Судовые электрические станции и сети - Выбор мощности, числа и типов генераторных агрегатов

Глава 3
ВЫБОР МОЩНОСТИ, ЧИСЛА И ТИПОВ ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ
§ 8. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
При расчете мощности судовой ЭС очень важно определение числа и мощности генераторных агрегатов, которые должны обеспечивать во всех режимах работы судна бесперебойное снабжение качественной электроэнергией приемников с учетом максимальной загрузки ГА. Мощность ЭС зависит от типа, водоизмещения, района плавания судна, мощности энергетической установки, числа и мощности приемников электроэнергии.
Мощность ЭС рассчитывают для следующих режимов работы судна: стоянок с грузовыми операциями и без них, ходового, маневрирования, аварийного с работой основной ЭС и без работы последней. Возможны и другие режимы, характерные для отдельных типов судов. Например, для ЭС с ядерной энергетической установкой рассматриваются режимы пуска и расхолаживания установки, на пассажирских судах — режим стоянки с пассажирами и др. На некоторых судах основные режимы ЭС рассчитывают на «зиму» в умеренном климате и «лето» в тропиках, так как мощность некоторых механизмов в летнее время значительно возрастает.

Режим маневрирования является кратковременным и, как правило, не рассматривается при определении мощности ЭС. В этом режиме для обеспечения безопасного плавания обычно включают дополнительный генератор, который обеспечивает необходимый резерв мощности ЭС. В аварийном режиме с работой основной ЭС учитывают увеличение потребления электроэнергии (например, при повреждении корпуса, пожарах и т. д.).
Мощность ЭС для основных режимов работы судна определяется суммированием мощностей всех приемников электроэнергии. От точности определения суммарной мощности зависят число и мощность генераторных агрегатов, коммутационной и защитной аппаратуры ГРЩ, а также сечения кабелей участков судовой сети.
При проектировании ЭС рассматривают технико-экономические и эксплуатационные обоснования выбора числа и мощности ГА. Предпочтительный вариант обусловливается числом и типами (типоразмерами) ГА, сочетанием их характеристик, экономичностью и удобством эксплуатации. Он должен быть основан на сопоставлении себестоимости электроэнергии по суммарным затратам на создание и эксплуатацию ЭС. При этом рассматривают расходование моторесурсов генераторных агрегатов, целесообразность применения стояночных генераторных агрегатов, повышение уровня их нагрузки в длительных режимах до 80% номинальной, рациональное сочетание числа генераторных агрегатов в различных режимах эксплуатации судна, себестоимость электроэнергии.
По итогам расчетной мощности нагрузок ЭС определяют единичную и суммарную мощности генераторных агрегатов. Единичная мощность на многих типах судов обычно соответствует мощности в режиме стоянки без грузовых операций, суммарная — мощности в аварийном или ходовом режиме.
Для пояснения изложенных положений в табл. 5 приведены условные значения потребляемых мощностей в различных режимах работы судна.
Максимальная нагрузка ГА повышает экономичность агрегатов ЭС вследствие повышения к.п.д. В судовых ЭС по возможности нужно устанавливать однотипные генераторных агрегатов. Это обеспечивает их взаимозаменяемость и облегчает обслуживание. Особое внимание уделяют выбору первичного двигателя генераторного агрегата, который должен иметь большой срок службы (моторесурс). Следует сравнивать моторесурсы главных двигателей энергетической установки судна и первичных двигателей агрегатов ЭС.
На судах можно устанавливать генераторных агрегатов, работающие в режиме стоянки судна. Целесообразность такой установки обусловливается продолжительностью стоянки судна, а также потребляемой мощностью в этом режиме, которая обычно значительно меньше, чем в других режимах. Стояночный ГА используют в качестве источника электроэнергии для электрифицированных механизмов и устройств на стоянке, а также для питания механизмов первичного пуска агрегатов.
При выборе агрегатов ЭС всегда должен быть предусмотрен резервный ГА такой мощности, чтобы при выходе из строя одного из генераторных агрегатов суммарная мощность оставшихся агрегатов обеспечивала ответственные приемники электроэнергией. Мощность резервного и основного ГА должна быть одинакова (лучший вариант). В этом случае резервным может быть любой ГА электростанции и обеспечивается полная взаимозаменяемость генераторных агрегатов. Суммарная мощность агрегатов (с учетом перегрузочной способности) должна быть достаточной для пуска самого мощного асинхронного электродвигателя при выходе из строя любого генераторного агрегата. При этом не должно быть понижения напряжения и частоты, которые могут вызвать выпадение из синхронизма и остановку питающих генераторных агрегатов и самопроизвольное отключение работающих электродвигателей и аппаратуры.
На судах ЭС могут быть установлены высокооборотные генераторных агрегатов с уменьшенными размерами и массой и невысоким моторесурсом. В этом случае должна быть предусмотрена возможность быстрой замены ГА в течение эксплуатационного периода работы судна.

