CC BY
3
МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 621
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-549-550
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ПРЕВЕНТИВНОГО КОНТРОЛЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ГЕНЕРАТОРНОГО АГРЕГАТА ОТ ПЕРЕХОДА В ДВИГАТЕЛЬНЫЙ РЕЖИМ
А.С. Бордюг
Для своевременного выявление неработоспособного состояния генераторного агрегата (ГА), разгрузку сети и отключение отказавшей машины до ее перехода в двигательный режим используют метод превентивного контроля (ПК). Это процесс формирования воздействия на судовую электроэнергетическую систему (СЭЭС). В результате такого воздействия техническое состояние защиты будет принадлежать усеченной области правильного функционирования после срабатывания защиты. В ходе этого процесса происходит структурная или параметрическая адаптация системы к возникшей неисправности, за которой следует безаварийный переход в частично работоспособное состояние. В связи с этим вопрос определения технического состояния СЭЭС становится актуальным и сводится к определению его работоспособности или неработоспособности.
Ключевые слова: генераторный агрегат, превентивный контроль, судовая электроэнергетическая система.
Введение. Метод ПК применим в случае перехода системы в нерабочее состояние. Для оценки состояния СЭЭС удобно использовать понятие зоны работоспособности (G). Под ним понимается множество допустимых значений первичных параметров X, при которых выполняются все требования к выходным параметрам системы Y и выходным параметрам ее функциональных блоков Z. Множество G можно представить как пересечение множеств Dx, Mz и My:
G = DxHMznMy,
где Dx — поле допуска первичных параметров, которое имеет форму стержня и в евклидовом пространстве может быть описано как:
Dx = Knk=1Dk,Dk =D nnDkmaXkm.n.
Поле допуска соответствует внутреннему условию работоспособности. Mz - площадь, формируемая пространственным отображением первичных параметров.
o>zx.dz^mz,mz = прг=1мг.
Поля допуска параметров функционального блока системы:
Dz = npr=1Dr.
Это поле допуска соответствует внутреннему условию работоспособности. My - площадь, формируемая пространственным отображением первичных параметров:
0yx.Dy^My ,Му = n?=iMi, где обнаружены области допуска выходных параметров СЭЭС, соответствующей условию внешней работоспособности.
По аналогии рассматривались ГА, работающие параллельно в качестве автономной генерирующей системы (АГС). Элементами системы являются сами ГА, связанные между собой и предназначенные для снабжения корабля электроэнергией требуемого качества. Поскольку глубина анализа в текущей задаче определяется параметрами ГА, которые являются основными элементами системы, а более крупных функциональных блоков нет, то в данном случае справедливо следующее:
G=DxHMy. (1)
Для определения работоспособности АГС необходимо и достаточно, чтобы точка в пространстве первичных параметров S(X), характеризующая его техническое состояние, принадлежала области G. Тогда условие работоспособности АГС записывается следующим образом:
S(X) Е G. (2)
Материалы и методы. Область работоспособности АГС определяет совокупность допустимых значений ее внутренних (основных) параметров, при которых выполняются все требования к выходным параметрам системы. С другой стороны, согласно нормативным документам, состояние объекта, когда он способен выполнять требуемые функции, называется работоспособным. Другими словами, ГА может быть работоспособным, но отключенным защитой. Поэтому понятие работоспособного состояния следует использовать только на первом этапе ПК для диагностики АГС. В случае выхода из строя хотя бы одного источника питания необходимо определить, в каком режиме система будет функционировать после срабатывания защиты и отключения неработоспособного ГА. Кроме того, необходимо сформировать управляющее воздействие, направленное на безаварийный переход СЭЭС в частично работоспособное состояние. Таким образом, необходимо перевести систему в режим работы, при котором она будет выполнять требуемые функции без аварийных ситуаций, связанных с обесточиванием корабля, потерей его управляемости и хода. В связи с этим целесообразно выбрасывать область Н, характеризующую наличие АГС как в исправном, так и в рабочем состоянии. Тогда для того, чтобы система была работоспособной и выполняла требуемые функции, необходимо и достаточно, чтобы точка S(X), характеризующая ее техническое состояние, принадлежала области.
