Расчёт судовой электростанции

          Министерство транспорта Российской Федерации         

               Государственная служба речного  флота 

                         Котласское речное училище

 

                                                               

 

 

 

                                                        "К защите"

                                         Руководитель курсовой работы

                                             

                                                _____________       Бормотова Н.И.

                                                    (подпись)                 

                                                                                  ____________

                                                                                          дата

 

 

 

   Курсовая  работа

 

 

 

 

 

Тема: Расчёт судовой электростанции

 

 

Выполнил студент группы 61ЭР:                       

 

 

                  

 

 

Дата защиты______________

 

Оценка___________________

 

 

 

                                          КОТЛАС 2012г. 

 

           Введение

 

 

 

     Электроэнергетическая  система состоит из источников  электроэнергии, распределительных устройств, преобразователей, электрических сетей и потребителей электроэнергии.

    Наиболее ответственной  частью электроэнергетической системы является электростанция, где производятся выработка электроэнергии, ее преобразование и первичное распределение по судну. В соответствии с этим на электростанции сосредоточены источники электроэнергии, преобразователи тока и напряжения, распределительные устройства.

    Источниками электроэнергии  на судах являются генераторы  постоянного или переменного  тока и аккумуляторные батареи.  На современных речных судах  аккумуляторы применяются лишь  в качестве аварийных источников  электроэнергии, для стартерного пуска двигателей внутреннего сгорания, питания различных средств связи и сигнализации.

    В качестве основных  источников электроэнергии используются  генераторы, приводимые во вращение  от первичных двигателей-дизелей, паровых или газовых турбин, паровых машин и т. д.

    В большинстве случаев  тип первичного двигателя предопределяется типом главных двигателей. Если в качестве главного двигателя на судах установлен дизель, то и первичными двигателями генераторов судовой электростанции являются дизели.

    В речном флоте преобладают  дизельные суда, поэтому и наиболее распространенным агрегатом судовых, электростанций являются дизель-генераторы.

    Дизель-генераторные электростанции:

   имеют достаточно высокий   к. п. д., отличаются автономностью работы и компактностью, так как не связаны ни с какими вспомогательными установками в виде котлов, паропроводов и т. д.;

   постоянно готовы к действию, причем пуск их возможен как  вручную, так и автоматически. 

     К недостаткам дизель-генераторных электростанций относится несколько ограниченный моторесурс дизелей.

    На речных судах в  ходовом режиме используется  также привад судовых генераторов от валопровода гребного винта или вала отбора

мощности. Такие генераторы называются валогенераторами. Судовые электростанции обычно располагаются в машинном отделении судна, т. е. в одном помещении с главными двигателями и подразделяются по следующим признакам:

   по роду тока (постоянного и переменного тока);

   по типу первичного двигателя (паровые, первичным двигателем которых является паровая турбина или паровая машина; тепловые, первичным двигателем которых служит двигатель внутреннего сгорания

                                                                                                                                    

или газовая турбина);

    по назначению (основные, аварийные, специального назначения).

   Основные электростанции  обеспечивают электроэнергией приводы  палубных механизмов, насосов, вентиляторов, снабжают питанием средства судовождения, освещения, а также оборудование камбуза.

   Аварийные электростанции обеспечивают питание жизненно важных потребителей на судне в случае выхода из строя основной электростанции

   Специальные (для питания технологического оборудования земснарядов, станции гребных электрических установок).

    Большинство  судов речного флота оборудовано  электростанциями переменного тока. Применение переменного тока на крупных судах предпочтительнее из-за экономии средств на строительство и эксплуатацию электрооборудования мелкие суда, имеющие незначительное число электроприводов, учитывая использование аккумуляторов, целесообразнее оборудовать электростанцией постоянного тока. 

    Номинальное значение частоты переменного тока принимается равным 50 Гц.

    Согласно существующим  стандартам номинальные напряжения  на выводах потребителей принимаются  равными: 

       для  переменного тока, 380, 220, 127, 36, 12 В;

       для постоянного  тока - 220, 110, 36; 24 В. 

    На каждом самоходном  судне предусматривается не менее двух основных источников электрической энергии. Ими могут быть дизель-

генераторы, турбогенераторы, аккумуляторные батареи и валогенераторы. Если основными  источниками являются генераторы, то хотя бы один из них должен иметь собственный независимый привод.

