ОЦЕНКА РЕЖИМОВ РАБОТЫ СУДОВОГО ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРА НА ОСНОВЕ ДИАГРАММЫ РАСПОЛАГАЕМЫХ МОЩНОСТЕЙ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.064.5

DOI 10.46845/1997-3071 -2021-62-135-145

ОЦЕНКА РЕЖИМОВ РАБОТЫ СУДОВОГО ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРА НА ОСНОВЕ ДИАГРАММЫ РАСПОЛАГАЕМЫХ МОЩНОСТЕЙ

В. Ф. Белей, К. В. Коротких

ASSESSMENT OF THE OPERATING MODES OF A SHIP SERVICE DIESEL GENERATOR BASED ON CAPABILITY DIAGRAM

V. F. Beley, K. V. Korotkikh

Анализ эксплуатационных режимов судовых электростанций показал, что зачастую они работают с большими реактивными нагрузками. Это приводит к снижению активной мощности синхронных генераторов и работе вспомогательных судовых дизелей на долевых нагрузках, что характеризуется повышенным удельным расходом топлива. Качественная оценка режимов работы судовых дизель-генераторов основывается на рассмотрении диаграммы мощностей, представляющей зависимость располагаемой активной мощности от реактивной. На примере дизель-генератора учебно-парусного барка «Крузенштерн» показан расчет располагаемой мощности синхронного генератора для различных режимов работы. Построение диаграммы располагаемых мощностей выполнено на основе анализа характеристик и технических данных синхронного генератора и вспомогательного дизеля с учетом ряда зон ограничения мощности: ограничение по нагреву обмотки возбуждения и обмотки статора судового синхронного генератора; ограничение мощности по техническим возможностям вспомогательного дизеля; по условиям обеспечения статической устойчивости при работе в режиме недовозбуждения и ограничение по минимально допустимому току возбуждения. На основе анализа построенной диаграммы мощностей определен рабочий диапазон по активной и реактивной мощностям судового синхронного генератора, для каждой из ограничительных точек диаграммы располагаемых мощностей построены угловые и синхронизирующие характеристики. В итоге на основе изучения комплекса взаимосвязанных решений - диаграммы располагаемых мощностей, векторных диаграмм, угловых и синхронизирующих характеристик синхронного генератора и технических параметров вспомогательного дизеля - дана оценка режимов работы судовых дизель-генераторов, что может быть использовано на стадиях проектирования и эксплуатации судовых энергетических установок.

судовая электростанция, дизель-генератор, активная и реактивная мощности, напряжение, ток, диаграмма располагаемых мощностей

An analysis of the operating modes of ship's electric power plants shows that they often operate with large reactive loads, which leads to a decrease in the active power of synchronous generators, and operation of auxiliary marine diesel engines at fractional loads, which is characterized by increased specific fuel consumption. A quali-

tative assessment of the operating modes of ship service diesel generators is based on an examination of the capability diagram, which represents the dependence of the available active power on the reactive power. On the example of the diesel electric-power generator of the sail training barque "Kruzenshtern", calculation of the available power of the synchronous generator for various operating modes is shown. Construction of the capability diagram is based on the analysis of the characteristics and technical data of the synchronous generator and auxiliary diesel, taking into account a number of power limitation zones: limitation on the heating of the field winding and stator winding of the marine synchronous generator; power limitation according to the technical capabilities of the auxiliary diesel; under the conditions of ensuring static stability when operating in under-excitation mode and limitation on the minimum permissible excitation current. Based on the analysis of the constructed capability diagram, the operating range for the active and reactive power of the ship's synchronous generator is shown; angular and synchronizing characteristics are plotted for each of the limiting points of the capability diagram. As a result, based on the study of a complex of interrelated solutions: the capability diagrams, vector diagrams, angular and synchronizing characteristics of the synchronous generator and the technical parameters of the auxiliary diesel engine, an assessment of the operating modes of marine diesel generators is given, which can be used at the design and operation stages of ship's electric power plant.

ship's electric power plant, diesel-generator, active and reactive power, voltage, current, capability diagram

ВВЕДЕНИЕ

На стадии проектирования, а в дальнейшем при эксплуатации судовых электростанций важно иметь качественную оценку режимов работы судовых дизель-генераторов при различных значениях активных и реактивных нагрузок. Следует отметить, реактивные нагрузки судовых электростанций зачастую превышают активные [1]. Такая оценка может быть получена на основе анализа комплекса взаимосвязанных решений: диаграммы располагаемых мощностей, векторных диаграмм, угловых и синхронизирующих характеристик генератора и технических параметров вспомогательного дизеля.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Диаграмма располагаемых мощностей дизель-генераторов представляет собой зависимость активной мощности от реактивной при различных значениях коэффициента мощности и выполняется на основе анализа характеристик и технических показателей синхронного генератора (СГ) и вспомогательного дизеля, векторных диаграмм СГ и ряда ограничительных условий [2].

