Судовая электроэнергетическая установка (СЭЭУ) представляет собой сложный технический комплекс, состоящий из различных видов электрооборудования, обеспечивающего процессы генерирования и распределения электроэнергии между приемниками, преобразующими электроэнергию в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую и т.п.).

В состав судовой электроэнергетической установки входят:

судовая электроэнергетическая система (СЭЭС);

общесудовые приемники электроэнергии;

гребная электрическая установка (ГЭУ),

Структура СЭЭУ приведена на рис. 1.1.

СЭЭУ обладает всеми свойствами системы, однако здесь и далее ис­пользуется общепринятая терминология в отношении судовых электро­технических комплексов, систем и установок.

В состав СЭЭС входит одна или несколько судовых электростанций (СЭС) и судовые распределительные сети.

СЭС называют технический комплекс, состоящий из источников электроэнергии и главного распределительного щита (ГРЩ), основным назначением которой является производство электроэнергии необходимого количества и качества во всех режимах эксплуатации судна.

Судовые электростанции подразделяют на основные, аварийные и специальные. Основная СЭС обеспечивает электроэнергией общесудо­вые приемники во всех эксплуатационных режимах работы судна, вклю­чая аварийный (пожар, пробоина). Аварийная СЭС обеспечивает питани­ем только особо важные приемники в случае отказа основной.

Специальные СЭС могут использоваться на судах для питания тех­нологических комплексов (рыбоперерабатывающий завод, буровая уста­новка и т.п.). К специальным относят СЭС, которые питают гребные электрические установки. В них источники электроэнергии подключа­ются к щиту электродвижения (ЩЭД).

Если СЭС одновременно обеспечивает электроэнергией ГЭД и общесудовые приемники, то в этом случае судовую электроэнергетиче­скую систему принято называть единой.

Электрические распределительные сети состоят из:

Электрораспределительных щитов (РЩ);

Кабельных линий электропередачи, передающих электроэнергию от источников или распределительных щитов (РЩ) к приемникам;

Преобразователей электроэнергии, обеспечивающих питание ло­кальных сетей, таких как сеть переносного рабочего освещения, транс­ляционная сеть и т.д.

В большинстве случаев движение судна обеспечивают главные дви­гатели (дизели, турбины), входящие в состав главной энергетической установки судна (ГлЭУ). На многих судах различного назначения для" обеспечения движения судна используется гребная электрическая установка (ГЭУ), которая входит в состав СЭЭУ.

На судах с ГЭУ движение обеспечивается за счет работы гребных электродвигателей (ГЭД), которые получают питание или от специаль­ной, или от основной электростанции.

СЭЭС по типу взаимосвязи с главной энергетической установкой судна можно разделить на:

Автономные СЭЭС, не имеющие непосредственной связи с ГлЭУ;

СЭЭС с отбором мощности от ГлЭУ;

Единые СЭЭС.

Классификация СЭЭС по типу связи с главной энергетической уста­новкой судна представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Классификация СЭЭС по типу связи с ГлЭУ

В автономных СЭЭС электроэнергию для питания приемников вы­рабатывают автономные источники электроэнергии, как правило, турбо-или дизель-генераторы.

В состав СЭЭС с отбором мощности от ГлЭУ помимо автономных источников электроэнергии входят генераторные установки, исполь­зующие для производства электроэнергии мощность ГД. К таким уста­новкам относят валогенераторные установки (ВГУ) и утилизационные установки. В ВГУ электроэнергию вырабатывают валогенераторы (ВГ), приводимые в движение непосредственно ГД. В утилизациошшх уста­новках применяются утилизационные паро- или газотурбогенераторы. Для получения пара в утилизационных котлах используется тепло выхлопных (отбросных) газов ГД. Утилизационные газотурбогенераторы приводятся в движение под действием давления выхлопных газов ГД.

