Высоковольтные судовые электростанции с напряжением более 1000 в
Вопрос о целесообразности применении высоковольтных электростанций для судов с системами электродвижения (СЭД) мощностью более 15 МВт весьма актуален и решается на стадии проектирования судна. В статье проведен анализ применения низковольтных электростанций в составе единых электроэнергетических систем (ЕЭЭС) с СЭД мощностью свыше 16 МВт. На примере судна-снабженца рассмотрены два варианта схемотехнических решений построения ЕЭЭС с СЭД с использованием низковольтного и высоковольтного оборудования. Для вышеуказанных вариантов приведены массы и габариты главных распределительных устройств (ГРУ) и кабельных трасс для участков между наиболее мощными потребителями ЕЭЭС. Представлен краткий сравнительный анализ низковольтных и высоковольтных судовых электростанций (СЭС), рассмотрены основные преимущества высоковольтных СЭС, среди которых следует отметить снижение токов главных дизель-генераторов (ГДГ) и сборных шин, значительное уменьшение токов короткого замыкания, снижение сечения и массы кабельных трасс, улучшение массогабаритных показателей ГРУ, уменьшение количества секций распределительных щитов и автоматических выключателей. Дана оценка влияния уровня напряжения на технико-эксплуатационные показатели оборудования. Указаны причины, благодаря которым в настоящее время низковольтные СЭС на судах с СЭД мощностью от 10 до 16 МВт имеют более широкое распространение, чем высоковольтные. Указаны основные недостатки применения высоковольтных электростанций. Проведен первичный критериальный анализ мощности электростанции, позволяющий определить целесообразность применения высоковольтной ЕЭЭС. На основе результатов сравнения двух вариантов исполнения ЕЭЭС с СЭД показано, что применение высоковольтной СЭС на 6,3 кВ является технически обоснованным и перспективным и имеет ряд существенных преимуществ.
Ключевые слова
судовая электростанция, единая электроэнергетическая установка, единая электроэнергетическая система, система электродвижения, гребная электрическая установка
Читать полный текст статьи: PDF
Список литературы
Григорьев А. В. Схемные решения перспективных низковольтных судовых систем электродвижения / А. В. Григорьев, В. В. Романовский, Р. Р. Зайнуллин // Эксплуатация морского транспорта. — 2010. — № 4. — С. 76-78.
Григорьев А. В. Анализ возможности и целесообразности применения систем электродвижения на судах вспомогательного флота / А. В. Григорьев, Р. Р. Зайнуллин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2014. — № 5(27). — С. 40-46.
Григорьев А. В. Целесообразность применения СЭД на судах вспомогательного флота / А. В. Григорьев, В. И. Штрамбранд, Р. Р. Зайнуллин // Морской флот. — 2014. — № 4. — С. 38-40.
Григорьев А. В. Анализ режимов эксплуатации судовых валогенераторных установок с преобразователями частоты и синхронными компенсаторами / А. В. Григорьев, Р. Р. Зайнуллин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2015. — № 3(31). — С. 164-171.
Wilflinger J. Simulation and control design of hybrid propulsions in boats / J. Wilflinger, P. Ortner, L. Del Re, M. Aschaber // IFAC Proceedings Volumes. — 2010. — Vol. 43. — Is. 20. — Pp. 40-45. DOI: 10.3182/20100915-3-DE-3008.00001.
Mahmud K. A review of computer tools for modeling electric vehicle energy requirements and their impact on power distribution networks / K. Mahmud, G. E. Town // Applied Energy. — 2016. — Vol. 172. — Pp. 337-359. DOI: 10.1016/j.apenergy.2016.03.100.
Gierusz W. Simulation model of the LNG carrier with podded propulsion, Part II: Full model and experimental results / W. Gierusz // Ocean Engineering. — 2016. — Vol. 123. — Pp. 28-44. DOI:10.1016/j.oceaneng.2016.06.024.
Yutao C. Integrated Design Platform for Marine Electric Propulsion System / C. Yutao, Z. Fanming, W. Jiaming // Energy Procedia. — 2012. — Vol. 17. — Part A. — Pp. 540-546. DOI:10.1016/j.egypro.2012.02.133.
Гузанов А. Н. Моделирование судового электрооборудования и средств автоматики / А. Н. Гузанов, К. В. Недялков. — СПб.: СПбГУВК, 1996. — 59 с.
Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0 / С. Г. Герман-Галкин. — СПб.: Корона Принт, 2001. — 320 с.
Об авторах
Григорьев Андрей Владимирович — кандидат технических наук, доцент
АО «НПЦ «Электродвижение судов»
Васильев Алексей Юрьевич — соискатель
АО «НПЦ «Электродвижение судов»
Малышев Сергей Михайлович — аспирант
ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»
Источник
Высоковольтные СЭЭС современных судов
3.1 Буровое судно типа «Валентин Шашин»
Буровое судно «Валентин Шашин» было построено в 1982г. в Финляндии на верфи «Раума-Реппола» по заказу СССР. Позже для СССР были построены еще два аналогичных судна судна: «В. Муравленко» и «М. Мирчник». Эти суда предназначены для проведения глубоководного бурения скважин. Глубина моря на бурении может быть от 6 до 300м, глубина бурения — 6,5км. Судно имеет длину 149м, ширину 24м, дедвейт 7000т, скорость хода 13 узлов.
В состав единой электроэнергетической установки входят 6 дизель-генераторов, мощность дизелей 6 МВт. Высоковольтная часть СЭЭС, выполненная фирмой «Стремберг» (Финляндия), включает: ГРЩ 6,3кВ, 6 синхронных генераторов типа «HSPOL» 12/953 мощностью 3,3МВА; 4 спаренных гребных асинхронных коротко-замкнутых электродвигателя, 6кВ, 158А по 1,38МВт каждый; 5 асинхронных короткозамкнутых электродвигателей подруливающих устройств, 6 кВ, 162 А по 1,38 МВт, получающих питание от преобразователей частоты типа «SAMI»; 3 трансформатора 6,0/ 0,69кВ по 2,5МВА для питания тиристорных преобразователей переменно-постоянного тока технологического комплекса для бурения, осуществляющего управление 10 электродвигателями постоянного тока по 0,6 МВт; 3 трансформатора собственных нужд по 1,0МВА, 6,0/0,4кВ. Шины высокого напряжения состоят из двух секций, соединенных секционным автоматическим выключателем, который в нормальном режиме работы включен, а при возникновении неисправности на одной из секций отключается; в это время работа неповрежденной секции продолжается. Схемой предусмотрена возможность переключения на неповрежденную секцию двух генераторов из трех, подающих питание на каждую секцию. Кроме того, предусмотрены 3 вспомогательных дизель-генератора мощностью по 200 кВт с напряжением 400В (рис. 3.1).
Рисунок 3.1- Схема главного тока бурового судна «Валентин Шашин «
3.2 Атомный ледокол типа «Таймыр»
Атомный ледокол «Таймыр» был принят в эксплуатацию Мурманским морским пароходством в 1989г. При выборе типа энергетической установки этого ледокола с ограниченной осадкой (осадка 8,1м) была определена наиболее передовая концепция единой электроэнергетической системы (ЕЭЭС) с гребной электроустановкой переменно-переменного тока. В состав ЕЭЭС входят два главных бесщеточных синхронных турбогенератора (ГТГ) фирмы «Сименс», мощностью 29 МВА при 3000об./мин, напряжением 6,3 кВ, номинальный ток 2658А, КПД= 97,5%. ГТГ работают на три синхронных гребных электродвигателя (ГЭД) через непосредственные преобразователи частоты (НПЧ). Кроме того, через два трансформатора от ГТГ электроэнергия подается на шины щита общесудовых нужд. Ответственные потребители, обслуживающие атомную энергетическую установку (АЭУ), подключены к двум раздельным щитам, которые снабжаются электроэнергией от двух вспомогательных турбогенераторов (ВТГ) мощностью 2850 кВА, вырабатывающих ток напряжением 400В. В качестве резервных источников электроэнергии установлены 3 дизель-генератора (ДГ) суммарной мощностью 3200 ВА, которые могут быть использованы как вместо ВТГ, так и для обеспечения аварийного хода судна. На аварийных электростанциях источниками тока служат два аварийных дизель-генератора (АДГ) мощностью по 200 кВт. Таким образом, разделением главных распределительных щитов указанных источников электроэнергии реализовано высоконадежное электроснабжение всех ответственных потребителей ледокола.
Управление ГЭД осуществляется ЭВМ типа «Селма-2» в автоматическом режиме с мостика или, в случае необходимости, из машинного отделения.
