ст},

Р'_{СЭС ст} в умеренной (Р_СЭС) и тропической (Р'_СЭС) зонах определя­ется в зависимости от типа судов.

Для всех типов судов, кроме судов многоцелевого назначения, ролкеров, рефрижераторных судов и газовозов:

Р_{СЭС ход} = Р_{mах ход} ; Р'_{СЭС ход} = Р_{mах ход} + ∆Р₀₁;

Р_{СЭС ст} = Р_{mах ст} + ∆Р₀₂; Р'_{СЭС ст} = Р_{mах ст} + ∆Р₀₁ + ∆Р'₀₂ ,

где ∆Р₀₁ = 18D^0,5 — добавочная мощность, обусловленная рабо­той климатической установки в тропической зоне; ∆Р₀₂ = 6,25N кВт — мощность на вентиляцию МО в режиме стоянки в умеренной и арктической климатических зонах; ∆Р'₀₂ = 12,5N, кВт — мощность на вентиляцию МО в тропической зоне. Для судов многоцелевого назначения и ролкеров:

Р_{СЭС ход} = Р_{mах ход} + ∆Р₄₁ + ∆Р₄₂; Р'_{СЭС ход} = Р_{СЭС ход} + ∆Р₀₁;

Р_{СЭС ст} = Р_{mах ст} + ∆Р₄₁ + ∆Р₄₂ ; Р'_{СЭС ст} = Р_{СЭС ст} + ∆Р₀₁ + ∆Р₀₂,

где ∆Р₄₁ = k_зР_в.г.п — добавочная мощность на вентиляторы гру­зовых помещений вместимостью С_г.п, определяемая в ходовом режиме из условия шестикратного обмена воздуха в час ( k₃ = 0,3) и двадцатикратного в режиме стоянки судна с грузовыми операциями (k₃=1); Р_в.г.п = 3,6С^1,4г.п, кВт;

С_г.п (10,..., 50) тыс. м³;

∆Р₄₂ = 2,25С^1,4_г.п кВт — добавочная мощность на освещение грузовых помещений.

Для рефрижераторных судов:

Р_{СЭС ход} = Р_{mах ход} + ∆Р₈₁ ; Р'_{СЭС ход} = Р_{СЭС ход} + ∆Р₀₁;

Р_{СЭС ст} = Р_{mах ст} + ∆Р₈₁ + ∆Р₁₀₂ ; Р'_{СЭС ст} = Р_{СЭС ст} + ∆Р₀₁ + ∆Р₀₂,

где ∆Р₈₁ — мощность на главную холодильную установку вмести­мостью рефрижераторных трюмов С_р.т. при максимальной нагруз­ке в режиме перевозки бананов, причем ∆Р₈₁ = 30,6С^1,7 _р.т, кВт; С_р.т (1,..., 10) тыс. м³.

Для газовозов:

Р_{СЭС ход} = Р_{mах ход} + ∆Р₁₀₂; Р'_{СЭС ход} = Р_{СЭС ход} + ∆Р₀₁;

Р_{СЭС ст} = Р_{mах ст} + ∆Р₀₂ + ∆Р₁₀₂ ; Р'_{СЭС ст} = Р_{СЭС ст} + ∆Р₀₁ + ∆Р₀₂,

где ∆Р₁₀₂ — мощность, потребляемая ЭП системы снижения газов, — P_с.г.

Эта мощность зависит от вместимости грузовых трюмов С_г._т и коэффициента загрузки k_з. Например, на судне водоизмещением D = 73,3 тыс. т, С_г._т = 75 тыс. м³, Р_с._г = 1560 кВт, k_з = 0,75; на судах водоизмещением D = 15,4 тыс.т, С_г._т = 12 тыс. м³, Р_с._г = 1000 кВт, k_з = 0,4.

Кроме того, при определении Рсэс в основных режимах (ход, стоянка) необходимо для всех типов судов учитывать следую­щие факторы.

Если на судне предполагается использование средств элект­рообогрева жилых помещений, то в расчетные формулы для ос­новных и производных режимов в умеренной и арктической зонах должна входить добавочная мощность ∆Р₀₈ = 0,5∆Р₀₁ .