Характеристика холостого хода СГ (табл. 1, рис. 1) позволяет оценить насыщение магнитной цепи судового СГ, с ее помощью можно построить векторную диаграмму.

Таблица 1. Нормальная характеристика холостого хода судового синхронного генератора в относительных единицах [3]

Table 1. Normal idling characteristic of a marine synchronous generator in relative units

m_

I/ 0 0,3 0,4 0,5 0,7 0,9 1 1,2 1,3 1,4 1,5 2,0

E 0* 0,025 0,41 0,545 0,664 0,84 0,96 1 1,067 1,093 1,109 1,135 1,19

uot*,

Рис. 1. Характеристики судового дизель-генератора: 1 - зависимость синхронного индуктивного сопротивления обмотки статора по продольной оси от тока возбуждения (xd = f(I/ )); 2 - зависимость ЭДС СГ от тока возбуждения для ненасыщенной машины; 3 - нормальная характеристика холостого хода;

4 - характеристика трехфазного короткого замыкания Fig. 1. Characteristics of a ship service diesel generator: 1 - dependence of the synchronous inductive resistance of the stator winding along the longitudinal axis on the excitation current (xd = f(I/)); 2 - dependence of the SG EMF on the excitation current for an unsaturated machine; 3 - normal idling characteristic; 4 - characteristic

of a three-phase short circuit

На судах РФ используются синхронные генераторы серий МСК, МСС, 2СН и типов ТК2-2, ГСС, ГМС мощностью от 30 до 2000 кВт, напряжением 230, 400 В, с частотой вращения 500, 750, 1500, 3000 об/мин [3].

Построение диаграммы располагаемых мощностей выполнено на основе судового дизель-генератора, эксплуатируемого на УПС «Крузенштерн» (табл. 2), близкого по характеристикам к СГ МСК-102-4 (табл. 3).

Таблица 2. Технические данные судового генератора LSAM 46.2 L6 [4] Table 2. Technical characteristics of the LSAM 46.2 L6 ship generator [4]

Тип СГ и заводской номер Ин, В Рн, кВт Частота вращения, об/мин 1н, А Ь А Cos фном

LSAM 46.2 L6 116394/4 390 150 1500 271 152 0,8

Продолжение табл. 2 Continuation of table 2

Индуктивные сопротивления, о. е. ra, Ом ОКЗ, о. е.

Xd(®) Xq Xa

1,996 0,98 0,077 0,02 0,59

Таблица 3. Технические характеристики судового СГ МСК-102-4 [3] Table 3. Technical characteristics of the ship SG MSK-102-4 [3]

Тип СГ Ин, В Рн, кВт Частота вращения, об/мин ra, Ом ^s ф Индуктивные сопротивления, о. е.

Xd(®) xq Xa

МСК-102-4 400 150 1500 0,02 0,8 1,92 0,98 0,076

Характеристика короткого замыкания (рис. 1, кривая 4) строится с учетом выражения:

ОКЗ =

(1)

где 1кз - установившийся ток трехфазного короткого замыкания при токе возбуждения, равном номинальному напряжению по характеристике холостого хода (рис. 1) [5].

