Повышение эффективности судовых дизель - генераторов за счет использования централизованной системы компенсации реактивной мощности

УДК 629.5.03

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЬ - ГЕНЕРАТОРОВ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

В. Ф. Белей

IMPROVING THE EFFICIENCY OF MARINE DIESEL-GENERATORS OWING TO THE USE OF CENTRALIZED REACTIVE POWER COMPENSATION SYSTEM

V. F. Beley

Анализ эксплуатационных режимов работы ряда судовых электростанций показывает, что величина реактивной мощности их нагрузки превышает расчетные проектные значения. Это превышение приводит к перегрузке синхронных генераторов судовой электростанции по реактивному току. В итоге генераторы недогружаются по активной мощности, а дизели работают с более высоким удельным расходом топлива. В работе приведена методика оценки эффективности судовых дизель-генераторов (ДГ) при использовании централизованной системы компенсации реактивной мощности в судовых электростанциях. На примере судов проекта В-69 показано, что применение централизованной системы компенсации реактивной мощности позволяет значительно снизить ток генераторов и, как следствие, вывести из работы дизель - генератор. В результате имеют место уменьшение расхода топлива и масла, экономия ресурса работы оборудования ДГ. В работе дана схема реализации централизованной системы компенсации реактивной мощности, основу которой составляют конденсаторные батареи и система управления. Конденсаторная установка разделена на две части: постоянно включенную к шинам главного распределительного щита судовой электростанции и обеспечивающую компенсацию минимально возможной реактивной мощности электростанции во время эксплуатации судна и группу конденсаторов, подключаемых к шинам автоматически системой управления. Система управления по заданному алгоритму на основе анализа величины суммарного тока всех генераторов и линейного напряжения производит расчет величины реактивной мощности и подает сигналы на подключение или отключение конденсаторных батарей необходимой мощности.

дизель-генератор, судовая электростанция, режим работы, реактивная мощность, ток, компенсация, эффективность, ресурс, топливо

The analysis of operating conditions of a number of ship power plants shows that the reactive load power exceeds the calculated design values. This leads to reactive current overload of diesel generators

using a centralized system of reactive power compensation in ship power plants. Using the example of B-69 project vessels, it is shown that the use of a centralized reactive power compensation system can significantly reduce the current of generators, and therefore, take the diesel generator out of operation. As a result, there is: a reduction in fuel and oil consumption and service life savings of DG equipment. The paper provides a scheme for the implementation of a centralized system for reactive power compensation, which is based on: capacitor batteries and a control system. The capacitor unit is divided into two parts: permanently connected to the buses of the main switchboard of the ship's power station, providing compensation for the minimum possible reactive power of the power plant during operation of the vessel, and a group of capacitors connected to the buses automatically by the control system.

diesel-generator, ship power plant, operating mode, reactive power, current, compensation, efficiency, resource, fuel

ВВЕДЕНИЕ

Значительная доля судов эксплуатируется при реактивных нагрузках, приведенных в проектной документации, что влечет за собой перегрузку синхронных генераторов по реактивному току и работу дизелей на долевых нагрузках и, как следствие, использование большего числа ДГ в эксплуатационных режимах судна. Задачей исследований является повышение эффективности судовых дизель-генераторов за счет централизованной системы компенсации реактивной мощности судовой электростанции.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Анализ эксплуатационных режимов ряда судовых электростанций показал, что величина их реактивных нагрузок (табл. 1) зачастую превышает расчетные значения, представленные в проектной документации на судно (cos (рном = 0,8) [1-3].

Таблица 1. Результаты исследований реактивных нагрузок судовых электростанций в эксплуатационных условиях

Table 1. Results of studying reactive loads of ship power plants under operational conditions

Тип и наименование судна Состав электростанции Sh (кВА) Е Q=Qmax cos Pmin

Е P, кВт Е Q, кВАр cos р

ПБ «Ленинский 6ДГх460 1680 1522 0,74 0,69

путь»

РТМС «Курская 2ДГх700,2ДГх600 1300 1130 0,76 0,72

дуга»

1ВГх1200 400 704 0,5 0,2*

БМРТ «Козенков» 4ДГх250 462 654 0,57 0,57

ССТ «Мелонгена» 3ДГх350 380 400 0,69 0,49

БСТ «Родина» 3ДГх800 1149 1023 0,75 0,73

ТР «Гранитный берег» 4ДГх763 1050 953 0,74 0,74

Перегрузка генераторов по реактивному току приводит к тому, что синхронные генераторы электростанции недогружаются по активной мощности и, как следствие, дизель работает с более высоким удельным расходом топлива (рис. 1) [4].

кВт-час

25 50 75 100

Рис. 1. Зависимость удельного расхода топлива дизеля 8ВАН-22 судна

проекта В-69 от загрузки Fig. 1. Dependence of specific fuel consumption of 8VAN-22 diesel of the B-69 vessel

project on the load

Применение централизованного способа компенсации реактивной мощности (РМ) на шинах судовой электростанции позволит разгрузить генераторы от выработки РМ. На рис. 2 показана электрическая схема судовой электростанции, когда РМ нагрузки (Qn) обеспечивается за счет конденсаторной батареи (КБ).

