УДЕЛЬНЫЙ РАСХОД ТОПЛИВА И ПОТЕРИ МОЩНОСТИ СУДОВОГО ДИЗЕЛЬ- ГЕНЕРАТОРА
Кузнецов С.Е., д.т.н., профессор кафедры «Судовые автоматизированные электроэнергетические системы», ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова», e-mail: kaf_saees@gumrf.ru
Башкирев О.О., аспирант, ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова», e-mail: kaf_saees@gumrf.ru
Виноградов А.А., доцент кафедры «Судовые автоматизированные электроэнергетические системы», ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова», e-mail: kaf_saees@gumrf.ru
Приведены формулы для расчета основных составляющих потерь мощности в судовом бесщёточном синхронном дизель-генераторе: механических потерь всех видов, потерь в стали магнитопроводов, электрических потерь в цепях обмоток и потерь на возбуждение в зависимости от тока нагрузки, напряжения, частоты электрического тока и тока возбуждения. В качестве исследуемого объекта рассматривается судовой дизель-генераторный агрегат фирмы ABB типа AMG 0900XU12LSE номинальной мощностью 6112 кВт. Для анализа потерь мощности и удельного расхода топлива в работе использованы паспортные данные указанного дизель-генераторного агрегата, данные заводских испытаний, проводимых непосредственно перед в вводом в эксплуатацию и экспериментальные данные, полученные в процессе эксплуатации. Произведен сравнительный анализ зависимостей удельных расходов топлива от относительной нагрузки синхронного генератора по данным заводских испытаний и по эксплуатационным данным.
Ключевые слова: судовойдизель-генератор, синхронный генератор, удельный расход топлива, коэффициент полезного действия (КПД), электрическая мощность, механическая мощность, потери мощности.
SPECIFIC FUEL CONSUMPTION AND SHIP DIESEL GENERATOR LOSSES
Kuznetsov S., Professor, Doctor of Technical Sciences, FSEI HE «Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping», e-mail: kaf_saees@gumrf.ru
Bashkirev O., the post-graduate student, FSEI HE «Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping», e-mail: kaf_saees@ gumrf.ru
Vinogradov A., assistant professor. FSEI HE «Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping», e-mail: kaf_saees@gumrf.ru
Formulas for the calculation of the main components in a shipless brushless synchronous diesel generator are given: mechanical losses of all types, losses in the steel of magnetic circuits, electric losses in the winding circuits, and losses due to excitation, depending on the load current, voltage, electric current frequency and excitation current. In the quality of the investigated object, the ship diesel generator set of ABB company AMG 0900XU12LSE is considered. For the analysis of power losses and specific fuel consumption, the passport data of the said diesel generator set, the factory test data, carried out immediately before commissioning and the experimental data obtained during operation, were used in the work. A comparative analysis of the dependences of the specific fuel consumption on the relative load of the synchronous generator is made according to the factory test data and the operating data.
Keywords: ship diesel generator, synchronous generator, specific fuel consumption, efficiency factor, electric power, mechanical power, power loss. В электростанциях морских судов в качестве источников электроэнергии применяются дизель-генераторные агрегаты со среднеобо-
ротными дизелями и трехфазными бесщёточными синхронными генераторами.
Удельный расход топлива судового дизель генератора (СДГ) зависит главным образом от его технического состояния, а также мощ- ности и коэффициента мощности электрической нагрузки [1], [2], [3].
В процессе эксплуатации СДГ при снижении уровня его технического состояния возрастают потери мощности в СДГ, что увеличивает удельный расход топлива. С уменьшением коэффициента мощности электрической нагрузки возрастают электрические потери в токове- дущих цепях (обмотках) СДГ, и увеличивается удельный расход топлива. При изменении электрической нагрузки из-за соответствующего изменения потерь мощности в СДГ также изменяется и удельный расход топлива.
Дизель-генераторные агрегаты проектируются так, чтобы при номинальных значениях частоты вращения и напряжения, при электри- ческой мощности, равной 75…85% от номинального значения, коэффициент полезного действия (КПД) был близок к максимальномузна- чению, а удельный расход топлива был минимальным.
Для выбора режима работы СДГ с минимальным или близким к минимальному расходу топлива необходимо прежде всего знать как изменяются потери мощности в СДГ в зависимости от параметров режима. В синхронном генераторе (СГ) суммарные потери 
определяются следующими основными составляющими:
,
где Рмех – механические потери в генераторе на трение всех видов;
Рс – потери в стали магнитопроводов: основные на перемагничивание и вихревые токи, определяемые без учета неравномерного рас- пределения магнитного потока, и дополнительные – на перемагничивание и вихревые токи на поверхностях сердечников вращающейся и неподвижной частей машины, происходящие от высших гармонических составляющих магнитногополя;
Рм– основные электрические потери в цепях обмоток (потери в меди): основные, определяемые без учета неравномерного распределе- ния электрического тока, и дополнительные в проводниках рабочих обмоток, вызванные неравномерностью распределения электрического тока по сечениюпроводников; Рв – потери на возбуждение.
