Расчет мощности судовой электростанции
Как правило, проектирование СЭЭС, после выбора рода тока и значений напряжения и частоты, начинают с расчета величины требуемых генерирующих мощностей для всех расчетных режимов работы судна.
Существуют несколько методов расчета мощности судовой электростанции (СЭС): эмпирический метод нагрузочных таблиц (табличный метод), вероятностно-статистический метод, аналитический метод и ряд других. Однако наибольшее распространение получил табличный метод благодаря наглядности и возможности анализа работы любого отдельного механизма или приемника электроэнергии во всех расчетных режимах работы судна.
К недостаткам этого метода следует отнести неопределенность выбора некоторых коэффициентов, что ведет к неточностям при определении мощности СЭС.
Табличным метод назван потому, что в его основе лежит составление таблицы нагрузок в расчетных эксплуатационных режимах судна. Расчет СЭС производится для таких эксплуатационных режимов как ходовой, стояночный (с грузовыми операциями и без грузовых операций), маневренный и аварийный.
При ходовом режиме не работают: якорно-швартовные устройства (брашпиль, шпиль, автоматические швартовные лебедки), грузовые устройства (лебедки и грузовые краны), шлюпочные лебедки, главный компрессор, валоповоротное устройство и др.
В работе постоянно находятся: рулевое устройство, насосы, обслуживающие главные и вспомогательные двигатели (топливные, охлаждающие пресной и забортной воды, масляные), вентиляторы машинного отделения, трюмов и общесудовые, насосы питательной воды и циркуляционные котельной установки, система кондиционирования, камбуз (в течение рабочего дня), рефрижераторная установка, освещение (кроме палубного), радиооборудование, навигационные приборы и др.
Нагрузка рулевого устройства невелика (25...30%) вследствие малых перекладок пера руля при работе авторулевого.
Периодически включаются: вспомогательный компрессор (для восполнения утечек воздуха в системе пуска главного двигателя), пожарный насос (для скатки палубы), осушительный (для удаления предварительно очищенной при помощи сепараторов воды, образовавшейся вследствие утечек на деки в машинном отделении и трюмах), насосы общесудовых систем пресной и забортной воды (при понижении давления воды в этих системах) и др.
При необходимости работает электрооборудование мастерских.
В режиме маневров, например, при съемке с якоря (работает главный двигатель), к перечисленным выше постоянно и периодически работающим приемникам добавляются: якорно-швартовные устройства, вместо подкачивающего компрессора пускового воздуха работает более мощный компрессор (из-за повышенного расхода воздуха вследствие частых пусков – остановок главного двигателя).
Одновременно повышается нагрузка на рулевую машину вследствие увеличения углов перекладки пера руля. Работает пожарный насос для смыва грунта с якоря и якорь-цепи.
В зависимости от конкретных условий съемки, может быть включено палубное освещение, необходимое при укладке стрел лебедок и кранов по-походному, зачехлению палубных механизмов, и при очистке палубы после окончания грузовых операций.
В аварийном режиме (пожар или пробоина, или иные обстоятельства, влияющие на безопасность мореплавания) судовая электростанция наиболее нагружена при пожаре на судне.
В этом случае следует принять, что борьба с пожаром происходит на ходу судна (в штормовых условиях остановка главного двигателя всегда приводит к тому, что неуправляемое судно разворачивается лагом к волне и опрокидывается). Поэтому работают все приемники электроэнергии ходового режима, и дополнительно включаются пожарные насосы, а также насосы осушительной и балластной систем.
Пожарные насосы необходимы для борьбы с пожаром, а осушительные насосы – для удаления забортной воды, поступающей в судовые помещения вследствие тушения пожара, насосы балластной системы – для создания безопасного для судна крена и дифферента, т.е. для сохранения остойчивости судна.
В зависимости от расположения очага пожара, должны выключаться механизмы, продолжение работы которых способствует распространению пожара. Например, при пожаре в машинном отделении должны быть выключены вентиляторы МО.
