CC BY
30
УДК 621.3:629.564
РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО СУДНА «ПИОНЕР-М»
Е. А. Демкин, Б. Л. Геллер
DEVELOPMENT OF ELECTRICAL EQUIPMENT FOR RESEARCH VESSEL «PIONEER-M»
E. A. Demkin, B. L. Geller
Данная работа выполнена в рамках конкурса «Я буду строить корабли», организованного Министерством образования и науки Российской Федерации и Объединенной судостроительной корпорацией. Основанием явилось техническое задание на разработку эскизного проекта научно-исследовательского судна «Пио-нер-М». Судно катамаранного типа предназначено для исследований водной среды и морского дна и проведения водолазных работ. На судне устанавливаются мобильные научно-исследовательские лаборатории контейнерного типа. В качестве движителей применяются две винторулевые колонки и два подруливающих устройства. Для обеспечения потребителей электроэнергией определена необходимость использования на судне двух сетей: сеть переменного тока напряжением 380 В, 50 Гц и сеть постоянного тока напряжением 24 В. Произведен выбор основных источников электрической энергии, разработана схема распределения электрической энергии. Определена целесообразность установки на судне солнечных панелей, осуществлен взаимосвязанный выбор солнечных панелей, аккумуляторов и зарядных устройств. Использование солнечных панелей типа 300 Моно позволяет сэкономить 560 кВт-ч за рейс. Аккумуляторы GEL напряжением 2 В и емкостью 1500 А-ч характеризуются большим числом рабочих циклов (1500-4500) и имеют низкую чувствительность к режимам заряда. Автоматизация электростанции осуществляется при помощи контроллеров РРМ300 фирмы DEIF, позволяющих обеспечить наиболее эффективное использование источников электроэнергии и экономию топлива. Для динамического позиционирования судна выбрана система NavDP 4000, которая рассчитывает требования к упорам и угловому моменту и распределяет упоры между движителями, обеспечивая удержание судна в точке или на курсе.
разработка, катамаран, электрооборудование, генераторы, солнечные панели, динамическое позиционирование, автоматизация
The work was carried out in the framework of the contest «I'm going to build ships», organized by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation and the United Shipbuilding Corporation. The basis for the development was the technical task for the development of the outline design of the research vessel Pioneer-M. The vessel of the catamaran type is intended for studying the aquatic environment and the seabed and diving operations. There are mobile research laboratories of the contain-
er type installed on the vessel. Two propellers and two thrusters are used as propulsors. In order to provide electric power, the need to use two networks on the ship has been determined: an alternating current network with a voltage of 380 V, 50 Hz, and a DC network with a voltage of 24 V. The main sources of electrical energy have been selected. The scheme of electric energy distribution has been developed. The expediency of installation of solar panels on the ship has been determined; the interconnected choice of solar panels, batteries and chargers has been made. Using solar panels such as 300 Mono allows you to save 560 kWh per voyage. GEL batteries with a voltage of 2 V and a capacity of 1500 A • h are characterized by a large number of operating cycles (15004500) and have a low sensitivity to charge conditions. Automation of the power plant is carried out with the help of the PDM300 controllers from DEIF, which make it possible to ensure the most efficient use of electric power sources and fuel economy. To implement the dynamic positioning of the vessel, the NavDP4000 system is selected, which calculates the requirements for stops and angular momentum and distributes the abutments between ship propulsors, ensuring retention of the vessel at a point or on course.
development, catamaran, electrical equipment, generators, solar panels, dynamic positioning, automation
ВВЕДЕНИЕ
В 2016 г. проводился всероссийский конкурс «Я буду строить корабли», организованный Министерством образования и науки Российской Федерации и Объединенной судостроительной корпорацией. В рамках этого конкурса в Калининградском государственном техническом университете была собрана команда, разработавшая концептуальный проект, представленный в Москве. Проект занял первое место. Далее в г. Севастополе собралась объединенная студенческая проектная группа «Пионер-М», состоящая из студентов различных учебных заведений России, работа в которой была организована структурно, как в конструкторско-проектном бюро. Все участники разделились на шесть секторов (общего проектирования, конструкции корпуса, судовых энергетических установок, электротехнический, закупок, Aveva). Каждый сектор находился под руководством начальника сектора, а они, в свою очередь, под эгидой главного конструктора. Основанием для разработки являлось техническое задание на разработку эскизного проекта научно-исследовательского судна «Пионер-М».
