Способ повышения эффективности судовой электростанции
METHOD FOR IMPROVING THE EFFICIENCY OF A SHIP POWER PLANT

Изобретение относится к водному транспорту, а именно к судовым комбинированным электроэнергетическим системам, и может быть использовано на отдельных его видах для уменьшения потребления горюче-смазочных материалов и сокращения вредных выбросов в атмосферу дизельными генераторами.
Известен, например, способ повышения эффективности судовой электроэнергетический системы (СЭЭС) [патент RU №2510358 С2, МПК В63Н 23/24 (2006.01), опубл. 20.10.2013 Бюл. №29], в котором к шинам постоянного тока главного распределительного щита подключают через полупроводниковый преобразователь дополнительные (альтернативные) источники электроэнергии в виде аккумуляторной батареи и топливных элементов (электрохимических генераторов). Недостатком данного способа является ограниченная область его применения, а именно только на таких судах, где для привода движителей используются электродвигатели, т.е. на судах с гребной электрической установкой (ГЭУ), и, как правило, с единой судовой электроэнергетической системой (ЕЭЭС). В ЕЭЭС питание электропотребителей и гребных электродвигателей производится от сборных шин.
ЕЭЭС - это СЭЭС, объединенная с главной энергетической установкой.
Главная энергетическая установка - комплекс технических средств, обеспечивающий поступательное движение судна и его маневрирование, а также обеспечивающий всеми видами энергии потребителей судна на ходу.
Судовая электроэнергетическая система (СЭЭС) - это совокупность взаимосвязанных источников электроэнергии, преобразователей, распределительных, регулирующих и управляющих устройств и соединительных линий, объединенных процессом производства, преобразования и распределения электроэнергии, предназначенная для питания судовых потребителей.
Источники электроэнергии - генераторные агрегаты, состоящие из приводного двигателя, редуктора, генератора и подсистем регулирования, управления, защиты, сигнализации и контроля и др. Сюда же относятся химические источники тока.
Число судов-электроходов в общем количестве судов (с регистровой вместимостью более 100 т) мирового гражданского морского флота составляет несколько процентов, т.к. электроэнергетические системы таких судов являются относительно сложными и имеют более высокую стоимость, а их обслуживание и ремонт являются более затратными, по сравнению с обслуживанием и ремонтом обычной дизельной установки. Суда с ГЭУ, несмотря на ряд известных их преимуществ, имеют меньший, по сравнению с обычными дизельными судами (т.е. по сравнению с прямой (непосредственной) передачей мощности от главного дизеля к гребному винту), общий коэффициент полезного действия (КПД) силовой установки на (10…15)%, обусловленный потерями в:
- электрических машинах (генераторах электроэнергии, трансформаторах, и гребных электродвигателях);
- полупроводниковых преобразователях;
- электрических сетях.
Т.к. суммарная мощность судовых электропотребителей значительно меньше мощности гребных электродвигателей, то в такой единой ЕЭЭС подключение/отключение вспомогательных дизельных генераторов (дизель-генераторов (ДГ)) производится исходя из требуемой мощности на гребном валу. При этом, как правило, обеспечивается значительный резерв мощности судовой электростанции (СЭС) и большая надежность системы электроснабжения судна.
Судовая электрическая станция (СЭС) - это энергетический комплекс, преобразующий различные виды энергии в электрическую, состоящий из источников электроэнергии и главных распределительных щитов (ГРЩ).
з
Но работа вспомогательных ДГ осуществляется с достаточно низким коэффициентом их загрузки k. Эффективность использования в таких условиях дополнительного (альтернативного) источника электроэнергии, очевидно, также оказывается низкой. Поэтому работа ДГ в данной ЕЭЭС по этому способу, характеризуется практически такими же недостатками, как и в обычной СЭЭС: сравнительно большим удельным расходом топлива и большим содержанием вредных веществ в выхлопных газах, ускоренной закоксовкой поршневых колец и пониженным эксплуатационным их ресурсом.