При пожаре в трюмах должны выключаться трюмные вентиляторы, при пожаре в жилых и служебных помещениях – вентиляторы этих помещений или установка кондиционирования воздуха, подающая воздух в эти помещения и т.д.
При необходимости оставления судна используются шлюпочные лебедки.
В режиме стоянки не работают: рулевое и якорно-швартовное устройства, насосы, обеспечивающие работу главного двигателя (топливный, охлаждающие пресной и забортной воды, масляный), радиооборудование, навигационные приборы, главный компрессор.
В работе находятся: грузовые устройства, палубное освещение, подкачивающий компрессор, насосы, обеспечивающие работу вспомогательных двигателей (топливный, охлаждающие пресной и забортной воды, масляный), уменьшенное количество вентиляторов машинного отделения, трюмные и общесудовые вентиляторы, насосы питательной воды и циркуляционные котельной установки, система кондиционирования, камбуз (в течение рабочего дня), рефрижераторная установка.
При необходимости может включаться валоповоротное устройство и электрооборудование мастерской.
В рамках курсовой работы расчет СЭС производится для двух режимов работы указанных в задании к выполнению работы.
Данные по расчету СЭС заносятся в таблицу в следующей последовательности:
· Средства судовождения и связи (радиостанция, ЭНО);
· Палубные механизмы (шпиль, брашпиль, швартовные лебедки, краны, грузовые лебедки, траповые лебедки);
· Механизмы энергетической установки;
· Механизмы и устройства судовых систем;
· Бытовые механизмы и устройства (камбуз, кипятильники, подогреватели воды);
· Прочие потребители.
В зависимости от варианта задания каждый курсант получает перечень потребителей электроэнергии.
Таблица 5.2 – Таблица нагрузок судовой электростанции
| № п/п | Приемники электроэнергии | Номинальные данные приемника | Ходовой режим | |||||||||
| Число приемников, n | Номинальная мощность, Рн | КПД, ηн | Коэф. мощности, cosφ | Потребляемая мощность | Коэф. одновременности, Ко | Коэф. загрузки, Кз | Коэф. мощности, cosφ | Потребляемая мощность | ||||
| Единичная | Общая | Активная | Реактивная | |||||||||
| А | Суммарная потребляемая мощность | |||||||||||
| В | Суммарная потребляемая мощность с учетом Ко по режиму | |||||||||||
| С | Суммарная потребляемая мощность с учетом 5% потерь | |||||||||||
| D | Полная потребляемая мощность S | |||||||||||
| Е | Средневзвешенный cosφ | |||||||||||
| F | Количество и мощность работающих генераторов |
Таблица нагрузок заполняется в следующей последовательности:
· Столбец 1. Порядковый номер приёмника электроэнергии;
· Столбец 2. В эту графу заносятся все приемники электроэнергии, установленные заданием на курсовую работу;
· Столбец 3. Указывается количество однородных приемников;
· Столбец 4. В эту графу заносится единичная установленная (номинальная) мощность приемника электроэнергии (из задания);
· Столбец 5. Номинальный КПД электродвигателя (из задания);
· Столбец 6. Номинальный коэффициент мощности электродвигателей (из задания);
· Столбец 7. Единичная потребляемая мощность:
 | (5.1) |
где 
– единичная установленная (номинальная) мощность приемника электроэнергии, кВт;
– номинальный КПД электродвигателя.
· Столбец 8. Общая потребляемая мощность:
 | (5.2) |
где 
– количество однородных приемников, шт.
Первые восемь граф заключают в себе данные, общие для всех режимов. Последующие графы заполняются для различных режимов работы судна.
· Столбец 9. Коэффициент одновременности ( 
). Представляет собой отношение числа работающих в данном режиме приемников энергии к общему их числу. Значения коэффициентов одновременности для потребителей определяются на основании опыта работы на судах, а также из справочной и методической литературы.
 | (5.3) |
где 
– количество работающих потребителей в данном режиме.
