ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА, СОДЕРЖАЩАЯ ВЫСОКОНАДЕЖНУЮ ЦЕПЬ СТАРТЕРА

Область техники
Полезная модель относится к дизель-генераторной установке, обладающей высокой выходной электрической мощностью и высокой надежностью, которая особенно полезна в качестве резервного источника питания в случае выхода из строя коммунальных или локальных электросетей, везде, где требуется высокая надежность дизель-генераторной установки, например, на атомной электростанции. В частности, полезная модель относится к топологии цепи стартера для двигателя синхронного генератора такой установки, которая обеспечивает исключительную надежность работы дизель-генераторной установки при электрической выходной мощности по меньшей мере 2500 кВт.
Предпосылки создания полезной модели
В области резервных (аварийных) источников питания типичное решение представлено дизель-генератором, который вероятно не превзойти в обозримом будущем. Дизель-генераторная установка объединяет в себе двигатель внутреннего сгорания и синхронный генератор, которые дополнены охладителем и топливным баком, и обычно представляют собой единый конструктивный элемент. Существенной и очень важной с точки зрения своей надежности частью дизель-генераторной установки является стартер. Как правило, для того чтобы двигатель внутреннего сгорания приводил в действие силовой генератор, используются пневматические или электрические стартеры, в некоторых случаях сдвоенные для надежности, при этом каждый стартер содержит отдельную стартерную аккумуляторную батарею. Эта конструкция допускает любой сбой в цепи стартера, из-за которых резервный источник питания может выйти из строя. Поэтому надежность запуска двигателя внутреннего сгорания является одним из самых важных вопросов, которые следует рассматривать при проектировании дизель-генераторной установки, предназначенной для использования в качестве резервного или аварийного источника питания. Между тем, заявителю не известен ближайший аналог заявленной полезной модели.
Цель настоящей полезной модели заключается в повышении надежности запуска двигателя внутреннего сгорания дизель-генераторной установки и, следовательно, в улучшении надежности установки, в частности при использовании установки в качестве резервного источника. Надежный запуск должен быть обеспечен в случае сбоя одного или даже двух стартеров и не должен зависеть от внешней среды (сжатого воздуха), как обычно бывает в подобных дизель-генераторах с высокой выходной мощностью. Эксплуатационная надежность дизель-генераторной установки должна составлять не менее 99%.
Описание полезной модели
Дизель-генераторная установка (ДГУ) в соответствии с настоящей полезной моделью представляет собой полностью автономный источник электроэнергии, энергоемкость и надежность которого подходят для аварийного питания всех устройств атомной электростанции, что важно для атомной безопасности. ДГУ состоит из генераторного агрегата с цепью стартера, системы охлаждения, элемента переключения выходной мощности, трансформатора, щита управления, выхлопной системы и топливной системы. Генераторный агрегат включает двигатель внутреннего сгорания, подключенный к синхронному генератору, электрическая мощность которого составляет по меньшей мере 2500 кВт. Цепь стартера содержит по меньшей мере два узла стартеров, при этом каждый узел содержит по меньшей мере два электрических стартера. Одного только стартера недостаточно, чтобы запустить генератор, требуется по меньшей мере два стартера. Исследование оптимизации и надежности показало, что предпочтительная цепь стартера может включать четыре стартера, соединенных в два узла по два. В одном варианте осуществления, два стартера, образующие первый узел стартеров, расположены на одной стороне махового колеса двигателя генераторного агрегата, а два стартера, образующие второй узел стартеров, расположены на другой стороне махового колеса двигателя генераторного агрегата. Каждый узел стартеров питается от агрегата аккумуляторных батарей, содержащего по меньшей мере две, предпочтительно три соединенные параллельно аккумуляторные батареи, при этом каждый агрегат аккумуляторных батарей содержит собственное зарядное устройство, которое питается от щита управления. Щит управления, помимо прочего, делает возможным соединение любого агрегата аккумуляторных батарей с любым узлом стартеров. В предпочтительном варианте осуществления с четырьмя стартерами, разделенными на два узла, для запуска достаточно любых двух стартеров, то есть одного узла стартеров или одного стартера от каждого узла стартеров. При стандартном запуске предпочтительно использовать все четыре стартера. С точки зрения надежности всей ДГУ, надежность цепи стартера является наиболее важным аспектом. Анализ надежности описанной в данном документе топологии цепи стартера показал удивительно высокую надежность цепи стартера, что благоприятно повлияет на высокую надежность ДГУ в целом.
Дальнейшие подробности и преимущества настоящей полезной модели станут понятными из приводимого ниже примера, описывающего предпочтительный вариант осуществления.
Краткое описание графических материалов
На фигуре схематически показана существенная часть дизель-генераторной установки, а именно генераторный агрегат, содержащий двигатель внутреннего сгорания с синхронным генератором, управляемый щитом управления. Показана предпочтительная топология цепи стартера: цепь стартера состоит из двух узлов (пар) электрических стартеров, при этом любой узел стартеров выполнен с возможностью соединения с любым агрегатом аккумуляторных батарей.
Пример
Дизель-генераторная установка
ДГУ, часть которой схематически показана на фигуре, содержит генераторный агрегат ЕС с цепью SO стартера и щит RR управления. Дополнительно она содержит приспособление для переключения выходной мощности, трансформатор, вентиляционную систему охлаждения, выхлопную систему и топливную систему (не показано на фигуре).
Генераторный агрегат ЕС содержит двигатель внутреннего сгорания и синхронный генератор. Он относится к модели Cat С175 20 с выходной мощностью 4000 кВА/3200 кВт в резервном режиме. Управление генераторным агрегатом ЕС и цепью стартера осуществляется посредством щита RR управления.
