Судовые электростанции на буксирных судах

Судовая электростанция предназначена для обеспечения электроэнергией судовых потребителей в нормальных и аварийных режимах. Электростанция каждого буксирного судна состоит из источников электроэнергии, распределительных устройств и электрических сетей.

Основными источниками электроэнергии на буксирах являются генераторы постоянного или переменного тока. По назначению источники электроэнергии можно разделить на главные генераторы, обеспечивающие электроэнергией движительную установку, и вспомогательные генераторы, предназначенные для снабжения электроэнергией остальных общесудовых потребителей. Несколько особняком в такой классификации стоят аккумуляторные батареи, которые могут использоваться на буксирах для питания вспомогательных потребителей, но обычно они применяются для питания цепей пуска и управления, систем ЛПС и ДАУ, а также в качестве резервных и аварийных источников питания в случае выхода из строя вспомогательных генераторов (аварийное освещение, радиосвязь и т. п.).

По способу получения электроэнергии в судовых условиях источники питания разделяются на автономные генераторные установки и генераторные установки отбора мощности от главных двигателей.

Тип приводного двигателя в автономных генераторных установках в большинстве случаев определяется типом главного двигателя. На многих буксирах в качестве главных двигателей используются дизели, поэтому наиболее распространенным типом первичного двигателя вспомогательного генератора также является дизель, обладающий высоким к. п. д., автономностью работы и постоянной готовностью к пуску. Кроме того, вопросы автоматизации дизелей решаются несколько проще, чем для других типов первичных двигателей. Правда, двигатели внутреннего сгорания имеют относительно небольшой моторесурс (особенно быстроходные — 8—10 тыс. ч) и для их работы требуется относительно дорогостоящее дизельное топливо и масло.

Степень автоматизации дизель-генераторов устанавливается действующими стандартами и требованиями Регистра.

Изучение возможных путей электроснабжения судовых потребителей показывает известную перспективность установок, в которых работа судовых генераторов на полном и среднем ходах судна происходит без участия автономных первичных двигателей. Использование главных двигателей в основных ходовых режимах судна, как единого источника энергии для всех судовых нужд, с приводными генераторами судовой электростанции (валогенераторами) позволяет:

• резко сократить время работы автономных вспомогательных двигателей, а иногда и число этих двигателей, и тем самым значительно уменьшить эксплуатационные расходы на электростанцию;
• упростить состав энергетической установки, так как любой автономный двигатель с обслуживающими его механизмами обладает более сложной конструкцией по сравнению с электрической машиной, снабженной приводом и сетью канализации энергии;
• повысить надежность работы установки, о чем свидетельствуют помещенные в работе исследования по количественному определению надежности дизель-генераторов мощностью до 100 кВт (количество отказов агрегатов из-за неполадок дизеля 75—87%, по вине генераторов и распределительных устройств — 4—18%);
• снизить стоимость выработки электроэнергии благодаря тому, что главный двигательМашинное отделение и топливные бункера имеет лучший по сравнению со вспомогательными двигателями термический к. п. д.;
• снизить общий уровень шумности в машинном отделении на ходовых режимах вследствие уменьшения числа работающих двигателей.

Указанные обстоятельства в значительной степени определили целесообразность и широкое применение валогенераторов на буксирах отечественной и зарубежной постройки. В то же время опыт эксплуатации валогенераторов показал, что в системе вал двигателя — привод генератора наиболее уязвимым узлом является привод. Поэтому выбор типа установки и характера конструктивной связи между главным двигателем и генератором отбора мощности определяется характером установившегося и переходного режимов работы двигателей, условиями обеспечения бесперебойности электроснабжения и перевода нагрузки.

Условия работы генераторов отбора мощности в переходном режиме зависят в основном от изменения скорости вращения главного двигателя. В этом отношении в более благоприятных условиях находятся навешенные генераторы в дизель-электрических гребных установках. Валогенераторы при непосредственном соединении с гребным валом естественно воспринимают все колебания или циклические изменения его скорости вращения. В штормовых условиях возможно периодическое оголение гребного винта буксира, при котором отмечается кратковременное повышение вращения главного двигателя, даже если на двигателе установлен всережимный регулятор. Величина и продолжительность изменений частоты вращения могут быть различными. Помимо внешних факторов они определяются качеством регулирования частоты вращения главной энергетической установки. В общем случае эксплуатации генераторной установки отбора мощности при резком изменении частоты вращения главной энергетической установки в штормовую погоду колебания не должны превышать ±5% от средней величины дизеля с автоматическим всережимным регулятором и ±10% для дизеля без автоматического регулятора.

