Авария главного дизель - генератора на дизель-электроходе «Лена».
Дизель-электроход «Лена», головное из шести судов этого типа, построен голландской судостроительной фирмой «Де Схельде». Оборудование для ГЭУ поставлено известной фирмой «Бритиш Томсон Хоустон». Она же осуществляла руководство настройкой этого оборудования.
Схема главного тока ГЭУ судов этого типа двухконтурная, причем один контур состоит из двух дизель-генераторов (ДГ1, ДГ2) и якоря ГЭД, второй контур включает в себя дизель-генераторы ДГ3, ДГ4 и второй якорь ГЭД. Через несколько лет эксплуатации при ходе на свободной воде произошла авария ДГ1. По свидетельству судового персонала, а также согласно судовой документации и материалам комиссии по расследованию аварии, это произошло следующим образом. Вначале в схему были включены дизель-генераторы ДГ2, ДГ3, ДГ4, дизель-генератор ДГ1 работал на холостом ходу (производилась обкатка новых щеток). Затем ДГ1 был включен в схему, а ДГ2 отключен. После опробования ДГ1 в работе в схему снова был включен ДГ2 и между ними выровнена нагрузка.
Далее авария ДГ1 развивалась следующим образом. Неожиданно начала расти его частота вращения. Нарастание происходило вплоть до срабатывания предельной защиты дизеля, после чего последовало ее резкое падение. При падении частоты вращения примерно до 100 об/мин вахтенный электромеханик в соответствии с инструкцией фирмы ручным аварийным выключателем отключил питание на задающую обмотку возбудителя гребного электродвигателя. Однако частота вращения ДГ1 еще некоторое время понижалась, а затем снова начала возрастать, что продолжалось вплоть до разрушения дизеля. В период нарастания частоты вращения вахтенный электромеханик с помощью ручных приводов отключил возбуждение дизель-генераторов ДГ1 и ДГ2 (находящихся в одной схеме контура носового гребного электродвигателя), но это не смогло предотвратить аварийного исхода. В процессе аварии сработала максимальная защита контура носового ГЭД. Схема ГЭУ кормового контура во время аварии и в дальнейшем работала нормально. Обследование аварийного дизель-генератора выявило следующее:
шатунно-кривошипные механизмы цилиндров 1—7 дизеля разрушены;
мотылевые болты вытянуты примерно на 20 мм;
шатуны поршней 1, 3, 4, 5, 6 выдвинуты на правый борт, и стенки картера разрушены;
разрушены цилиндровые втулки и приводы к продувочным насосам;
электрооборудование ГЭУ пригодно для дальнейшей эксплуатации.
Срабатывания предельной защиты этого дизель-генератора имели место и ранее. Чрезмерное повышение частоты вращения дизель-генератора ДГ4 было отмечено на однотипном дизель-электроходе «Ангара» (без аварийного исхода). Комиссия по расследованию аварии на дизель-электроходе «Лена» пришла к следующим выводам:
- Разрушение дизеля произошло вследствие чрезмерного повышения частоты его вращения.
- Во время аварии топливо в цилиндры не поступало, так как сработал предельный регулятор. Это подтверждалось тем, что головки поршней с огневой стороны цилиндровых крышек оказались чистыми.
- Коленчатый вал дизеля в процессе аварии вращался в сторону, противоположную нормальной. Последнее установлено по следам выбоин на мотылевых шейках коленчатого вала и характеру разрушений картера.
- В результате выключения задающей обмотки возбудителя ГЭД последний под воздействием регулирующей обмотки перемагнитился, произошло изменение направления тока возбуждения ГЭД, и он стал работать в генераторном режиме. Генератор Г1 после отключения его обмотки возбуждения начал работать в качестве сериесного двигателя, поскольку имеет последовательную обмотку возбуждения (независимая обмотка была отключена). Специалисты пришли к выводу о том, что реле, обеспечивающее защиту от снижения частоты вращения, недостаточно надежно. Указанное реле получает питание от тахогенератора с постоянными магнитами. Тахогенератор приводится во вращение валом генератора посредством цепи Галля.
В настоящее время на судах типа «Лена» установлена вторая (резервная) защита от снижения частоты вращения дизель-генераторов, которая настраивается на срабатывание при частоте вращения 125—130 об/мин и полностью отключает возбуждение одного контура. Первая же защита срабатывает при частоте вращения 250 об/мин и отключает возбуждение лишь того генератора, частота которого понижается ниже 250 об/мин.
