Учебное пособие (Часть1). В. М. Зырянов, О. П. Кузьменков, А. Б. Мосиенко Основы расчета и проектирования
Скачать 2.59 Mb.
|
4.1. Выбор количества и мощности генераторных агрегатов основной электростанции Значения расчетной нагрузки (Рреж, Qреж, Sреж) для каждого из режимов работы судна, полученные в предыдущем разделе, позволяют приступить к выбору количества и номинальной мощности основных генераторных агрегатов СЭС. Прежде всего, необходимо определить тип проектируемой СЭЭС. В общем случае СЭЭС можно классифицировать по двум признакам: 1) количеству электростанций, входящих в состав СЭЭС; 2) связи СЭЭС с силовой установкой судна. По первому признаку СЭЭС делятся на системы с одной, двумя, тремя и бóльшим количеством электростанций. По второму – на автономные, с отбором мощности от главной силовой установки и объединенные с главной силовой установкой. Чаще всего на судах применяются СЭЭС, состоящие из двух электростанций, одна из которых является основной, вторая – аварийной. СЭЭС с несколькими основными электростанциями имеет бóльшую степень живучести по сравнению с СЭЭС с одной основной электростанцией, но является более сложной, дорогой и применяется, как правило, только на крупных морских судах и военных кораблях. Если источниками электрической энергии СЭЭС являются дизель-генераторы или турбогенераторы, такая система называется автономной или системой с независимыми источниками. Если для привода одного или нескольких генераторов используются двигатели главной силовой установки, такая СЭЭС называется системой с отбором мощности от силовой установки. Применение таких систем целесообразно на тех судах, на которых ходовой режим занимает бóльшую часть эксплуатационного времени при незначительных колебаниях скорости главного двигателя. Это дает возможность сократить время работы независимых источников электроэнергии, сохранить их моторесурс и уменьшить эксплуатационные расходы. Основным недостатком систем отбора мощности является зависимость их работы, а следовательно и качества электроэнергии, от скорости вращения главного двигателя. Комбинированной называется СЭЭС, объединенная с электроэнергетической установкой, обеспечивающей ход судна. Комбинированная СЭЭС применяется, в основном, на самоходных судах технического флота (плавкранах, земснарядах и др.), где значение мощности, необходимой для работы технологического оборудования, соизмеримо с мощностью, требуемой для движения судна, а также на других судах с электродвижением. Правильный выбор числа и мощности генераторных агрегатов имеет важное значение, так как предопределяет экономичность работы станции и рациональное построение структуры СЭЭС в целом. При этом руководствуются следующими соображениями: 1. Количество и номинальные мощности генераторов должны быть такими, чтобы коэффициент загрузки Кзагр каждого работающего генератора при работе в наиболее длительных режимах эксплуатации (стоянке без грузовых операций и ходовом) был не менее 70-80%. Такая загрузка дизель-генераторов обеспечивает их наибольший к.п.д. и наименьший расход топлива. 2. При выборе мощности генераторов следует предусмотреть возможность неравномерного распределения нагрузок между параллельно работающими генераторами и запас на увеличение количества и мощности потребителей в процессе эксплуатации судна. Поэтому необходимо выполнить условие: РгРреж/0,8. (4.1) 3. В соответствии с Речным Регистром, на каждом самоходном судне должно быть предусмотрено не менее двух основных источников энергии. Если этими источниками являются генераторы, то хотя бы один из них должен иметь собственный независимый привод. При этом мощность основных источников электрической энергии должна быть такой, чтобы при выходе из строя любого их них оставшиеся обеспечивали возможность питания ответственных устройств в следующих режимах: ходовом, маневрировании, аварийном [2]. 4. При выборе числа и мощности генераторов надо стремиться к установке агрегатов, равных по мощности и одинаковых по конструкции, что облегчает эксплуатацию станции, позволяет выровнять расход моторесурсов каждым агрегатом, унифицировать потребность в запасных частях и повысить статическую и динамическую устойчивость параллельной работы генераторов. 5. Для уменьшения себестоимости вырабатываемой электроэнергии и более рационального использования моторесурса дизель-генераторов возможна установка дополнительного дизель-генератора для питания в режиме стоянки без грузовых операций (стояночного дизель-генератора). 