Основной эксплуатационный режим ЕЭЭС — работа двух ГТГ на электродвижение и собственные нужды, и двух ВТГ на потребители АЭУ, при едином энергетическом снабжении на стороне паропроизводительной установки.
 |
На ледоколе система электроснабжения с автономной работой каждого источника на свой распределительный щит накладывает определенный отпечаток на требования, предъявляемые к алгоритмам автоматизации ЕЭЭС и к надежности работы оборудования. Например, при внезапном отключении одного из ВТГ в нормальном ходовом режиме вследствие отказа в работе автоматического выключателя, генератора или турбины, соответствующий распредели тельный щит сразу остается без питания, и оговоренное правилами безопасности питание от двух независимых источников восстанавливается в течение 8. 12 с, от резервных и аварийных источников
Такая же ситуация может произойти и при срабатывании защиты реактора и в других случаях.
Функциональная схема системы. На схеме, представленной на рисунке 3.2, наименования распределительных щитов и автоматических выключателей соответствуют принятым на ледоколе. Например, 16Q1 в цепи ТГ1 означает, что выключатель Q1 установлен на панели N6 щита RS1.
На щит PS гребной установки включают ГТГ мощностью по 20300кВт каждый. Схемой предусмотрена возможность передачи электроэнергии от щита PS в общесудовую ЭЭС, через трансформаторы Т1 и Т2 мощностью по 3200кВА, напряжением 6,3/0,4кВ, 50Гц. Таким способом реализуется отбор мощности от ГЭУ для электроснабжения общесудовых приемников. Предусмотрена и обратная передача электроэнергии — шины ГЭУ от резервных источников ДГ.
Распределение электроэнергии в ЭЭС осуществляется от трех ГРЩ: RS1, RS2 и MS. На щиты RS1, RS2 могут включаться ТГ1 и ТГ2 напрямую, т.е. коммутацией одного автоматического выключателя. К этим же щитам подключается береговое электроснабжение (ЩПБ1, ЩПБ2). От ГРЩ RS1 и RS2 непосредственно или через щиты ЯЭУ и ЕS(ЩАГ) получают электропитание наиболее ответственные приемники ЯППУ, а также потребители, выделяемые Правилами Регистра.
Схема ГРЩ RS1, RS2 отвечает основным требованиям Правил морского Регистра, определяющим структуру ЭЭС атомных судов. В представленной схеме:
— питание приемников работающей ЯППУ осуществляется от раздельных источников электроэнергии;
— выход из строя одного ГРЩ не влияет на нормальную работу другого.
Этому способствует расположение щитов RS1, RS2 в отдельных помещениях. При работающей ядерной паропроизводящей установке не допускается соединять шины этих щитов кабельной перемычкой. Чтобы исключить ошибочные включения перемычки, выключатели 19Q1и 29Q1 можно включать только вручную, сняв механические блокировки.
К щиту MS подключены приемники, обеспечивающие работоспособность ГЭУ, а также общесудовые и бытовые приемники. Шины щита MS секционированы, в отличие от шин RS. В нормаль ном ходовом режиме электроснабжение щита MS осуществляется от щита ГЭУ через трансформаторы Т1, Т2 (отбор мощности ГЭУ).
При стоянке ледокола в море шины MS посекционно подключают к щитам RS1, RS2, а при береговом электроснабжении обе секции шин MS подключают к любому из щитов. В нестационарных ситуациях и при исчезновении напряжения на щите MS от перечисленных источников автоматически пускается ДГЗ и включается к шинам MS. Схемы щитов ЯЭУ показаны условно, односекционными, с обобщенными связями к щитам RS и ES. Щиты ES предназначены для распределения электроэнергии от аварийных ДГ. В дополнение к щитам RS, MS, ЯЭУ, ES и PS для управления ЭЭС из ЦПУ там установлены: пульт СД13 и щит СД22. Для каждого ТГ и ДГ, а так же для ЩПБ на панелях соответствующих ГРЩ имеются блоки управления МА1 для ДГ1; на панели 4 — выключатель 14Q19 и МА1 для ЩПБ1; на панели 6 — выключатель 16Q1 и МА1 для ТГ1. Аналогичные выключатели предусмотрены на щите RS2 для ДГ2, ЩПБ2, ТГ2. На щите MS выключатель M4Q и блок МА1 смонтированы на панели 4. Функции каждого из блоков различны. Например, для ДГ в блоках МА1расположены органы управления дизелями и представлена информация о состоянии и неисправностях.