    Количество и мощность  источников основной электростанции  выбираются с учетом следующих режимов работы судна: ходового, стоя

ночного, снятия с якоря, шлюзования, аварийного. Мощность основных источников должна быть такой, чтобы при выходе из строя любого из них оставшиеся могли обеспечить ходовой и аварийный режимы судна. При этом наличие аварийных источников электроэнергии не влияет на снижение требований к основным. 

     Аварийную электростанцию устанавливают в отдельном отапливаемом помещении, где, кроме дизель-генератора, находятся аварийный распределительный щит (АРЩ), аккумуляторы для запуска дизеля и цистерна аварийного запаса топлива. К аварийным источникам подключают электрический и электрогидравлическцй приводы руля, приб6ры управления судном, сигнальные и отличительные огни, освещение коридоров, трапов, ходовой рубки, аварийную и пожарную сигнализации и другие ответственные потребители.

 

 

 

 

 

       Выбор  двигателя

 

 

   Высокопроизводительная работа судового механизма в основном зависит от правильного выбора электродвигателя привода.

   Выбор электродвигателя для судового электропривода зависит от ряда факторов. Основанием для выбора двигателя являются его номинальная мощность, механическая и скоростная характеристики, регулировочная способность, тормозные и реверсивные свойства, способность к перегрузкам, конструктивное исполнение.

   Выбор двигателя зависит также от параметров судовой сети: рода тока, напряжения, частоты.

   Мощность электродвигателя должна соответствовать расчетной. Завышение установленной мощности двигателя приводит к его недостаточному использованию, снижению к. п. д., а у двигателей переменного тока - и коэффициента мощности. Заниженная номинальная мощность двигателя вызовет его перегрузку и перегрев обмоток, что приведёт к резкому сокращению срока службы или выходу из строя двигателя.

   Электромеханические характеристики двигателя и его свойства должны удовлетворять технологическим требованиям режима работы исполнительного механизма.

  Двигатель выбирают для заданного режима на основании нагрузочной диаграммы

   В нерегулируемых судовых приводах и в судовых электроприводах, не требующих широкого и плавного регулирования скорости (вентиляторы, насосы, компрессоры, шпили и др.), на современных речных судах успешно применяются асинхронные двигатели трехфазного переменного тока с короткозамкнутым и (реже) с фазным ротором.

   В большинстве случаев мощность электродвигателя предварительно определяют по статическому моменту и частоте вращения рабочего механизма. Затем по каталогу выбирают двигатель с параметрами, близким к расчетным. При этом учитывают соответствии конструктивного исполнения двигателя месту установки и характеру среды, в которой ему предстоит работать.

Выбираем двигатели по заданным данным:

 

Рулевая машина     4А112МВ6 ОМ2

Р = 4кВт; n = 950 об/мин; η = 82%; Cosφ = 0.81

Iн = 9,1А; Iп = 54,6А

 

Брашпиль    МАП 622-8/16

Р = 12кВт; n = 290 об/мин; η = 87%; Cosφ = 0,62

Iн = 48А; Iп = 100А

 

Грузовая лебёдка    4А160М8 ОМ2

Р = 11кВт; n = 730 об/мин; η = 87%; Cosφ = 0,75

Iн = 25,6А; Iп = 153,6А

Осушительный  насос    4А100S2 OM2

Р = 4кВт; n = 2880 об/мин; η = 86.5%; Cosφ = 0,89

Iн = 7.8А; Iп = 58.5А

 

Пожарный насос    4А132М2 ОМ2

Р = 11кВт; n = 2900 об/мин; η = 88%; Cosφ = 0,9

Iн = 21,2А; Iп = 159А

 

Насосы: топливный, котельный, санитарный, масляный.

4А80В2 ОМ2

Р = 2,2кВт; n = 2850 об/мин; η = 83%; Cosφ = 0,87

Iн = 4,7А; Iп = 30,55А

 

Вентиляторы   4А71В2 ОМ2

Р = 1,1кВт; n = 2810 об/мин; η = 81%; Cosφ = 0,85

Iн = 2,5А; Iп = 13,75А

 

Компрессоры    4А100S2 OM2

Р = 4кВт; n = 2880 об/мин; η = 86.5%; Cosφ = 0,89

Iн = 7.8А; Iп = 58.5А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор генератора

 

 

 

    По Правилам Речного Регистра РСФСР при определении количества и мощности источников основной судовой электростанции учитывают следующие режимы работы судна: ходовой, стояночный, снятие с якоря, специальный: (для судов технического флота и других судов специального назначения) и, аварийный (при пожаре или получении судном пробоины). От режима работы судна зависит значение потребляемой мощности, так как количество и мощность потребителей в разных режимах будут различными.

