Расчет судовой электроэнергетической системы

Электроэнергетической системой (ЭЭС) называется совокупность устройств, предназначенных для генерирования электроэнергии, ее преобразования, передачи и распределения между потребителями.

По назначению ЭЭС можно разделить на главные, обеспечивающие электроэнергией главные гребные электродвигатели судна – ГЭД (Проектирование судовых энергетических установокв энергетических установках с главной электрической передачей), вспомогательные и специального назначения. В зависимости от рода тока все судовые электроэнергетические системы разделяют на ЭЭС переменного и постоянного тока. В свою очередь судовые ЭЭС переменного тока можно разделить на системы стандартной (промышленной) частоты – 50 Гц, и высокочастотные электроэнергетические системы (как правило – 400 Гц), а также по значению напряжения основной силовой сети.

Выбор рода тока

Проектирование судовой электроэнергетической системы (СЭЭС) начинается с решения вопроса о выборе рода тока.

Переменный ток для СЭЭС, кроме общеизвестных технических преимуществ перед постоянным, дает возможность:

• разделять СЭЭС с помощью трансформаторов на отдельные, электрически не связанные друг с другом части (силовую и осветительную);
• получать электроэнергию непосредственно от береговой сети без ее дополнительного преобразования;
• повысить уровень унификации судового электрооборудования с электрооборудованием общего (берегового) применения.

На судах речного флота по Правилам Речного Регистра разрешается применять постоянный и переменный ток.

В практике эксплуатации в настоящее время встречаются три варианта организации судовых энергосистем:

1. СЭЭС на переменном токе;
2. СЭЭС на постоянном токе;
3. одна часть СЭЭС не переменном, другая – на постоянном токе.

Так, например, на малых судах, где генератор, навешенный на главный двигатель, работает параллельно с аккумуляторной батареей, являющейся основным источником электроэнергии во время стоянки, целесообразно использовать постоянный ток.
 
Если по суммарной мощности приемников электроэнергии постоянного и переменного тока на судне примерно поровну, то выбор рода тока СЭЭС производится после технико-экономического сравнения вариантов. Следует при этом отметить, что выбор рода тока потребителей также решается на стадии проектирования судна и, в свою очередь, увязывается с выбором рода тока для СЭЭС. Т. е. процедура проектирования СЭЭС проводится в рамках системного подхода, при котором критерием является достижение наивысших технико-экономических характеристик судна в целом.
 
В основном, в настоящее время Классификация современных кораблей, судов и их устройствосуда электрифицируются на переменном токе. В практике проектирования, даже в тех случаях, когда для большей части потребителей требуется постоянный ток, СЭЭС почти всегда формируется на переменном, а для питания потребителей на постоянном токе предусматриваются выпрямители. Это, как правило, повышает общую надежность СЭЭС, дает значительный выигрыш по весу, габаритам и стоимости оборудования и снижает эксплуатационные расходы.

Выбор номинального напряжения СЭЭС

При выборе номинального напряжения СЭЭС необходимо принять во внимание следующие соображения.

Необходимую (заданную) величину мощности можно обеспечить при разных значениях напряжения и тока: при повышенном напряжении и малом токе или при пониженном напряжении и большом токе.

Уменьшение номинального значения напряжения позволяет сократить изоляционные расстояния между фазами, снизить вероятность пробоя изоляции, повысить уровень электробезопасности. Все это имеет особое значение для эксплуатации СЭЭС при высокой плотности размещения оборудования, наличии токопроводящих полов и высокой влажности. С другой стороны, при пониженном напряжении возрастает потребляемый ток. Чтобы при этом не возрастали потери мощности и падение напряжения, необходимо увеличить площадь поперечного сечения проводника. При снижении напряжения в п раз площадь должна быть увеличена в n² раз. Например, при увеличении тока с 30 до 300 А (в 10 раз), сечение медного кабеля должно быть увеличено с 2,5 до 2 500 мм (в 100 раз).

Следовательно, увеличатся масса, габариты, стоимость, трудоемкость монтажа кабеля и т. д.