При увеличении числа генераторов СЭС, которые могут быть подключены (отключены) на сборные шины постоянного тока при изменении суммарной мощности электропотребителей, коэффициент их загрузки улучшается (Diju Gao, Xuyang Wang, Tianzhen Wang, Yide Wang and Xiaobin Xu. / Article. An Energy Optimization Strategy for Hybrid Power Ships under Load Uncertainty Based on Load Power Prediction and Improved NSGA-II Algorithm. Energies 2018,11(1), 1699; https://doi.org/10.3390/en11071699). Однако при этом во-первых, эффективность применения дополнительных (альтернативных) источников энергии снижается, во-вторых, увеличивается сложность СЭС, ее стоимость и массоразмерные показатели, в-третьих, необходима поддержка ДГ в состоянии горячего резерва, и каждый раз, при существенном изменении нагрузки СЭС, подключать/отключать вспомогательные ДГ к сборным шинам постоянного тока, выполняя перед каждым таким подключением традиционные подготовительные операции, включающие, в том числе визуальный осмотр узлов крепления ДГ и их агрегатов, проверку уровня масла, топлива, охлаждающей жидкости, прогрев на холостом ходу и пр., что также является недостатком данного способа.
Кроме того, наличие в СЭС множества полупроводниковых преобразователей (выпрямителей (АС/DC), инверторов (DC/АС), конверторов (DC/DC) с их фильтрами высших гармоник неизбежно снижает ее надежность, а суммарные потери энергии, за счет многократного ее преобразования, относительно велики. Поэтому такая СЭС характеризуется достаточно низкой эффективностью и сравнительно большим расходом горюче - смазочных материалов (ГСМ) ее ДГ, что приводит к еще большей стоимости эксплуатации судна, что также является недостатком способа.
з
з
з
з
з
Известен ряд способов и устройств (Яковлев, Г.С. Судовые электроэнергетические системы, изд. Судостроение, 1987 г. - 387 с), предназначенных для повышения КПД судовых электростанций: рациональный выбор на этапе проектирования СЭС числа и мощности ДГ, использование ДГ повышенного напряжения, применение установок, позволяющих производить отбор мощности от главного двигателя (обычно главного дизеля) (ГД) главной энергетической установки - валогенератора или утилизационного генератора (турбогенератора). Для привода валогенератора используют гребной вал, а для привода утилизационного генератора используют энергию выхлопных газов ГД. Общим недостатком данных известных способов и устройств является недостаточная их эффективность как в установившихся режимах, так и в маневренных режимах работы. Это обусловлено тем фактом, что ДГ эксплуатируются в большинстве случаев с достаточно низким коэффициентом их загрузки k. В установившихся режимах работы k≈0,5…065, в маневренных режимах (проходе судном узкостей, погрузке/разгрузке грузов, швартовке) k≈0,25…0,5. Необходимость работы с таким низким k ДГ обусловлена достаточно большим сроком их эксплуатации, износом дизельных двигателей и поэтому их не способностью воспринимать мгновенные большие нагрузки (включение подруливающего устройства, брашпиля и пр.), при которых параметры вырабатываемого ими тока (частота и напряжение) не выходили бы за допустимые пределы. По этой же причине для обеспечения устойчивой параллельной работы ДГ, эксплуатирующихся длительный срок, стремятся избегать их работы с резко переменным графиком большой нагрузки. В противном случае вероятность отказа одного или более из параллельно работающих ДГ возрастает. При выходе одного или более таких генераторов из строя, оставшиеся в работе ДГ могут быть перегружены по току и автоматически отключены защитой. В этом случае судно обесточивается, становится не управляемым и подвергается повышенной опасности. А поочередной запуск ДГ, их синхронизация между собой и повторное включение нагрузки требует времени. Вследствие чего вероятность попадания судна в аварийные ситуации (столкновения с другими судами, посадка на мель и пр.) возрастает. Поэтому для того, чтобы обеспечить наибольшую надежность электроснабжения судна, особенно в маневренных режимах, нередко задействуют большую часть имеющихся на судне ДГ, несмотря на то, что работают они при этом значительную часть времени с достаточно низким k. Работа ДГ в близких к холостому ходу режимах нежелательна по ряду причин: увеличивается удельный расход топлива и содержание вредных веществ в выхлопных газах, происходит ускоренная закоксовка поршневых колец, уменьшается его эксплуатационный ресурс. Валогенератор и утилизационный генератор в маневренных режимах не используют по той причине, что вырабатываемая ими электроэнергия имеет переменные параметры (частота тока и напряжение), отличающиеся от стандартных (380 В, 50 Гц) и не может быть непосредственно использована судовыми электропотребителями.