Область Н представляет собой множество допустимых значений внутренних и входных параметров СЭЭС, при которых выполняются все требования к выходным параметрам системы. Другими словами, область производительности Н в узком смысле есть пересечение областей Dx, Му, Ми:
Н = ОхПМуПМи, (3)
где Ми - площадь, созданная отображением первичных параметров в пространство поля допуска зоны управляющих воздействий:
Фих:Ои^Ми, Ми = Пес=1Мс.
Усеченные области правильного функционирования (мщ) — это области, полученные после сегментации области работоспособности (Н) в узком смысле. Процесс разделения области Н на отдельные сегменты с однородными признаками, которые, например, соответствуют состоянию правильного функционирования СЭЭС, называется сегментацией области производительности. В этом случае получаются следующие формулы:
ен и н = П)^« ¡ = ТТц.
При выходе из строя хотя бы одной из параллельно работающего ГА уравнения (1-3) выполняться не будут. Однако для безаварийного перехода в частично работоспособное состояние необходимо, чтобы точка S(X) (характеризующая состояние АГС) принадлежала одной из усеченных областей правильного функционирования wqj в результате ПК. Условие безотказной работы СЭЭС при отказе элемента можно записать следующим образом:
Б(Х)еп?=В« П МУЧ П мчи,]= Т^, (4)
где
я* еБх; м* ем,; мЦ еми.
Исправные ГА в рассматриваемом режиме будут работоспособны во всех режимах работы АГС, в том числе в режиме, включенном после выключения неработоспособного агрегата. Таким образом, для выполнения условия (4) необходимо проверить, соответствует ли набор входных (управляющих) сигналов:
Ви = Пес=1Ос,
тогда соответствует указанным требованиям. В этом случае е =1 управляющим сигналом является сетевая активная нагрузка Р. В этом случае должно выполняться следующее неравенство:
Р< Р11т] = к П?=1Ъ,
где Рцщ ) - допустимое значение активной нагрузки в ]-м режиме работы АГС; N1 — наибольшая мощность, которую может развить 1-я ГА (например, номинальная мощность); п - количество работающих ГА; к - коэффициент, учитывающий неравномерность загрузки ГА.
На основе предложенного подхода в случае постепенного выхода из строя СЭЭС и выявления неработоспособного состояния хотя бы одного ГА, работающей параллельно, необходимо оценить мощность, которую АГС может выработать после отключения вышедших из строя блоков, и сравнить ее с реальной нагрузкой. Если снижение вырабатываемой мощности приводит к работоспособной перегрузке ГА, то возникает необходимость отключения групп потребителей до момента отключения неисправных машин. В этом случае после срабатывания устройств защиты остальные рабочие узлы не будут перегружены. СЭЭС перейдет в частично рабочее состояние без перебоев в электроснабжении корабля. Продолжительность диагностики АГС (й) в данном случае является особенно важным показателем качества ПК. Согласно определениям, приведенным в нормативных документах, продолжительность диагностики АГС - это интервал времени, необходимый для выявления неработоспособного состояния работающей АГС. Этот показатель называется оперативной длительностью поиска дефекта, то есть интервалом времени от возникновения неисправности до ее обнаружения.
Рассмотрим способ защиты ГА от перехода в двигательный режим, широко применяемый компаниями по всему миру. Согласно этому методу в качестве диагностического показателя используется значение обратной мощности. Один из работающих ГА могла выйти из строя, например, при выходе из
строя системы подачи топлива к дизелю. В этом случае установка будет продолжать работать, образуя остатки топлива в трубопроводах и фильтрах. В такой ситуации машина будет разгружена, а ее нагрузка будет перераспределена между оставшимися работоспособными ГА.
Идея реализованного подхода заключается в том, что в момент, когда количество потребляемой генератором мощности превышает заданное значение, ГА отключается от сети с временной задержкой. При этом в соответствии с действующими нормами для дизель-генераторов значение обратной мощности может достигать 15 % от номинального значения. Задержка по времени при срабатывании составляет 10 секунд (для кораблей-носителей обычно 5-6 секунд).