В отличие от ВГУ, утилизационные турбогенераторы находят огра­ниченное применение на современных судах. Это связано, прежде всего, с малой мощностью утилизационной установки.

ВГУ производят непосредственный отбор мощности от ГлЭУ, утилизационные установки - косвенный.

В единых СЭЭС производимая электроэнергия расходуется на общесудовые нужды и обеспечение движения судна.

Источниками электрической энергии на судах служат электрогенераторы переменного или постоянного тока, приводимые в движение первичными двигателями (паровыми машинами и турбинами, двигателями внутреннего сгорания), и аккумуляторные батареи. Генераторы тока, смонтированные вместе с первичными двигателями на одной фундаментной раме, называются электроагрегатами и по роду первичного двигателя разделяются на парогенераторы, турбогенераторы и дизель-генераторы.

В состав судовой электрической станции, кроме электроагрегатов, входят главный и вспомогательные распределительные щиты с размещенными на них аппаратурой, приборами и различными вспомогательными устройствами. Электрическая станция размещается обычно в машинном отделении судна или в специальном отсеке, вблизи машинного отделения.

По назначению судовые электростанции подразделяют на основные, вспомогательные и осветительные. Основные электростанции устанавливают на судах, имеющих в качестве главных двигателей гребные электродвигатели (турбо- и дизель-электроходы). Такие станции служат для обеспечения движения судна, привода вспомогательных механизмов и устройств, освещения судна и питания бытовых электроприборов. Они достигают по мощности нескольких тысяч киловатт.

Вспомогательные электростанции устанавливают на судах с паротурбинными, дизельными и газотурбинными установками (турбоходы, теплоходы и др.). Они предназначены для обеспечения работы вспомогательных механизмов и устройств, а также для освещения судна. Мощность таких электростанций достигает несколько сотен и даже тысяч киловатт.

Осветительные электростанции устанавливаются на небольших судах, имеющих паровой привод вспомогательных механизмов, и служат в основном для освещения судна. Мощность этих электростанций, как правило, не превышает нескольких десятков киловатт.

Судовые электростанции в соответствии с Правилами Регистра СССР могут быть как постоянного тока напряжением 6, 12,24, 110 и 220 в, так и переменного тока напряжением б, 12, 24, 127, 220 и 380 в. Для силовых электросетей допускается применение напряжения до 220 в при постоянном токе и до 380 в при переменном. Для сетей освещения независимо от рода тока применяется напряжение 220 или 110/127 в, а для низковольтного освещения - 6, 12 и 24 в. На танкерах и нефтеналивных судах напряжение сети освещения не должно превышать 110 в при постоянном токе и 127 в - при переменном.

На судах используют электродвигатели постоянного и переменного тока. Применение постоянного тока позволяет плавно регулировать частоту вращения электродвигателей в широких пределах, допускает у них перегрузку и большой пусковой момент. Поэтому электродвигатели постоянного тока применяются на судах для привода в действие палубных механизмов, рулевых машин и некоторых вспомогательных механизмов машинного отделения. Однако большее преимущество имеют электродвигатели переменного тока (особенно асинхронные), что объясняет современную тенденцию повсеместного их внедрения на морских судах (см. § 24).

Так, например, асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, выпускаемые в водозащищенном и брызгозащищенном исполнениях на напряжение тока 380/220 в, могут быть использованы как в качестве гребных электродвигателей, так и для привода палубных механизмов.

Кроме главной электростанции, большинство судов имеет независимую аварийную станцию, получающую питание от аварийного дизель-генератора и предназначенную для обеспечения питанием и освещением приборов управления судном и основных вспомогательных электромеханизмов в случае выхода из строя главного электроагрегата.

На некоторых типах судов (нефтеналивные, пассажирские и др.) наряду с аварийной электростанцией устанавливают специальные аккумуляторные батареи малого аварийного освещения, автоматически включающиеся при исчезновении тока в судовой сети освещения.

