Судовые электроэнергетические системы

Размещено на http://allbest.ru

СУДОВЫЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ



1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1. Классификация судового электрооборудования

Электроэнергию, производимую судовыми электростанциями, потребляют многочисленные приемники ЭЭ, в совокупности образующие судовое электрооборудование.

В зависимости от назначения, различают следующие виды судового электрооборудования:

1. электроэнергетические системы;

2. электрические приводы;

3. гребные электрические установки;

4. системы контроля;

5. системы и устройства связи, управления и сигнализации;

6. электрическое освещение и электронагревательные приборы.

Электроэнергетические системы предназначены для производства и распределения электроэнергии. Эти системы состоят из источников электроэнергии - дизель- и турбогенераторов, электрораспределительных щитов, а также кабельных и проводных распределительных сетей.

Электрические приводы предназначены для приведения в движение разного рода механизмов.

Различают следующие виды судовых электроприводов:

1. рулевые;

2. якорно-швартовные (брашпили и шпили, автоматические швартовные лебедки)

3. грузоподъёмные ( грузовые лебёдки и краны, лифты );

4. судовые нагнетатели ( насосы, вентиляторы, компрессоры );

5. механизмы специального назначения.

К последним относят электроприводы:

1. подруливающих устройств ( на многих типах современных судов );

2. систем кренования и дифферента ( на ледоколах и судах ледокольного типа );

3. успокоителей качки ( на пассажирских судах, судах-паромах );

4. систем откренивания судов ( на судах типа ро-ро );

5. буксирных лебедок ( на буксировочных судах и ледоколах ).

Гребные электрические установки предназначены для приведения в движение гребного винта ( винтов ).

Различают ГЭУ постоянного, переменного и двойного рода тока. На последних переменный ток сети преобразуется в постоянный ток, который далее полается на гребные электродвигатели постоянного тока. Иначе говоря, в таких ГЭУ используются два рода тока - переменный и постоянный, отсюда название - установки двойного рода тока.

ГЭУ применяют на судах, где требуется плавное и в широких пределах изменение скорости движения судна, а также частое изменение направления движения судна посредством реверса гребных электродвигателей ).

К таким судам относятся ледоколы, паромы, транспортные суда ледокольного типа, в том числе с атомными паропроизводящими установками.

Системы контроля предназначены для автоматического сравнения измеряемых параметров, характеризующих контролируемый объект, например, главный двигатель, со значениями этих параметров (уставками), принятыми за нормальные или допустимые. На судах системы контроля объединены с системами управления объектов в единое целое - системами централизованного контроля.

Современные микропроцессорные системы контролируют до нескольких тысяч параметров - давление, температуру, уровень, скорость и др.

Разновидностью систем контроля являются системы технической диагностики (СТД), которые на основании результатов измерений выдают обобщенные сведения о состоянии объекта, характере неисправностей и способах их устранения. В СТД широко используются вычислительные и логические устройства.

Системы и устройства связи, управления и сигнализации предназначены для обеспечения внутрисудовой связи, в основном, при помощи телефонов, дистанционного управления судовыми объектами, например, главными двигателями из рулевой рубки, и различных видов сигнализации - служебной, авральной и специальной

К последней относятся системы пожарной и трюмной сигнализации.

Электрическое освещение и электронагревательные приборы предназначены для создания необходимых комфортных условий работы и жизни экипажа.

К приборам электрического освещения относятся светильники с лампами накаливания и люминисцентными, осветительные и сигнальные прожекторы и др.

К электронагревательным приборам относят приборы сопротивления - электроплиты, утюги, грелки, калориферы, водо- и маслонагреватели, хлебопекарные печи, котлы для приготовления пищи, а также индукционные ( микроволновые печи ) и радиационные ( лампы инфракрасного излучения ). Последние обеспечивает глубокий прогрев крупных устройств, поэтому их рационально использовать при сушке электрических машин.

2. Расположение основных элементов электрооборудования на судне

Расположение основных элементов электрооборудования на судне небольшого водоизмещения изображено на рис. 1.1



Рис. 1.1 Схема размещения основных элементов электрооборудования на судне:

1 - главный электрораспределительный щит; 2 - главный двигатель; 3 - механизм изменения шага винта; 4 - кормовой шпиль; 5 - рулевая машина; 6 - распределительный щит; 7 - буксирная лебедка; 8 - аварийная электростанция; 9 - распределительный щит сигнально-отличительных огней; 10 - радиорубка; 11 - грузовая лебедка; 12 - носовой шпиль; 13 - подруливающее устройство; 14 - гиропост; 15 -гирокомпас; 16 - генераторная выгородка

Главный электрораспределительный щит 1 ( ГЭРЩ ) расположен в машинном отделении в генераторной выгородке 16. На современных судах ГЭРЩ расположен в ЦПУ ( центральный пост управления ). ЦПУ представляет собой звукоизолированный отсек, в котором размещены пульт управления главным двигателем, блоки систем сигнализации и контроля и др.

Непосредственно от главного распределительного щита получают питание особо ответственные приемники электроэнергии - распределительный щит 6 рулевой машины 5, носовой и кормовой шпили 12 и 4, буксирная лебедка 7, подруливающее устройство большой мощности 13 с механизмом изменением шага винта 3, гиропост 14, в котором установлен гирокомпас 15, распределительный щит сигнально-отличительных огней 9.На шлюпочной палубе в отдельном помещении находится аварийная электростанции 9, состоящая из аварийного дизель-генератора ограниченной мощности со стартерным ( от батарей ) пуском и аварийного распределительного щита, от которого получают питание радиостанция, находящаяся в помещении радиорубки 10, средства навигации и связи и другие ответственные приемники.

В машинном отделении ( рис. В. 2 ) находятся механизмы, обеспечивающие движение судна, производство электроэнергии и работу основных судовых систем: пожарной, балластной, осушительной, топливной и др., а также бытовых систем - пресной и забортной воды и др.

Основная часть этих механизмов электрифицирована и потребляет до 80-90% электроэнергии.

