Способ распределения нагрузки между параллельно работающими судовыми дизель-генераторными агрегатами
Владельцы патента RU 2645387:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова" (RU)
Изобретение относится к области энергетики, а именно к средствам распределения нагрузки между параллельно работающими судовыми дизель-генераторными агрегатами. Способ позволяет оптимально загрузить агрегаты и сократить удельный расход топлива (УРТ) при их работе. Сущность указанного способа заключается в непрерывном измерении электрической мощности и коэффициента мощности судовой электростанции, результаты измерений которых вводятся в компьютерную модель, содержащую характеристики зависимости УРТ от мощности и коэффициента мощности для каждого ДГА и устанавливающую оптимальное распределение электрической нагрузки между параллельно работающими ДГА, соответствующее минимальному общему УРТ этих ДГА. Способ позволяет учитывать изменение технического состояния ДГА в процессе их эксплуатации путем соответствующей корректировки регрессионных зависимостей УРТ от мощности и коэффициента мощности для каждого ДГА. Техническим результатом является снижение удельных расходных характеристик. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области энергетики, а именно к средствам распределения нагрузки между параллельно работающими судовыми дизель-генераторными агрегатами. Способ позволяет оптимально загрузить агрегаты и сократить расход топлива при их работе.
Известны способы распределения нагрузок между параллельно работающими генераторами, основанные на исследовании нагрузочных характеристик генераторов во время работы, выявлении генератора с максимальной нагрузкой и последующей разгрузки его. При этом разгрузка генератора осуществляется воздействием на уставку первичного регулятора частоты ДВС, используемого в качестве привода генератора (см. а.с. СССР №629590, МПК H02J 3/28, опубл. 1976; а.с. №1157613, МПК H02J 3/28, опубл. 1986).
Недостатком способов является недостаточная точность распределения нагрузки между генераторами.
Из известных способов распределения нагрузки между параллельно работающими ДГА по технической сущности и назначению наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является способ, изложенный в а.с. СССР №488300, МПК H02P 9/04, опубл. 1975. Способ-прототип основан на определении конечного прироста расхода энергоносителя каждого агрегата как отношение полного прироста расхода к нагрузке, сравнении конечного прироста с удельным приростом расхода энергоносителя этого же агрегата, выборе минимального значения из этих двух приростов и последующей нагрузке в первую очередь агрегата с наименьшими указанными минимальными значениями.
Недостатком способа является недостаточно экономичный расход топлива при параллельной работе ДГА, так как:
- при росте общей нагрузки рассматривается только отдельное увеличение нагрузки каждого параллельно работающего агрегата и по результатам этого рассмотрения нагружают в первую очередь агрегат с наименьшим приростом расхода топлива;
- не учитывается влияние на удельный расход топлива (УРТ) каждого агрегата коэффициента мощности cosϕ. А, как показано в статье Кузнецова С.Е. «Влияние нагрузки и коэффициента мощности на расход топлива судового дизель-генераторного агрегата» // Судостроение, №6, 2011. - с. 30-32, удельный расход топлива ДГА существенно зависит от значения cosϕ и фактического технического состояния ДГА.
Заявляемое изобретение позволяет решить проблему сокращения УРТ параллельно работающих дизель-генераторных агрегатов за счет оптимального распределения мощности между ними в соответствии с их характеристиками зависимости УРТ от вырабатываемой электрической мощности и cosϕ путем выбора из возможных распределений нагрузки между ДГА распределения, соответствующего минимальному общему УРТ.
