Выбор генераторов судовой электростанции (формулы, графики, таблицы)

При проектировании электростанций современных судов одной из основных задач является правильный выбор количества и мощности генераторов.

При завышении мощности судовой электростанции увеличиваются ее стоимость, масса, расход топлива и занимаемая площадь.

Занижение мощности электростанции создает эксплуатационные трудности в обеспечении потребителей электроэнергией и может привести к аварийной ситуации. Поэтому число и мощность генераторных агрегатов электростанции должно быть таким, чтобы они при полной загрузке обеспечивали потребителей электроэнергией во всех режимах работы судна с высокой надежностью и экономической эффективностью.

Наглядное представление о характере изменения загрузки электростанции дают графики нагрузки, представляющие собой диаграммы изменения нагрузки во времени. Различают суточные, рейсовые и годовые графики нагрузки. Если графики показывают изменение нагрузки на выводах потребителей, то их называют графиками нагрузок потребителей. Кроме того, для электростанций на переменном токе различают графики активной реактивной нагрузок.

Согласно Правилам Регистра на каждом судне должно быть установлено не менее двух основных источников электроэнергии.

Выбор количества и мощности основных генераторов должен производиться с учетом следующих основных режимов работы судна: ходового, маневрового и аварийного при работе основных генераторных агрегатов.

Перечисленные режимы работы судна рекомендованы Регистром для различных судов, однако в некоторых случаях они могут видоизменяться и дополняться.

В настоящее время имеется несколько методов расчета СЭС; наиболее распространен табличный, являющийся наглядным и универсальным.

Таблицу нагрузок электростанции составляют для каждого режима работы судна и заполняют следующим образом (табл. 1).

В графу 1 таблицы вносят наименование всех потребителей электроэнергии, предварительно разбитых, в зависимости от их назначения, на группы.

В графе 2 указывают количество потребителей n данного типа.

В графах 3, 4 и 5 указывают соответственно номинальные единичную установленную мощность Рн, к. п. д. ηн и коэффициент мощности cos фн потребителей (двигателей), рассчитанных и выбранных по каталогу.

В графах 6 и 7 проставляют соответственно единичную и суммарную потребляемые мощности потребителей. Единичная активная потребляемая из сети мощность определяется по формуле:

Суммарная потребляемая мощность одноименных (одинаковых) потребителей:

Потребность в электроэнергии в каждом режиме работы судна определяют по таблице нагрузок электростанции с учетом коэффициентов одновременности работы потребителей СЭС и коэффициентов загрузки потребителей.

Коэффициент одновременности Ко в общем случае определяют как частное от деления фактически потребляемой данными потребителями мощности к их суммарной номинальной потребляемой мощности. Применительно к одноименным потребителям этот коэффициент определяют как отношение числа работающих в данном режиме nр к общему числу потребителей n, установленных на судне:

Следовательно, если на судне установлено два одноименных потребителя, из которых в данном режиме работает только один, то kо = 0,5.

Таблица 1. Электрические нагрузки генераторов электростанции переменного тока

В практике расчета судовых электростанций различают коэффициенты одновременности работы: одноименных потребителей; потребителей в режимах.

Коэффициент загрузки k_з потребителя определяют как отношение действительно потребляемой им мощности Р_д в рассматриваемом режиме к его номинальной (установленной) мощности:

В различных режимах работы судна коэффициенты одновременности и загрузки потребителей электроэнергии имеют разные значения. Поэтому значения этих коэффициентов определяют для каждого режима и проставляют в соответствующие графы. В частности, для ходового режима эти коэффициенты проставляют соответственно в графы 8 и 9.

Рис. 1. Зависимость коэффициента мощности асинхронных короткозамкнутых электродвигателей от коэффициента загрузки

В графе 11 записывают действительную активную мощность (в кВт), потребляемую одинаковыми потребителями в данном режиме:

Коэффициент мощности cos ф и к. п. д. η электродвигателей зависят от его загрузки. Однако изменением к. п. д. можно пренебречь, так как оно незначительно для судовых электродвигателей с k_з не ниже 0,5; значение cos ф определяют для не полностью загруженных электродвигателей и проставляют в графе 10.

Если отсутствуют графики зависимости cos ф от k_з используемых электродвигателей, то можно воспользоваться ориентировочными зависимостями cos ф (рис. 1) от нагрузки электродвигателей мощностью более 10 кВт (кривая 1) и до 10 кВт (кривая 2).

Зная действительную активную мощность, определяют и записывают в графу 12 реактивную мощность Q (в кВАр), потребляемую одинаковыми потребителями в данном режиме:

Величину tg ф находят по известному значению cos ф для данного режима, приведенному в графе 10.