Рис. 1.2 Расположение механизмов в машинном отделении:

1. главный двигатель ( main propulsion engine );

2. валоповоротное устройство ( main engine shaft turning device );

3. насос забортной воды охлаждения главного двигателя ( main-engine sea-water cooling pump );

4. насос пресной воды охлаждения главного двигателя ( main-engine fresh-water cooling pump );

5. резервный насос охлаждения главного двигателя ( emergency main engine cooling pump );

6. насос циркуляционной смазки главного двигателя ( main-engine lubricating oil pump );

7. фильтр забортной воды главного двигателя ( main-engine sea-water filter );

8. фильтр масла для главного двигателя ( main-engine lubrication oil filter );

9. топливоподкачивающий насос ( fuel-oil supply pump);

10. испаритель паровой ( steam evaporator );

11 глушитель пускового воздуха главного двигателя ( main-engine starting air damper );

12. питательный насос ( feed water pump );

13. циркуляционный насос утилизационного котла ( hot well circulating pump);

14. вакуумная опреснительная установка ( vacuum evaporating installation );

15. насос перекачки котловой воды ( boiler water transfer pump );

17. подогреватель топлива ( fuel oil neater );

18. сепаратор масла ( lubricating oil separator );

19. подогреватель масла перед сепарацией ( preseparation oil heater );

20. насос перекачки топлива ( fuel oil transfer pump );

21. насос перекачки масла ( lubricating oil transfer pump );

22. насос забортной воды охлаждения вспомогательных механизмов ( auxiliary machinery sea-water cooling pump );

23. насос пресной воды охлаждения вспомогательных механизмов ( auxiliary machinery fresh water cooling pump );

24. резервный насос охлаждения вспомогательных механизмов ( auxiliary machinery emergency cooling pump );

25. ручной топливный насос ( manually operated fuel-oil pump );

26. дизель генератор ( diesel-generator );

27. баллон пускового воздуха ( starting air tank );

28. ящик для ветоши ( waste collector );

29. сепаратор дизельного топлива ( diesel oil separator );

30. стол-верстак иа одно рабочее место ( work table for one person );

32. вентилятор осевой ( axial ventilator );

33. насос пожарный fire ( water pump );

35. осушительно-балластный насос ( bildge pump);

36. насос доочистного фильтра ( prefilter pump );

37. фильтр забортной воды ( sea-water filter );

38. насос санитарной мытьевой воды ( sanitary washing water-pump );

39. пневмоцистерна забортной воды ( pneumatic sea-water intake tank );

40. пневмоцистерна пресной воды pneumatic ( freshwater tank );

41. санитарно-бытовой водонагреватель (water-heater for domestic needs);

42. насос горячей мытьевой воды ( hot washing water pump );

43. отопительный агрегат ( heating system set );

44. трап подъемный ( ladder );

45. монорельс ( monorail );

46. валовая линия ( propeller shaft tunnel );

47. цистерна сбора шлама ( ash-collecting tank );

48. бачок продувания фильтра ( filter air tank );

49. бачок разбора масла ( service lubricating oil tank );

50. цистерна отстойная дизельного топлива ( diesel oil separating tank );

51. цистерна отстойная для тяжелого топлива ( heavy fuel oil separating tank );

53. бак мерный топливный ( fuel oil measuring tank );

55. цистерна грязного топлива и масла ( used-up fuel-oil and lubricating-oil tank );

56. сепаратор моторного топлива ( diesel oil separator );

57. кингстонный ящик ( sea-valve box );

58. главный трубопровод забортной воды ( main sea-water piping );

59. вентиляционный воздухопровод ( ventilating air-pipe-line );

60. насос охлаждения рефрижераторных машин ( refrigerating engines cooling pump).

3. Основные термины и определения в СЭЭС

В судовой электротехнике, как и в других отраслях народного хозяйства, применяются многочисленные государственные стандарты (ГОСТ).

В частности, применение таких стандартов позволяет унифицировать ( сделать однообразными ) основные термины и определения в СЭЭС, что дает возможность судовым специалистам разговаривать на одном, понятном всем таким специалистам, техническом языке.

Приведем основные стандартные термины и определения в СЭЭС.

Судовая электроэнергетическая система - это совокупность судовых электротехнических устройств, предназначенных для производства, преобразования, распределения электроэнергии и питания ею судовых приемников (потребителей).

Такая система состоит из трех основных частей: судовых электрических станций (основные и аварийные), силовой электрической сети, сети приемников. Сами приемники в состав СЭЭС не входят.

Судовая электрическая станция - это энергетический комплекс, состоящий из источников электроэнергии и ГРЩ, к которому они подключены.

Источниками электроэнергии на судах являются ГА и АБ. В качестве ГА применяют дизель-генераторы, турбогенераторы, валогенераторы ( генераторы с приводом от гребного вала), утилизационные турбогенераторы ( генераторы с приводом от утилизационной турбины).

По назначению источники электроэнергии подразделяют на основные, резервные и аварийные: основные предназначены для работы в любом режиме СЭЭС, резервные - для обеспечения резерва мощности системы, аварийные - для работы в аварийном режиме СЭЭС. На большинстве транспортных судов деление источников электроэнергии на основные и резервные условно, так как резервным генератором может быть любой из основных.

Аварийные источники используют при выходе из строя основных. Они обеспечивают электроэнергией наиболее ответственные приемники (средства навигации и связи, освещение, рулевое устройство и др.) и поэтому имеют ограниченную мощность. В качестве аварийных источников применяют ДГ и АБ.

Для передачи электроэнергии от источников к приемникам используют линии электропередачи, состоящие из кабелей, проводов и шин. По способу передачи электроэнергии линии электропередачи подразделяются на фидерные и магистральные.

Фидерная линия электропередачи включается между источником электроэнергии и РЩ или между двумя РЩ, или между РЩ и приемником электроэнергии.

Магистральная линия - это такая линия электропередачи, параллельно с которой по ее длине подключается ряд РЩ и отдельных приемников электроэнергии.

Для распределения электроэнергии используют электрораспределительные щиты, которые подразделяют на главные, аварийные, групповые, электроснабжения с берега и др.

Судовые электрические сети

Совокупность распределительных щитов и линий электропередачи образует электрические сети. Судовые электрические сети подразделяют на силовые, сети приемников и аварийные.

