Електрообладнання, електронна апаратура і системи управління контейнеровоза водотоннажністю 93000 тон

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ  УКРАЇНИ

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

 

Факультет: ЕЛЕКТРОМЕХАНІКИ І РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

 

Кафедра: Суднової електромеханіки і електротехніки

 

 

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА ДО ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТУ

на тему

Електрообладнання, електронна апаратура і системи управління контейнеровоза водотоннажністю 93000 тон.

 

Виконавець: Бурлака Дмитро Миколайович

Консультанти: _____________________________________

__________________________________________________

__________________________________________________

__________________________________________________

__________________________________________________

__________________________________________________

__________________________________________________

Завідуючий  кафедрою: ______________________________

Керівник:__________________________________________

Рецензент:_________________________________________

Нормоконтроль:____________________________________

 

м. Одеса

                  2010 р.

Анотація

 

Об'єм: сторінок -        , схем -        , креслень -        , таблиць -        .

 

 

У дипломному проекті розглянута електроенергетична система контейнеровозу типу водотоннажністю 93000 тон. Зроблено вибір усього необхідного електроустаткування, що повинне забезпечити нормальну роботу такого судна в характерних режимах його роботи.

 Розраховано потужність, та  вибрано електродвигун приводу насоса охолодження головного двигуна забортною водою. Розраховано та обрано кабелі і комутаційну апаратуру приводу, розроблена релейно-контакторна система управління електродвигуном.

Розрахована потужність суднової електростанції для основних режимів роботи судна на основі вибраного електроустаткування. Зроблено вибір числа генераторних агрегатів суднової електростанції, обрано системи збудження генераторів та комутаційну апаратуру. Розроблена система розподілення електроенергії по судну,однолінійна схема ГРЩ.

Проаналізовані системи та пристрої управління судном, представлена сучасна система керування головним двигуном, розроблена технологія та інструкція по експлуатації судової електроенергетичної системи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Annotation 

 

Volume: pages -        , Components -          , drawings -         , tables -          .

 

 

       Degree in electrical power system design is considered the type of container tonnage 93000 tons. Made choice of all the necessary electrical equipment, which should ensure the normal operation of such vehicles in typical modes of operation.

       Calculated power, and selected motor drive pump outboard main engine cooling water. Calculated and selected cables and switchgear drive designed kontaktorna relay-system electric motor.

        Calculated output power for the ship's main modes of vehicles on the basis of selected electrical equipment. Made choice of the number of generator units ship power system chosen generator and switchgear. The system of electricity on the ship odnoliniyna MSB scheme.

        Analysed systems and devices of the ship, the modern control system the main engine, the technology and instructions for use of judicial power systems.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Перелік умовних  позначень

АВ - Автоматичний вимикач.

АДГ - Аварійний дизель - генератор.

АКБ - Акумуляторні батареї.

АКП - Автоматичний керуючий пристрій.

АПС - Аварійно - попереджувальна сигналізація.

АРЩ - Аварійний розподільний щит.

АРН - Автоматичний регулятор напруги.

АЦП - Аналогово цифровий перетворювач.

БВЧО - Блок виміру частоти обертання.

БККП - Блок контролю кривої пуску.

ГД - Головний двигун.

ГА - Генераторні агрегати.

ГСА - Граф схема алгоритму.

ГРЩ - Головний розподільний щит.

ДАУ - Дистанційне автоматичне управління.

ДГ - Дизель - генератор.

ДК - Допоміжний котел.

ЕЗА - Електричні засобі автоматизації.

ЕОМ - Електронна обчислювальна машина.

ЕУ - Енергетична установка.

КЗ - Коротке замикання.

ККД - Коефіцієнт корисної дії.

КСК ТЗ - Комплекс систем керування  технічними засобами.

КУ - Котельна установка.

MB - Машинне відділення.

МКВ - Машинно - котельне відділення.

ПД - Привідний двигун.

ПТЕ - Правила технічної експлуатації.

РЩ - Розподільний щит.

СДУ - Суднова дизельна установка.

СЕС - Суднова електростанція.

СЕУ - Суднова енергетична установка.

