СПОСОБ ЗАГРУЗКИ АВТОНОМНО РАБОТАЮЩЕГО СУДОВОГО ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНОГО АГРЕГАТА Российский патент 2024 года по МПК H02P9/04 F02D25/00 

Изобретение относится к области энергетики, а именно к способам обеспечения оптимальной загрузки судовых дизель-генераторных агрегатов (ДГА).

Известны способы обеспечения оптимальной загрузки судовых ДГА, связанные с изменением режимов работы судовых приемников электрической энергии, выведением из работы судовых приемников электрической энергии, использованием судовых ДГА меньшей или большей мощности и/или их комбинации (см. Виноградов А. А. Исследование распределения нагрузки судовых дизель-генераторных агрегатов при их параллельной работе //Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала СО Макарова. – 2017. – №. 2 (42). – С. 373-379; Виноградов А. А., Сусленникова Е. Ю. Анализ распределения нагрузки дизель-генераторных агрегатов для оптимизации работы судовой электростанции //Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. – 2018. – №. 10. – С. 61-65.)

Недостатком способов является необходимость изменения режимов работы судовых приемников электрической энергии, выведение определенных приемников из эксплуатации и/или изменения количества работающих ДГА, что в свою очередь может ухудшать судовые производственные процессы (снижение КПД, производительности), привести к ограничениям по использованию судовых производственных мощностей или использования моторесурса судовых ДГА.

Среди известных аналогов наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения по технической сущности (прототипом) является способ, изложенный в пат. РФ № 2645387, опубл. 21.02.2018.

Способ основан на использовании при выборе нагрузки для параллельно работающих ДГА удельных расходных характеристик (УРТ) обоих ДГА, при этом нагрузку обоих ДГА осуществляют с учетом их фактического технического состояния и коэффициента мощности cosϕ. При заданных общей нагрузке судовой электростанции (СЭС) и cosϕ удельный расход топлива ДГА представляют в виде регрессионной зависимости УРТ от его электрической мощности Р_Г и cosϕ, корректируемых в процессе эксплуатации с учетом фактического состояния ДГА.

При этом в способе непрерывно измеряют мощность и cosϕ СЭС, результаты измерений и регрессионные зависимости параллельно работающих ДГА вводят в компьютерную модель, в которой на основе анализа возможной нагрузки при заданных мощности СЭС и cosϕ определяют нагрузку для каждого ДГА так, что суммарный УРТ при их параллельной работе будет минимальным.

Недостатком способа является невозможность его использования для обеспечения оптимальной загрузки автономно работающих ДГА.

Технический результат от использования предлагаемого изобретения является обеспечение оптимальной загрузки автономно работающего дизель-генераторного агрегата.

Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков: способ загрузки автономно работающего судового дизель-генераторного агрегата (ДГА), основанный на определении регрессионной зависимости удельного расхода топлива (УРТ) ДГА от вырабатываемой электрической мощности Р_Г и коэффициента мощности cosϕ судовой электростанции (СЭС) при заданной общей нагрузке СЭС и введении результатов измерений в компьютерную модель, содержащую характеристики зависимости УРТ от мощности и коэффициента мощности для ДГА, по которым при текущем техническом состоянии ДГА определяют область, соответствующую минимальному УРТ, в отличие от прототипа в установившемся режиме работы судового ДГА определяют вырабатываемую им электрическую мощность P_Г, при этом, если значение P_Г выходит за пределы 65-85% от номинальной мощности, определяют разность Δ (кВт) между текущим значением P_Г и значением мощности P₀, которой соответствует минимальный УРТ ДГА, и к ДГА подключают нагрузочное устройство мощностью потребления Δ (кВт), с возможностью регулирования мощности, при этом энергию Δ (кВт), сохраняют в аккумуляторных батареях нагрузочного устройства.

Сущность изобретения заключается в том, что оптимальная загрузка ДГА достигается за счет непрерывного измерения электрической мощности и коэффициента мощности судовой электростанции, результаты измерений которых вводятся в компьютерную модель, содержащую характеристику зависимости УРТ от мощности ДГА и коэффициента мощности СЭС и устанавливающую оптимальную загрузку ДГА, соответствующее минимальному удельному расходу топлива этого ДГА. При этом в отличие от известных способов, в которых для обеспечения оптимальной загрузки производится изменение режимов работы судовых приемников электрической энергии или их отключение/включение и использование сторонних судовых ДГА, в заявляемом способе для этих целей осуществляется догружение ДГА в область оптимума в установившемся режиме при известной мощности нагрузки судовой электростанции. Данная характеристика определяется по результатам заводских испытаний, а затем в процессе эксплуатации корректируется. Область оптимума – участок на графике зависимости УРТ ДГА от вырабатываемой электрической мощности и коэффициента мощности, на котором УРТ самый низкий (фиг.1).

