9.Изменение частоты в переходных режимах

2. П ровалы (f_min) и повышения (f_man) частоты:

где f_min и f_max - минимальная и максимальная частоты.

И зменения частоты при подключении и отключении нагрузки на генератор описывается уравнением движения привода:

где: J – момент инерции (кг м²); = ( p n / 30); М_д – движущий момент; М_с – момент сопротивления на валу (Н м), определяемый значением активной составляющей нагрузки генератора.

Кривые, представленные на рис 3.4, показывают, как меняется частота вращения первичного двигателя ГА, а, следовательно, и частота сети, при набросе активной нагрузки на генератор. Значение максимального отклонения, а также длительность переходного процесса, зависит как от инерционности агрегата и величины нагрузки, так и от характеристики регулятора частоты вращения первичного двигателя.

Рис. 3.4. Изменение частоты вращения первичного двигателя с астатическим (1) и статическим (2) регуляторами частоты вращения при подключении к генератору активной нагрузки

Динамические изменения частоты в СЭЭС в переходных режимах не должны превышать 10% ее номинального значения и длиться более 5 с.

Лекция 4. Виды судовых электроэнергетических систем и их структуры

1.Виды судовых электроэнергетических систем и их структуры. Классификация СЭЭС.

2.Главная энергетическая установка судна .

3.Виды и структурные схемы СЭЭС.

4.Особенности многостанционных и многоагрегатных КЭЭС

5 СЭЭС с отбором мощности

6.Способы стабилизации выходных параметров ВГ. .

7.Структурные схемы СЭЭС с утилизационным турбогенератором

8.Единые судовые электроэнергетические системы

Судовые электроэнергетические системы можно классифицировать по разным признакам, характеризующим определенные свойства. Среди них выделим лишь два: количество электростанций в СЭЭС и ее взаимосвязь с главной энергетической установкой судна. По первому признаку все СЭЭС делятся на одностанционные и многостанционные. По второму признаку судовые электроэнергетические системы подразделяются на следующие виды:

1. автономные СЭЭС, характеризующиеся отсутствием непосредственной связи с силовой (энергетической) установкой судна;

2. ЭЭС, имеющие источники электрической энергии с отбором мощности от главной энергетической установки;

3. единые ЭЭС - СЭЭС, объединенные с главной энергетической установкой.

Учитывая то, что в классификации видов СЭЭС существенное место занимает главная энергетическая установка, а также тот факт, что тип главного двигателя, чаще всего, определяет тип первичного двигателя ГА, кратко охарактеризуем виды, используемых на судах главных энергетических установок.

2.Главная энергетическая установка судна.

Это комплекс технических средств, предназначенных для преобразования химической или ядерной энергии топлива в механическую энергию движителя. По традиции основу классификации главных энергетических установок составляют тип главного двигателя и способ генерирования рабочего тела, обеспечивающего его работу. По этим признакам различают котломашинные, котлотурбинные, дизельные, газотурбинные, атомные и комбинированные энергетические установки.

В котломашинных энергетических установках, являющихся разновидностью паросиловых установок, в качестве главных двигателей используется паровая машина, а рабочее тело (пар) генерируется в паровом котле, работающем на органическом топливе (твердом, жидком, газообразном). Паровая машина это тепловой поршневой двигатель возвратно-поступательного движения, в котором потенциальная энергия водяного пара преобразуется в механическую энергию вращения вала.

Рис.4.1. Паровая машина: 1 – цилиндр низкого давления; 2 – цилиндр

высокого давления; 3 – механизм управления; 4 – коленчатый вал; 5 – ползун

Изобретение данного двигателя И.И.Ползуновым и Дж.Уаттом относится к 1763-74 г.г. На всем протяжении своего длительного использования она претерпела существенные изменения: от одноцилиндровой машины с выбросом отработавшего пара в атмосферу до машины многоступенчатого действия, в которой пар последовательно проходит через несколько цилиндров, а затем конденсируется. Мощность существующих паровых машин достигает 15 МВт, однако, большие массы и габариты, их низкий КПД. (20…25%), а вместе с котлом и паровой системой меньше 7%, практически к середине ХХ века исключили их применение на судах.