Главный распределительный щит (ГРЩ) судовой электростанции состоит из металлического каркаса и прикрепленных к нему одной или нескольких панелей, предназначенных для расположения на них приборов. Количество панелей на каркасе щита определяется числом электрогенераторов и количеством судовых потребителей тока.

Согласно Правилам Регистра СССР на морских судах допускается установка распределительных щитов только закрытого типа. Такие щиты отличаются тем, что на их лицевой стороне на панелях размещают только электроизмерительные приборы, а также рукоятки управления остальными приборами и аппаратами, которые вместе с токоведущими частями и шинами монтируют на задней стороне щита. Все электрогенераторы присоединяют к общим сборным щитам ГРЩ, которые разделяют на отдельные секции для возможности отключения и ремонта при работающей электростанции. К распределительным устройствам относятся также вторичные, групповые и отдельные щиты, устроенные подобно ГРЩ.

Судовая электростанция предназначена для обеспечения электроэнергией судовых потребителей в нормальных и аварийных режимах.

В состав судовой электростанции входят вспомогательные первичные двигатели (дизели, паровые или газовые турбины), электрогенераторы, главные и местные распределительные щиты, трансформаторы, выпрямители, преобразователи, кабели и контрольно-измерительные приборы (Рис. 9.1).

Большинство судовых потребителей электроэнергии питаются переменным током 380 (силовые потребители) и 220 В с частотой 50 Гц (в некоторых случаях до 400 Гц). Потребители постоянного тока питаются от преобразователей или выпрямителей. Для переносного освещения используется переменный ток напряжением 12В, получаемый от понижающих трансформаторов.

Все судовые электростанции делятся на три вида:

- главные, которые обеспечивают электроэнергией работу гребных электродвигателей (на судах с электродвижением) или технологическое оборудование (на судах технического флота);

- общесудовые, которые обеспечивают электроэнергией потребители ГЭУ и общесудовые потребители на всех режимах работы СЭУ и судна;

- аварийные, которые обеспечивают работу потребителей при выходе из строя общесудовой электростанции.

Рисунок 9.1 Судовая электростанция: а – с генератором, приводимым от дизеля; b – с валогенератором: 1 – дизель; 2 – валогенератор; 3 – гребной вал;

4 – генератор; 5 – распределительный щит.

Общесудовые электростанции применяются на судах всех типов и комплектуются на основе предварительных расчетов потребления электроэнергии.

Как правило, на морских судах устанавливается до 3-4 генераторных агрегатов. Это повышает надежность электростанции. При этом на ходовых режимах работает только один генератор. Если на судне установлено 4 однотипных дизель-генератора, то ходовой режим обеспечивается двумя, работающими параллельно, а на стоянке работает один дизель-генератор.

Может быть такая схеме, когда электростанция комплектуется тремя однотипными дизель-генераторами и одним меньшей мощности – стояночным. В режиме стоянки стояночный дизель-генератор работает на полной нагрузке, а в других режимах подключается, если одного ДГ мало, а двух слишком много.

Стояночный ДГ используется также на судах с ПТУ. На таких судах применяются паротурбогенераторы и валогенераторы, количество которых может быть 2…3 (на танкерах и сухогрузах) и до 4…5 на пассажирских судах, контейнеровозах и газовозах.

На судах с ГТУ и теплоутилизционным контуром потребность в электроэнергии на ходовых режимах обеспечивают паротурбогенераторы, получающие пар от утилизационного котла. На стояночных режимах используют ДГ, который резервирует паротурбогенераторы на ходовых режимах.

Аварийные электростанции применяются на судах всех типов для обеспечения наиболее важных для безопасности судна потребителей при внезапном исчезновении напряжения на главном рапредщите (ГРЩ) или при выходе из строя общесудовой электростанции.

