Стартовая >> Архив >> Аварии и неисправности в судовых электроустановках

Аварийные случаи в ГЭУ при качке судна - Аварии и неисправности в судовых электроустановках

Оглавление
Аварии и неисправности в судовых электроустановках
Недостатки схем главного тока ГЭУ
Аварийные случаи в ГЭУ из-за недостатков их систем возбуждения и резких колебаний нагрузки
Аварийные случаи в ГЭУ при качке судна
Неблагоприятные режимы работы в ГЭУ переменного тока
Аварии ГЭУ при ходе судна на свободной воде
Авария в системе главной электроустановки землесоса Черное море
Настройка систем регулирования и аварийность ГЭУ
Аварийные ситуации из-за неудовлетворительной настройки систем возбуждения
Несовершенство систем защиты и сигнализации и аварийные происшествия
Несовершенство схем, применяемых для испытаний электроустановок
Качество изоляции электрических машин
Качество изоляции и затраты на обеспечение безаварийности ГЭУ
Повреждения генераторов ГЭУ
Повреждения гребных электродвигателей
Повреждения в конструкциях токосъемных узлов электрических машин
Аварийные ситуации в ГЭУ из-за неудовлетворительной коммутации электрических машин
Вентиляция судовых электрических машин
Повреждения судового электрооборудования при попадании морской воды
Возгорания судового электрооборудования
Зависимость рабочих характеристик первичных двигателей от условий эксплуатации
Изодромный астатический регулятор дизеля
Аварийность из-за неудовлетворительной настройки первичных двигателей
Влияние настройки иглы изодрома и сервомотора на работу ГЭУ
Аварии рулевых электроприводов
Аварии якорно-швартовных электроприводов
Аварийные повреждения в судовых электростанциях
Заключение

Анализ динамики гребных электрических установок при качке судна имеет существенное значение, поскольку многие суда, особенно рыбопромысловые и транспортные, длительное время работают в условиях волнения.
Опыт эксплуатации ГЭУ ряда серий судов показывает, что наибольшее количество выходов из строя и отказов отдельных узлов дизелей приходится на осенне-зимний период, т. е. период наихудших метеорологических условий. Так, например, на судах типа «Таврия» наиболее часто аварии цилиндровых втулок главных дизелей наблюдались в период их работы в условиях волнения. На производственном рефрижераторе «Буревестник» во время малого капитального ремонта в январе 1968 г. были заменены все втулки цилиндров дизелей. В период с января по август 1968 г. вышли из строя 12 втулок дизелей, отработав всего от 52 до 576 ч. Проведенный анализ показал, что микроструктура и механические показатели материала втулок соответствовали сертификату.
Во время текущего ремонта производственного рефрижератора «Альбатрос» в 1965 г. по причине повышенного износа были одновременно заменены 12 цилиндровых втулок. В течение одного года эксплуатации из числа замененных втулок вышли из строя семь в результате появления трещин.

Рис. 17. Изменение параметров ГЭУ судна типа «Таврия» при ходе в условиях волнения.

На судах типа «Таврия» имелись случаи, когда судовой персонал был вынужден снижать частоту вращения главных дизелей при ходе в условиях сильного волнения во избежание срабатывания предельной защиты.
На рис. 17 приведена осциллограмма работы ГЭУ производственного рефрижератора «Буревестник» при ходе судна в условиях пятибалльного волнения с периодом качки 5 с. В схему главного тока включены два дизель-генератора. Диапазон колебаний основных параметров составляет: частоты вращения дизеля—(0,95—1,08), частоты вращения ГЭД — (0,96-М,16), тока главной цепи —(0,644-1,18) напряжения генератора— (0,914-1,12) Uг.ном
Мощность генератора Рг изменяется в пределах (0,74- :-1,25) Р ном, момент сопротивления вращению гребного винта Мс в пределах (0,3-7-1,25) Мс.ном.
Как видно из приведенных данных, система возбуждения производственного рефрижератора «Буревестник» не обеспечивает благоприятной работы установки при качке судна. Резкие и частые колебания нагрузки, частоты вращения и соответственно топливоподачи дизелей ухудшают режим их работы. Это свидетельствует о том, что причиной аварийных случаев является именно неблагоприятный режим работы ГЭУ.
Исследования ГЭУ трех судов типа «Сибирь» выявили аналогичную картину.
Осциллограмма динамики ГЭУ транспортного рефрижератора «В. Серов» при качке, близкой к регулярной, представлена на рис. 18. В работе находятся два дизель-генератора.  Колебания тока главной цепи приводят к существенным колебаниям момента сопротивления на валу дизеля, определяемого в основном электромагнитным моментом генератора Мг. Колебания момента генератора, определенные расчетным путем, находятся в пределах (1,15-7-0,64) Мг.ном, т. е. диапазон колебаний момента генератора составляет 41% Мг.ном, что и приводит к существенным колебаниям частоты вращения дизелей пт.