· Столбец 10. Коэффициент загрузки ( 
). Представляет собой отношение фактически потребляемой мощности приемником энергии в данном режиме к его номинальной мощности.
Значения коэффициентов загрузки зависят от режима работы судна и также определяются из справочной и методической литературы.
Значения коэффициентов загрузки можно взять из таблицы 5.3. В ней приведены обобщенные значения коэффициентов загрузки разных механизмов. Эти значения получены в результате эксплуатации большого числа серий судов разных типов (сухогрузные, нефтеналивные суда, универсальные и др.).
Таблица 5.3 – Значения коэффициентов загрузки приемников электроэнергии для различных режимов работы судна
| Приемники электроэнергии | Режимы работы судна | ||||
| Ходовой | Маневров | Стоянка без грузовых операций | Стоянка с грузовыми операциями | Аварийный с работой основной ЭС | |
| Рулевое устройство | 0,3...0,4 | 0,5...0,8 | – | – | 0,4...0,7 |
| Брашпиль | – | 0,7...0,9 | – | – | – |
| Краны, лебедки | – | – | – | 0,5...0,8 | – |
| Насосы главного двигателя: | |||||
| · топливные | 0,8...0,9 | 0,8...0,9 | - | - | 0,8...0,9 |
| · масляные | 0,8...0,9 | 0,8...0,9 | - | - | 0,8...0,9 |
| · охлаждения | 0,8...0,9 | 0,8...0,9 | - | - | 0,8...0,9 |
Продолжение таблицы 5.3
| Насосы вспомогательных двигателей: | |||||
| · топливные | 0,8...0,9 | 0,8...0,9 | – | – | 0,8...0,9 |
| · масляные | 0,8...0,9 | 0,8...0,9 | – | – | 0,8...0,9 |
| · охлаждения | 0,8...0,9 | 0,8...0,9 | – | – | 0,8...0,9 |
| Сепараторы | 0,6…0,8 | – | 0,4…0,6 | 0,4…0,6 | – |
| Насосы котельной установки: | |||||
| · конденсатный | 0,8...0,9 | 0,8...0,9 | 0,8...0,9 | 0,8...0,9 | 0,8...0,9 |
| · циркуляционный | 0,8...0,9 | 0,8...0,9 | 0,8...0,9 | 0,8...0,9 | 0,8...0,9 |
| · питательной воды | 0,5...0,7 | 0,5...0,7 | 0,5...0,7 | 0,5...0,7 | 0,5...0,7 |
| Насос пожарный | 0,8...0,9 | 0,8...0,9 | – | – | 1,0 |
| Насос балластно-осушительный | 0,7...0,9 | 0,7...0,9 | 0,7...0,9 | 0,7...0,9 | 0,8...0,9 |
| Компрессор главный | – | 0,8...0,9 | – | – | – |
| Компрессор подкачивающий | 0,7...0,9 | – | 0,7...0,9 | 0,7...0,9 | 0,7...0,9 |
| Вентиляторы | 0,8…1,0 | 0,8…1,0 | 0,8…1,0 | 0,8…1,0 | 0,6...0,8 |
| Кондиционеры | 0,7…0,8 | 0,7…0,8 | 0,7…0,8 | 0,7…0,8 | 0,7…0,8 |
| Плиты камбуза | 0,5...0,9 | 0,5...0,9 | 0,5...0,9 | 0,5...0,9 | - |
| Мастерская | 0,3…0,4 | 0,3…0,4 | 0,3…0,4 | 0,3…0,4 | 0,3…0,4 |
| Навигационное оборудование | 0,4...0,6 | 0,5...0,7 | – | – | 0,5...0,7 |
| Зарядный агрегат | 0,7...0,9 | – | 0,7...0,9 | 0,7...0,9 | – |
| Сеть освещения | 0,6...0,8 | 0,7...0,8 | 0,6...0,8 | 0,6...0,8 | 0,8...1,0 |
| Радиооборудование | 0,5…0,6 | 0,5…0,6 | 0,2...0,3 | 0,2...0,3 | 0,7...0,8 |
| Маслоперекачивающий насос | 0,7…0,8 | 0,7…0,8 | – | – | 0,7…0,8 |
| Топливоперекачивающий насос | 0,7…0,8 | 0,7…0,8 | – | – | 0,7…0,8 |
| Шлюпочная лебедка | – | – | – | – | 1,0 |
| Траповая лебедка | – | – | 0,8…0,9 | 0,8…0,9 | – |
| Гидрофоры | 0,8…0,9 | 0,8…0,9 | 0,8…0,9 | 0,8…0,9 | 0,8…0,9 |
| Валоповоротное устройство | – | – | 1,0 | 1,0 | – |
· Столбец 11. Коэффициент мощности ( 
). Его значения для каждого режима работы необходимо определять, пользуясь графиком на рисунке 5.1.
