Судовая электростанция. Электрооборудование судов. Обслуживание судовых электростанций и электросетей

Судовой электрической станцией (СЭС) называется технический комплекс, состоящий из источников электрической энергии и главного распределительного щита (ГРЩ), предназначенный для генерирования электроэнергии и ее подачи в электрическую сеть к приемникам (потребителям).

Генераторные агрегаты ГА с помощью кабелей К и автома­тических выключателей QF подключаются к внутренним соеди­нительным линиям ГРЩ, называемым шинами Ш , к которым через коммутационно-защитные аппараты-выключатели QF 1... J присоединены фидеры судовой кабельной сети Ф1, Ф2, Ф J , питающие потребители электроэнергии ПЭ . На стан­ции должно быть не менее двух ГА.

Состав главных элементов электрических станций (электро­станций) и схемы их соединения (схемы главного тока), образующие структуру СЭС, должны обеспечивать возможность:

раздельной и параллельной работы генераторных агрегатов СЭС как на всю СЭЭС, так и на отдельные ее части (секции ГРЩ, фидеры);

электрической защиты генераторов, ГРЩ и подсоединенных к ним кабельных линий при возникновении ненормальных (ава­рийных) режимов;

связи с береговыми электрическими системами и СЭЭС дру­гих судов;

управления качеством и распределением генерируемой и потребляемой электрической энергии между источниками (при параллельной работе) и потребителями;

выполнения эксплуатационного наблюдения за элементами СЭЭС и проведения ремонтных работ без нарушения минималь­но необходимого обеспечения судна электроэнергией.

В зависимости от рода источников электроэнергии различа­ют СЭС постоянного и переменного токов. Последние наиболее распространены на судах.

Электрические станции, операции управления которыми не автоматизированы или автоматизированы частично, требуют для обслуживания постоянной вахты (знак автоматизации А2).

Все более широкое применение в СЭЭС находят полностью автоматизированные СЭС (знак автоматизации А1), не требую­щие постоянного обслуживания вахтенным персоналом. Наибо­лее распространены полуавтоматические СЭС, управляемые оператором из центрального поста.

Судовые электростанции подразделяют на основные, аварий­ные и специальные. Основные СЭС обеспечивают электроэнер­гией все технические средства судов в нормальных рабочих режимах; аварийные СЭС - только важнейшие потребители в случаях прекращения питания (выхода из строя) основной электростанции. Специальные СЭС питают особые группы пот­ребителей, например судовые технологические комплексы.

Обычно на судне предусматривается одна основная электро­станция, но при большом числе и мощности генераторов воз­можны СЭЭС с несколькими основными электростанциями. Основные электростанции располагают в трюмных помещениях.

На всех судах наряду с основными генераторами обязатель­но должен быть аварийный источник электроэнергии, который вместе с аварийным распределительным щитом (АРЩ) образу­ет аварийную электростанцию. Аварийная СЭС размещается в специальном помещении, находящемся выше палубы перебо­рок вне шахты машинного отделения и имеющем непосредст­венный выход на открытую палубу.

В качестве аварийного источника электроэнергии используют автономный ДГ, расходная цистерна с топливом которого также размещается в помещении аварийной СЭС. Емкость цистерны должна быть достаточной для обеспечения непрерывной работы ДГ в течение 36 ч на пассажирских судах, 6 ч -на грузовых судах валовой вместимостью 5000 peг. т и более 3 ч - на осталь­ных судах. Аварийный ДГ пускается автоматически электростартером или сжатым воздухом, чтобы не более чем через 45с восстановить питание потребителей при исчезновении напряже­ния.

От АРЩ получают питание непосредственно по отдельным фидерам наиболее важные для обеспечения жизнедеятельности поврежденного судна потребители: гирокомпас, радиостанции, рулевая машина, сигнально-отличительные огни, освещение основных постов и помещений, средства тушения пожара, водо­отливные средства и т. п.

Все оборудование аварийной электростанции должно надеж­но работать при одновременном длительном крене и дифференте.

В качестве основного или дополнительного аварийного источ­ника электрической энергии могут применяться АБ для питания аварийного освещения и сигнализации, а также для управления водонепроницаемыми дверями. Минимальное время работы таких батарей 3...36 ч в зависимости от типа судна и его водо­измещения.

