CC BY
13О. С. Хватов, Е.М. Бурда, И.А. Тарпанов
Имитационная модель судовой электростанции с распределителем мощности
УДК 621.313.3
О.С. Хватов, д.т.н, профессор ФГБОУВО «ВГУВТ» Е.М. Бурда, к. т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» И.А. Тарпанов, к.т.н., ст. пр. ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ С РАСПРЕДЕЛИТЕЛЕМ МОЩНОСТИ
Ключевые слова: электростанция, преобразователь частоты, распределитель мощности, звено постоянного тока.
В статье представлены математическая и имитационная модели судовой электростанции с гребной электроустановкой с общим звеном постоянного тока, показаны графики переходных процессов при пуске электродвигателя, включении регуляторов мощности, а также подключении к одному из генераторов дополнительной нагрузки.
Опыт эксплуатации судов проекта ПКС-40 [2] показал целесообразность выбора в качестве их электроэнергетической установки единой электростанции (ЕЭС), содержащей два дизель-генератора (ДГ1, ДГ2). ЕЭС является общей как для питания гребной электрической установки (ГЭУ), так и общесудовых потребителей. В качестве движителей на судне используются гребные колеса диаметром от 5 до 7 метров, приводные электродвигатели которых получают питание от полупроводниковых преобразователей частоты (ПЧ).
Несмотря на то, что суда проекта ПКС-40 показали высокую экономичность и маневренность, при их эксплуатации были выявлены существенные недостатки, связанные с неравномерностью распределения мощности между гребными электродвигателями при активном маневрировании, а также сложностью включения генераторов на параллельную работу из-за наличия высших гармоник в сети при работе преобразователей частоты.
При определённых режимах один из двигателей ГЭУ может быть загружен на 150-170% от номинальной мощности, а другой существенно недогружен. Для преобразователей частоты и гребных электрических двигателей данные перегрузки не являются опасными, а для ДГ они могут быть недопустимыми. Перегрузка генераторов не должна превышать 10-15% от их номинальной мощности. При перегрузке дизель-генераторов может наблюдаться провал напряжения в сети, что приводит к значительному увеличению потребляемого тока и, как следствие, отключению преобразователя частоты под действием токовой защиты. При восстановлении напряжения преобразователь частоты автоматически включается, но перерыв в питании может повлиять на безопасность при маневрировании судна. Устанавливать дизель-генераторы избыточной мощности экономически нецелесообразно, так как это приводит к повышенному расходу топлива и одновременному увеличению массогабаритных показателей оборудования.
Авторами предлагается использование псевдопараллельной работы генераторов только на гребные электродвигатели. Для этого необходимо соединить преобразователи частоты по контуру постоянного тока и равномерно распределить нагрузку между выпрямителями ПЧ. Остальные общесудовые потребители получают питание от генераторов, к которым они подключены.
На рис. 1 представлена функциональная схема единой электростанции судна для варианта псевдопараллельной работы генераторов. Отметим, что мощность необходимая для канала электродвижения составляет до 75% от мощности ЕЭС [1-3].
Очевидно, что равномерное распределение мощности между выпрямителями возможно только при одинаковой жёсткости их внешних характеристик и при равенстве амплитуд напряжения на их входах. На практике жесткости внешних характеристик выпрямителей НВ1 и НВ2 отличаются, что отразится на их неравномерной токовой нагрузке, которая с учетом возможной разницы величин напряжений на входах выпрямителей, может составлять от 30 до 100%.
Рис. 1. Функциональная схема единой электростанции
В состав электростанции входят два синхронных генератора СГ1 и СГ2, преобразователи частоты ПЧ1 и ПЧ2, работающие на гребные электродвигатели АД1 и АД2, общесудовая нагрузка. Преобразователи частоты соединены на стороне постоянного тока. Таким образом, инверторы преобразователей частоты питаются от одного общего источника постоянного тока, а нагрузка, создаваемая гребными электродвигателями, равномерно распределится между генераторами, что улучшает динамические показатели ГЭУ. Датчики тока ДТ1 и ДТ2 измеряют величины тока на входе выпрямителей и с помощью распределителя нагрузки Рнаг воздействуют на регуляторы возбуждения СГ, изменяя амплитуду напряжения на выходе генераторов, что позволяет добиться равномерного распределения нагрузки.