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где

на фиг.1 показана зависимость УРТ от вырабатываемой электрической мощности и коэффициента мощности для судового ДГА, работающего автономно,

на фиг.2 – представлен алгоритм последовательности действий, производимых при осуществлении способа.

На фиг.1 представлена зависимость для ДГА с бесщеточным синхронным генератором HF С6506-14Е фирмы Hyundai и дизелем MAHB8W6L23/30H с частотой вращения 720 об/мин при cosφ=1, построенная по данным заводских испытаний перед вводом в эксплуатацию (в паспортных данных приведены результаты испытаний при разной активной электрической нагрузке (cosϕ=l) с указанием выходной мощности дизеля Р_Д, кВт, выходной мощности генератора Р_Г, кВт, КПД генератора η_Г, %, расхода топлива Q, кг/ч и номинальных значениях мощности дизеля Р_ДН=801 кВт и электрической мощности генератора Р_ГН=763 кВт). Участок АВ - область оптимума. Судовые ДГА проектируются таким образом, что минимальный УРТ в процессе эксплуатации достигается, когда ДГА загружен в пределах 65-85% (область оптимума) от номинальной мощности. Более длительная работа в области оптимума в процессе эксплуатации ДГА обеспечивает длительный срок службы ДГА.

Реализация предлагаемого способа происходит следующим образом.

В установившемся режиме работы судового ДГА определяется вырабатываемая им электрическая мощность P_Г. Если значение P_Г не попадает в область оптимума АВ (фиг.1), определяется разность Δ (кВт) между текущим значением вырабатываемой электрической мощности P_Г и значением мощности P₀, которой соответствует минимальный УРТ ДГА. После этого к генератору подключается нагрузочное устройство, мощность потребления которого может регулироваться в заданном диапазоне (0 - Δ(кВт). Энергия, вырабатываемая ДГА сверх необходимой, сохраняется посредством нагрузочного устройства в аккумуляторных батареях высокой емкости для последующего использования. После подключения нагрузочного устройства с выставленной мощностью потребления (Δ (кВт) повторно определяется электрическая мощность P_Г, вырабатываемая ДГА, и определяется выполнение условия, при котором значение P_Г должно находиться в области оптимума АВ.

Ниже приводится пример выполнения способа для ДГА с бесщеточным синхронным генератором HF С6506-14Е фирмы Hyundai и дизелем MAHB8W6L23/30H. По регрессионной зависимости УРТ ДГА от вырабатываемой электрической мощности и коэффициента мощности при текущем техническом состоянии ДГА определяется область, соответствующая минимальному УРТ. 

Регрессионная зависимость УРТ ДГА от вырабатываемой электрической мощности и коэффициента мощности (1)

, (1),

где

(г/кВт⋅ч) – удельный расход топлива ДГА;

P_г (кВт) – мощность синхронного генератора;

Q (кг/ч) – расход топлива;

– коэффициент мощности нагрузки;

k₁ ÷ k₆ – постоянные коэффициенты, зависящие от технического состояния ДГА: (г/кВт⁴⋅ч),

(г/кВт³⋅ч),

, (г/кВт⋅ч),

, (г/ ч),

, (г/кВт²⋅ч),

, (г/кВт²⋅ч),

K_г (кВт/А²),

K_д1 (кг/кВт⋅ч),

K_д2 (кг/кВт²⋅ч);

Q (кг/ч) – расход топлива;

U (В) – напряжение генератора;

Q_пост (кг/ч) – постоянная составляющая расхода топлива, соответствующая расходу топлива на холостом ходу.

Для рассматриваемого ДГА:

U=400В; К_Г=3,11х10^-5; К_Д1=0,139266; К_Д2=0,42659х10^-4; К₁=1,79х10^-10; К₂=5,53х10^-11; К₃=139,266; K₄=10³хQ_пост=17740; K₅=0,042659; K₆=0,009

Значение cos(φ) принимаем равным 1.

