Электроэнергии

На судах в качестве источников электроэнергии применяются:

1. Генерирующие агрегаты переменного и постоянного тока.

2. Генерирующие установки отбора мощности.

3. Аккумуляторные батареи.

Рассмотрим особенности применения.

Генераторные агрегаты чаще всего применяются в качестве основного источника питания. Обычно это электромашинные генераторы постоянного и переменного тока жестко связанные по валу с приводным двигателем (ПД).

В качестве ПД генераторных агрегатов судовых электростанций используются дизели, паровые и газовые турбины, причем в каждом конкретном случае при выборе типа ПД учитываются особенности ГЭУ, состав судовых электроприемников и характерные режимы его работы.

На подавляющем большинстве промысловых судов в качестве ПД ГА используют дизели. На тех судах, где по условиям эксплуатации в качестве главной энергетической установки применяется комплекс котел-турбина, эффективными считаются турбогенераторы.

При этом в случае использования турбогенераторов в ходовых режимах они получают пар от главных котлов, а в режиме стоянки – от вспомогательного энергетического оборудования.

На крупных судах признано целесообразным комплексное использование судов турбогенераторных агрегатов. Для повышения к.п.д. главной энергетической установки используются генераторные установки отбора мощности.

Как правило, на судах водоизмещением 3 тыс. тонн и более предусматривается режим параллельной работы генераторных агрегатов. С этой точки зрения применение турбогенераторов более эффективно, так как турбины имеют высокий и постоянный крутящий момент на валу, за счет этого достигается повышенная устойчивость параллельной работы генераторный агрегатов, но дизель-генераторы по отношению к турбогенераторам также обладают повышенными достоинствами: способность быстрого пуска и останова, так как турбогенераторы в силу своей большей инерционности требуют больше времени выхода на номинальные параметры.

6.1. Судовые генераторы постоянного тока

В настоящее время при сооружении новых судов ГПТ применяются только в качестве автономных источников питания отдельных электроприемников, и чаще всего в виде подзарядных агрегатов аккумуляторной батареи.

Только на судах старой постройки имеются электростанции, где ГПТ используются в качестве основного источника питания.

Чаще всего используется схема смешанного возбуждения ГПТ, и реже независимого возбуждения.ГПТ параллельного возбуждения получают применение только в подзарядных агрегатах.

Судовые ГПТ выпускаются в двух исполнениях: брызго- и водо-защищенными. Система охлаждения ГПТ в зависимости от его мощности может быть выполнена как с естественной вентиляцией, так и по замкнутому циклу, с воздухоохладителями или без них.

Обычно ГПТ выполняется на скорость вращения 1450 или 2850 оборотов в мин. Шкала мощности от 0,4 до 200 КВт с напряжением 115-230.

6.2. Синхронные генераторы (СГ)

Сегодня на судах широкое применение получили трехфазные СГ, чаще всего с самовозбуждением или независимым возбуждением (при небольшой мощности СГ).

Во втором случае в качестве возбудителя чаще всего применяются ГПТ, соединенные по валу с генерирующим агрегатом, с помощью эластичной муфты. Наибольшее применение получили СГ следующих серий: МС, МСК, МСС, ГМС, ОС, СБГ, где М – морской, первое С – синхронный, второе С – с самовозбуждением, К – с применением кремний-органической изоляции, Г – генератор, О – общесоюзный стандарт, Б – безщеточный.

Рассмотрим особенности основных серий генераторов.

1. МС – конструкция генератора предусматривает быстрозащищенное исполнение с разомкнутой системой вентиляции. Токоведущие части имеют изоляцию класса В. На одном валу с генератором установлен возбудитель постоянного тока. Данная серия выпускалась до начала 70-х годов в 2-х исполнениях: Мощность Р = 25-200 кВт с числом оборотов 1500 об/мин, и небольшая серия мощностью Р=300-1200 КВт, с n=10 00 об/мин.

С 70-х годов генераторы серии МС были заменены на МСК.

2. МСК – в генераторе этой серии вся аппаратура систем самовозбуждения и стабилизации самовозбуждения выполнена в одном корпусе обычно установленной в верхней части генератора (рис.11-12).

Схема с генератором с независимым возбуждением – на рис. 14-а.

При использовании самовозбуждения (рис. 14-б) в обмотке ОВГ протекает ток, отбираемый от самого генератора. В этом случае трансформатор и система выпрямления и стабилизации находятся в отдельном блоке непосредственно в верхней части генератора (рис.12).