Длительность диагностики ^ можно определить следующим образом:
где 12 - интервал времени от возникновения дефекта до полной выгрузки вышедшего из строя ГА; 13 -интервал времени от полной разгрузки неработающего ГА до момента превышения обратной мощностью допустимого значения; 14 - интервал, соответствующий временной задержке при срабатывании.
При этом значение 12 существенно зависит от характера и места дефекта, параметров основного драйвера, величины нагрузки СЭЭС и обычно изменяется в пределах от 1 до 20 секунд. Временной интервал 13 обычно составляет 1-2 секунды; продолжительность 14 обычно составляет 5-6, но не более 10 секунд.
Таким образом, продолжительность диагностики защиты от реверса мощности обычно составляет от 8-9 до 30 секунд. Время отклика у оборудования на несколько порядков меньше, поэтому этим значением можно пренебречь. До срабатывания защиты остальные исправные блоки дополнительно нагружаются нагрузкой отказавшего ГА и реверсивным питанием, что может привести к их перегрузке и отключению от сети.
При реализации методов превентивной защиты СЭЭС от реверса питания продолжительность диагностирования будет равна времени разгрузки неработающего блока, т.е. 11 =12.
При таком подходе можно избежать дополнительной нагрузки сети обратной мощностью, но сохраняется возможность перегрузки работоспособных ГА в результате перераспределения нагрузки.
Исходя из вышеизложенного, возможна эффективная превентивная защита СЭЭС от работы ГА в двигательном режиме. Выявить неработоспособный источник электрической энергии необходимо до того, как произойдет перегрузка исправного ГА. Должно выполняться следующее условие:
к <£2.1, (5)
где 12.1 - интервал времени между возникновением неисправности и моментом перегрузки любой из исправных ГА, уменьшенный на время адаптации СЭЭС к неисправности. В этом случае 12.1 -12.
Параметр 12.1, так же как и параметр 12, зависит от места и характера дефекта, от первичных параметров накопителя, а также нагрузки сети и может варьироваться в широких пределах. Следовательно, диагностический индикатор ПК должен учитывать эти корреляции. В связи с этим в момент выхода неравномерности нагрузки ГА за установленные пределы генераторная установка с пониженной нагрузкой определяется как неработоспособная. При этом нагрузка на другой генератор увеличивается.
Нерабочее состояние ГА с пониженной нагрузкой обозначалось как Fi, 1 =1, 2 ... п, где п - количество работающих в данный момент генераторов. Тогда диагностический показатель определения неработоспособности ГА для целей ПК можно представить в следующем виде:
Р1 = Ь1Л(Ь2 >Ьит, (6)
где Ll - условие снижения нагрузки одной из работающего ГА при увеличении нагрузки остальных ГА; неравенство L2 > Lцm справедливо, когда разница между активными нагрузками генераторов больше допустимого значения.
Выражение (6) позволяет относительно просто определить неработоспособное состояние ГА в составе АГС, пока не будут перегружены остальные агрегаты, работающие параллельно. В этом случае выполняется условие (5), а значит, проблема технической диагностики для целей электронно-вычислительной машины (ЭВМ) решена. В то же время фактическое использование выражения (6) в качестве диагностического показателя в ряде случаев может привести к ошибке первого рода и отключению работоспособного блока. ГА могут работать в ручном режиме с различной мощностью, при этом будет выполняться условие L2 > Llim. При переходе АГС в автоматический режим загрузка агрегатов выровняется, поэтому нагрузка на один из них уменьшится, а на другой возрастет. Это приведет к ошибочной идентификации незагруженного ГА как неработоспособной и ее отключение от сети. Усеченная область нормального функционирования, соответствующая этому режиму работы СЭЭС, обозначена как w5q. Аналогичная ситуация возникает при параллельном включении одного из генераторов. После замыкания автоматического выключателя синхронизированным ГА и приведения генератора в синхронизм подключаемая машина загружается при одновременной разгрузке генераторов, работающих в сети. В этом случае выполняется условие (6) и все ранее работавшие агрегаты будут признаны неработоспособными и отключены. Усеченная область исправного функционирования, соответствующая режиму включения ГА на параллельную работу, обозначена как w1q. Следовательно, условие (6) может быть успешно применено только тогда, когда генераторы уже работают параллельно в автоматическом режиме.
