Расчет мощности электростанций (генераторных установок)

1. ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

В данном разделе приведены общие рекомендации по подбору мощности ДЭС (дизельная электростанция). Необходимо рассматривать влияние на условия эксплуатации не отдельных факторов, описываемых в этом разделе, а в совокупности с другими факторами.

2. ОГРАНИЧЕНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С УСЛОВИЯМИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

2.1. Характеристики окружающей среды для нормальной работы электростанций

2.1.1. Дизельные двигатели

В соответствии с требованиями стандарта ISO 3046/1 значение номинальной мощности дизельных двигателей в стационарных условиях эксплуатации соответствует следующим параметрам окружающей среды:

• температура 25 °С;
• давление 0,1 МПа (750 мм ртутного столба);
• относительная влажность 30 %.

2.1.2. Синхронные генераторы

В соответствии с требованиями стандартов IEC 34-1, ISO 8528-3 и CEI 2-3 для нормальной работы синхронных генераторов в стационарных условиях соответствуют следующие параметры окружающей среды:

• температура 40 °С;
• высота над уровнем моря 1000 м (давление 0,09 мПа, 674 мм рт. столба).

2.2. Эксплуатация электростанции при других параметрах окружающей среды

В случае изменения реальных параметров окружающей среды относительно указанных в 2.1, необходимо уменьшить выходную мощность двигателя и генератора.

Основные значения параметров окружающей среды, при которых электростанция будет работать, должны быть четко указаны при оформлении заказа на покупку ДЭС. При этом любое изменение условий эксплуатации должно быть установлено как можно раньше.

В частности, заказчик должен обратить особое внимание на следующие параметры окружающей среды:

1. предельные значения температуры окружающей среды;
2. высота над уровнем моря, а лучше предельные значения атмосферного давления. Для передвижных электростанций должны быть указаны максимальное и минимальное значения высоты над уровнем моря.
3. относительная влажность при разных температурах и давлении окружающей среды, особенно – значение относительной влажности при максимальной температуре;
4. предельные значения температуры охлаждающей жидкости для электростанций, оснащенных вместо радиатора теплообменником (поставляются по требованию заказчика);
5. любые другие особые техусловия, которые могут привести к сокращению периодичности технического обслуживания, например:
   
   • запыленность атмосферы;
   • параметры морской среды для судовых генераторных установок;
   • наличие в окружающей среде химических загрязнений;
   • наличие повышенного уровня радиации;
   • большие внешние нагрузки или вибрация (вызванные, например, сейсмической активностью или вибрацией от расположенного рядом оборудования).

Если фактические обстоятельства эксплуатации ДГУ не определены на этапе заключения договора, то при выборе величины номинальной мощности дизельных двигателей принимаются параметры окружающей среды, приведенные в 2.1.1. Если параметры окружающей среды впоследствии изменяются, фирма изготовитель электростанции должна быть извещена об этом в установленном порядке, для того чтобы произвести новые расчеты, связанные с изменением номинальных рабочих характеристик, а также осуществить повторную доводку механизмов.

Изменения номинальных рабочих характеристик дизельных двигателей предусмотрены стандартом ISO 3046/1. Специальные действия по изменению номин. рабочих характеристик выполняются в соответствии с фактическими условиями эксплуатации электростанции. Изменение номинальных рабочих характеристик синхронных генераторов по сравнению с дизельными моторами менее критично. Поэтому, как правило, изменения производят у дизельного двигателя.

В качестве дополнительной информации можно использовать следующие таблицы и графики:

• таблицу изменения номинальных рабочих характеристик для моторов с атмосферной воздухо-заборной системой (табл. 2-B);
• график выбора двигателей с наддувом (рис. 2-A);
• график выбора силовых установок с наддувом и охлаждением (рис. 2-B).

Цифры, приведенные в таблице 2-А, представляют собой справочную информацию для определения величин снижения номин. рабочих характеристик синхронных генераторов. Для получения более точных значений обращайтесь к документации изготовителя электростанции.

Табл. 2-А. Показательные коэффициенты изменения мощности самовентилируемого синхронного генератора IP2I с воздушным охлаждением, соответствующие изменению условий окружающей среды.

