книги из ГПНТБ / Михайлов В.С. Судовые электростанции и электродвижение судов учеб. пособие

т о р ы . Статор синхронного генератора имеет литую или сварную станину, в которой укреплен набранный из листов электротехни­ ческой стали толщиной 0,5 мм сердечник с трехфазной обмоткой, обычно соединенной в звезду без выведенной нулевой точки. Ротор

ных генераторов обычно являются дизели, а неявнополюсных — па­ ровые и газовые турбины.

Для питания общесудовых потребителей в настоящее время ис­ пользуются синхронные генераторы следующих серий, выпускае­ мые заводами «Электросила» им. С. М. Кирова и БЭМЗ (пос. Баранчинский):

ются с электромашинными возбудителями типа ВСМ, а генераторы серий МСС, МСК и ГМС имеют самовозбуждение, что позволяет уменьшить их осевые размеры и массу, увеличить надежность ра­ боты и, наконец, удобнее расположить генераторы на судне.

Синхронные генераторы серии MC имеют брызгозащищенное исполнение, при мощностях до 400 кВт выполняются с подшипни­ ками качения. Система охлаждения генераторов — радиальная, возбудителей — аксиальная, выполняемая по принципу самовенти­ ляции с разомкнутым циклом. Ротор имеет явновыраженные по­ люсы. Генератор с дизелем соединяются с помощью эластичной муфты и располагаются на общей фундаментной раме. Обмотки генератора имеют изоляцию класса В.

Генераторы серии MC имеют пониженную надежность из-за ма­ шинного возбудителя и поэтому на строящихся в настоящее время

вентиляцию по замкнутому циклу с охлаждением воздуха в водя­ ном воздухоохладителе, расположенном на корпусе генератора. Охлаждение с замкнутым циклом циркуляции воздуха предотвра­ щает попадание внутрь машины пыли, масла, топлива, что повы­ шает долговечность изоляции обмоток и надежность работы гене-

20

раторов. Это предупреждает также выброс горячего воздуха из машины в судовые помещения. Недостатком такой системы охлаж­ дения является удорожание установки.

В настоящее время разработаны и на строящихся судах при­ меняются синхронные генераторы серии ГМС. Генераторы имеют брызгозащищенное исполнение с самовентиляцией, с забором ох­ лаждающего воздуха выше осевой линии генератора со стороны, противоположной приводу. Генераторы работают на двух щитовых подшипниках качения. Корпус и щиты — стальные. Генератор со­ членяется с дизелем при помощи полужесткой муфты. Возбужде­ ние осуществляется от статической системы фазового компаунди­ рования с автоматическим регулированием напряжения и началь­ ным возбуждением от генератора начального возбуждения.

Допустимыми являются следующие перегрузки: 10% в течение 1 ч при cos ф = 0,8;

25% в течение 10 мин при cos ср = 0,7; 50% в течение 2 мин при cos ф = 0,б.

Основные технические данные генераторов серии ГМС приве­ дены в табл. 1.

Судовые генераторы рассматриваемых серий должны обеспе­ чивать не менее 10 000 ч нормальной работы.

§ 5. Выбор количества и мощности судовых генераторов

В зависимости от режима эксплуатации на судне работают раз­ личные механизмы и потребляют при этом различное количество электроэнергии, для производства которой на судовой электро­ станции (СЭС) устанавливается нужное количество генераторов определенной мощности. Требуемое количество и мощность гене-

21

раторов судовой электростанции можно определить несколькими методами, основными из которых являются табличный и анали­ тический.

Табличный метод выбора количества и мощности генераторов судовой электростанции. В основе этого метода лежит составление таблицы нагрузок на генераторы в различных режимах работы судна. Рассматриваются такие наиболее характерные режимы ра­

Под аварийным режимом понимают режим эксплуатации судна при пожаре или затоплении части отсеков судна.

Кроме того, для судов специального назначения в таблицу на­ грузок включаются и другие режимы, например: для промысло­

Во всех рассматриваемых режимах мощность судовой электро­ станции должна быть достаточной для питания работающих в дан­ ном режиме потребителей электроэнергии, которые на средних

икрупных судах разбиваются на следующие группы:

1)палубные механизмы;

2)механизмы машинно-котельного отделения;

3)механизмы систем и устройств;

4)радиосвязь и навигация;

5)бытовое электрооборудование;

6)судовое освещение;

7)прочие потребители.