С целью обеспечения непрерывности питания потребителей электроэнергии на морских и речных буксирах и толкачах обычно применяют схемы, в которых при снижении частоты вращения главного двигателя ниже допустимой автоматически вводится в действие резервный дизель-генератор. Для исключения перерыва в питании потребителей необходима хотя бы кратковременная параллельная работа валогенератора и резервного дизель-генератора. Высоких требований к устойчивости параллельной работы в этом случае можно не предъявлять.

Выбор рода тока, напряжения и частоты

Если в недалеком прошлом на отечественных и иностранных судах применялся главным образом постоянный ток, то в настоящее время преимущественно используется переменный ток общепромышленной частоты.

Предлагается к прочтению: Сцепные устройства буксирных судов

Целесообразность применения переменного тока на судах обусловливают следующие основные его преимущества:

• возможность преобразования напряжений с помощью трансформаторов, являющихся самыми надежными, простыми и дешевыми преобразователями;
• применение наиболее простых и надежных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, что в свою очередь позволяет на 30—50% уменьшить вес и на 20—30% габариты приводных электродвигателей, значительно снизить общий уровень помех радиоприему (отсутствие щеточноколлекторного аппарата), увеличить степень унификации, а также использовать более простую и надежную пусковую аппаратуру;
• стоимость асинхронных двигателей в 1,5—2 раза ниже стоимости электродвигателей постоянного тока;
• возможность отделения осветительной сети от силовой, чем достигается повышение надежности работы электроэнергетической системы судна;
• большая надежность электроприводов переменного тока и необходимость меньшего ухода за ними в процессе эксплуатации;
• организация питания судовых потребителей с берега, оборудованного, как правило, источниками питания переменного тока, более проста, чем для постоянного тока.

Наряду с положительными сторонами применение на буксирах переменного тока имеет некоторые недостатки, основные из которых: сложность осуществления плавного регулирования частоты вращения асинхронных двигателей, необходимость оборудования генераторов переменного тока сравнительно сложными системами автоматического регулирования напряжения, несколько большие габариты распределительных устройств.

Указанные недостатки частично преодолены благодаря использованию многоскоростных двигателей, статических регуляторов напряжения, синхронных генераторов и т. п. Вместе с этим следует иметь в виду, что на современных буксирах для 70—80% электроприводных механизмов не требуется плавного регулирования скорости или регулирования в широких пределах. Так, для многих насосов и вентиляторов необходима постоянная скорость, а для палубных механизмов вполне пригодными оказываются многоскоростные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. В случае плавной регулировки частоты вращения электропривода (рулевая машина и другие специальные приводы) возможно применение асинхронных электродвигателей с фазным ротором или различных установок с выходом электроэнергии постоянного тока непосредственно на регулируемый привод. Удельный вес таких приводов в энергосистеме современного буксира невелик.

Сохранение постоянного тока в качестве основного допустимо только для малых речных, рейдовых и портовых буксиров, у которых основным потребителем электроэнергии являются освещение и сигнально-отличительные огни, а для пуска главных двигателей предусматривается установка стартерной аккумуляторной батареи. При этом напряжение судовой сети обычно равно напряжению аккумуляторной батареи. Для остальных буксиров, независимо от мощности электростанции, наиболее приемлем переменный трехфазный ток.

Напряжение судовой сети определяет прежде всего весогабаритные показатели электроаппаратуры и кабельных трасс судна, которые с увеличением напряжения для аппаратуры возрастают, а для кабеля уменьшаются. Поэтому к вопросу, какое напряжение наиболее приемлемо, нужно подходить дифференцированно. Следует также учитывать требования техники безопасности, которые, например, для сетей напряжением 24 В не имеют решающего значения, а при напряжении 127 В и выше требуется ряд защитных мероприятий, усложняющих монтаж и обслуживание электрооборудования.

Судовая электростанция – расчет мощности

Проектирование судовых электростанций неразрывно связано с общими вопросами снабжения потребителей электроэнергией и повышения эффективности всей энергетической установки. Мощность генераторов судовой электростанции должна быть такой, чтобы удовлетворять потребителей в самом напряженном режиме работы.