Схемы главного тока электростанций, предусматривающие длительную или кратковременную (на период перевода нагруз­ки) параллельную работу генераторных агрегатов, отличаются в зависимости от их состава, а также выбранного числа секций шин ГРЩ и связей между ними, принятых для удобства и на­дежности эксплуатации СЭС.

Схемы главного тока типизированы для СЭС с отдельными секциями стояночных приемников и без них, а также приемников (двигателей), соизмеримых по мощности с генераторами.

Число фидеров, питающих потребителей, и включающих их автоматов на ГРЩ измеряется десятками.

Аварийная электростанция имеет электрическую связь в виде фидера от основной электростанции. В нормальных условиях по перемычке подается напряжение от ГРЩ на АРЩ. При исчезновении напряжения на шинах основной электростанции поступает сигнал на автоматический запуск АДГ. После пуска генератор подключается к шинам аварийной станции контак­тором КМ.

Электростанции характеризуются, в первую очередь, типом, числом и номинальной мощностью установленных генераторов, которые определяются в зависимости от мощности, требующей­ся в любой момент для действия электрифицированных техни­ческих средств судна.

Структура СЭС.

В комплекс электрооборудования судна входят системы, подсистемы, локальные системы (или устройства).

Электроэнергетическая система предназначена для бесперебойного снабжения приемников во всех эксплуатационных режимах судна требуемым количеством электроэнергии высокого качества. СЭС представляет собой единый комплекс, состоящий из электростанций, преобразовательных устройств, вторичных распределительных устройств, связанных между собой линиями передач.

СЭС относится к классу сложных систем, которая в своем составе содержит много подсистем: генерирования и распределения электроэнергии (ПГРЭ); управления режимами генераторных агрегатов (ПУРГА); электроснабжения аварийных приемников (ПЭАП); отбора мощности от энергетической установки (ПОМЭУ).

ПГРЭ предназначена для генерирования, преобразования, передачи и распределения электроэнергии. В подсистему входят локальные системы (устройства) управления электроприводами (ЛСУЭ) и электроснабжения приемников (ЛСЭП).

ПУРГА, предназначенная для управления и контроля параметров ГА во всех эксплуатационных режимах, состоит из локальных систем: управления первичными двигателями ГА (ЛСУПД); автоматической стабилизации напряжения генераторов (ЛССН); стабилизации частоты вращения ГА (ЛССЧ); автоматической синхронизации ГА (J1CC); автоматического распределения активной мощности ГА (ЛСРМ); автоматического ввода резервного (ГА ЛСВР); автоматической защиты генераторов от перегрузки (ЛСЗП); защиты судовой сети от коротких замыканий и перегрузки (ЛСЗС) и от обрыва фазы или снижения напряжения (ЛСЗОФН); контроля параметров (ЛСКП).

ПЭАП, предназначенная для снабжения и передачи электроэнергии ограниченному числу приемников от аварийных источников, содержит в своем составе ЛССН, ЛССЧ, ЛСВР, ЛСЗП, ЛСЗС, ЛСКП.

ПОМЭУ, предназначенная для производства, распределения и передачи электроэнергии к приемникам от валогенераторов, навешенных генераторов, утилизационных турбогенераторов в ходовых режимах судна, состоит из ЛСУПД, ЛССН, ЛССЧ, ЛСВР, ЛСКП.

В состав СЭС входят большое число взаимно связанных между собой элементов (рис. 2): главный распределительный щит ГРЩ, генераторные агрегаты ГА (сюда относятся генераторы Г и приводные двигатели), пульт управления ПУ, распределительные щиты РЩ, вторичный распределительный щит ВРЩ, приемники электроэнергии П линии передач, трансформатор Тр, выключатели генераторные ВГ, фидерные ВФ, секционные ВС.

Основной элемент СЭС – электростанция – состоит из ГА, ГРЩ, ПУ; электрические сети содержат РЩ и линии передач.

В генераторный агрегат входят генератор Г и приводной двигатель ПД.

Классификация СЭС.