Аварийные электростанции комплектуются дизель-генераторами и размещаются в отдельных помещениях выше водонипронициаемой палубы. Их дизели обеспечиваются необходимым запасом топлива для непрерывной работы в течение не менее 6 часов для транспортных судов и 36 часов для пассажирских судов.

Судовая электростанция является центральным пунктом электро-энергетической системы судна и предназначена для выработки, преобразования и первичного распределения электрической энергии.

В состав судовой электростанции входят источники и преобразователи электрической энергии и главный электрораспределительный щит с приборами управления, контроля и защиты. В судовых условиях при наличии сложных условий эксплуатации электрооборудования требуется повышенная надежность работы электростанции.

Судовые электростанции могут быть классифицированы но назначению, роду тока, типам первичных двигателей генераторных агрегатов, способу отбора мощности, способу управления.

По назначению различают основные, аварийные и специальные судовые электростанции.

Основная судовая электростанция предназначена для питания приемников электроэнергии на всех режимах работы судна. Электростанцию размещают в машинном отделении судна так, чтобы оси вращающихся источников электрической энергии были параллельны диаметральной плоскости судна, а устанавливают перпендикулярно ей.

Аварийная судовая электростанция обеспечивает минимальное число приемников электроэнергии, выбираемых согласно Правилам Речного Регистра, в случае исчезновения напряжения на главном электрораспределительном щите.

Электростанции специального назначения предназначены для питания гребных электрических установок на дизель-электроходах и привода черпакового устройства на земснарядах.

Ледоколы типа «Капитан Чечкин» имеют единую судовую электростанцию, обеспечивающую электроэнергией гребную установку и все судовые приемники.

По способу управления различают неавтоматизированные и автоматизированные судовые электростанции. Неавтоматизированные имеют ручное управление режимами работы, автоматизированные — автоматическое (автозапуск, установка режима, выключение и др.) с контролем за работой с пульта управления, установленного в ходовой рубке, или из центрального поста управления в машинном отделении.

Автоматизированные судовые дизель-генераторы по объему автоматизации должны соответствовать одной из трех степеней автоматизации.

При автоматизации по первой степени автоматически поддерживается частота вращения, температура охлаждающей жидкости и смазочного масла дизель-генераторов. Аварийно-предупредительная сигнализация и защита позволяют иметь условия эксплуатации, при которых дизель-генераторы могут работать без обслуживания и наблюдения не менее 4 ч.

Автоматизация по второй степени позволяет иметь в автоматическом режиме пуск, параллельную работу с другими дизель-генераторами, выключение из работы с продолжительностью эксплуатации без обслуживания не менее 24 ч.

Дизель-генераторы, автоматизированные по третьей степени , имеют заданное распределение активных и реактивных нагрузок при параллельной работе генераторов, а также заданное управление вспомогательными агрегатами, обеспечивающими полный объем автоматизации дизель-электрического агрегата со сроком необслуживаемой работы не менее 240 ч.

Вторая и третья степени автоматизации определяются наличием аварийной сигнализации и защиты при достижении предельных значений температуры и давления охлаждающей жидкости и смазочного масла дизеля, частоты вращения, обратного тока или обратной мощности генератора. Автоматическая остановка дизель-генератора (за исключением аварийной) выполняется после отключения нагрузки генератора; при параллельной работе снятие нагрузки осуществляется уменьшением подачи топлива до режима холостого хода.

По роду тока судовые электростанции разделяются на электростанции постоянного и переменного тока. До 50-х годов на судах применяли в основном постоянный ток. В последние годы в связи с ростом мощностей судовых электроэнергетических установок, а также с созданием надежного, экономичного и удобного в эксплуатации электрооборудования на переменном токе область применения постоянного тока ограничивается. Решающим фактором при выборе рода тока являются особенности приемников электрической энергии, главным образом электродвигателей.

