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

лей судна. В результате анализа предложена формула регрессии мощ­ ности нагрузки на станцию Р по N — мощности главных двигателей, прогнозирующая нагрузку с минимальной средней квадратической ошибкой. Так, например, ожидаемые минимальная Р хл_мин и макси­ мальная Р хл. макс нагрузки летом в кет для грузовых теплоходов:

Рхл. макс = 341 кет.

В режиме стоянки судна без грузовых операций график нагрузки стан­ ции довольно стабилен, а величина нагрузки, по данным проведенных испытаний, прямо связана с водоизмещением (дедвейтом) судна D (для судов с D < 30 000 т).

Предложенные формулы прогноза нагрузки летом имеют вид:

Рст. мин = 43 + 0,003D + РРб,

Рст. макс = 104 + 0,00660.

Для теплохода «Новгород» (0 = 12 500 т) в режиме стоянки летом в тропиках по расчету имеем Ост. мин = 168 квт\ Рст. мако = 186 кет.

В режиме стоянки судна с грузовыми операциями график нагрузки станции имеет резко выраженный пикообразный характер. Нагрузка на станцию колеблется в значительных пределах, изменяясь от на­ грузки, обычной для станции в режиме стоянки судна без погрузки, до некоторой периодически повторяющейся максимальной величины, за­ висящей от грузоподъемности лебедок (кранов), рода груза, интенсив­ ности операций и количества лебедок (кранов), находящихся в работе.

Экспериментальное исследование режимов работы судовых грузо­ вых лебедок и изучение закономерностей взаимного наложения графи­ ков нагрузки отдельных лебедок, выполненное на основе применения теории вероятностей и математической статистики [44, № 3, 1964], при-

27

водит к выводу, что для обеспечения работы судовых лебедок необхо­ дима мощность

Рис. 1.6. График нагрузки электростанции теплохода «Керчь» при маневрах

Для обеспечения режима стоянки судна с грузовыми операциями следует к мощности станции, необходимой в режиме стоянки без по­ грузки, добавить мощность, обеспечивающую работу лебедок.

Для теплохода «Новгород» п = 5, Сн = 5 т , Ѵн = 29,4 м/мин,

итогда РГ' п = 82 квпг.

Вманевренном режиме (вход в порт и выход судна из порта, пере­ швартовка и т. д.) график нагрузки имеет нерегулярный характер (рис. 1.6), поскольку он зависит от особенностей выполняемого манев­ ра, а маневры могут быть различными. Однако оказывается, что мак­ симальная величина нагрузки на станцию стабильна для каждого суд­ на и, по данным ЦНИИМФа, необходимая мощность в маневренном ре­ жиме обеспечивается, чаще всего с большим запасом, работой ходовых

ирезервного генераторов. Причем резервный генератор обычно при-

28

нято подключать на время маневров для того, чтобы обеспечить макси­ мальную безопасность. Так что нет большой необходимости рассчиты­ вать мощность для этого режима, тем более, что маневренный период не превышает 1% годичного времени, и поэтому ориентировать по нему число и мощность генераторов не следует.

В тех случаях, когда расчет мощности необходимо выполнить и для этого режима, например, необходимо найти мощность для маневрен­ ного режима летом, то можно воспользоваться формулой

Ваварийном режиме судовая электрическая станция обеспечивает ход судна и интенсивную работу водоотливных средств и средств туше­ ния пожара. Дополнительная потребность в электроэнергии в этом ре­ жиме может быть покрыта за счет имеющейся резервной мощности ге­ нераторов, а также путем временного отключения потребителей, в нор­ мальных условиях обеспечивающих нужды экипажа, и других вто­ ростепенных, установок.

Особенно полезен рассматриваемый метод на начальных стадиях проектирования электрической системы судна, пока не определены со­ став потребителей и их мощность.