В каталогах приведено ненасыщенное значение синхронного индуктивного сопротивления обмотки статора по продольной оси ), что соответствует части характеристики холостого хода СГ при токах возбуждения от нулевого значения до 0,35^1/ (рис. 1). Расчеты синхронного индуктивного сопротивления обмотки статора по продольной оси проводятся по выражению 2 и приведены в табл. 4 и на рис. 1 (кривая 1):

xd

Eg* . *

(2)

*

Таблица 4. Значения синхронного индуктивного сопротивления обмотки статора СГ по продольной оси

Table 4. Values of the synchronous inductive resistance of the SG stator winding along the longitudinal axis

т* Tf 0,125 0,25 0,35 0,4 0,5 0,75 1,0 1,25 1,5 1,75 2,0

* Xd 1,996 1,996 1,996 1,944 1,898 1,791 1,694 1,545 1,381 1,232 1,103

Достоверность расчетов по формуле 2 обоснована тем, что при коротком замыкании (КЗ) на зажимах обмотки статора имеет место только продольно-размагничивающая реакция якоря и ЭДС (ЕСГ), наводимая в обмотке статора:

Есг — Ead + Еа — Id(xad + хоУ — Id • xd',

(3)

где ха - индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора СГ;

*

хай - синхронное индуктивное сопротивление реакции якоря СГ по продольной оси.

Падением напряжения на активном сопротивлении обмотки статора СГ пренебрегаем ввиду его малых значений (табл. 3).

Как известно, синхронное индуктивное сопротивление обмотки статора СГ по поперечной оси (хч ) практически не зависит от насыщения [5].

Векторная диаграмма судового СГ ЬБЛМ 46.2 Ь6 116394/4 строится для номинального режима: 1гном = 1, игном = 1, cosфном = 0,8 с учетом выражения (4) (рис. 2).

Ur

— Ef+ jlq • xq + jld • xd + 1Гн

* _ __(4)

где Xd - насыщенное значение синхронного индуктивного сопротивления обмотки статора СГ по продольной оси (рис. 1, табл. 4).

Угловая характеристика (рис. 3) выражает зависимость электромагнитной мощности СГ (Рэм) от угла нагрузки (0) [5]:

' 1 1 \

(5)

где Бо - Э.Д.С, индуцируемая в обмотке статора полем возбуждения [2,5].

С учетом ее построения в относительных единицах (о. е.) при номинальном напряжении (игном = U1 = 1) СГ и постоянстве (Бу = const) выражение (5) принимает вид:

he

Рэм' — ТГ • sinQ + 0,5^ • sin2Q.

xd

Xd

(6)

H

Л

л

о-*

Л*

о*

л

л ^ч

Л \

л

л

G'

\

A

Ur.

-1г.ном* ■ Га \

E

V?

\

B

\

\

\

У

фном

V?

О

Рис. 2. Векторная диаграмма судового дизель-генератора с явнополюсной конструкцией ротора с учетом насыщения магнитной цепи и работой при номинальном коэффициенте мощности (cos фном = 0,8) Fig. 2. Vector diagram of a ship service diesel generator with a salient-pole rotor design, taking into account saturation of the magnetic circuit and operating at the nominal power factor (cos фпот = 0,8)

Критерием статической устойчивости дизель-генератора является коэффициент синхронизирующей мощности (Рсм ), рассчитываемый по выражению (8) с учетом формулы (7) по аналогии с расчетом электромагнитной мощности [2, 5].

п m-U-Eo Q . m-U-

Рсм = —— ■ COS0 +

лй

= — ■ cos0 + 0,5 (---) ■ cos20.

' 1 lit I

т У2 ( 1 1 \

2 \Xq Xd)

■ cos20-,

xd

xd

(7)

F

*

Рис. 3. Зависимость электромагнитной мощности (Рэм ) от угла нагрузки (0) (кривая 3); составляющие электромагнитной мощности (кривые 1 и 2); зависимость коэффициента синхронизирующей мощности (Рсм ) СГ, работающего

с cosфном= 0,8, от угла нагрузки (0) (кривая 4) Fig. 3. Dependence of the electromagnetic power (Pep ) on the load angle (0) (curve 3); electromagnetic power components (curves 1 and 2); dependence of the synchronizing power factor (Psp*) of the SG operating with cos9nom = 0,8 on the load angle (0)

(curve 4)

Выполненные расчеты и построенные характеристики позволяют перейти к построению диаграммы располагаемых мощностей судового генератора УПС «Крузенштерн» (рис. 4). Построение выполнено с учетом методики, приведенной в работе [2]. В связи с особенностями выхлопного тракта вспомогательный дизель-генератор MAN Nutzfahrzeuge AG, D 2866 LXE 30 имеет ограниченную на 10% мощность, диаграмму строим для РСГ = 135 кВт [4].