Рис. 18. Изменение параметров ГЭУ транспортного рефрижератора «В. Серов» при ходе в условиях волнения.
На этой же осциллограмме представлены кривые изменения момента генератора и момента сопротивления на гребном валу Мс, откуда видно, что период колебаний Мс и Мг составляет около 7 с.
Значения момента сопротивления Мс определены путем решения уравнения движения элементов гребного вала

На рис. 18 кривая Мс получена с учетом изменений как частоты вращения гребного винта пд, так и скорости судна. Момент сопротивления на гребном валу изменяется в диапазоне (0,56-:-1,3) Мс.ном.
Исследование работы ГЭУ транспортного рефрижератора «В. Серов» в условиях волнения показало, что с приближением характера волнения к регулярному режим работы ГЭУ ухудшается. Во время испытаний ГЭУ дизель-электрохода «И. Шишкин» при семибалльном волнении диапазон отклонений момента сопротивления составил (0,1 — 1,29) Мс.ном, т. е. провалы момента сопротивления на гребном валу могут достигать 90% (рис. 19). Ток главной цепи изменялся на 62%.


Рис. 19. Изменение параметров ГЭУ транспортного рефрижератора «И. Шишкин» при ходе в условиях волнения. (В схеме три дизель-генератора, ток возбуждения ГЭД не регулируется).
а — момент переключения на систему возбуждения с автоматическим регулированием iв.д

Рис. 20. Изменение параметров ГЭУ транспортного рефрижератора «И. Шишкин» при ходе в условиях волнения и нерегулируемом токе возбуждения ГЭД (В схеме три дизель-генератора).
А — положение топливной рейки, соответствующее отсечке подачи топлива; В — положение топливной рейки, соответствующее максимальной подаче топлива

Рис. 21. Изменение параметров ГЭУ дизель-электрохода «В. Суриков» при ходе на 5—6-балльной волне и постоянстве тока возбуждения ГЭД. (В схеме два генератора).

