УСТРОЙСТВО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗКИ МЕЖДУ ПАРАЛЛЕЛЬНО РАБОТАЮЩИМИ СУДОВЫМИ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫМИ АГРЕГАТАМИ

Полезная модель относиться к области энергетики, а именно к устройствам распределения нагрузки между параллельно работающими судовыми дизель-генераторными агрегатами (ДГА).
Известно устройство для автоматического распределения активной нагрузки между параллельно работающими синхронными генераторами, (см. а.с. СССР №655024, кл. H02J 3/46. опубл. 1977) содержащее датчики активного тока каждого из генераторов, выходы которых подключены по дифференциальной схеме к входу усилителя, вход которого и вход времязадающего блока объединены и их выходы включены по схеме И задатчика резервного генератора, выход которого соединен с зажимом для включения в схему управления серводвигателя регулятора оборотов двигателя
Недостатком данного устройства является ограниченные функциональные возможности, определяемые тем, что устройство не позволяет обеспечить параллельную работу генераторов различной мощности и имеет ограниченную точность распределения нагрузок.
Известно устройство распределения нагрузки между параллельно работающими генераторами (см. а.с. СССР №1157613 МПК Н 0233/46, опубл. 1985 г.), содержащее реле нагрузочного параметра, один вход которого предназначен для подключения к клемме тока, другой - к клемме напряжения, реле минимальной частоты, три логических элемента И, реле времени и два инвертора, причем вход реле минимальной частоты предназначен для подключения к клемме напряжения, входы первого логического элемента И подключены соответственно к выходу реле нагрузочного параметра и к выходу реле минимальной частоты, входы второго логического элемента И подключены через первый и второй инверторы соответственно к выходу реле минимальной частоты и выходу реле нагрузочного параметра, входы третьего логического элемента И подключены соответственно к выходу реле нагрузочного параметра и к выходу второго инвертора, а выход третьего логического элемента И подсоединен к реле времени, при этом выход первого логического элемента И является выходом, осуществляющим уменьшение загрузки генератора, а выход второго логического элемента И - выходом, осуществляющим увеличение загрузки генератора, а выход реле времени - выходом, указывающим на перегрузку всех параллельно работающих генераторов.
Недостатком данного устройства является недостаточная точность распределения нагрузки между параллельно работающими генераторами в зоне частичных нагрузок, так как устройство выявляет генераторы с максимальной нагрузкой и минимальной частотой и осуществляет разгрузку генератора путем воздействия на уставку первичного регулятора частоты вращения приводного двигателя генератора
Одним из наиболее близких аналогов по технической сущности являются микропроцессорные блоки управления дизель-генераторными агрегатами (ДГА) в системе управления электростанцией типа DELOMATIC (см. Алексеев Н.А., Макаров С.Б., Портнягин Н.Н. «Микропроцессорные системы управления электроэнергетическими установками рыбопромысловых судов» - М.: Колос, 2008. - с. 292-295, рис. 4.84-4.88).
Устройство, выбранное за прототип предлагаемого решения, содержит микропроцессорный аппаратно-программный блок с измерительно-нормирующим преобразователем, в который вводятся данные от датчиков тока и напряжения для подсчета отдаваемой ДГА активной мощности на шины главного распределительного щита (ГРЩ).
Аппаратно-программным блоком рассчитывается общая вырабатываемая мощность всеми ДГА, подключенными к шинам ГРЩ, которая делится на суммарную номинальную мощность работающих генераторов и подключенных к ГРЩ. Полученная величина, умноженная на номинальную мощность конкретного генератора, и определяет заданную для него нагрузку, обеспечение которой выполняется с помощью программируемого контроллера для управления генераторным агрегатом по активной нагрузке Р. Измеряемые параметры тока, напряжения и мощности выводятся на дисплей.
Недостатком прототипа является недостаточно экономичный расход топлива при параллельной работе ДГА из-за распределения нагрузки между агрегатами без учета коэффициента мощности cosϕ, а, как известно, удельный расход топлива (УРТ) дизель-генераторного агрегата существенно зависит от значения коэффициента мощности cosϕ ДГА и его фактического технического состояния (см. статью Кузнецова С.Е. «Влияние нагрузки и коэффициента мощности на расход топлива судового дизель-генераторного агрегата»//Судостроение №6, 2011. - С. 30-32).
Заявляемое устройство позволяет решить проблему сокращения общего расхода топлива ДГА за счет оптимального распределения между ними суммарной мощности в соответствии с их характеристиками зависимости УРТ от вырабатываемой электрической мощности и cosϕ для каждого ДГА путем выбора из возможных распределений нагрузки между ДГА распределения, соответствующего минимальному общему УРТ.
Г
Г
1
6
Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков. В устройство распределения активной нагрузки между параллельно работающими судовыми дизель-генераторными агрегатами (ДГА), (выполненное, также как и прототип, в виде микропроцессорного аппаратно-программного комплекса с датчиками тока и напряжения ДГА и подключенными к ним измерительно-нормирующими преобразователями для расчета мощности, отдаваемой на шины главного распределительного щита ГРЩ каждым ДГА, программируемыми контроллерами для управления ДГА по активной нагрузке Р и дисплеем,) в отличие от прототипа, дополнительно введены измерительно-нормирующие преобразователи для вычисления коэффициента мощности cosϕ каждого ДГА, программируемый логический контроллер (ПЛК) для расчета регрессионных зависимостей удельного расхода топлива q(Р, cosϕ) от электрической мощности Р и cosϕ каждого ДГА с учетом постоянных коэффициентов k-k, зависящих от технического состояния ДГА и первоначально определяемых на основе заводских испытаний, в дальнейшем корректируемых в процессе эксплуатации с учетом фактического состояния ДГА, и устанавливающих из суммарной нагрузки ДГА оптимальные величины нагрузки каждого из ДГА при минимальном общем удельном расходе топлива (УРТ), при этом выходы датчиков тока и напряжения ДГА подключены к входам измерительно-нормирующих преобразователей для вычисления коэффициента мощности cosϕ каждого ДГА, а их выходы подключены к входам ПЛК, выходы которого подключены к входам программируемых контроллеров и к входу дисплея.