В котлотурбинных энергетических установках, также относящихся к паросиловым установкам, главным двигателем является паровая турбина, тепловой ротативный двигатель, в котором энергия нагретого под давлением водяного пара преобразуется в механическую работу вращения вала.

Рис. 4.2. Схема реактивной многоступенчатой паровой турбины:

1- патрубок входящего пара; 2 – сопловые лопатки; 3 – рабочие лопатки; 4 – корпус турбины; 5 - патрубок выходящего пара; 6 – ротор турбины с рабочими лопатками; 7 – разгрузочный поршень; 8 – соединительный трубопровод для уменьшения осевых усилий

Патент на паровую машину получил в 1883 г. Г.Лаваль (Швеция). КПД современных паровых турбин находится в пределах 89…94%, мощность достигает 27 МВт. Количество турбин, а также котлов в котлотурбинных энергетических установках может быть разное. Удельный расход топлива в таких установках составляет 230…300 г/(кВт ч), при этом с ростом их мощности КПД увеличивается, это обусловливает целесообразность их применения при мощности более 15…22 МВт. В настоящее время развитие котлотурбинных установок продолжается в направлении оптимизации параметров пара, регенерации и утилизации теплоты.

Рис. 4.3. Котлотурбинная ЭУ: 1 – паровой котел; 2 – конденсатор; 3 - гребной винт;

4 - гребной вал; 5 – редуктор; 6 – турбина высокого давления; 7 – турбина низкого давления.

В дизельной энергетической установке в качестве главного двигателя используется двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Это тепловой поршневой двигатель, в котором сгорание топлива, образование рабочего тела и совершение работы осуществляется в одном устройстве – цилиндре. По способу воспламенения они бывают двух видов: с принудительным зажиганием от электрической искры или запального шара и воспламенением топлива от сжатия.

Рис. 4.4. Тронковый четырехтактный ДВС V-образной конструкции

(шатун крепится непосредственно к поршню): 1 – поршень;

2 – цилиндровая втулка; 3 – коленчатый вал

Первый керосиновый двигатель с воспламенением от сжатия был создан Дизелем в 1897 г., чье имя дало название всем двигателям данного типа. ДВС классифицируются: по частоте вращения: – малооборотные (n  350 об/мин), среднеоборотные (350 < n  750 об/мин), повышенной оборотности (750 < n  1500 об/мин), высокооборотные (n > 1500 об/мин); по средней скорости движения поршня – тихоходные, средней быстроходности и быстроходные. Основные достоинства ДВС – высокий КПД (до 48%), обусловливающий высокую топливную экономичность, высокая готовность к действию. К недостаткам таких двигателей можно отнести: значительные шум и вибрации, повышенный расход смазочного масла. Агрегатные мощности судовых ДВС достигают: малооборотные – 35 МВт, среднеоборотные – 24 МВт, высокооборотные – 5900 кВт. В настоящее время 90% судов морского флота оснащены дизельными энергетическими установками.

Основой газотурбинной энергетической установки является газовая турбина – тепловой ротативный двигатель, в котором энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу вращения вала. Современные газовые турбины по конструкции и принципу действия идентичны паровым турбинам и отличаются от них сравнительно невысокими давлениями рабочего тела на входе и его высокой температурой. КПД газовых турбин составляет 92%. Совокупность газовой турбины, компрессора и камеры сгорания, конструктивно объединенные в единое целое, представляет собой газотурбинный двигатель – главный двигатель газотурбинной энергетической установки.

Рис. 4.5. Газотурбинный судовой двигатель:

1 – камера сгорания; 2 – осевой компрессор;

3 – компрессорная турбина; 4 – рабочая турбина

Авторство данного двигателя принадлежит П.Д.Кузьминскому и относится к 1886 г. КПД современных газотурбинных двигателей с начальной температурой газа 850С составляет 27%. Наиболее перспективным путем совершенствования рассматриваемых двигателей является повышение параметров газа: температуры и давления. В настоящее время на судах применяются установки открытого цикла в которых воздух забирается из атмосферы и отработавший газ выходит в атмосферу. Энергетическая установка данного типа может иметь несколько двигателей, работающих через общий редуктор на движитель. Основным преимуществом газотурбинных установок по сравнению с другими энергетическими установками являются меньшие массы и габариты при большой агрегатной мощности, а также высокая маневренность.