Силовая электрическая сеть начинается от ГРЩ и заканчивается у приемников или преобразователей электроэнергии. Последние служат для преобразования рода тока, частоты или числа фаз; к ним относятся выпрямительные устройства для питания электроприводов и заряда аккумуляторов, вращающиеся или статические преобразователи частоты и др. Силовые электрические сети, в свою очередь, подразделяются на фидерные, магистральные и магистрально-фидерные. В перечисленных сетях для передачи электроэнергии используют соответственно или фидеры, или магистрали, или фидеры и магистрали одновременно.

Сеть приемников - это электрическая сеть, предназначенная для распределения электроэнергии среди одинаковых приемников, а также электрическая сеть, отделенная от силовой сети преобразователями электроэнергии (последние входят в данную сеть). Под одинаковыми понимают приемники, одинаковые по назначению и другим признакам.

Аварийная электрическая сеть предназначена для передачи электроэнергии от аварийного источника к приемникам при выходе из строя линий электропередачи силовой сети или исчезновении напряжения на гаммах ГРЩ.

Режим работы судна (ходовой, маневров, аварийный и др.) определяет количество и мощность включенных приемников электроэнергии, создающих нагрузку СЭЭС. Под последней понимают суммарную потребляемую активную мощность приемников, включенных в данном режиме работы СЭЭС. Нагрузку СЭЭС определяют расчетом или по приборам (выражают в киловаттах или мегаваттах).

Работу приемников в каждом режиме обеспечивают включенные источники электроэнергии, суммарную активную мощность которых называют включенной мощностью СЭЭС. Разность между значениями включенной мощности и нагрузкой называют включенным резервом мощности СЭЭС. С увеличением значения включенного резерва работа СЭЭС становится более надежной, но менее экономичной.

Наиболее напряженные режимы работы СЭЭС обеспечивают несколько источников электроэнергии, включенных на параллельную работу. Различают кратковременную и длительную параллельную работу: кратковременная имеет место при переводе нагрузки с одного источника электроэнергии на другой, длительная - во всех остальных случаях. Если схемой ГРЩ параллельная работа не предусмотрена, то реализуется раздельная работа источников электроэнергии.

Каждая СЭЭС характеризуется конфигурацией, структурой, схемой, состоянием, режимами работы, параметрами и показателями.

К о н ф и г у р а ц и я СЭЭС - это топографическое изображение расположения входящих в нее электрических станций, кабельных трасс, шинопроводов, преобразователей, распределительных щитов и приемников электроэнергии (на плане судна или виде сбоку).

С т р у к т у р а СЭЭС - это краткая характеристика основных ее элементов с указанием их основных связей и параметров.

С х е м а СЭЭС - это условное графическое изображение элементов СЭЭС и их связей (структурное, общее или расположения). Отдельные элементы СЭЭС могут изображаться на схемах (принципиальных, функциональных, подключений и соединений).

Состояние СЭЭС может быть нормальным или ненормальным. При нормальном состоянии СЭЭС обеспечивает производство и распределение электроэнергии требуемого качества от основных или резервных источников между приемниками. Отклонение от такого состояния называется ненормальным состоянием СЭЭС (например, КЗ в любой точке системы, перегрузка отдельных элементов, отключение части источников или приемников электроэнергии, недопустимые изменения параметров электроэнергии). К ненормальному состоянию относят и аварийное состояние СЭЭС, при котором основная электростанция обесточена, а производство и распределение электроэнергии между наиболее ответственными приемниками обеспечивает аварийный дизель-генератор.

Р е ж и м р а б о т ы С Э Э С может быть установившимся или переходным. При установившемся режиме СЭЭС работает при постоянных параметрах или медленных их изменениях в заданных пределах. При переходном режиме происходит быстрое изменение параметров и переход от одного установившегося режима к другому.

К п а р а м е т р а м С Э Э С относят напряжение, ток, мощность, частоту, сопротивление изоляции, коэффициент мощности и т. д.

О с н о в н ы м и п о к а з а т е л я м и С Э Э С являются надежность и живучесть, качество электроэнергии, масса и габаритные размеры, строительная стоимость, эксплуатационные расходы, уровень автоматизации, уровень унификации и др.

4. Классификация СЭЭС

Классифицируют СЭЭС по следующим признакам:

у с т а н о в л е н н о й м о щ н о с т и ГА - малой ( 0,5-5 МВт ), средней ( 5-10 МВт ) и большой ( свыше 10 МВт ) мощности;

с т е п е н и а в т о м а т и з а ц и и - автоматизированные с дистанционным и программным управлением. Автоматизированные СЭЭС с дистанционным управлением имеют простые средства автоматизации специализированного назначения (например, системы пуска РДГ, устройства синхронизации генераторов и распределения нагрузки). В состав СЭЭС с программным управлением входят общесудовые ЭВМ или, гораздо чаще, узкоспециализированные мини-ЭВМ, позволяющие реализовать сложные законы управления СЭЭС по различным программам в зависимости от режима работы судна;

к о л и ч е с т в у э л е к т р о с т а н ц и й - системы с одной, двумя и большим количеством электростанций;

с в я з и С Э Э С с С Э У - на автономные, с отбором мощности от СЭУ и единые с СЭУ.

Последние 2 признака являются определяющими для структурных схем СЭЭС.

5. Структурные схемы судовых электроэнергетических систем (СЭЭС)

На структурных схемах СЭЭС показывают основные функциональные части электроэнергетических систем, их назначение и взаимосвязь.

А в т о н о м н ы е С Э Э С имеют автономные, т. е. независимые от СЭУ, источники электроэнергии - ДГ или ТГ. На большинстве транспортных судов автономная СЭЭС состоит из основной и аварийной электростанций (рис. 1.3).

Основные генераторы G1-G4 приводятся во вращение дизелями Д или турбинами Т. Приводным двигателем аварийного генератора АГ, по правилам Регистра СССР, должен быть дизель.