Диаграмма состоит из ряда зон ограничения мощности [2]. Это зоны DY, YE, EF, FJ (рис. 4). Зона DY - ограничение по нагреву обмотки возбуждения, для определения которой из точки L строится ряд прямых (К1, К2, К3, К4, К5, К6, К7, К8), численно равных отрезку К1А = 1,426 о. е. При эксплуатации в данной зоне СГ имеет более низкий cos ф по отношению к номинальному значению, пониженное значение полной мощности (Бгном ) и тока статора вследствие размагничивающего действия реакции якоря. Зона ZA - ограничение по нагреву обмотки статора СГ, однако из-за возможностей дизеля данная зона не влияет на работу СГ. Зона YE - ограничение мощности вследствие возможностей дизеля. Мощность дизеля ограничена на уровне 90 % от номинальной СГ (Рдизеля = 90 %Ргном = 0,72 о. е.) и представлена в виде горизонтальной линии от точки Y до Е. Зона EF - ограничение по условиям обеспечения статической устойчивости при работе СГ

в режиме недовозбуждения. Принимается, что предел мощности на 10 % превышает нагрузку при этом же токе возбуждения, (ии = 0,1 о. е.). Допустимые нагрузки СГ в режиме недовозбуждения ограничиваются кривой ББ, для определения которой из точки Ь строится ряд прямых W2W2\ W3W3\ W4WY, , W6WV, W6W6\ ), численно равных друг другу (0,25 о. е.). Зона -ограничение по минимально допустимому току возбуждения. При учете возможных отклонений параметров от расчетных и исключении случая перемагничива-ния СГ, работающего с недовозбуждением, учитывается ограничение по минимально допустимому току возбуждения на уровне 20 % от тока возбуждения при холостом ходе и номинальном напряжении.

Рис. 4. Диаграмма располагаемых мощностей судового дизель-генератора Fig. 4. Capability diagram of a ship service diesel generator

На рис. 5 приведены угловые и синхронизирующие характеристики для ограничительных точек (Б, У, М, Б, Б, I) (рис. 4).

Р у-Рсх Точка Y

1,6 -1,4 -1,2 - Рэм-max^^T X / 1 X 1 Рэм

1,0 - 0,8 - ~ Рэм.д* / \ 1 \ 1 \ 1

0,6 — - А \ 1

0,4 — - / 1 \ 1 \ 1

0,2 — 7 1 ' \ \ \ 1 I 0кр| I 1 1 1 1 0 °

1 Оном 1 15 30 1 1 1 \ 1 45 60 75 90 1 1 1 1 1 1 ' 105 120 135 150 165 180

Pэм.max* = 1,52 о.е. Рэм.д* при cosф = 0,74 = 0,72 о.е. Оном = 23,01 ° s = 2,11

Р о.е. Точка E

1,6 -1,4 -1,2 -1,0 - 0,8 - у-Рсх

0,6 - ■—С. X Рэм

0,4 - Рэм .max * Рэм.д* \ 1

0,2 — - ' 1 11 \ 1 I 0кр1 I I 0 °

1 еном 1 15 30 1 t NJ 1 45 60 75 90 1 1 1 1 1 1 ' 105 120 135 150 165 180

Pэм.max* = 0,52 о.е. Рэм.д*

при cosф = 0,96 = 0,3 о.е. 0ном = 23,1 ° s = 1,73

Рис. 5. Угловые и синхронизирующие характеристики дизель-генератора для точек зон ограничения в соответствии с диаграммой мощностей (рис. 4) Fig. 5. Angular and synchronizing characteristics of the diesel-generator for points of restricted zones in accordance with the capability diagram (fig. 4)

*

На рисунке Рэм.тах - максимальная развиваемая мощность судового дизель*

генератора; Рэм.д - действительная мощность судового СГ; 9ном - номинальный угол нагрузки СГ; б - величина статической перегружаемости судового дизель-генератора [5].

Анализ диаграммы располагаемых мощностей судового дизель-генератора позволил определить значения активной и реактивной мощностей в отдельных (базовых) точках и статическую устойчивость судового СГ (табл. 5).