Асинхронные короткозамкнутые двигатели переменного тока просты и надежны, не требуют постоянного обслуживания при эксплуатации, имеют меньшие массу, габаритные размеры и стоимость по сравнению с электродвигателями постоянного тока. Кроме того, источники переменного тока — с самовозбуждением и автоматическим регулированием напряжения при одинаковых (с генераторами постоянного тока) мощности и частоте вращения имеют меньшие габаритные размеры, удобнее в эксплуатации, более просты и надежны. Пусковая и коммутационная аппаратура электродвигателей и
генераторов переменного тока также проще, имеет меньшую стоимость и удобнее в эксплуатации.

При переменном токе трансформаторы несложным способом изменяют напряжение сети. Они позволяют отделить сеть освещения, где часто случаются повреждения и замыкания, от силовой сети. Судно с электростанцией на переменном токе может получать энергию от береговых сетей. имеют меньшую пожаро- и взрывоопасность, так как у них нет коллектора, где часто возникает искрение.

Вместе с тем переменный ток имеет недостатки: худшие регулировочные свойства у двигателей переменного тока, особенно с точки зрения плавности регулирования; большие пусковые токи короткозамкнутых асинхронных электродвигателей, мощность которых часто соизмерима с мощностью синхронных генераторов, что приводит к глубоким провалам напряжения сети.

Если на судне установлены механизмы, требующие плавного регулирования частоты вращения в широких пределах с большими моментами трогания, для их привода следует применять двигатели постоянного тока. Если же основными потребителями энергии являются электроприводы насосов и других механизмов, не требующих регулирования, то в качестве приводных двигателей целесообразно использовать асинхронные электродвигатели и ток судовых электростанций должен быть переменным. Питание отдельных приемников иного рода тока, чем у судовых электростанций, следует осуществлять через соответствующие преобразователи.

Таким образом, в настоящее время судовые электростанции на постоянном токе используют при напряжении 24 В на судах грузоподъемностью до 800 т, в том числе на скоростных судах на подводных крыльях, а также судах постройки до 60-х годов. Весь флот последующих лет постройки имеет электростанции при напряжении 220 или 380 В на переменном токе трехфазной системы.

Основными критериями при выборе напряжения судовой электростанции являются соблюдение требований техники безопасности и возможное ограничение массы кабельной сети путем уменьшения площади сечения , что достигается уменьшением тока нагрузки при данной мощности потребителя в результате повышения напряжения.
В соответствии с Правилами Речного Регистра на выводах судовых генераторов должны быть номинальные стандартные напряжения 27, 115, 230 В — при постоянном, 133, 230 В — при однофазном переменном токе и 230, 400 В при трехфазной системе переменного тока, причем номинальная стандартная частота переменного тока должна быть равна 50 Гц.

При небольших значениях мощности судовой электростанции и ограниченных размерах судна увеличение напряжения обычно не дает существенного снижения массы кабелей.

По типам первичных двигателей генераторных агрегатов судовые электростанции бывают: с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), паровыми машинами, газовыми турбинами. При работе генераторов вследствие отбора мощности от главных двигателей судовой энергетической установки различают навешенные генераторы (небольшой мощности), установленные на двигатели, и валогенераторы (приводятся во вращение от главного валопровода).

Использование дизелей в качестве первичных двигателей судовых генераторов весьма целесообразно, так как они экономичны, компактны, автономны и требуют сравнительно несложной и небольшой по времени подготовки к пуску.

В настоящее время согласно государственному стандарту должны применяться дизели с частотой вращения 500, 750, 1000, 1500 об/мин. Высокооборотные дизель-генераторы легче малооборотных, занимают меньше места, дешевле и имеют более высокий к. п. д. Однако они обладают меньшим моторесурсом и очень шумны. Дизели допускают возможность работы с перегрузкой до 10 % номинальной мощности в течение 1 ч.