Число работающих генераторов зависит от соотношения величин мощности, потребной для каждого режима работы буксира. Всегда желательно сократить его до минимума. Рациональный выбор мощностиВыбор мощности и движительно-рулевого комплекса буксирных судов и числа работающих генераторов судовой электростанции имеет большое практическое значение, так как в значительной степени определяет величину первоначальных капиталовложений и эксплуатационных расходов, связанных с электрооборудованием судна. Мощность судовых электростанций вычисляют с помощью двух методов: табличного и аналитического. Наиболее широко применяется табличный метод определения мощности и числа агрегатов электростанции буксира. Сущность данного метода подробно освещена в литературе, поэтому здесь обращено внимание лишь на некоторые особенности расчета режимов, характерных для буксирных судов.

При расчете судовой электростанции постоянного тока в таблицу нагрузок вносятся все судовые потребители с указанием номинальных величин мощности, коэффициента использования и к. п. д. электродвигателя. По каждой группе потребителей энергии для каждого режима работы буксира находят коэффициенты одновременности и загрузки и подсчитывают требуемую мощность. Коэффициент загрузки механизма должен определяться на основании анализа условий работы того или иного механизма в каждом конкретном случае. Как правило, этот коэффициент меньше единицы, так как каждая судовая система или устройство комплектуется механизмами с ближайшими параметрами.

Передача энергии потребителям, естественно, связана с потерями в сети. Их обычно оценивают в 5% фактически передаваемой мощности. Однако, строго говоря, эти потери зависят от присоединенных мощностей, длины кабельных линий, режимов работы приемников, т. е. они не могут быть постоянными для каждого типа буксира.

Ожидаемая мощность судовой электростанции каждого режима работы буксира определяется суммированием мощностей отдельных потребителей с учетом коэффициента загрузки и потерей в сети.

Таблицы для расчета судовой электростанции переменного тока, по сравнению с таблицами нагрузок постоянного тока, дополнительно включают несколько граф для подсчета реактивной мощности, необходимой для потребителей электрической энергии в установках переменного тока.

Выбор количества и мощности генераторов судовой электростанции следует производить, исходя из нагрузки на станцию с учетом режима работы буксира.

Мощность каждого генератора должна быть такой, чтобы при выходе из строя одного генератора мощность остальных была достаточной для обеспечения наиболее напряженного режима буксира (ходового или аварийного). Выбранные генераторы должны работать с высоким к. п. д., т. е. с достаточной загрузкой.

В связи с изложенным особенно актуальным становится поиск новых методов определения мощности судовой электростанции.

Одним из таких методов является предложенный ЦНИИМФ аналитический метод расчета мощности судовой электростанции, основанный на обобщении материалов эксплуатации электрических станций на построенных судах. Для расчета судовых электростанций буксиров аналитический метод еще не применялся из-за отсутствия достаточного статистического материала о работе судовых потребителей.

Проектирование судовой электростанции, наряду с выбором количества и мощности генераторов, включает разработку схемы ее основных цепей и цепей управления. При разработке схем судовых электростанций буксирных судовМорские буксирные суда, классификация и виды следует исходить из того, что они должны удовлетворять требованиям надежности, удобства эксплуатации и экономичности.

Читайте также: Подготовка судна к швартовым операциям

Для обеспечения надежности работы электростанции в режиме работы необходимо предусмотреть:

• резервирование отдельных элементов (генераторов, преобразователей, трансформаторов);
• деление установки на несколько частей (секций), каждая из которых может работать без связи с другими частями (секциями);
• автоматическое включение резерва (аварийного либо резервно-стояночного генератора);
• автоматическую разгрузку генераторов (автоматическое отключение менее ответственных потребителей) при токах, превышающих допустимую величину;
• применение генераторов автоматическим регулированием возбуждения; использование селективно работающих защит с минимальным временем срабатывания.

Удобство эксплуатации электростанции обеспечивается выбором возможно более простой схемы, предусматривающей минимальное количество коммутирующей аппаратуры, автоматизацией управления схемой, выбором простейшего способа синхронизации генераторов.

Экономичность эксплуатации электростанции достигается применением таких схемных решений, которые обеспечивают наименьшие годовые расходы по электроснабжению при сохранении достаточной надежности, гибкости и удобства обслуживания установки.