· Столбец 12.Активная потребляемая мощность:
 | (5.4) |
· Столбец 13. Реактивная потребляемая мощность:
 | (5.5) |
где 
– определяется по таблицам тригонометрических функций на основании режима.
При заполнении данной графы необходимо помнить, что для электронагревательных приборов и осветительных приборов 
и они не имеют реактивной мощности.
· Строка «A» – Суммарная активная и реактивная потребляемые мощности приемников электроэнергии. Определяется путем сложения активных и реактивных мощностей приемников работающих в этих режимах.
Рисунок 5.1 – Зависимость коэффициента мощности 
асинхронных двигателей от коэффициента его загрузки 
(мощности 
, выраженной в относительных единицах)
1 – для двигателей мощностью до 10 кВт; 2 – для двигателей мощностью 10…75 кВт
· Вторая строка «В» – Суммарная активная и реактивная потребляемые мощности приемников энергии, но с учетом общего коэффициента одновременности по режиму. Определяется умножением соответствующих мощностей на принятый общий коэффициент одновременности по режиму.
Общий коэффициент одновременности по режиму учитывает несовпадение максимумов нагрузок приемников энергии во времени, т.к. нельзя считать реальным совершенно одновременную работу всех приемников.
Средние значения коэффициентов одновременности по режимам представлены в таблице 5.4.
Таблица 5.4 – Значения общих коэффициентов одновременности по режимам
| Режим работы судна | Общий коэффициент одновременности по режиму |
| Стоянка без грузовых операций | 0,7…0,75 |
| Стоянка с грузовыми операциями | 0,8 |
| Съёмка с якоря (или маневрирование) | 0,75…0,8 |
| Ходовой режим | 0,8…0,9 |
| Аварийный режим | 0,9…1,0 |
· Строка «С» – Суммарная потребляемая мощность с учётом коэффициента одновременности по режиму и с учётом 5% потерь мощности в сети. Определяется умножением соответствующих значений строки «В» на коэффициент 1,05.
· Строка «D» – Полная мощность приемников:
 | (5.6) |
· Строка «Е» – Средневзвешенный коэффициент мощности ( 
) по каждому режиму:
 | (5.7) |
· Шестая строка («F») – Количество и мощность работающих генераторов. На основании полученных расчетных величин суммарной потребляемой мощности по всем режимам с учетом коэффициентов одновременности и потерь в сети производится выбор единичной и суммарной мощности генераторных агрегатов судовых электростанций.
При выборе генераторов необходимо руководствоваться требованиям Правил Российского Речного Регистра:
· На каждом судне должно быть не менее двух основных источников электроэнергии;
· Мощность генераторов должна быть такой, чтобы при выходе из строя любого из них оставшиеся обеспечили питание ответственных приемников электроэнергии в режимах ходовом, аварийном и маневров;
· Суммарная мощность всех генераторов переменного тока должна быть достаточной для пуска самого мощного асинхронного двигателя в случае выхода из строя любого генератора.