Исходные требования к научно-исследовательскому судну:
- класс судна - морской, смешанного плавания класса «М-СП» Российского Речного Регистра;
- период эксплуатации - безледовый;
- автономность - 7 сут;
- численность спецперсонала - 6 чел.;
- класс автоматизации соответствует эксплуатации без постоянного присутствия персонала в машинных помещениях;
- система динамического позиционирования должна соответствовать классу DYNPOS1 PC;
- нормативная база - Правила Российского Речного Регистра и законодательная база Российской Федерации.
Архитектурно-конструктивный тип - стальное двухвинтовое судно ката-маранного типа.
Назначение судна - проведение исследований водной среды, морского дна и водолазных работ. Для обеспечения исследовательской деятельности на судне устанавливаются сменные мобильные морские научно-исследовательские лаборатории контейнерного типа. Лаборатории разрабатываются на базе 20-футового контейнера. Предусмотрена система установки и энергообеспечения лабораторий. Смена лабораторий производится в порту при помощи береговых устройств.
Район плавания судна - смешанное плавание река-море при волнении не более 5 баллов, высоте волны до 3,5 м и удалении от портов-убежищ не более 50 морских миль.
Судно эксплуатируется без вахты в машинном отделении.
В эксплуатации судна предусматривается использование четырех модульных научных лабораторий контейнерного типа:
- контейнер 1 «Океанография, гидробиология и гидрохимия»;
- контейнер 2 «Геоморфология и гидроакустика»;
- контейнер 3 «Водолазное оборудование»;
- контейнер 4 «Роботизированный исследовательский комплекс».
Основные характеристики судна сведены в табл. 1.
Таблица 1. Главные размерения и основные характеристики судна Table 1. Main dimensions and main characteristics of the vessel
Длина наибольшая, м 23,85
Длина между перпендикулярами, м 22,30
Ширина одного корпуса, м 3,6
Ширина наибольшая, м 10,8
Высота борта, м 3,6
Осадка по КВЛ, м 1,55
Экипаж, чел 10
Автономность, сут 7
РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО СУДНА «ПИОНЕР-М» Анализ потребителей показал, что на судне целесообразно иметь две сети: переменного тока напряжением 380 В, 50 Гц и постоянного тока напряжением 24 В. Основные потребители сети переменного тока - два гребных электродвигателя мощностью по 200 кВт, два подруливающих устройства мощностью по 23 кВт, научно-исследовательская лаборатория мощностью 35 кВт, насосные системы, освещение, бытовые и зарядные устройства. Основные потребители сети постоянного тока - радио- и навигационное оборудование, сигнально-отличительные огни и прожекторы, якорно-швартовный шпиль, ряд насосов.
На основании расчета судовой электроэнергетической системы, выполненного по методике [1], для установки на судне в качестве основных источников электроэнергии 380 В приняты два дизель-генератора типа АДС 240 Т400 ТК производства ООО «СУЭТ» [2] второй степени автоматизации, с генераторами синхронными бесщеточного типа SINCRO SK250 250, 192/240 кВт/кВА, 3х50 Гц,
400 В, 346,4 А, cos(ф) = 0,8, 1500 об/мин, с автоматическим регулированием напряжения и системами возбуждения.
Вспомогательный и аварийный дизель-генератор - типа АДС 55 Т400 ТЯ производства ООО «СУЭТ», второй степени автоматизации, с генераторами синхронными бесщеточного типа SINCRO JB 53, 42,5/55 кВт/кВА, 3х50 Гц, 400 В, 76 А, cos(ф) = 0,8, 1500 об/мин, с автоматическим регулированием напряжения и системами возбуждения.