Для решения проблемы предлагается следующая совокупность существенных признаков: в способе распределения нагрузки между параллельно работающими судовыми дизель-генераторными агрегатами (ДГА), основанном также как и прототип на использовании удельных расходных характеристик (УРТ) каждого ДГА, в виде зависимости от нагрузки для каждого ДГА, в отличие от прототипа, распределение нагрузки осуществляют с учетом фактического технического состояния ДГА и коэффициента мощности cosϕ, при этом при заданных общей нагрузке судовой электростанции (СЭС) и cosϕ удельный расход топлива каждого ДГА представляют в виде регрессионной зависимости УРТ от его электрической мощности PГ и cosϕ, корректируемых в процессе эксплуатации с учетом фактического состояния ДГА, в виде:
где 
(г/кВт⋅ч) - удельный расход топлива ДГА;
PГ (кВт) - мощность синхронного генератора;
Q (кг/ч) - расход топлива;
cosϕ - коэффициент мощности нагрузки;
k1÷k6 - постоянные коэффициенты, зависящие от технического состояния ДГА: 
,
k3=103⋅KД1 (г/кВт⋅ч),
k4=103⋅Qпост (г/ч),
k5=103⋅КД2 (г/кВт2⋅ч),
Kг (кВт/А2),
Kд1 (кг/кВт⋅ч),
Kд2 (кг/кВт2⋅ч);
Q (кг/ч) - расход топлива;
U (В) - напряжение генератора;
Qпост (кг/ч) - постоянная составляющая расхода топлива, соответствующая расходу топлива на холостом ходу.
При этом в способе непрерывно измеряют мощность и cosϕ СЭС, результаты измерений и регрессионные зависимости q(PГ) для каждого ДГА вводят в компьютерную модель, в которой на основе анализа возможных распределений нагрузки между параллельно работающими ДГА при заданных мощности СЭС и cosϕ определяется распределение нагрузки с минимальным общим УРТ.
Сущность указанного способа заключается в непрерывном измерении электрической мощности и коэффициента мощности судовой электростанции, результаты измерений которых вводятся в компьютерную модель, содержащую характеристики зависимости УРТ от мощности и коэффициента мощности для каждого ДГА и устанавливающую оптимальное распределение электрической нагрузки между параллельно работающими ДГА, соответствующее минимальному общему удельному расходу топлива этих ДГА при измеренных значениях мощности и коэффициента мощности электростанции.
Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача - сокращение удельного расхода топлива параллельно работающих дизель-генераторных агрегатов - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности - «новизна».
В свою очередь, проведенный информационный поиск в области энергетики не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии способа критерию «изобретательский уровень».
Согласно требованиям Правил классификации и постройки морских судов [Т. 2. - СПб: РМРС, 2015. - 807 с. ] Российского морского регистра судоходства (РМРС) при параллельной работе генераторов переменного тока в диапазоне от 20 до 100% общей нагрузки распределение ее на каждый генератор должно происходить пропорционально их мощностям и не должно отличаться более чем на 15% от расчетной нагрузки большего из генераторов или на 25% от расчетной нагрузки рассматриваемого генератора в зависимости от того, что меньше. В настоящее время распределение общей нагрузки между параллельно работающими ДГА производится согласно этим требованиям, но без учета зависимости УРТ от вырабатываемой электрической мощности каждого ДГА.
Для дизель-генераторных агрегатов даже одинаковой номинальной мощности и сборки зависимости УРТ от относительной мощности генератора 
и коэффициента мощности cosϕ, как правило, не совпадают (Pгн - номинальная мощность, Pг - фактическая мощность генератора, 
- относительная мощность). На фиг. 1 приведены зависимости УРТ (q1 и q2) от электрической мощности 
для двух судовых ДГА с бесщеточным синхронным генератором одной сборки и одинаковой мощности (Pгн=750 кВт, U=440 В) при cosϕ=1, построенные по данным заводских испытаний перед вводом в эксплуатацию. Для ДГА неодинаковой мощности различие зависимостей 
может быть значительнее, чем на фиг. 1.
В связи с неодинаковым характером изменения УРТ от 
и cosϕ, а в ходе длительной эксплуатации ДГА эти зависимости изменяются, и различие может увеличиться, для каждого из параллельно работающих генераторов распределение общей нагрузки судовой электростанции строго пропорционально их номинальным мощностям может оказаться неэффективным с точки зрения минимизации удельного расхода топлива.