Кроме того, при выборе генераторов руководствуются следующим:
· Выбранные генераторы при работе в продолжительных режимах (ходовой, стоянка) должны быть хорошо нагружены (70 – 90% номинальной мощности);
· Число типоразмеров генераторов должно быть минимальным (оптимально одного типоразмера).
Первое условие позволяет более рационально использовать моторесурс первичных двигателей и генераторов, повысить КПД и уменьшить расход топлива, а второе – обеспечить взаимозаменяемость генераторов, уменьшить номенклатуру и количество запасных частей.
Единичная мощность генераторного агрегата выбирается по режиму минимальной потребляемой мощности приемниками энергии и на многих типах судов обычно соответствует мощности в режиме стоянки без грузовых операций.
Общее количество однотипных генераторных агрегатов определяется по режиму максимальной потребляемой мощности приемниками, и на многих типах судов этот режим соответствует аварийному (с работой основной электростанции) или режиму маневрирования.
При выборе генераторного агрегата судовой электростанции во всех случаях должен быть предусмотрен резервный генераторный агрегат. Лучший вариант выбора резервного генератора – когда мощность резервного и основного генераторов одинакова, и в этом случае резервным агрегатом может быть любой генераторный агрегат электростанции, чем обеспечивается полная взаимозаменяемость агрегатов.
Таблица 5.5 – Основные номинальные параметры генераторов
| Тип генератора | Мощность, кВт | Напряжение, В | Частота вращения, об/мин | КПД, % |
| Серия МСС | ||||
| МСС 82-4 | 400 и 230 | 85,5 | ||
| МСС 83-4 | 400 и 230 | 88,5 | ||
| МСС 91-4 | 400 и 230 | 89,5 | ||
| МСС 92-4 | 400 и 230 | |||
| МССФ 92-4 | ||||
| МСС 102-4 | 400 и 230 | 91,5 | ||
| МСС 103-4 | 400 и 230 | |||
| МСС 115-8 | ||||
| Серия ГСС | ||||
| ГСС 103-8М | 400 и 230 | |||
| ГСС 114-8М | ||||
| Серия ГМС | ||||
| ГМС 13-26-12 | 400 и 230 | |||
| ГМС 13-31-12 | 91,5 | |||
| ГМС 13-41-12 | 92,5 | |||
| ГМС 14-29-12 | 92,8 | |||
| ГМС 14-41-12 | ||||
| Серия 2СН | ||||
| 2СН 42/13-4 | 400 и 230 | 85,5 | ||
| 2СН 42/28-4 | 400 и 230 | 88,5 | ||
| 2СН 49/21-4 | 400 и 230 | |||
| 2СН 49/27-4 | 400 и 230 | 90,5 | ||
| 2СН 59/26-4 | 90,5 | |||
| 2СН 59/31-4 | 91,2 | |||
| 2СН 59/39-4 | 92,2 | |||
| 2СН 74/31-4 | 92,5 | |||
| 2СН 59/29-8 | 400 и 230 | |||
| 2СН 74/28-8 | 91,5 | |||
| 2СН 74/35-8 | ||||
| 2СН 74/44-8 | 92,5 | |||
| 2СН 85/40-8 | ||||
| Серия МСК | ||||
| МСК 82-4 | 400 и 230 | 85,5 | ||
| МСК 83-4 | 400 и 230 | 88,5 | ||
| МСК 91-4 | 400 и 230 | |||
| МСК 92-4 | 400 и 230 | 90,5 | ||
| МСК 102-4 | 400 и 230 | 90,5 | ||
| МСК 103-4 | 400 и 230 | 91,2 | ||
| МСК 113-4 | 92,2 | |||
| МСК 114-4 | 92,5 | |||
| МСК 500-1500 | ||||
| МСК 625-1500 | 92,5 | |||
| МСК 725-1500 | 92,5 | |||
| МСК 940-1500 | 92,5 | |||
| МСК1250-1500 |