книги из ГПНТБ / Никифоровский Н.Н. Судовые электрические станции учеб. пособие

Г Л А В А 1

Основные характеристики судовых электрических станций

§ 1.1. ТИПЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ

Электрические станции представляют собой фабрики, преобразую­ щие различные виды энергии в электрическую.

По виду преобразуемой энергии электрические станции подразделя­ ют на тепловые и атомные. В настоящее время на судах получили рас­ пространение тепловые электрические станции, однако в будущем най­ дут распространение и атомные электростанции, начало которым поло­ жено станциями атомоходов «Ленин», «Арктика» и др.

На тепловых судовых электрических станциях преобразуют хими­ ческую энергию топлива (нефть, уголь и др.) в электрическую. В ка­ честве первичных двигателей на станциях распространены дизели и паровые турбины. На атомных электростанциях преобразуют энер­ гию атомного ядра в электрическую. В качестве первичных двига­ телей на станциях следует ожидать распространения паровых турбин.

Отсутствие бункеров с топливом, необходимым для тепловых стан­ ций, и ничтожный вес ядерного топлива создают особые преимущества для судовых установок, использующих энергию атомного ядра.

По роду тока электрические станции подразделяют на станции по­ стоянного и станции переменного тока. Теплоходы и турбоходы сов­ ременной постройки, как правило, электрифицируют на переменном токе.

По назначению электрические станции на судах можно подразде­ лить на электрические станции судовых электроэнергетических сис­ тем (СЭС), станции гребных электрических установок (ГЭУ) и аварий­ ные электрические станции (АЭС).

Электрические станции СЭС обеспечивают энергией электри­ ческие приводы механизмов главной энергетический установки судна, палубных механизмов, многочисленных насосов и вентиляторов обслу­ живающих экипаж судна; снабжают питанием средства судовожде­ ния, освещение и оборудование камбуза.

В качестве первичных двигателей на станциях СЭС распространены дизели и паровые турбины.

Дизели в настоящее время являются наиболее экономичными дви­ гателями. Кроме того, они всегда готовы к пуску и приему нагрузки. Моторесурс (срок службы до капитального ремонта) наиболее распро­ страненных судовых дизелей с частотой вращения 500—750 обімин

7

поднят до 30 000—40 000 ч (до первой переборки 3000—4000 ч). По данным исследования ЦНИИМФа, среднегодовое время работы ди­ зель-генераторов на судах составляет 2000—4500 ч в год, следо­ вательно, календарный срок службы до капитального ремонта дизе­ лей составляет 8,5—41 лет. Таким образом, современные судовые ди­ зели имеют хорошие технико-экономические характеристики.

Дизели в качестве первичных двигателей генераторов СЭС полу­ чили подавляющее распространение на теплоходах морского флота. Их устанавливают также со стояночными генераторами на паротурбоходах. Свыше 80% судов отечественного флота оборудовано дизель­ ными силовыми установками. На 95—97% судов отечественной построй­ ки 1971—1975 гг. также устанавливаются дизели.

На судах с главными машинами в виде паровых турбин в качестве первичных двигателей генераторов СЭС применяют преимущественно паровые турбины.

Паровые турбины быстроходны (10 000 об!мин и более), надежны, имеют большой срок службы и большие межремонтные сроки. Парал­ лельная работа турбогенераторов весьма устойчива, так как крутящий момент у паровых турбин постоянен.

Недостаток паровых турбин — в относительно невысоком к. п. д., наличии редуктора для понижения частоты вращения спаренного с генератором вала и в необходимости прогрева турбины перед пуском.

Судов с патротурбинными силовыми установками относительно мало. Так, использование турбин ожидается только на 3—5% оте­ чественных судов постройки 1971 — 1975 гг.

Некоторое распространение на судах как отечественной (танкеры типа «Великий Октябрь», сухогрузные суда типа «Капитан Кушнаренко» и др.), так и зарубежной постройки (танкеры типа «Ленинакан», «Леонардо да Винчи» и другие) имеют утилизационные турбогенера­ торы (УТГ), работающие на паре утилизационных котлов, использую­ щих тепловую энергию отработавших газов судовых дизельных уста­ новок (рис. 1.1, а). Мощность, развиваемая УТГ, отнесенная к мощ­ ности главного двигателя, может составлять 0,02—0,04 квтіл. с. Это позволит на судах с мощными двигателями устанавливать УТГ мощностью 200—500 кет и более, что нередко достаточно для полного обеспечения судна электрической энергией в ходовом режиме.