Метод открывает возможность прогнозировать мощность станций на судах перспективной постройки. Вместе с тем следует заметить, что метод во многом привязан к составу потребителей исследованных су­ дов. Рекомендации по учету дополнительных потребителей лишены пока серьезной научной основы.

Экспериментальный материал, собранный ЦНИИ, и выводы, вы­ текающие из обработки материала, интересны, полезны и должны быть учитываемы при проектировании судовой станции, каким бы методом расчета ни пользовались.

Взаключение рассмотрения нескольких методов расчета мощности станции следует подчеркнуть, что каждый из методов имеет свои до­ стоинства и недостатки. Вероятностно-статистические методы отвечают случайной природе нагрузок на станцию — в этом их принципиальное преимущество перед эмпирическим методом нагрузочных таблиц.

§1.7. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ЧИСЛА И МОЩНОСТИ ГЕНЕРАТОРОВ

Правильный выбор числа и мощности генераторов СЭС имеет важное значение, так как предопределяет экономичность работы станции, ско­ рость расхода общего моторесурса агрегатов СЭС, объем и вес установ­ ки, схему и конструкцию ГРЩ, схему распределения электроэнергии, объем и характер средств автоматизации, объем профилактических и ре­ монтных работ, трудозатраты на их выполнение и техническое обслужи­ вание (ремонт судна на ходу силами экипажа или на стоянке силами бе­ реговых ремонтных бригад и др.).

При выборе числа и мощности генераторов СЭС руководствуются следующими технико-экономическими соображениями.

29

1. Мощность выбираемых Генераторов и их число должны обеспе­ чивать наименьшую среднегодовую себестоимость электроэнергии, вы­ рабатываемой станцией [16].

Эксплуатационные расходы К на выработку электроэнергии за один час при нагрузке Р кет складываются из расходов а, не зависящих от нагрузки на генераторы (затраты на амортизацию основных фондов —■ первичных двигателей, генераторов и др.), и расходов Ь, зависящих от нагрузки на генераторы (затраты на топливо, смазочные материалы и пр.), причем Ьм kP, где А: — коэффициент, определяемый из нагрузоч­ ной характеристики агрегата.

Таким образом,

К = а + kP .

Тогда себестоимость киловатт-часа s выработанной судовыми агре­ гатами электроэнергии определится как

Из (1.2) следует, что чем больше Р, т. е. чем больше нагрузка на ге­ нераторы, тем меньше s. Следовательно, генераторы нужно выбирать так, чтобы в каждом из режимов судна работающие генераторы загру­ жались возможно полнее. Особенно внимательно следует отнестись к загрузке генераторов в ходовом режиме и режиме стоянки без грузо­ вых операций средствами судна, на которые приходится соответствен­ но около 50 и 40% эксплуатационного времени для сухогрузных и 80

и15% для наливных судов.

Вшироко автоматизированных установках обеспечить достаточно

полную загрузку генераторов и, следовательно, их экономичную ра­ боту, а вместе с тем избежать неоправданно частых автоматических из­ менений числа работающих генераторов и, следовательно, неоправдан­ ного расхода моторесурса можно только за счет разумного сочетания числа и мощности работающих генераторов с числом и мощностью под­ ключенных приемников. Для этой цели должно быть предусмотрено

в очередь с приоритетом на повторное включение, исходя из технологи­ ческой значимости приемника.

2. При выборе мощности генераторов следует исходить из расчетной мощности нагрузки на станцию Р, полученной при помощи нагрузоч­ ных таблиц или аналитически, и выбрать по справочным данным пг генераторов равной мощности Рѵ Ном так>чтобы учитывались требова­ ния п. 1 и удовлетворялось наравенство

Р ^ 0,8ПГРг ном>

где 0,8 — коэффициент, предусматривающий запас мощности в связи с возможной неравномерностью распределения нагрузок между па­ раллельно работающими генераторами и запас на расширение элект­ рификации судна в процессе его эксплуатации.