Таблица 5. Значения активной и реактивной мощностей в ограничительных точках на диаграмме располагаемых мощностей судового дизель-генератора (рис. 4) Table 5. Values of active and reactive power at limiting points on the capability diagram

of a ship service с iesel generator (fig. 4)

Точка на диаграмме располагаемых мощностей СГ Активная мощность СГ, P, о. е. Реактивная мощность СГ, Q, о. е. Режим работы дизель-генератора Значение статической перегружаемости судового СГ

D 0 0,831 перевозбуждение 0

Y 0,72 0,647 перевозбуждение 2,11

M 0,72 0 перевозбуждение 1,72

E 0,72 0,196 недовозбуждение 1,73

F 0,198 0,543 недовозбуждение 1,67

J 0 0,477 недовозбуждение 0

Полученные зависимости (рис. 4, 5 и табл. 5) чрезвычайно важно использовать на стадиях эксплуатации судна и при проектировании новых судов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В статье дана оценка режимов работы судовых дизель-генераторов, основанная на анализе комплекса взаимосвязанных решений: диаграммы располагаемых мощностей, векторных диаграмм, угловых и синхронизирующих характеристик генератора и технических параметров вспомогательного дизеля, что может быть использовано на стадиях проектирования и эксплуатации судовых энергетических установок.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Белей, В. Ф. Повышение эффективности судовых дизель-генераторов за счет использования централизованной системы компенсации реактивной мощности / В. Ф. Белей // Известия Калининградского государственного технического университета. - 2019. - № 54. - С. 145-153.

2. Ветров, В. И. Режимы электрооборудования электрических станций: учеб. пособие / В. И. Ветров, Л. Б. Быкова, В. И. Ключенович. - Новосибирск: Изд-во НГТУ. - 2010. - 243 с.

3. Справочник судового электротехника: в 3-х томах. - Т. 2. Судовое электрооборудование / Под ред. Г. И. Китаенко, 2-е изд., перераб. и доп. - Ленинград: Судостроение, 1980. - 624 с.

4. Технические характеристики «Крузенштерна» [Электронный ресурс]. -Режим доступа: https://mktravelclub.ru/blogs/bark-kruzenshtern (Дата обращения 11.06.2021).

5. Пиотровский, Л. М. Электрические машины: учебник для техникумов / Л. М. Пиотровский. - 7-е изд., стереотипное. - Ленинград: Энергия, 1974. - 504 с.

REFERENCES

1. Beley V. F. Povysheniye effektivnosti sudovykh dizel'-generatorov za schet ispol'zovaniya tsentralizovannoy sistemy kompensatsii reaktivnoy moshchnosti [Improving the efficiency of marine diesel-generators owing to the use of centralized reactive power compensation system]. Izvestiya KGTU, 2019, no. 54, pp. 145-153.

2. Vetrov V. I., Bykova L. B., Klyuchenovich V. I. Rezhimy elektrooborudo-vaniya elektricheskikh stantsiy: uchebnoe posobie [Modes of electrical equipment of power plants: tutorial]. Novosibirsk, NSTU Publ., 2010, 243 p.

3. Spravochnik sudovogo elektrotekhnika. Sudovoe elektrooborudovanie [Handbook of a ship electrical engineer. Marine electrical equipment]. Kitaenko G. I. ed., Su-dostroenie, 1980, vol. 2, 624 p.

4. Tekhnicheskie kharakteristiki "Kruzenshterna" [Technical characteristics of "Kruzenshtern"]. Available at: https://mktravelclub.ru/blogs/bark-kruzenshtern (Accessed 11 June 2021).

5. Piotrovsky L. M. Elektricheskie mashiny: uchebnik dlya tekhnikumov [Electric machines: textbook for technical schools]. Energiya, 1974, 504 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Белей Валерий Феодосиевич - Калининградский государственный технический университет; доктор технических наук, профессор; зав. кафедрой электрооборудования судов и электроэнергетики;

E-mail: vbeley@klgtu.ru

Beley Valeriy Feodosievich - Kaliningrad State Technical University; PhD in Technical Sciences, Professor; Head of the Department of Electrical Equipment of Ships and Electrical power engineering; E-mail: vbeley@klgtu.ru

Коротких Кирилл Викторович - Калининградский государственный технический университет; магистрант факультета судостроения и энергетики;

E-mail: kirill-korotkikh@bk.ru

Korotkikh Kirill Viktorovich - Kaliningrad State Technical University; Master degree student at the Faculty of Shipbuilding and Power Engineering;

E-mail: kirill-korotkikh@bk.ru