6. В ходовом режиме в качестве основного источника электроэнергии могут применяться генераторы с приводом от гребного вала (валогенераторы). В соответствии с Правилами Речного Регистра привод от главных нереверсивных двигателей, работающих с изменяющейся частотой, допускается при условии обеспечения регулирования напряжения в пределах 85-105 % от номинального значения, а частоты – в диапазоне 45-52,5 Гц [2]. Таким образом, можно считать, что число генераторных агрегатов СЭС в большинстве случаев должно быть в пределах 2-4. Основные данные дизель-генераторов приведены в приложении Б. 4.2. Выбор количества и номинальной мощности трансформаторов В современных СЭС переменного тока применяют преимущественно напряжение 380 В. Для питания части потребителей судна напряжением 220 или 127 В устанавливают судовую трансформаторную подстанцию. Выбор трансформаторов производится, в основном, по количеству фаз, напряжению (на входе и выходе) и мощности. Выбор трансформаторов по напряжению производится в зависимости от их назначения. Выбор по мощности – на основании расчета. Если трансформатор питает одноименные потребители электрической энергии, например освещение, то мощность его выбирается по режиму, соответствующему наибольшей нагрузке, принятой в таблице нагрузок генераторов. Если трансформатор питает ряд разноименных потребителей, то для определения его мощности необходимо составить таблицу нагрузок данного трансформатора по режимам, аналогично таблице нагрузок генераторов. Трансформаторы выбираются по полной мощности исходя из условия (4.2) где Sтр.ном – номинальная мощность трансформатора; Sобщ. – общая потребляемая мощность. В соответствии с Правилами Речного Регистра [2] на судах, где сети освещения и ответственные устройства питаются через трансформаторы, должно быть предусмотрено не менее двух трансформаторов такой мощности, чтобы при неисправности самого большого из них остальные были в состоянии обеспечить полную потребность в электрической энергии во всех режимах работы судна. Основные параметры трансформаторов приведены в приложении В. 4.3 Выбор аварийного источника электроэнергии Аварийным называется источник электрической энергии, предназначенный для питания наиболее ответственных судовых потребителей (таблица 4.1) при исчезновении напряжения на главном распределительном щите [2]. В качестве источников электроэнергии аварийной электростанции могут использоваться дизель-генераторы или аккумуляторные батареи. Мощность аварийного источника определяется суммарной мощностью, которую потребляют аварийные приемники электроэнергии. По Правилам Речного Регистра [2] оборудование судов аварийным источником электрической энергии должно производиться в соответствии с таблицей 4.2. На пассажирских и грузопассажирских судах всех классов, оборудованных аварийным дизель-генератором, должна быть предусмотрена аккумуляторная батарея в качестве аварийного кратковременного источника электрической энергии, т.е. источника электрической энергии, предназначенного для питания (в течение не менее 30 мин) самых необходимых судовых потребителей (таблица 4.1) с момента исчезновения напряжения от основного источника до появления напряжения от аварийного дизель-генератора. Расчет мощности аварийного дизель-генератора или емкости аварийных аккумуляторных батарей производится путем составления таблицы (таблица 4.3), в которую включаются все аварийные потребители, перечисленные в таблице 4.1. По значению суммарной мощности 1,05Р выбирают мощность аварийного источника. Если в качестве аварийного источника берутся аккумуляторные батареи, то их емкость определяется с учетом потерь в сети 10% по выражению: , Ачас, (4.3) где t – нормированное время работы батареи, определяемое из таблицы 4.2, час; U – номинальное напряжение аварийной батарей, В; k1 – коэффициент саморазряда батареи (k1=0,80,85). Таблица 4.1 – Аварийные потребители электроэнергии
Таблица 4.1 (продолжение)