Механические потери Рмехвключают в себя потери на трение в подшипниках, потери на вентиляцию и потери на трение вращающихся
частей о воздух. Ввиду того, что на данный момент наиболее широкое применение находят бесщеточные синхронные генераторы, ниже
потери в щеточных контактах будут приниматься равными нулю, а механические потери на трение вращающихся частей о воздух в возбуди- теле можно с достаточной точностьюсчитать включенными в аналогичные потери основной электрической машины Рвн. Таким образом,
.
В СГ могут использоваться подшипники качения и подшипники скольжения. Потери на трение зависят от материала и состояния трущихся поверхностей, механического давления на поверхности трения и скорости вращения вала машины.
В работах [1], [2] подробно рассмотрены основные составляющее потерь, приведены выражения для их расчета и получено общее выражение суммарных потерь в синхронном генераторе:
, (1)
где постоянныевеличинывформуле (2) КП, К вн, Кc, Км, Кв могут быть определены как экспериментально путем измерения при разных: токе нагрузки I, выходной электрической мощности генератора P2, напряжении U, частоты электрического тока f и подводимой от дизеля механической мощности на валу, так и расчетным путем по паспортным даннымгенератора.
При известном значении потерь мощности КПД генератора может быть определен как отношение отдаваемой в сеть активной электрической мощности Р2 к подводимой от приводного двигателя (в данном случае дизеля) к генератору механической мощности
.
Подводимую от приводного двигателя механическую мощность можно представить в виде суммы отдаваемой в сеть активной элек- трической мощности Р2 и мощности всех потерь РУ: Р1 = Р2 + РУ.
Отсюда
(2)
В качестве примера определим указанные выше постоянные величины и составим выражение (1) применительно к судовому ДГА с бесщеточным СГ типа AMG 0900XU12 LSE фирмы АВВ и дизелем типа 9L38B фирмы Wartsila. В паспортных данных приведены номи- нальные значения: активная мощность СГ Pном=6112 кВт; напряжение Uном= 6600 В; частота электрического тока fном = 60 Гц; коэффициент нагрузки cosjном = 0,85 и результаты заводских испытаний приразной электрической нагрузке при cosj = 0,85 с указанием отдаваемой активной мощности P2, подводимой к генератору механической мощности Р1, мощности механических потерь Рмех, мощности потерь в стали Рс, в меди Рм, на возбуждение Рв, КПД генератора hсг и тока возбуждения iв. Указанные данные сведены в таблицу 1, а в таблице 2 приведены данные, полученные в процессе эксплуатации СДГ.
Табл. 1. Результаты заводских испытаний генератора типа AMG 0900XU12 LSE фирмы АВВ
| Отн. нагрузка,% | 110% | 100% | 75% | 50% | 25% |
| Р1, кВт | 6932,6 | 6301,6 | 4727,7 | 3166,8 | 1617,9 |
| Р2, кВт | 6723,6 | 6112,4 | 4584,3 | 3056,2 | 1528,1 |
| зсг, % | 97,0 | 97,0 | 97,0 | 96,5 | 94,4 |
| Рмех, кВт | 15,1 | 15,1 | 15,1 | 15,1 | 15,1 |
| Рс, кВт | 55,8 | 55,8 | 55,8 | 55,8 | 55,8 |
| Рм, кВт | 90,6 | 76,5 | 42,4 | 18,5 | 4,3 |
| Рв, кВт | 47,5 | 41,9 | 30,2 | 21,2 | 14,7 |
| РУ, кВт | 209,0 | 189,3 | 143,5 | 110,6 | 89,9 |
| iв, A | 228,4 | 214,5 | 181,9 | 152,4 | 126,4 |
| q, г/кВт.ч | 209,04 | 203,43 | 200,5 |
Табл. 2. Результаты, полученные в процессе эксплуатации генератора типа AMG 0900XU12 LSE фирмыАВВ
| Отн. нагрузка, % | Р2, кВт | q, г/кВт.ч | Отн. нагрузка, % | Р2, кВт | q, г/кВт.ч | Отн. нагрузка, % | Р2, кВт | q, г/кВт.ч |
| 1833,7 | 3056,2 | |||||||
| 1833,7 | 3056,2 | 206,5 | ||||||
| 1222,5 | 2139,4 | 3178,5 | ||||||
| 1222,5 | 3667,5 | |||||||
| 2567,2 | 4584,3 | 198,5 | ||||||
| 1528,1 | 2750,6 | 5134,5 | ||||||
| 1589,2 | 3056,2 | 5195,6 |
По данным табл. 1 на рис. 1 приведены зависимости потерь на трение (кривая 1), потерь в стали (кривая 2), потерь в меди (кривая 3), потерь на возбуждение (кривая 4), полных потерь (кривая 5) и КПД (кривая 6) от относительной нагрузки при заводских испытаниях.
