Parametry silników zespołów prądotwórczych przy dynamicznych zmianach obciążenia

Transkrypt

1 Jerzy Herdzik 1 Parametry silników zespołów prądotwórczych przy dynamicznych zmianach obciążenia Wstęp Zmiana obciążenia prądnicy zespołu prądotwórczego wymaga odpowiedniej reakcji regulatora prędkości obrotowej silnika w celu utrzymania stałej prędkości obrotowej warunkującej stałą częstotliwość wytwarzanego prądu przemiennego. Wiąże się to ze zmianą mocy silnika, a bezpośrednio ze zmianą dawki paliwa (nastawy listwy paliwowej). Stany przejściowe związane z procesem regulacji powodują, tym większe zmiany im większa jest dynamika zmiany obciążenia. Jakość wytwarzanej energii elektrycznej ma istotny wpływ na bezpieczeństwo i pewność zasilania. Może być bezpośrednio przyczyną zaniku napięcia w sieci okrętowej Dynamika zmian obciążenia silników zespołów prądotwórczych Podstawowymi reżimami dynamicznych zmian obciążenia silnika podlegającym pomiarom są: zrzut obciążenia ze 100% na bieg jałowy; wzrost obciążenia z biegu jałowego na obciążenie nominalne 100%, zgodnie z maksymalną dynamiką określoną przez producenta silnika. Zrzut obciążenia ma istotne znaczenie, bowiem w przypadku wyrzucenia prądnicy z sieci, najczęstszą przyczyna jest jej przeciążenie. Przykład odpowiedzi turbiny gazowej zespołu prądotwórczego o mocy nominalnej 25MW na spadek obciążenia ze 100% na 0% przedstawiono na rys.1. Zmiana częstotliwości w stanie przejściowym osiągnęła wartość 7,7%, natomiast stała zmiana częstotliwości ok. 4,4% (wzrost wartości). Dla częstotliwości 50Hz oznacza to przejście na częstotliwość 52,2Hz. Czas stanu przejściowego ok. 11s. Zmiany tych parametrów są podobne dla zespołów prądotwórczych napędzanych silnikami wysokoprężnymi. Istotny wpływ na zmianę tych parametrów ma moment bezwładności w ruchu obrotowym elementów silnika i prądnicy oraz rodzaj i nastawy regulatora prędkości obrotowej. Zrzut obciążenia o wartość mniejszą od rozważanej (100%) powoduje w przybliżeniu proporcjonalnie mniejszą zmianę rozważanych parametrów. Rys. 1. Przykład odpowiedzi turbiny gazowej zespołu prądotwórczego na spadek obciążenia ze 100% na 0 %. Źródło: Wzrost obciążenia, który nie spowoduje zmianę parametrów wytwarzanego prądu przez prądnice powyżej wartości dopuszczalnych dla silników firmy MAN B&W przedstawiono na rys.2. Rys. 2. Dopuszczalny skokowy wzrost obciążenia silnika wysokoprężnego pracującego w zespole prądotwórczym nie powodujący wyłączenia prądnicy z sieci. Źródło: MAN B&W Dr inż. Jerzy Herdzik prof. nadzw. AM, Akademia Morska w Gdyni Z przedstawionego rysunku wynika, że skokowy wzrost obciążenia nie powinien przekraczać 18-33% 200 Logistyka 6/2013

2 w zależności od aktualnego obciążenia silnika. Dla porównania na rys.3 przedstawiono przykład zmian prędkości obrotowej silnika wysokoprężnego przy skokowym oraz rozłożonym w czasie 15s wzroście obciążenia o 100%. Rys. 3. Przykład zmian prędkości silnika wysokoprężnego przy zmianie obciążenia od 0 do 100%: linia ciągła zmiana skokowa, linia przerywana wzrost obciążenia w ciągu 15 s. Źródło: Radan D., i inni Reducing Power Load, Marine Technology vol. 45 No.3 July 2008 str Zmiana skokowa powoduje zmniejszenie prędkości obrotowej silnika o ok. 10%, natomiast