    При выборе  мощности генераторов необходимо  стремиться к наиболее полной  их загрузке во всех, режимах (в пределах 70-80% номинальной мощности), особенно в длительном ходовом режиме работы судна. При определении количества генераторов судовой электростанции необходимо добиваться минимального, числа  типоразмеров генераторов, что позволяет лучше организовать их взаимозаменяемость, сократить количество запасных

частей.

    Судовая электростанция должна иметь не менее двух генераторов: один - основной, другой - резервный. Мощность резервного генератора должна быть достаточной для обеспечения ходового и аварийного режимов работы судна при выходе из строя одного из основных генераторов. Целесообразно мощность резервного  генератора  принимать равной мощности основного.

    Существуют два метода расчета мощности судовой электростанции:

аналитический и табличный. Аналитический метод применяется для определения ориентировочных данных судовой электростанции в начальной стадии проектирования по основным показателям судна: мощности силовой установки и водоизмещению.

Аналитический метод получил широкое распространение при определении нагрузок судовых электростанций для различных режимов работы судна. Он отличается наглядностью, простотой расчетов и может считаться универсальным, так как применим к судам любого типа и назначения.

     При  заполнения таблицы нагрузок судовой электростанции переменного тока.

     В графу 1 заносятся все потребители электроэнергии, установленные на судне.

     В графе  2 указывается соответственно количество однотипных потребителей.

     В графах 3, 4, 5 их единичная мощность, к. п. д. и коэффициент мощности из паспортных данных на электродвигатели.

     В графу  6 заносим потребляемую мощность определённую по формуле

 

           P ∙ n

Руст = ———

            η

 

     При заполнении граф 7-11, 12-16, 17-21, 22-26 соответствующих режиму ходовому, стоянки судна, маневрам и аварийному режимам, необходимо определить потребители, которые работают в этих режимах, характер и длительность их загрузки.

     В графах 7,12,17,22 заносятся коэффициент одновременности, в графах 8,13,18,23 коэффициент загрузки которые берем из справочника.

     В графах 9,14,19,24 записывается коэффициент мощности потребителя в данных режимах.

     Активная мощность  потребителя высчитывается по  формуле 

Рд = Ко ∙ Кз ∙ Руст · n / η

и заносятся в графы 10,15,20,25.

     Реактивная мощность потребителя высчитывается по формуле Qд=Рд · tgφ

и заносятся в графы 11,16,21,26.

    После определения состава потребителей и потребляемых ими мощностей по каждому режиму подсчитывают суммарную потребную мощность по режимам.

    Полученная суммарная мощность по режимам умножают на общий коэффициент одновременности, учитывающий несовпадение по времени максимумов расчетных нагрузок отдельных рабочих механизмов к полученному результату добавляют 5% общей мощности, потребной для покрытия потерь в сети.

    При подведении  итогов таблицы определяем полную  мощность по каждому режиму  и средневзвешенный коэффициент мощности по формулам:

                                                                                  Р

            S =     P² + Q²                          cosφср.взв = —— 

                                                                                  S

Если cosφср.взв > 0,8 то генератор выбираем по активной мощности, а при

cosφср.взв < 0,8 по полной.

 

По данным, полученным в таблице нагрузок выбираем генераторы серии

 

МСС82-4     Р=30кВ   U=230В   Iст=93,5А к.п.д. = 85,5  на стоянке.

МСС 83-4  Р=50кВ   U=230В   Iст=157А  к.п.д.= 88,5  на остальных режимах.

МСС 82-4  Р=30кВ   U=230В   Iст=93,5А  к.п.д.= 85,5  запасной.

 

 

 

 

 

 

 

 

      Расчёт и выбор

кабелей

 

 

   К кабелям и  проводам, применяемым на судах,  предъявляются повышенные требования  по сравнению с кабельной продукцией  общего назначения. Они должны обладать следующими качествами: высокой электрической и механической прочностью водостойкостью, надежностью в работе при вибрациях и сотрясениях, теплостойкостью(наибольшая допустимая температура для изоляции жилы устанавливаемого кабеля или провода должна быть не менее чем на 10º С выше предусматриваемой температуры окружающей среды), негорючестью, минимальной массой, а также не создавать радиопомех.

     Все, эти  требования обусловлены необходимостью  обеспечить надежное, бесперебойное снабжение судовых потребителей электроэнергией.

     Кабели и провода для судов выпускают только с медными жилами. Применять на судах кабели с алюминиевыми жилами запрещено.

