книги из ГПНТБ / Хайдуков, О. П. Электрооборудование судов учебник

В зависимости от типа первичных двигателей существуют ди- зель-электрические, турбо-электрические и газо-турбо-электриче- ские станции.

По роду тока судовые электростанции разделяются на электро­ станции переменного и постоянного тока. На всех современных су­ дах электростанции судовых электроэнергетических систем рабо­ тают на переменном токе, хотя до конца 40-х годов суда электри­ фицировались преимущественно на постоянном токе.

§ 21. Генераторные агрегаты

Источником электроэнергии судовой электростанции является генераторный агрегат, состоящий из первичного двигателя и элек­ трического генератора. Совокупность этих двух совершенно раз­ личных машин представляет собой .единое целое. По электриче­ ским приборам, контролирующим работу генератора, можно судить о режиме работы первичного двигателя, о его исправности. Работа первичного двигателя влияет на качество вырабатываемой электро­ энергии.

Под качеством электроэнергии понимается поддержание посто­ янства напряжения и частоты. В связи с этим к первичным дви­ гателям предъявляется ряд требований. Колебание скорости вра­ щения должно находиться в пределах 1 % номинальной скорости ге­ нераторного агрегата при любых установившихся режимах в диа­ пазоне нагрузок от 25 до 100% номинальной электрической мощно­ сти. Если же происходит скачкообразный наброс или сброс 100% нагрузки, то мгновенное изменение скорости вращения не должно превышать 10% номинальной скорости вращения генераторного агрегата.

Первичные двигатели должны иметь дистанционный привод для изменения скорости вращения в пределах 10%.

Наибольшее распространение в качестве первичных двигателей судовых электрических станций в настоящее время получили дизе­ ли. Эти двигатели являются наиболее экономичными. Важное досто­ инство дизелей — в. их автономности и постоянной готовности к запуску. Вместе с тем дизели имеют относительно малый моторе­ сурс и отличаются высоким уровнем шума.

На судах, где в качестве главных двигателей используются паро­ вые турбины, первичными двигателями генераторов являются па­ ровые турбины. Они значительно надежнее дизелей и имеют боль­ ший срок службы. Параллельная работа турбогенераторов устой­ чивее, чем дизель-генераторов. Однако турбины менее экономичны, зависят от работы паровых котлов и перед запуском должны про­ греваться.

В последнее время получают широкое развитие газовые турби­ ны. Они в известной степени объединяют достоинства дизелей и па­ ровых турбин и найдут применение в качестве первичных двигате­ лей генераторов.

100

Иногда на судах один из генераторов приводится во вращение от гребного вала. Такой агрегат получил название валогенератора. С помощью его происходит отбор мощности для вспомогательных нужд от главной силовой установки. Достоинство валогенератора в том, что к. п. д. главного двигателя значительно выше чем к. п. д. относительно маломощных вспомогательных двигателей. Однако в этом случае требуются сложные устройства стабилизации напря­ жения и частоты валогенератора, так как скорость вращения греб­ ного вала меняется.

Всудовых электростанциях применяются генераторы с влагостойкой и маслостойкой изоляцией не ниже класса Е. Исполнение генераторов брызгозащищенное. Наибольшее распространение нахо­ дят самовентилируемые генераторы, но применяются также гене­ раторы с замкнутым циклом принудительной вентиляции с воздухо­ охладителями. Судовые генераторы рассчитываются для работы в условиях относительной влажности воздуха 75±3%, при темпера­ туре окружающего воздуха + 42±2°С.

Всудовых электростанциях постоянного тока применяются ге­ нераторы постоянного тока смешанного возбуждения. Они снаб­ жаются ручным регулятором возбуждения (реостат в цепи парал­ лельной обмотки возбуждения), который должен обеспечивать ре­ гулирование напряжения с точностью до 1% для генераторов мощ­ ностью до 100 кВт и с точностью до 0,5% от номинального напря­ жения для генераторов мощностью свыше 100 кВт. Кроме того, регулятор напряжения должен обеспечивать возможность пониже­ ния напряжения не менее чем на 10% от номинального с учетом роста оборотов первичного двигателя на холостом ходу. Все это достигается правильным подбором величины сопротивления регу­

лировочного реостата и количества ступенек (отпаек) его.

В судовых электростанциях переменного тока применяются син­ хронные трехфазные генераторы. На судах еще встречаются гене­ раторы с возбудителями (танкеры типа «Казбек», суда типа «Ле­ нинский комсомол», «Бежица», аварийные дизель-генераторы на су­ дах типа «М. Калинин» и др.), но наибольшее распространение на­ ходят синхронные генераторы с самовозбуждением.