Диапазон отклонений частоты вращения дизель-генератора от номинального в отдельных случаях составил 20% (рис. 20), при этом происходило изменение подачи топлива от максимального значения до полной отсечки (см. кривую hр на рис. 19 и 20).
Аналогичные результаты были получены и при испытаниях ГЭУ третьего судна типа «Сибирь» — «В. Суриков» (рис. 21). На приведенных осциллограммах зафиксирована нормальная работа регулятора частоты вращения дизеля, поскольку изменения хода рейки hР и подачи топлива вполне соответствуют изменениям нагрузки дизель-генератора. При ходе судна в условиях волнения изменения во времени частоты вращения гребного электродвигателя, а соответственно и тока главной цепи такие, что регулятор частоты вращения дизеля успевает отрабатывать подачу топлива по мере изменения нагрузки (кривая h практически повторяет кривую момента генератора).
Испытания ГЭУ судов типа «Сибирь» показали, что волнение не вызывает серьезных затруднений при эксплуатации главных электрических машин и возбудителей, поскольку заметного ухудшения коммутации и увеличения нагрева машин не наблюдается. Режим же работы дизелей явно неблагоприятный. При ходе судна в условиях волнения изменение момента генератора таково, что дизель работает в диапазоне от режимов, соответствующих их внешней характеристике при перегрузке, до режимов, соответствующих нулевой подаче топлива. Это видно из рассмотрения кривой хода топливной рейки, которая часто в течение нескольких секунд (более трех) находится в положении упора или же отбрасывается до положения, соответствующего отсечке подачи топлива.
Таким образом, при качке судна система возбуждения с трехобмоточным возбудителем генераторов, реализующая лишь одну жесткую обратную связь по току главной цепи и не имеющая автоматического регулирования возбуждения ГЭД, не обеспечивает благоприятной работы дизель-генераторов. Указанное может привести к авариям отдельных узлов и прежде всего дизелей ГЭУ. При ходе судна в условиях волнения возможен длительный неустановившийся процесс вследствие возмущения со стороны гребного винта.
Анализ кривых изменения момента сопротивления Мс вращению гребного винта (рис. 19) показал, что максимальное увеличение Мс для рассматриваемых судов типа «Сибирь» и «Таврия» во всех случаях не превышало 30% номинального. Уменьшение же Мс происходило до значения 0,lAfc.ном (весьма глубокое). Поэтому по характеру изменения нагрузки работа ГЭУ при качке судна может быть сопоставлена с режимом работы ГЭУ в ледовых условиях. Разница заключается лишь в том, что в первом случае особенность режима работы обусловлена резкими падениями Мс, во втором — резкими набросами Mc. Неблагоприятность режима работы ГЭУ в условиях волнения усугубляется по мере уменьшения периода качки. Как показали испытания ГЭУ, наименьший период качки в условиях Атлантики составляет 5—6 с.
Ограничивающими звеньями ГЭУ при работе в условиях качки судна являются дизели, динамика которых определяется изменением электромагнитного момента генератора Мг. Поэтому анализ изменения момента генератора при работе ГЭУ в условиях волнения необходим. Рассмотрение большого количества осциллограмм переходных процессов при работе ГЭУ в условиях волнения показывает, что эти процессы относятся к классу случайных. Из множества осциллограмм практически невозможно найти две одинаковые, что свидетельствует о случайном характере возмущений на гребном винте, причем степень и характер возмущений зависят от множества факторов: частоты и длины волн, степени рыскания судна, соотношения между курсом судна и направлением волн, осадки, характера груза и т. д., которые могут меняться во времени. При анализе работы ГЭУ в условиях волнения невозможно учесть в отдельности влияние каждого из перечисленных факторов, поэтому их следует рассматривать как результирующий фактор, который проявляется в форме изменения момента генератора или момента сопротивления вращению гребного винта Мс.
Для анализа закономерности изменения моментов сопротивления на валу дизеля и на гребном валу воспользуемся основными положениями теории вероятностей и математической статистики, в частности, теорией случайных функций. Каждая осциллограмма, полученная при работе ГЭУ в условиях волнения, является реализацией случайной функции, а все они представляют собой генеральную совокупность этой функции. Аргументом случайной функции в данном случае является время t. В качестве примера исследования характера изменения нагрузок на валу дизеля и на гребном валу как случайных функций рассмотрим работу ГЭУ судов типа «Сибирь» при качке. По натурным осциллограммам определим момент в относительных единицах т. Затем для каждой осциллограммы построим зависимость m=f(t).
Для всех реализаций в качестве начальной точки аргумента выбираем момент, первоначально номинальный и далее, после начала отсчета, изменяющийся в сторону уменьшения. Значения t1, t2,..., tK выбраны равноотстоящими с интервалами в 1 с.
Если обозначить каждую реализацию случайной функции как m1(t), m2(t), ..., mn(t), то основные характеристики случайной функции выразятся следующим образом:

  1. математическое ожидание

где n — число реализаций;

3) корреляционная функция


Рис. 22. Изменение математического ожидания и среднеквадратичного отклонения момента генератора ГЭУ при качке судна.

  1. среднеквадратичное отклонение

где mti, mti+τ—математическое ожидание момента для ti и fi+τ-гo столбца времени по реализации; T=50 с — время, в течение которого корреляционная функция приближается к значению, когда отсчет прекращается.
Как видно на рис. 22, отклонения значения математического ожидания момента генератора от среднего составляют 7%. Аналогичный характер имеет и кривая изменения среднеквадратичного отклонения.
Анализ кривых математического ожидания и среднеквадратичного отклонения во времени позволяет утверждать, что в рассматриваемой совокупности математическое ожидание момента генератора удовлетворяет условию стационарности процесса. Вышеуказанные отступления от стационарности (примерно 7%) вряд ли можно считать значимыми, тем более, что они не носят какого-либо закономерного характера.
Момент генератора в данном случае является выходной величиной нелинейной системы, какими являются ГЭУ.

Входной величиной является внешнее возмущение, т. е. изменение момента сопротивления на винте. Поскольку система нелинейна, необходимо произвести анализ по выходной величине, чтобы в выводах учесть нелинейность всей системы.
Разделим участок графика (рис. 22) от 11 до 41 с на две зоны по 15 с, а каждую из зон на разряды по 0,5 с и определим средние значения m(Mr)cp(t) и σср(t) для каждой зоны.

