1.1.4 Судовые потребители электроэнергии
Судовые электроэнергетические системы обеспечивают электроэнергией большое количество разнообразных потребителей, около 70 % которых составляют электродвигатели.
Все судовые потребители электроэнергии обычно классифицируют по назначению, степени важности и режиму работы. По назначению потребители делят на группы: палубные механизмы; механизмы судовых энергетических установок; механизмы общесудовых систем; устройства связи и судовождения; бытовые и осветительные устройства; прочие потребители.
По степени важности потребители электроэнергии подразделяют на три группы.
Первую группу составляют особо ответственные потребители, перерыв в питании которых может привести к аварии судна и гибели людей. К таким потребителям относят системы управления курсом судна, навигационные приборы, средства радиосвязи, аварийные пожарные насосы и др. Питание потребителей первой группы на пассажирских судах, грузовых судах вместимостью более 5 тыс. т, а также на некоторых других судах должно обеспечиваться от двух не зависимых друг от друга источников электроэнергии, например от основной и аварийной электростанций. Перерыв в питании этой группы потребителей разрешается лишь на время автоматического ввода аварийной электростанции. К первой группе потребителей на атомных судах относят также потребители электроэнергии, обеспечивающие работу ядерной энергетической установки (ЯЭУ).
Ко второй группе относят ответственные потребители, непосредственно обслуживающие главные энергетические установки, а также механизмы и аппараты, обеспечивающие движение судна, управление им и сохранность груза. В эту группу потребителей входят пожарные и осушительные насосы, брашпили и ряд других механизмов и устройств. В СЭЭС должно быть предусмотрено бесперебойное питание указанных потребителей как в нормальных, так и в аварийных условиях.
К третьей группе относят малоответственные потребители, например потребители, удовлетворяющие бытовые нужды экипажа. Для них во время перегрузок электростанции или в аварийных ситуациях возможен весьма значительный перерыв в питании.
По режиму работы судовые потребители электроэнергии делят на следующие группы (см. главу 3):
электроприводы и устройства, работающие непрерывно с практически постоянной или изменяющейся нагрузкой (охлаждающие насосы и вентиляторы энергетических установок);
электроприводы, работающие кратковременно (пожарные, балластные, топливоперекачивающие насосы, шпили);
электроприводы и устройства, для которых характерен повторно-кратковременный режим работы (грузовые лебедки и краны, специальные потребители).
Для привода большинства судовых механизмов обычно используют АД с короткозамкнутым ротором. Применение таких двигателей связано с рядом трудностей, в частности, с обеспечением заданных показателей пускового режима двигателей и качества электроэнергии при питании их от электростанции соизмеримой мощности. Прямой пуск АД с короткозамкнутым ротором сопровождается током, который может превышать номинальное значение в (5 – 7) раз.
Для привода судовых вспомогательных механизмов используют электродвигатели как переменного, так и постоянного тока. На отечественных судах с СЭЭС на переменном токе применяют трёхфазные АД напряжением 220 и 380 В частотой 50 Гц.
Судовые электростанции (СЭС) отличаются разнообразием по назначению, структуре, мощности, схемам, составу оборудования, уровню автоматизации. Но все они отвечают ряду общих требований по режимам работы:
параллельная или раздельная работа генераторов станции;
передача энергии потребителям непосредственно или через коммутационные щиты;
приём энергии от береговой энергосистемы при параллельной или раздельной работе с ней генераторов СЭС;
передача электроэнергии другим электростанциям судна (основным или аварийным);
возможность выполнения профилактики и ремонта оборудования СЭС без снятия напряжения.
ГРЩ СЭЭС выполняются с одной или двумя системами сборных шин.
Первая применяется при мощности СЭС малой и средней и напряжении 400 В, например, на сухогрузном теплоходе проекта № 488 А (рисунок 1.5).
Рисунок 1.5 – Однолинейная схема судовой электростанции сухогрузного теплохода проекта № 488 А
Станция оснащена дизель-генераторами ДГА 100 / 750 с трёхфазными синхронными генераторами типа ГСС 103-8М 400 КВт, 400В, 750 об/мин.
В схеме возможна работа одного или всех генераторов на шины (замкнуты автоматические выключатели (АВ) QF1, QF5, QF6, QF8, QF9, секционные выключатели (СВ) К1 и К2, QF 2 QF3 QF4 – разомкнуты; или когда замкнуты все выключатели, кроме QF 4). Питание судовой сети может осуществляться с берега при замыкании всех выключателей, кроме генераторных, а также совместно с генераторами, если замкнуты АВ QF1, QF2, QF3. Секционные выключатели К1 и К2 позволяют снимать напряжение при выполнении ремонтных и профилактических работ.
