.

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 Таблица 1.

Таблица 1. Нормированные значения напряжения для СЭЭС
№ п. п.ПотребителиНапряжение, В
Постоянный токПеременный ток
1234
1Электрические приводы судовых технических средств, стационарные камбузные, отопительные и нагревательные установки и цепи управления ими220380
2Отопительные приборы в каютах и общественных помещениях220220
3Освещение, сигнализация и связь на всех судах, в том числе и на наливных, перевозящих нефтепродукты с температурой вспышки паров 60 °С и выше2202201
4Освещение, сигнализация и связь на наливных судах, перевозящих нефтепродукты с температурой вспышки паров ниже 60 °С и толкачах для них11021272
5Штепсельные розетки для переносных ручных ламп (за исключение грузовых люстр)2412
6Штепсельные розетки в каютах и общественных помещениях для бытового электрического оборудования220220
7Переносной инструмент и переносные пульты управления2442
8Штепсельные розетки для питания перемещаемых силовых потребителей, закрепленных во время работы220380
1 Допускается напряжение 380 В при условии невозможности доступа к частям, находящимся под напряжением, без применения специального инструмента.
2 Допускается напряжение 220 В при условии установки устройства непрерывного автоматического контроля сопротивления изоляции электрических сетей с подачей сигнала при понижении сопротивления изоляции в помещении, где несут постоянную вахту (рулевая рубка, машинное отделение, помещение главного распределительного щита и т. п.).

 

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).

Таблица 2. Расчет нагрузки генераторов СЭС переменного тока
Наименование механизмов (оборудования) и их типКоличество однотипных потребителей, nРасчетная мощность механизмов Pp, кВтТип потребителя электроэнергии (электродвигателя)Установленная мощность
потребителя
Py, кВт
Коэффициент
использования
kи
ηномРасчетный режим работы судна
Коэффициент загрузки механизма kз, мОбщий коэффициент загрузки kзКоэффициент одновременности
работы однотипных механизмов
kо
Коэффициент совместной работы потребителя kс.р.Коэффициент полезного действия
электродвигателя
η′
Коэффициент мощности
электродвигателя
cos(φн)/tg(φн)
Потребляемая мощность
P, кВтQ, кВАр
12345678910111213141516
Палубные механизмы
1Рулевое устройство
2Брашпиль
Системы, обслуживающие силовую установку
1Компрессор
2Топливный насос
Общесудовые системы
1Осушительный насос
2Пожарный насос
Судовое освещение, прожекторы и сигнально отличительные огни
1Прожектор
2Освещение палубы
Приборы автоматики, радиооборудование и электронавигационные приборы
1Радиостанция
2Локатор
Прочие потребители
1Телевизор
2Холодильник
Суммарные активная и реактивная мощности в расчетном режиме ΣP, ΣQΣPΣQ
Общие мощности в расчетном режиме Pреж, Qреж (с учетом потерь в сети 5 %)PрежQреж
Полная мощность в расчетном режиме SрежSреж
Средневзвешенный коэффициент мощности cos(φреж)cos (φреж)
Тип, мощность и количество генераторных агрегатов
Коэффициент загрузки генераторов по активной мощности Kзагр= (РрежrΣ)·100 %

 
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) Pp, кВт;
  • тип потребителя электроэнергии;
  • установленная номинальная мощность потребителя (электродвигателя) Py, кВт;
  • коэффициент использования kи, определяемый как

kи=PpPy.          Форм. 1

Коэффициент использования для электродвигателя kи 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 kи принимается равным 1:

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

fg(φн)=1cos2(φн)cos(φн);          Форм. 2

или

tg(φн)=tg(arccos(φн)).          Форм. 3

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 kзм, характеризующий отношение фактически потребляемой мощности к расчетной.

Как правило, kзм 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 kзм 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 Таблица 3.