Рис. 23. Корреляционная функция момента генератора ГЭУ при ходе судна в условиях волнения.
В результате получим
Таким образом, отличие m(Mr)(t) по зонам составляет
меньше 1%, отличие %что и свидетельствует о квазистадионарном характере процесса изменения момента генератора.
На рис. 23 и 24 приведены кривые корреляционных функций изменений моментов генератора, которые соответствуют в каждом случае одной и той же реализации, но определены со сдвигом во времени, равным 20 с. Как видно из рисунков, эти кривые почти совпадают, что свидетельствует о близости характера процессов к стационарному и о наличии жесткой связи между изменениями Мс и Мг. Стремление значений корреляционных


Рис. 24. Корреляционная функция момента сопротивления на гребном валу при ходе судна в условиях волнения.
функций к нулю подтверждает эргодичность процессов изменения М, т. е. каждая реализация является как бы представителем совокупности реализаций этого процесса.

Рис. 25. Гистограмма распределения моментов генератора ГЭУ при ходе судна в условиях волнения.
Гистограмма распределения моментов генератора ГЭУ при качке судна (рис. 25) характеризует симметрию возможных моментов по отношению к среднему значению. Частоту их появления nм приближенно можно описать нормальным законом распределения случайной величины, что свидетельствует о близости к стационарному процессу, причем частота появления моментов m<m(t) более вероятна, чем частота появления моментов m>m(t).

Коэффициент асимметрии, определяемый по формуле равен 0,37<0,5. Это подтверждает вывод о том, что частота

появления моментов описывается нормальным законом распределения случайной величины. В данном случае  0,94 — среднее значение математического ожидания момента генератора; σ(t)cp— среднее значение среднеквадратичного отклонения момента генератора; nм=512— число принятых при расчете точек реализации.
Таким образом, при качке судна постоянно действуют возмущения различной величины и продолжительности, которые можно рассматривать как случайный процесс. При работе ГЭУ в таких условиях имеют место колебания момента сопротивления на гребном валу (если отсутствует соответствующее регулирование возбуждения ГЭД), моментов сопротивления на валах дизелей, определяемых электромагнитными моментами генераторов. Все вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что несмотря на квазистационарный характер изменения момента сопротивления на валу дизеля и на гребном валу при качке судна в расчетах указанный процесс можно принимать за стационарный. Колебания нагрузки чаще всего происходят в сторону уменьшения. Квазистационарный характер изменения Мг объясняется таким же характером изменения момента сопротивления вращению гребного винта. Характер корреляционных функций свидетельствует об эргодичности процесса.
Итак, материалы испытаний ГЭУ судов типа «Сибирь» и «Таврия» позволяют утверждать, что системы регулирования ГЭУ при постоянстве магнитного потока ГЭД не обеспечивают защиты дизель-генераторов от резких изменений тока и момента. Поэтому важным является вопрос о стабилизации режимов работы дизелей ГЭУ при ходе судна в условиях волнения.
Как было показано выше, ограничивающим звеном в данном случае является дизель. Поэтому критерием оптимального регулирования ГЭД для этих условий следует считать минимум отклонений частоты вращения дизель-генератора. Динамика дизель-генератора, а следовательно, и режим подачи топлива, определяются изменениями момента генератора. Исходя из этого, условием постоянства частоты вращения дизель-генераторов является применение системы, обеспечивающей постоянство Мг. На рис. 26 представлена осциллограмма динамики ГЭУ при ходе судна в условиях волнения в 7 баллов.
1 Регулятор разработан одним из авторов, к. т. н. Сюбаевым М. А.

В данном случае ток возбуждения гребного электродвигателя iв.д не является постоянной величиной, как это показано на рис. 18, а регулируется таким образом, что при уменьшении частоты вращения гребного электродвигателя пд магнитный поток ГЭД возрастает за счет увеличения тока возбуждения и, наоборот, при увеличении nд ток возбуждения ГЭД уменьшается. Это обеспечивается включенным дополнительно в ГЭУ судна типа «Сибирь» регулятором, разработанным в Ленинградском высшем инженерном морском училище им. адмирала С. О. Макарова, который регулирует возбуждение ГЭД в функции от изменения первой производной от тока I и самого тока, не воздействуя на возбуждение генераторов [6]. Возбуждение ГЭД регулируется таким образом, что обеспечивается практически постоянство противо-ЭДС ГЭД и соответственно I, Мт и отбираемой от дизелей мощности, несмотря на резкие изменения Мс. Режим работы дизелей при этом стабилизируется, так как момент генератора практически сохраняется постоянным. Поэтому отклонения частоты вращения дизель-генераторов от номинального значения составляют всего 2—3%.