Температура окружающей среды, °С	30	35	40	45	50	55	60
Коэффициент снижения мощн. – K1	1,05	1,03	1	0,96	0,92	0,88	0,84
Высота над уровне моря, м	1000	1500	2000	2500	3000	3500	4000
Коэффициент снижения мощн. – K2	1	0,97	0,95	0,92	0,89	0,86	0,83

Чтобы получить номинальную мощность электростанции при различных внешних условиях в соответствии со стандартом, необходимо в расчете требуемого дизельного генератора использовать коэффициенты К1 и K2.

НАПРИМЕР:

Дизельный генератор Mobil-Strom IS-85 68 кВт (85 кВА), со стандартными условиями эксплуатации: температура внешней среды 25 °C, атмосферное давление 100 мм ртутного столба, относительная влажность воздуха 30 %.

Установка состоит из:

• двигателя Iveco NEF45 TM1 с наддувом мощностью, при тех же параметрах, 77 кВт;
• генератора переменного тока (Sr) 85 кВА, при 40 °C и атмосферном давлении 1000 мм ртутного столба; к.п.д. генератора переменного тока принимается равным 89 %.

Нам необходимо проверить максимально возможную мощность ДЭС при атмосферном давлении 1500 мм. ртутного столба и температуре окружающей среды 45 °C .

Коэффициент изменения номинальных рабочих характеристик двигателя, взятый из рис. 2- В, равен 0, 74. Поэтому номинальная мощн. двигателя при вышеупомянутых условиях будет: 0, 75 x 77 = 57 кВт. Принимая во внимание к.п.д. генератора переменного тока, полная номинальная мощность электростанции будет: 57 x от 0, 89 = 51 кВт.

Чтобы определить, отвечает ли генератор переменного тока указанным требованиям, величина снижения номинальных рабочих характеристик генератора переменного тока определяется величинами коэффициентов К1 и K2 из табл. 2-A. Фиксируемая мощность задается как: К1 x K2 x Sr.

Это значит, что при К1 = 0, 96 и K2 = 0, 97 максимальная фиксируемая мощность будет равна: 0, 96 x 0, 97 x 85 = 79, 2 кВА, а активная, при величине cos ср = 0, 8 будет равна: 74, 4 x 0, 8 = 63, 4 кВт. Следовательно, генератор переменного тока для заданной выходной мощности электростанции (51 кВт) выбран правильно.

2.3. Эксплуатационные ограничения

2.3.1. Общие сведения

На этапе принятия технического предложения пользователь или заказчик должен сообщить обо всех обстоятельствах эксплуатации, которые могут повлиять на работу дизельного генератора. В дополнение к информации о внешних условиях, о которой говорится в п. 2.2, должны быть указаны характеристики нагрузки, то есть мощность, напряжение и коэффициент мощности. Особое внимание в представленной информации следует уделить определению последовательности подключения нагрузки к линии электропитания, как это описано в п. 2.3.7.

2.3.2. Номинальная мощность

Номинальная мощность электростанции – это измеряемая в кВт активная мощность на клеммах электрогенератора при номинальных напряжении и частоте и заранее заданных параметрах условий окружающей среды (см. также п. 2.1.1). Она должна отвечать требованиям стандартов ISO 8528/1 и 3046/1. Соответствующие определения приведены ниже.

2.3.2.1. Непрерывная мощность электростанции (стандарт ISO 8528-1 п. 13.3.1)

– это мощность, отдаваемая дизельной электростанцией (ДЭС) непрерывно в течение неограниченного количества часов в год, с перерывами на техническое обслуживание, определенными изготовителем, при заранее заданных условиях окружающей среды (см. также п. 2.1.1). Перегрузка на 10 % допустима только во время регулировки (кратковременные нагрузки и их внезапные изменения), но не при обычном режиме снабжения потребителей электроэнергией.

2.3.2.2. Основная мощность ДЭС (стандарт PRP/ISO 8528/1 п. 13.3.2)

– это максимальное значение отдаваемой дизельным генератором мощности, за один цикл в течение неограниченного количества часов, между заданными изготовителем интервалами на техническое обслуживание электростанции при заранее заданных внешних условиях (см. также п. 2.2.1.1). Средняя мощность, получаемая в течение 24 часов, не должна превышать 80 % от номинальной мощности силовой установки. Перегрузка на 10 % допустима только во время регулировки.

