Способ распределения нагрузки между параллельно работающими судовыми дизель-генераторными агрегатами

Способ распределения нагрузки между параллельно работающими судовыми дизель-генераторными агрегатами

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области энергетики, а именно к средствам распределения нагрузки между параллельно работающими судовыми дизель-генераторными агрегатами. Способ позволяет оптимально загрузить агрегаты и сократить расход топлива при их работе.

Известны способы распределения нагрузок между параллельно работающими генераторами, основанные на исследовании нагрузочных характеристик генераторов во время работы, выявлении генератора с максимальной нагрузкой и последующей разгрузки его. При этом разгрузка генератора осуществляется воздействием на уставку первичного регулятора частоты ДВС, используемого в качестве привода генератора (см. а.с. СССР №629590, МПК H02J 3/28, опубл. 1976; а.с. №1157613, МПК H02J 3/28, опубл. 1986).

Недостатком способов является недостаточная точность распределения нагрузки между генераторами.

Из известных способов распределения нагрузки между параллельно работающими ДГА по технической сущности и назначению наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является способ, изложенный в а.с. СССР №488300, МПК H02P 9/04, опубл. 1975. Способ-прототип основан на определении конечного прироста расхода энергоносителя каждого агрегата как отношение полного прироста расхода к нагрузке, сравнении конечного прироста с удельным приростом расхода энергоносителя этого же агрегата, выборе минимального значения из этих двух приростов и последующей нагрузке в первую очередь агрегата с наименьшими указанными минимальными значениями.

Недостатком способа является недостаточно экономичный расход топлива при параллельной работе ДГА, так как:

- при росте общей нагрузки рассматривается только отдельное увеличение нагрузки каждого параллельно работающего агрегата и по результатам этого рассмотрения нагружают в первую очередь агрегат с наименьшим приростом расхода топлива;

- не учитывается влияние на удельный расход топлива (УРТ) каждого агрегата коэффициента мощности cosϕ. А, как показано в статье Кузнецова С.Е. «Влияние нагрузки и коэффициента мощности на расход топлива судового дизель-генераторного агрегата» // Судостроение, №6, 2011. - с. 30-32, удельный расход топлива ДГА существенно зависит от значения cosϕ и фактического технического состояния ДГА.

Заявляемое изобретение позволяет решить проблему сокращения УРТ параллельно работающих дизель-генераторных агрегатов за счет оптимального распределения мощности между ними в соответствии с их характеристиками зависимости УРТ от вырабатываемой электрической мощности и cosϕ путем выбора из возможных распределений нагрузки между ДГА распределения, соответствующего минимальному общему УРТ.

Для решения проблемы предлагается следующая совокупность существенных признаков: в способе распределения нагрузки между параллельно работающими судовыми дизель-генераторными агрегатами (ДГА), основанном также как и прототип на использовании удельных расходных характеристик (УРТ) каждого ДГА, в виде зависимости от нагрузки для каждого ДГА, в отличие от прототипа, распределение нагрузки осуществляют с учетом фактического технического состояния ДГА и коэффициента мощности cosϕ, при этом при заданных общей нагрузке судовой электростанции (СЭС) и cosϕ удельный расход топлива каждого ДГА представляют в виде регрессионной зависимости УРТ от его электрической мощности P_Г и cosϕ, корректируемых в процессе эксплуатации с учетом фактического состояния ДГА, в виде:

где (г/кВт⋅ч) - удельный расход топлива ДГА;

P_Г (кВт) - мощность синхронного генератора;

Q (кг/ч) - расход топлива;

cosϕ - коэффициент мощности нагрузки;

k₁÷k₆ - постоянные коэффициенты, зависящие от технического состояния ДГА: ,

k₃=10³⋅K_Д1 (г/кВт⋅ч),

k₄=10³⋅Q_пост (г/ч),

k₅=10³⋅К_Д2 (г/кВт²⋅ч),

K_г (кВт/А²),

K_д1 (кг/кВт⋅ч),

K_д2 (кг/кВт²⋅ч);

Q (кг/ч) - расход топлива;

U (В) - напряжение генератора;

Q_пост (кг/ч) - постоянная составляющая расхода топлива, соответствующая расходу топлива на холостом ходу.

При этом в способе непрерывно измеряют мощность и cosϕ СЭС, результаты измерений и регрессионные зависимости q(P_Г) для каждого ДГА вводят в компьютерную модель, в которой на основе анализа возможных распределений нагрузки между параллельно работающими ДГА при заданных мощности СЭС и cosϕ определяется распределение нагрузки с минимальным общим УРТ.

Сущность указанного способа заключается в непрерывном измерении электрической мощности и коэффициента мощности судовой электростанции, результаты измерений которых вводятся в компьютерную модель, содержащую характеристики зависимости УРТ от мощности и коэффициента мощности для каждого ДГА и устанавливающую оптимальное распределение электрической нагрузки между параллельно работающими ДГА, соответствующее минимальному общему удельному расходу топлива этих ДГА при измеренных значениях мощности и коэффициента мощности электростанции.

Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача - сокращение удельного расхода топлива параллельно работающих дизель-генераторных агрегатов - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности - «новизна».

В свою очередь, проведенный информационный поиск в области энергетики не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии способа критерию «изобретательский уровень».

Согласно требованиям Правил классификации и постройки морских судов [Т. 2. - СПб: РМРС, 2015. - 807 с. ] Российского морского регистра судоходства (РМРС) при параллельной работе генераторов переменного тока в диапазоне от 20 до 100% общей нагрузки распределение ее на каждый генератор должно происходить пропорционально их мощностям и не должно отличаться более чем на 15% от расчетной нагрузки большего из генераторов или на 25% от расчетной нагрузки рассматриваемого генератора в зависимости от того, что меньше. В настоящее время распределение общей нагрузки между параллельно работающими ДГА производится согласно этим требованиям, но без учета зависимости УРТ от вырабатываемой электрической мощности каждого ДГА.