     В цепях  ответственных потребителей должны  применяться кабели и провода  с многопроволочными жилами, с  площадью сечения каждой жилы  не менее 1 мм².

    Для цепей  сигнализации электрических приводов, а также для цепей внутренней  сигнализации и связи должны  применяться кабели и провода  с площадью сечения не менее  0,75 мм². Для переносного электрического, оборудования допускается использовать гибкие кабели и шнуры площадью сечения не менее 0,75 мм².

    Резиновая  изоляция кабелей и проводов  должна быть пригодной для  продолжительной работы при температуре  не менее 65ºС. При выборе типа кабеля или провода для различных помещений судна необходимо учитывать свойства окружающей среды, условия прокладки и эксплуатации. В грузовых трюмах, сырых и пожароопасных помещениях, а также в тех взрывоопасных помещениях, где прокладка кабеля допущена при условии выполнения особых требований, следует применять кабель с резиновой изоляцией в оболочке из негорючей маслостойкой резины, или кабель, с пластмассовой изоляцией и металлической оболочкой. Для прокладки на открытых палубах нужно использовать кабель в резиновой негорючей маслостойкой оболочке, экранированный. Во всех помещениях, где температура может превысить 65ºС, необходимо применять кабель с, изоляцией из теплостойкой резины или лакоткани либо с пластмассовой изоляцией. Бронированные кабели прокладывают в тех местах, где возможны механические повреждения обычных кабелей и нельзя установить металлический кожух для их защиты от повреждений.

    При прохождении электрического тока по кабелям и проводам в

них выделяется теплота и возникает  падение напряжения.

    Расчет кабелей и проводов  судовых сетей, в конечном счете сводится к определению площади сечения токопроводящей жилы. Она должна быть такой, чтобы при прохождении номинального тока потребителей по токопроводящим жилам не возникало, нагрева; опасного для сохранности их изоляции и в пожарном отношении, а падение напряжения не превышало бы допустимого значения.

    В практике  расчетов площади сечения кабелей  и проводов пользуются готовыми таблицами допустимых норм нагрузок. Для судовых кабелей и проводов такие таблицы даны в Правилах Речного Регистра РСФСР. Для каждой площади сечения токопроводящих жил определенной марки кабелей указана допустимая сила тока при продолжительном, кратковременном и повторно-кратковременном режимах работы. Расчет  сводится к выбору кабеля из таблиц по допустимой токовой нагрузке. 

    1.  Определяют  нагрузку кабеля или провода по мощности потребителей, которых он питает с соблюдением следующих условий:

    а) для открытой  одиночной прокладки и в, один  ряд нагрузка равна

расчетному току цепи;

    б) для открытой прокладки в два ряда или в пучке нагрузку находят по формуле

       I = К · Iр.ц,

где   Iр.ц,- расчетный ток цепи, для которой выбирается кабель

К - коэффициент снижения нагрузки, принимаемый по таблице зависимости от продолжительности работы кабеля в течении суток

    в) при прокладке кабеля  в металлических трубах или  желобах длиной 2 м и более токовую вычисленную нагрузку умножают на коэффициент 1,25;

    г) при прокладке кабелей в трассе из двух или в пучке с последующим

вводом в желоб или трубу допустимую нагрузку определяют по наибольшему расчетному току, полученному для этих видов прокладки.

      2. В зависимости  от ожидаемой температуры окружающей  среды нагрузку корректируют делением ее на поправочный коэффициент, который выбирают по таблице

     3. Выбирают марку  кабеля и определяют режим  его работы.

     4. По значению рассчитанной нагрузки в таблице для данной марки кабеля, и соответствующего режима работы, находят большее ближайшее значение допустимого тока к расчетному.

 

Iрасч=Рном · Кз · 10³ / (√3Uном · ηном · cosφ)

 

Рулевая машина      Iр = 34,7А

 

Брашпиль                 Iр = 57,5А

 

Грузовая лебёдка     Iр = 32,9А

 

Осушительный насос    Iр = 19,2А

 

Пожарный насос    Iр = 34,4А

 

Насосы: топливный, котельный, санитарный, масляный.   Iр = 9,9А

  

Вентиляторы    Iн = 17,3А 

Компрессоры    Iр = 18,1А

 

5. По этому значению допустимого тока выбирают площадь сечения токопроводящей жилы кабеля или провода.

Площадь сечения кабеля для питания  щитов освещения и силовых  распределительных щитов определяют по суммарной возможной наибольшей нагрузке потребителей с учетом коэффициента одновременности их работы:   I = Ко · Iр.