Кроме того, по продолжительности работы механизма в рас­

судна с грузовыми операциями); к работающим периодически — компрессоры холодильных установок, установки искусственного климата; к работающим эпизодически — осушительный насос и другие аналогичные потребители.

Одни электрифицированные механизмы включаются для обес­

22

приведен подробный расчет только для группы палубных механиз­

ханизмов kM для работающих в данном режиме механизмов бе­ рутся из экспериментально-статистических данных для однотипных судов. На основании этих коэффициентов определяются следующие

режимов судна. Затем определяют мощность в каждом режиме по группам и категориям для всего режима с учетом общих коэффи­ циентов одновременности для потребителей первой koi и второй k02 категорий. Тогда максимально длительная нагрузка электро­

Коэффициент одновременности koi для постоянно работающих потребителей учитывает несовпадение максимумов потребления энергии во времени и принимается равным &оі = 0,8-М,0.

Коэффициент одновременности ko2 для периодически работаю­ щих потребителей учитывает неодновременность работы и несовпа­ дение максимумов нагрузок потребителей энергии во времени и принимается равным &O2 = 0,3-f-0,6.

23

ратора. В противном случае генераторы необходимо выбирать по

ПОЛНОЙ МОЩНОСТИ Smax дл.

Расчет и составление таблицы нагрузок на генераторы посто­ янного тока упрощается тем, что в этом случае отпадает необходи­ мость учета cos ф и полной мощности S кВ-А.

По результатам составленной таблицы нагрузок выбирают ко­ личество и мощность основных и резервных генераторов.

При выборе основных генераторов исходят из следующих тре­

2) число типоразмеров генераторов должно быть наименьшим. Резервный генератор выбирают с таким расчетом, чтобы его мощность могла обеспечить нормальную работу электроэнергетиче­ ской системы в ходовом и аварийном режимах судна при выходе из

строя основного генератора наибольшей мощности.

Из соображений равномерного распределения нагрузки, про­ стоты и удобства эксплуатации и ремонтов наиболее целесообраз­ ным является выбор однотипных генераторов. В этом случае каж­ дый из генераторов СЭС можно полагать резервным.

Мощность аварийной электростанции выбирается в соответствии с нагрузкой потребителей, работающих в аварийном режиме. К ним относятся: штурманское оборудование, радионавигация, аварийное освещение, сигнальные огни, прожектор, авральная и пожарная сигнализация, рулевой электропривод, пожарный насос.

Приведенный в приложении 1 расчет судовой электростанции показывает, насколько громоздким и сложным является составле­ ние таблицы нагрузок и определение расчетных коэффициентов.

Поэтому на первых стадиях проектирования для предваритель­ ного определения мощности и числа генераторов судовой электро­ станции применяется аналитический метод расчета СЭС, требую­

корреляционных (вероятностных) зависимостей мощности судовых генераторов от водоизмещения, мощности гребной установки и дру­ гих показателей. Этот метод расчета пригоден только для опреде-

24

ления мощности судовой электростанции в различных режимах работы наиболее распространенных типов судов — грузовых тепло­ ходов с дизельными энергетическими установками.

В основе расчета лежит определение мощности СЭС по режи­

насоса, являющегося наиболее мощным потребителем этой кате­ гории. Однако при высокой степени электрификации судна мощ­ ность бытовых потребителей Рб.п может значительно превышать Р п . Тогда берут

Д Р Х ~ Р б , „ = Рк -f- Рв + Р к л ,

где Р к , Р в и Ркл — расчетные мощности камбуза, электродвигателей бытовой вентиляции и установки искусственного климата соответ­ ственно.

Расчетная мощность потребителей камбуза Р к берется равной суммарной мощности электроплит:

п

Расчетная мощность электродвигателей бытовой вентиляции:

Л, = *с.В І ^ = (0,4-0,8) £ Р В , .