Атомная энергетическая установка (АЭУ) включает в себя главный двигатель, в качестве которого используется паровая или газовая турбины, и ядерную паропроизводящую (ЯППУ) или ядерную газогенераторную установку (ЯГГУ).

Рис.4.6. Двухконтурная АЭУ: 1 – реактор; 2 – первичная биологическая защита (вод. цистерна); 3 – циркуляционный насос; 4 - вторичная биологическая защита (самоэкранирование); 5 – нагреватель1-го контура; 6 – парогенератор; 7 – турбина высокого давления; 8 – турбина низкого давления; 9 – редуктор; 10 – вход забортной воды; 11 – выход забортной воды; 12 – конденсатор; 13 – насос 2-го контура; А – 1-й контур (теплоноситель); Б – 2-й контур (рабочее тело)

Основным отличием установок такого типа является использование в качестве источника энергии ядерного горючего, небольшие объемы которого обладают значительным запасом энергии, что обеспечивает судам высокую скорость полного хода и практически неограниченную дальность плавания. К их достоинствам также можно отнести то, что для работы им не требуется ни кислорода, ни других окислителей и отсутствуют отходящие газы (продукты сгорания топлива), т.е. они могут работать без связи с атмосферой. По принципу генерирования рабочего тела различают 1-. 2 – и 3 – контурные схемы АЭУ. Наибольшее распространение получили 2 – контурные схемы, в которых теплоносителем является вода, а рабочим телом – водяной пар. Регулирование скорости движения судна осуществляется изменением количества рабочего тела, поступающего на главный двигатель. КПД таких установок достигает 35% и применяются они на судах большого водоизмещения.

3.Виды и структурные схемы СЭЭС. Автономная СЭЭС.

Каждая автономная СЭЭС имеет в своем составе автономные источники электрической энергии. В качестве автономных источников электрической энергии могут применяться турбогенераторы (паро- или газо-) либо дизель-генераторы. В общем случае, полностью автономной является электростанция, имеющая в своем составе только дизель–генераторы или газотурбогенераторы.

Если же в составе электростанции имеются паротурбогенераторы, то вместе с ними в качестве резервных, стояночных или аварийных источников всегда устанавливаются дизель–генераторы, так как паротурбогенераторы обычно работают только тогда, когда функционирует котельная установка. Паротурбогенераторы также требуют значительно большего времени по сравнению с дизель-генераторами для ввода их под нагрузку из «холодного» состояния.

Типовая структура автономной СЭЭС представлена на рис. 4.1

Рис.4.1. Структурная схема автономной СЭЭС

Рост установленной мощности потребителей приводит к увеличению единичной мощности источников и их количества. В результате этого возникают проблемы по обеспечению защиты от токов короткого замыкания, устойчивой параллельной работы и живучести, а также размещению большого количества источников и т.д.

Одним из путей решения этих проблем является создание многостанционных систем, иначе говоря, разукрупнению больших систем. На рис. 4.2 представлена структурная схема автономной СЭЭС с двумя основными станциями.

В таких СЭЭС электростанции имеют между собой одну или две электрические связи (перемычки), по которым в том или ином направлении может передаваться электроэнергия. Станции располагаются в разных отсеках, разделенных водонепроницаемыми перегородками. Ответственные потребители получают питание от двух станций (двойное питание). Такое решение повышает живучесть системы.

Рис. 4.2. Структурная схема ЭЭС с двумя основными станциями

Особое место в многостанционных системах занимают многоагрегатные ЭЭС. Такие системы, как правило, имеют военные корабли (КЭЭС) и мощные морские суда технического флота. Для таких систем характерно:

• большое количество источников (не менее 8…10) с разнотипными первичными двигателями;

• многообразие схем соединения источников и секций ГРЩ в различных режимах.