В связи с тем что эффективность использования .тепловых потерь повышается с увеличением мощности двигателя, УТГ экономичны на крупных судах с мощностью дизеля примерно 9000 э. л. с. и более.

Ценная особенность УТГ в том, что он, используя тепловую инер­ цию контура преобразования энергии выхлопных газов, может рабо­ тать с неизменной мощностью 4—7 мин после полной внезапной оста­ новки двигателя судна, а это позволяет запустить судовой дизель-ге­ нератор, перевести на него нагрузку и обеспечить, таким образом, не­ прерывное электроснабжение судовых потребителей. Следует ожидать расширения применения УТГ.

Паровые машины на современных судах в качестве первичных дви­ гателей генераторов не устанавливаются, так как они громоздки, тяжелы и имеют очень низкий к. п. д.

8

В качестве первичных двигателей генераторов во время хода судна иногда используются главные двигатели. Генераторы, мощность к ко­ торым подводится от главного двигателя или гребного вала, называ­ ются валогенераторами.

Использование главного двигателя для вращения генератора СЭС имеет тенденцию к расширению, так как отбор мощности от двигателя уменьшает трудозатраты на эксплуатацию установки и управление ею в условиях хода судна; снижает эксплуатационные расходы в связи с

энергии:

тем, что главные двигатели нередко работают на более дешевом тяжелом топливе и к. п. д. их выше, чем к. п. д. относительно небольших первич­ ных двигателей.

К существенной особенности валогенераторов следует отнести за­ висимость частоты изменения генерируемого ими напряжения от обо­ ротов главного двигателя. Для стабилизации частоты, что необходимо для нормальной работы судовых потребителей, чаще всего используют­ ся двухмашинные (генератор — двигатель) передачи от вала к син­ хронному генератору, гидродинамические или электромагнитные упру­ гие муфты (рис. 1.1, б), статические преобразователи частоты.

Для уменьшения изменения частоты при набросе и сбросе нагрузки и одновременном изменении частоты вращения главного вала двигате­ ля валогенераторы снабжаются эффективными системами автомати­ ческого управления [41, № 6, 1971].

Для обеспечения нужд судна в режимах стоянки, а также при не­ большой частоте вращения или обратном направлении вращения греб­ ного вала (задний ход) на судах валогенераторы устанавливают с ав­ тономными источниками электроэнергии (дизели или турбогенера­ торы, аккумуляторные батареи и др.).

Судовая электроэнергетическая система с валогенераторами долж­ на иметь такой автономный резерв, который при внезапной остановке главного двигателя в режиме хода, что возможно в аварийной ситуации, не лишал бы судно средств управления и маневра.

9

Для некоторых типов судов перспективно применение УТГ совмест­ но с валогенераторами (рис. 1.1, в) [43, № 3, 1968].

Электрические станции ГЭУ обеспечивают питание двигателей греб­ ных валов электроходов. Иногда на электроходах предусматривают от­ бор мощности судна для питания СЭС (рис. 1.2). Первичные двигатели станций ГЭУ — дизели и паровые турбины.

Аварийные электрические станции (АЭС) обеспечивают питание жизненно важной части приемников на судне в случае выхода из строя станции СЭС. Их устанавливают на каждом судне, кроме небольших грузовых судов валовой вместимостью 300 рег. т и менее [30, 2.14, 1.1]. В качестве аварийных источников электрической энер­ гии могут применяться дизель-генераторы или аккумуляторные батареи (30, 2.14, 1.2].

Согласно требованиям Регистра СССР

на пассажирских судах и на промысловых базах аварийные дизель-генераторы при исчезновении напряжения в СЭС должны запускаться автоматически. На судах дру­ гих типов [30, 2.14, 1.4] также реко­ мендуется автоматический запуск агре­ гатов.

Мощность аварийного источника элек­ троэнергии должна быть достаточной для запуска и питания всего электрооборудо­ вания, работа которого необходима во вре­ мя аварии [30, 2.14, 3.1].