Сущность предлагаемого решения состоит в следующем.
Г
1
6
При параллельной работе судовых ДГА (например, двух ДГА) распределение нагрузки между ними осуществляется с учетом фактического технического состояния ДГА и коэффициента мощности cosϕ. При этом УРТ каждого ДГА рассчитывается в виде регрессионной зависимости УРТ от его электрической мощности Р и cosϕ с учетом постоянных коэффициентов k-k, зависящих от технического состояния ДГА:
где  - удельный расход топлива ДГА;
г
Р (кВт) - мощность синхронного генератора;
Q (кг/ч) - расход топлива;
cos ϕ - коэффициент мощности нагрузки;
1
6
k-k - постоянные коэффициенты, зависящие от технического состояния ДГА:
г
2
К (кВт/А),
КД1 (кг/кВт⋅ч),
Д2
2
К (кг/кВт⋅ч).
Г
Первоначально регрессионная зависимость удельного расхода топлива q(Р, cosϕ) рассчитывается по выражению [1] на основе заводских испытаний ДГА. В дальнейшем она может корректироваться с учетом фактического состояния ДГА при очередном обслуживании агрегата, путем расчета и ручного ввода в ПЛК новых значений коэффициентов в выражение [1].
Сравнение предлагаемого устройства с прототипом показало, что поставленная задача решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие заявленной полезной модели критерию патентоспособности «новизна».
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлена структурная схема устройства распределения нагрузки между параллельно работающими дизель-генераторными агрегатами на примере двух ДГА.
Г
1
Г1
2
Г2
1
Г1
2
Г2
Г1
Г2
£
Г1
Г2
Г1
Г2
Устройство содержит датчики рабочих токов 1 генераторов ДГА1 и ДГА2 и датчики напряжений 2 ДГА, измерительно-нормирующие преобразователи 3 и 4 для определения текущего значения вырабатываемой активной мощности Р и cosϕ каждого ДГА. Входы измерительно-нормирующих преобразователей 3 и 4 соединены с выходами датчиков 1 и 2. Выходы преобразователей 3 и 4, преобразующих входные сигналы в унифицированные электрические сигналы (0-20 и 4-20 мА; 0-10 и 2-10 В), подключены к входам программируемого логического контроллера (ПЛК) 5, содержащего программные модули удельного расхода топлива (УРТ) каждого из параллельно работающих ДГА и выполняющего вычисление текущих значений удельного расхода q(Р, cosϕ) и q(Р, cosϕ) ДГА. Для вычисления текущего значения q(Р, cosϕ) и q(Р, cosϕ) в ПДК 5 вводятся постоянные коэффициенты формулы [1] для каждого ДГА, определяемые первоначально по результатам заводских испытаний и зависящие от технического состояния ДГА. В ПЛК 5 решается задача оптимального распределения нагрузки для каждого из параллельно работающих ДГА (Р и Р) при обеспечении требуемой общей нагрузки судовой электростанции Р, определенной блоками 3, при условии минимального суммарного удельного расхода топлива работающих ДГА. С выхода ПЛК 5 сигналы подаются на входы программируемых контроллеров 6, обеспечивающих такое регулирование подачи топлива ДГА1 и ДГА2, которое обеспечивает соответствующие величины Р и Р при минимальном суммарном удельном расходе топлива ДГА1 и ДГА2. К выходу ПЛК 5 также подсоединен вход дисплея 7 для предоставления оператору рассчитанных текущих значений Р и Р и суммарного удельного расхода топлива.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Г
Г
∑
∑
Г1
Г2
Г1
Г2
Блоками 3 и 4 производится непрерывное измерение мощности Р и коэффициента мощности нагрузки cosϕ каждого ДГА. Значения измеренных величин вводятся в ПЛК 5, где с использованием регрессионных зависимостей удельного расхода топлива q(Р, cosϕ) от активной мощности и коэффициента мощности при заданной суммарной вырабатываемой мощности ДГА электростанции (Р) и коэффициента мощности cosϕ рассчитывается оптимальная величина нагрузки каждого ДГА (Р=Р+Р) при минимальном общем удельном расходе топлива (УРТ). После определения значений величин нагрузки для каждого ДГА в ПЛК 5 формируются команды на обеспечение соответствующих величин Р и Р, которые с выхода ПЛК 5 подаются на входы программируемых контроллеров 6 регулирования подачи топлива к ДГА, а значения установленных величин нагрузки ДГА, суммарного минимального УРТ и cosϕ выдаются на вход дисплея 7.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет не только сократить расход топлива для производства необходимой мощности путем распределения суммарной мощности электростанции между параллельно работающими ДГА с учетом их расходных характеристик таким образом, чтобы суммарный расход топлива был минимальным, но и позволяет учитывать изменение технического состояния ДГА в процессе их эксплуатации путем соответствующей корректировки регрессионных зависимостей УРТ от электрической мощности и коэффициента мощности каждого агрегата.
Заявленная полезная модель была разработана специалистами кафедры Судовых автоматизированных электроэнергетических систем ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова» для использования в судовых электростанциях. Устройство было смоделировано. Проведенные исследования дали положительный результат, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели критерию «промышленная применимость».