3. При выборе числа генераторов следует предусматривать такой резервный агрегат, мощность которого позволила бы заменить при вы-

30

ходе из строя любой из генераторов станции, обеспечивая наиболее на­ пряженные—ходовой или аварийный режимы. Суммарной мощности оставшихся источников должно хватать для запуска самого мощного электрического двигателя с наибольшим пусковым током.

Наблюдающееся в последнее время стремление устанавливать на теплоходах три агрегата одинаковой мощности, из которых любой один может обеспечивать ходовой режим (суда типа «Новгород» и др.), тех­ нически весьма перспективно, так как позволяет, согласно требованиям Правил Регистра СССР, второй агрегат держать в резерве, а третий аг­ регат ремонтировать или осматривать на ходу судна, что полностью со­ гласуется с современными требованиями по максимальному продле­ нию эксплуатационного периода работы судна. Кроме того, комплекта­ ция станции, обеспечивающая ходовой режим одним из трех генерато­ ров, сокращает среднегодовое время работы каждого агрегата и, сле­ довательно, годовой расход суммарного моторесурса станции, что уве­ личивает календарные сроки проведения профилактических осмотров и ремонтов, уменьшает годовые трудозатраты на эти работы.'

При большей мощности устанавливаемых агрегатов увеличиваются первоначальные затраты на электростанцию, однако, по данным ЦНИИМФа, первоначальные затраты для разных вариантов комплек­ тации не превышают 11—13% совокупных затрат на СЗС и поэтому не могут иметь решающего значения при выборе варианта комплектации.

На грузовых теплоходах современных типов чаще всего устанавли­ вается три генераторных агрегата, из которых один или два резервные.

На судах с паротурбинными установками преобладают станции с двумя турбоагрегатами одинаковой мощности, один из которых ре­ зервный, и одним стояночным дизель-генератором.

По данным ЛЦПКБ, комплектация СЭС четырьмя-пятью агрегата­ ми оправдана только для судов со специфическим режимом работы (рефрижераторы, ледоколы, крупные пассажирские суда и др.), так как при большом числе агрегатов увеличивается объем профилакти­ ческих и ремонтных работ, выполняемых силами экипажа судна, ус­ ложняются схема и конструкция ГРЩ.

4. При выборе числа и мощности генераторов надо стремиться к установке агрегатов, равных по мощности и одинаковых по конструк­ ции, что облегчает эксплуатацию станции, позволяет выравнять расход моторесурсов каждым агрегатом, унифицирует потребность в запасных частях и повышает устойчивость параллельной работы генераторов.

5.Для уменьшения себестоимости вырабатываемой электроэнергии

исущественного улучшения работы дизелей, для которых длительная работа с малыми нагрузками вредна, следует устанавливать стояноч­ ные дизель-генераторы.

На теплоходах современных серий дедвейтом до 12 500т, по данным ЛВИМУ, средняя нагрузка на станцию при стоянках в портах СССР

без грузовых операций не превосходит 100—150 кет. Если на судне мощность каждого из устанавливаемых рабочих генераторов 250— 500 кет или более, то достаточно загрузить генераторы на стоянке не­ возможно. В связи с этим на судах иногда устанавливают стояночные генераторы небольшой мощности, однако достаточной для пуска мощ-

31

ных потребителей, необходимых при перешвартовке судна, для приема снабжения с берега и др.

Электроснабжение судов с берега в режиме стоянки, широко прак­ тикуемое в последнее время в портах СССР, во многих случаях позво­ ляет отказаться от установки стояночного генератора.

6. Для сопоставления различных вариантов комплектации стан­ ции удобно воспользоваться графиком годовых эксплуатационных рас­

ко варианты установки на судне разного количества генераторов, но и варианты установки различных источников электроэнергии, в част­ ности необходимо рассмотреть экономическую эффективность уста­ новки валогенераторов и утилизационных турбогенераторов для элек­ троснабжения потребителей в ходовом режиме.