Разработанная система электроснабжения представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема распределения электрической энергии Fig. 1. Electric energy distribution diagram
Два основных дизель-генератора работают на два гребных электрических двигателя мощностью 200 кВт и на два подруливающих устройства мощностью 23 кВт, а вспомогательный дизель-генератор - на лабораторию мощностью 35 кВт, грузовое устройство мощностью 15 кВт и остальные потребители, необходимые для обеспечения жизни на судне.
Питание потребителей напряжения постоянного тока 24 В осуществляется от аккумуляторов. Особенностью проекта является то, что источниками заряда аккумуляторов являются как традиционные зарядные устройства (ЗУ), так и солнечные панели (СП). Двухкорпусная конструкция судна и большое количество солнечных дней в году в заданном районе плавания создают условия активного использования солнечной энергии. Фотовольтаика (прямое преобразование сол-
нечной энергии в электрическую) представляет собой бурно развивающуюся отрасль, которая теоретически способна покрыть весь спрос на электроэнергию [3]. Важнейшими факторами использования СП на судне являются экономия топлива и снижение воздействия на окружающую среду.
На рис. 2 представлена схема распределения постоянного тока напряжением 24 В. На шину распределительного щита 24 В питание подается через группу аккумуляторных батарей. Кроме того, распределительный щит 24 В может получать питание от распределительных щитов 220 В и 380 В переменного тока через выпрямительные агрегаты ВА1 и ВА2.
Рис. 2. Схема сети 24 В постоянного тока Fig. 2. Diagram of the 24 VDC network
СП размещены на крыше надстройки, поверхности контейнера лаборатории и других поверхностях, пригодных для установки. Площадь покрытия составила 145 м .
Результаты анализа и сравнения производительности панелей, а также их характеристики приведены в табл. 2. В результате анализа выбраны панели 300 Моно [4], важнейшим достоинством которых является морское исполнение.
Таблица 2. Анализ и сравнение солнечных панелей Table 2. Analysis and comparison of the solar panels
Технические данные МСК-15 МСК-20 МСК-60 МСК-150 МСК-200 МСК-250 300 Моно
Мощность Pmax , Вт 15 20 60 150 200 250 300
Ток при работе на нагрузку, А 0,92 1,3 3,55 8,58 5,98 9,22 8,3
Габаритные размеры, мм 285x425 425x425 550x810 674x1482 805x1575 991x1650 1956x992
Цена, руб., в т. ч. НДС 2 800 2 900 5 200 11 000 14 900 18 000 22 066
Цена за кв. м, руб. 23 062 16 018 11 658 11 005 11 744 11 001 11 372
Мощность на кв. м, Вт 123,6 110,5 134,5 150,1 157,6 152,8 154,6
Цена за кВт, руб. 186,7 145,0 86,7 73,3 74,5 72,0 73,6
Вес, кг 1,9 2,7 5,5 12 17 19,5 23
Суммарный вес, кг 2269 2162 1787 1740 1942 1728 1718
Суммарная цена, тыс. руб. 3 344 2 322 1 690 1 596 1 703 1 595 1 649
Суммарная мощность, кВт 17,9 16,0 19,5 21,7 22,8 22,1 22,4
Приближенные оценки показывают, что использование СП типа 300 Моно позволяет сэкономить 560 кВт-ч за рейс. Панели имеют модульную конструкцию, объединяемую штекерными соединениями, что является плюсом в случае опционного применения. Максимальная мощность, генерируемая СП, составляет около 20 кВт.