В отличие от серии МС здесь обычно используют замкнутую систему вентиляции с применением водяного воздухоохладителя. Это решение наряду с применением кремний-органической изоляции позволило существенно повысить единичную мощность, сгенерированную по отношении к серии МС тех же габаритов. Серия предусматривает генерацию с n=1500 об/мин, 30-150 кВт – небольшая мощность, и большая мощность – 300-800 кВт с n= 1000 об/мин.

Общим недостатком генераторов данной серии является низкий моторесурс дизелей с такой частотой вращения (моторесурс дизеля – 5 тысяч часов, генератора – 25 тысяч).

Существенно сблизить моторесурс удалось за счет введения низкооборотных дизелей.

3. В результате были разработаны серии генераторов МСС и ГМС, которые отличаются только частотой вращения.

Общим недостатком всех рассмотренных серий генераторов является наличие щеточного аппарата в системе возбуждения. Указанного недостатка лишены безщеточные генераторы серий СБГ, схемы возбуждения которых представлена на рис. 14-б и 39.

Наибольшее применение генераторы серии СБГ получили в турбо-генераторных установках, с n = 1500 об/мин.

Для дизель-генераторных установок выпускаются генераторы СБГ с n =750-1000 об/мин

Для морских судов маломерного флота была разработана серия генератора ОС с n =1500 об/м, Р = 4 ÷ 60 кВт.

Принципиальным отличием генераторов этой серии является наличие трехфазной обмотки статора, от которой через выпрямитель обеспечивается об. возбуждение генератора.

В результате удалось поднять ресурс работы таких генераторных агрегатов до 25-30 лет.

6.3. Генераторные установки отбора мощности (ГУОМ)

В настоящее время на многих промысловых судах используют ГУОМ, предназначенные для повышения эффективности использования главных двигателей в ходовых и промысловых режимах. При выборе того или иного варианта использования ГУОМ учитываются следующие требования:

1. Поддержание требуемого качества и количества электроэнергии (поддержание напряжения и частоты) в заданных пределах независимо от погоды и условий плавания.

2. Бесперебойное электроснабжение электроприемников в заданных режимах.

3. Соответствие ген. агрегатов и ГУОМ по параметрам и характеристикам.

В целом применение ГУОМ позволяет снизить удельный расход топлива на судне на 1 КВТ генерирующей мощности. Кроме того, повышаются моторесурсы автономных генераторных агрегатов, уменьшаются эксплуатационные расходы по их обслуживанию.

Использование энергии главного двигателя для привода генераторов не только облегчают эксплуатацию установки в целом, но, самое главное – повышается экономичность работы, так как главный двигатель, как правило, работает на более дешевом топливе.

Самым главным достоинством ГУОМ является снижение числа часов работы генераторного агрегата.

По типу использования энергии различают следующие виды ГУОМ:

- ГУОМ в виде валогенератора приводимого в действие от вала гребного винта (рис. 6, 7).

- ГУОМ в виде утилизационного турбогенератора (рис. 5).

- Комбинированный ГУОМ (содержит валогенератор и УТК).

На всех судах, оснащенных ГУОМ, Регистр предписывает не только обязательное наличие автономных ГА, но и предусматривает возможность автоматического переключения электроприемников при недопустимом уменьшении частоты, а также наоборот (переключение с ГА на ГУОМ при соответствии с номинальными параметрами).

На всех промысловых судах валогенераторы используются в качестве основных источников только в ходовых и промысловых режимах, причем состав потребителей энергии, вырабатываемой валогенератором, может быть различным, в соответствии изменяется и схема главной энергетической установки, но задача обеспечения стабильного значения частоты всегда имеет место. В ГУОМ переменного тока задача стабилизации частоты решается разными путями. Простейший способ – использование гидравлической муфты, которая сама по себе является стабилизатором частоты, также как и применение маховика.

Другой, более сложный способ, предполагает двойное преобразование электроэнергии, сначала валогенератор вырабатывает постоянный ток, не зависящий от частоты вращения гребного вала, а затем с помощью инверторов постоянный ток преобразуется в переменный ток. Главным достоинством этого способа является возможность поддержания частоты с высокой точностью, что особенно важно для электроприемников, работа которых зависит от частоты переменного тока. Но в любом случае, применение в ГУОМ того или иного вида требует не только технико-экономического обоснования, но и согласования Регистра.

По роду тока ГУОМ подразделяются: на системы постоянного или переменного тока.

По устройству сопряжения с валом главного двигателя:

- зубчатое

- электромагнитное или электромеханическое

- гидравлическое

- электрогидравлическое и др.