Приемники получают от ГРЩ электроэнергию непосредственно ( П1), через РЩ (П2-П6), через понижающий трансформатор Т и РЩ (П7-П8), а также преобразователи электроэнергии - выпрямительное устройство ВУ или тиристорный преобразователь частоты ТПЧ.



Рис. 1.3 Структурная схема автономной СЭЭС с одной основной и одной аварийной электростанциями

Электрическая связь между ГРЩ и АРЩ в нормальных режимах работы осуществляется через кабельную перемычку ( 3-жильный кабель ) Х, в рассечке которой находится контакт К мощного контактора. Катушка этого контактора питается непосредственно от шин ГРЩ, поэтому при наличии напряжения на шинах ГРЩ контактор включен и его контакт замкнут.

По перемычке электроэнергия передается в направлении от основной электростанции к аварийной.

При обесточивании ГРЩ контактор теряет питание и его контакт К, размыкаясь, разъединяет шины АРЩ и ГРЩ.

Одновременно начинается автоматический пуск АДГ с последующим подключением его к шинам АРЩ. Тем самым обеспечивается практически бесперебойное питание ответственных приемников П12-П14, подключенных к АРЩ.



Рис. 1.4. Структурная схема СЭЭС Рис. 1.5. Структурная схема единой СЭЭС с отбором мощности от СЭУ

Отбор мощности от СЭУ может осуществляться применением в составе электростанций ВГ и УТГ ( рис. 1.4 ). Валогенераторы приводятся во вращение через механическую передачу П от судового валопровода или непосредственно от ГД. Применение передачи вызвано тем, что частота вращения валопровода или ГД в несколько раз меньше номинальной частоты вращения выпускаемых промышленностью генераторов.

Утилизационные турбогенераторы УТГ получают пар от УК, использующих теплоту отработавших газов ГД.

ВГ могут применяться как на теплоходах, так и на паротурбинных судах, УТГ - только на теплоходах. Практически применение УТГ возможно при мощности ГД свыше 6,5 МВт, валогенераторные установки целесообразно использовать при мощности ГД до 11-15 МВт, при большей мощности экономически оправдано применение комбинированных турбовалогенераторных блоков, включающих ВГ и УТГ.

Основным недостатком систем отбора мощности является зависимость их работы от частоты вращения гребного вала.

При использовании ВГ на судах с ВФШ изменение скорости судна, т. е. изменение частоты вращения валопровода, приводит к пропорциональному изменению частоты тока и напряжения ВГ. Это затрудняет или делает почти невозможной параллельную работу ВГ с автономными генераторами, а при остановке ГД требует быстрого включения резервного генератора взамен ВГ.

Для стабилизации параметров тока ВГ при изменении скорости судна в пределах 100-70 % номинальной применяют электромеханические и статические тиристорные преобразователи, объемные гидропередачи и наиболее совершенные дифференциальные электро- и гидромеханические регулируемые передачи.

На судах с ВРШ конструкция валогенераторной установки упрощается, так как частота вращения валопровода неизменна. УТГ благодаря тепловой инерции УК, а также возможности регулирования расхода пара продолжают нормально функционировать в течение 5-20 мин после остановки ГД.

Рассмотренные системы отбора мощности целесообразно применять на судах, совершающих длительные переходы с постоянной или мало изменяющейся скоростью.

При этом экономится топливо, уменьшается среднегодовая наработка ГА, что увеличивает интервал времени между работами по ТО и ремонту основных генераторов. Все это приводит к снижению эксплуатационных расходов. Разрабатываемые в настоящее время системы глубокой утилизации теплоты позволяют в ходовом режиме полностью обеспечить потребности судна не только в электроэнергии, но и в теплоте.

Е д и н о й С Э Э С называется система, объединенная с СЭУ (рис. 1.5). Единые СЭЭС применяют на судах с электродвижением, на которых от шин ГРЩ питаются как гребные электродвигатели М1 и М2, так и приемники электроэнергии П1-ПЗ. К таким судам относятся плавучие краны, земснаряды и др., на которых значение мощности, потребляемой ГЭУ в ходовом режиме судна, соизмеримо с мощностью, потребляемой технологическим оборудованием во время стоянки. Единые СЭЭС применяют также на некоторых ледоколах, пассажирских и промысловых судах с ВРШ.



6. Структурные схемы судовых электростанций (СЭС)

Структура СЭС должна обеспечивать параллельную и раздельную работу генераторов, прием питания с берега, защиту генераторов и линий электропередачи от токов КЗ, возможность снятия напряжения на отдельных секциях ГРЩ при ТО и ремонте, а также экономичную работу электростанции. Современные суда имеют разнообразные структурные схемы СЭС, которые можно свести к двум типам:

1. с одной системой сборных шин;

2. с двумя системами сборных шин.

На большинстве транспортных судов с мощностью электростанции до 3 МВт и напряжением 400 В применяют СЭС с о д н о й с и с т е м о й сборных шин (рис. 1.6).

Рис. 1.6 Структурная схема СЭС с одной системой сборных шин

Система состоит из секций I-V. Секции I, II служат для подключения генераторов G1-G4 и наиболее ответственных приемников. При помощи секционного автоматического выключателя QS1 можно осуществлять раздельную или параллельную работу генераторов в разных сочетаниях. Переключатель QS2 обеспечивает поочередное подключение к секции I или II распределительной секции III, от которой питаются приемники, работающие в основном на стоянке. Через автоматический выключатель QF6 возможно снабжение судна электроэнергией с берега. Приемники напряжением 220 В (электронагревательные приборы, освещение и др.) получают электроэнергию от секций IV и V.

Если секционный выключатель QS3 включен, возможна параллельная или поочередная работа трансформаторов Т1 и Т2 на объединенные шины секций IV и V.

Наличие секционных аппаратов QS1- QS3 позволяет снимать напряжение с любой секции при ТО.

На большинстве транспортных судов СЭС имеют 3…4 основных ГА, для каждого из которых выделяется отдельная секция шин в средней части ГРЩ, а крайние секции используются для приемников электроэнергии. Для коммутации секций применяют как АВ, так и разъединители. Последние представляют собой рубильники без дугогашения и не допускают размыкания шин под нагрузкой.