Для исследования динамических режимов работы разработана имитационная модель ЕЭС судна типа ПКС-40 (рис. 2).
Модель состоит из следующих блоков: ДВС1 и СГ1, ДВС2 и СГ2 - дизель-генераторы судовой электростанции; АД1 и АД2 - электродвигатели, гребные колеса, В1 и В2, И1 и И2 -неуправляемые выпрямители и инверторы преобразователей частоты; Рнаг1, Рнаг2 - регуляторы нагрузки генераторов; Гр.винт1 и Гр.винт2 - гребные колеса.
О.С. Хватов, Е.М. Бурда, И.А. Тарпанов
Имитационная модель судовой электростанции с распределителем мощности
« «
я и
¡5
о
О &
¡а
т «
о И
<и Л
ч <и Ч О
и и
о «
Л
н «
о «
Рч
Модели гребных асинхронных электродвигателей выполнены на базе уравнений Парка-Горева в системе синхронно вращающихся координат; выпрямители и инверторы ПЧ представлены инерционными звеньями; при математическом описании регуляторов нагрузки генераторов учитываются внешние характеристики выпрямителей. Гребные колеса представлены в виде вентиляторной нагрузки на валу гребных электродвигателей.
Результаты моделирования приведены на имитационной модели рис. 2.
На рис. 3 и рис. 4 представлены временные зависимости токов и напряжений синхронных генераторов для режима пуска одного из гребных электродвигателей ГЭУ. Момент времени t=10 с соответствует началу пуска гребного электродвигателя. Неравномерная токовая нагрузка генераторов составляет 30-35%, что связано с различием в жесткостях внешних характеристик выпрямителей.
После начала работы системы распределения нагрузки ^=20 с), выполненной на основе пропорциональных регуляторов, разница величин токов генераторов снижается до уровня статической ошибки регуляторов 1,5-2,0%.
Из рис. 4 следует, что после включения системы распределения нагрузки, напряжение на выходе генератора, имеющего на шинах преобразователь частоты с более жесткой внешней характеристикой, незначительно снижается (кривая 2), а на шинах другого генератора - увеличивается (кривая 1).
Рис. 3. Зависимости токов генераторов ^=10 с - пуск электродвигателя; t=20 с - включение системы распределения нагрузки)
10 15 20 25
Рис. 4. Зависимости напряжений генераторов ^=10 с - пуск электродвигателя; t=20 с - включение системы распределения нагрузки)
На следующих рисунках представлены временные зависимости токов (рис. 5) и напряжений (рис. 6) генераторов при их различных внешних характеристиках и одинаковых внешних характеристиках выпрямителей ПЧ. Зависимости соответствуют плавному пуску одного из гребных электродвигателей ГЭУ и показывают, что из-за
О. С. Хватов, Е.М. Бурда, И. А. Тарпанов
Имитационная модель судовой электростанции с распределителем мощности
различия внешних характеристик генераторов разница величин токов может достигать 30%. После включении системы распределения нагрузки (1=20 с) происходит выравнивание токов и напряжений генераторов.
Заметим, что быстродействие системы распределения нагрузки существенно выше темпа изменения режимов работы гребного колеса.
I I
jf
i 5 1 i 15 2 i 2 3
Рис. 5. Зависимости токов генераторов (1=10 с - пуск электродвигателя; 1=20 с - включение системы распределения нагрузки)
f ............................... ..........................................
.......К.................................
1/
1
1
1
Рис.6. Зависимости напряжений генераторов (t=10 с - пуск электродвигателя; t=20 с - включение системы распределения нагрузки)
Выводы:
1. Предложен способ распределения нагрузки между генераторами при их параллельной работе в составе единой электростанции судна с электродвижением.