Выбор аккумуляторных батарей осуществлялся в результате исследования различных типов аккумуляторов. Рассматривались полностью необслуживаемые, безопасные аккумуляторы типов AGM и GEL. Были выбраны аккумуляторы GEL 60 шт. напряжением 2 В и емкостью 1500 А-ч, так как они позволяют снизить затраты на их обслуживание за счет большого количества рабочих циклов (1500-4500) и имеют низкую чувствительность к режимам заряда [5]. Выбранные аккумуляторы предназначены для работы с высокими токами нагрузки, обеспечивают совместную работу с солнечными панелями, имеют возможность устанавливаться вертикально и горизонтально, ударопрочные, служат без замены в течение 20 лет и имеют массу порядка 7 т. Для сравнения: альтернативные аккумуляторные батареи служат 10 лет и имеют массу 9 т. За рейс будет проходить четыре цикла зарядки аккумуляторов, из чего следует, что за 20 лет при 44 экспедициях в год пройдет 3500 циклов разряда аккумуляторов. Аккумуляторы соединены в блоки последовательно для получения необходимого напряжения 24 В. Пять блоков аккумуляторов соединяются параллельно, в результате чего получаем аккумуляторную батарею напряжением 24 В и емкостью 7500 А-ч.
Автоматизация электростанции осуществляется при помощи контроллеров РРМ300 фирмы DEIF [6]. В контроллерах реализованы необходимые функции управления и защиты всеми элементами судовой электростанции: основными генераторными агрегатами, аварийными дизель-генераторами, вводами питания с берега, секционными выключателями и мощными потребителями. Система РРМ300 позволяет организовать надежное электроснабжение судна в различных режимах работы, с учетом нагрузки и требуемого резерва мощности на шинах, и обеспечить при этом наиболее эффективное использование имеющихся на борту источников и экономию топлива. У системы РРМ300 мультимастерная архитектура с резервированным каналом связи между контроллерами, что позволяет ее использовать на судах с динамическим позиционированием всех классов. Если контроллер, выполняющий функции мастера в сети, не отвечает, то управление автоматически передается следующему контроллеру. В них используется высокопроизводительный процессор и высокочастотная шина передачи данных. Это обеспечивает гарантированную быструю работу защит и надежность обмена информацией в системе. Контроллеры РРМ300 имеют модульную конструкцию. Модули процессора, коммуникаций, измерений, входов или выходов могут устанавливаться или заменяться в любой момент, в том числе силами экипажа. В контроллерах реализовано автоматическое распознавание вновь установленных модулей. Для отображения информации и управления в РРМ300 используется графический дисплей с удобным операторским интерфейсом, обеспечивающим интерактивную помощь оператору. Все параметры легко доступны для чтения на дисплее. Пользовательский интерфейс адаптируется согласно требованиям пользователя для простой и безопасной работы. Световые индикаторы видны с большого расстояния. Дисплей поддерживает все языки со шрифтами UTF-8. Структурная схема автоматизации электростанции представлена на рис. 3.
Для осуществления динамического позиционирования судна выбрана система NavDP 4000 [7], которая постоянно контролирует информацию, поступающую из системы управления энергетической установкой судна, такую как: нагрузка на каждый генератор и исполнительное устройство, подключение их к силовой шине и силовых шин друг к другу.
Структурная схема системы динамического позиционирования NavDP 4000 представлена на рис. 4.
В случае возникновения опасности аварийного отключения силовой системы NavDP 4000 автоматически рассчитывает новые требования к упорам и угловому моменту, исходя из ограничений по выработке электроэнергии для каждого генератора, и распределяет упоры между исполнительными устройствами судна, минимизируя эффект от падения мощности силовой установки на удержание судна в точке или на курсе.
Система производит постоянный контроль своих компонентов (программируемых логических контроллеров, компьютеров, шин и т. д.), датчиков, про-пульсивного комплекса, генераторов сетей питания в режиме реального времени.
Рис. 3. Автоматизация судовой электростанции Fig. 3. Automation of the ship power station
Рис. 4. Схема динамического позиционирования Fig. 4. Dynamic positioning diagram
Для судов класса DP2, к которым относится «Пионер-М», функция АНАЛИЗ ОТКАЗОВ позволяет определить, способно ли судно удерживать позицию или курс в случае наихудших отказов, наиболее типичными из которых являются отказы двигателя, генератора и секционного разъединителя.