В некоторых случаях на малых судах устанавливают аккумуляторные батареи комбинированного назначения – для аварийного освещения и стартерного пуска главных или вспомогательных двигателей. В этом случае необходимо определить емкость для стартерного режима: , Ачас, (4.4) где Iст – пусковой ток стартера; tп – продолжительность каждого пуска, 5 с; n – число последовательных пусков (не менее 10 последовательных пусков каждого главного двигателя и не менее 6 – вспомогательного [2]); k1 – коэффициент саморазряда батареи k1=0,80,85; k2 – коэффициент снижения емкости батареи вследствие пусковых токов, k2=0,85. Общая емкость аккумуляторной батареи комбинированного назначения: Q=Qав+Qст. (4.5) Обычно приходится устанавливать несколько аккумуляторных батарей, для повышения напряжения их соединяют в группы последовательно, для повышения общей емкости несколько групп соединяют параллельно. Технические характеристики аккумуляторов приведены в приложении Г. Таблица 4.2 – Аварийные источники электроэнергии для разных типов судов
Таблица 4.3 – Расчет нагрузки аварийного источника электроэнергии
5. ПРОВЕРКА ГЕНЕРАТОРОВ ПО ПРОВАЛУ НАПРЯЖЕНИЯ Одно из требований, предъявляемых к СЭС: обеспечить необходимое качество электрической энергии. Так, к системе регулирования напряжения генераторов переменного тока Правилами Речного Регистра [2] предъявляется следующее требование: внезапное изменение симметричной нагрузки генератора, работающего при номинальных частоте вращения и напряжении, не должно вызывать снижения напряжения ниже 85 % и повышения выше 120 %. После этого напряжение генератора должно восстанавливаться до номинального значения в течении не более 1,5 с с отклонением не более 3 %. Снижение величины напряжения, т.е. его провал, зависит от значения и характера включаемой нагрузки и параметров генератора, а характер восстановления напряжения определяется, в основном, параметрами регулятора напряжения. Наиболее характерным примером внезапного наброса симметричной нагрузки для судовой электростанции является подключение к ее шинам асинхронного короткозамкнутого двигателя с мощностью, соизмеримой с мощностью генератора (или параллельно работающих генераторов). Проверку генератора на провал напряжения необходимо делать в случае выполнения следующего условия: Рд.ном0,25Рг.ном, где Рд.ном – номинальная активная мощность подключаемого электродвигателя; Рг.ном – номинальная активная мощность генератора(ов) в соответствующем расчетном режиме. П ри определении максимального провала напряжения, характер изменения напряжения генератора при пуске асинхронного двигателя представляют как наложение двух процессов понижения напряжения генератора без регулятора (кривая 1 на рисунке 5.1) и повышения напряжения генератора под действием регулятора (кривая 2), дающих результирующую кривую 3. Кривая 3 характеризуется мгновенным снижением напряжения генератора на Uнач, минимальным значением напряжения Umin и максимальным провалом напряжения Umax при tmin, а также полным временем восстановления напряжения tв до первоначального значения. Рисунок 5.1 – Кривые изменения напряжения синхронного генератора после наброса нагрузки В целях упрощения расчетов приняты следующие допущения: 1) генератор до пуска двигателя работал на холостом ходу; 2) пусковой ток двигателя чисто индуктивный; 3) учитываются только индуктивные сопротивления переходного (x'd) и установившегося (xd) режимов, а также соответствующие им э.д.с. генератора (E'd, Ed). Величина мгновенного снижения напряжения при пуске асинхронного двигателя и установившееся его значение (без учета действия регулятора) определяются как [5] , (5.1) , (5.2) где ; E'd, Ed – соответственно э.д.с. переходного и установившегося режимов (E'd=Ed=1 о.е.); x'd, xd – индуктивные сопротивления обмотки статора генератора, соответствующие переходному и установившемуся режимам; хдв – индуктивное сопротивление двигателя. Индуктивное сопротивление двигателя в относительных единицах, приведенное к номинальным условиям генератора(ов), определяется по формуле , (5.3) где Sг.ном – полная номинальная мощность генератора(ов), кВА; Uг.ном – номинальное напряжение генератора, В; Sд.ном – полная номинальная мощность двигателя, кВА; Uд.ном – номинальное напряжение двигателя; kпуск – кратность пускового тока двигателя (kпуск5). Полная номинальная мощность, потребляемая асинхронным электродвигателем, определяется как , (5.4) где Р2ном – номинальная мощность на валу двигателя, кВт; ном, cosн - номинальные к.п.