Гребная электрическая установка. В ГЭУ единого тока с НПЧ обеспечено выполнение основных требований к энергетическим установкам ледоколов:
— постоянная мощность ГЭД, при изменении момента сопротивления на гребном валу от хода на свободной воде до хода во льдах;
— получение повышенного вращающего момента на гребном валу при работе во льдах, позволяющего избежать заклинивания винтов;
— обеспечение защиты первичных двигателей (турбин и дизелей) от недопустимых перегрузок по частоте вращения.
Питание синхронных ГЭД осуществляется от шин электродвижения 3600В, 50Гц через циклоконверторы ЦК, которые подключены к шинам через коммутационные дроссели КД.
Синхронные ГЭД фирмы «ABB» типа HSPOL 38/1255 имеют напряжение 3 х 5100В, номинальный ток 808А, мощность 12мВт, частоту вращения от 0. 110. 190 об/мин, число пар полюсов р = 5, коэффициент мощности 1,0, номинальную частоту fN = 9,2Гц, диапазон частот 0 .. .9,2. 15,8Гц. Класс изоляции F.
Циклоконверторы (непосредственные преобразователи частоты) имеют входное напряжение 6300В, частоту питающей сети fпит=50Гц, число фаз 3, коэффициент мощности на входе 0,7, потребляемый фазный ток 1750А, выходное фазное напряжение 5100В, диапазон регулируемой частоты 0. 15,8, фазный ток при выходных частотах от 9,2 до 15,8. 810 А. При частоте, равной нулю, максимальный фазный ток составляет 1650А, номинальная мощность 1200кВт, охлаждение водяное при номинальной температуре воды t = 24 °С.
Резервный циклоконвертор может быть подключен к любому ГЭД замыкающими контактами соответствующего разъединителя Р. Возбуждение каждого ГЭД обеспечивают тиристорные преобразователи ТП, выходы которых подключены к обмоткам возбуждения двигателей через щетки и контактные кольца, смонтированные на роторах ГЭД. Относительно малая частота на выходах циклоконвертеров позволяет использовать ГЭД с малым числом пар полюсов (р = 5) при значительной мощности на гребном валу. Каждый ГЭД может работать в режиме поддержания заданной скорости при ходе судна в свободной воде или в режиме поддержания заданной мощности при ходе во льдах. Номинальный режим ГЭД ледокола — не швартовный, а более тяжелый режим работы во льдах на мелководье. При плавании судна в ледовых условиях увеличение момента сопротивления вращению винта при взаимодействии его со льдом составляет Млед = 1,64Мншв (где Мншв — момент при номинальном швартовном режиме), частота вращения двигателя при этом падает до 18об./мин, форсировка тока возбуждения достигает 1,74 номинального значения.
Режим нейтрали. На атомных ледоколах типа «Таймыр» нейтраль каждого из двух синхронных генераторов по 29МВА соединена с корпусом через первичную обмотку однофазного трансформатора 60кВА, во вторичную обмотку которого включен резистор 4,2Ом. Коэффициент трансформации равен 7,3. Вторичная обмотка трансформатора заземления автоматически размыкается через 2с после ОКЗ с целью уменьшения в несколько раз тока ОКЗ
3.3 Танкер ледового класса типа «Уйку»
Арктические танкеры типа «Уйку» дедвейтом 16000т составляют серию из четырех судов. Они были построены в конце 1970-х г.г. в Германии, два из них использует компания «NEMARC» (Финляндия). В 1993г. и 1995г. соответственно танкеры «Уйку» и «Лунни» прошли переоборудование в Финляндии, на них была установлена единая электроэнергетическая система мощностью около 18,0МВА (рис. 3.3) с вентильным гребным электродвигателем (ГЭД).
ГЭД находится вне корпуса судна и объединен в гондольный пропульсивный комплекс вместе с гребным винтом, который может разворачиваться на 180°, названный «Азипод» (Azimuthing Podded Drive). В дальнейших разработках используется привод, способный разворачивать гондолу «Азипода» на 360°.
3.4 БКРТ типа „Наталья Ковшова»
БКРТ типа «Наталья Ковшова» построены по заказу СССР французской верфью «Ателье э Шантье де Нант». Головное судно построено в 1966г. Траулер предназначен для лова рыбы донным или разноглубинным тралом, переработки улова в готовую продукцию в виде консервов, мороженой рыбы и рыбной муки, хранения ее на борту и транспортировки в порт. Судно представляет собой траулер неограниченного района плавания с кормовой схемой траления, построено на класс Бюро Веритас.