Необходимо подчеркнуть, что на речных судах не рекомендуется применять кабели сечением более 120 мм² из-за высокой трудоемкости их монтажа при затяжке, укладке, разделке, оконцевании и подключении.

При повышении номинального тока аппаратов (контакторов, выключателей, предохранителей, резисторов и т. д.) с 10 до 1 000 А их масса, габариты и стоимость возрастают на порядок. Дальнейшее повышение тока делает эти аппараты настолько громоздкими, что их применение становится неприемлемым на судах.

При больших токах также значительно увеличиваются габариты и стоимость распределительных щитов и прежде всего ГРЩ.

В свою очередь увеличение номинального напряжения дает значительный выигрыш по сечению токопроводов. Соответственно уменьшаются затраты на кабельную продукцию, снижается трудоемкость монтажа.

Но при высоком напряжении возрастают требования к изоляции. Чем выше напряжение, тем выше должен быть уровень изоляции, больше изоляционные расстояния между токоведущими частями, более громоздкими и дорогими должны быть Оборудование, оснастка, приспособления и инструмент, применяемые в сборочно-сварочных цехахоборудование и аппараты.

Таким образом, выигрыш, полученный при повышении напряжения за счет уменьшения сечения токопроводов, во многом теряется из-за необходимости усиливать изоляцию.

Для каждой конкретной энергосистемы с учетом ее мощности, структуры, состава потребителей всегда можно найти оптимальное значение номинального напряжения.

Важным фактором при выборе номинального напряжения СЭЭС является то, что в отличие от больших энергосистем, расстояния, на которые передается электроэнергия, ограничены размерами судна. Поэтому относительно редко возникает необходимость применять напряжение выше 400 В. Тем более, что большая часть потребителей имеет номинальное напряжение 220 и 380 В и выбор других значений напряжения СЭЭС требует дополнительной установки повышающих (понижающих) трансформаторов.

При выборе номинального напряжения СЭЭС имеет значение и напряжение береговых систем электроснабжения, особенно при постоянном питании с берега.

Описанные выше противоречивые требования нашли свое отражение в инженерной практике и зафиксированы в нормативных документах: для каждой ступени номинального напряжения определена своя область применения. Государственным стандартом для электротехнических изделий приняты следующие шкалы номинальных напряжений:

• на постоянном токе – 12, 24, 110, 220, 440, 1 100 В;
• на переменном токе – 12, 24, 36, 110, 220, 380, 660, 1 140, 3 000, 6 000, 10 000 В и более.

Номинальные напряжения источников электроэнергии (генераторов) принимаются на 5 % больше указанных значений с учетом потерь напряжения при передаче электроэнергии от источников к приемникам.

Напряжения до 1 000 В условно считаются низкими, напряжения свыше 1 000 В – высокими.

По Правилам Речного Регистра для стальных судов внутреннего плавания номинальные напряжения на выводах источников электрической энергии, предназначенных для питания судовой сети, не должны превышать следующих значений:

• 400 В при переменном трехфазном токе;
• 230 В при переменном однофазном токе;
• 230 В при постоянном токе.

В доках, а также на земснарядах и других судах технического флота для специальных электрических приводов большой мощности допускается применение трехфазного тока напряжением до 10 000 В включительно.

Предлагается к прочтению: Аварийное радиооборудование

По требованиям Речного Регистра номинальные напряжения на выводах потребителей не должны превышать значений, указанных в таблице 1.

Выбор частоты тока СЭЭС

В соответствие с Речным Регистром номинальное значение частоты переменного тока следует принимать 50 Гц, однако допускается обоснованное применение других частот.

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 3 000 до 8 000 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 кВ·А снижаются в 2-4 раза.

В то же время Расчет систем судовых энергетических установокэлектрические 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.

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 судовой электростанции (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 работ СЭЭС и потребляемая мощность меняются в широких пределах. В то же 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 общесудовых систем морских судоврасчет 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.

Составление таблицы нагрузок генераторов СЭС переменного тока происходит следующим образом (таблица 2).