д. и коэффициент мощности двигателя. Уравнение для определения минимального значения напряжения генератора при пуске асинхронного двигателя имеет следующий вид: , (5.5) где - постоянная времени обмотки возбуждения генератора при замкнутой обмотке статора на сопротивление хдв; Тd0 – постоянная времени обмотки возбуждения при разомкнутой обмотке статора генератора, с; К – коэффициент, характеризующий скорость нарастания напряжения возбуждения (для генераторов с самовозбуждением К=1520); tmin – время, при котором напряжение генератора достигает своего минимального значения (рисунок 5.1), определяется по формуле: . (5.6) Максимальный провал напряжения находится из выражения Umax=(1Umin)100 %. (5.7) Определение провалов напряжения при пуске двигателей необходимо производить для наиболее тяжелых условий, т.е. при минимально возможном числе работающих генераторов. В тех случаях, когда Umax15 %, необходимо предусмотреть меры для снижения пускового тока двигателя (переключение обмоток статора со звезды на треугольник, введение сопротивления в цепь статора, выбор двигателя другого типа), а если это невозможно – изменить комплектацию СЭС, заменив генераторы на более мощные. Для случая переключения обмоток двигателя со звезды на треугольник в уравнении (5.3) необходимо разделить Uг.ном на и произвести повторный расчет. Расчет провала напряжения производится в относительных единицах. В справочных данных генераторов значения сопротивлений (кроме активных) даны в относительных единицах. При этом за базисные значения взяты номинальные мощность (Sг.ном) и линейное напряжение (Uг.ном). Необходимые данные по судовым синхронным генераторам приведены в приложении Д. 6. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И схемы ГЛАВНОГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО ЩИТА Проектирование СЭЭС всегда включает в себя разработку схемы ее основных цепей, по которым электрическая энергия от генераторов (трансформаторов) подводится к потребителям. Основой для разработки структурной схемы СЭЭС являются тип и состав основной и аварийной электростанций, выбор которых был произведен в четвертом разделе, а также требования Правил Речного Регистра. Каждую СЭЭС можно условно разделить на следующие основные функциональные части: - электростанции (основная и аварийная), состоящие из генераторов и распределительных щитов, предназначенных для распределения электрической энергии; - электрические сети, состоящие из линий электропередачи и групповых щитов, предназначенных для распределения электрической энергии по приемникам. 6.1 Структурная схема распределительных сетей судна Составной частью СЭЭС являются электрические сети, вид которых во многом определяет структуру ГРЩ и в целом СЭЭС. Линии электропередачи, входящие в электрические сети, подразделяются на фидеры и магистрали. Фидером называют линию электропередачи, включенную между двумя любыми распределительными щитами или между распределительным щитом и отдельным приемником. Магистралью называют линию электропередачи, к которой по ее длине подключаются параллельно несколько распределительных щитов или отдельных приемников электроэнергии. На практике сети обычно подразделяют на фидерные и магистральные в зависимости от преимущественного количества одних или других линий в них. При равном количестве тех и других сеть называют фидерно-магистральной. Сравнивая фидерные и магистральные СЭЭС, можно отметить, что СЭЭС, имеющая фидерную сеть распределения электроэнергии, обеспечивает более высокую надежность электроснабжения приемников. Применение магистралей дает возможность уменьшить габариты ГРЩ и сократить количество кабельных трасс, что существенно снижает расход кабеля и трудоемкость электромонтажных работ. СЭЭС с фидерно-магистральным распределением электроэнергии в отношении бесперебойности электроснабжения занимает промежуточное положение между СЭЭС с фидерным и СЭЭС с магистральным распределением. Однако, если в системе через фидеры питаются наиболее ответственные и мощные приемники электроэнергии, а через магистрали – второстепенные, то она по бесперебойности электроснабжения приближается к фидерной. По Правилами Речного Регистра [2] непосредственно от шин ГРЩ должны получать питание по отдельным линиям (фидерам) следующие ответственные потребители: 1) электрические приводы рулевого устройства; 2) электрические приводы якорного устройства; 3) электрические приводы пожарных насосов; 4) электрические приводы осушительных насосов; 5) электрические приводы компрессоров; 6) гирокомпас; 7) щит холодильной установки грузовых трюмов; 8) устройства систем возбуждения гребной электрической установки; 9) щиты основного освещения; 10) щит радиостанции; 11) щит навигационных приборов; 12) щит сигнально-отличительных фонарей; 13) секционные щиты и распределительные устройства