Аналогичным образом заполняют графы всех режимов работы судна, включенных в таблицу нагрузок генераторов электростанции. Причем, мощности кратковременно (эпизодически) работающих потребителей в графах таблицы берут в скобки и учитывают в дальнейшем особо.

В конце таблицы (строка I) в соответствующих графах для каждого режима работы судна записывают суммарные активную ∑P и реактивную ∑Q мощности, потребляемые в данном режиме всеми потребителями, кроме работающих кратковременно. В строке IV в тех же графах каждого режима в скобках записывают суммарную активную мощность ∑P' всех потребителей, включая работающие кратковременно. 

Не все потребители, которые могут работать в данном режиме, работают одновременно, поэтому вводят коэффициенты одновременности работы потребителей в режимах k_ор. Эти коэффициенты учитывают несовпадение наибольших нагрузок потребителей во времени. Опыт проектирования и эксплуатации электростанций показывает, что величина этого коэффициента колеблется в пределах 0,6—1. Большие значения коэффициента одновременности соответствуют более напряженным режимам работы судна. На малых судах с небольшим числом потребителей вероятность совпадения их наибольших нагрузок увеличивается, поэтому коэффициенты одновременности по режимам принимают большими.

При учете кратковременно работающих потребителей коэффициенты одновременности в режимах k_ор' принимают меньшими, чем без них k_ор.

Задавшись указанными коэффициентами одновременности для всех режимов, находят данные для заполнения строк II и V таблицы:

Для учета потерь в судовой электрической цепи значения суммарных потребляемых мощностей увеличивают на 5%. Математически это можно выразить введением в выражения коэффициента k_п = 1,05, учитывающего потери в цепи:

Полученные результаты записывают в строках III и VI таблицы.

Далее определяют средневзвешенный коэффициент мощности для каждого режима и записывают в строке VII таблицы в соответствующие графы:

где S — полная потребляемая мощность, кВА.

По величине cos ф ср.вз. можно судить о степени загрузки генераторов реактивной мощностью. Он обычно больше номинального коэффициента мощности генераторов, поэтому выбор числа и мощности генераторов судовых электростанций производят по расчетной суммарной активности потребляемой мощности Ррасч.

Если cos ф ср.вз. по величине меньше номинального коэффициента мощности генераторов, то выбирать генераторы надо по полной потребляемой мощности.

Единичную мощность генераторных агрегатов обычно выбирают по режимам с минимальной расчетной суммарной потребляемой мощностью.

Общее количество генераторов определяют по режимам с максимальной расчетной суммарной потребляемой мощностью. Причем, вначале выбирают основные, а затем резервные генераторы.

При выборе генераторов необходимо учитывать следующие соображения: 

• генераторные агрегаты по возможности должны быть однотипными и одинаковой мощности, что в значительной степени облегчает их эксплуатацию;
• загрузка генераторных агрегатов во всех режимах работы судна должна быть в пределах 70—80% номинальной мощности, что приводит к рациональному использованию моторесурса первичных двигателей и генераторов, а также к повышению их к. п. д.;
• величина мощности резервного генераторного агрегата должна быть такой, чтобы он мог заменить любой вышедший из строя основной генератор;
• желательно, чтобы запас мощности генераторов во всех режимах работы судна был не менее 10—20% на случай дополнительной установки потребителей электроэнергии.

На ряде судов могут устанавливаться стояночные генераторные агрегаты. Кроме основных, резервных и стояночных генераторных агрегатов, на судах часто устанавливают аварийные генераторы.

Для того чтобы определить, смогут ли выбранные генераторы за счет резерва мощности и перегрузочной способности обеспечить питанием и кратковременно работающие потребители, сравнивают мощности генераторов с расчетными мощностями. Если проверка даст отрицательный результат, то приходится выбирать генераторы большей мощности.

Если на судне используют валогенераторы и утилизационные турбогенераторы, то их учитывают в таблице нагрузок для ходового режима работы судна.

В последней строке таблицы нагрузок генераторов СЭС записывают окончательно выбранное количество и мощность генераторных агрегатов с указанием их основных параметров и типа первичных двигателей.

Таблица нагрузок электростанции постоянного тока отличается от рассмотренной отсутствием в ней граф для коэффициентов мощности и реактивной мощности.

Рассмотренный метод наряду с несомненными достоинствами имеет и определенные недостатки. Самым существенным из них является отсутствие строгой методики выбора коэффициентов одновременности и загрузки. Поэтому для выбора этих коэффициентов пользуются накопленным опытом эксплуатации подобного типа судов и статистическими данными.

Статистические исследования показали, что загрузка электростанции в ходовом режиме зависит от мощности главной силовой установки, а в режиме стоянки судна — от его водоизмещения. На основании этих исследований составлены формулы я определения мощности судовой электростанции в отдельных режимах работы некоторых типов судов.