rozłożona w czasie o ok. 3%. Oznacza to, że spowolnienie wzrostu obciążenia może być skutecznym sposobem na zabezpieczenie prądnicy przed jej wypadnięciem z okrętowej sieci elektroenergetycznej. System zabezpieczeń silnika może skutkować jego zablokowaniem (awaryjnym wyłączeniem) w przypadku: przekroczenia 110% prędkości znamionowej (wyłącznik prędkości nadmiarowej); zadziałaniem pozostałych blokad silnika np. spowodowanych spadkiem ciśnienia oleju smarowego. Po wymuszeniu skokowym obciążenia przekraczającym wyznaczony próg, następuje wyłączenie odbiorów mniej ważnych. Jeśli wymuszenie zagraża zanikiem napięcia konieczna jest redukcja wzrostu obciążenia w czasie do poziomu umożliwiającego utrzymanie napięcia w sieci. W układach automatyki w systemach dynamicznego pozycjonowania statków zaimplementowano system szybkiego ograniczenia obciążenia (ang. FLR) oraz jego odmiany jak system szybkiego ograniczenia obciążenia bazujący na zdarzeniach (ang. EB-FLR). Czas, w którym następuje zmiana prędkości obrotowej silnika wysokoprężnego o około 10% po skokowym wzroście obciążenia przekraczającym łącznie jego obciążenie nominalne, zależy od bezwładności układu silnik-prądnica. W typowych okrętowych zespołach prądotwórczych wynosi ok. 0,7 2,0 sekund. Dla zespołów prądotwórczych tego samego producenta i tego samego typu można założyć, że czasy te są bardzo zbliżone do siebie. Czas reakcji systemów szybkiego ograniczenia obciążenia (FLR) (poprawnie działających) jest na poziomie 0,1 0,2 sekundy, pozwala na podjęcie działań przez te systemy. Natomiast w dalszym ciągu nie zmniejsza ryzyka zaniku napięcia do zera, bowiem okres czasu konieczny na rozruch, wzbudzenie prądnicy, jej synchronizację z siecią jest na poziomie sekund. Pozostaje jeszcze okres czas konieczny do stopniowego wzrostu obciążenia tej prądnicy od zera do obciążenia zbliżonego do nominalnego. Brakuje systemów zabezpieczających okrętowe systemy elektroenergetyczne w stanach przejściowych w możliwość zasilania dodatkową mocą w czasie około 1 minuty, aby zespoły będące w gotowości (stand-by) mogły podjąć pracę. W tab. 1 przedstawiono maksymalne dopuszczalne obciążenia jednego zespołu prądotwórczego nie powodujące zaniku napięcia w okrętowej sieci elektroenergetycznej w zależności od liczby zespołów prądotwórczych pracujących na wspólną sieć w przypadku wyrzucenia z sieci jednego nich (założenie moc nominalna zespołów prądotwórczych jest taka sama). Tabela 1. Maksymalne dopuszczalne obciążenie jednego zespołu prądotwórczego nie powodujące zaniku napięcia w sieci w wyniku wyrzucenia jednego z nich Liczba zespołów pracujących w sieci Optymalne dopuszczalne obciążenie jednego ZP Obciążenie pozostałych ZP po wypadnięciu jednego z sieci Skokowy wzrost obciążenia jednego ZP 2 0,55 1,10 0,55 3 0,733 1,10 0, ,8 0,825 1,07 1,10 0,27 0, ,8 0,88 1 1,10 0,2 0,12 6 0,8 0,917 0,976 1,10 0,176 0, ,8 0,943 0,933 1,10 0,133 0, ,8 0,962 0,914 1,10 0,114 0,138 Źródło: opracowanie własne Z zestawienia wynika, że im większa jest liczba pracujących zespołów prądotwórczych, tym mniejsze jest ryzyko zaniku napięcia w sieci okrętowej w wyniku wyrzucenia jednego nich z sieci. Efekt domina wystąpi w przypadku pracy równoległej prądnic, Logistyka 6/