питания других потребителей ответственного назначения, объединенных по принципу однородности выполняемых ими функций; 14) распределительные устройства, встраиваемые в объединенные пульты управления судном; 15) щит станции автоматической сигнализации обнаружения пожара; 16) электрические приводы технических средств, обеспечивающих работу главной энергетической установки; 17) электрические приводы грузовых, швартовных, шлюпочных и других устройств, вентиляции и нагревательных приборов; 18) зарядное устройство стартерных и аварийных батарей, питающих ответственные устройства. Если на судне предусмотрено не менее двух технических средств одного и того же назначения, имеющих электрические приводы, перечисленные выше, то по меньшей мере один из этих электрических приводов должен получать питание по отдельной линии от ГРЩ. На электрические приводы остальных таких технических средств допускается подавать питание от секционных щитов или специальных распределительных устройств, предназначенных для питания ответственных потребителей [2]. Далее, в соответствии с типом СЭЭС и вышеизложенными рекомендациями, необходимо разработать структурную схему сетей распределения электроэнергии. Сопроводительную информацию по разработанной структуре необходимо свести в таблицу. В качестве примера, на рисунке 6.1 приведена структурная схема СЭЭС с двумя электростанциями (основной и аварийной), дополнительная информация по которой сведена в таблицу 6.1. В расчетно-пояснительной записке необходимо привести краткое описание к разработанной структурой схеме СЭЭС. G1-G3 – генераторы основной электростанции; G4 – генератор аварийной электростанции; Д1-Д4 – приводные двигатели (дизели); ЩПБ – щит питания с берега; ГРЩ, АРЩ – главный и аварийный распределительные щиты; КМ – шиносоединительный контактор. Рисунок 6.1 – Схема электрическая структурная СЭЭС Таблица 6.1 – Распределение электроэнергии по потребителям
6.2 Структурная схема главного распределительного щита При разработке схем электрических станций и подстанций исходят из того, что схемы должны удовлетворять требованиям надежности, гибкости, удобства эксплуатации и экономичности, а также предусматривать: - параллельную работу генераторов, установленных на электростанции; - раздельную работу отдельных генераторов, каждый из которых подключается к отдельной секции сборных шин; - защиту генераторов и линий электропередачи от ненормальных режимов работы; - прием питания с берега или от других судов; - передачу электроэнергии к другим электростанциям СЭЭС (основной или аварийной); - возможность выполнения профилактических осмотров и ремонтов ГРЩ, при снятом напряжении с отдельных участков схемы. Далее, в соответствии с вариантом задания, составом СЭС (определенном в четвертом разделе) и нижеприведенными рекомендациями, необходимо разработать и представить структурную схему ГРЩ с описанием ее работы и необходимыми пояснениями. Ниже приведены некоторые практические рекомендации по разработке структурных схем ГРЩ. Секционирование сборных шин, т.е. деление их на несколько независимых частей (секций), каждая из которых имеет свой источник питания. Так, для ремонта шин и выключателей линий при секционировании сборных шин достаточно вывести из работы только одну секцию станции. При этом сохраняется нормальная работа других секций с подключенными к ним генераторами и потребителями. По Правилами Речного Регистра [2], если сборные шины на ГРЩ разделены на секции, имеющие межсекционные разъединительные устройства, то электрические приводы технических средств, дублирующих друг друга, одноименные специальные распределительные устройства, пульты или те же объекты, питаемые по двум линиям, должны быть подключены к разным секциям ГРЩ, разнесенным на достаточное расстояние друг от друга. Автоматическое включение резерва т.е. автоматическое переключение приемника с одной линии на другую при потере напряжения на питающей секции обеспечивает дополнительную надежность в электроснабжении приемников. Такое подключение целесообразно применять для наиболее ответственных потребителей. Секция шин с неответственными потребителями. В схемах ГРЩ довольно часто все или часть неответственных потребителей (т.