PH+jQH

Qn

ДГ1

КБ

Qн

Pн+jQ н

А

I

_ /

ДГ2

ДГ3

ДГ4

ДГ5

0 © © © © ©

ДГ6

АДГ

©

P

P

н

н

P

P

P

P

P

P

дг

дг

дг

дг

дг

дг

Рис. 2. Упрощенная электрическая схема судовой электростанции проекта В-69 Fig. 2. Simplified electric circuit of ship power plant of the B-69 project

Рассмотрим эффективность применения централизованного способа компенсации на примере судна ПБ "Ленинский путь" (проект В-69) (рис. 2, табл. 2 и 3).

Таблица 2. Технические данные судовой электростанции судна проекта В-69 Table 2. Technical data of ship power plant of the B-69 vessel project

№ Синхронный генератор GBm 1412b-02

п/ п Наименование n Дизель Р i ном? кВт ЦюмЗ гс, Ом Возбуждение

цном,в IHOM,A

1 Вспомогательный дизель-генератор 6 8ВАН- 22 320 380 5,25-10"3 70 130

2 Аварийный дизель-генератор 1 - 2 380 - - -

Таблица 3. Нагрузка электростанции ПБ «Ленинский путь» в течение производственного рейса

Table 3. Loading of depot ship «Leninskiy put» power plant during

work-in-process time

Число работающих ДГ Ток одного ДГ, А Электростанция Время работы

ЕР, кВт EQ, кВАр ч %

2 320 320 287 50 1,24

400 400 362 22 0,55

460 460 417 18 0,45

500 250 453 344 8,53

3 440 660 598 82 2,03

460 690 625 60 1,49

500 760 680 199 4,94

540 810 734 269 6,67

290 870 788 50 1,24

4 440 880 797 8 0,2

460 920 834 31 0,77

500 1000 906 146 3,62

540 1080 978 28 0,69

600 1200 1087 45 1,12

5 500 1250 1133 196 4,86

540 1350 1223 83 2,06

560 1400 1268 246 6,1

600 1500 1359 479 11,88

6 520 1560 1413,4 501 12,43

500 1500 1359 198 4,9

540 1620 1468 205 5,08

560 1680 1522 769 19,07

567 1700 1540 3 0,07

Итого 4032 100

Суммарные потери мощности (АР): в обмотках статора и обмотке возбуждения синхронных генераторов (СГ), в цепи генератор - шины главного распределительного щита (ГРЩ) определяются по выражениям

ар = n [з • X r • + 1,15UB • ib J;

X r = rc + ГПР + k • ГТР + rAB + P • Г

ПК

где X г - суммарное активное сопротивление цепи СГ - ГРЩ; гАВ - переходное сопротивление коммутирующей аппаратуры; Гтр - сопротивление, обусловленное измерительными трансформаторами тока; гпк - сопротивление переходных контактов в силовой цепи; к и р - соответственно, число измерительных трансформаторов и переходных контактов тракта от клемм обмотки статора генератора до шин ГРЩ; п - число дизель-генераторов; Щ, Ь - соответственно, напряжение и ток обмотки возбуждения генератора (рис. 3).

1 1.2

Рис. 3. Зависимость тока возбуждения от тока нагрузки синхронного генератора

Fig. 3. Dependence of the exciting current on the load current of synchronous generator

Как показали расчеты, наибольший эффект от применения установки по компенсации РМ на судне имеет место при выводе из работы дизель-генератора: с шести работающих на пять; с пяти - на четыре и т. д. В табл. 4 приведены результаты расчетов эффективности использования централизованной системы компенсации РМ при различной мощности конденсаторной батареи и перехода на эксплуатацию с шести на пять дизель-генераторов судовой электростанции.

Таблица 4. Результаты расчетов эффективности централизованной системы компенсации РМ электростанции «Ленинский путь» при мощности нагрузки: ЕРн=1560 кВт и ЕОнг=1407 кВАр

Table 4. Calculation data on the effectiveness of the centralized compensation system of the CP "Leninsky put" power station with the load power: ZPLN=1560 kWt and £Qln=1407 kVar_

Число работающих ДГ Нагрузка одного ДГ Qke, кВАр Суммарные электрические потери мощности (АР- формула (1)), кВт

Р, кВт I, А Одь кВАр cosy

6 260 520 235 0,74 0 110,4

5 312 624 281 0,74 0 114,5

5 312 557 209 0,832 360 95.2

5 312 505 138 0,92 720 77

5 312 473 66 0,98 1080 70

5 312 462 0,00 1,00 1407 64

На рис. 4 показаны изменения тока, реактивной мощности и cos р синхронного генератора электростанции «Ленинский путь» в зависимости от мощности конденсаторной батареи, свидетельствующие об эффективности использования централизованной системы компенсации РМ.