Аналогичными недостатками характеризуется и способ повышения эффективности СЭС, принятый за прототип [патент RU №130295 U1, МПК В63Н 23/24 (2006.01), опубл. 20.07.2013 Бюл. №20], в котором для увеличения / уменьшения ее мощности к сборным шинам подключают/отключают вспомогательные ДГ и валогенератор.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в устранении указанных эксплуатационных, экономических и экологических недостатков, в том числе: повышение эффективности используемых в судовой электростанции ДГ в маневренных режимах работы судна, и как следствие, повышение экологичности и экономичности СЭС, а также расширение области ее применения.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе повышения эффективности судовой электростанции, содержащей главный распределительный щит и несколько электромеханических источников электроэнергии в виде дизельных генераторов и валогенератора, заключающемся в том, что регулируют мощность судовой электростанции путем изменения числа подключенных к сборным шинам данных электромеханических источников электроэнергии, в отличие от него, в заявляемом способе дополнительно используют такой источник электроэнергии, который выполнен в виде химического источника тока с его подсистемой регулирования в виде полупроводникового преобразователя. При этом мощность судовой электростанции регулируют путем изменения отбираемой от этого химического источника тока посредством его полупроводникового преобразователя электроэнергии таким путем, при котором подключенный к этим же сборным шинам дизельный генератор работает с постоянной мощностью и номинальным коэффициентом загрузки. Определение степени загрузки подключенного к шинам дизельного генератора производят автоматически посредством системы дистанционного автоматизированного управления путем использования показаний датчиков температуры его выхлопных газов. Определение уровня разряда химического источника тока также производят автоматически, путем измерения его напряжения и/или емкости. При недостатке или избытке работающих на сборные шины источников электроэнергии мощности, к этим шинам дополнительно подключают или, соответственно, отключают от них дизельный генератор. При этом при использовании химического источника тока в виде электрического аккумулятора производят его подзарядку по мере необходимости от работающих на сборные шины электромеханических источников электроэнергии при наличии резерва мощности судовой электростанции, отбирая посредством полупроводникового преобразователя такое количество электроэнергии, при котором обеспечивается номинальный коэффициент их загрузки.
Химический источник тока используют в частном случае в виде топливных элементов или электрического аккумулятора литий-титанатного типа.
Число дизельных генераторов в частном случае установлено равным 1.
Благодаря тому, что регулирование мощности СЭС производится за счет изменения отбираемой от химического источника тока электроэнергии, обеспечивается практически стационарный режим работы ДГ с номинальной нагрузкой, независимо от числа и мощности подключенных к сборным шинам электропотребителей, и соответственно, с минимальным удельным расходом топлива, наименьшим содержанием вредных веществ в выхлопных газах, и наибольшим эксплуатационным ресурсом.
Благодаря применению дополнительного источника электроэнергии в виде химического источника тока, отсутствует необходимость поддержания ДГ в состоянии горячего резерва, а также необходимость подключения ДГ к сборным шинам каждый раз, при существенном изменении нагрузки СЭС, за счет чего экономится моторесурс дизельных двигателей генераторов и ГСМ.
За счет высокого быстродействия полупроводникового преобразователя обеспечивается снижение динамических нагрузок на электромеханические источники электроэнергии, благодаря чему, во-первых, уменьшаются провалы напряжения в сети при мгновенных нагрузках на СЭС, и, соответственно, улучшается качество электрический энергии, а во-вторых, снижается удельный расход топлива ДГ и содержание вредных веществ в выхлопных газах в переходных режимах.
При использовании химического источника тока в виде электрического аккумулятора обеспечивается возможность отбора излишней мощности СЭС, и соответственно, увеличения коэффициента загрузки дизельного двигателя ДГ по мощности до значений, близких к номинальному. При этом улучшаются условия сгорания топлива в цилиндрах, снижается скорость нагарообразования (процесса формирования твердых тонкодисперсных частиц на стенках камер сгорания, форсунках, свечах и других узлах дизеля) и скорость закоксовки поршневых колец дизеля. А благодаря увеличению коэффициента загрузки синхронного генератора ДГ (и валогенератора) по мощности до значений, близких к номинальному, обеспечивается его работа с наибольшим КПД.
При использовании химического источника тока в виде электрического аккумулятора литий-титанатного (LTO) типа обеспечивается ряд известных преимуществ, в том числе:
- быстрая зарядка. Например, у LTO типа Super Charge Ion Battery (SCiB) время зарядки до 90% составляет 5-6 минут;
- большой срок службы (до 20 лет) и число циклов заряд/разряд. Например, у LTO типа Super Charge Ion Battery (SCiB) число циклов заряд/разряд равно 25000;
- высокая удельная мощность: до (3…5) кВт/кг.