Судовые дизель-генераторы (ДГ) по способу соединения генераторов с первичными двигателями могут быть:

ДГР — дизель-генераторы рамные, у которых дизель и генератор конструктивно независимы, установлены на общей фундаментной раме и соединены между собой с помощью жесткой или эластичной муфты:

ДГФ — дизель-генераторы фланцевые, статор генератора которых крепится к остову дизеля с помощью фланца, а ротор может иметь один или два подшипника;

ДГМ — дизель-генераторы маховичные; ротор генератора в этом случае крепится непосредственно к коленчатому валу дизеля и является его маховиком.

На грузовых судах в составе электростанции могут быть валогенераторы , работающие вследствие отбора мощности от главного двигателя или гребного вала. Наиболее характерными режимами эксплуатации большинства типов грузовых судов являются режимы, при которых резерв мощности на гребном валу составляет 10—15 % номинальной мощности главного двигателя. В то же время опыт эксплуатации показывает, что мощность, потребляемая от электростанции в ходовом режиме работы судна, обычно не превышает 10 % мощности главного двигателя. Поэтому на грузовых судах имеется реальная возможность в ходовом режиме выключать из работы основные дизель-генераторы и включать генераторы с приводом от гребного вала. Валогенераторы в судовой электростанции экономят моторесурс дизель-генераторов, существенно повышают к. п. д. энергетической установки, уменьшают удельный расход топлива на киловатт-час, а также снижают уровень шума в машинном отделении. Сокращаются эксплуатационные расходы на обслуживание и ремонт дизель-генераторов.

Однако валогенераторы могут работать только на переднем ходу судна при диапазоне изменения частоты вращения главного двигателя в пределах 85 - 105 % номинального значения. Изменение напряжения на зажимах валогенератора допускается в таких же пределах, а частота тока должна быть равна 45—52,5 Гц. Валогенераторную установку в составе электростанции необходимо обеспечивать надежным резервированием за счет других источников электроэнергии (дизель-генератор, аккумуляторная батарея). При значительном снижении частоты вращения главного двигателя валогенератор отключается, и подается сигнал на автоматический запуск дизель-генератора. Система автозапуска должна выполнять пуск, разгон, возбуждение и включение на нагрузку за время, не превышающее 10 с с момента поступления сигнала на запуск. В период переключения нагрузки с валогенератора на дизель-генератор ответственные электроприемники обеспечиваются энергией от аккумуляторной батареи непосредственно или через преобразователь тока. Перерыв в питании ответственных приемников при автоматическом переключении валогенератора на аккумуляторную батарею, а также с батареи на дизель-генератор не должен превышать 3 с.

Не допускается наличие валогенератора в составе судовой электростанции на следующих типах судов: сухогрузных и наливных теплоходах смешанного «река—море» плавания; рейдовых и шлюзовых буксирах-толкачах, паромах; на судах любого назначения, где время использования валогенератора составляет менее 25 % ходового времени.

Наиболее целесообразна установка валогенераторов на грузовых транзитных судах (танкерах, толкачах, буксирах), так как электроэнергия, потребляемая на ходу этих судов, мала, а время использования валогенераторов составляет значительную часть ходового времени.

В качестве приводного устройства к валогенератору обычно используют клиноременную передачу. Зубчатые передачи распространения не получили из-за больших динамических моментов при пуске и реверсе главных дизелей, что приводит к поломке шестерен.

Положительные результаты показывает опыт использования муфты свободного хода, передающей вращающий момент только в одном на-правлении. Применение муфт свободного хода одновременно у валогенераторов и дизель-генераторов даст возможность переводить приемники на питание от валогенератора к стояночному дизель-генератору и обратно без перерыва.

В состав судовых электростанций, кроме дизель-генераторов и валогенераторов, входят трансформаторы, преобразователи тока, аккумуляторные батареи. Трансформаторы применяют главным образом для понижения напряжения до 36, 24, 12 В с целью обеспечения безопасности использования переносного освещения, электроинструмента и т. д. Трансформаторы обеспечивают разъединение электрических сетей на отдельные группы.