2.3.2.3. Мощность электростанции при ограниченном времени эксплуатации (стандарт LTP/ISO 8528-1 п. 13.3.3)

– это максимальная отдаваемая мощность при заранее заданных внешних условиях не более, чем за 500 часов в год, с заданными изготовителем не более, чем 300-часовыми перерывами на техническое обслуживание ДЭС. Считается, что эксплуатация электростанции с такой выходной мощностью влияет на срок службы установки. Перегрузка на 10 % допустима только во время регулировки.

2.3.2.4. Максимальная мощность холостого хода (или согласно стандарту ISO 3046 мощность на маховике)

– это максимально допустимая мощность при работе дизельного генератора с изменяющейся нагрузкой в течение ограниченного числа мото-часов в год (500 часов) при заранее заданных условиях окружающей среды (см. также п. 2.2.1.1)

В пределах следующих максимальных эксплуатационных ограничений:

• 100 % нагрузки при эксплуатации в течение 25 часов в год;
• 90 % нагрузки при эксплуатации в течение 200 часов в год.

Перегрузки не допустимы.

2.3.3. Частота

Дизельные генераторы обычно разрабатываются для эксплуатации при числе оборотов в минуту 1500 и 1800 при частоте, соответственно, 50 Гц и 60 Гц (4-х полюсный электрогенератор).

Соответствующие двигатели оборудованы механическими регуляторами, расположены на насосе впрыска топлива, и обычно настраиваются так, чтобы при изменении потребления нагрузки отклонение частоты вращения от заданной не превышало 5 %. Частота выходного тока, поэтому, должна составлять 52,5 Гц в режиме холостого хода и 50 Гц при полной нагрузке.

При постоянной нагрузке стандартный регулятор скорости работает с точностью ±0,5 %. Эти эксплуатационные характеристики соответствуют стандарту ISO 3046/IV - Класс А1 и 8528-5 Класс G2. Для выполнения специальных технических требований возможно использовать электронный регулятор, обеспечивающий изохронный режим работы с точностью ±0,25 % в соответствии с требованиями стандарта 8528-5, класс G3/G4.

2.3.4. Напряжение

На генератор устанавливается регулятор напряжения электронного типа, способный управлять напряжением на выходе в соответствии с требованиями стандарта 8528-5. В случае применения силовой установки с наддувом, приложение мгновенной нагрузки, равной 80 % от номинальной, возможно временное снижение оборотов до 10 % от заданной величины.

Очевидно, что величины, указанные для двигателей как с атмосферной воздухозаборной системой, так и с наддувом, могут изменяться в зависимости от типа регулятора скорости и используемого генератора.

2.3.5. Коэффициент мощности

Как уже говорилось выше, мощность электростанции - это активная мощность на выходных клеммах генератора, выраженная в кВт. Номинальный ее коэффициент - 0,8. Поэтому номинальная фиксируемая мощность в 1,25 раза больше номинальной активной. Величина коэффициента мощности зависит от электрических параметров нагрузки. Дизельные электростанции, оборудованные синхронными генераторами, в соответствии с требованиями нагрузки способны вырабатывать как активную мощность, так и реактивную. Однако, в то время как активная - зависит от мощности дизельного двигателя (преобразовывающего механическую энергию в электроэнергию посредством электрогенератора), реактивная - зависит от параметров синхронного генератора.

Следовательно, если коэффициент мощности отличается от cos ф = 0,8, необходимо принимать во внимание следующее:

2.3.5.1. Нагрузка при величине cos ф от 0,8 до 1

Чтобы не было перегрузки двигателя, не должна превышаться номин. активная мощность, выраженная в кВт. Фиксируемая мощность, выраженная в кВА, обратно пропорциональна cos ср. При cos ф = 0,8 фиксируемая мощность равна 1,25 от активной, а при cos ф = 1, мощности равны. Синхронный генератор идеально работает с номин. активной мощностью при cos ф = 0,8 до 1.