Синхронные генераторы с дизелями в качестве первичных двига­ телей имеют явнополюсную конструкцию ротора и небольшую частоту вращения (500 об/мин). Синхронные турбогенераторы рас­ считываются на более высокую частоту вращения (1000, 1500 и 3000 об/мин) и могут иметь ротор неявнополюсной конструкции.

§ 22. Выбор количества и мощности генераторных агрегатов

Основные трудности при определении количества и мощности генераторных агрегатов связаны с тем, что судно работает в раз­ личных режимах, от которых непосредственно зависит нагрузка су­ довой электростанции. Транспортное судно имеет пять таких ре-

101

жимов: ход в море, маневрирование (швартовка, съемка с якоря, прохождение узкостей), авария, стоянка без грузовых операций, стоянка с грузовыми операциями. Регистр СССР при выборе ко­ личества- и мощности генераторов требует учитывать только пер­ вые три режима. В действительности количество и мощность гене­ раторных агрегатов выбираются для транспортного судна с учетом всех пяти режимов судна.

Наибольшее распространение получили два метода выбора мощ­ ности и количества генераторных агрегатов: метод нагрузочных таблиц и аналитический метод.

Метод нагрузочных таблиц. Рассмотрим этот метод на приме­ ре составления таблицы нагрузок для судовой электростанции пе­ ременного тока (табл. 10).*

В первую большую графу записываются все потребители элек­ троэнергии на судне, получающие питание от генераторов элек­ тростанции. Во 2-й графе указывается количество п одноименных

102

Т а б л и ц а 10

В 4-й и 5-й графах записываются соответственно номинальные к. п. д. (г|н) и coscf„ потребителей. Затем по формуле

Р п

Рг = 7)н

определяется мощность, потребляемая каждым потребителем из сети в номинальном режиме, и вносится в графу 6-ю. В графе 7-й указывается мощность, потребляемая из сети, всеми одноименны­ ми потребителями, которая находится по формуле

Р п = Р \ П .

Далее идут пять больших граф, соответствующих пяти режи­ мам работы судна. Каждая большая графа делится на четыре части. В первую часть большой графы (графы 8, 12, 16, 20, 24)

103

вносится коэффициент одновременности k0, который показывает отношение количества работающих потребителей в данном режи­ ме судна к общему количеству одноименных потребителей. Напри­ мер, при ходе в море из двух установленных масляных насосов главных двигателей работает один 6о = 0,5.

В графах 9, 13, 17, 21, 25 записывается коэффициент загрузки k3, который показывает отношение действительной мощности по­ требителя в данном режиме к его установленной номинальной мощ­ ности. Например, для электродвигателя рулевого устройства в режиме одерживания судна на курсе, когда угол перекладки пера руля составляет 5—7,° &3=0,2ч-0,3.

Для правильного выбора коэффициента загрузки требуется хорошее знание режимов работы всех вспомогательных механиз­ мов судна. Практически k3 всегда меньше единицы.

Затем можно определить активную мощность Р (графы 10, 14, 18, 22, 26) и реактивную мощность Q (графы 11, 15, 19, 23, 27),

потребляемую из сети каждой группой одноименных потребите­ лей с учетом коэффициентов загрузки и одновременности:

Р = Pnk3 k0,

Q = Ptg<?,

где tgcp находится в зависимости от соэфн (графа 5).

После заполнения таким путем всей таблицы определяется об­ щая активная мощность Pz (суммирование по графам 10, 14, 18, 22, 26) и общая реактивная мощность Q£ (суммирование по гра­ фам 11,15, 19, 23, 27).

Если выбрать генераторы по Ps , то их мощность окажется за­ вышенной. Дело в том, что большинство потребителей электро­ энергии в течение того или иного режима работы судна неодно­ кратно включаются и выключаются из работы. Так, например, в тот момент времени, когда включился в работу питающий насос котла или гидрофор пресной воды, в это же время выключился компрессор рефрижераторной установки или гидрофор забортной воды и т. д. Это обстоятельство можно учесть, умножив Pz и

на энергетический коэффициент одновременности k0, который, как показывает опыт, лежит в пределах 0,5—0,9. Более высокий kb берется для аварийного и ходового режимов (большое удельное значение постоянно работающих потребителей, обслуживающих силовую установку судна) и более низкий — для стояночных ре­

жимов.

