CC BY
23УДК 621.311.23:629.5
А.Н. Рак, Г.А. Капанадзе
Донецкий национальный технический университет, Донецк, 283000 e-mail: metod@donntu. org
ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕНЕРИРУЮЩИХ МОЩНОСТЕЙ В ТЕРМОЭФФЕКТИВНОЙ СИСТЕМЕ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
В статье рассмотрены вопросы определения мощности и состава судовой электроэнергетической системы дизельно-электрической пропульсивной установки с малооборотным главным двигателем. Введение электронного управления рабочими процесами двигателей, в частности систему газообмена, обусловило существенное увеличение энергии отработанных газов, что дало возможность использовать ее не только в турбонагнетателях, но и в дополнительных системах для выработки электрической энергии, таких как тур-богенераторы.Установка валогенератора позволяет получить как дополнительный источник электрической энергии, так и устройство стабилизации момента главного двигателя, а в случае выхода из строя главного двигателя - альтернативный аварийный источник движения. Введенное понятие обобщенной СЭЭС позволяет упростить анализ любой СЭЭС, содержащей отдельные ее компоненты или их комбинации.
Ключевые слова: главный двигатель, валогенератор, электродвигатель, электронное управление, газовая турбина, паровая турбина, главный распределительный щит, утилизационный котел, дизельный генератор, нагрузка.
А.N. Rаk, G.A. Kapanadze
Donetsk National Technical University, Donetsk, 283000 e-mail: [email protected]
FEATURES OF THE GENERATING CAPACITIES DETERMINATION IN THE SHIP'S ELECTRIC POWERPLANT THERMOEFFECTIVE SYSTEM
The issues of determining the power and composition of the ship's electric power system of a diesel-electric propulsion unit with a low-speed propulsion engine are discussed.The introduction of electronic control of the engine processes, such as the gas exchange system, caused a significant increase of the exhaust gases energy. It might be used not only in turbochargers, but also in additional systems for generating electric power, such as turbogenerators. The installation of the shaft generator allows to obtain both an additional source of electrical energy, and the device for stabilizing the propulsion engine torque, and in the case of the propulsion engine failure as an alternative/emergency mover. The introduced term of the generic ship electric power system allows to simplify the analysis of any such system containing individual components or their combinations.
Key words: propulsion engine, shaft generator, electric motor, electronic control, gas turbine, steam turbine, main switch board, utilization boiler, diesel generator, load.
Современные морские суда являются сложным энерго- и электромеханическим комплексом с высоким уровнем автоматизации и компьютеризации. Их работоспособность напрямую зависит от компетентности, профессионализма и согласованных действий всего экипажа, что в свою очередь влияет на безопасность мореплавання, финансово-экономические показатели, рейтинг и имидж всей компании. Если ранее судовые механики и электромеханики много лет работали на различных судах конккретных массовых серий отечественной и зарубежной постройки и хорошо их знали, то в настоящее время с учетом современного и динамичного уровня развития техники и технологий, суда даже в пределах одной серии могут иметь существенные различия. Но все суда, независимо от этого, имеют общие черты.
Цель статьи - ознакомление электромехаников с современными тенденциями комплектования судовых электростанций и режимами их работы для самостоятельного, грамотного и быстрого принятия правильных решений.
Рассмотрим основные принципы построения и функционирования судовой электроэнергетической системы (СЭЭС) на примере контейнеровоза «МайЫаМаегек» (Официальный № Б.4253 и 1МО № 9359052) с вместимостью 16 000 контейнеров.
Прежде чем перейти к особенностям СЭЭС, остановимся на технических характеристиках его главного двигателя (ГД). В качестве ГД на судне установлен малооборотный дизель ВОО8АК^АЯТ81ЬА-8иЬ2ЕККТ-:1:1ех96С с электронным управлением (ЭУ) номинальной мощностью 93 360 л. с. (68 640 кВт) и частотой вращения 102 об/мин [2]. Тепловой баланс ГД ЯТ-йех представлен на рис. 1.
Рис. 1. Структурно-функциональная схема обобщенной СЭЭС: ГД - главный двигатель; ВГ- валогенератор; УК - утилизационный котел; ПТ - паровая турбина;
ГТ - газовая турбина; Г - генератор; ДГ - дизельные генераторы; ГРЩ - главный распределительный щит
Из энергетической диаграммы (рис. 1) следует, что 49% энергии, полученной от сжигания топлива, преобразовывается на полезную работу, обеспечивающую движение судна. Порядка 50% отработанного тепла являются дополнительным ресурсом энергии, который теоретически можно использовать на судне для производства пара и электроэнергии, необходимых для обогрева и работы дополнительного оборудования [4]. Дальнейший анализ показывает, что наиболее емкой для двигателей RT-flex96C остается тепловая энергия, содержащаяся в отработавших газах (25,4%) из которой еще можно дополнительно получить 5,9% электрической мощности.
Если в старых моделях ГД энергии отработавших газов не хватало для привода газотурбокомпрессоров (ГТК), то в новых - введение ряда усовершенствований в организацию рабочего процесса двигателей и систему газообмена позволило не только форсировать двигатели путем наддува, но и обусловило существенное увеличение энергии отработавших газов. Это дало возможность использовать ее не только в ГТК, но и в дополнительно устанавливаемых турбинах [3].
В термоэффективной системе (Thermoefficiency System (TES)) силовая газовая турбина стыкуется с паровой турбиной, приводящей в действие турбогенератор переменного тока [1, 3]. Выработка пара для паровой турбины осуществляется утилизационным котлом, включенным в общую систему в соответствии с рис. 1. Также ГД приводит в действие валогенератор (ВГ) /двигатель (Д). Применение такой схемы позволяет в ряде случаев получить, в зависимости от обстоятельств, или усиленный движитель, или аварийный.