Если судно проектируется для эксплуатации в арктической зоне и предполагается использование средств электрообогрева палубных механизмов, то в расчетные формулы для основных и производных режимов в арктической зоне должна входить мощность ∆Р'₀₈ = 10... 25 кВт.

Если на судне предполагается использование ГД, требующих продолжительной работы вспомогательных воздухонагнетателей в ходовом режиме, то добавочная мощность должна входить в расчетные формулы не только в режиме маневров, но и в ходо­вом, причем: ∆Р₀₉ = (2÷4)N кВт, для МОД типа «Бурмейстер и Вайи — БМЗ»; ∆Р₀₉ = (4÷6)N кВт, для МОД типа МАН и СОД типа «Зульцер».

Если на судне устанавливается ГЭУ, то в расчетные формулы (ходовой режим и маневры) должна входить добавочная мощ­ность ∆Р₀₁₃; если предусматривается установка УТГ — то ∆Р₀₁₄ (ходовой режим); если ВРШ — то ∆Р₀₁₅(ходовой и маневро­вый); если гидропередача — то ∆Р₀₁₆ (ходовой и маневры), при этом:

∆Р₀₁₃ = 40(∑Р_ГЭД)^0,8 кВт, если ∑Р_ГЭД < 10 МВт;

∆Р₀₁₃ = 50(∑Р_ГЭД)^0,8 кВт, если ∑Р_ГЭД > 10 МВт;

∆Р₀₁₄ = 20÷55 кВт, если Р_УТГ = 500÷800 кВт;

∆Р₀₁₅ = 8,5N^0,4 кВт; ∆Р₀₁₆ = 15÷25 кВт.

Если на любом типе судна (кроме рефрижераторного) пре­дусматривается специальный рефрижераторный трюм, то во всех режимах надо учесть ∆Р₁₂. Значение ∆Р₁₂ выбирают из опыта эксплуатации. Например, на судах типа «Варнемюнде» для реф­рижераторного трюма вместимостью 587 м³ установлены венти­ляторы суммарной мощностью 160 кВт при k_з = 0,9.

Если на судне предусматривается использование МОД или СОД с навешенными насосами смазочного масла (при охлажде­нии поршней маслом), охлаждения забортной водой или охлаж­дения цилиндров пресной водой, то из расчетной мощности хо­дового режима необходимо вычесть соответствующие добавочные мощности ∆Р₀₁₇, ∆Р₀₁₈, ∆Р₀₁₉, причем:

∆Р₀₁₇ = 6,ЗN; ∆Р₀₁₈ = 4,6N; ∆Р₀₁₉ = 7,8N^0,6 кВт.

Суммарную расчетную мощность в режиме маневров для всех типов судов рекомендуется принимать

Р_{CЭС МАН} = Р_{CЭС ход} + ∆Р₀₃ + ∆Р₀₉,

где ∆Р₀₃ = 1,1Р_ПУ — мощность, потребляемая ЭП подруливающего устройства, номинальную мощность которого Р_ПУ в зависимости от типа судна определяют: 43D^0,7; 16D^0,5; 40D^0,9 — соответствен­но для наливных судов, железнодорожных паромов, остальных типов судов.

Суммарную расчетную мощность в режиме стоянки судна с грузовыми операциями Р_СТГ определяют прибавлением к Р_ст статистик ∆Р₁₁ и ∆Р₂₁ учитывающих мощность, потребляемую электроприводами грузовых устройств и систем обеспечения гру­зовых операций, причем:

∆Р₁₁ = (0,08 + 0,15/п_г._у)п_г._уG_нV_н; ∆Р₂₁ = 61D^0,4 ,

где ∆Р₁₁ — мощность, потребляемая грузовыми устройствами; п_г._у — число задействованных в работу грузовых устройств; G_н — номинальная грузоподъемность, тс; V_н — номинальная скорость подъема полного груза, м/с; ∆Р₂₁ — мощность, потребляемая электроприводами балластных насосов во время грузовых опе­раций.