3 kiedy po przejęciu obciążenia, obciążenie przynajmniej jednej z prądnic przekroczy 110% mocy znamionowej i proces zakończy się całkowitym zanikiem napięcia w sieci elektroenergetycznej. Dopuszczalne zmiany parametrów energii elektrycznej w okrętowej sieci elektroenergetycznej Zmiany parametrów silnika napędzającego prądnicę powodują zmiany parametrów energii elektrycznej w sieci elektroenergetycznej. Sieć ta jest podatna na zmiany obciążenia, m.in. dlatego że ogranicza się zapas dostępnej mocy (i liczbę pracujących zespołów prądotwórczych) z powodu konieczności pracy silnika na obciążeniach zapewniających minimalne jednostkowe zużycie paliwa, co przekłada się na ograniczenie sumarycznego zużycia paliwa (podstawowego składnika kosztów eksploatacji). Poprawna praca odbiorników energii elektrycznej wymaga w miarę możliwości stabilnych parametrów zasilania. Głównymi parametrami są graniczne wartości odchylenia od wartości znamionowej napięcia i częstotliwości (Tabela 2). Tabela 2. Graniczne wartości odchyleń napięcia i częstotliwości od wartości znamionowych w elektroenergetycznej sieci okrętowej ze względu na poprawną pracę odbiorników Odchylenie od wartości znamionowej Parametr długotrwałe krótkotrwałe wartość [%] wartość [%] czas [s] napięcie +6 ±20 1,5-10 częstotliwość ±5 ±10 5 Źródło: PRS [6] W niektórych przypadkach niewielkie odchylenia mogą uniemożliwiać poprawną pracę urządzeń. W naświetlaczach, w których zamontowano żarówki ksenonowe, załączano je bezproblemowo przy napięciu 230V, po przejściu na zasilanie z napięciem 220V było już to niemożliwe (różnica napięć ok. 4,3%). Większość urządzeń mających własne zasilacze przetwarzające napięcie zasilania, jest niewrażliwa na taką zmianę napięcia. Zmiana częstotliwości powoduje istotną zmianę warunków zasilania silników trójfazowych. Proporcjonalnie do zmiany częstotliwości zmienia się ich znamionowa prędkość obrotowa. Skutkuje to poważnymi zmianami parametrów urządzeń, które są nimi napędzane [2,7]. Dla prądu przemiennego stosowanego w okrętowych sieciach elektroenergetycznych (trójfazowy, sinusoidalny) mogą wystąpić istotne odkształcenia od wzorca. Szczególnie istotne jest to w okrętowych systemach elektroenergetycznych z układami przekształtnikowymi. Jest to spotykane na statkach z układem napędowym z przekładnią elektryczną zwanych diesel-electric (D-E) lub gas-electric (G-E) w zależności od typu silnika napędzającego prądnicę. Wystąpią one w tych systemach, w których następuje przetwarzanie energii elektrycznej prądu stałego na przemienny. Jakość energii elektrycznej po przetworzeniu może znacząco odbiegać od znanych wzorców i stanowić poważne problemy dla poprawnej pracy odbiorników [3,4,5]. Przykład hipotetycznego przebiegu napięcia po przetworzeniu energii z prądu stałego przedstawiono na rys. 2. Rys. 2. Przykład zmian napięcia w okrętowej sieci elektroenergetycznej z układami przekształtnikowymi w stosunku do sinusoidalnego napięcia wzorcowego. Źródło: opracowanie własne. W okrętowych systemach elektroenergetycznych z układami przekształtnikowymi określenie istotnych wskaźników jakości energii elektrycznej stanowiło ważne wyzwanie dla bezpieczeństwa ich eksploatacji [6]. Barierą poprawy jakości przetworzonej energii jest wysoka cena stosowanych elementów przekształtnikowych dużej mocy, w systemach okrętowych jest to rzędu MW. Wybrane wskaźniki, które uzyskały akceptację towarzystw klasyfikacyjnych statków (w tym PRS) [6], przedstawiono w Tabeli 3. Tabela 3. Wybrane wskaźniki jakości energii elektrycznej w elektroenergetycznej sieci okrętowej i ich miary ilościowe współczynnik graniczna wartość 1. współczynnik zniekształceń napięcia 10% 2. wsp. odchylenia wartości chwilowej 30% 202 Logistyka 6/2013

