На судах морского, речного и особенно промыслового флота получили распространение электрогенерирующие установки, использующие энергию главного двигателя, которые разделяются на:
- установки непосредственного отбора мощности (валогенераторы);
- установки утилизации энергии выхлопных газов (утилизационные турбогенераторы);
- комбинированные установки, включающие в себя утилизацию энергии выхлопных газов и непосредственный отбор мощности.
Наиболее характерными режимами эксплуатации большинства типов судов являются полные и средние ходы, при которых резерв мощности на гребном валу составляет 10—15% номинальной мощности главного двигателя. В то же время опыт эксплуатации показывает, что потребная мощность электростанции в ходовом режиме работы судна обычно не превышает 10% мощности главного двигателя. Поэтому имеется реальная возможность в ходовом режиме судна отказаться от работы основных генераторов с автономным приводом и установить генераторы с приводом от гребного вала.
Установка на судах валогенераторов с целью использования главного двигателя как единого источника энергии обусловлена целым рядом преимуществ, а именно:
- облегчаются автоматизация, обслуживание и эксплуатация электростанции;
- снижается шум в машинном отделении; повышается экономичность работы энергетической установки; увеличивается межремонтный период и т. д.
Использование валогенераторов приводит к снижению стоимости электроэнергии, вырабатываемой судовой электростанцией.
Валогенераторные установки можно классифицировать по роду тока, характеру соединения с гребным валом или главным двигателем, частоте вращения главного двигателя или гребного вала и по условиям работы в составе электростанции.
По роду тока они подразделяются на: валогенераторные установки постоянного тока; валогенераторные установки переменного тока; комбинированные валогенераторные установки постоянного и переменного тока.
По характеру соединения с гребным валом или главным двигателем на:
- установки с жесткой связью (редукторная, цепная, тексропная и др.);
- установки с гибкой связью (система генератор — двигатель, регулируемая электромагнитная муфта, гидравлическая передача и др.).
По частоте вращения главного двигателя или гребного вала на:
- установки с постоянной частотой вращения;
- установки с переменной частотой вращения.
Условия работы в составе судовой электрической станции могут быть:
- раздельная (одиночная) работа валогенераторной установки на судовую цепь или для обеспечения электроэнергией отдельных потребителей;
- параллельная работа валогенераторной установки с генераторами, имеющими автономный привод;
- параллельная работа двух или большего числа валогенераторных установок, а также параллельная работа валогенераторной установки с генератором, использующим утилизацию энергии выхлопных газов, или с аккумуляторной батареей;
- возможность использования валогенераторной установки в двигательном режиме для увеличения скорости хода судна.
При установке на судах валогенераторов весьма важным является выбор рациональной связи генератора с гребным валом.
Генераторы постоянного тока обычно жестко соединяются с гребным валом или валом (редуктором) главного двигателя. Напряжение валогенератора при изменении его частоты вращения поддерживается на заданном уровне, воздействием на возбуждение.
Валогенераторы переменного тока должны иметь гибкую регулируемую связь, например, в виде системы Г—Д или объемного гидропривода. Жесткая связь для валогенераторов переменного тока допускается при винте регулируемого шага, если от валогенератора получают питание второстепенные потребители.
Специфика работы валогенераторов (наличие двух соизмеримых возмущений — изменения нагрузки и частоты вращения) обусловливает особые требования к их системам регулирования напряжения и частоты.
Применение на судах в качестве главного двигателя мощных ДВС дало возможность использовать энергию выхлопных газов для производства электроэнергии.
Обследование многих теплоходов показало, что полезно используется только около 35—38% тепла, выделяющегося при сгорании топлива; остальные 65—62% составляют потери, 35% из них выбрасывается с газами после турбовоздуходувок.
Повышение экономичности работы главного двигателя достигается утилизацией энергии выхлопных газов. Турбогенератор при этом получает пар от утилизационного котла.
Утилизационный турбогенератор, также как и валогенератор, обеспечивает электроэнергией потребителей в ходовом режиме.
Рис. 1. Комбинированная энергетическая установка с утилизационным турбогенератором и валогенератором
Значительная аккумулирующая способность утилизационного котла обеспечивает работу турбогенератора в течение 10—15 мин с момента остановки главного двигателя при отсутствии ощутимого снижения напряжения и частоты.
Это дает возможность запустить резервный дизель-генератор и избежать обесточивания судна.
В процессе нормальной эксплуатации при длительном снижении частоты вращения главного двигателя температура выхлопных газов его также уменьшается, что приводит к уменьшению генерируемой мощности утилизационного турбогенератора. В этом случае целесообразно вводить в работу валогенератор. Поэтому в настоящее время получают распространение комбинированные установки, когда используются утилизационный турбогенератор и валогенератор. Такая схема (рис. 1) включает главный двигатель 1, утилизационный котел 6, бытовые потребители пара и подогрев топлива 2, турбогенератор 4, валогенератор с приводом по системе Г—Д 3, автоматический регулятор 5 распределения нагрузки между утилизационным турбогенератором и валогенератором, дизель-генераторы 7, 8.
В ходовом режиме при использовании этой установки потребность судна в электроэнергии полностью обеспечивается синхронным утилизационным турбогенератором и валогенератором.
Автоматический регулятор распределения нагрузки обеспечивает постоянный отбор максимальной мощности от утилизационного турбогенератора. При недостатке мощности турбогенератора загружается валогенератор. Если нагрузка уменьшается и появляется резерв мощности у турбогенератора, то максимально возможная загрузка его обеспечивается переводом синхронного генератора валогенераторной установки в двигательный режим.
При этом валогенераторная установка получает питание от утилизационного турбогенератора и, используя обратимость электрических машин, начинает работать на гребной вал.
Поскольку валогенераторы и утилизационные турбогенераторы в ходовом режиме являются основными источниками электроэнергии, то они должны обеспечивать качество электроэнергии не ниже вырабатываемой генераторами с автономным приводом.
Кроме того, должно быть предусмотрено автоматическое переключение ответственных потребителей (например, при остановке или реверсе главного двигателя) на независимый источник питания. Если перерыв в электроснабжении допустим по эксплуатационным характеристикам потребителей, то питание их не должно прерываться более чем на 7 с.
Основные положения эксплуатации генераторов отбора мощности аналогичны описанным при рассмотрении генераторных агрегатов.