где     Ко - коэффициент одновременности

            Iр. - суммарной наибольший возможный ток потребителя

   Расчетные значения потерь напряжения в кабелях и проводах судовой сети сравнивают с максимально допустимыми потерями напряжения, которые установлены Речным Регистром РСФСР.

 В зависимости от назначения  и условий эксплуатации сети они не должны

превышать:

  на кабеле, соединяющем генератор с главным распределительным щитом или с аварийным распределительным шитом 1 %;

   силовая сеть и нагревательные  приборы - 7%

   сеть освещения 110в и выше – 5%

   сеть освещения 35в и ниже – 10%

   телефонная сеть – 5%

  Потери напряжения в сети переменного трёхфазного тока рассчитывается по формуле           

       

                                                      100 · √3 ∙ I ∙ l · cosφ

                                            ∆U =  —————————

                                                                γ ∙ U ∙ S

 

где γ – удельная проводимость меди при температуре нагрева  проводов до 65ºС принимаем равной 48 м/ом·мм².

   Проверяем кабель  на потерю напряжения соединяющий  ГРЩ с электродвигателем брашпиля:                                       

                                                      100 · √3 ∙ 57,2 ∙ 70 · 0,62

                                            ∆U =   —————————      = 2,7 < 7%

                                                            48 ∙ 220 ∙ 15

   Таким же методом  проверяем кабель на потерю  напряжения от ГРЩ до других  электродвигателей.

Проверяем кабель на потерю напряжения соединяющий ГРЩ с генератором

 

 

                                                       100 · √3 ∙ 157 ∙ 2,5 ∙0.9

                                            ∆U =   ————————— = 0,08 < 1%

                                                            48 ∙ 230 ∙ 70

 

   Потеря напряжения в кабелях не превышает допустимых

потерь напряжения, которые  установлены Речным Регистром РСФСР.

Значит, кабель можно применять к установке.

РАСЧЁТ И ВЫБОР

ШИН   ГРЩ

 

 

 

    Расчёт шин электрораспределительных устройств заключается в определении наибольшего длительного тока нагрузки на шинах, выборе размеров шин и проверке выбранных шина динамическую и термическую устойчивость по токам к.з.

Для судовых распределительных устройств применяются шины, выполненные из электротехнической меди. Сечение шин выбирается из условия

                                            Iрасч.ш ≤ Iдоп.ш

Iрасч.ш - расчетный ток шин;

Iдоп.ш - допустимый ток шин. 

Расчетный ток шин  ГРЩ определяется по расчетному току генераторов, работающих на эти шины, а для вторичных щитов - по расчетному току потребителей.

Расчётный ток для предварительного выбора сечения шин щита определяют, предполагая, что по ним передается мощность всех потребителей, питающихся от щита, с учетом коэффициента одновременности их работы, или половина мощности генераторов электростанции.

Сечение шин выбирают по таблицам, которые содержат значения допустимых токов нагрузки шин различного сечения при температуре окружающей среды 40ºС. Таблицы  составлены в предположении нахождения шин в свободном пространстве судовых помещений. Однако в действительности шины щитов всегда заключены в оболочку, которая определяет исполнение щита (защищенное, каплезащищенное, брызгозащищенное, водозащищенное). При этом окружающая температура шин всегда выше наружной.

     Если температура окружающей среды выше 40 С, то допустимый ток шин (в А) определяется по формуле

                            90-Ө

                                                Iш = Iдоп.ш

                           90-40

Для шин, установленных плашмя, указанные в таблице токи

нагрузки должны быть снижены на 5% при высоте их до 60 мм

и на 8% при высоте более 60 мм

Iш – допустимый ток нагрузки шин при температуре Ө окружающей среды

Iдоп.щ - допустимый ток нагрузки шин при температуре Ө окружающей среды, равной 40ºС.

Снижение допустимого  тока нагрузки приводит к увеличению сечения шин щита иногда в 1,5 - 2 раза. Окружающая температура шин ГРЩ  принимается равной температуре  воздуха судового помещения.

Проверка шин на электродинамическую  стойкость сводится к определению их прочности, способной противостоять механическим усилиям, возникающим при коротких замыканиях. Для выполнения этого необходимо, чтобы механические напряжения в шине не превышали допустимых напряжений.

Сила взаимодействия между шинами при протекании по ним тока короткого замыкания imax может быть выражена следующей формулой (Н):

                                                   ККф∙i²max∙l∙10

                                            F = ———————

                                                               а