Таблица 3. Значение коэффициентов загрузки судовых механизмов

п. п.
Наименование механизма или приемника электроэнергииЗначение kзм в режимах
Стоянка без грузовых
операций
Стоянка с грузовыми
операциями
МаневрированиеХодовойАварийный
1234567
1Рулевое устройство0,6-0,70,4-0,60,6-0,7
2Брашпиль0,7-0,80,8-0,9
3Шпиль0,7-0,80,8-1,0
4Шлюпочные лебедки0,7-0,80,7-0,8,7-0,8
Судовой кран:
5механизм подъема0,7-0,8
6механизм поворота0,8-1,0
7механизм изм. вылета стрелы0,8-1,0
8механизм передвижения0,8-1,0
9Компрессор0,8-0,90,8-0,90,8-0,9
10Охлаждающий насос главного двигателя0,7-0,90,7-0,90,7-0,9
11Дежурный топливный насос0,8-0,90,8-0,90,8-0,90,8-0,9
12Топливоперекачивающий насос0,90,9
13Масляный насос0,8-0,90,8-0,90,8-0,9
14Питательный насос котла0,80,80,80,80,8
15Циркуляционный насос котла0,8-0,90,8-0,90,8-0,90,8-0,90,8-0,9
16Сепараторы топлива и масла0,8-0,90,8-0,90,8-0,9
17Вентиляторы моторного отд.0,8-0,90,8-0,90,8-0,9
Насосы судовых систем:
18пожарный0,4-0,50,4-0,50,4-0,50,9-1,0
19осушительный0,6-0,80,6-0,80,8-1,0
20балластный0,8-0,90,8-0,90,9-1,0
21санитарный0,7-0,80,7-0,80,7-0,80,7-0,8
22Вентиляторы общесудовые0,8-0,90,8-0,90,8-0,9
23Токарно-винторезный станок0,5-0,70,5-0,70,4-0,6
24Точило0,5-0,70,5-0,70,4-0,6
25Зарядный агрегат0,5-0,60,5-0,60,5-0,60,5-0,6
26Радионавигационное оборудование0,5-0,80,5-0,80,5-0,8
27Приборы управления судном0,8-0,90,8-0,9
28Освещение и сигнальные огни0,4-0,50,8-0,90,6-0,70,5-0,60,7-0,8
29Прожектор навигационный111
30Бытовой холодильник0,80,80,80,80,8
31Камбузные плиты0,3-0,50,5-0,70,5-0,70,6-0,8
32Кипятильник0,50,50,5
33Электрические грелки0,3-0,50,7-0,90,7-0,90,7-0,9
* Прочерк означает, что механизм или потребитель электроэнергии в этом режиме не работает.

 

  • общий коэффициент загрузки kз, который определяется произведением коэффициента использования kи и коэффициента загрузки механизма kзм:

kз=kи·kзм.          Форм. 4

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

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

  • коэффициент совместной работы потребителей kс.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 kс.р. различны и определяются характером работы механизмов и оборудования во времени.

Для потребителей, работающих постоянно в течение всего времени рассчитываемого режима, kс.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. kс.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 kс.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 kз > 0,75 (75 %) допустимо принимать значение η′ и cos(φ′) равными их номинальным величинам. При kз < 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 kз 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:

η=11+(1ηн1)·α+k32kз·(α+1),          Форм. 5

где:

  • ηн – номинальный к.п.д. электродвигателя (графа 7 Таблица 2);
  • kз – лбщий 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′):

cosφ=kзk32+tg(φн),          Форм. 6

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

P=Pу·nη·kз·kо·kс.р.,кВт,          Форм. 7

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:

Q=P·tg(φ),кВ·Aр,          Форм. 8

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:

Pреж=1.05·P,кВт;          Форм. 9

Qреж=1.05·Q,кВ·Aр.          Форм. 10

Получив результирующее значение активной мощности по каждому режиму, необходимо проверить, не превосходит ли мощность отдельного наиболее крупного потребителя, работающего в этом режиме (Pi max · kз), суммарную мощность Рреж (особенно при малых значениях коэффициента совместной работы kср).

Если Pi max · kз > Pреж, то за общую суммарную мощность в расчетном режиме необходимо принимать Pi max · kз.

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:

cos(φреж)=PрежSреж,          Форм. 11

где:

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

Sреж=Pреж2+Qреж2,кВ·A.          Форм. 12

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 Pреж. В противном случае выбор генераторов должен производиться по их полной мощности Sреж.

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

Kзагр=PрежPгΣ·100%.          Форм. 13

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 (Pреж, 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 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:

PгΣPреж0.8.          Форм. 14

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.