Коэффициент судовой вентиляции kc. в находится в функцио­ нальной зависимости от суммарной установленной мощности бы­ товой вентиляции, например:

kc. в = 0,75 при 2 Р в £ = 20 кВт; &с.в = 0,45 при 2 Р В , = 50 кВт.

Расчетная мощность установки искусственного климата:

пп

Ркл ~ ^с . кл 2 ^ к л і = ^,7 2 ^ к л j -

Стоянка без грузовых операций. Основными потребителями электроэнергии в режиме стоянки без грузовых операций являются освещение и бытовые приборы. Поэтому мощность электростанции (в киловаттах) зависит от размеров (водоизмещения) судна и чис­ ленности его команды и определяется по формуле

где D — водоизмещение судна, т.

25

Стоянка с грузовыми операциями. Расчетная мощность элек­ тростанции для режима стоянки с грузовыми операциями должна быть равной (в киловаттах)

станции в маневренном режиме принимается наиболее тяжелый ре­ жим, когда работа электродвигателей брашпиля и компрессора пускового воздуха совпадает с максимальной нагрузкой при ра­ ботающем главном двигателе. Расчетная формула в этом случаебудет иметь вид (в киловаттах)

счет работы пожарных насосов и водоотливных средств при ава­ рийном режиме мощность электростанции должна быть увеличена

Выбор числа и мощности генераторных агрегатов электростан­ ций следует производить на основании расчетных данных мощно­ стей для всех эксплуатационных режимов. Конкретный пример ана­ литического расчета СЭС приведен в приложении 4.

Однако аналитический метод часто дает заниженные результаты и поэтому может быть использован лишь на начальной стадии проектирования электроэнергетической системы для предваритель­ ного определения количества и мощности судовых генераторов.

В конце 50-х годов И. А. Рябинин и Р. П. Морар предложили метод статистического моделирования процесса потребления элек­ троэнергии по режимам с применением цифровых вычислительных машин. Данный метод математической статистики дает возмож­ ность получить суммарную нагрузку разнородных потребителей, не анализируя влияния отдельных факторов или групп факторов на величину нагрузки, а учитывая лишь их общее влияние. Этот ме­ тод в настоящее время пока еще не нашел широкого применения.

Таким образом, из изложенного видно, что, несмотря на имею­ щиеся недостатки, для определения состава судовой электростан­ ции на стадии технического проектирования в настоящее время применяется табличный метод.

26

ГЛАВА II

ПЕРВИЧНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ГЛАВНЫХ

ИВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ СУДОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

§6. Требования к судовым генераторным агрегатам

Выбрав количество и мощность генераторов судовой электро­ станции, приступают к выбору первичных двигателей генераторных агрегатов. Для обеспечения нормальной жизнедеятельности судна первичные двигатели, генераторы и потребители электроэнергии должны удовлетворять определенным требованиям Регистра Союза ССР. Так, частота тока, обеспечиваемая в основном угловой ско­ ростью приводных двигателей ( / = — ю | , для ГЭУ в основном ре-

\2п ]

жиме рекомендуется равной 50 Гц, а для вспомогательных генера­ торов— 50 и 400 Гц. В настоящее время частота 400 Гц имеет не­ значительное распространение.

Каждый генератор должен иметь автоматический регулятор возбуждения, обеспечивающий поддержание напряжения генера­

напряжения при coscp^:0,4 не должно превышать 1,5 с. Автоматические регуляторы напряжения генераторов должны

обеспечивать распределение реактивной нагрузки между парал­ лельно работающими синхронными генераторами пропорционально мощности каждого генератора с точностью ± 1 0 % номинальной мощности данного генератора при любой суммарной реактивной нагрузке генераторов в пределах от 20 до 100% номинальной.

Приводные двигатели генераторов следует выбирать с такими характеристиками, которые могут обеспечивать распределение ак­

номинальной мощности данного генератора при любой суммарной активной нагрузке генераторов в пределах от 20 до 100% номи­ нальной.