При мощности СЭС свыше 3 МВт и невозможности размещения на судне нескольких электростанций применяют СЭС с двумя системами сборных шин, электрически несвязанных между собой (рис. 1.7).

Рис. 1.7 Структурная схема СЭС с двумя системами сборных шин

Приемники электроэнергии равномерно распределены между обеими системами. Группа приемников П1 (например, научное оборудование) питается от верхней системы шин, а общесудовые приемники П2 - от нижней. Подобная система высоконадежна, маневренна в работе и удобна при ремонте. Однако двойной комплект АВ для каждого генератора увеличивает размеры ГРЩ и удорожает стоимость судовой электростанции.

Кроме приведенных выше схем, возможны иные варианты построения структурных схем cудовых электростанций ( рис. 1.8 ).



Рис. 1.8 Структурные схемы судовых электростанций транспортных судов

На рис. 1.8 изображены:

а ) СЭЭС с тремя ДГ и одним АДГ ( рис. 1.8, а );

б ) СЭЭС с тремя ДГ, одним ТГ и одним АДГ ( рис. 1.8, б );

в ) СЭЭС с четырьмя ДГ и одним АДГ( рис. 1.8, в ).

Там же:

1, 2 - соответственно основные и резервные приемники электроэнергии ходового режима;

3 - фидер электроснабжения с берега;

4 - приемники стояночного режима;

5 - приемники освещения;

6 - бытовые приемники электроэнергии.

7. Параметры СЭЭС

К основным параметрам СЭЭС относят род тока, частоту и напряжение.

Род тока

Р о д т о к а оказывает значительное влияние на особенности и свойства СЭЭС. На современных судах применяют 3-фазный переменный ток и только в отдельных случаях для питания специальных приемников используют постоянный ток. Это объясняется тем, что электрооборудование переменного тока лучше обеспечивает выполнение основных требований, предъявляемых к судовым электроустановкам.

Основными приемниками электроэнергии на судах являются электродвигатели, потребляющие до 80 % вырабатываемой электроэнергии.

Асинхронные 3-фазные электродвигатели по сравнению с двигателями постоянного тока имеют меньшие массу (на 30-40 %), габаритные размеры (на 20-30 %) и стоимость (в 2-4 раза), более надежны, требуют меньших эксплуатационных расходов.

Двигатели постоянного тока имеют хорошие регулировочные свойства, однако на большинстве судов 70-80 % механизмов не требуют плавного регулирования частоты вращения.

В ЭП, где необходимо регулирование частоты вращения (грузовые лебедки, краны, якорно-швартовные устройства), применяют 2- и 3-скоростные АД с короткозамкнутым, реже - с фазным роторами. Внедрение на судах тиристорных преобразователей частоты позволит обеспечить плавное и экономичное регулирование частоты вращения ЭП переменного тока.

Распределительные устройства постоянного и переменного тока по массе, размерам и стоимости примерно одинаковы.

Линии электропередачи переменного тока несколько больше по суммарной массе, объему и стоимости, чем постоянного тока, так как на переменном они выполняются в основном 3-жильными кабелями, а на постоянном -2-й 1-жильными.

Внедряемая на судах аппаратура автоматического управления электроприводами с бестоковой и бесконтактной коммутацией на базе полупроводниковых приборов проще, надежней по сравнению с аппаратурой на постоянном токе и требует минимальных затрат на уход и обслуживание.

Частота переменного тока

Ч а с т о т а п е р е м е н н о го тока на большинстве судов составляет 50 Гц, а на некоторых судах иностранной постройки - 60 Гц. Переход на повышенную частоту позволяет снизить массу и размеры СЭО. Так, при частоте 400 Гц суммарная масса и размеры всех элементов СЭЭС вместе с приемниками электроэнергии в 2-3 раза меньше, чем при частоте 50 Гц. Поэтому СЭЭС повышенной частоты (400 Гц) используют на судах, где массогабаритные показатели являются решающими - это суда на подводных крыльях и воздушной подушке.

Повышение частоты СЭЭС транспортных судов проблематично по ряду причин. Электрические машины, трансформаторы и электромагнитные аппараты при частоте 400 Гц по сравнению с частотой 50 Гц создают более высокий уровень шума и радиопомех, имеют большую стоимость и меньшую надежность.

Опыт эксплуатации АД при частоте 400 Гц и с частотами вращения 6000 и 8000 об/мин показал, что упомянутые АД не могут быть использованы для большой группы судовых электроприводов с частыми пусками (грузовых лебедок, кранов и др.). Это объясняется увеличением времени разгона до номинальной частоты вращения и высокими температурными напряжениями в АД при разгоне. судовой электрооборудование генератор



Напряжение

Н а п р я ж е н и е С Э Э С большинства транспортных судов составляет 380 В.

Увеличение напряжения существенно уменьшает массу кабелей и кабельных трасс вследствие уменьшения площади поперечного сечения, так как с ростом напряжения уменьшается ток, передаваемый по кабелю.

Вместе с тем с увеличением напряжения увеличиваются токи КЗ, растут масса и размеры РУ, повышается опасность поражения обслуживающего персонала электрическим током.

Поэтому окончательному выбору значения напряжения должно предшествовать сравнение технико-экономических показателей нескольких вариантов СЭЭС с разными напряжениями.

В настоящее время разрабатывается коммутационно-защитная аппаратура с повышенной коммутационной способностью и устойчивостью к токам КЗ. Это в сочетании с токоограничивающими фидерными и секционными реакторами позволит увеличить напряжение до 6,3 кВ и мощность СЭЭС до 36 МВт.

Уровни напряжений на судах

Правила Регистра устанавливают следующие значения напряжений переменного и постоянного тока:

для источников электроэнергии ( генераторов, преобразователей ) - 400 и 230 В при частоте 50 Гц, 460 и 270 В при частоте 60 Гц, 230 В на постоянном токе;

для приемников электроэнергии - 380, 220, 42, 24 и 12 В при частоте 50 Гц, 250 В при частоте 60 Гц, 220, 24 и 12 В на постоянном токе.

Уровень применяемого напряжения зависит от назначения приемника электроэнергии. Для силовых приемников, цепей управления, нагревательных и отопительных приборов служебных помещений используют напряжение 380 В.