По способу управления электрические станции на судах и судовые механические установки подразделяют на три группы, отличающиеся степенью автоматизации:

станции с постоянной вахтой в машин­ ных помещениях, нуждающиеся в непре­ рывном обслуживании, наблюдении и ручном управлении с глав­

ного распределительного щита (ГРЩ); станции без постоянной вахты в машинном отделении, но с постоян­

ной вахтой одного оператора в помещении центрального поста управ­ ления и контроля (ЦПУ); нуждающиеся в периодическом обслужива­ нии; контролируемые в ЦПУ, где сосредоточены органы автоматизиро­ ванного или дистанционного управления главными механизмами, ди­ зель-генераторами, турбогенераторами, включая их автоматическую синхронизацию и распределение нагрузок. В ЦПУ сосредоточены сред­ ства индикации контролируемых параметров механизмов, устройств и систем (включая контролируемые параметры генераторов и их пер­ вичных двигателей), а также устройства сигнализации о режимах работы, о срабатывании защит. Рассматриваемый объем автоматизации механического и электромеханического оборудования судна соответ­ ствует знаку автоматизации А2, добавляемому к символу судна [30, ч. I, 2.2.7.1; ч. VII, 6.1, 6.2];

10

станции и механические установки, эксплуатирующиеся без по­ стоянной вахты, в машинном помещении и в центральном посту управ­ ления и контроля (знак автоматизации А1).

Отечественный флот уже имеет суда, автоматизированные на знак А1 («Котовский», «Новомиргород» и др.). Значительное число судов имеет знак автоматизации А2 («Новгород», «Владимир Ильич» и др.).

§ 1.2. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Электроэнергетической системой называют единый комплекс из электрических станций, подстанций и приемников электрической энергии, связанных между собой линиями передачи. Этот единый ком­ плекс объединен общим процессом выработки, распределения и потреб­ ления электрической энергии.

Несколько уже понятие об электрической системе, под которой по­ нимают только электрическую часть электроэнергетической системы, состоящую из генераторов, распределительных устройств, подстанций, приемников и связывающих их линии передач.

На рис. 1.2 приведена одна из возможных схем судовой электро­ энергетической системы. В этой схеме электрическая станция С1 при напряжении 6 кв обеспечивает электродвижение судна и питает судовую электрическую систему. Электрическая станция С2 питает ту же сис­ тему в режимах стоянки судна, когда станция С1 не работает. Отбор мощности от станции Сі для питания электрической системы судна при напряжении 380 в обеспечивается через понижающую подстанцию П1. Трансформаторы подстанции П2 понижают напряжение с 380 до 220 в для питания светильников, нагревательных приборов в каютах и кам­ бузе судна.

Преобразовательная установка ПЗ обеспечивает судно постоянным током, например для питания ряда палубных механизмов.

Распределительные пункты Р1 и Р2 (распределительные щиты) располагают ближе к потребителям энергии. Снабжение многочислен­ ных потребителей через распределительные щиты существенно умень­ шает число линий, отходящих от главного распределительного щита (ГРЩ), упрощает и удешевляет установку.

К СЭС предъявляется ряд требований (гл. 9), среди которых глав­ ное — бесперебойное электроснабжение потребителей на судне и обес­ печение живучести судна в любом режиме его работы.

§ 1.3. ГРАФИКИ НАГРУЗОК

Электрическая нагрузка на каждое звено системы (потребители, линии передач, подстанции и станции), как правило, непрерывно ме­ няется. Представление о характере изменения нагрузки любого звена дают графики нагрузки, т. е. диаграммы, характеризующие изменения нагрузки по времени. Графики активных и реактивных нагрузок характеризуют изменение соответственно активных и реактивных на­ грузок по времени.

Графики, характеризующие изменение нагрузки, могут быть суточ­ ными, рейсовыми и годовыми.

11

Если графики дают представление об изменении нагрузки на вводах

дой из которых характерен свой суточный или рейсовый график. Пред­ ставляют практический интерес графики, характеризующие нагрузку источников электрической энергии (генераторов станций), подстанций и т. д.

Наряду с суточными и рейсовыми графиками нагрузки практиче­ ский интерес представляют и годовые графики, из которых наиболее важен годовой график нагрузок по продолжительности, характери­ зующей продолжительность работы установки в течение года с различ­ ными нагрузками, которые на графике располагают в порядке их по­ степенного убывания (см. рис. 1.7).

Годовой график нагрузок по продолжительности позволяет найти величины (коэффициенты), характеризующие работу установки (сред­ негодовая нагрузка, продолжительность использования максимальной нагрузки и др.).

§ 1.4. ПРИЕМНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА СУДАХ И ХАРАКТЕР ИХ НАГРУЗКИ

На современных судах морского флота приемники электрической энергии многочисленны и разнообразны. Так, на теплоходах значитель­ ное число приемников обеспечивает нормальную работу главных дви­ гателей судна; сюда относятся охлаждающие насосы забортной и прес­ ной воды, масляные насосы, сепараторы топлива и масла, топливные насосы, компрессоры и др. (рис. 1.3).