Регуляторы двигателей генераторов должны автоматически поддерживать постоянство угловой скорости при сбросе и набросе номинальной активной нагрузки таким образом, чтобы:

—мгновенное изменение угловой скорости генератора не пре­ вышало величины, соответствующей 10% номинальной;

—установившаяся угловая скорость генератора не отличалась более чем на 5% от номинальной.

27

Время достижения новой установившейся угловой скорости должно быть минимальным, но не превышать 15 с.

Для турбин кроме основного регулятора необходимо преду­ сматривать предельный регулятор угловой скорости, автоматически прекращающий подачу рабочего тела при увеличении угловой ско­ рости на 15% сверх номинальной.

Для приводных двигателей с возвратно-поступательным движе­ нием максимальная циклическая неравномерность хода при 20 и более импульсах в секунду не должна превышать V75 угловой скорости.

Основную роль при выполнении перечисленных требований иг­ рают соответствующие регуляторы. Однако свойства приводных двигателей генераторов также имеют важное значение для под­ держания заданных параметров работы генераторных агрегатов.

Вкачестве первичных двигателей главных генераторов на судах

внастоящее время используются паровые машины, дизели, паровые и газовые турбины.

Выбор первичных двигателей вспомогательных генераторов су­ довой электростанции в большинстве случаев определяется типом главной силовой установки. Если главным двигателем на судне яв­ ляется дизель, то первичными двигателями вспомогательных гене­ раторов выбираются также дизели. Если же в качестве главного двигателя применяется паровая машина или турбина, то и для вспомогательных генераторов также устанавливаются турбины. Это позволяет лучше использовать котельную установку. Однако для обеспечения электроэнергией судна на стоянках с выведенными из действия котлами необходимо иметь еще соответствующее количе­ ство дизель-генераторов.

Чтобы повысить экономичность работы судовой энергетической системы, на судах с дизелями в качестве главного двигателя часто устанавливается утилизационный котел, использующий тепло

снабжая электроэнергией судовые потребители в ходовом режиме. Вспомогательные генераторы, кроме того, могут приводиться

двигателей вспомогательных генераторов объясняется тем, что на полном и среднем ходу судна на валу главного двигателя обычно имеется резерв мощности, составляющий 10—15% номинальной мощности главного двигателя. Этой мощности во многих случаях бывает достаточно для питания общесудовых потребителей в хо­ довом режиме.

Валогенераторы приводятся от вала главного двигателя на ходу судна посредством зубчатой, ременной или текстропной передачи. При этом достигается повышение к. п. д. установки и других экс­ плуатационных показателей. Однако использование валогенераторов возможно лишь в ходовом режиме судна. При переходе на

28

маневренный режим общесудовые потребители переключаются на другие источники питания.

В настоящее время используются валогенераторы как постоян­ ного, так и переменного тока. Валогенераторные установки пере­ менного тока являются более сложными ввиду сложности поддер­ жания частоты при колебаниях угловой скорости вала главного двигателя в ходовом режиме судна.

Существуют валогенераторные установки с переменной и по­ стоянной частотой. В установках переменной частоты с валом глав­ ного двигателя кинематически соединен синхронный генератор, не­ изменным возбуждением которого добиваются постоянства отно-

Рис. 3. Схема валогенераторной установки постоянной частоты.

шения — = const, что необходимо для обеспечения нормального

теплового режима работы большинства асинхронных двигателей на судне. Потребители, требующие строгого постоянства частоты тока питающей сети, должны подключаться к другим источникам пи­ тания.

Одна из валогенераторных установок постоянной частоты (рис. 3) работает так. Несмотря на колебания угловой скорости

вается постоянство угловой скорости агрегата электродвигатель — синхронный генератор ЭД — СГ и частоты тока, выдаваемого син­ хронным «генератором на шины ГРЩ. При снижении угловой ско­ рости гребного вала ниже допустимой происходит отключение при­ водного двигателя ЭД от валогенератора ВГ и автоматический запуск дизеля ВсД, который через электромагнитную муфту соеди­ няется с синхронным генератором СГ.

§ 7. Первичные двигатели судовых генераторов

Коротко рассмотрим особенности работы дизелей, паровых и га­ зовых турбин, используемых в качестве первичных (приводных) двигателей судовых генераторов.

29