Учебное пособие (Часть1). В. М. Зырянов, О. П. Кузьменков, А. Б. Мосиенко Основы расчета и проектирования
 Скачать 2.59 Mb.
|
|
2.3 Частота тока В соответствие с Речным Регистром номинальное значение частоты переменного тока следует принимать 50 Гц, однако допускается обоснованное применение других частот [2]. На современных судах используется ряд приемников, частота тока которых равна 400-500 Гц (радиолокационное, навигационное и другое оборудование). Питание этих приемников осуществляется от судовой сети с частотой 50 Гц через преобразователи частоты. Повышение частоты питающего напряжения является эффективным способом снижения массогабаритных показателей электрических машин переменного тока. Повышение частоты вращения с 3000 до 8000 об/мин в среднем дает снижение массы электрических машин в 2-3 раза и габаритов в 2 раза. Однако существенного снижения веса и габаритов установки в целом можно добиться в том случае, если одновременно с увеличением скорости электродвигателей увеличивается скорость судовых механизмов. В противном случае введение редукторов между быстроходными электродвигателями и тихоходными механизмами снижает преимущество применения в СЭЭС повышенной частоты. Повышение частоты тока трансформаторов, реакторов и других электромагнитных аппаратов связано с уменьшением количества витков их обмоток и объема магнитопроводов. В результате повышения частоты с 50 до 400 Гц масса и габариты трансформаторов мощностью до 100 кВА снижаются в 2-4 раза 5. В то же время электрические машины и аппараты на частоте 400 Гц создают более высокий уровень шума и радиопомех. Масса и габариты коммутационных аппаратов при повышении частоты увеличиваются в связи с ухудшением условий дугогашения и увеличением нагревания токоведущих частей. Повышение частоты отрицательно сказывается на массе и габаритных размерах электрических кабелей, так как увеличение частоты приводит к увеличению зарядной мощности и электрического сопротивления кабелей и, как следствие, к увеличению потерь энергии. В судовых установках электрооборудование повышенной частоты применяется на судах на подводных крыльях, воздушной подушке, экранопланах, где мощности СЭЭС небольшие, а снижение массы и габаритных размеров электрооборудования является особенно актуальным. 3. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Как правило, проектирование СЭЭС, после выбора рода тока и значений напряжения и частоты, начинают с расчета величины требуемых генерирующих мощностей для всех расчетных режимов работы судна. Существуют несколько методов расчета мощности СЭС: эмпирический метод нагрузочных таблиц (табличный метод), вероятностно-статистический метод, аналитический метод и ряд других. Однако, наибольшее распространение получил табличный метод благодаря наглядности и возможности анализа работы любого отдельного механизма или приемника электроэнергии во всех расчетных режимах работы судна. К недостаткам этого метода следует отнести неопределенность выбора некоторых коэффициентов, что ведет к неточностям при определении мощности СЭС. В процессе эксплуатации судна состав потребителей электроэнергии, режимы работы СЭЭС и потребляемая мощность меняются в широких пределах. В тоже время СЭС должна быть спроектирована так, чтобы во всем диапазоне изменения нагрузки загрузка генераторов была, по возможности, близка к оптимальной. В табличном методе это достигается за счет того, что расчет нагрузок СЭС производится для наиболее характерных эксплуатационных режимов судна. К этим режимам, согласно Речному Регистру, относятся: стояночный, ходовой, маневровый, специальный (в соответствии с назначением судна) и аварийный при работе основной СЭС (пожар, получение судном пробоины). Во всех случаях в таблице определения мощности должны быть обязательно предусмотрены характерные для проектируемого судна режимы с наибольшей и наименьшей загрузкой СЭС. Сопоставление значений мощностей во всех расчетных режимах позволяет выбрать оптимальный состав СЭС по типу, количеству и мощности генераторных агрегатов. Табличным метод назван потому, что в его основе лежит составление таблицы нагрузок в расчетных эксплуатационных режимах судна. Рассмотрим порядок составления таблицы нагрузок генераторов СЭС переменного тока (таблица 3.1). В 1-й графе таблицы должны быть перечислены все механизмы – потребители электроэнергии, имеющиеся на судне (мелкие потребители, например, лампы освещения, некоторые бытовые приборы и т.п. могут быть объединены одной строчкой). При этом целесообразно разбить потребителей на следующие группы: 1) палубные механизмы; 2) системы, обслуживающие силовую установку; 3) общесудовые системы; 4) судовое освещение, прожекторы и сигнально-отличительные огни; 5) приборы автоматики, радиооборудование и электронавигационные приборы; 6) прочие потребители. Такое распределение позволяет наглядно представить работу отдельных механизмов и потребителей электроэнергии, а также их взаимосвязи в различных режимах работы судна. В графах 2-8 указываются все необходимые параметры этих потребителей: - количество однотипных механизмов (оборудования); - расчетная (номинальная) мощность механизма (потребителя) Рр, кВт Таблица 3.1 – Расчет нагрузки генераторов СЭС переменного тока