В заключение обратим внимание на то, что генераторы переменного тока выбирают по активной мощности Р\ однако если средневзвешен­ ный коэффициент мощности нагрузки оказывается ниже номинального коэффициента мощности выбираемого генератора, то выбор генерато­ ров производят по полной мощности нагрузки S.

§ 1.8. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ НА СУДАХ

К генераторным агрегатам, устанавливаемым на судах морского флота, Правилами Регистра СССР предъявляется ряд требований. Элек­ трические генераторы должны применяться с влагостойкой и масло-

32

стойкой изоляцией в исполнениях с разомкнутым циклом вентиляции.

Вряде случаев применяются машины с замкнутым циклом вентиляции

своздухоохладителями. Генераторы, устанавливаемые в машинных от­ делениях, рассчитаны, при неограниченных районах плавания судна, на температуру окружающей среды от +45 до —10° С и на температуру за­ бортной воды +30° С.

Генераторы переменного тока. Каждый генератор должен иметь от­

дельную, независимую систему для автоматического регулирования напряжения. Агрегаты переменного тока должны иметь системы регу­ лирования напряжения, подобранные к регулировочным характеристи­ кам приводных двигателей таким образом, чтобы при изменениях на­ грузки от холостого хода до номинальной, при номинальном коэффи­ циенте мощности, поддерживалось номинальное напряжение с точ­ ностью до +2,5% (аварийные генераторы до ±3,5%).

Для основных генераторов допускается поддержание постоянства напряжения в пределах +3,5% номинального при коэффициенте мощ­ ности от 0,6 до 0,9, исключая номинальный. Рекомендуется однако, чтобы регулирование напряжения генератора и в этом случае под­ держивалось в пределах + 2,5% номинального. Указанное требование относится к случаю работы агрегата при номинальной скорости вра­ щения и номинальной нагрузке.

Генераторы переменного тока должны обладать достаточным резер­ вом возбуждения для поддержания в течение 2 мин номинального на­ пряжения с точностью 10% при перегрузке генератора током, равным 150% номинального, и коэффициенте мощности, равном 0,6.

Внезапное изменение симметричной нагрузки генератора, работаю­ щего при номинальной частоте вращения и номинальном напряжении при имеющихся токе и коэффициенте мощности, не должно вызывать снижения номинального напряжения ниже 85% и повышения выше 120%. После этого напряжение генератора должно не более 1,5 сек вос­ станавливаться в пределах ± 3% номинального напряжения. Для аварийных агрегатов эти значения могут быть увеличены по времени до 5 сек и по напряжению до + 4% номинального.

На судах старой постройки применяются генераторы переменного тока с машинными возбудителями и автоматическими регуляторами на­ пряжения.

Последние годы на судах применяются синхронные генераторы с са­ мовозбуждением и прямым компаундированием, значительно более на­ дежные, удобные в эксплуатации, имеющие высокое быстродействие

впереходных режимах, связанных с внезапным изменением нагрузки

икороткими замыканиями.

Для судовых электроэнергетических установок отечественная про­ мышленность выпускает синхронные генераторы серий MC с машинны­ ми возбудителями, а также генераторы с самовозбуждением и прямым компаундированием серий МСК и МСС. Генераторы МСКи МСС имеют меньшие веса и габариты на единицу мощности при одинаковых ско­ ростях вращения по сравнению с генераторами MC; большее быстро­ действие благодаря применению систем самовозбуждения и прямого компаундирования, высокую надежность и простоту обслуживания.

Охлаждение этих машин выполнено по замкнутому циклу с воздухо­ охладителем. Основные технические данные судовых синхронных ге­ нераторов приведены в приложении (табл. 8,9).

Генераторы постоянного тока. На судах применяются генераторы постоянного тока со смешанным, компаундным возбуждением в целях обеспечения постоянства напряжения. Генераторы с параллельным и независимым возбуждением применяются только с автоматическими регуляторами напряжения и при зарядке аккумуляторных батарей.