2. Разработана имитационная модель динамических режимов работы единой электростанции судна с электродвижением.
Список литературы:
[1] Хватов О.С., Бурда Е.М., Тарпанов И.А. Единая электростанция колесного судна с электродвижением типа «Сура» // Вестник ВГАВТ. - Вып. 44. - 2015.
[2] Бурда Е.М. Система электродвижения пассажирского судна «Сура-2»: Труды 15-го международного промышленного форума «Великие реки-2013». Том 2. - Н. Новгород: Изд-во ФБОУ
ВПО «ВГАВТ», 2013. - С. 386-388.
[3] Хватов О.С., Бурда Е.М., Коробко Г.И., Коробко И.Г. Электропривод гребной электрической установки колесного судна. Труды VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу - АЭП-2014. Том 2. - Саранск: Изд-во Мордовского университета, 2014. - С. 226-230.
SHIP POWER PLANT WITH THE POWER DISTRIBUTOR SIMULATION MODEL
O.S. Khvatov, E. V. Burda, I.A. Tarpanov
Keywords: power plant, frequency converter, power distributor, DC-link.
The article presents ship power plant with propulsion electrical installation with a common DC link mathematical and simulation models.The transition processes when starting the motor, turning on the power regulators and connecting the additional load to one of the generators are shown graphically.
УДК 621.6.03
А.Г. Чичурин, к.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ» О.П. Шураев, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
УТИЛИЗАЦИЯ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ВОД ТЕПЛОТОЙ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Ключевые слова: нефтесодержащие воды, теплота отработавших газов дизелей
Рассмотрены вопросы сбора и утилизации нефтесодержащих вод на судах. Показано, что нефтесодержащие воды можно разделить на две группы - с высокой и низкой концентрацией нефтепродуктов. Предложен способ утилизации нефтесодержащих вод теплотой отработавших газов дизелей.
Одной из важных задач при эксплуатации судовых энергетических установок (СЭУ) является утилизация нефтесодержащих вод (НСВ). На судах НСВ - это в основном подсланевые воды и нефтеотходы [1, 2].
В процессе эксплуатации СЭУ подсланевые воды собираются в льялах машинного отделения. Они появляются в результате конденсации влаги на обшивке корпуса судна, трубопроводах или при протечках через сальниковые уплотнения, например, в дейдвудном устройстве. Количество накапливающейся подсланевой воды и попадающих в нее нефтепродуктов зависит от технического состояния оборудования, возраста судна, добросовестности и квалификации обслуживающего персонала. Содержание нефтепродуктов (НФП), входящих в подсланевые воды, колеблется в очень широких пределах и в среднем может быть оценено в 2 кг/т [3]. Состав НФП, входящих в подсланевые воды, весьма сложен и является смесью применяемых на судах топлив, масел и других технических жидкостей.
Вследствие активного перемешивания подсланевых вод в льялах при качке судна и в откачивающих насосах, НСВ, собираемые в цистерне подсланевых вод, представляют собой нефтеводяные эмульсии. В эмульсии сохраняется в стойком состоянии около 50% капелек диаметром до 10 мкм, около 25% капелек диаметром 10...30 мкм, остальное - капельки диаметром от 30 до 200.250 мкм и нефтепродукты, растворенные в воде. Концентрация растворенных нефтепродуктов составляет 5.10 млн-1. Капли диаметром 200 мкм и более сравнительно быстро всплывают и образуют на поверхности воды пленку.
Нефтеотходы образуются в процессе эксплуатации СЭУ и представляют собой неравномерную смесь жидкого топлива, различных масел, твердых примесей органического и минерального происхождения и воды. Это отработавшее масло из картеров, отходы от сепарации топлива и масла, отстаивания топлива, чистки фильтров, цистерн, тарелок сепараторов. Отходы от сепарации топлива составляют порядка 1,5.2,0% потребляемого судном топлива. В целом судовые нефтеотходы представляют собой