2.3.5.2. Нагрузка при cos ф < 0,8

При данной номинальной мощности чем меньше cos ф, тем больше увеличивается перегрузка системы возбуждения. Фактически, с уменьшением cos ф выходная реактивная мощность увеличивается. Поэтому согласно инструкциям изготовителя генератор должен работать со сниженной мощностью. Как правило, при таких обстоятельствах дизельный мотор вырабатывает избыточную мощность.

В табл. 2-C приведены коэффициенты изменения номинальных значений. Для получения более подробной информации обратитесь к конструкторской документации электростанции.

2.3.6. Однофазная нагрузка ДЭС

Электростанции могут работать с несимметричной нагрузкой вплоть до достижения максимального номинального тока в каждой фазе. Это означает, что не более, чем Ц3/3= 0,58 номин. трехфазной выходной мощности установки может потребляться двумя фазами (например, между L1 и L2). Точно так же, не более, чем одна треть (то есть 33 %) номинальной трехфазной мощности может потребляться одной фазой (например, между L3 и нейтралью).

Необходимо помнить, что во время однофазной работы ДГУ или, когда нагрузка несимметрична, регулятор напряжения не в состоянии поддерживать напряжение в допустимых пределах, приведенных в п. 2.3.4.

2.3.7. Восприятие нагрузки ДЭС

2.3.7.1. Общие сведения

Когда к автономной электростанции подключается нагрузка, создаются скачки напряжения и частоты. Амплитуда этих скачков зависит от активной мощности (в кВт), реактивной (в кВА), изменений нагрузки и характеристик установки (мощн. и динамические характеристики). Характеристики дизельного генератора - это комбинация характеристик дизельного двигателя и синхронного генератора.

Если способность восприятия нагрузки является важным техническим требованием, она должна быть четко определена пользователем или заказчиком, обязанным предоставить всю информацию о различных видах нагрузки, на которую подается напряжение, ее возможное деление на группы и относительную очередность восприятия установкой. Это позволяет оптимизировать параметры ДЭС.

Таблица 2-C. Примеры коэффициентов изменения мощности электрогенератора в зависимости от cos ф.

Коэффициент мощн. - cos ф	1	0,8	0,7	0,6	0,5	0,3	0
Коэффициент изменения	1	1	0,93	0,88	0,84	0,82	0,8

2.3.7.2. Пуск асинхронных двигателей от ДГУ

При пуске асинхронных электромоторов от электростанции возникает масса проблем, в особенности с двигателями с короткозамкнутым ротором, имеющими большой пусковой ток (I start), до восьми раз превышающий номин. ток (I) при небольшом значении коэффициента мощности.

При этих обстоятельствах величина тока, потребляемого одним асинхронным электродвигателем (или несколькими, одновременно пускаемыми электродвигателями) во время пуска, не должна превышать максимальный ток, который электрогенератор способен вырабатывать в течение короткого времени при допустимом падении напряжения, не превышая при этом допустимых температур.

Чтобы предотвратить чрезмерное увеличение пусковых токов, могут быть приняты следующие решения:

• Если обеспечивается электропитание нескольких двигателей, необходимо разбить их на группы с заранее заданной временной последовательностью пуска через 30-60 секунд.
• Если обеспечивается электропитание только одного двигателя, то, если это позволяет присоединенное управляющее устройство, используйте систему пуска со сниженным напряжением (при переключении со звезды на треугольник, либо с автотрансформатором) или, в случае больших мощностей, используйте двигатели с фазным ротором или с реостатным пускателем.

При переключении схемы включения со звезды на треугольник, напряжение на каждой фазе уменьшается, и пусковой ток (I start) снижается в пропорции 1/д/~3 = 0,58.

Таким образом, в случае запуска двигателя с пусковым током I start = 6 In при подключении звездой, тот же двигатель с подключением треугольником будет иметь пусковой ток I приблизительно в 3,5 раза от значения номинального тока (3,5 In), так что в итоге генераторной установке нужно вырабатывать меньшую мощн. в соотношении 6/3,5.

В любом случае, независимо от того, как осуществляется пуск, непосредственно или со сниженным напряжением, оборудование и электропотребители, подключенные к сети заказчика, должны контролироваться во избежание проблем (например, размыкания контакторов), вызванных временным падением напряжения на выходных клеммах ДЭС.