При использовании химического источника тока в виде топливных элементов обеспечивается возможность более длительной по времени, по сравнению с аккумуляторной батареей, выработки электроэнергии, а также высокая экологичность и более высокий КПД (до 55%) по сравнению с ДГ.
Таким образом, достигается решение поставленной технической задачи: реализуется одно из наиболее эффективных направлений энергосбережения, а именно экономия горюче-смазочных материалов ДГ судовой электростанции, повышается ее экологичность и экономичность, обеспечивается более высокий срок службы ДГ.
Заявляемый способ повышения эффективности судовой электростанции иллюстрируется: фиг. 1 - Структурная схема судовой электростанции с шинами на переменном токе; фиг. 2 - Структурная схема судовой электростанции с шинами на постоянном токе.
Заявляемый способ повышения эффективности судовой электростанции может быть реализован при выполнении сборных шин как на переменном токе, так и на постоянном токе.
Структурная схема СЭС с шинами на переменном токе (фиг. 1) содержит электромеханические источники электроэнергии в виде нескольких, например двух дизельных генераторов ДГ (1), ДГ (2) и валогенератора (ВГ) (3), химический источник тока в виде электрического аккумулятора (аккумуляторной батареи (АБ)) (4) с его полупроводниковым преобразователем (ПП) (5), судовой распределительный щит питания с берега (ЩПБ) (6), а также коммутационные аппараты (КА) (7), (8), (9), (10), (11), (12), (13), (14).
При стоянке судна у причала в порту электроснабжение судовых потребителей I переменного тока может производиться от береговой сети через ЩПБ (6), КА (11), (12), (13), (14) в этом случае замыкают, КА (7), (8), (9), (10) размыкают, или стояночного генератора (не показано). При необходимости зарядки АБ (4) от береговой сети КА (10) замыкают, а ПП (5) переводят выпрямительный режим.
Заявляемый способ повышения эффективности судовой электростанции реализуют следующим образом. При работе судна в маневренных режимах, в том числе при его отходе от причала, питание судовых электропотребителей I переменного тока производят от АБ (4) через ПП (5), работающий при этом в инверторном режиме, КА (10), (12), (13), (14) при этом замыкают. По мере разряда АБ (4) до некоторого среднего значения по сигналу датчика ее напряжения и/или измерителя емкости (не показано) запускают посредством системы дистанционного автоматизированного управления ДГ (1), и, при необходимости, ДГ (2). Автоматически синхронизируют эти ДГ с ПП (5), после чего поочередно подключают на сборные шины, замыкая КА (7) и КА (8), обеспечивая, таким образом, увеличение мощности СЭС за счет синхронной (параллельной) работы данных дизельных генераторов и ПП (5). При избытке мощности СЭС подзаряжают АБ (4) при необходимости, отбирая посредством ПП (5), работающего при этом в выпрямительном режиме, такое количество электроэнергии, при котором обеспечивается номинальный коэффициент загрузки работающих на сборные шины электромеханических источников электроэнергии. Т.о., в данной структурной схеме с химическим источником тока в виде электрического аккумулятора, ПП (5) используют в виде обратимого преобразователя напряжения (ОПН), который поочередно работает как в выпрямительном, так и инверторном режимах, передавая энергию из сети переменного тока (от сборных шин) в цепь постоянного тока (на подзаряд электрического аккумулятора) и обратно, то есть, изменяет направление потока электрической мощности. По мере заряда АБ (4) до полного значения по сигналу датчика ее напряжения и/или измерителя емкости (не показано) отключают ДГ (1), и, при необходимости, ДГ (2) от сборных шин, и затем их останавливают. Электроснабжение потребителей I переменного тока при этом обеспечивается только от АБ (4) через ПП (5), работающий в инверторном режиме. При работе судна в стационарных режимах запускают ВГ (3), автоматически синхронизируют его с работающими на сборные шины источниками электроэнергии ДГ и/или ПП (5), после чего подключают на эти шины, замыкая КА (9). После подключения ВГ (3) к сборным шинам ДГ могут быть от них отключены и затем остановлены.
