Дизель маркет



Определение оптимальной мощности дизельных электростанций

Статические режимы работы дизельных агрегатов резервного электропитания практически не отличаются от таковых, имеющих место при их использовании в качестве основного источника питания. Что же касается переходных режимов, то процесс нагружения агрегатов гарантированного питания характеризуется тем, что при исчезновении или недопустимом снижении напряжения на основном силовом вводе, вся запитываемая от него нагрузка переключается на дизельный агрегат гарантированного питания одномоментно («мгновенный» наброс).

При этом необходимо, чтобы время переходного процесса, а также значения напряжения и частоты тока не выходили за допустимые пределы. Разделение нагрузки и ее подключение по частям усложняет схему, а в ряде случаев является недопустимым.

Учитывая, что величина нагрузки, которая может быть одномоментно подключена к агрегату, определяется изготовителем последнего (зависит от степени наддува приводного дизеля, вида регулятора частоты вращения и наличия программных ограничителей нагрузки, а также момента инерции вращающихся масс установки), требуемая мощность дизельного агрегатат юесперебойного питания ДАГП — PДАГП может быть определена по уравнению:

P

    где PМП — мощность, которую должен вырабатывать дизель-генератор в установившемся режиме для обеспечения нужд потребителей;

    q — допустимый мгновенный наброс нагрузки, в долях от PМП (принимается по документации изготовителя ДЭУ, а при отсутствии в ней необходимых данных — определяется по ГОСТ 10511);

    m — коэффициент запаса, равный для дизелей с газотурбинным наддувом от 1,3 до 1,4, а без него от 1,1 до 1,2.
Рисунок 1

Рис. 1. Графики изменения мощности, отдаваемой ДЭУ (после ее пуска и выхода под нагрузку) и аккумуляторной батареей РДЭУ =f(tau) и РАБ = varphi(tau) соответственно, при неизменной мощности потребителя РП = const .

При использовании источника гарантированного питания совместно с источником бесперебойного питания — ИБП, исчезновении питания, поступающего от силового ввода, и запуске ДЭУ, последняя подключается к входу ИБП, обеспечивая питание нагрузки и компенсируя энергию, затраченную аккумуляторной батареей.

Сказанное проиллюстрировано рис. 1, на котором приведены графики изменения мощности, отдаваемой ДЭУ (после ее пуска и включения под нагрузку) и аккумуляторной батареей РДЭУ =f(tau) и РАБ = varphi(tau) соответственно, при неизменной мощности потребителя РП = const .

Нахождение оптимальной мощности дизель-генератора может быть произведено при правильном определении:

  • мощности, которую должна вырабатывать ДЭУ для обеспечения нужд потребителей;
  • мощности, расходуемой на компенсацию энергии, затраченной аккумуляторной батареей ИБП на питание нагрузки в течение времени пуска и выхода на рабочий режим дизель-генератора, а также способа этой компенсации;
  • мощности, затрачиваемой на зарядку входных цепей (фильтров) ИБП.

Определение мощности, которую должна вырабатывать ДЭУ для обеспечения нужд потребителей, производится обычным способом, и ее определение не требует пояснений.

Мощность, расходуемая ДЭС на компенсацию затраченной аккумуляторной батареей ИБП энергии, является величиною переменной, зависящей от емкости установленной батареи, степени ее разряда и способа, применяемого при ее заряде. К ней следует добавить мощность, расходуемую в момент подключения ДЭУ к ИБП на заряд входных цепей (фильтров), т.к. только после практического окончания заряда начинается подзаряд аккумуляторной батареи.

В результате суммарная нагрузка, подключаемая к ДЭУ, достигает величины, существенно превышающей входную мощность ИБП. Последнее, в свою очередь, заставляет увеличивать установочную мощность ДЭУ, что крайне неэкономично (получаемый при этом избыток мощности используется только при подключении ИБП, в течение секунд) и технически нежелательно (снижение относительной мощности приводит к необходимости более частого «прожига» дизеля).

Увеличения мощности ДЭУ можно избежать и, более того, добиться ее снижения, заменив ИБП с одномоментным («наброс») подключением нагрузки на ИБП с программным («плавный старт») подключением. Зависимость мощности, расходуемой Дизель-генератором в переходном режиме РДЭУ = varphi(tau) показана на рис. 2. Кривая 1 соответствует одномоментному подключению («набросу») нагрузки, а 2 и 2' — программному.