Напряжение 220 В переменного и постоянного тока применяют для отопительных приборов в каютах, освещения, сигнализации, розеток в сухих помещениях.

Переносные инструменты и ручные пульты управления выполняют на напряжение 42 В переменного и 24 В постоянного тока.

В помещениях с повышенной влажностью применяют переносные светильники напряжением 24 В, а в особо сырых - напряжением 12 В переменного и постоянного тока.

В специальных электрических установках (гребные и др.) Правила Регистра допускают применение напряжения до 11 кВ переменного и до 1,2 кВ постоянного тока.

8. Качество электроэнергии, производимой СЭЭС

К а ч е с т в о э л е к т р о э н е р г и и - это совокупность свойств электроэнергии, обусловливающих ее пригодность для нормальной работы судовых приемников. Приемники потребляют электроэнергию от судовых источников непосредственно или через преобразователи. Качество электроэнергии оказывает существенное влияние на режимы работы приемников, источников и линий электропередачи. Поэтому упомянутое качество характеризуют показателями, перечень которых и допустимые значения большинства из них установлены Правилами Регистра СССР.

П о к а з а т е л и к а ч е с т в а электроэнергии определяют в период швартовных и ходовых испытаний отдельно для установившихся и переходных режимов.

В установившемся режиме работы показатели (%) качества электроэнергии следующие:

длительное отклонение напряжения ДU - относительная разность между фактическим U и номинальным Uзначениями напряжения:



ДU = [( U - U) / U]*100( 1.1 );

длительное отклонение частоты Дf - относительная разность между фактическим f и номинальным f значениями частоты:

Д f = [( f - f ) / f ]*100( 1.2 );

коэффициент kискажения синусоидальности кривой напряжения - отношение квадратного корня из суммы квадратов действующих значений высших гармонических составляющих напряжения U н к действующему значению основной гармонической составляющей U:

k= [ ]100( 1.3 );

коэффициент k несимметрии (небаланса) напряжения в 3-фазной системе - относительная разность между максимальным U и минимальным U min значениями линейного напряжения:

k = [(U - U min) / U]100( 1.4 );

В переходных режимах показатели (%) качества электроэнергии следующие:

кратковременное отклонение напряжения Д U - относительная разность между минимальным U min или максимальным U и номинальным U значениями напряжения:



- Д U= [(U min - U ) / U ]100( 1.5 );

+ Д U= [(U - U ) / U ]100( 1.6 );

кратковременное отклонение частоты Д f - относительная разность между мини

мальным f min или максимальным f и номинальным f значениями частоты:

- Д f = [( f min - f) / f ]100( 1.7 );

+ Д f = [( f - f ) / f ]100( 1.8 ).

О с н о в н ы е п р и ч и н ы от к л о н е н и я напряжения частоты заключаются в ограниченной мощности СЭЭС и несовершенстве АРН и АРЧ.

Эти отклонения изменяют режим работы приемников электроэнергии. Например,при снижении напряжения сети до U = 0,95 U вращающий момент АД уменьшается на 10 %, а потребляемый ток увеличивается на 11 %. Колебания напряжения могут вызвать ложные срабатывания защитных устройств источников и приемников электроэнергии, настроенных на номинальное напряжение.

Колебания частоты тока приводят к практически пропорциональным изменениям частоты вращения ТАД и сопряженных с ними механизмов.

Искажение синусоидальности кривой напряжения обусловлено влиянием как источников, так и приемников электроэнергии. В СГ это искажение объясняется невозможностью получения на практике распределения магнитной индукции в воздушном зазоре по синусоидальному закону. Напомним, что для получения синусоидальной ЭДС генератора увеличивают зазор под краями полюсов.

В специфических группах приемников электроэнергии, таких, как статические преобразователи частоты, искажение синусоидальности кривой напряжения объясняется использованием в них нелинейных элементов - полупроводниковых диодов, тиристоров и др. Работа этих приемников связана с образованием несинусоидальных токов, замыкающихся через СГ и линии электропередачи. Возникающие высшие гармонические составляющие тока вызывают дополнительный нагрев СГ, электродвигателей и линий электропередачи, уменьшение вращающего момента АД и приводят к сбоям в работе устройств электроавтоматики.

Один из путей подавления высших гармоник - применение мощных фильтров L и LС-типов.

Несимметрия напряжения в 3-фазных системах обусловлена наличием 1-фазных приемников электроэнергии, основную часть которых составляют светотехнические приборы. Упомянутая несимметрия проявляется как дополнительное увеличение отклонений напряжения и неблагоприятно сказывается на работе АД и особенно радиоэлектронной аппаратуры.

9. Приемники электроэнергии СЭЭС

Основные сведения

Приемник электроэнергии - это устройство, предназначенное для преобразования электроэнергии в другой вид энергии.

Приемники электроэнергии обеспечивают безопасность плавания, безаварийную работу энергетической установки, сохранность грузов и нормальные бытовые условия экипажа. На многих судах - лихтеровозах, ледоколах, паромах, земснарядах, плавкранах - электроэнергия применяется для привода гребных винтов и специальных технологических механизмов.

Классификация приемников электроэнергии

Приемники электоэнергии классифицируют по трем основным признакам:

1. назначению;

2. степени важности ( ответственности );

3. режиму работы.

По н а з н а ч е н и ю приемники электроэнергии делят на следующие группы:

средства навигации и связи - гирокомпас, лаг, эхолот, радиолокаторы, радиопеленгаторы, радиостанция;

механизмы судовых систем и устройств - насосы, вентиляторы, компрессоры;

палубные механизмы - грузовые лебедки и краны, рулевое устройство, брашпили, шпили, автоматические швартовные лебедки;

бытовые механизмы и приборы - климатическая установка, оборудование камбуза, прачечной;

электрическое освещение.

По с т е п е н и в а ж н о с т и приемники электроэнергии подразделяют на 3 группы:

особо ответственные приемники, перерыв в питании которых может привести к аварии судна и гибели людей.