При использовании химического источника тока в виде топливных элементов ПП (5) используют, очевидно, только режиме инвертора, т.к. топливные элементы не являются накопителем электроэнергии, не разряжаются и, соответственно не требуют электроэнергии для повторной зарядки.
При значительной длине судна и большой энергоемкости АБ (4) (мощности топливных элементов) целесообразно использовать судовую электростанцию с шинами на постоянном токе. Использование постоянного тока, как известно, позволяет избежать потерь реактивной мощности, обусловленных реактивным сопротивлением (емкостью и индуктивностью) кабелей электрической сети, и повысить, тем самым, КПД системы электроснабжения.
=
=
Структурная схема судовой электростанции с шинами на постоянном токе (фиг. 2) дополнительно содержит полупроводниковые выпрямители (15), (16), (17), инвертор (18) и КА (19), (20), (21), (22), (23), (24). Способ повышения эффективности судовой электростанции со сборными шинами на постоянном токе (фиг. 2) реализуют аналогично вышеописанному способу повышения эффективности судовой электростанции со сборными шинами на переменном токе. Отличием является то, что в данной схеме (фиг. 2) каждый электромеханический источник электроэнергии подключен к шинам постоянного тока через каждый соответствующий полупроводниковый выпрямитель. Химический источник тока подключен к этим же шинам постоянного тока через полупроводниковый преобразователь (ПП) (5), выполненный по типу двунаправленного DC / DC конвертора, а электропотребители разделены на две группы: электропотребители I переменного тока запитывают от сборных шин переменного тока со стандартным напряжением 380 В и частотой 50 Гц, получающих питание непосредственно от одного, например, ДГ (1) путем замыкания КА (19) или более (не показано) электромеханических источников электроэнергии, и КА (12), (13), (14), или от сборных шин постоянного тока I через инвертор (18) путем замыкания КА (20) и КА (21). А электропотребители II постоянного тока запитывают от сборных шин постоянного тока I, замыкая соответствующие КА (7), (8), (9) (10), (22), (23) и (24).
Судовая электростанция со сборными шинами на постоянном токе, несмотря на большую ее конструктивную сложность и, соответственно, большую стоимость, по сравнению с электростанцией со сборными шинами на переменном токе, имеет ряд дополнительных преимуществ:
- значительно упрощается процесс синхронизации электромеханических источников электроэнергии между собой и распределение активной и реактивной мощностей между ними. Для включения одного источника переменного тока на параллельную работу с другим источником переменного тока необходимо выполнить 4 условия:
1) равенство напряжений работающего и подключаемого генераторов;
2) равенство их частот;
3) совпадение порядка чередования фаз;
4) равенство углов сдвига между электродвижущими силами (ЭДС) каждого генератора и напряжением на сборных шинах. А для включения источника постоянного тока на параллельную работу с другим источником постоянного тока необходимо выполнить одно условие - обеспечить равенство напряжений работающего и подключаемого источника;
- обеспечивается возможность эксплуатации несинхронно работающих между собой электромеханических источников электроэнергии с одной номинальной частотой;
- обеспечивается возможность эксплуатации электромеханических источников электроэнергии с разной номинальной частотой каждого из них, но с равными их выходными напряжениями.
Очевидно, что при несинхронной работе электромеханических источников электроэнергии между собой, или их работе с разными номинальными частотами, к сборным шинам переменного тока может быть подключен только один такой источник.
Таким образом, заявляемое изобретение за счет применения дополнительного источника электроэнергии в виде химического источника тока позволяет обеспечить повышение эффективности используемых в судовой электростанции ДГ как в маневренных режимах работы судна, так и в установившихся режимах. За счет повышения коэффициента загрузки ДГ, обеспечения их работы в режимах, близких к номинальному, а также возможности их временного отключения, во время которого питание электропотребителей производится от химического источника тока, достигается снижение потребления дизельными генераторами ГСМ, что приводит к сокращению эксплуатационных расходов судна, а также к сокращению вредных выбросов в атмосферу.
Данный способ повышения эффективности судовой электростанции практически не имеет ограничений и может быть использован на подавляющем большинстве морских и речных судов. Исключение составляют суда с достаточно большой мощностью СЭЭС: атомоходы (суда с ядерной энергетической установкой), океанские суперлайнеры типа Freedom of the Seas и пр. При этом наиболее целесообразно его применение на таких судах, у которых нагрузка на судовую электростанцию непостоянна (рыболовецкие суда, служебно-вспомогательные суда, суда технического флота и пр.).