 
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:

• палубные механизмы;
• системы, обслуживающие силовую установку;
• общесудовые системы;
• судовое освещение, прожекторы и сигнально-отличительные огни;
• приборы автоматики, радиооборудование и электронавигационные приборы;
• 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) P_p, кВт;
• тип потребителя электроэнергии;
• установленная номинальная мощность потребителя (электродвигателя) P_y, кВт;
• коэффициент использования k_и, определяемый как

Коэффициент использования для электродвигателя k_и отражает несоответствие его выбранной номинальной мощности расчетному значению мощности механизма вследствие имеющихся ограничений на Испытания судовых ДВСтипоразмеры двигателей, выпускаемых промышленностью (т. е. выбор мощности электродвигателя по «ближайшему большему значению»). Для прочих потребителей k_и принимается равным 1:

• номинальный к.п.д. двигателя η_ном;
• номинальный коэффициент мощности cos(φ_н) и tg(φ_н), определяемый по известным тригонометрическим формулам:

или

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:

• стоянка без грузовых операций (или без пассажиров);
• 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 Судовые вспомогательные механизмы и теплообменные аппаратымеханизмы 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 большая 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 – Подъемные механизмы плавучей буровой установки и системы их управлениябуксирные 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 k_зм, характеризующий отношение фактически потребляемой мощности к расчетной.

Как правило, k_зм 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 k_зм 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.

• общий коэффициент загрузки k_з, который определяется произведением коэффициента использования k_и и коэффициента загрузки механизма k_зм:

• (подсчитанные значения k_з, округляют с точностью до 0,05);
• коэффициент одновременности работы однотипных механизмов k_о, 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 k_о = 1. При установке, например, двух однотипных компрессоров или пожарных насосов k_о будет показывать число их, работающих одновременно, т. е. k_о = 0,5 (работает один) или k_о = 1 (работают два).

Если из двух однотипных потребителей один является резервным, то для них во всех режимах k_о = 0.5. Например, при наличии на судне двух пожарных насосов только в аварийном режиме k_о = 1, в остальных режимах, где он может использоваться, k_о = 0,5.

• коэффициент совместной работы потребителей k_с.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 потребляемой мощности по сравнению с общей мощностью, полученной арифметическим сложением. Значения k_с.р. различны и определяются характером работы механизмов и оборудования во времени.

Для потребителей, работающих постоянно в течение всего времени рассчитываемого режима, k_с.р. = 0.9…1. 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. k_с.р. = 0.5…0.8.

Для потребителей, работающих эпизодически, т. е. редко включаемых на небольшой промежуток времени, значение коэффициента совместной работы еще меньше, а именно k_с.р. = 0.1.0.4.

• коэффициент полезного действия электродвигателя η′ при загрузке, соответствующей расчетному режиму работы судна.
• коэффициент мощности электродвигателя cos(φ′), при загрузке, соответствующей расчетному режиму работы судна.

Необходимость введения в каждый расчетный режим таблицы дополнительно значений η′ и cos(φ′) определяется тем, что в различных режимах работы они не остаются постоянными вследствие Реверс дизельного двигателяизменения загрузки двигателей.

При k_з > 0,75 (75 %) допустимо принимать значение η′ и cos(φ′) равными их номинальным величинам. При k_з < 0,75 η′ и cos(φ′) 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.

В тех случаях, когда найденное значение k_з находится в интервале между этими значениями (например: 0,4; 0,6), действительную величину η′ и cos(φ′) определяют путем интерполяции.

Можно рекомендовать также аналитические выражения для определения η′ и cos(φ′) при частичных нагрузках. Для коэффициента полезного действия:

где:

• η_н – номинальный к.п.д. электродвигателя (графа 7 таблица 2);
• k_з – общий коэффициент загрузки электродвигателя (графа 10 таблица 1);
• a – коэффициент потерь, для большинства электродвигателей можно принять a = 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(φ′):

• активная мощность Р, потребляемая приемником (или группой однотипных приемников) электроэнергии в расчетном режиме:

где:

• n – количество однотипных приемников электродвигателя (графа 3 таблица 2).