§ 9. ТАБЛИЧНЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА МОЩНОСТИ ГА

Для определения нагрузки генераторного агрегата рассчитывают по табличному методу потребляемые, мощности в различных режимах работы судна. Этот метод постоянно совершенствуется на основании опыта эксплуатации ЭС.
Форма и содержание таблицы одинаковы для всех судов и могут различаться только режимами в зависимости от назначения судна и рода тока ГА.
Рассмотрим табличный метод расчета нагрузки ГА судовых электростанций переменного тока.
В табл. 6 приведены в качестве примера расчеты нагрузки ГА переменного тока ЭС теплохода для режимов стоянки без грузовых операций и аварийного.
Судовые приемники электроэнергии в соответствии с назначением разделены по вертикали таблицы на шесть групп.
Установленную активную (потребляемую) мощность (кВт) однородных приемников (графа 8) определяют по формуле

где г]Ноы — номинальный к. п. д. электродвигателя.
Установленную реактивную потребляемую мощность (квар) находят по формуле

где tg фном определяют по коэффициенту мощности cos фном (графа 6).
Установленную полную потребляемую мощность приемников рассчитывают по формуле
Коэффициент использования мощности электродвигателя k1 определяется как отношение мощностей граф 3 и 4. После определения установленных потребляемых мощностей рассчитывают мощности в режимах работы судна. Для точного расчета следует учитывать вероятность одновременной работы разных групп приемников электроэнергии, которые в зависимости от характера и длительности загрузки можно разделить на три группы:
работающие постоянно с длительной (изменяющейся) нагрузкой (масляные, топливные, охлаждающие, конденсатные насосы);
периодически включаемые для поддержания и регулирования уровня и давления жидкости, температуры в судовых механизмах (санитарные насосы, компрессоры высокого давления); для них данные в табл. 6 приведены в скобках;
включаемые эпизодически на непродолжительное время, при этом их момент включения можно заранее устанавливать (насосы балластные, осушительные, пожарные при использовании их для окатывания палубы).
Приемники электроэнергии первых двух групп определяют основную часть загрузки ЭС. При расчете мощности ЭС не всегда следует предусматривать одновременную работу всех эпизодически работающих приемников. Нагрузку от этой группы приемников можно не учитывать, так как при ее включении могут быть отключены неответственные приемники, а также использованы допустимые перегрузки генераторного агрегата и при необходимости включены резервные ГА. При большой эпизодической нагрузке часть ее может быть включена в соответствующие режимы нагрузки ЭС. Характер и длительность нагрузки каждой из рассмотренных групп приемников учитываются соответствующими коэффициентами одновременности в режимах работы судна.

После определения установленных активных и реактивных мощностей приемников и разделения их на группы рассчитывают мощности ЭС в режимах работы судна. В графах 10—23 производятся расчеты потребляемой мощности однородных механизмов. Коэффициент к2 (графы 10, 17) характеризует нагрузку механизмов в соответствующих режимах, а коэффициент k3=k1k2 — нагрузку электродвигателей (графы 11, 18). К. п. д. и cosφ говорят о фактической загрузке электродвигателя (графы 12, 13, 19, 20).
Зависимости к.п.д. и cosф от нагрузки электродвигателей мощностью более 10 кВт (кривые 1) и до 10 кВт (кривые 2) приведены на рис. 15.
Коэффициент одновременности k0 определяет отношение приемников в соответствующем режиме к их общему числу (см. табл. 6, графы 14 и 21).
Активная (кВт) и реактивная (квар) потребляемые мощности однородных приемников (графы 15, 16, 22, 23) определяются
соответственно выражениями:

Рис. 15. Графики зависимости cos ф и к. п. д. асинхронных электродвигателей от нагрузки

При малом изменении нагрузки приемников при работе судна можно не учитывать изменения к.п.д. и косинус ф электродвигателя и принять в расчетах мощности их номинальные значения. Таблица нагрузок упрощается — исключаются графы 12, 13 и 19, 20.