Следует отметить, что до 84% относительной нагрузки СГ потери в стали являются наибольшей составляющей суммарных потерь СГ. Потери на возбуждение соответствуют квадратичной зависимости от тока возбуждения и на холостом ходу определяются начальным током возбуждения. Потери в меди статора изменяются пропорционально квадрату тока нагрузки СГ. Таким образом, суммарные потери СГ со- держат постоянную составляющую, включающую в себя механические потери, потери в стали и потери на начальное возбуждение, и потери в меди статора, пропорциональные квадрату тока нагрузки, и потери на возбуждение, пропорциональные квадрату тока возбуждения.
Подставив в формулу (1) известные значения параметров, при которых производились испытания генератора, можно получить значения соответствующих коэффициентов. Ввиду того, что испытания дизель-генератора проводились при постоянной частоте вращения,а меха- нические потери разделяются на две составляющие, необходимо проведение дополнительного измерения для определения коэффициентов К п и К вн при частоте вращения, отличной от номинальной. Формула (1) примет вид:
. (3)
При проведении дополнительного измерения при частоте вращения, отличной от номинальной, формулу (3) можно использовать для диагностирования и определениявида неисправности генератора типа AMG 0900XU12 LSE фирмы АВВ, анализируя характер изменения коэффициентов исоответствующих потерь мощности. Наибольший эффект может быть достигнут при использовании полученных резуль- татов в математической модели с соответствующим программным обеспечением.
Предложенное устройство определения дефекта судового дизель-генератора по рассмотренному принципу описано в патенте на по- лезную модель [4].
По эксплуатационным данным табл.2 и по данным заводских испытаний табл.1 с применением полиномиальной регрессии получена зависимость удельного расхода топлива от относительной нагрузки с использованием программы AdvancedGrapher.
Далее, полагая, что перерасход топлива в процессе эксплуатации по сравнению с данными ходовых испытаний является следствием увеличившихся потерь в генераторе, определена зависимость КПД работающего генератора от мощности. На рис. 2 приведены получен- ные зависимости удельного расхода топлива дизель-генератора и КПД синхронного генератора по данным заводских испытаний и по эксплуатационным данным.
Рис. 1 Потери и КПД судового дизель-генератора ABBAMG 0900XU12 LSE
 |
Рис.2 Удельный расход топлива и КПД генератора по результатам заводских испытаний и по эксплуатационным данным.
Рис.3 Полные потери мощности дизель-генератора, определенные по данным заводских испытаний и эксплуатационным данным.
По известным значениям КПД и тока нагрузки генератора находятся потери мощности дизель-генератора при заводских испытаниях и в процессе эксплуатации, рис. 3.
Полученное регрессионным анализом (программа AdvancedGrapher) уравнение мощности суммарных потерь при заводских испыта- ниях (табл. 1) имеет вид
P å = 0, 0105 × I 2 + 82,8514
, (4)
а мощности суммарных потерь по эксплуатационной характеристике (табл. 2) имеет вид
P å = 0, 02684 × I 2 + 93, 9104
Разница потерь определяется вычитанием из уравнения (5) уравнения (4):
. (5)
P D = 0, 01634 × I 2 +11, 059
. (6)
На рис. 3 приведены соответствующие зависимости суммарных потерь мощности в дизель-генераторе от относительной мощности генератора.
Таким образом, в процессе эксплуатации в ДГА постоянная составляющая потерь увеличилась на 13,2%, а квадратичная составляющая потерь увеличилась на 155,6%, что может быть вызвано снижением уровня технического состояния ДГА: увеличением потерь на трение, от вихревых токов, высших гармонических составляющих токов и напряжений, а также потерь в дизеле.
Изложенная методика позволяет рассчитать КПД СГ, потери и разделить их на составляющие, что позволит проводить диагности- рование ДГА, определять вид дефекта при наличии перерасхода топлива. При этом, чем больше значений учитываемых параметров ДГА получено в процессе эксплуатации, тем точнее могут быть определены составляющие потерь в ДГА.
Литература:
1. Кузнецов, С.Е. Потери и коэффициент полезного действия судового синхронного генератора. // С.Е. Кузнецов // Сборник научных трудов «Эксплуатация морского транспорта». – 2009. – №3 (57) – с. 67-71.
2. Кузнецов, С.Е. Влияние нагрузки и коэффициента мощности на коэффициент полезного действия судового синхронного генератора.
// С.Е. Кузнецов, Ю.В. Кудрявцев // Судостроение. – 2011. – №5 – с. 29-32.
3. Кузнецов, С.Е. Влияние нагрузки и коэффициента мощности на расход топлива судового дизель-генераторного агрегата. // С.Е. Кузнецов // Судостроение. – 2011. – №6 – с. 30-32.
4. Кузнецов, С.Е., Башкирев О.О. Патент на полезную модель RU 146253 U1, Устройство определения дефекта судового дизель- гене- раторного агрегата, зарегистрировано в госреестре полезных моделей РФ 03.09.2014 г.