СОД - Середньообертовий дизель.

СУ - Система управління.

ТВ - Технічне використання.

ТЕ - Технічна експлуатація.

ЦПК - Центральний пункт керування.

 

 

 

 

 

ЗМІСТ

Вступ………………………………………………………………………………

1. Техніко-експлуатаційні характеристики та конструктивні особливості судна, головної енергетичної установки, допоміжних механізмів і систем..
1. Призначення й основні конструктивні особливості судна……….....
2. Енергетична установка…………………………………………………
3. Носовий підрулюючий пристрій………………………………………
4. Електростанція…………………………………………………………..
5. Рульова машина…………………………………………………………
6. Паровий котел…………………………………………………………...
7. Навігаційна система GPS……………………………………………….
8. Аварійне обладнання……………………………………………………
2. Розрахунок режимів роботи та вибір електропривода насосу забортної води:
1. Розрахунок та вибір електродвигуна………………………………….
2. Розрахунок та вибір комутаційно-захисної апаратури………………
1. Вибір автоматичного вимикача…………………………………….
2. Вибір кабелю…………………………………………………………
3. Розрахунок втрати напруги…………………………………………….
4. Вибір схеми живлення та управління…………………………………..

Графічна частина: 1. Принципова схема силової частини електроприводу 2. Функціональна схема системи управління.

3. Розрахунок суднової електроенергетичної системи (CEEC):
1. Розрахунок потужності СЕЕС для характерних режимів роботи судна, вибір кількості і типу агрегатів суднової електростанції……..
2. Вибір раціональної структури СЕЕС та розробка однолінійної схеми ГРЩ та АРЩ……………………………………………………………..
3. Вибір комутаційно-захисної апаратури ГРЩ, вибір генераторних автоматів………………………………………………………………….
4. Вибір системи збудження синхронних генераторів…………………..
5. Розрахунок провалу напруги СЕЕС під час пуску найбільш потужнішого споживача електроенергії……………………………….
6. Перевірка кабелю одного з найбільш віддаленого електропривода на втрату напруги……………………………………………………………

Графічна частина: 1. Однолінійна схема ГРЩ і АРЩ. 2. Система збудження СГ.

4. Аналіз системи та пристроїв управління судном:

4.1Система управління ДАУ головного двигуна…………………………

4.2 Технічні характеристики та  конструктивні особливості основних  пристроїв управління судном………………………………………………..

4.3 Технічні характеристики та  конструктивні особливості електро-радіонавігаційних пристроїв…………………………………………………

Графічна частина: 1. Структурна схема системи управління ДАУ ГД.

5. Розробка технології і інструкції  по експлуатації суднових електричних  систем і комплексів, електроприводу  охолоджуючого насосу, генераторів...

   Графічна частина: 1. Структурна схема системи управління технічного об’єкту, граф-схема алгоритму функціонування.

    Висновок

    Перелік використаної  літератури

     Додаток А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Вступ

Важливою особливістю  розвитку сучасного суднобудування є широке впровадження сучасних технологій, що дозволяють здійснювати автоматизацію суднових технічних засобів. Судна транспортного флоту мають велику кількість різних електрифікованих механізмів, схем енергоустаткування та автоматики, які відрізняються значною різноманітністю систем керування. Сучасні технології дозволяють застосовувати різноманітні технічні засоби збору, перетворення, передачі й відображення інформації, формування, передачі й реалізації керуючих впливів на керовані об'єкти. Системи керування виконують повністю функції автоматичного регулювання, управління, контролю, захисту, діагностування стану технічних засобів за участю людини - оператора або без його особистої участі. На сучасних судах кількість споживачів електроенергії суднової електростанції безупинно збільшується, потужності споживачів ростуть, відповідно ростуть і потужності суднових електричних станцій. Відбувається підвищення рівня розвитку й удосконалювання електроустаткування суднових електростанцій у напрямках:

1.Розширення застосування комплексної автоматизації суднових електростанцій і систем.

2.Підвищення надійності, гнучкості й економічності електричних установок і станцій шляхом розширення електрифікації суден.