После определения активной и реактивной мощностей однородных приемников суммируют данные мощностей приемников продолжительной и периодической работы (графы 15, 16, 22, 23).
Суммарная активная и реактивная мощности продолжительно работающих приемников определяют по формулам:

где Рis р, Qis р — суммарные активная и реактивная мощности продолжительно работающих приемников с учетом коэффициентов одновременности и потерь в судовой сети; k01— коэффициент одновременности продолжительно работающих в соответствующих режимах приемников; кп — коэффициент потерь в судовой сети; m — число продолжительно работающих приемников.
Суммарные активную и реактивную мощности периодически включаемых приемников определяют по формулам:

Расшифровка обозначений дана в описании формул для расчета мощностей продолжительно работающих приемников (им соответствует цифра 1 в индексах); для приемников, работающих периодически, принята цифра 2.
В отдельных расчетах нагрузки судовых ЭС учитывают мощный эпизодически работающий приемник, активную и реактивную мощности которого суммируют с соответствующими мощностями периодически работающих приемников.

При определении коэффициента одновременности k0 для продолжительно работающих приемников учитывают вероятность несовпадения по времени максимального потребления электроэнергии всех работающих приемников. Коэффициент k01 для транспортных судов в зависимости от режимов работы судна равен 0,3—1. Значение коэффициента k02, учитывающего несовпадение по времени работы периодически включаемых приемников, в зависимости от соотношения мощностей всех ранее рассмотренных групп приемников электроэнергии равно 0,3—0,6.
Определив значения k01 и ko2, рассчитывают активную и реактивную мощности ЭС в соответствующих режимах:

Для учета максимальной мощности приемников с эпизодической нагрузкой активная и реактивная мощности ЭС определяются выражениями:

где P1р, Qe р— суммарные активная и реактивная мощности ЭС с учетом мощности приемников с эпизодической нагрузкой;
Psp, Q1 р—активная и реактивная мощности ЭС без учета мощности эпизодически работающих приемников;
Ра. п, Qs. п—максимальные активная и реактивная мощности эпизодически работающего приемника.
Полную мощность ЭС определяют по формулам

где Se р, Se—полная мощность ЭС соответственно без учета и с учетом эпизодической нагрузки.
Средневзвешенный коэффициент мощности составляет:

Он может быть определен также через tgcp по выражениям:

Обычно средневзвешенный коэффициент мощности по режимам больше номинального коэффициента мощности генераторов, поэтому число и мощность последних нужно выбирать по суммарной активной потребляемой мощности, т. е. cosφsp или cos фгр^cos <рг. Если cos ф£р или cos' φzp<cos фг, то мощность генераторов ЭС выбирают ПО ПОЛНОЙ МОЩНОСТИ Sxp или S'φ.
На основании расчетных значений суммарной потребляемой мощности во всех режимах работы судна с учетом коэффициентов
одновременности и потерь в сети определяют единичную и суммарную мощности генераторных агрегатов судовых ЭС. При этом следует учитывать перегрузочную способность ГА, оговоренную в технических условиях.
В процессе составления таблицы нагрузок генераторных агрегатов по режимам нужно учитывать режимы и нагрузку работающих приемников электроэнергии, а также соотношение и продолжительность их работы. Кроме того, следует рассматривать статистические данные по эксплуатации приемников, их фактическую работу и нагрузку в режимах работы судна. Необходим учет фактической потребляемой мощности. На основании данных эксплуатации ЭС на судах уточняют расчетные значения потребляемых мощностей и соответственно число и мощности ГА.
Составление таких таблиц осложняет определение коэффициентов нагрузки и одновременной работы судовых электрифицированных механизмов и устройств в различных режимах. Чаще всего принимают максимальные значения этих коэффициентов.
Некоторые судовые механизмы работают по специальному графику в кратковременном и повторно-кратковременном режимах, а в таблицу нагрузок их включают как приемники с длительным режимом работы. В результате неправильного определения расчетных потребляемых мощностей в таблице получаются необоснованные запасы мощностей выбранных генераторных агрегатов.
Исследования работы некоторых судовых ЭС подтверждают, что мощности основных генераторных агрегатов (без учета резервного) завышены на 30—50%. Однако при проектировании ЭС необходимо учитывать запас установленной мощности ГА на увеличение числа и мощности приемников электроэнергии в процессе эксплуатации судов. Этот запас в зависимости от назначения и типа судна, перспективы внедрения новых электрифицированных механизмов и устройств при эксплуатации может составлять в среднем не менее 20—30% установленной мощности.
Форма и содержание таблиц нагрузок генераторных агрегатов постоянного тока и переменного тока несколько различаются. Для генераторного агрегата постоянного тока определяют также установленные и потребляемые активные мощности приемников, а графы 6, 9, 13, 16, 20, 23 исключают.