При увеличении мощности СЭС применяется двойная система шин. Схема такой СЭС на примере сухогрузного теплохода «Волга-4000» представлена на рисунке 1.6.
Рисунок 1.6 – Однолинейная схема судовой электростанции сухогрузного теплохода типа «Волга-4000»
Станция состоит из трёх дизель-генераторов типа ДГР 2А 150 / 750, укомплектованных синхронными генераторами типа ГСС 115-8 М 150 КВт, 400В, 50 Гц, 750 об/мин. Главный распределительный щит станции содержит секции шин 3х400 В, коммутируемых между собой и с генераторами автоматическими выключателями QF1-QF11.
Схема обеспечивает следующие режимы работы СЭС:
одиночную работу любого генератора на все шины (например, QF1, QF5, QF8, QF9 – замкнуты, остальные автоматические выключатели – разомкнуты);
параллельную работу двух любых генераторов на все шины (например, QF1, QF5, QF3, QF7, QF8, QF9 – замкнуты, остальные АВ – разомкнуты);
раздельную работу всех генераторов на свои секции шин (например, QF1, QF2, QF6, QF3 – замкнуты, остальные АВ – разомкнуты);
питание судовой сети от береговой энергосистемы (например, QF4, QF8, QF9 – замкнуты, остальные АВ – разомкнуты);
параллельная работа любого генератора с береговой энергосистемой во время перевода нагрузки (например, QF1, QF4, QF8, QF9 – замкнуты, остальные АВ – разомкнуты);
автономная работа одного из генераторов на подруливающее устройство (например, QF1, QF2, QF8, QF9, QF7 – замкнуты, остальные АВ – разомкнуты).
Недостаток такой схемы состоит в необходимости двойного комплекта генераторных автоматических выключателей.
На нефтеналивных судах из-за повышенной пожароопасности в СЭС предусматривается непрерывный автоматический контроль изоляции электрических сетей; запрещается использование корпуса судна в качестве обратного провода, а также систем с заземлённой нейтралью (при трёхфазных схемах) и с заземлённым полюсом (при постоянном токе). Соединение с корпусом судна допускается только для измерительных трансформаторов и в устройствах контроля изоляции.
На рисунке 1.7 приведён пример единой (объединённой с силовой установкой) судовой энергосистемы мощностью 4650 кВт, установленной на речном ледоколе, построенном в Финляндии.
На станции установлены три синхронных трёхфазных генератора типа ДКВL 632/06 мощностью 1800 кВА, 670 В, 50 Гц, 1000 об/мин, которые передают энергию на шины 3 х 690 В. К ним присоединены управляемые выпрямители для питания гребных электродвигателей. От этих же шин получают питание электродвигатели М1, М2 и М3, сочленённые с генераторами типа ДКВМ 404/04 мощностью 500 кВА, 400В, 50 Гц, 1500 об/мин, передающими электроэнергию на шины 3х400В. На эти же шины присоединён стояночный генератор G4, вращаемый от дизеля, запускаемый при остановке генераторов G1, G2 и G3. Применение трёх вращающихся преобразователей вызвано необходимостью обеспечения полной электромагнитной независимости сетей 690 и 490 В с целью исключения передачи помех, вызванных работой преобразователей, питающих гребные электродвигатели.
Рисунок 1.7 – Однолинейная схема судовой электростанции речного ледокола
По действующим правилам Речного Регистра РФ каждое судно должно иметь аварийный источник питания, предназначенный для обеспечения электроэнергией определённого числа ответственных приёмников при исчезновении напряжения на шинах главного распределительного щита.
Промежуток времени с момента исчезновения напряжения на ГРЩ до готовности аварийного генератора к приёму 100 % нагрузки не должен быть более 10 с при запуске дизеля с первого раза. Допускается три попытки пуска с интервалом между ними 5 с при общем времени пуска не более 45 с.
В соответствии с этими требованиями аварийная электростанция содержит автоматическое устройство управления аварийным дизель-генератором (рисунок 1.8).
Рисунок 1.8 – Однолинейная схема аварийной электростанции грузового теплохода
При отсутствии напряжения на ГРЩ на аварийном распределительном щите (АРЩ) отключается АВ QF1, запускается дизель-генератор и включается АВ QF2. В остальном схема аварийной электростанции мало, чем отличается от схем основных электростанций судна.