Множество количественных и качественных признаков СЭС дают представление о диапазонах мощности, типах ГА, режимах работы, степени автоматизации, параметрах, составе технических средств, способах преобразования энергии И др.

По виду преобразования электроэнергии ЭС делят на тепловые и атомные. На большинстве судов транспортного флота устанавливают тепловые ЭС, где химическая энергия топлива преобразуется в механическую, а затем в электрическую. В настоящее время на отдельных судах имеются атомные ЭС (атомоходы «Ленин», «Арктика»), где энергия атомного ядра преобразуется в тепловую, механическую и электрическую.

По роду тока СЭС могут быть переменного и постоянного тока, различные по характеристикам, параметрам и конструкциям ГА, а также по содержанию и составу аппаратуры и распределительных устройств. На судах в основном применяют переменный ток, лишь отдельные специальные установки работают на постоянном токе.

По уровню параметров бывают системы с номинальными напряжением и частотой, с номинальным напряжением и повышенной частотой, с повышенным напряжением и номинальной частотой, с повышенными напряжением и частотой.

По назначению СЭС делят на основные, аварийные и специальные. Основные системы предназначены для снабжения всех групп приемников электроэнергией, аварийные – для электроснабжения ограниченного числа электрифицированных механизмов и устройств, необходимых в аварийной ситуации. В аварийных системах предъявляют требования к расположению ГА и РЩ, способам пуска и длительности работы агрегатов. Системы специального назначения предназначены для гребных электрических установок (ГЭУ).

По установленной мощности СЭС могут быть малой, средней и большой мощности. Установленная мощность генераторного агрегата характеризуется степенью электровооруженности судна. На основании анализа статистических данных условно принимаем установленную мощность генераторов ЭС малой мощности 500–2000 кВт, средней мощности– в диапазоне 2000–10000 кВт, большой мощности – свыше 10 000 кВт.

По типу ГА системы делят на дизель-генераторные, турбогенераторные, газотурбогенераторные, смешанные.

По системе автоматизации первичных двигателей СЭС могут иметь дистанционное и автоматизированное управление.

По способу отбора мощности от энергетических установок различают валогенераторы (ВГ) с приводом от валопровода, навешенные генераторы (НГ) с приводом от главных двигателей ГЭУ, утилизационные турбогенераторы (УТГ), использующие энергию отработанных газов главных дизелей, и комбинированные установки, состоящие из ВГ и УТГ. На отдельных судах производится отбор мощности от ГЭУ, работающей на переменном токе, преобразованием энергии (понижение напряжения с помощью трансформаторов напряжения).

По режимам работы предусматривается автономная и параллельная работа ГА и электроснабжение ЭС от береговой сети.

Источниками тока СЭС являются синхронные генераторы (СГ) и генераторы постоянного тока (ГПТ). СГ могут быть с независимым возбуждением и с самовозбуждением. Генераторы с независимым возбуждением имеют источник постоянного тока (электромашинный возбудитель) и систему косвенного фазного компаундирования. Генераторы с самовозбуждением имеют системы стабилизации напряжения с фазным компаундированием с неуправляемыми и управляемыми вентилями. Внедряют бесщеточные генераторы с вращающимися управляемыми вентилями. ГПТ бывают с независимым параллельным возбуждением и самовозбуждением (параллельным и смешанным).

Преобразование электроэнергии СЭС производится посредством преобразователей статических полупроводниковых, электромагнитных (трансформаторов) и вращающихся (электромашинных).

По степени автоматизации СЭС делят на автоматизированные с дистанционным или программным управлением.

Управление и контроль объектами СЭС возможны с пульта управления, панели управления ГРЩ, централизованного пульта управления энергетической установкой.

При автоматизации СЭС применяют элементы электромагнитные контактные, бесконтактные логические, элементы на интегральных схемах и комбинированные контактные и бесконтактные.

Контроль параметров СЭС производят визуально электроизмерительными приборами, дискретными средствами и устройствами централизованного контроля.

Подсистема генерирования и распределения электроэнергии СЭС характеризуется числом ЭС и ГА, типом ГРЩ (числом секций), способом секционирования шин ГРЩ, схемой распределения электроэнергии (фидерно-групповая, магистральная, смешанная).