К ним относятся радио- и навигационное оборудование в соответствии с Правилами по конвенционному оборудованию морских судов, рулевое устройство, пожарный насос, аварийное освещение и др.

На грузовых судах валовой вместимостью 300 рег. т и более, а также на некоторых других судах приемники этой группы питаются практически бесперебойно от основной, а при ее обесточивании - от аварийной электростанции;

ответственные приемники, обеспечивающие работу СЭУ, управление судном и сохранность груза.

В эту группу входит основная часть судовых приемников электроэнергии - насосы, вентиляторы, компрессоры, якорные и швартовные механизмы, грузовые устройства, средства внутрисудовой связи и сигнализации и др. Эти приемники получают питание во всех режимах работы основной СЭС;

малоответственные приемники, допускающие перерыв питания в аварийных ситуациях или при перегрузке СЭС - бытовая вентиляция, камбузное оборудование и др.

По р е ж и м у р а б о т ы различают приемники электроэнергии с продолжительным S1, кратковременным S2, повторно-кратковременными S3-S5 и перемежающимися S6-S8 режимами.

В продолжительном режиме работают ЭП насосов постоянной подачи, вентиляторов, компрессоров, воздуходувок и др.; в кратковременном - ЭП шпилей, брашпилей, шлюпочных и траповых лебедок; в повторно-кратковременных - грузовые лебедки и краны; в перемежающихся - технологическое оборудование судов технического флота.

Основную полю производимой электроэнергии на судах потребляют ЭД. Для ЭП постоянного тока, работающих в продолжительном режиме, применяют электродвигатели общесудового исполнения серий П и 2П в диапазонах мощностей 0,1 - 200 кВт и частот вращения 750-3000 об/мин для серии П и 750-4000 об/мин для серии 2П.

Для ЭП переменного тока используют асинхронные электродвигатели серии 4А в диапазонах мощностей 0,1 - 315 кВт с пятью уровнями синхронных частот вращения ( 600, 750, 1000, 1500 и 3000 об/мин).

Для приемников кратковременного и повторно-кратковременного режимов с большой частотой включений, тяжелыми условиями пуска и частыми реверсами на постоянном токе применяют электродвигатели серии ДПМ мощностью до 100 кВт, серии Д800 мощностью 120-350 кВт и серии ДП мощностью 136-540 кВт, а на переменном токе -асинхронные электродвигатели серии МАП в диапазоне мощностей 1-100 кВт.

Электродвигатели серии 2П могут питаться от тиристорных преобразователей постоянного тока, серии МАП в специальном исполнении -- от тиристорных преобразователей частоты с регулируемой частотой в пределах 5-80 Гц для 1-скоростных и 5-20 Гц для обмоток малой скорости 2- и 3-скоростных ЭД.

Электродвигатели серии ВМАП являются взрывозащищенной модификацией электродвигателей серии МАП, устанавливаются в судовых помещениях, где возможно образование взрывоопасных смесей газов и паров, и выдерживают до 20 внутренних взрывов без утраты работоспособности.

Эксплуатационные качества приемников электроэнергии

Э к с п л у а т а ц и о н н ы е к а ч е с т в а приемников электроэнергии оказывают существенное влияние на режим работы СЭЭС.

Прямой пуск АД при недостаточной суммарной мощности включенных генераторов приводит к понижению частоты тока и провалам напряжения, что может повлечь выпадение генератора из синхронизма, остановку ПД генератора, а также отключение работающих машин и механизмов. Для ограничения пусковых токов АД применяют пуск переключением со "звезды" на "треугольник", а также автотрансформаторный, реакторный и другие способы пуска.

Асинхронные электродвигатели, работающие с недогрузкой, перегружают сеть и генераторы реактивными токами, не позволяя использовать полностью мощность генераторов. Эффективным способом компенсации реактивной мощности является применение конденсаторных батарей с автоматическим регулированием емкости, подключаемых к шинам СЭС.

Не выключенные вовремя приемники ЭЭ перегружают судовую электростанцию и линии электропередачи, снижают степень электро- и пожаробезопасности.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные типы СЭО

2. Перечислите условия работы СЭО

3. Какие нормативные документы определяют условия производства и эксплуатации СЭО?

4. Что такое Регистр? Каковы функции Регистра?

5. Перечислите требования нормативных документов к характеристикам СЭО

6. Перечислите требования нормативных документов к конструкции СЭО

7. Каким образом классифицируется СЭО в зависимости от климатических условий

плавания?

8. Каким образом классифицируется СЭО в зависимости от места расположения на судне?

9. Каким образом классифицируется СЭО в зависимости от степени защищенности

обслуживающего персонала и корпусов СЭО?

10. Каковы назначение и состав СЭЭС?

11. Перечислите источники электроэнергии, применяемые на судах.

12. Каким образом классифицируются электрораспределительные щиты?

13. По каким признакам классифицируются СЭЭС?

14. В чем состоит различие автономных, с отбором мощности от СЭУ и единых с СЭУ электроэнергетических систем?

15. Каковы возможные режимы работы СЭС с одной системой сборных шин?

16. Каковы достоинства и недостатки СЭО постоянного и переменного тока?

17. Почему СЭС с повышенной частотой тока нашли ограниченное применение?

18. По каким признакам классифицируются судовые приемники электроэнергии?

19. Каким образом эксплуатационные качества приемников электроэнергии влияют на режим работы СЭС? Приведите примеры.

20. Перечислите показатели качества ЭЭ

21. Поясните понятие «приемник электроэнергии». По каким признакам характеризуются приемники ЭЭ?

22. В чем состоит разница между особо ответственными, ответственными и неответственными приемниками ЭЭ? Каким образом снабжаются электроэнергией эти три категории приемников?

23. Как влияют эксплуатационные качества приемников ЭЭ на режим работы судовой электроэнергетической установки?



2. РЕЖИМЫ РАБОТЫ СЭЭС. ГЕНЕРАТОРНЫЕ АГРЕГАТЫ

1. Режимы работы судна

Правильный выбор мощности и количества ГА судовой электростанции позволяет обеспечить бесперебойное и экономичное снабжение приемников электроэнергией заданного качества. Нагрузка СЭС, создаваемая приемниками, не является постоянной, а зависит, в основном, от режима работы судна. Поскольку работу СЭО в каждом режиме работы судна обеспечивает СЭЭС, названия режимов работы судна и работы СЭЭС одинаковы.