Цепь SO стартера генераторного агрегата ЕС включает, в числе основных компонентов, электрические стартеры ST1, ST2, ST3, ST4 и стартерные аккумуляторные батареи ВА1, ВА2, ВА3, ВА4, ВА5, ВА6. Стартеры ST1, ST2, ST3, ST4 установлены в двух узлах стартеров - SS1 и SS2, при этом первый узел SS1 содержит два стартера ST1 и ST2, и второй узел SS2 содержит два стартера ST3 и ST4. Предпочтительно, стартеры ST1 и ST2 расположены на одной стороне махового колеса двигателя, а стартеры ST3 и ST4 на другой стороне махового колеса двигателя генераторного агрегата ЕС. Узел SS1, SS2 стартеров соединен с агрегатом BS1, BS2 аккумуляторных батарей, состоящим из трех аккумуляторных батарей ВА1, ВА2, ВА3, ВА4, ВА5, ВА6. Предпочтительно, первый агрегат BS1 аккумуляторных батарей состоит из трех 24 В аккумуляторных батарей ВА1, ВА2 и ВА3, которые соединены параллельно, и питает стартеры ST1 и ST2, и аналогично второй агрегат BS2 аккумуляторных батарей состоит из трех 24 В аккумуляторных батарей ВА4, ВА5, ВА6, которые соединены параллельно, и питает стартеры ST3 и ST4. Каждый агрегат BS1, BS2 аккумуляторных батарей содержит собственное зарядное устройство, которое питается от щита RR управления. В стандартном запуске задействованы все 4 стартера ST1, ST2, ST3, ST4. Для аварийного запуска генераторного агрегата ЕС будет достаточно любых двух стартеров ST1, ST2, ST3, ST4, т.е. либо одного узла стартера - SS1 или SS2, либо по одному стартеру ST1, ST2, ST3, ST4 от каждого узла SS1, SS2 стартера. Любого одного стартера ST1, ST2, ST3, ST4 недостаточно для запуска двигателя. Это значит, что двигатель можно запустить даже в случае отказа любого из стартеров ST1, ST2, ST3, ST4, возможно даже в случае отказа любых двух стартеров ST1, ST2, ST3, ST4. Любой узел SS1, SS2 стартера может быть выполнен с возможностью соединения с любым агрегатом BS1, BS2 аккумуляторных батарей посредством щита RR управления.
Щит RR управления используется для управления генераторным агрегатом ЕС. Он содержит процессор управления, переключатель ручного/автоматического режимов и другие средства управления, в том числе отслеживание некоторых параметров ДГУ и оценку некоторых условий отказа. За запуск ЕС и реализацию других важных функций системы отвечает релейная автоматика. Процессор управления управляет активацией стартеров ST1, ST2, ST3, ST4, подзарядкой аккумуляторных батарей ВА1, ВА2, ВА3, ВА4, ВА5, ВА6 и состоянием выходного замыкателя. Щит RR управления содержит внутренние аккумуляторные батареи, которые гарантируют 100% автономность работы.
ДГУ также содержит элемент переключения выходной мощности при высоком напряжении и трансформатор, который соединен с 6-киловаттной шиной и питает собственные цепи генераторного агрегата ЕС в случае отказа источника питания. Это сухой трансформатор с медной обмоткой, по существу не поддающийся разрушению.
Кроме того, ДГУ содержит охладитель воды двигателя, оснащенный четырьмя электрическими вентиляторами, и систему охлаждения внутренней части емкости, в которой она находится.
ДГУ также содержит топливную систему, включающую бак и соединительные трубки для соединения бака с дизель-генератором. Подача топлива обеспечивается насосом, который является частью дизель-генератора, поэтому необходимости во внешнем насосе нет.
Весь блок ДГУ размещен в трех емкостях, предпочтительно противосейсмических емкостях. Первая емкость содержит генераторный агрегат, дизельные баки находятся во второй емкости, а третья емкость защищает системы, необходимые для охлаждения двигателя.
Анализ надежности дизель-генераторной установки
λt
Надежность системы ДГУ описана функцией надежности, которую определяет кривая надежности. Последняя точно определяет достоверность эксплуатационной эффективности (т.е. вероятность безотказной эксплуатации) в заданном временном промежутке. Для электрических систем кривую надежности определяет экспоненциальная функция R(t)=e, где λ - частота отказов системы. Если время t>0, функция надежности всегда принимает значения меньше 1 (или 100%).
Анализ надежности ДГУ был выполнен исходя из схемы надежности, при этом подсистемы ДГУ были упорядочены последовательно. В приводимой далее таблице 1 показаны значения функции надежности для подсистем и всей системы ДГУ в момент, соответствующий моменту непосредственно перед периодической проверкой.
Анализ надежности включал всю информацию, известную об отдельных подсистемах. Результаты, приведенные в таблице 1, представляют так называемый нижний предел при учете наихудших альтернатив и рисков при эксплуатации ДГУ в качестве резервного источника. Анализ надежности цепи стартера в соответствии с настоящей полезной моделью показал чрезвычайно высокую надежность этой цепи стартера (R=0,99998), значительно превышающую значение надежности, которое обычно требуется (R=0,99), и способствующую повышению надежности всей ДГУ (R=0,99909).
Промышленная применимость
Дизель-генераторные установки можно использовать, главным образом, в качестве резервного источника электроэнергии для питания всех устройств главной цепи атомной электростанции в случае отказа коммунальных или локальных электросетей. Уникальная топология цепи стартера обеспечивает всей установке чрезвычайно высокую надежность, с тем, чтобы дизель-генераторная установка отвечала критериям атомной безопасности и была пригодной для использования в качестве резервного источника питания для атомных электростанций.