Таблица 3.1 (продолжение)
- тип потребителя электроэнергии; - установленная номинальная мощность потребителя (электродвигателя) Ру, кВт; - коэффициент использования kи, определяемый как  . (3.1)Коэффициент использования для электродвигателя kи отражает несоответствие его выбранной номинальной мощности расчетному значению мощности механизма вследствие имеющихся ограничений на типоразмеры двигателей, выпускаемых промышленностью (т.е. выбор мощности электродвигателя по "ближайшему большему значению"). Для прочих потребителей kи принимается равным 1; - номинальный к.п.д. двигателя ном; - номинальный коэффициент мощности cosн и tgн, определяемый по известным тригонометрическим формулам:  или tgн=tg(arccosн) (3.2)Далее в таблице рассматривается работа каждого потребителя в расчетных режимах работы судна. За графой 16 следуют графы 17-24, 25-32 (и так далее) для каждого расчетного режима. Краткая характеристика режимов приводится ниже. Стоянка у причала или на якоре. Для транспортных судов этот режим может подразделяться на два режима: 1) стоянка без грузовых операций (или без пассажиров); 2) стоянка с грузовыми операциями (или с пассажирами). В режиме стоянки без грузовых операций (без пассажиров) на судне находится небольшая часть экипажа, которая может заниматься профилактическими работами и осмотром. При этом работает незначительное количество потребителей электроэнергии: часть средств связи (судовая трансляция), освещения и отопления, камбузного оборудования, оборудования мастерских. Также могут работать некоторые потребители общесудовых систем, например, санитарный насос, осушительный насос для сбора и перекачки подсланевых вод. В этом режиме не работают главные двигатели и их вспомогательные механизмы, а также палубные механизмы. Нагрузка электростанции в таком режиме, как правило, является наименьшей. В режиме стоянки с грузовыми операциями, кроме всех перечисленных потребителей, работают погрузо-разгрузочные средства: судовые краны или лебедки, грузовые насосы, транспортеры, лифты и т.д. А ночью полностью используется наружное освещение с добавлением специальных многоламповых люстр для освещения мест погрузки и выгрузки. На судне при этом находится весь экипаж, а на пассажирских судах – и все пассажиры, для которых должны быть созданы все необходимые бытовые условия. Режим маневрирования. Термин "маневрирование" может включать в себя различные варианты работы судна: подъем якоря, маневрирование при шлюзовании или при подходе к причалу, швартовка и т.д. Общим для всех этих случаев является интенсивная работа таких судовых механизмов, как брашпили и шпили, рулевое устройство, включение на некоторых судах подруливающих устройств или буксирных лебедок. В этом режиме могут включаться механизмы судовых систем и устройств, а в ночное время – также и освещение, внутреннее и наружное. При этом судно полностью подготовлено к ходовому режиму: силовая установка работает с малой мощностью, работают обслуживающие ее механизмы, на судне находится весь экипаж и все пассажиры. Этот режим является одним из наиболее тяжелых для СЭС. Ходовой режим. Для транспортных судов этот режим считается наиболее длительным по времени. В ходовом режиме работают механизмы судовых систем, главные двигатели, а значит и вспомогательные механизмы, обслуживающие их. Из палубных механизмов работает рулевое устройство, а на буксирных судах – автоматическая буксирная лебедка. В этом режиме включается аппаратура автоматики и дистанционного управления главными двигателями, радиооборудование, электронавигационное оборудование, включается освещение и сигнально-осветительные огни, работают бытовые потребители, нагревательные приборы, в том числе и камбузные электроплиты, т.е. создается полный комфорт для экипажа и пассажиров. Таким образом, работает бóльшая часть потребителей электроэнергии, за исключением аварийных, резервных, швартовых, погрузочных, спасательных и других специализированных средств. Аварийный режим. Под аварийным режимом понимается не авария на СЭС, а авария судна – т.