При выяснении причин аварии динамика аварии не воспроизводилась. Целесообразно рассмотреть материалы математического моделирования, полученные в ЛВИМУ им. адмирала С. О. Макарова на аналоговой машине непрерывного действия. При моделировании воспроизведены исходная причина аварии — прекращение подачи топлива дизелю в результате срабатывания предельной защиты и возможные действия при этом обслуживающего персонала.
Моделирование производилось для режима работы ГЭУ, соответствующего аварии, когда в схему были включены три дизель-генератора, причем пришедший в аварийное состояние находился в контуре, где работали два из них.
Рис. 33. Аварийный режим работы ГЭУ дизель-электрохода «Лена» при отключении (точка А) подачи топлива на один из дизелей контура носового якоря ГЭД и отказе защиты от снижения частоты вращения дизель-генератора.
1. Отключение подачи топлива к главному дизелю № 1. Как видно на рис. 33, при отключении подачи топлива (точка А) под действием электромагнитного момента генератора, перешедшего в двигательный режим, быстро снижается частота вращения пг. В дальнейшем происходит реверсирование дизеля и разгон в противоположном направлении. Ток главной цепи I не превышает своего номинального значения. Снижение ЭДС генератора Г1, вызванное снижением его частоты вращения, приводит к уменьшению тока главной цепи до значения меньше номинального.
2. Отключение подачи топлива главному дизелю № 1 и снятие независимого возбуждения главного дизель-генератора ДГ1. Если после отключения подачи топлива (точка А на рис. 34) снять возбуждение с аварийного дизель-генератора (точка В на рис. 34), происходит двухкратный бросок тока главной цепи с изменением полярности в результате повышения противо-ЭДС ГЭД. В течение некоторого времени ток главной цепи колеблется. После отключения тока возбуждения аварийного дизель-генератора падение его частоты вращения прекращается, и она начинает восстанавливаться, поскольку у магнитного потока генератора Фг изменился знак (рис. 34). В этой ситуации дизель-генератор тока главной цепи Г1 работает некоторое время в переменном режиме: генераторном (в течение времени, когда ток главной цепи имеет обратное направление) или двигательном (когда ток главной цепи имеет нормальное направление). Поэтому восстановление его частоты вращения несколько замедляется. Ввиду перехода одного из генераторов контура в двигательный режим частота вращения дизель-генератора пг снижается.
Рис. 34. Аварийный режим работы ГЭУ дизель-электрохода «Лена» при отключении (точка А) подачи топлива на один из дизелей контура носового якоря ГЭД и снятии (точка В) возбуждения с него.
Рис. 35. Анормальный режим работы ГЭУ дизель-электрохода «Лена» при отключении подачи топлива (точка А), снятии возбуждения (точка В) с одного аварийного дизель-генератора и отключении подачи питания (точка С) на задающую обмотку управления возбудителя ГЭД аварийного контура ГЭУ.
- Отключение подачи топлива, возбуждения главного дизель-генератора ДГ1 и возбуждения ГЭД. Если после отключения подачи топлива дизелю (точка А на рис. 35) отключается возбуждение генератора (точка В) и снимается питание на задающую обмотку возбудителя ГЭД (точка С), имеет место так же, как и на рис. 34, бросок тока в обратном направлении, причем после отключения задающей обмотки возбудителя ГЭД следует еще больший бросок в нормальном направлении. После отключения задающей обмотки возбудителя ГЭД колебательный процесс изменения тока главной цепи прекращается. Реверс дизель-генератора не происходит и в данном случае.
Перемагниченной противокомпаундной обмоткой генератор Г1 в режиме сериесного двигателя разгоняет дизель в прежнем направлении до частоты вращения, превышающей номинальную более, чем на 30%. Перемагничивание ГЭД (см. кривую магнитного потока Фд) происходит сравнительно медленно.
Рис. 36. Анормальный режим работы ГЭУ дизель-электрохода «Лена» при отключении подачи топлива на дизель (точка А) и питания на задающую обмотку возбудителя ГЭД (точка С).