Усеченные области правильного функционирования w1q и w5q, характеризующиеся диагностическим показателем, например, условием (6), получили название омонимичных областей. Если точка S(X) принадлежит такой области, то контрольные приборы будут фиксировать нерабочее состояние ра-
551
ботоспособного объекта. Поэтому режимы работы, соответствующие этим областям, следует исключить из процесса диагностики.
Так, согласно исследованиям, если нагрузка на один из ГА начинает снижаться в процессе эксплуатации СЭЭС, разгружаемый блок идентифицируется как неработоспособный. В этом случае нагрузка на другие ГА возрастет, а разница в нагрузках превысит допустимую величину и в этот момент не будет синхронизации или переключения с ручного на автоматический режим работы СЭЭС. Реализация диагностического индикатора, позволяет своевременно, до перегрузки работающих ГА, выявить нерабочее состояние отказавшей машины. В этом случае выполняется условие (5) и этот метод можно применить к ПК. В то же время относительным недостатком такого подхода является необходимость использования датчиков конкретных режимов, которым соответствуют wlq, w5q. При этом должны использоваться линии связи, что может вызвать определенные трудности в практической реализации и несколько снижает надежность диагностических средств.
Внеся некоторые изменения в диагностический индикатор (6), ситуацию можно значительно улучшить. Для этого достаточно исключить процесс идентификации омонимичных участков, заменив их общим диагностическим параметром. В связи с этим обращает на себя внимание тот факт, что при разнонаправленном изменении нагрузок ГА его разность уменьшается на режимах, соответствующих wlq и w5q. Введен параметр L3, соответствующий процессу увеличения разности нагрузок агрегатов. При этом датчики не используются для определения процессов включения ГА на параллельную работу, а также для переключения СЭЭС с ручного режима на автоматический. Диагностический признак отказавшего ГА можно записать в виде следующего логического выражения:
Fi = L1A(L2 >L3lim. (7)
Вывод. Таким образом, если загрузка одного из ГА при работе СЭЭС начинает снижаться, а другой (других) растет, то разгруженный блок будет идентифицирован как неработоспособный. Это актуально для ситуаций, когда разница в нагрузках увеличивается и превышает допустимое значение. Для практической реализации диагностики, учитывая особенность, характеризуемую выражением (7), можно использовать только стандартную информацию, поступающую от датчиков нагрузки ГА. Это позволяет значительно упростить определение технического состояния рабочих органов и повысить надежность работы средств технической диагностики для целей ЭВМ.
Список литературы
1. Бордюг А.С. Разработка формирователя тестовых сигналов для измерения показателей качества электроэнергии // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. № 1. С. 274-278.
2. Бордюг А.С. Применение программного обеспечения simulink при проектировании судна // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2021. № 1. С. 7-17.
3. Бордюг А.С., Железняк А.А., Чёрный С.Г. Проверка надежности электронной системы управления дизель-генераторного агрегата морских судов // В сборнике: Транспорт России: проблемы и перспективы - 2019. Материалы международной-научно-практической конференции. © ФГБУН Институт проблем транспорта им. Н.С. Соломенко Российской академии наук, 2019 © Коллектив авторов, 2019. 2019. С. 344-347.
4. Бордюг А.С. Повышение устойчивости работы малооборотного двухтактного дизеля СЭУ в условии неустановившегося режима // В сборнике: Транспорт России: проблемы и перспективы - 2017. Материалы Международной научно-практической конференции. ФГБУН Институт проблем транспорта им. Н.С. Соломенко Российской академии наук. 2017. С. 449-453.
Бордюг Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, alexander. bordyug@mail.ru, Россия, Керч, Керченский государственный морской технологический университет
APPLICA TION OF THE PREVENTIVE CONTROL METHOD TO PROTECT THE GENERATOR SET FROM
SWITCHING TO THE MOTOR MODE
A.S. Bordyug
For timely detection of the inoperable state of the generator set (HA), network unloading and shutdown of the failed machine before its transition to motor mode, the preventive control method (PC) is used. This is the process offorming an impact on the ship's electric power system (SEES). As a result of such an impact, the technical condition of the protection will belong to the truncated area of proper functioning after the protection is triggered. During this process, a structural or parametric adaptation of the system to the malfunction occurs, followed by an accident-free transition to a partially operational state. In this regard, the issue of determining the technical condition of the SEPP becomes relevant and comes down to determining its operability or inoperable.