реактивная мощность Q ([кВ·Ар] – киловольт-ампер реактивный), потребляемая приемником (или группой однотипных приемников) в расчетном режиме:

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:

Получив результирующее значение активной мощности по каждому режиму, необходимо проверить, не превосходит ли мощность отдельного наиболее крупного потребителя, работающего в этом режиме (P_{i max} · k_з), суммарную мощность P_реж (особенно при малых значениях коэффициента совместной работы k_ср).

Если P_{i max} · k_з > P_реж, то за общую суммарную мощность в расчетном режиме необходимо принимать P_{i max} · k_з.

Для того, чтобы иметь представление о степени загруженности генераторов реактивной мощностью, в каждом режиме необходимо определить средневзвешенный Обеспечение баланса мощности турбины и компрессора в комбинированном двигателекоэффициент мощности:

где:

• S_реж – полная мощность расчетного режима, кВ·А:

Если средневзвешенный коэффициент мощности больше, чем номинальный коэффициент мощности генераторов, предполагаемых к установке (номинальный cos(φ) генераторов обычно равен 0.8), то выбор генераторов производится по их активной мощности P_реж. В противном случае выбор генераторов должен производиться по их полной мощности S_реж.

В предпоследней строке таблицы вначале указывается тип, мощность и общее количество выбранных генераторов, а затем мощность и количество генераторов, работающих в каждом режиме.

В последней строке для оценки степени загруженности выбранных дизель-генераторов по активной мощности подсчитывается коэффициент загрузки

В случае проектирования СЭС постоянного тока форма таблицы нагрузок значительно упрощается. Исключаются вертикальные графы для значений cos(φ) 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.

Выбор количества и мощности генераторных агрегатов основной электростанции

Значения расчетной нагрузки (P_реж, Q_реж, S_реж) 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 большим количеством электростанций. По второму – на автономные, с отбором мощности от главной силовой установки и объединенные с главной силовой установкой.

Это интересно: Доки, используемые для транспортировки на разные расстояния

Чаще всего на судах применяются СЭЭС, состоящие из двух электростанций, одна из которых является основной, вторая – аварийной.

СЭЭС с несколькими основными электростанциями имеет большую степень живучести по сравнению с СЭЭС с одной основной электростанцией, но является более сложной и дорогой.

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 большую 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 Эксплуатация плавучей буровой установкипроцессе эксплуатации судна. Поэтому необходимо выполнить условие:

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.

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.

7 Таким образом, можно считать, что число генераторных агрегатов СЭС в большинстве случаев должно быть в пределах 2–4.

Выбор аварийного источника электроэнергии

Аварийным называется источник электрической энергии, предназначенный для питания наиболее ответственных судовых потребителей (таблица 4) при исчезновении напряжения на главном распределительном щите.

 
В качестве источников электроэнергии аварийной электростанции могут использоваться Внешние характеристики дизелядизель-генераторы или аккумуляторные батареи. Мощность аварийного источника определяется суммарной мощностью, которую потребляют аварийные приемники электроэнергии.

По Правилам Речного Регистра оборудование судов аварийным источником электрической энергии должно производиться в соответствии с таблицей 5.

 
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) 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 6), в которую включаются все аварийные потребители, перечисленные в таблице 4.

 
По значению суммарной мощности 1,05-ΣР выбирают мощность аварийного источника. Если в качестве аварийного источника берутся аккумуляторные батареи, то их емкость определяется с учетом потерь в сети 10 % по выражению:

где:

• t – нормированное время работы батареи, определяемое из таблицы 5, час;
• U – номинальное напряжение аварийной батарей, В;
• k₁ = 0,8…0,85 – коэффициент саморазряда батареи.

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:

где:

• I_ст – пусковой ток стартера, А;
• t_п = 5 – продолжительность каждого пуска, с;
• n – число последовательных пусков (не менее 10 последовательных пусков каждого главного двигателя и не менее 6 – вспомогательного);
• k₁₂ = 0/,8…0,85 – коэффициент саморазряда батареи;
• k₂ = 0,85 – коэффициент снижения емкости батареи вследствие пусковых токов.