Для дизель-генераторных агрегатов даже одинаковой номинальной мощности и сборки зависимости УРТ от относительной мощности генератора и коэффициента мощности cosϕ, как правило, не совпадают (P_гн - номинальная мощность, P_г - фактическая мощность генератора, - относительная мощность). На фиг. 1 приведены зависимости УРТ (q₁ и q₂) от электрической мощности для двух судовых ДГА с бесщеточным синхронным генератором одной сборки и одинаковой мощности (P_гн=750 кВт, U=440 В) при cosϕ=1, построенные по данным заводских испытаний перед вводом в эксплуатацию. Для ДГА неодинаковой мощности различие зависимостей может быть значительнее, чем на фиг. 1.

В связи с неодинаковым характером изменения УРТ от и cosϕ, а в ходе длительной эксплуатации ДГА эти зависимости изменяются, и различие может увеличиться, для каждого из параллельно работающих генераторов распределение общей нагрузки судовой электростанции строго пропорционально их номинальным мощностям может оказаться неэффективным с точки зрения минимизации удельного расхода топлива.

Так как Правилами классификации и постройки морских судов РМРС допускаются отклонения при распределении нагрузки между параллельно работающими генераторами пропорционально их мощностям, в связи с чем и с учетом различия зависимостей УРТ от мощности, нагрузку между генераторами можно делить с учетом этих зависимостей так, чтобы общий удельный расход топлива был меньше, чем если бы нагрузка делилась строго пропорционально.

Как указывалось выше, первоначальная регрессионная зависимость q(P_г) определяется на основе заводских испытаний ДГА. В дальнейшем она корректируется (непрерывно или периодически при техническом обслуживании ДГА) с учетом фактического состояния ДГА.

При параллельной работе двух ДГА решается задача выбора мощности параллельно работающих ДГА (P_г1 и P_г2), обеспечивающих требуемую нагрузку судовой электростанции

при минимальном суммарном удельном расходе топлива

Зависимость удельного расхода топлива судового ДГА от мощности генератора и cosϕ может быть представлена в соответствии с методикой, изложенной в статье Кузнецова С.Е. и др. «Влияние нагрузки и коэффициента мощности на расход топлива судового дизель-генераторного агрегата». // Судостроение. - 2011. - №6 - с. 30-32 в виде уравнения (1). Минимальный суммарный удельный расход топлива (3), соответствующий измеренным электрической мощности судовой электростанции P и коэффициента мощности cosϕ, определяется на основе совместного решения системы двух уравнений (1) для первого и второго ДГА и уравнения (2). Укрупненная схема алгоритма решения данной задачи представлена на фиг. 2.

Техническая реализация данного алгоритма может быть осуществлена в автоматическом режиме в современных судовых программируемых микропроцессорных системах управления, например в системе управления электростанцией РРМ-300 (см. https://dvk-electro.ru/06powerStation/ppm300.html «Общее описание, инструкцию оператора, инструкцию по установке»), содержащей широкий набор функций, необходимый для управления электроустановками морского базирования. В полуавтоматическом режиме автономная реализация данного алгоритма позволит использовать полученные результаты в качестве поддержки принятия решения обслуживающим персоналом (вахтенным) по рациональному распределению нагрузки параллельно работающих ДГА в конкретном режиме работы судовой электростанции.

Предлагаемое изобретение было создано в составе научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре «Судовых автоматизированных электроэнергетических систем» ФБГОУ ВО «Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова». Были произведены расчеты, показавшие возможность использования заявляемого способа в судовых энергетических установках и электроэнергетических системах, что с учетом вышеизложенного позволяет сделать вывод о возможности его промышленного применения.

1. Способ распределения нагрузки между параллельно работающими судовыми дизель-генераторными агрегатами (ДГА), основанный на использовании удельных расходных характеристик (УРТ) каждого ДГА, отличающийся тем, что распределение нагрузки осуществляют с учетом фактического технического состояния ДГА и коэффициента мощности cosϕ, при заданных общей нагрузке судовой электростанции (СЭС) и cosϕ удельный расход топлива каждого ДГА представляют в виде регрессионной зависимости УРТ (1) от его электрической мощности Р_Г и cosϕ, корректируемых в процессе эксплуатации с учетом фактического состояния ДГА:

где (г/кВт⋅ч) - удельный расход топлива ДГА;

Р_г (кВт) - мощность синхронного генератора;

Q (кг/ч) - расход топлива;

cosϕ - коэффициент мощности нагрузки;

k₁÷k₆ - постоянные коэффициенты, зависящие от технического состояния ДГА:

,

k₃=10³⋅K_Д1 (г/кВт⋅ч),

k₄=10³⋅Q_пост (г/ч),

k₅=10³⋅К_Д2 (г/кВт²⋅ч),

K_Г (кВт/А²),

K_Д1 (кг/кВт⋅ч),

K_Д2 (кг/кВт²⋅ч);

Q (кг/ч) - расход топлива;

U(В) - напряжение генератора;

Q_пост (кг/ч) - постоянная составляющая расхода топлива, соответствующая расходу топлива на холостом ходу.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в нем непрерывно измеряют мощность и cosϕ СЭС, результаты измерений и регрессионные зависимости (1) для каждого ДГА вводят в компьютерную модель, в которой на основе анализа возможных распределений нагрузки между параллельно работающими ДГА при заданных мощности СЭС и cosϕ определяется распределение нагрузки с минимальным общим УРТ.