е. пожар, получение им пробоины или посадка на мель, а также участие в аварийно-спасательных работах. Так как заранее трудно предвидеть, какой характер будет иметь авария, приходится рассчитывать на самый тяжелый случай, при котором для ликвидации аварии потребуется совместная работа многих механизмов, обычно одновременно не работающих. В первую очередь должны включаться пожарные и осушительные насосы, при этом необходимо предусмотреть одновременную их работу. Могут работать вспомогательные механизмы главных двигателей, а также многие палубные механизмы: рулевое устройство, брашпиль или шпиль, буксирная лебедка, включаются электродвигатели шлюпочных лебедок. В аварийном режиме можно отказаться от работы механизмов, обеспечивающих комфорт для экипажа и пассажиров (камбуза, общесудовой вентиляции, отопления, бытового оборудования и др.). Однако несмотря на это, нагрузка на генераторы СЭС в этом режиме остается очень высокой – аварийный режим является одним из самых тяжелых. Специальные режимы. Для судов специального назначения, таких, как буксиры, рефрижераторы, рыболовные суда, а также для судов технического флота – земснарядов, плавкранов и т.д. в таблице нагрузок должны рассматриваться, кроме общих, также и соответствующие специальные режимы. Так, для буксиров – ход с составом и без состава, для рефрижераторных судов – режим замораживания груза и режим поддержания заданной температуры, для рыболовных судов – ход с промыслом, для земснарядов – режим папильонирования, траншейной работы, уход с фарватера и т.д. Во всех специализированных режимах включаются механизмы, обеспечивающие выполнение соответствующих функций судна – буксирные и тральные лебедки, компрессоры рефрижераторных устройств, папильонажные и становые лебедки, разрыхлители грунта и т.д. Эти механизмы могут иметь значительную мощность и создавать максимальную нагрузку для СЭС. Следует отметить, что расчет СЭС необходимо производить с учетом плавания судна в наиболее холодное время года, т.е. осенью, в темное время суток, когда включаются приборы отопления и освещения. В таблице, для каждого расчетного режима работы судна предусмотрены графы (9-16 и т.д.) для следующих величин: - коэффициент загрузки механизма kзм, характеризующий отношение фактически потребляемой мощности к расчетной. Как правило, kзм всегда меньше 1,0. Так как обычно механизмы рассчитывают на полную мощность при наиболее тяжелом режиме работы, в нормальных же режимах их нагрузка меньше. Например, брашпиль рассчитывают на подъем якоря с максимальной глубины стоянки, обычно же эта глубина значительно меньше; пожарный насос работает на полную мощность в аварийном режиме, а в других режимах может использоваться для приборки на палубе, обмывки якорей, т.е. имеет нагрузку значительно меньшую номинальной и т.д. Величина kзм не может быть определена точно и дается для различных механизмов и режимов работы эмпирически, исходя из опыта эксплуатации тех или иных судов. Ориентировочные значения коэффициентов загрузки судовых механизмов транспортных судов приведены в таблице 3.2 [3]. - общий коэффициент загрузки kз, который определяется произведением коэффициента использования kи и коэффициента загрузки механизма kзм: kз=kиkзм, (3.3) (подсчитанные значения kз округляют с точностью до 0,05); - коэффициент одновременности работы однотипных механизмов ko, показывающий отношение числа одновременно работающих однотипных механизмов или оборудования к общему числу в данной группе. При наличии только одного механизма или оборудования в данной группе ko=1. При установке, например, двух однотипных компрессоров или пожарных насосов ko будет показывать число их, работающих одновременно, т.е. ko=0,5 (работает один) или ko=1 (работают два). Если из двух однотипных потребителей один является резервным, то для них во всех режимах ko=0,5. Например, при наличии на судне двух пожарных насосов только в аварийном режиме ko=1, в остальных режимах, где он может использоваться, ko=0,5. - коэффициент совместной работы потребителей kс.р. В течение каждого расчетного режима некоторые потребители (в зависимости от особенностей собственного режима работы) могут неоднократно включаться и отключаться. Это приводит к снижению фактически Таблица 3.2 – Значения коэффициентов загрузки судовых механизмов
Таблица 3.2 (продолжение)