3.Підвищення якості  вироблюваної електричної енергії.

       4.Удосконалення конструкцій машин, апаратури, приладів шляхом впровадження нових технологій.

 

 

 

 

1. Техніко-експлуатаційні характеристики  та конструктивні особливості  судна, головної енергетичної  установки, допоміжних механізмів  і систем

1.1. Призначення та основні конструктивні особливості судна

Архітектурно - конструктивный тип судна: однопалубне, з баком, надбудовою, а також з бульбоподібним носом і крейсерською кормою.

Загальні характеристики:

• тип: контейнеровоз;
• довжина найбільша: L_нб = 335.00 м;
• довжина між перпендикулярами: L = 319.90 м;
• ширина: В = 42.80 м;
• висота до головної палуби: D = 19.52 м;
• осадка середня порожнем: d₀ = 12.215 м;
• осадка середня у вантажу: d = 14.323 м;
• тоннажність у повному вантажу: D = 96545.85 т;
• дедвейт: DW = 93000 т;
• швидкість у повному вантажу: V=24.5 вузол;
• район плавання: необмеженний;
• кількість трюмів: 10.

 Судно  призначене для транспортування  контейнерів розмірами 20 та 40 футів.

Дальність плавання – 23000 миль. Район  плавання – необмежений, швидкість судна в повному вантажі при 90% експлуатаційної потужності ГД – 24.5 вузол.

Судно – одногвинтове, однопалубне, з коротким баком, кормовим розташуванням МВ і житлової надбудови. Форштевень із бульбом. Корпус судна зварний, спроектований за змішаною системою набору.

На судні є каюти для розміщення 40 членів екіпажу.

Головним двигуном на судні встановлено  дизель типу SULZER 12RT-flex96c потужністю 61900 кВт.

Гвинт - бронзовий  суцільно литий, шестилопасний, фіксованого кроку.

На судні також встановлені  установка для очищення і знезараження стічних вод, система кондиціювання, протипожежна система.

 

2. .Енергетична установка

Головний двигун

Тип: дизель.

Марка: «Sulzer12RT-flex96c».

Мощность: 61900  кВт.

Частота обертання вала: n=94 об/хв.

Тип передачі на гребний вал: пряма.

Керування двигуном: із ходової рубки і ЦПУ.

Кількість гвинтів: 1.

Тип: гребний гвинт фіксованого  шагу.

Кількість лопастей: 6.

Крок: 8,666 м.

Діаметр: 8,490 м.

        Матеріал: Ni – Al – Bz .

 

                                 1.3. Носовий підрулюючий пристрій

Тип: HLA7 – 923 – 16Y;

Кількість полюсів: 10;

Напруга живлення, частота, В, Гц: 6600, 60;

Клас  ізоляції: F;

Частота обертання, об/хв.: 720;

Вага, кг: 19600;

Максимальна потужність: 3000 кВт.

1.4. Електростанція

Рід струму: змінний.

Напруга силової мережі: 6600 та 440 В.

Напруга мережі освітлення: 220 В.

Тип приводних двигунів, генераторних агрегатів: дизель.

             Кількість генераторів: 4.

         Потужність: 4 * 3200 кВА. 

1.5. Рульова машина

        Тип: Kawasaki, FE21-560-T050A;

         Обертаючий  момент: 5490 кН·м;

         Максимальний  робочий тиск, МРА: 23,5;

         Електричний  мотор, потужність kW: 160.

1.6. Паровий котел

- кількість,  тип: 1×МА08Р38;

- паропродуктивність, т/год: 6,0;

- тиск пару, Мпа: 0,69;

- горілка,  кількість, тип: 1×RP-500M;

- використання  пального за1 годину: 462 кг;

- діаметр  котла: 2400 мм;

- висота  котла: 6300 мм.

1.7. Навігаційна система GPS

Супутникова система навігації – GPS. Дозволяє в будь-якому місці Землі (включно приполярні області), майже за будь якої погоди визначити місце розташування та швидкість судна.

• тип: L1/3c code;
• кількість каналів: 14;
• оновлення: щосекунди;
• погрішність, м: 1-5 ;
• динамічний діапазон, дб: 100.