Такой поход к построению СЭЭС полностью соответствует требованиям, изложенным в [5, 6], и позволяет, на наш взгляд, ввести такое понятие, как «обобщенная» СЭЭС. Его введение позволит в дальнейшем упрощать анализ любой СЭЭС по той причине, что на всех без исключения судах присутствуют отдельные ее элементы или их комбинации, например ГД-ТГ-ДГ, ГД-ВГ-ДГ, ГД-ДГ или только ДГ.
Теперь перейдем к вопросу определения мощности и составу СЭЭС. Вопросы определения мощности СЭЭС, состоящей только из ДГ, к которым относят вероятностные, статистического моделирования, аналитический и табличный (название метода поясняется тем, что расчет нагрузок СЭЭС во всех режимах работы судна оформляют в виде таблицы), довольно хорошо разработаны и изложены в [7]. В данной работе для определения мощности ДГ использовался табличный метод определения нагрузок. Вопросы же выбора мощности ТГ и ВГ в современной отечественной и зарубежной литературе по морскому делу практически нигде не рассматриваются. Для определения ориентировочной мощности ТГ воспользуемся диаграммой электрической мощности, производимой ГТ и ПТ, приведенной на рис. 2 и в [8]. По диаграмме (рис. 2) для мощности ГД Ргд = 68 640 кВт определяем электрическую мощность ГТ РГТ = 2 000 кВт и мощность ПТ РПТ = 4 200 кВт, что дает суммарную мощность ТГ Рхт = 6 200 кВт и практически соответствует данным [1].
Мощность ВГ также можно оценить ориентировочно, исходя из следующих соображений. Мощность на валу, приведенная на рис. 2, - это мощность только на валу самого ГД, а мощность винтовая будет меньше на величину потерь в подшипниках (« 6%) и потери на ВГ (« 4%). В системе с передачей энергии на генератор через редуктор потери в редукторе составляют (« 2%) и в самом генераторе (« 4%) [9].
То есть мощность ВГ РВГ = 0,04 • 68 640 = 2 745 кВт, что также соответствует [1]. А далее по каталогам-справочникам выбираются конкретные типы генераторов. В таблице приведены паспортные данные генераторов. Видно, что суммарная мощность ТГ и ВГ практически равна суммарной мощности всех ДГ, поэтому в соответствии с [1] приоритетной считается следующая последовательность введения генерирующих мощностей ТГ ^ ВГ ^ ДГ. При такой постановке задачи возможная годовая экономия (Possible annual savings of fuelcosts mill, USD/year) по статье «Топливо» в соответствии с рис. 2 может составить 1$,2 млн.
Паспортные данные генераторов
Генератор Тип S, кВА n, мин-1 U, В I, А f, Гц cos ф
ДГ (3) «Siemens» 1DK4531-8BF05-Z 3 600 1 800 6 600 315,3 60 0,7
ТГ (1) «Siemens» 1FJ4805-4SB62 7 000 1 800 6 600 613,1 60 0,857
ВГ (1) «Siemens» 65L3710-8LG42-4AW0 3 571 45-82 6 600 328,5 60 0,7
Аварийный «CATERPILLAR» SR4 1 700 1 800 440 2 456,6 60 0,8
Суммируя вышеизложенное, можно сделать следующие выводы:
1. Применение в качестве ГД двигателя с электронным управлением позволяет путем выполнения более гибкой настройки топливной аппаратуры обеспечить не только соблюдение требований конвенции МАКРОЬ 73/78 в части сокращения количества выбросов КОх, а также сократить удельный расход топлива.
2. Применение на судах ГД с электронным управлением путем совершенствования теплоэнергетических процессов позволяет получить два дополнительных источника электрической энергии валогенератор и турбогенератор.
3. Свойство обратимости синхронной машины (валогенератор/двигатель) позволяет получить также не только дополнительный источник электрической энергии, а также дополнитель-
Рис. 2. Диаграмма электрической мощности, производимой газовой (Exhaustgas) и паровой (Steam) турбинами в зависимости от мощности (Sizeofmainengine) ГД
ный источник движения, который можно использовать при аварийном режиме работы, или для усиления работы главного двигателя.
4. Введение понятия «обобщенная» СЭЭС позволит в дальнейшем упрощать анализ работы любой электростанции.
5. Применение дополнительных источников электрической энергии на судне позволит получить годовую экономию по статье «Топливо» примерно $1,2 млн.
Литература
1. 'M' class container ship. Operating manual lindo newbuilding L. 216. m/s "MATHILDE MAERSK".
2. SULZERRTA96C Marine Installation Manual: Issue. - May 2004. - URL: https://ru.scribd.com/doc/11498707/RTFLEX96C.
3. Возницкий И.В. Двигатели МАNB&W модельного ряда МС 50-98. Конструкция, эксплуатация, техническое обслуживание. - М.: Моркнига, 2008. - 264 с.
4. Pounder's Marine Diesel Engines and gas Turbines. Eighthedition. Elsevier ButterworthHeinemann Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP 200 Wheller Road, Burlington, VF 01803.
5. Правила технической эксплуатации морских и речных судов. Электрооборудование. КНД 31.2.002.07-96.
6. Правила и классификации и постройки морских судов. Том 2. НД - № 2-020101-047. Российский морской регистр судоходства. - СПб.: 2007. - 680 с.
7. Справочник судового электротехника. Т.1. Судовые электроэнергетические системы и устройства / Под ред. Г.И. Китаенко. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1980. - 528 с.
8. URL: http://www.123energy.net/resources/cogeneration.pdf
9. URL: http://marine.mandieselturbo.com/docs/librariesprovider6/technical-papers/shaft-generators-for-mc-and-me -engines.pdf? sfVrsn=22.