Система NavDP 4000 оборудована встроенным полуфункциональным автопилотом, имеющим сертификат типового одобрения классификационного общества DNV. Режим автопилота используется для управления курсом при движении судна вперед. Так как встроенный авторулевой одобрен для навигации, он может использоваться вместо отдельной конвенционной системы управления курсом судна.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В xоде разработки электрооборудования научно-исследовательского судна «Пионер-М» были выбраны основные, вспомогательные и аварийные источники электрической энергии. Разработаны сxемы распределения переменного и постоянного тока. Проведен анализ и выбор солнечный панелей и аккумуляторный батарей. Выбраны системы автоматизации: управления электростанцией и динамического позиционирования судна.
В итоге эскизный проект был разработан, успешно защищен и передан АО «ЦКБ «Коралл» для разработки теxнического проекта с передачей его на базовый завод-строитель судна в г. Севастополе.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. РД5Р.6168-92. Судовые электроэнергетические системы. Методы расчетов электрически расчетов нагрузок и определения необxодимой мощности генераторов электростанций [Электронный ресурс]. - Режим доступа: tehnokniga.com/library/rd_88/
2. Промышленное оборудование для задач электроснабжения [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.suet-holding.ru/.
3. Volker Quaschning. Understanding Renewable Energy Systems. Carl Hanser Verlag GmbH & Co KG, 2005.
4. Солнечные панели 300 Моно [Электронный ресурс]. - Режим доступа: tsolar.ru/ solnechnyye-paneli.
5. Аккумуляторы GEL и AGM [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.victronenergy.ru/upload/ documents/Datasheet-GEL-and-AGM-Batteries-EN.pdf.
6. РРМ300 - Система управления судовой электростанцией [Электронный ресурс]. - Режим доступа: dvk-electro.ru/06powerStation/ppm300.html.
7. Система динамического позиционирования NavDP 4000 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: navis.spb.ru/dp-systems/dp-overview/.
REFERENCES
1. RD5R.6168-92. Sudovye elektroenergeticheskie sistemy. Metody raschetov elektricheskikh raschetov nagruzok i opredeleniya neobkhodimoy moshchnosti genera-torov elektrostantsiy.
2. Promyshlennoe oborudovanie dlja zadach elektrosnabzhenija. Available at: http://www.suet-holding.ru (Accessed 29 June 2017).
3. Volker Quaschning. Understanding Renewable Energy Systems. Carl Hanser Verlag GmbH & Co KG, 2005.
4. Solnechnye paneli 300 Mono. Available at: http://tsolar.ru/solnechnyye-paneli (Accessed 29 June 2017).
5. Akkumulyatory GEL i AGM. Available at: https://www.victronenergy. ru/upload/ documents/Datasheet-GEL-and-AGM-Batteries-EN.pdf (Accessed 29 June 2017).
6. RRM300 - Sistema upravleniya sudovoy elektrostantsiey. Available at: https://dvk-electro.ru/06powerStation/ppm300.html (Accessed 29 June 2017).
7. Sistema dinamicheskogo pozitsionirovaniya NavDP 4000. Available at: http://www.navis.spb.ru/dp-systems/dp-overview/ (Accessed 29 June 2017).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Дёмкин Евгений Александрович - Калининградский государственный технический университет; студент 5-го курса; E-mail: Demkin2010milka@mail.ru
Dyomkin Evgeny Alexandrovich - Kaliningrad State Technical University, fifth year student; E-mail: Demkin2010milka@mail.ru
Геллер Борис Львович - Калининградский государственный технический университет; кандидат технических наук, доцент кафедры электрооборудования судов и электроэнергетики; E-mail: geller149@yandex.ru
Geller Boris Lvovich - Kaliningrad State Technical University; PhD in Engineering, Associate Professor of the Department of Ship Electrical Equipment and Electrical Energy; E-mail: geller149@yandex.ru