Рис. 26. Изменение параметров ГЭУ транспортного рефрижератора «И. Шишкин» при ходе в условиях волнения. (В схеме три дизель-генератора).

Об улучшении режима работы дизеля можно судить в первую очередь по практически неизменному положению рейки топливного насоса регулятора дизеля даже при резких (до 0,13Мс.ном) падениях момента сопротивления на гребном валу (см. кривую hр на рис. 26).
Задача обеспечения оптимального регулирования облегчается следующим. Как видно из рис. 19 и 26, глубокие изменения момента сопротивления на гребном валу происходят главным образом в сторону уменьшения. Повышается же он относительно номинального значения не более чем на 30%. Кроме того, при ходе в условиях волнения, чтобы избежать повреждения корпуса судна, судоводители снижают скорость судна, отключая часть генераторов ГЭУ. Поэтому форсировочные возможности магнитной системы ГЭД вполне достаточны для обеспечения постоянства противо-ЭДС ГЭД при качке судна.
При использовании регулятора увеличивается средняя скорость судна примерно на 7,2%, уменьшается расход топлива на единицу пройденного пути, несколько улучшаются маневренность судна и реверсивные характеристики ГЭУ [6]. Система регулирования обеспечивает также эффективную защиту дизелей и при регулярной качке (рис. 27).
Таким образом, для стабилизации работы первичных двигателей ГЭУ при качке судна может быть рекомендовано регулирование возбуждения ГЭД посредством гибкой и жесткой обратных связей по току главной цепи, обеспечивающее постоянство противо-ЭДС ГЭД.

Рис. 27. Изменение параметров ГЭУ дизель-электрохода «В. Суриков» при ходе в условиях волнения и регулируемом токе возбуждения ГЭД. (В схеме два дизель-генератора).
Определим закон изменения магнитного потока ГЭД для этих условий. Уравнение движения элементов линии гребного вала имеет вид

где Tм — механическая постоянная времени; nд, тд — соответственно частота вращения и момент ГЭД; тс — момент сопротивления вращению гребного винта (в относительных единицах). Отсюда

При квазипостоянстве противо-ЭДС ГЭД в случае применения регулятора ток главной цепи в относительных единицах i=const и соответственно mд= f(f— магнитный поток ГЭД в относительных единицах).

Исходя из этих условий, частоту вращения гребного винта можно выразить следующим образом:

При условии обеспечения постоянства мощности установки Для обеспечения этого условия закон изменения магнитного потока ГЭД выразим уравнением
(16)
В свою очередь изменение тока возбуждения ГЭД определяется уравнением (16) и характеристикой намагничивания ГЭД.
Таким образом, исследования режимов работы ГЭУ постоянного тока при качке судна показали, что наиболее существенным фактором, влияющим на работу установки, являются значительные понижения момента сопротивления на гребном валу. Именно по этой причине требуются дополнительные меры для обеспечения стабильной работы дизель-генераторов ГЭУ. Как видим, система возбуждения ГЭУ постоянного тока, не имеющая автоматического регулирования возбуждения гребного электродвигателя, не обеспечивает защиты дизель-генераторов от резких колебаний нагрузки при качке судна. Это является одной из существенных причин выходов из строя отдельных узлов дизель-генераторов.
Материалы испытаний показывают, что при применении такой системы несколько увеличивается диапазон отклонений частоты вращения ГЭД от номинального значения. Это, естественно, вызывает определенные дополнительные усилия на опорных подшипниках и, что более важно, на дейдвуде. Проведенные гидродинамические расчеты и анализ показали, что изгибающий момент, действующий на гребной вал при качке судна, увеличивается лишь при движении кормы судна вверх; причем это увеличение при регулировании тока возбуждения ГЭД по указанному выше принципу составляет всего 2,9%, т. е. незначительно. Поэтому нет необходимости прибегать к усилению гребного вала, дейдвуда и упорно-опорных подшипников гребного валопровода.



 
Автоматическая установка для варки битумной мастики »
электрические сети