Так как Правилами классификации и постройки морских судов РМРС допускаются отклонения при распределении нагрузки между параллельно работающими генераторами пропорционально их мощностям, в связи с чем и с учетом различия зависимостей УРТ от мощности, нагрузку между генераторами можно делить с учетом этих зависимостей так, чтобы общий удельный расход топлива был меньше, чем если бы нагрузка делилась строго пропорционально.
Как указывалось выше, первоначальная регрессионная зависимость q(Pг) определяется на основе заводских испытаний ДГА. В дальнейшем она корректируется (непрерывно или периодически при техническом обслуживании ДГА) с учетом фактического состояния ДГА.
При параллельной работе двух ДГА решается задача выбора мощности параллельно работающих ДГА (Pг1 и Pг2), обеспечивающих требуемую нагрузку судовой электростанции
при минимальном суммарном удельном расходе топлива
Зависимость удельного расхода топлива судового ДГА от мощности генератора и cosϕ может быть представлена в соответствии с методикой, изложенной в статье Кузнецова С.Е. и др. «Влияние нагрузки и коэффициента мощности на расход топлива судового дизель-генераторного агрегата». // Судостроение. - 2011. - №6 - с. 30-32 в виде уравнения (1). Минимальный суммарный удельный расход топлива (3), соответствующий измеренным электрической мощности судовой электростанции P и коэффициента мощности cosϕ, определяется на основе совместного решения системы двух уравнений (1) для первого и второго ДГА и уравнения (2). Укрупненная схема алгоритма решения данной задачи представлена на фиг. 2.
Техническая реализация данного алгоритма может быть осуществлена в автоматическом режиме в современных судовых программируемых микропроцессорных системах управления, например в системе управления электростанцией РРМ-300 (см. https://dvk-electro.ru/06powerStation/ppm300.html «Общее описание, инструкцию оператора, инструкцию по установке»), содержащей 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) по рациональному распределению нагрузки параллельно работающих ДГА в конкретном режиме работы 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.
1. Способ распределения нагрузки между параллельно работающими судовыми дизель-генераторными агрегатами (ДГА), основанный на использовании удельных расходных характеристик (УРТ) каждого ДГА, отличающийся тем, что распределение нагрузки осуществляют с учетом фактического технического состояния ДГА и коэффициента мощности cosϕ, при заданных общей нагрузке судовой электростанции (СЭС) и cosϕ удельный расход топлива каждого ДГА представляют в виде регрессионной зависимости УРТ (1) от его электрической мощности РГ и cosϕ, корректируемых в процессе эксплуатации с учетом фактического состояния ДГА:
где 
(г/кВт⋅ч) - удельный расход топлива ДГА;
Рг (кВт) - мощность синхронного генератора;
Q (кг/ч) - расход топлива;
cosϕ - коэффициент мощности нагрузки;
k1÷k6 - постоянные коэффициенты, зависящие от технического состояния ДГА:
,
k3=103⋅KД1 (г/кВт⋅ч),
k4=103⋅Qпост (г/ч),
k5=103⋅КД2 (г/кВт2⋅ч),
KГ (кВт/А2),
KД1 (кг/кВт⋅ч),
KД2 (кг/кВт2⋅ч);
Q (кг/ч) - расход топлива;
U(В) - напряжение генератора;
Qпост (кг/ч) - постоянная составляющая расхода топлива, соответствующая расходу топлива на холостом ходу.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в нем непрерывно измеряют мощность и cosϕ СЭС, результаты измерений и регрессионные зависимости (1) для каждого ДГА вводят в компьютерную модель, в которой на основе анализа возможных распределений нагрузки между параллельно работающими ДГА при заданных мощности СЭС и cosϕ определяется распределение нагрузки с минимальным общим УРТ.