Защита в СЭС предусматривается от токов короткого замыкания, перегрузок, обратной мощности ГА, обрыва фазы электрической сети, снижения напряжения и др.

Типизация в СЭС осуществляется по элементам, схемным узлам, устройствам (распределительным и автоматизации).

Судовая электростанция предназначена для снабжения электроэнергией всех судовых потребителей на всех режимах эксплуатации судна. Согласно нормативным требованиям потребители электроэнергии на судах объединяются в ряд групп, в том числе:

Электромеханизмы энергетической установки;

Электромеханизмы общесудовых систем и устройств;

Палубные механизмы;

Средства обеспечивающие обитаемость;

Средства управления судном;

Средства навигации и связи.

На судах преимущественно применяется переменный ток напряжения 400 В и частотой 50 Гц. К качеству генерируемого тока предъявляются жесткие требования, как по отклонению напряжения, так и частоты.

В качестве электрогенерирующих агрегатов используются агрегаты в составе первичных двигателей, как правило, такого же типа как и главный двигатель судна. К двигателям агрегатов предъявляются требования надежности, по массе и габариту, экономичности и маневренности. Особенно жесткие требования предъявляются к агрегатам, обеспечивающие их устойчивую параллельную работу.

Выбор электрогенераторов следует производить из числа типовых образцов, выпускаемых специализированными предприятиями. Раннее упоминалась возможность применения на дизельных судах утилизационных турбогенераторов, а также валогенераторов Анализ возможных способов привода валогенератора, в том числе с использованием силовой газовой турбины приводится в работе [ 2 ]. Следует иметь в виду, что при этом не исключается необходимость в автономных электрогенераторах, вводимых в работу на режимах частичных нагрузок СЭУ и на стоянке.

Согласно Правилам Российского морского регистра судоходства на судах должно быть предусмотрено не менее двух электрогенераторов, каждый из которых обладает мощностью способной полностью удовлетворить потребности судна в электроэнергии.

В отечественной практике установилась тенденция применения на транспортных судах электростанции в составе трех электрогенераторов, двух одновременно работающих и третий резервный.

Исходным требованием к судовой электростанции является мощность, обеспечивающая выполнение основных режимов эксплуатации судна

Для определения необходимой мощности на режимах существует ряд методик. Наиболее достоверный результат дает применение таблиц электрических загрузок. Таблица составляется по установленной форме для основных режимов эксплуатации судна. В таблице указывается номинальная мощность потребителей электроэнергии, их количество, значения эффективного,.и мощностного к.п. д.Применительно к режимам указывается количество работающих потребителей, их загрузка и значение к.п. д, .как эффективного, так и мощностного. Таблица завершается определением суммарного потребления электроэнергии на режимах и среднего значения мощностного к.п.д. потребителей.

Выбор состава электростанции производится исходя из значения максимальной мощности на режимах. Сопоставление значений среднего мощностного к.п.д. потребителей и мощностного к.п.д. электрогенератора необходимо для выбора электрогенератора по активной составляющей мощности или же по полной мощности, представляющей собой среднее квадратичное значение активной и реактивной мощностей потребителей

Форма таблиц нагрузок и зависимости к определению мощности электрогенераторов приведены в [ 2 ] . Подробное изложение вопроса проектирования судовой электростанции рассматривается в курсе “ Электрооборудование судов” .

Составление таблиц электрической нагрузки возможно если проектант располагает достаточной информацией при наличии близкого прототипа судна. В противном случае допустимо применение статистических методов. К их числу можно отнести рекомендации нормали РД31.03 41-90 “Технико-эксплуатационные требования оптимальной комплектации электростанций морских транспортных судов ММФ.1990”. Здесь рекомендуется определять мощность электростанции по формуле:

кВт - сумма средней статистической величины мощности электропотребителей и 3-х средних квадратичных отклонений величины мощности потребителей.

КВт добавочная мощность, определяемая особенностями судна.