Общая емкость аккумуляторной батареи комбинированного назначения:

Обычно приходится устанавливать несколько аккумуляторных батарей, для повышения напряжения их соединяют в группы последовательно, для повышения общей емкости несколько групп соединяют параллельно.

Расчет затрат на оборудование

В ходе дипломного проектирования дипломник проектирует судно, которое по сравнению с судном-прототипом обеспечивает появление одного или нескольких условий эффективности:

• снижение удельной строительной стоимости на единицу грузоподъемности или мощности судна;
• уменьшение удельного расхода топлива и смазки на единицу мощности двигателя;
• повышение надежности конструкции в целом;
• увеличение скорости, повышение тягового усилия, Малотоннажные суда водоизмещающего типауменьшение осадки судна без уменьшения грузоподъемности;
• улучшение других технических и эксплуатационно-экономических характеристик проектируемого судна.

При этом наиболее эффективным следует считать тот вариант, который будет обеспечивать минимальную величину удельных затрат, а при одинаковых приведенных затратах – тот, у которого выше производительность труда работников, меньше материалоемкость, совершеннее технологичность. Количественная оценка эффективности проектируемых решений производится по величине годового экономического эффекта.

В рамках дипломного проекта не рассматривается экономическое обоснование проектируемого судна. Ограничиваемся расчетом затрат на приобретения оборудования, устанавливаемого на судно.

Затраты на приобретение всего устанавливаемого оборудования приводятся в Таблице 7:
 

Приложение 1 – Результаты расчета валопровода

Проверочный расчет прочности промежуточного вала
Параметр	Обозначение	Значение
диаметр промежуточного вала, м	dпр
длина пролета между опорами, м	l
расстояние от опоры А до сосредоточенной нагрузки, м	а
расстояние от опоры В до сосредоточенной нагрузки, м	b
сосредоточенная нагрузка, кН	G0
касательные напряжения от кручения, кПа	τк
напряжение сжатия при действии упора гребного винта, кПа	σсж
наибольшее расчетное напряжение при изгибе, кПа	σи
напряжение от неточности монтажа валовой линии, кПа	σм
наибольшее нормальное напряжение, кПа	σ0
общее расчетное напряжение в валу	σп
запас прочности	nпр

Проверочный расчет прочности гребного вала
Параметр	Обозначение	Значение
диметр гребного вала, м	dгв
диаметр гребного винта, м	Dгв
дисковое отношение винта	Θ
сосредоточенная нагрузка от массы гребного винта, кН	Gв
расстояние от опоры А до сосредоточенной нагрузки Gв, м	l0
длина консольной части, м	l2
касательные напряжения от кручения, кПа	τ′к
напряжение сжатия при действии упора гребного винта, кПа	σ′сж
наибольшее расчетное напряжение при изгибе, кПа	σ′и
наибольшее нормальное напряжение, кПа	σ′0
общее расчетное напряжение в валу	σ′п
запас прочности	n′пр

Проверочный расчет на критическую частоту вращения гребного вала
Параметр	Обозначение	Значение
диметр гребного вала, м	dгв
длина гребного вала между серединами подшипников дейдвуда и кронштейна, м	l1
длина гребного вала между серединами подшипников кронштейна и ступицы гребного винта, м	l2
сосредоточенная нагрузка от массы гребного винта, кН	Gв
критическая частота вращения гребного вала, мин-1	nкр
запас по частоте вращения гребного вала	nзап

Проверочный расчет вала на продольную устойчивость
Параметр	Обозначение	Значение
диметр гребного вала, м	dгв
полная длина гребного вала, м	lmax
гибкость вала	λ
критическая осевая сила, кН	Pкр
запас устойчивости вала	–

Приложение 2 – Результаты расчета систем

Результаты расчета систем сводятся в таблицу:

 
Данная таблица составляется для каждой системы. В таблицу заносятся все характеристики по агрегату, при этом обязательно указывается ссылка на источник информации.

Таблица по каждой системе приводится после расчета соответствующей системы.