На некоторых промысловых судах валогенераторы встраиваются непосредственно в линию вала винта, но при этом необходимо использование спец. устройств для переключения гребного вала и вала генератора.

Рассмотрим схему дизель-генераторной установки рыболовецкого траулера (рис.7). ГМ – гидравлические муфты, позволяющие обеспечивать высокую гибкость использования главного двигателя за счет оперативного дистанционного изменения состояния схемы. Это особенно важно в таких напряженных режимах как маневровый режим, постановка и выборка трала, аварийные ситуации, когда нет времени на запуск резервных автономных генераторов.

По режимам работы в ГУОМ должны быть предусмотрены следующие варианты:

- Валогенератор работает с постоянной частотой вращения ГД.

- Применение ВРШ позволяет обеспечить работу с постоянной номинальной частотой вращения двигателя и, следовательно, с постоянной частотой валогенератора, когда скорость судна определяется только углом разворота лопастей винта.

- Применение валогенератора при работе ГД с переменной частотой вращения (наличие Винта Фиксированного Шага). Частота регулируется при изменении частоты вращения ГД – самая сложная задача.

По типу используемого генератора различаются следующие ГУОМ.

- Генератор постоянного тока со смешанным возбуждением.

- СГ с независимым или с самовозбуждением.

- Асинхронный генератор.

Асинхронный генератор позволяет достичь более высокий к.п.д. установки в целом при меньших капитальных затратах. На судах наибольшее применение получил асинхронный генератор, представляющий собой обращенный АД с фазным ротором. Обычно он устанавливается параллельно с СГ, от которого получает реактивную мощность, необходимую для создания максимальной мощности. При этом активная мощность, отдаваемая в сеть, зависит от значения скольжения, а оно зависит от сопротивления в цепи ротора.

При разработке энергетических установок с использованием валогенератора наиболее важной задачей является обеспечение соответствия характеристик главного двигателя, гребного винта и валогенератора (см. рис. 8), где 1 – характеристика ГД, 2 – характеристика гребного винта.

При наличии валогенератора, характеристика главного двигателя 1 должна учитывать превышение мощности DР, равное мощности валогенератора, т.е. характеристика главного двигателя должна перемещаться вверх и занимать положение 3. В этом случае мощность главного двигателя должна быть равна

,

где η_пер - к.п.д. передачи,

ηг – к.п.д. валогенератора.

При отключении валогенератора мощность главного двигателя равна мощность винта (пунктирная линия):

Ргл.дв. = Ргреб.винта

Рассмотрим одну из типовых, широко применимых на промысловых судах схему генерирования и распределения энергии (рис.9).

Энергетическая установка промыслового судна содержит один главный двигатель, два автономных генераторных агрегата: G1- ПД1 и G2 – ПД2 переменного тока мощностью 150 КВт каждый, синхронный валогенератор G3 мощностью 500 кВт. Схема также содержит валогенератор постоянного тока G4, предназначенный для автономного питания тралового комплекса.

Данная схема получила широкое распространение на промысловых судах типа РТМа. Потребление переменного тока составляет: в ходовом промысловом режиме от 200 до 250 кВт, а постоянного тока в режиме траления и выборки трала – 250 – 300 кВт – это выдает G4.

В аварийном режиме в случае повреждения главного двигателя, либо выходе из строя G3 судно обеспечивается электроэнергией от двух автономных ГА по 150 кВт, причем ведение промысла в этом случае не предусмотрено. Особенность данной схемы в том, что здесь СЭЭС не предусматривает наличие аварийного дизель-генератора. Данная схема предоставляет возможность введения следующих режимов:

- Длительную одновременную автономную работу дизель-генераторов G1 и G2 и валогенератора G3 раздельно на соответствующие шины или секции ГРЩ.

- Кратковременная параллельная работа сборных шин ГРЩ (выключатель QС включен) только на время перевода нагрузки с валогенератора на ГА и наоборот без перерыва в электроснабжении.

На рис. 10 представлена упрощенная схема силовой установки РТМ типа «Атлантик».

Как видно из рис. 10, силовая установка содержит 2 главных двигателя. ГД1 и ГД2, и работающих на единичный гребной вал с ВРШ через редуктор.

Судовая электростанция содержит 4 автономных дизель-генератора: ДГ1 – ДГ4, предназначенных для параллельной работы на шинах ГРЩ. В схеме имеется валогенератор переменного тока и валогенератор постоянного тока.

1-й позволяет осуществлять небольшое маневрирование судном при отключенных главных двигателях. Он же обеспечивает работу валогенератора постоянного тока, питающего траловый комплекс.

6.4. Обслуживание генераторных источников электроэнергии