Величины, входящие в последнюю формулу, даются в функции мощности главного двигателя и водоизмещения судна в.[ 2 ] и [ 8 ]

Судовая электроэнергетическая установка (СЭЭУ) представляет собой сложный технический комплекс, состоящий из различных видов электрооборудования, обеспечивающего процессы генерирования и распределения электроэнергии между приемниками, преобразующими электроэнергию в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую и т.п.).

В состав судовой электроэнергетической установки входят:

судовая электроэнергетическая система (СЭЭС);

общесудовые приемники электроэнергии;

гребная электрическая установка (ГЭУ),

Структура СЭЭУ приведена на рис. 1.1.

СЭЭУ обладает всеми свойствами системы, однако здесь и далее ис­пользуется общепринятая терминология в отношении судовых электро­технических комплексов, систем и установок.

В состав СЭЭС входит одна или несколько судовых электростанций (СЭС) и судовые распределительные сети.

СЭС называют технический комплекс, состоящий из источников электроэнергии и главного распределительного щита (ГРЩ), основным назначением которой является производство электроэнергии необходимого количества и качества во всех режимах эксплуатации судна.

Судовые электростанции подразделяют на основные, аварийные и специальные. Основная СЭС обеспечивает электроэнергией общесудо­вые приемники во всех эксплуатационных режимах работы судна, вклю­чая аварийный (пожар, пробоина). Аварийная СЭС обеспечивает питани­ем только особо важные приемники в случае отказа основной.

Специальные СЭС могут использоваться на судах для питания тех­нологических комплексов (рыбоперерабатывающий завод, буровая уста­новка и т.п.). К специальным относят СЭС, которые питают гребные электрические установки. В них источники электроэнергии подключа­ются к щиту электродвижения (ЩЭД).

Если СЭС одновременно обеспечивает электроэнергией ГЭД и общесудовые приемники, то в этом случае судовую электроэнергетиче­скую систему принято называть единой.

Электрические распределительные сети состоят из:

Электрораспределительных щитов (РЩ);

Кабельных линий электропередачи, передающих электроэнергию от источников или распределительных щитов (РЩ) к приемникам;

Преобразователей электроэнергии, обеспечивающих питание ло­кальных сетей, таких как сеть переносного рабочего освещения, транс­ляционная сеть и т.д.

В большинстве случаев движение судна обеспечивают главные дви­гатели (дизели, турбины), входящие в состав главной энергетической установки судна (ГлЭУ). На многих судах различного назначения для" обеспечения движения судна используется гребная электрическая установка (ГЭУ), которая входит в состав СЭЭУ.

На судах с ГЭУ движение обеспечивается за счет работы гребных электродвигателей (ГЭД), которые получают питание или от специаль­ной, или от основной электростанции.

СЭЭС по типу взаимосвязи с главной энергетической установкой судна можно разделить на:

Автономные СЭЭС, не имеющие непосредственной связи с ГлЭУ;

СЭЭС с отбором мощности от ГлЭУ;

Единые СЭЭС.

Классификация СЭЭС по типу связи с главной энергетической уста­новкой судна представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Классификация СЭЭС по типу связи с ГлЭУ

В автономных СЭЭС электроэнергию для питания приемников вы­рабатывают автономные источники электроэнергии, как правило, турбо-или дизель-генераторы.

В состав СЭЭС с отбором мощности от ГлЭУ помимо автономных источников электроэнергии входят генераторные установки, исполь­зующие для производства электроэнергии мощность ГД. К таким уста­новкам относят валогенераторные установки (ВГУ) и утилизационные установки. В ВГУ электроэнергию вырабатывают валогенераторы (ВГ), приводимые в движение непосредственно ГД. В утилизациошшх уста­новках применяются утилизационные паро- или газотурбогенераторы. Для получения пара в утилизационных котлах используется тепло выхлопных (отбросных) газов ГД. Утилизационные газотурбогенераторы приводятся в движение под действием давления выхлопных газов ГД.

В отличие от ВГУ, утилизационные турбогенераторы находят огра­ниченное применение на современных судах. Это связано, прежде всего, с малой мощностью утилизационной установки.

ВГУ производят непосредственный отбор мощности от ГлЭУ, утилизационные установки - косвенный.

В единых СЭЭС производимая электроэнергия расходуется на общесудовые нужды и обеспечение движения судна.