е. потребителей, не вошедших в категории аварийных и ответственных) выносятся на отдельную секцию сборных шин. Такое объединение потребителей значительно облегчает автоматическую разгрузку генераторов. Секция шин потребителей, работающих при стоянке без грузовых операций. На современных судах всех типов на время стоянки в порту предусматривается электроснабжение с берега. Для передачи электроэнергии на шины ГРЩ предусматривают кабельную линию, связывающую ГРЩ с щитом питания с берега (ЩПБ). Присоединение потребителей, работающих в режиме стоянки судна, должно быть таким, чтобы, не нарушая их работу при электроснабжении с берега, можно было снять напряжение с любой из секций шин ГРЩ. Поэтому следует стремиться к объединению потребителей режима стоянки на одну специально выделенную секцию с подсоединенной к ней линией питания с берега. Секция шин трансформаторной подстанции судна. Как правило, судовую трансформаторную подстанцию объединяют с ГРЩ основной станции. Причем, сборные шины подстанции напряжением 220 или 127 В являются изолированными секциями сборных шин ГРЩ. Как говорилось ранее, на судах, где сети освещения и ответственные устройства питаются через трансформаторы, должен быть предусмотрен резервный трансформатор (раздел 4.2). Если применяется секционированная система сборных шин, то трансформаторы должны быть подключены к разным секциям. Связь основной станции с аварийной. Если на судне установлена аварийная электростанция (АС), то ее сборные шины соединяют кабелем со сборными шинами ГРЩ судовой станции (рисунок 6.1). В нормальном режиме работы СЭС питание аварийных потребителей осуществляется через шины АС от основных источников электроэнергии (через шиносоединительные контакторы). При потере напряжения на кабеле, питающем АС от шин ГРЩ, автоматически запускается аварийный дизель-генератор, и прерванное питание аварийных потребителей возобновляется, но теперь уже непосредственно от шин АС. Для иллюстрации рассмотренных рекомендаций на рисунке 6.2 приведен один из возможных вариантов принципиальной схемы СЭС средней мощности переменного тока напряжением 380 В. В схеме при перегрузке генераторов предусмотрено автоматическое отсоединение выключателем QF2 потребителей третьей категории (секция 4), предусмотрено секционирование шин основной станции выключателем QF1 и переключателем QS и секционирование шин подстанции выключателем QF3. Трансформаторы получают питание от секций 2 и 3. К секции 3 подведена линия электроснабжения с берега (через ЩПБ). К этой секции, а также к секции 4 подключены все потребители стояночного режима. В режиме стоянки, при электроснабжении судна с берега, переключатель QS разомкнут, что позволяет эксплуатационному персоналу выполнять ремонт, замену и регулировку оборудования, а также профилактические работы при снятом напряжении с секций 1 и 2 сборных шин. Переключатель QS позволяет также, переключив секции 3 и 4 на одну из генераторных секций, снять напряжение с другой секции, предварительно отключив выключатель QF1, что дает возможность выполнять ремонтные работы и профилактические осмотры при снятом напряжении не только на стоянке, но и на ходу судна, что очень важно. Однако, очевидно, что снять напряжение с секции 1 или 2 в ходовом режиме можно лишь в схемах, где основные и резервные потребители ходового режима подключены к секциям так, что при снятом напряжении с одной из секций ход судна и управление им не нарушаются. Аварийные потребители присоединены к шинам АЭС (секция 5), и в нормальных условиях работы их питание обеспечивается от шин ГРЩ основной электростанции, а в аварийном режиме – от шин АЭС. При потере напряжения на шинах ГРЩ автоматически срабатывают контакторы цепи управления (размыкается КМ1 и замыкается КМ2) и запускается аварийный дизель-генератор. Если на станции не два основных генератора, а больше, то для каждого из них должна быть предусмотрена генераторная секция. В расчетно-пояснительной записке к курсовому проекту, в схеме ГРЩ все отходящие линии (фидеры) должны иметь обозначения такие же, как и на структурной схеме СЭЭС, разработанной в предыдущем разделе, и подключаться к секциям, в соответствии с приведенными в этом разделе рекомендациями. Также необходимо дать краткое описание работы схемы ГРЩ. 7. Расчет электрических сетей После разработки структуры электрических сетей, соединяющих распределительные щиты с приемниками электроэнергии, приступают к их расчету. Расчет судовых электрических сетей состоит из трех этапов: - определение рабочих токов кабелей, входящих в данную электрическую сеть; - выбор кабелей с необходимым сечением и количеством жил; - определения потери напряжения в сети. |