Для морских и речных судов Правилами Регистра Украины установлены следующие режимы работы судна, а значит, и СЭЭС:

1. ходовой;

2. маневров;

3. аварийный - во время пожара, пробоины корпуса или других влияющих на безопасность плавания судна условий при работе основных источников электроэнергии;

4. другие режимы в соответствии с назначением судна.

Такими режимами являются:

1. для транспортных судов - стоянка без грузовых операций и стоянка с грузовыми операциями;

2. пассажирских судов - стоянка без пассажиров и стоянка с пассажирами;

3. судов технического флота - стоянка без работы технологического оборудования и стоянка с его работой;

4. ледоколов - стоянка и ход во льдах;

5. буксиров - стоянка и ход с буксировкой.

Режим работы судна определяет основные группы включенных в любой момент времени приемников электроэнергии.

В х о д о в о м режиме включены приемники, обеспечивающие работу СЭУ, средств навигации и связи, а также создающие нормальные бытовые условия экипажа.

В режиме м а н е в р о в, возникающих при проходе узкостей, входе в порт и выходе из него, перешвартовке и т. д., работают все приемники ходового режима и дополнительно могут быть включены ЭП брашпиля, шпиля и компрессора пускового воздуха ГД. Однако при комплектации СЭС этот режим обычно не учитывают вследствие его непродолжительности, а также из-за того, что на маневрах для обеспечения максимальной безопасности плавания всегда включают резервный ГА.

В режиме с т о я н к и б е з г р у з о в ы х о п е р а ц и й включены приемники, удовлетворяющие нужды экипажа, обеспечивающие работу приводных двигателей ГА, механизмов вспомогательного котла и др.

В режиме с т о я н к и с г р у з о в ы м и о п е р а ц и я м и дополнительно включаются грузовые лебедки или ( и ) краны.

В а в а р и й н о м режиме с работой основных источников электроэнергии нагрузка СЭС увеличивается, так как к приемникам электроэнергии, обеспечивающим ходовой режим, добавляются новые. Например, тушение пожара нередко связано с поступлением больших объемов воды внутрь отсеков и судовых помещений, поэтому одновременно с пожарными насосами могут быть включены также балластные и осушительные. При этом нагрузку СЭС можно частично уменьшить путем отключения малоответственных приемников. В случае необходимости включают резервный генератор.

В а в а р и й н о м р е ж и м е с работой аварийного источника электроэнергии от АРЩ, в течение 18 часов получают питание особо ответственные приемники, обеспечивающие безопасность экипажа в случае аварии, вызвавшей прекращение работы основных источников электроэнергии: аварийное освещение, средства навигации и связи; пожарный насос; сигнально-отличительные фонари сигнала «Не могу управляться», системы сигнализации обнаружения пожара и др.

2. Режимы работы приемников электроэнергии

В каждом эксплуатационном режиме приемники могут работать непрерывно, периодически и эпизодически.

Н е п р е р ы в н о работающими приемниками считаются многократно или однократно включаемые приемники, время работы которых составляет 70-100 % продолжительности режима (17-24 ч в сутки). К ним относятся ЭП масляных, топливных, охлаждающих, конденсатных насосов, вентиляторов МО и грузовых трюмов и т. д.

К п е р и о д и ч е с к и работающим приемникам относятся многократно включаемые приемники, суммарное время работы которых находится в пределах 15- 70 % продолжительности режима (3,5-17 ч в сутки). К ним относятся ЭП питательных насосов вспомогательного котла, санитарных насосов, компрессоров и т. д., периодически включаемые для поддержания и регулирования уровня, давления, температуры.

Э п и з о д и ч е с к и работающие приемники - это однократно или многократно включаемые приемники, суммарное время работы которых менее 15 % продолжительности режима (не более 3,5 ч в сутки). Как правило, момент включения этих приемников можно заранее устанавливать. К ним относятся ЭП балластных, осушительных, пожарных насосов (при использовании последних для скатывания палубы) и др.

Нагрузка СЭС в любой момент времени определяется количеством и мощностью включенных приемников электроэнергии, что в свою очередь зависит не только от режима работы судна, но и от района плавания, времени года, состояния моря, характера выполняемых технологических процессов и т. д.

Таким образом, характер изменения нагрузки СЭС относится к категории случайных процессов, описание которых проводится с использованием математического аппарата теории вероятностей.

3. Методы определения мощности СЭС

3.1 Основные сведения

К основным методам определения мощности СЭС относятся вероятностные, статического моделирования, аналитический и табличный.

В е р о я т н о с т н ы е методы в свою очередь подразделяют на следующие: статистических испытаний, массового обслуживания и числовых характеристик.

Метод статистических испытаний позволяет получить наибольшее и вероятные промежуточные значения мощности СЭС непосредственно в виде чисел. Для этого составляют вероятностную модель задачи, решение которой с изменяемыми по случайному закону исходными данными многократно повторяют на ЭВМ. При этом заранее ограничиваются небольшим числом и диапазоном изменения параметров, которые оказывают наибольшее влияние на мощность СЭС.

Метод массового обслуживания применяют при расчете относительно несложных по построению СЭС с ограниченным числом приемников, нагрузка которых в основном изменяется ступенчато.

Метод числовых характеристик более универсален, его используют для расчета СЭС с большим числом приемников и произвольным характером изменения нагрузки.

Метод с т а т и ч е с к о г о моделирования основан на применении вычислительных машин для построения статической модели, воспроизводящей схему замещения СЭС. Каждый элемент такой модели соответствует элементу реальной СЭС: источнику ЭДС, трансформаторам, активным, индуктивным и емкостным сопротивлениям и др. Элементы модели могут соединяться по разным схемам, а их параметры - регулироваться в широких пределах. Соответствующие электроизмерительные приборы позволяют определять значения токов, напряжений, мощностей в различных точках схемы замещения. Статические модели применяют, в основном, для расчета установившихся режимов работы СЭС.

...