Траулеры типа «Наталья Ковшова» имеют дизель-электрическую установку на переменном токе с единой энергетической системой для обеспечения движения и общесудовых нужд.
В состав дизель-электрической установки входят:
-три главных дизель-генератора;
-сдвоенный синхронный гребной электродвигатель;
-водопровод с винтом регулируемого шага;
-вспомогательный (стояночный) дизель-генератор;
-главный распределительный щит высокого напряжения;
-вспомогательный распределительный щит общесудовых, производственных и технологических потребителей;
-сети канализации электроэнергии.
Судовая электростанция. Основу энергетической установки составляет судовая электростанция переменного тока напряжением 2000/380 В и частотой 50 Гц. Главными источниками электроэнергии на судне являются три главных дизель-генератора переменного трехфазного тока со статическим возбуждением.
Характеристики главных генераторов
Номинальная мощность, кВА……. 2100
Частота вращения, об/мин………….500
Коэффициент полезного действия:
Обмотки возбуждения главных генераторов питаются от управляемых кремниевых выпрямителей (тиристоров). Этим достигается практически безынерционное изменение тока возбуждения генераторов при изменении их нагрузки, что ограничивает колебания напряжения при сбросе и набросе нагрузки в пределах не более 2,5%. Генераторы охлаждаются воздухом по замкнутому циклу двумя электровентиляторами с охлаждением воздуха в водяном холодильнике. В качестве изоляции применены материалы класса В.
Для обеспечения потребности в электроэнергии на стоянке в порту на траулере установлен стояночный дизель-генератор типа AT-250LFZ/PV фирмы Альстом имеет мощностью 90кВА переменного трехфазного тока со статическим возбуждением.
Принципиальная схема распределения энергии на траулере приведена на рис. 3.4. От главных дизель-генераторов Г1, Г2, ГЗ питание подается на главный распределительный щит 2000В на шины электродвижения ШЭД и шины общесудовых, производственных и технологических нужд ШСН. От главного распределительного щита питание подается на гребной электродвигатель (Ml и М2) и через два понижающих трансформатора TC1; ТС2 (2000/380В) на вспомогательный распределительный щит.
Первичное напряжение, В…………2000
Вторичное напряжение, В…………380
Вспомогательный распределительный щит состоит из двух секций, соединенных посредством автоматического выключателя. Потребители электроэнергии, обеспечивающие движение и живучесть судна, подключены таким образом, что при выходе из строя одной секции щита электроэнергия к ответственным потребителям подается от второй секции.
Основным, наиболее мощным потребителем электроэнергии на судне является гребной электродвигатель. Двигатель — двухъякорный синхронный, трехфазного тока.
Номинальная мощность, кВт (э. л. с.)………………….2∙1470 (2;-;2000)
Частота вращения, об/мин………………………………187,5
Пусковой ток при номинальном напряжении, кА………2,5
Рисунок 3.4 — Принципиальная схема распределения электроэнергии: РВ, РН — разъединители хода «вперед», «назад.»; РСМ1 РД — разъединители шин ШСН и ШЭД; АМ, АГ, АСШ — автоматические выключатели; АТС, ТМВ, ТВГ — трансформаторы возбуждения ГЭД и ГДГ; ТПВ — трансформаторы перевозбуждения; УВМ, УВГ — управляемые кремниевые вентили; КВМ, КВГ — контакторы возбуждения; КПВГ — контакторы линии перевозбуждения ГДГ; ВПВ— кремниевый вентиль; РС1, PC2 — реле синхронизации ГЭД; ТС — силовые трансформаторы; ТО— трансформаторы освещения.
К главному распределительному щиту напряжением 6,0кВ, 50Гц подключено 4 дизель-генератора: два мощностью 6,2МВА, один мощностью 3,0МВт и один мощностью 2,4 МВт. Через 6 трансформаторов 6,6кВ/1,0кВ и два преобразователя частоты типа ACS 600 с водяным охлаждением получает питание вентильный двигатель с двумя раздельными обмотками мощностью 11,4МВт. В основном построение и работа схемы управления гребной электрической установки аналогична схеме управления установки типа ледокола «Таймыр».
Источник