1.8. Аварійне обладнання

Аварійний дизель – генератор: 344,5 кВА.

Аварійний пожежний насос: 90 м³/год.

 

2. Розрахунок режимів  роботи та вибір електропривода  насосу забортної води.

     2.1 Розрахунок та вибір електродвигуна.

Визначення  потужності.

Потужність  на валові електродвигуна, необхідна  для обертання центробіжного насосу, визначається роботою, витраченою на підняття рідини:

    Р_дв = = ,                (2.1)

де Р_дв – потужність на валові електродвигуна, кВт; H_ст – статична складова напору, м; Σ H_м – втрати напору в трубопроводі і місцевих опорах напору, м; Q – подача, м³/с; γ – удільна вага рідини, H/м³; Р_наг – тиск нагнітання, H/м²; η_об = 0,94÷0,98 – коефіцієнт, враховуючий втрати через нещільності; η_нас – ККД насосу.

ККД центр  обіжного насосу і його параметри:

ККД = 0,70; η_об = 0,97; Q =0,54 (м³/с); Р_наг. =139кH/м²

Підставимо  обрані параметри насосу у формулу (2.1):

Р_дв = = 110,54 кВт

Тип електродвигуна вибирають у залежності від роду струму на судні і типу насоса. Електродвигуни з коротко-замкнутим ротором перемінного  струму в більшості випадків цілком задовольняють усім вимогам, пропонованим до електроприводів  центробіжних насосів.

Таблиця 2.1. Паспортні дані асинхронного короткозамкнутого ЕД.

Типорозмір  електродвигуна	Потужність, кВт	Дані при номінальній  потужності				Iп/I	Мп/М	Ммакс./Мн	Маса, кг
		Частота обертання, об/м	Струм статора при напрузі 440 В,А	ККД	Cos φ
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
MNBJ8M0606P	110	1800	173	0,92	0,85	5,5	2,1	2,5	875

 

2.2. Розрахунок і вибір комутаційно-захисної апаратури.

2.2.1. Вибір автоматичного вимикача.

Для вибору автоматичного вимикача, що підключає електропривiд насосу забортної води до мережi трифазного змінного струму, знайдемо розрахунковий струм по формулі:

                                              (2.2)

де, -  потужнiсть электродвигуна насосу;

- напруга живленя ЭД;

 – коефiцiент потужностi приймача.

Але згiдно з технiчними данними ЕД, ми вже знаемо I_н = 173 А. Тож можно не проводити зайвi разрохунки.

Згiдно данного струму вибираємо автоматичний вимикач фiрми Terasaki TemDin серiї АР – 16, основнi характеристики якого:

• номiнальний струм: 865 А при 30°С;
• номiнальна напруга: 240/460 В AC;
• частота: 50/60 Гц
• струм вiдключення згiдно MEК 898: 100 кA;
• електричиний ресурс: 30000 циклiв;
• кривi отключения:
• В - 3...5 кратнe перенавантаження;
• С - 5...10 кратнe перенавантаження;
• D - 10...14 кратнe перенавантаження;
• рабоча температура: 25...+55°С;
• монтаж: 35 мм DINрейка;

 

2.2.2.  Вибір кабелю.

Кабель  живлення насосу. Для того, щоб обрати потрібний кабель необхідно, спочатку,  розрахувати його струм. Пiсля чого кабель вибирається зi спеціальних таблиць та каталогiв. В залежностi вiд того, що цей кабель буде з'єднувати, буде змiнюватись струм який протікає через нього і, відповідно, площа поперечного січення.

Формально, наш електропривод насосу отримує  живлення вiд певного РЩ. Тому для розрахунку струму кабеля живлення використаємо слiдуючу формулу:

                                 (2.3)

де, – потужнiсть электродвигуна насосу;

 – напруга живленя  ЭД;

 – коефiцiент потужностi приймача;

– коефіцієнт корисної дії приймача.