Таблица 4. Аварийные потребители электроэнергии
Аварийные потребители электрической энергииИсточник электроэнергии
АварийныйАварийный переходный
123
1. Сигнальные средства
1.1. Сигнально-отличительные фонари+
1.2. Лампа дневной сигнализации+
2. Аварийное освещение зон, помещений
2.1. Места посадки в спасательные средства, а также пространства за бортом в местах спуска спасательных средств, места размещения, использования и спуска на воду коллективных спасательных средств++
2.2. Помещения и выходы из помещений, в которых одновременно могут находиться люди в количестве более 20 чел.++
2.3. Проходы и трапы жилых и служебных помещений, а также выходы на открытую палубу++
2.4. Машинные помещения и помещения электрогенераторных агрегатов вместе с их местными постами управления++
2.5. Главные токораспределительные устройства и аварийный распределительный щит++
2.6. Помещение аварийного дизель-генератора++
2.7. Рулевая рубка++
2.8. Штурманская рубка и радиорубка++
2.9. Места хранения аварийного и пожарного инвентаря, снаряжения пожарных и места установки ручных пожарных извещателей++
2.10. Румпельное отделение+
2.11. Камбуз+
2.12. Помещение гирокомпаса+
2.13. Места, в которых сосредотачивается экипаж в случае аварийной ситуации+
2.14. Медицинские помещения+
2.15. Водомерные приборы котлов+
2.16. Светящиеся табло «Аварийный выход»++
На пассажирских судах
2.17. Указатели выходов на шлюпочную палубу, а также информационные таблички у спасательных средств++
2.18. Помещения и выходы из помещений, в которых одновременно может находиться более 20 пассажиров++
3. Средства управления, внутрисудовая связь и сигнализация
3.1. Электрифицированная система дистанционного управления главными двигателями+
3.2. Приборы управления судном+
3.3. Устройства дистанционного управления средствами объемного пожаротушения и их сигнализация+
3.4. Авральная сигнализация (продолжительность работы не менее 15 мин)+
3.5. Пожарная сигнализация+
3.6. Подсветка шкал магнитных компасов+
3.7. Система аварийно-предупредительной сигнализации обнаружения паров груза в помещениях и пространствах (для газовозов и нефтеналивных судов)++
3.8. Средства внутренней связи и оповещения+
4. Силовые потребители
4.1. Электрический и электрогидравлический привод руля, а также связанная с ним система дистанционного управления и указатели положения руля (продолжительность работы в течение 15 мин).

Требования по питанию силовых электрических цепей привода от аварийного источника допускается не выполнять для судна с электрогидравлическим приводом руля, на котором один насос имеет привод от главного двигателя или гребного вала

++
4.2. Электрические приводы непроницаемых дверей с их указателями и предупредительной сигнализацией об их закрытии+
4.3. Электрический привод стационарного пожарного насоса+
5. Средства связи и навигационное оборудование
5.1. Требования к питанию средств радиосвязи от аварийного источника электроэнергии приведены в разд. 19 т. 3 РРР+
5.2. Навигационное оборудование (только при установке дизель-генератора), кроме магнитного компаса+

 
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 Таблица 5.

Таблица 5. Аварийные источники электроэнергии для разных типов
Тип суднаКласс суднаВремя работы,
ч, не менее
1. ПассажирскиеМ6
О, Р, Л3
2. Сухогрузные, нефтеналивные, буксиры, толкачи, суда технического флота, кроме судов, указанных в п. 4, рыбопромысловыеВсех классов3
3. Вспомогательные суда технического флота (мотозавозни, шаланды, шаландировщики, промерные и пр.), несамоходные судаМ3
4. Вспомогательные суда технического флота, указанные в п. 3, нефтеперекачивающие и нефтезачистные станции, брандвахтыО, Р, Л1
5. Стоечные суда, основным источником электрической энергии на которых является береговой источникВсех классов1

 
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 Таблица 4.