Key words: generator set, preventive control, ship's electric power system.
552
Bordyug Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, alexander.bordyug@mail.ru, Russia, Kerch, Kerch State Marine Technological University
УДК 621.513
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-553-554
ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ВРЕДНОГО ПРОСТРАНСТВА НА ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА СИСТЕМЫ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ В СОСТАВЕ СТАРТОВОГО КОМПЛЕКСА
И.В. Наумчик, М.С. Дзитоев, М.В. Помошник
Работа посвящена вопросу разработки способа уменьшения влияния вредного пространства поршневого компрессора за счет введения дополнительного вытеснительного клапана. Результаты численного эксперимента показали существенное увеличение производительности предлагаемой ступени поршневого компрессора, что позволяет разработать предложения по совершенствованию поршневых компрессоров путем внесения изменений в их конструкцию за счет дополнительных вытеснитель-ных клапанов.
Ключевые слова: вредное пространство, поршневой компрессор, система газоснабжения, сжатые газы, вытеснительный клапан, производительность, индикаторная диаграмма.
Широкий спектр использования сжатых газов во многих отраслях промышленности, в том числе в военной технике на стартовых объектах при подготовке к пуску космических ракет, позволяет уверенно сказать об их огромной значимости, поскольку они имеют следующие преимущества: относительная простота получения и хранения сжатых газов; удобство использования электропневматических устройств для управления технологическими процессами; возможность одновременной подачи сжатых газов большему числу потребителей от одного источника; подготовка необходимого запаса сжатого газа и т.д.
Азот, воздух, гелий являются основными газами, которые используются для следующих целей
[1, 2]:
- управления запорно-регулирующей арматурой наземного оборудования комплексов;
- заправки бортовых баллонов космического аппарата и наддува топливных баков ракет-
носителя;
- продувки магистралей заправочных систем, резервуаров, топливных баков, двигательных установок и т.д.;
- барботажа компонентов топлива в баках изделия, в емкостях наземных хранилищ;
- обеспечения функционирования систем кондиционирования, пожаротушения, средств вы-теснительной подачи;
- обеспечения работы наземных и бортовых холодильных установок;
- создания необходимой атмосферы в баках ракеты и в наземных емкостях хранилища перед их заправкой и после слива, особенно в случае применения пожаро- и взрывоопасных жидкостей;
- проведения пневмоиспытаний технических систем изделия и наземных систем (проверка на герметичность систем управления, топливных магистралей, проверка настройки реле давления, редукторов двигателя, работоспособности автоматики дистанционного управления и т.д.).
Для удовлетворения нужд потребителей кондиционными сжатыми газами с требуемыми параметрами и необходимыми расходами используются системы газоснабжения. Большое число и разнообразие выполняемых с помощью сжатых газов технологических операций, их продолжительность и другие специфические особенности (род применяемого газа, необходимые давления и расходы, удаление от потребителей и т.д.) существенно влияют на выбор типа и оборудования системы газоснабжения. Большинство систем строятся по схеме «источник сжатого газа (компрессор, газификатор) - хранилище (ре-сиверная) - магистральные трубопроводы (с регулирующей, распределительной, предохранительной арматурой и контрольно-измерительными приборами) - потребитель». Основу любой системы газоснабжения составляет компрессорные машины, рассмотрению которых в данной работе уделено основное внимание.
Компрессором называют машину, в каждой рабочей полости которой давление газа повышается от давления во всасывающей полости до давления в нагнетательной магистрали и газ выдается потребителю.
Рабочий процесс в реальном компрессоре сопровождается рядом явленийсущественно усложняющих его. К этим явлениям относятся процессы нестационарного теплообмена системы газ - стенки цилиндра - окружающая среда; наличие гидравлических сопротивлений в газовых магистралях, трения в механизмах, потерь газа из-за негерметичности, вредного пространства и т.д.