4. Отключение подачи топлива на дизель и возбуждения ГЭД. На рис. 36 представлена осциллограмма переходных процессов в ГЭУ, имеющих место при отключении подачи топлива (точка А) и питания задающей обмотки возбудителя ГЭД (точка С). От точки А до точки С процесс протекает так же, как на рис. 33, т. е. частота вращения дизель-генератора снижается. После отключения задающей обмотки возбудителя ГЭД падение частоты вращения ГЭД становится интенсивнее, так как генератор, имея магнитный поток прежнего направления, стремится среверсировать дизель. В точке М дизель реверсируется, но разгон его осуществляется в направлении, противоположном указанному на рис. 33, и в дальнейшем прекращается. Причина заключается в следующем. Значительное увеличение тока главной цепи в нормальном направлении вызывает уменьшение противо-ЭДС ГЭД, и возбудитель генераторов перемагничивается за счет действия жесткой обратной связи по току главной цепи. Вследствие этого, а также из-за наличия обратного магнитного потока, создаваемого противокомпаундной обмоткой генератора (точка N), последний перемагничивается. В результате в точке К направление вращения дизель- генератора становится нормальным и далее происходит резкий разгон до частоты вращения, превышающей номинальное значение.
Исследование методом математического моделирования позволяет установить следующее. Защита от вынужденного реверса дизель-генератора в процессе аварии не сработала, поскольку при этом с него снимается возбуждение, в результате чего предотвращается реверс. Указанное свидетельствует о ненадежности системы защиты от снижения частоты вращения дизель-генераторов судов типа «Лена» в первоначальном варианте ее исполнения.
При прекращении подачи топлива и наличии возбуждения на генераторе дизель-генератор, находящийся в аварийном режиме, достаточно быстро реверсируется и работает в обратном направлении в режиме компрессора. Дизели ГЭУ не рассчитаны на указанный режим, поэтому процесс становится аварийным.
Необходимо отметить также несовершенство системы возбуждения ГЭУ судов типа «Лена». Как видно из материалов математического моделирования, при снятии питания с задающей обмотки возбудителя ГЭД происходит перемагничивание ГЭД и он работает в генераторном режиме, приводимый во вращение вторым якорем. Эта энергия идет на чрезмерный разгон дизель-генератора, у которого отключена подача топлива. Кроме того, перемагничивание ГЭД или даже резкое снижение его противо-ЭДС, что имеет место, например, при снятии питания с задающей обмотки возбудителя ГЭД, являются причиной чрезмерных бросков тока. Таким образом, отключение задающей обмотки возбудителя ГЭД в процессе аварии, предпринятое вахтенной службой в соответствии с инструкцией фирмы «Бритиш Томсон Хоустон», было нежелательным.
Результаты анализа материалов комиссии по расследованию аварии, а также математического моделирования позволяют считать, что характер переходных процессов в ГЭУ дизель-электрохода «Лена» при аварии главного дизель-генератора ДГ1 был близок к представленной на рис. 36 осциллограмме. Наличие у генератора противокомпаундной обмотки приводит к переходу генератора в режим сериесного двигателя, разгоняющего дизель до значительной частоты вращения.
Как уже указывалось, наличие противокомпаундной обмотки у генераторов ГЭУ является в некоторых случаях причиной перехода генератора в двигательный режим работы. Следует отметить, что противокомпаундные обмотки имеются у генераторов многих типов ГЭУ (судов типа «Москва», «Лена», «Киев», «Мурманск» и т. д.).
Основное назначение противокомпаундной обмотки — ограничение перегрузок дизель-генераторов по току и моменту. Она также применяется для исключения остаточного намагничивания генератора, что ограничивает так называемые остаточные токи в главной цепи. Вместе с тем расчеты и математическое моделирование показывает, что необходимого качества динамических характеристик ГЭУ, а также исключения остаточных токов в главной цепи ГЭУ можно достичь и без применения противокомпаундных обмоток генераторов.
Рис. 37. Принципиальная схема системы регулирования электродвигателя носового подруливающего устройства землесоса типа «Черное море».
Применение противокомпаундных обмоток приводит к существенному увеличению стоимости, габаритов, масс генераторов и снижению КПД. Поэтому в ряде случаев можно обойтись без противокомпаундных обмоток, решив вопрос защиты дизель-генераторов посредством выбора соответствующей системы возбуждения. Однако в каждом конкретном случае решение об отказе целесообразно принимать с учетом требований к точности регулирования и сравнения надежности и стоимости системы регулирования с противокомпаундной обмоткой и без нее.