 

Згiдно розрахованному току вибираємо потрiбний кабель, користуючись перелiком виробiв з таблиць поданих каталогами IССА іноземних виробників :

• КНР-Т ГОСТ 7866.1-76

Основнi характеристики:

• токоведуча жила - мiдна, кругла, трьохжильна; вiдповiдае класу 3 – площа поперечного сiчiння 35.0 ;
• напруга до 690В, частота 50/60 Гц;
• кабелі витримали випробування змiнною напругою 2500 В;
• електричний опiр iзоляцiї при температурi +20°С, не меньш 100 Мом/км;
• тривало допустима температура на токоведучiй жилi, не бiльш +65°С;
• мiнiмальний срок роботи    25 рокiв.

2.3. Розрахунок втрати напруги.

Знаючи необхідні величини можна  записати формулу для розрахунку втрати напруги.

                                            (2.4)

де І_а – активна складова струму, - проводимість струмопровідних частин і дорівнює 48 м/Ом*мм² при t = 65ºC.

                              (2.5)

Тодi пiдставляючи до формули (2.4), маємо:

 

2.4. Вибір схеми живлення та управління.

Схему живлення та управління обираймо згідно з документацією  судна даного електроприводу – насос  забортної води охолодження головного  двигуна.

Схема працює за наступною послідовністю: вручну включаємо насоси в автоматичний режим і один з 3-х запускаємо, система автоматики контролює роботу насоса, а інші в режимі очікування. Якщо щось трапляється: зникає живлення, спрацьовує тепловий захист, то автоматика автоматично включить резервний  насос, а той котрий зупинився  видасть аварійну сигналізацію, аналогічно працює 2-й та 3-тій насоси.

Також ми можемо вручну запустити будь який з 3-х насосів і в любий час  їх зупинити, якщо це буде необхідно.

Схема живлення представлений на плакаті №1.

Функціональна схема системи управління представлена на плакаті №2

 

 

 

 

 

 

 

3. Розрахунок суднової електроенергетичної системи (CEEC)

3.1. Розрахунок потужності СЕЕС для характерних режимів роботи судна, вибір кількості і типу агрегатів суднової електростанції.

Розрахунок  потужності генераторів  табличним методом постійних нагрузок.

     Одинична потужність рахується шляхом ділення потужності двигуна на коефіцієнт потужності. Далі розраховується сумуюча установлена активна, реактивна і повна потужність електродвигуна по формулам:

P_су = P_дв· n ,                                                                                                     (3.1)            

Q_су = P_су· tg,  (3.2)

S_су = . (3.3)

де n –  кількість одноіменних споживачів, а tg рахується по заданому значенню cos;

Коефіцієнт загрузки механізму К_з визначається на основі анализу работи споживачів, суднових приладів і судна в цілом. При цьому враховується характер операції, виконуючої судном, інтенсивність роботи силової установки, швидкості судна, району і пори роки плавання. Значення електродвигунів вентиляторів, насосів, компресорів і багатьох інших механізмів МКВ становить в межах 0,8–0,9. Тому коефіцієнт загрузки даного двигуна вибираємо 0,8.

Визначення коефіцієнта однодії К_о залежить від кількості резервних споживачів, віднесених в кількість установленних. Так кяк на данном судні установлений один аварійний пожежний насос, то К_о = 1.

Для багатокількісних одноіменних споживачів (вентилятори, обладнання майстерень, грузові пристрої и т.д.) К₀ може змінюватись в межах 0,7 – 0,8.

Для знаходження значення ККД і коефіцієнта потужності режимів використовують універсальні криві залежностей f (К_з) та cos= f (К_з), по якім можна встановити слідуюче: якщо К_з змінюється в межах 0,6–1, то кожне зменшення К_з на 0,1 приводить до зниження ККД на 0,03, а cos – на 0,04. Ця закономірність дозволяє відредагувати значення ККД і коефіцієнта потужності у всіх режимах роботи судна для кожного механізму.

Далі з врахуванням відредагованих значень ККД і коефіцієнта потужності рахується сумуюча споживана потужність. Для цього використовуються формули:

P_сп = Р_су·К_о·К_зм·_режима· cos_режима/( _двиг. · cos_двиг);                                   (3.4)

Q_сп = P_сп· tg ; (3.5)

S_сп = .     (3.6)

Таким чином заповнюємо всі строки таблиці для всіх режимів.