В настоящее время на судах находят применение генераторы се­ рии П мощностью до 190 кет при 1450—2850 об!мин. Машины первого— третьего габаритов этой серии имеют изоляцию класса А, для их обмо­ ток применены эмалированные провода. Машины выше третьего габарита имеют теплостойкую стеклослюдяную изоляцию классов

В и ВС.

Номинальное напряжение генераторов 115 и 230 в. Для зарядки аккумуляторных батарей и для других целей в серии П предус­ мотрено исполнение генераторов с регулированием в пределах 110—160

и223—320 б. Номинальные напряжения таких генераторов 135 и 270 б.

Впределах от номинального до максимального напряжения мощ­ ность генераторов сохраняется постоянной.

§1.9. ПАРАМЕТРЫ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Род тока

В начале развития судовой электроэнергетики на судах применялся постоянный ток. Однако опыт эксплуатации отечественных и зарубеж­ ных электроэнергетических систем показал преимущества применения для них переменного тока. Особенно существенными преимущества ста­ ли при тех больших мощностях электроэнергетических систем, кото­ рые достигнуты в последние годы. К числу основных преимуществ судо­ вых электроэнергетических установок переменного тока следует отнести значительно большую надежность электрических машин переменного тока, синхронных генераторов и асинхронных электродвигателей (осо­ бенно короткозамкнутых). Надежность электрических машин позволяет применять в судовых установках переменного тока большие напряже­ ния по сравнению с установками постоянного тока, в которых величина напряжения практически ограничена 220 в. Повышение напряжения судовых сетей приводит к снижению веса кабелей и проводов, состав­ ляющих значительную долю веса электрооборудования современных больших судов. Машины переменного тока, кроме того, требуют зна­ чительно меньшего ухода, легче по весу, имеют меньшие габариты по сравнению с машинами постоянного тока. Стоимость их также ниже стоимости машин постоянного тока.

Недостаток асинхронных электродвигателей — худшие регулиро­ вочные свойства по сравнению с машинами постоянного тока. Однако большинство судовых электроприводов работают при постоянной ско­ рости вращения. В тех случаях, когда требуется регулирование ско­ рости вращения, могут быть применены двух-, трехскоростные коротко-

34

замкнутые асинхронные электродвигатели либо, наконец, двигатели постоянного тока с питанием от сети переменного тока через управляе­ мые вентили.

Как известно, релейно-контакторная аппаратура управления элект­ роприводами на переменном токе по ряду своих показателей уступает релейно-контакторной аппаратуре управления постоянного тока. Реле и контакторы постоянного тока имеют больший срок службы и более устойчивые характеристики. Однако эти недостатки аппаратов пере­ менного тока относительно мало сказываются на оценке электрообору­ дования переменного тока. Причиной этому служит то обстоятельство, что подавляющее большинство судовых электроприводов переменного тока имеет простейшую пусковую аппаратуру, предназначенную для прямого пуска в ход нерегулируемого короткозамкнутого электродви­ гателя, — магнитный пускатель и кнопочный пост управления. По­ этому количество аппаратов переменного тока оказывается значительно меньшим, чем в установках постоянного тока. В весовом отношении ап­ паратура контакторного управления переменного тока имеет преиму­ щества по сравнению с аппаратурой постоянного тока. Остальное обо­

сколько меньший вес на единицу пропускаемой мощности, чем в цепях постоянного тока.

Конструкции автоматических воздушных выключателей, применяе­ мых на судах для защиты судовых электроэнергетических установок переменного и постоянного тока и их элементов, не различаются су­ щественно между собой. Более легкие условия гашения электрической дуги позволяют применять автоматические воздушные выключатели в цепях переменного тока при больших напряжениях, чем при по­ стоянном токе.