потребляемой мощности по сравнению с общей мощностью, полученной арифметическим сложением. Значения kс.р. различны и определяются характером работы механизмов и оборудования во времени. Для потребителей, работающих постоянно в течении всего времени рассчитываемого режима, kс.р.=0,91. Для потребителей, работающих периодически, т.е. включаемых и выключаемых несколько раз в час (электроприводы санитарных насосов, холодильников, крановых механизмов и т.д.), значение коэффициента совместной работы меньше, т.е. kс.р.=0,50,8. Для потребителей, работающих эпизодически, т.е. редко включаемых на небольшой промежуток времени, значение коэффициента совместной работы еще меньше, а именно kс.р.=0,10,4. - коэффициент полезного действия электродвигателя ' при загрузке, соответствующей расчетному режиму работы судна; - коэффициент мощности электродвигателя cos', при загрузке, соответствующей расчетному режиму работы судна. Необходимость введения в каждый расчетный режим таблицы дополнительно значений ' и cos' определяется тем, что в различных режимах работы они не остаются постоянными вследствие изменения загрузки двигателей. При kз>0,75 (75%) допустимо принимать значение ' и cos' равными их номинальным величинам. При kз<0,75 ' и cos' берутся в зависимости от загрузки из таблицы по каталогу электродвигателей, в которых эти значения показаны для 25%, 50%, 75%, 100% и 125% номинальной (паспортной) мощности. Для двигателей серии МАП эти значения даны в приложении А, а для двигателей серии 4А – в справочнике [4]. В тех случаях, когда найденное значение kз находится в интервале между этими значениями (например, 0,4; 0,6), действительную величину ' и cos' определяют путем интерполяции. Можно рекомендовать также аналитические выражения для определения ' и cos' при частичных нагрузках. Для коэффициента полезного действия [3]:  , (3.4)где н – номинальный к.п.д. электродвигателя (графа 7 в таблице 3.1); kз – общий коэффициент загрузки электродвигателя (графа 10 в таблице 3.1); - коэффициент потерь, для большинства электродвигателей можно считать =1. При допущении постоянства потребляемой реактивной мощности, т.е. при условии, что реактивная мощность, необходимая для возбуждения машины, не изменяется при различных нагрузках машины, можно получить следующее выражение для определения cos':  (3.5)- активная мощность Р (кВт), потребляемая приемником (или группой однотипных приемников) электроэнергии в расчетном режиме:  , (3.6)где n – количество однотипных приемников электродвигателя (графа 3 в таблице 3.1). - реактивная мощность Q (кВАр), потребляемая приемником (или группой однотипных приемников) в расчетном режиме: Q=Рtg'. (3.7) Для определения общей мощности СЭС в каждом расчетном режиме суммарная мощность потребителей умножается на коэффициент 1,05, который учитывает потери энергии в электрической сети. Таким образом, суммарное значение мощности, потребляемой всеми приемниками в расчетном режиме, определяется как: Рреж=1,05Р, (3.8) Qреж=1,05Q. Получив результирующее значение активной мощности по каждому режиму, необходимо проверить, не превосходит ли мощность отдельного наиболее крупного потребителя, работающего в этом режиме (Pi maxkз), суммарную мощность Рреж (особенно при малых значениях коэффициента совместной работы kс.р.). Если Pi maxkз>Рреж, то за общую суммарную мощность в расчетном режиме необходимо принимать Pi maxkз. Для того, чтобы иметь представление о степени загруженности генераторов реактивной мощностью, в каждом режиме необходимо определить средневзвешенный коэффициент мощности:  , (3.9)где Sреж – полная мощность расчетного режима (кВА), определяемая как  . (3.10)Если средневзвешенный коэффициент мощности больше, чем номинальный коэффициент мощности генераторов, предполагаемых к установке (номинальный cos генераторов обычно равен 0,8), то выбор генераторов производится по их активной мощности Рреж. В противном случае выбор генераторов должен производиться по их полной мощности Sреж. В предпоследней строке таблицы вначале указывается тип, мощность и общее количество выбранных генераторов, а затем мощность и количество генераторов, работающих в каждом режиме (выбор числа и мощности генераторных агрегатов рассматривается в разделе 4). В последней строке для оценки степени загруженности выбранных дизель-генераторов по активной мощности подсчитывается коэффициент загрузки  , где Рг - сумма номинальных мощностей генераторов, работающих в расчетном режиме.В случае проектирования СЭС постоянного тока форма таблицы нагрузок значительно упрощается. Исключаются вертикальные графы для значений cos и Q. Могут не включаться в отдельных режимах значения к.п.д., так как они остаются неизменными в достаточно широком диапазоне изменения нагрузок. В остальном же вид таблицы и порядок ее составления остается без изменений. 4. ВЫБОР ЧИСЛА И МОЩНОСТИ ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И АВАРИЙНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||