При применении источников бесперебойного питания, не имеющих устройств программного ввода в работу, необходимая мощность дизель-генератора может быть определена по уравнению:

P
    где PАБП — выходная (номинальная) мощность ИБП;
    eta — коэффициент полезного действия ИБП;
    PЗАР.АБ — (0,2 ... 0,25) PAБП /eta — мощность, затрачиваемая на заряд аккумуляторной батареи АБ.
Рисунок 2

Рис. 2. График зависимости мощности, расходуемой ДЭУ в переходном режиме,
РДЭУ = y(tau). РДЭУ — мощность ДЭУ; tau — время; varphi — пределы регулирования мощности, расходуемой ДЭУ в единицу времени в течение переходного процесса при «плавном старте» (кривые 2 и 2'); 1 — мощность, расходуемая ДЭУ при «набросе» нагрузки.

В этом уравнении не учтена возможность подключения некритической нагрузки, которая может запитываться от ДЭУ после окончания переходного процесса при включении АБП. Величина этой нагрузки при ее одномоментном набросе не должна превышать имеющегося запаса мощности дизельной электростанции, равного разности ее номинальной мощности и мощности, расходуемой АБП на установившемся режиме работы. В частном случае, при некритической нагрузке, близкой или являющейся чисто омической, ее подключение параллельно ИБП изменяет параметры системы «ДЭУ-ИБП- Нагрузка», в частности, повышая коэффициент мощности (cos ф) и, соответственно, такая нагрузка может включаться не после окончания переходного процесса, а одновременно с подключением ИБП.

После определения необходимой мощности по таблицам выбирают ДЭУ, мощность которой равна или несколько больше требуемой.

Современные источники бесперебойного питания оборудуют устройствами программного подключения к дизель-генераторам разного типа — с плавным или ступенчатым вводом в работу. Вне зависимости от типа, все они обеспечивают нормированное подключение нагрузки к ДЭУ. Наиболее совершенные, выполненные с плавным вводом в работу, позволяют путем несложной перегулировки, которая может быть выполнена непосредственно на месте монтажа (эксплуатации), устанавливать оптимальную для данной установки мощность, переводимую в единицу времени с аккумуляторной батареи на ДЭУ.

Экспериментальная проверка подтвердила, что перевод осуществляется плавно, практически без изменения частоты вращения вала приводного дизеля и, соответственно, частоты тока, что свидетельствует об отсутствии перегрузки дизеля.

При применении ИБП с программным вводом в работу, например ИБП фирмы Eaton, мощность ДЭУ может быть определена по уравнению:

P
    где theta — коэффициент, равный 1,2...1,3 для ДЭУ с приводными дизелями, оборудованными газотурбинным наддувом, и 1,05...1,1 для дизелей ДЭУ без газотурбинного наддува.

С целью уменьшения провалов напряжения и времени его восстановления целесообразной представляется замена в ДЭС штатных генераторов на генераторы повышенной мощности, при неизменной мощности дизелей. В результате такой замены при неизменном (по абсолютной величине) набросе нагрузки, загрузка генератора (в процентах от его мощности) будет меньшей.

Частной задачей является определение требуемой мощности ДЭУ при подключении к ней нескольких ИБП разной мощности. Оптимальным является вариант их поочередного, начиная с ИБП максимальной мощности, программного подключения к ДЭУ («квазиплавный старт») с интервалом между подключениями в 5...15 с. При этом:

  • первым к ДЭУ, работающей на холостом ходу, должен подключаться ИБП наибольшей мощности;
  • остальные ИБП должны подключаться в порядке убывания их мощности.

Такой порядок подключения позволяет снизить установочную мощность на 7...12 % (в зависимости от количества и мощности ДЭУ).

Мощность ДАГП определяется по уравнению:

P

При этом должны быть выдержаны неравенства —

P
    где РАБП1, РАБП2, РАБПm-2, РАБПm-1, РАБПm — выходные МОЩНОСТИ первого и последующих ИБП, подключаемых к ДЭУ;

    eta_{1}...eta_{m} — КПД соответствующих ИБП;

    К — коэффициент, зависящий от типа приводного дизеля, используемого в ДЭУ. При оборудовании последнего газотурбинным наддувом k = 1,2...1,3, при его отсутствии k = 1,05...1,1.

В случае, если одно или несколько неравенств (23) не выдерживаются, мощность ДЭУ, определенная по уравнению (22) должна быть увеличена на величину, равную максимальной разности правой и левой частей этого неравенства (неравенств).

Окончательно мощность определяется по значениям номинальных мощностей ДЭУ, имеющихся в производстве, взятых из таблиц, причем она должна быть равна или несколько больше расчетной.

Рассмотрим случай, когда при перерыве питания в сети к ИБП подключается дизельный агрегат бесперебойного питания, состоящий из двух или более ДЭУ. Такое решение, при очевидном усложнении системы управления, имеет ряд существенных преимуществ. К их числу относятся:

  • возможность при изменении нагрузки подключать к ИБП разное количество работающих дизель-электрических установок, что улучшает экономические показатели ДАГП;
  • расширение рабочего, могущего быть использованным в течение длительного времени, диапазона мощностей (от 25...40 % номинальной меньшего дизель-генератора до 100...110% суммарной мощности всех установленных агрегатов);
  • сокращение времени работы ДЭУ на малых нагрузках, что уменьшает, а в ряде случаев исключает необходимость в периодических «прожигах» дизелей.