С точки зрения надежности кабельные сети постоянного и перемен­ ного тока приблизительно равноценны. В весовом отношении, при оди­ наковом напряжении для случая одиночной прокладки кабелей и про­ водов (при коэффициенте мощности в установке переменного тока cos ср— = 0,8), при применении кабелей малых сечений преимущества оказы­ ваются на стороне переменного тока, а при средних и больших сече­ ниях на стороне постоянного тока. При увеличении напряжения пе­ ременного тока преимущества оказываются на стороне переменного тока на всем диапазоне сечения кабелей.

Величины н апряж ен и я

Внастоящее время в судовых электроэнергетических установках постоянного тока по Правилам Регистра СССР применяются напряже­ ния 220, 24 и 12 в и соответственно на зажимах источников тока 230, 28 и 14 в.

Вустановках переменного тока применяются напряжения 380, 220, 42, 24 и 12 в и соответственно на зажимах источников тока 400, 230, 48, 28 и 14 в. Правилами Регистра Союза ССР рекомендуется применять напряжения той или иной величины в зависимости от типа установок.

Для электрических судовых устройств, не имеющих непосредствен­ ной связи с судовой сетью, возможно применение и других нестандарт­ ных напряжений.

При выборе величины напряжения для судовых электроэнергети­ ческих установок приходится учитывать два прямо противоположных фактора: вес электрического оборудования и его габариты, с одной сто­ роны, и надежность действия и безопасность обслуживания — с дру­ гой. Сточки зрения уменьшения габаритов и весов кабелей, проводов, аппаратов защиты, коммутационных аппаратов, контакторов, распре­ делительных устройств целесообразно в судовых установках приме­ нять более высокие напряжения для силовых и осветительных сетей. С точки зрения повышения надежности действия и безопасности обслу­ живания электрического оборудования судов целесообразно приме­ нять более низкие напряжения. Влияние величины напряжения на ве­ са и габариты электрического оборудования сказывается различно в за­ висимости от характера оборудования.

Веса и габариты электрических машин для переменного тока от величины напряжения практически не зависят (в пределах величин напряжения, применяемых на судах).

Веса и габариты электрических аппаратов. Уменьшение величины номинального тока при повышении напряжения приводит к уменьше­ нию сечения токоведущих элементов аппаратов. Это обстоятельство оказывает весьма существенное влияние на веса таких аппаратов, как контакторы, предохранители, рубильники, автоматические выключа­ тели. Их веса и габариты на единицу пропускаемой мощности изменяют­ ся приблизительно обратно пропорционально напряжению сети. Ес­ тественно, что в аппаратах, у которых при повышении номинального на­ пряжения приходится для облегчения гашения дуги снижать величину номинального тока, так же как и в аппаратах, у которых дугогаситель­ ное устройство различно при различных напряжениях и расстояние между токоведущими элементами выбрано с учетом величины номиналь­ ных напряжений, имеют меньшее влияние величины напряжения.

Соотношения весов кабелей, приходящихся на один киловатт пе­ редаваемой мощности для одного и того же сечения кабеля, обратно пропорциональны напряжению (при выборе сечения кабеля по допус­ каемой плотности тока), так как кабели, независимо от величины на­ пряжения, рассчитываются на один и тот же ток нагрузки в пределах применяемых на судах напряжений.

Все сказанное свидетельствует о целесообразности повышения на­ пряжения судовой сети с точки зрения весовых показателей. Учитывая, однако, требования надежности действия установок и безопасность обслуживания на судах малого водоизмещения с малыми длинами ка­ белей и малыми мощностями электроэнергетических установок, сле­ дует применять меньшие величины напряжения. На судах же большого водоизмещения с мощными электроэнергетическими установками и большим протяжением кабельных сетей по весовым и габаритным соображениям следует применять большие напряжения.

Для сетей освещения величина напряжения играет существенную роль. При применении переменного тока появляется возможность сеть

36