Маємо зазначити, що в таблиці знаходяться дві категорії споживачів, котрі різняться по часу включення на: безперервно працюючі (БП) та  періодично працюючі (ПП), не працюючі в данном режимі. Періодично працюючі споживачі – це споживачі, загальний час роботи яких знаходиться в межах 15-70% даного режиму. Постійно працюючими вважають споживачі,котрі працюють більше 70% часу даного режиму.   

 Періодично працюючі споживачі (загальний час роботи менше 15% періоду режима), в данной таблиці не враховуються, так як їх потужність становить декілька відсотків від кількості потужності споживачів з режимами роботи БП та ПП.

Якщо споживач не працює в данном режимі, то в колонці с коефіцієнтом загрузки ставиться 0.

Внизу таблиці проводиться сумування, реактивного та повного навантаження всіх споживачів. Спочатку рахується сумуюче навантаження БП споживачів та сумуюче навантаження ПП споживачів. Потім ці стрічки сумуються. Далі необхідно порахувати все навантаження з врахуванням коефіцієнта періодичності, котрий враховує різні графіки роботи споживачів електроенергії та ймовірність спільной їх работи в данном режимі, а також з врахуванням втрат в сеті.

Потужність  генераторів вибирають залежно  від середньозваженого  коефіцієнта потужності, який визначається як відношення сумарної активної і повної потужностей. В тому випадку, якщо cosφ  0,8, генератори необхідно вибирати по активній потужності, інакше – по повній. У нашому випадку:

у ходовому режимі;

у режимі, стоянки;

у маневреному  режимі;

у аварійному режимі;

З цього виходить, що генератори необхідно вибирати по активній потужності.

При виборі генераторів необхідно користуватися  наступними вимогами Регістра:

 

Частина XI. Електричне обладнання

Розділ 3. Основне  джерело електричної  енергії

Розділ 3.1. Склад і потужність основного  джерела електричної енергії

3.1.1. На кожному судні повинен бути передбачений основне джерело електричної енергії потужністю, що забезпечує живлення всього необхідного електричного обладнання судна в умовах, вказаних в п. 3.1.4. Таке джерело повинне полягати,  принаймні, з двох генераторів з незалежним приводом.

3.1.2. Кількість і потужність генераторів з незалежним приводом і електричних перетворювачів,  що входять до складу основного джерела електричної енергії, повинні бути такими, щоб при виході з ладу будь-якого з них залишилися забезпечували можливість:

1. Живлення необхідного електричного обладнання в умовах, вказаних в 3.1.4, при одночасному забезпеченні нормальних умов населеності на судні;

2. Підтримки  або негайного відновлення живлення електричного обладнання, необхідного для забезпечення руху, керованості судна і його безпеки;

3. Пуску наймогутнішого електродвигуна  з найбільшим пусковим струмом. При цьому пуск двигуна не повинен викликати такого пониження напруги і частоти в мережі, яка може спричинити випадання з синхронізму, зупинку двигуна генератора, а також відключення працюючих машин і апаратів;

3.1.3 Замість одного з  генераторів з незалежним приводом, вказаних в 3.1.1, може бути застосований генератор з приводом від головного двигуна (валогенератор) за наступних умов:

1.  Валогенератор працює з практично постійною частотою обертання при різних режимах ходу судна;

2. Можливість приведення в дію гребної установки судна у разі виходу з ладу будь-якого генератора з незалежним приводом.

Застосування валогенераторів, працюючих при змінній частоті обертання головних двигунів або валів і що входять до складу основного джерела електричної енергії, є предметом спеціального розгляду Регістром.

3.1.4 Визначення складу і потужності генераторів основного джерела електричної енергії повинне проводитися з урахуванням наступних режимів роботи судна:

1. Ходового режиму;

2. Маневрів;

3. Під час пожежі, пробоїни корпусу  або інших впливають на безпеку плавання судна умов при роботі основного джерела електричної енергії;