Реализация такой схемы требует решения следующих задач:

  • выбора параметра, определяющего необходимость запуска (остановки) очередной ДЭУ;
  • определения максимальной и минимальной нагрузок, при которых необходимы запуск и включение под нагрузку очередной («последующей») ДЭУ и ее остановка;
  • определения оптимального (по количеству и мощности) состава ДЭУ.

В отличие от случаев, рассмотренных выше, использование напряжения (точнее его исчезновения или снижения) в качестве параметра, определяющего команду на пуск второй и последующих ДЭУ, в рассматриваемой схеме невозможно. Подключение к нагрузке всех, кроме первой ДЭУ, должно производиться до снижения (исчезновения) напряжения.

Наиболее удачным и сравнительно легко реализуемым представляется непосредственный замер нагрузки (мощности ДЭУ). При достижении нагрузкой работающей ДЭУ значения 75...80 % номинальной, подается команда на запуск очередного агрегата. При снижении нагрузки до 25...30% от суммы номинальных мощностей двух ДЭУ — на остановку одной из них.

Естественно, что приведенные значения мощностей, при которых должны запускаться (останавливаться) дизель-генераторы, не являются абсолютными и должны уточняться применительно к конкретной установке. Показателем необходимости уточнения является свободная (неиспользуемая) мощность работающей ДЭУ, которая должна быть равной или превышать предполагаемую пусковую мощность потребителя.

Оптимальное количество и мощность дизель-генераторов, входящих в состав ДАГП, определяют в зависимости от количества, мощности и частоты включения (отключения) потребителей, с учетом типа используемых дизелей с газотурбинным наддувом или без него, а также наличия устройства программного ограничения нагрузки.

Напомним, что параметры переходного процесса при набросе нагрузки у дизелей с газотурбинным наддувом ниже, чем у дизелей без него, что делает их применение в составе агрегатов резервного питания не всегда целесообразным (особенно при «мгновенных» набросах нагрузки).

Как уже отмечалось, при установке дизельного агрегата бесперебойного питания (ДАБП) и исчезновении напряжения на силовом вводе, генератор, работавший до этого в режиме синхронного компенсатора, переходит в генераторный режим и, одновременно, раскручивает и запускает дизель. Кинетической энергии, запасенной вращающимися массами (ротор генератора, маховик и т. п.) в режиме «дежурство», достаточно для того, чтобы при выполнении указанных выше операций частота тока осталась в пределах требований, оговоренных действующими нормами.

Режимы работы таких агрегатов имеют следующие особенности:

  • перевод нагрузки на ДЭУ производится в течение десятых долей секунды. Учитывая, что постоянная времени ДЭУ обычно лежит в пределах 2,0...3,5 с, можно считать, что перевод осуществляется «мгновенно»;
  • переводится вся нагрузка сразу. Разделять ее и производить перевод в несколько этапов нежелательно.

Из сказанного следует, что требуемая мощность таких агрегатов может быть определена по уравнению (19) взять уравнение из книги. При этом следует выбирать агрегат, допускающий максимальный мгновенный наброс нагрузки, который должен быть не ниже q > 0,85.

Рисунок 2

Рис. 3. Осциллограммы пуска электростанции КАС-6302М (а) и перехода автоматизированной системы АСГП-630М из режима «дежурство» в режим «работа» (б). А — исчезновение напряжения сети; Б— начало пуска; В— выход дизеля на номинальную частоту вращения.

На рис. 3 показаны осциллограммы пуска электростанции КАС-630 2М (рис. 3) и перехода автоматизированной системы АСГП-630М (наименование и обозначение заводские, правильнее было бы — дизельный агрегат бесперебойного питания ДАБП) из режима «дежурство» в режим «работа» (рис. 3). Электростанция предназначена, главным образом, для использования в качестве источника гарантированного питания, а система — бесперебойного.

Их мощность — 630 кВт при 1500 об/ мин. Протекание переходного процесса при пуске электростанции практически не отличается от пуска других агрегатов аналогичного назначения, за исключением его времени — 5 с, которое следует признать вполне удовлетворительным. Это время приведено для пуска из непрогретого состояния (температура в машинном зале + 15...20°С) и у большинства агрегатов составляет от 10...15 с до нескольких минут.

Время переходного процесса при пуске АСГП-630М не превышает 0,8 с. Недостатком этой системы является постоянный значительный расход энергии от сети в режиме «дежурство», что существенно ограничивает ее применение.


Другие статьи по дизельным электростанциям:
© 2013 - 2018, Интернет-портал «Дизель Маркет». Использование текстов без письменного согласия запрещена.