Таблица 6. Расчет нагрузки аварийного источника электроэнергии
Наименование аварийного потребителяКоличествоЕдиничная потр.
мощность, Вт
Полная потр.
мощность, Вт
1. Сигнально-отличительные фонари
2. Освещение ГРЩ
и т. д.
Суммарная мощность ΣР (с учетом потерь в сети 5 %)

 
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:

Qав=1.1·PU·k1·t,A·час,          Форм. 15

где:

  • t – нормированное время работы батареи, определяемое из Таблица 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:

Qст=Iст·tп·n3 600·k1·k2,A·час,          Форм. 16

где:

  • Iст – пусковой ток стартера, А;
  • tп = 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:

Q=Qав+Qст,A·час.          Форм. 17

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:
 

Таблица 7. Затраты на приобретение устанавливаемого оборудования
АгрегатМаркаЦена, руб.
ГД6ЧНСП 18/221 000000
Масляная система
Масляный насосНШ 1250 000
СепараторГравитоль 10001 00000
Балластная система
Балластный насосНЦС 501 00000
Итого:12 50000

Приложение 1 – Результаты расчета валопровода

Параметры ЭУ судна
ПараметрОбозначениеЗначение
мощность, передаваемая валопроводом, кВтNе
частота вращения валопровода, мин-1n
скорость проектируемого судна, км/чV

 

Диаметр валов
ПараметрОбозначениеЗначение
временное сопротивление материала вала, МПаRm
коэффициентk
коэффициент усиленияCEW
диаметр осевого отверстия вала, ммdi
диаметр промежуточного вала, мdпр
диметр гребного вала, мdгв

 

Проверочный расчет прочности промежуточного вала
ПараметрОбозначениеЗначение
диаметр промежуточного вала, мdпр
длина пролета между опорами, мl
расстояние от опоры А до сосредоточенной нагрузки, ма
расстояние от опоры В до сосредоточенной нагрузки, мb
сосредоточенная нагрузка, кНG0
касательные напряжения от кручения, кПаτк
напряжение сжатия при действии упора гребного
винта, кПа
σсж
наибольшее расчетное напряжение при изгибе,
кПа
σи
напряжение от неточности монтажа валовой линии, кПаσм
наибольшее нормальное напряжение, кПаσ0
общее расчетное напряжение в валуσп
запас прочностиnпр

 

Проверочный расчет прочности гребного вала
ПараметрОбозначениеЗначение
диметр гребного вала, мdгв
диаметр гребного винта, мDгв
дисковое отношение винтаΘ
сосредоточенная нагрузка от массы гребного
винта, кН
Gв
расстояние от опоры А до сосредоточенной нагрузки Gв, мl0
длина консольной части, мl2
касательные напряжения от кручения, кПаτ′к
напряжение сжатия при действии упора гребного
винта, кПа
σ′сж
наибольшее расчетное напряжение при изгибе,
кПа
σ′и
наибольшее нормальное напряжение, кПаσ′0
общее расчетное напряжение в валуσ′п
запас прочностиn′пр

 

Проверочный расчет на критическую частоту вращения гребного вала
ПараметрОбозначениеЗначение
диметр гребного вала, мdгв
длина гребного вала между серединами подшипников дейдвуда и кронштейна, мl1
длина гребного вала между серединами подшипников кронштейна и ступицы гребного винта, мl2
сосредоточенная нагрузка от массы гребного
винта, кН
Gв
критическая частота вращения гребного вала,
мин-1
nкр
запас по частоте вращения гребного валаnзап

 

Проверочный расчет вала на продольную устойчивость
ПараметрОбозначениеЗначение
диметр гребного вала, мdгв
полная длина гребного вала, мlmax
гибкость валаλ
критическая осевая сила, кНPкр
запас устойчивости вала

 

Приложение 2 – Результаты расчета систем

Результаты расчета систем сводятся в таблицу:

Масляная система
АгрегатНаименование характеристикиЧисленное значение характеристики
Насос масляныйМаркаНШ 12
Подача, м312
Мощность, Вт
СепараторМаркаГравитоль 1 000
Подача, м31 000
Мощность, Вт

 
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.

Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Январь, 19, 2021 1296 1

Канал сайта в Telegram

Комментарии
  1. Евгений Лычко19.05.2021 в 11:50

    Материал достаточно интересный, показательные и пояснительные таблицы вообще в тему.

Добавить комментарий

Читайте также

Текст скопирован
Пометки
Избранные статьи
Loading

Здесь будут храниться статьи, сохраненные вами в "Избранном". Статьи сохраняются в cookie, поэтому не удаляйте их.

Статья добавлена в избранное! Перезагрузка...