Далее определяется полная (кажущаяся) мощность Sz по формуле

=ViPzkof+ {Qzk0f

исредневзвешенный cos(pcp для каждого режима работы судна по формуле

104

на без грузовых операций нагрузка на генераторы создается в ос­ новном бытовыми потребителями, мощность которых зависит от водоизмещения судна.

На основании статистических данных о нагрузке судовой элек­ тростанции большого количества различных типов судов отечест­ венной и зарубежной постройки получены корреляционные фор­ мулы, позволяющие определить мощность электростанции в раз­ личных режимах работы судна.

В качестве' примера рассмотрим расчет мощности электростан­

Р п . м — мощность наибольшего из эпизодически включаемых потре­

где Я к — мощность электрического камбуза;

Рв— мощность бытовой вентиляции;

Яс . к — мощность электрооборудования климатической станции.

мощность электростанции складывается из мощности, полученной

п — количество лебедок или кранов на судне.

В формуле (40) для простоты положено, что грузоподъемность всех лебедок или кранов одинакова.

106

брашпиль, шпиль, пожарный насос (скатка якорной цепи) и комп­ рессор пускового воздуха. Однако вероятность одновременного включения всех этих потребителей мала. Кроме того, учитывая осо­ бую ответственность и кратковременность маневренного режима,

обычно дополнительно включается резервный генераторный аг­ регат.

А в а р и й н ы й ре жим . Нагрузка электростанции в аварий­ ном режиме складывается из потребителей, обеспечивающих ход судна, тушение пожара, откачку воды и заделку пробоины. Одно­ временно в этом режиме отключаются все второстепенные потре­ бители: вентиляция, климатическая установка, камбуз и т. д. Мо­ жет вводиться в работу резервный генераторный агрегат. С учетом этих обстоятельств мощность электростанции в аварийном режи­ ме обычно не превышает мощности ходового режима.

При выборе количества и мощности генераторных агрегатов следует руководствоваться теми же соображениями, что и при таб­ личном методе.

§ 23. Подача электроэнергии на судно с берега

Электроэнергия, вырабатываемая на судне, по себестоимости значительно дороже электроэнергии, вырабатываемой мощными береговыми электростанциями. При стоянке в порту судно можно подключать к береговой энергосистеме и выводить из работы свои генераторные агрегаты. В этом случае сокращается продолжи­ тельность работы судовых агрегатов, а значит, экономится мото­ ресурс, уменьшается расход топлива и масла, устраняется шум в машинном отделении, освобождается часть вахты для ремонтных работ. Все это приобретает особую важность, если, учесть, что су­

судах нулевая точка обмоток генераторов от корпуса судна изо­ лирована. В этом случае при подключении судовой электростан­ ции к береговой сети необходимо корпус судна надежно заземлять, чтобы исключить электрокоррозию корпуса. Но тогда судовые приборы, контролирующие качество изоляции сети, будут указы-

107

вокруг обмотки якоря свое магнитное поле, которое взаимодейст­ вует с полем обмотки возбуждения, изменяя его. Такое явление называется реакцией якоря. Не рассматривая подробно физичес­ кую картину реакции якоря, можно сказать, что при изменении нагрузки на генератор изменяется результирующий магнитный по­ ток возбуждения за счет действия реакции якоря, что приводит к изменению э. д. с. и напряжения генератора. Это и есть вторая причина.

Третья причина так же очевидна, как и первая. При увеличе­ нии нагрузки на генератор увеличивается нагрузка и на его пер­ вичный двигатель, а следовательно, в той или иной степени (в за­ висимости от качества работы регулятора частоты вращения) из­ меняется частота вращения п, э. д. с. и напряжение генератора.

Ток возбуждения генератора определяется формулой

где гв — сопротивление обмотки возбуждения; гр — сопротивление регулировочного реостата.

Отсюда видно, что изменение напряжения вследствие первых трех причин вызывает изменение тока возбуждения, что влечет за собой еще большее изменение напряжения. В самом крайнем слу­ чае, например при коротком замыкании (КЗ) на зажимах якоря генератора, ток возбуждения будет равен нулю. Ток в цепи якоря будет протекать только за счет небольшой э. д. с., индуктирован­ ной потоком остаточного намагничивания железа полюсов. В этом заключается положительное качество генераторов постоянного то­ ка параллельного возбуждения, для которых короткое замыка­ ние не представляет опасности, поскольку ток КЗ почти не превы­ шает номинального тока.

109