Брашпиль, шпиль, рулевое устройство, грузовые устройства вхо­ дят в число так называемых палубных механизмов судна. Каждый из этих'приемников работает в специфическом режиме.

Разнообразные приемники обслуживают бытовые нужды экипажа судна, улучшают условия обитаемости: различного рода светильники, электродвигатели систем гидрофоров, каютные вентиляторы, рефри­ жераторы провизионных камер, камбузы (плиты, печи, мясорубки, картофелечистки и др.), грелки отопления, установки для кондицио­ нирования воздуха и др.

Некоторую нагрузку на электростанцию судна создают и такие потребители энергии, как электронавигационные приборы, радиостан­ ция судна, сигнальные и отличительные огни и т. д.

Нагрузка на электрическую станцию судна определяется номиналь­ ной мощностью приемников электрической энергии на судне, но вместе с тем она существенно зависит от числа фактически работающих прием­ ников, режима их работы и степени загрузки.

Режим работы большей части потребителей определяется режимом работы^судна. Для грузовых судов характерны: ходовой режим, манев­ ренный режим, стоянка с грузовыми операциями, стоянка без грузо-

12

вых операций, и обязательно нужно считаться с аварийным режимом (пожар, пробоина в корпусе и др.).

Очевидно, что в ходовом режиме судна работают все потребители, обеспечивающие главную энергетическую установку судна, и включены в работу потребители, удовлетворяющие бытовые нужды экипажа,

Рис. 1.3. Вспомогательные устройства, обслуживающие главную энергетическую и дизель-электрическую установки теплохода типа «Игаркалес»:

(стрелками показан режим сепарации масла из картеров двигателей); 5 и 9 — насосы охлаж­

механизмы

а также мастерская, радиостанция, электронавигационные приборы и т. д. Ходовой режим — основной режим судна.

Вманевренном режиме работают все потребители ходового режи­ ма и, кроме того, могут потреблять энергию палубные механизмы — брашпиль и шпиль, а также компрессор пускового воздуха.

Врежиме стоянки судна без погрузочных операций включены при­ емники, удовлетворяющие нужды экипажа, обеспечивающие работу первичных двигателей генераторов; могут включаться валоповоротное устройство и малый пожарный насос; работает мастерская. На судах

спаровыми установками возможна работа потребителей, поддерживаю­ щих котлы под парами.

13

их k3 — 1, но если установленная мощность двигателя к механизму больше фак­ тически необходимой, что часто бывает, то коэффициент k3 < 1; он подсчитывает­ ся как отношение необходимой мощности к установленной. Коэффициент одно­ временности работы механизмов выбирают с учетом числа работающих в данном режиме котлов, главных машин, резервных установок и т. д.

40—50% наблюдается в режиме грузовых операций в ночное время.

Рис. 1.4. График нагрузки грузовой 2-тонной лебедки (скорость ленты самопишу­ щего прибора 1800 /ш/ч; цена деления 1,85 кет)

В текущей работе судовой мастерской загрузка одновременно всех стан­

деляют суммарную нагрузку на генераторы судовой электрической станции, пользуясь, например, нагрузочными таблицами.

§ 1.5. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ ЭМПИРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ НАГРУЗОЧНЫХ ТАБЛИЦ

Мощность судовой электрической станции можно рассчитывать

несколькими методами, в том числе эмпирическим методом нагрузочных таблиц.

Метод таблиц широко распространен, так как он сравнительно прост, нагляден и универсален. Рассмотрим его на примере применения

нагрузочной таблицы для расчета мощности станции переменного тока

(табл. 1.1).

15

Т а б л и ц а 1.1

Электрические нагрузки на генераторы станции переменного тока (заключительная часть общей таблицы нагрузок)

Всоответствии с требованиями метода в графу 1 заносят всех по­ требителей электрической энергии, предварительно разбив их на одно­ родные группы, что сокращает размеры таблицы и делает ее болеё на­ глядной. В состав каждой группы входят потребители одного назначе­ ния и одинаковой мощности, например приводы: грузовых лебедок равной грузоподъемности, вентиляторов машинного отделения, насо­ сов забортной охлаждающей воды и т. д. Однородную группу образуют грелки электрического отопления, освещение, электрические плиты камбуза и др.

Вграфе 2 таблицы указывается число приемников п, объединенных

воднородную группу, включая резерв.

16