Выражение (1) примет вид

Для полученного выражения минимальный УРТ, равный 199,85 г/кВтхч, будет при значении потребляемой мощности 585 кВт (определяется нахождением экстремумы функции на промежутке от 0 до 800 кВт), что соответствует загрузке генератора в 77%. При загрузке генератора в 42%, что соответствует вырабатываемой мощности в 320 кВт, УРТ будет составлять 211,24 г/кВтхч, что на 11,39 г/кВтхч больше. Разность между мощностью, соответствующей минимальному УРТ, и фактически вырабатываемой, составляет 265 кВт. Подключаемое нагрузочное устройство настраивается на потребление 265 кВт, что приводит степень загрузки ДГА в область оптимума.

Техническая реализация алгоритма действий, представленного на фиг.2, может быть осуществлена в автоматическом режиме в современных судовых программируемых микропроцессорных системах управления, содержащих широкий набор функций, необходимый для управления электроустановками морского базирования. В полуавтоматическом режиме автономная реализация данного алгоритма позволит использовать полученные результаты в качестве поддержки принятия решения обслуживающим персоналом (вахтенным) о необходимости догружение судового ДГА или уменьшения мощности нагрузочного устройства, или его (нагрузочного устройства) отключения. 

Способ позволяет решить проблему обеспечения оптимальной загрузки автономно работающего судового ДГА с учетом регрессионной зависимости УРТ ДГА от вырабатываемой электрической мощности и коэффициента мощности путем догружения ДГА в область оптимума в установившемся режиме при известной мощности нагрузки судовой электростанции.

Предлагаемое изобретение было создано в составе научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре «Судовых автоматизированных электроэнергетических систем» ФБГОУ ВО «Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова». Были произведены расчеты, показавшие возможность использования заявляемого способа в судовых энергетических установках и электроэнергетических системах, что с учетом вышеизложенного позволяет сделать вывод о возможности его промышленного применения.

Изобретение относится к области энергетики, а именно к способам загрузки судовых дизель-генераторных агрегатов (ДГА). Технический результат заключается в обеспечении возможности поддерживать оптимальную степень загрузки автономно работающего ДГА, при которой обеспечивается минимальный удельный расход топлива. Такой результат достигается тем, что в способе, основанном на определении регрессионной зависимости удельного расхода топлива (УРТ) ДГА от вырабатываемой электрической мощности Р_Г и коэффициента мощности cosϕ судовой электростанции (СЭС) при заданной общей нагрузке СЭС и введении результатов измерений в компьютерную модель, содержащую характеристики зависимости УРТ от мощности и коэффициента мощности для ДГА, по которым при текущем техническом состоянии ДГА определяют область, соответствующую минимальному УРТ, в установившемся режиме работы ДГА определяют вырабатываемую им электрическую мощность P_Г, при этом, если значение P_Г выходит за пределы 65-85% от номинальной мощности, определяют разность Δ (кВт) между текущим значением P_Г и значением мощности P₀, которой соответствует минимальный УРТ ДГА, после чего к ДГА подключают нагрузочное устройство мощностью потребления Δ (кВт), с возможностью ее регулирования, при этом энергию Δ (кВт) сохраняют в аккумуляторных батареях нагрузочного устройства. 2 ил.

Способ загрузки автономно работающего судового дизель-генераторного агрегата (ДГА), основанный на определении регрессионной зависимости удельного расхода топлива (УРТ) ДГА от вырабатываемой электрической мощности Р_Г и коэффициента мощности cosϕ судовой электростанции (СЭС) при заданной общей нагрузке СЭС и введении результатов измерений в компьютерную модель, содержащую характеристики зависимости УРТ от мощности и коэффициента мощности для ДГА, по которым при текущем техническом состоянии ДГА определяют область, соответствующую минимальному УРТ, отличающийся тем, что в установившемся режиме работы ДГА определяют вырабатываемую им электрическую мощность P_Г, при этом, если значение P_Г выходит за пределы 65-85% от номинальной мощности P₀, определяют разность Δ (кВт) между текущим значением P_Г и значением мощности P₀, которой соответствует минимальный УРТ ДГА, после чего к ДГА подключают нагрузочное устройство мощностью потребления Δ (кВт), с возможностью ее регулирования в заданных пределах, при этом энергию Δ (кВт) сохраняют в аккумуляторных батареях нагрузочного устройства, после чего повторно определяют P_Г для подтверждения выполнения условия, при котором значение P_Г находится в пределах 65-85% P₀.