Ьг А

700

600

6ДГ S00 -

400

300

200

100

Переход с 6ДГ па работу с $ДГ_ /нам As

Ж

557 505 473 462

lözf

0.92 0,98 1

.5,74 о,эзг

--1

cos<ja

0,8

0,6

ОА

0,2

180

360

540

720

900

LOBO

1260

1440

Q, кВАр

Рис. 4. Зависимости изменения тока, реактивной мощности и cos р

синхронного генератора электростанции ПБ «Ленинский путь» от мощности

конденсаторной батареи Fig. 4. Dependences of current change, reactive power and cos р of the synchronous generator of the power plant of depot ship "Leninskiy put" on capacity bank power

Анализ этих зависимостей (табл. 4 и рис. 4) показывает, что централизованная компенсация РМ позволяет перейти на работу с шести на пять ДГ при

меньших значениях тока синхронного генератора из-за меньших потерь электрической мощности. Переход электростанции на работу с меньшим числом ДГ приводит к экономии топлива и масла. Применительно к ПБ «Ленинский путь» при переходе с шести ДГ на работу с пятью ДГ экономия топлива (AmT) и масла (Д m МАСЛА) определится по выражениям:

Am T = 6*Р1дг * gE1 - 5*Р11ДГ * gE2 ;

Дш масла = 0,115* Дш T,

где Р1 и Р11 - соответственно, мощности ДГ при числе работающих ДГ шесть и пять.

Конденсаторную установку следует разделить на две части: постоянно включенную к шинам ГРЩ (QMIN ) и обеспечивающую компенсацию минимально возможной РМ электростанции во время эксплуатации судна, что составит для вышерассматриваемого судна примерно 280 кВАр (табл. 3), и группу конденсаторов, подключаемых к шинам автоматически системой управления (СУ) (рис. 5). Система управления работает по заданному алгоритму: на основе анализа величины суммарного тока всех ДГ [5] и линейного напряжения производит расчет величины РМ и подает управляющие сигналы на подключение или отключение КБ необходимой мощности (рис. 5).

Qmn КБ1 КБ2 КБп

Рис. 5. Электрическая схема конденсаторной установки судна проекта В-69 Fig. 5. Electric circuit of the condenser installation of the B-69 vessel project

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение централизованной системы компенсации реактивной мощности, подключенной к шинам главного распределительного щита судовой электростанции, позволяет значительно снизить ток судовых генераторов и, как следствие, выводить из работы ДГ. В результате имеют место уменьшение расхода топлива и масла, экономия ресурса работы дизеля и генератора.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Панов, В. А. Судовые электростанции и расчет их мощности / В. А. Панов. - Ленинград: Судостроение, 1965. - 132 с.

2. Белей, В. Ф. Баланс реактивной мощности судовых энергосистем: проблемы и некоторые пути их решения / В. Ф. Белей // Международный балтийский морской форум. Т.2. [Электронный ресурс]: материалы. - Калининград: Изд-во БГАРФ, 2018. - С. 123-128 .

3. Белей, В. Ф. Уточненная методика расчета баланса реактивной мощности судовой электростанции / В. Ф. Белей, М. С. Харитонов, Р. О. Брижак // Морские интеллектуальные технологии. - 2018. - № 4 (42), Т. 3. - С. 67-71.

4. Российский морской регистр судоходства. Правила классификации и постройки морских судов. -2016. Издание утв. 15.09.2015 г.

5. Белей, В.Ф. Применение согласующих трансформаторов в установках компенсации реактивной мощности / В. Ф. Белей // Промышленная энергетика. - 1993. - № 1. - С. 28-29.

REFERENCES

1. Panov V. A. Sudovye elektrostantsii i raschet ikh moshchnosti [Ship power plants and calculation of their capacity]. L., Sudostroenie, 1965, 132 p.

2. Beley V. F. Balans reaktivnoy moshchnosti sudovykh energosistem: problemy i nekotorye puti ikh resheniya [Reactive power balance of shipboard power: technical challenges and solutions]. Materialy Mezhdunarodnogo morskogo foruma [Proceedings of the International Maritime Forum]. Kaliningrad, BSARF, 2018, vol. 2, pp. 123-128.

3. Beley V. F., Kharitonov M. S., Brizhak R. O. Utochnennaya metodika rascheta balansa reaktivnoy moshchnosti sudovoy elektrostantsii [Extended methodology for calculating the balance of reactive power of the ship power plant]. Morskie intellektual'nye tekhnologii, 2018, vol. 3, no. 4 (42), pp. 67-71.

4. Rossiyskiy morskoy registr sudokhodstva. Pravila klassifikatsii I postroyki morskikh sudov [Russian Maritime register of shipping. Rules of classification and construction of ships]. 2016. Edition 15.09.2015.

5. Beley V. F. Primenenie soglasuyushchikh transformatorov v ustanovkakh kompensatsii reaktivnoy moshchnosti [Use of matching transformers in reactive power compensation installations]. Promyshlennaya energetika, 1993, no. 1, pp. 28-29.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

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 Engineering, Professor; Head of the Department of Electrical Equipment of Ships and Electrical Power Engineering; E-mail: vbeley@klgtu.ru