4 Tabela 3. Wybrane wskaźniki jakości energii elektrycznej w elektroenergetycznej sieci okrętowej i ich miary ilościowe współczynnik napięcia od pierwszej harmonicznej 3. współczynnik dynamicznego odchylenia napięcia 4. współczynnik dynamicznego odchylenia częstotliwości 5. współczynnik statycznego rozdziału obciążenia czynnego 6. współczynnik statycznego rozdziału obciążenia biernego Źródło: PRS [1,6] graniczna wartość ±20% w czasie 1,5s ±10% w czasie 5s 15% 10% Nieproporcjonalny rozdział mocy pomiędzy prądnice powoduje, że pracują one z różnymi sprawnościami. Poważnym zagrożeniem jest praca prądnic z nieproporcjonalnym rozdziałem statycznego obciążenia biernego, bowiem prowadzi do wielu niekorzystnych zjawisk. Jednym z nich jest wzrost sumarycznego zużycia paliwa. Szacuje się, że może on być rzędu 1-5% [6]. Skutki dla silnika zespołu prądotwórczego pracującego w stanach gotowości do ruchu i dynamicznych zmian obciążenia Zgodnie w wymaganiami towarzystw klasyfikacyjnych statek musi posiadać nadmiarowy zespół prądotwórczy. Chcąc ograniczać koszty eksploatacyjne na elektroenergetyczną sieć okrętową pracuje w miarę możliwości jak najmniejsza liczba zespołów prądotwórczych, co pozwala zmniejszyć sumaryczne zużycie paliwa, ale ogranicza dostępny zapas mocy z pracujących prądnic. Pozostałe zespoły pozostają w gotowości do pracy. Silniki są w tym czasie grzane przy pomocy systemu wody chłodzącej, który w tym stanie pełni funkcję systemu grzania. Okresowo silnik jest przesmarowywany poprzez czasowe uruchomienie instalacji oleju smarowego obiegowego. Dzięki temu skraca się czas konieczny na cały proces włączenia i obciążenia prądnicy. Mimo wszystko nie zabezpiecza to zadowalająco okrętowej sieci elektroenergetycznej przed groźbą zaniku napięcia w sieci. Proces włączenia i obciążenia prądnicy wymaga minimum około 30 sekund. Okres czasu utrzymania pracy przeciążonych mocą prądnic jest ograniczony. Im większe przeciążenie tym krótszy czas. Prądnica winna pracować minimum 15 minut przy obciążeniu 110% mocy znamionowej [6]. Większe przeciążenie drastycznie skraca ten czas. Szacuje się, że maksymalne obciążenie, które wytrzyma prądnica w czasie sekund (konieczny czas na uruchomienie prądnicy będącej w gotowości) wynosi około %, w zależności od typu prądnicy i nastaw jej zabezpieczeń. Głównym powodem wyłączenia jej z sieci jest również przeciążenie silnika napędzającego prądnicę, które skutkuje obniżeniem jego prędkości obrotowej, a konsekwencji obniżeniem częstotliwości wytwarzanego prądu. Utrzymanie częstotliwości staje się niemożliwe i systemy zabezpieczeń wyrzucają ją z sieci. Utrzymanie napięcia na prądnicy i w sieci elektroenergetycznej jest możliwe w szerszym zakresie prędkości obrotowych, z tego powodu prądnice prądu stałego mogą być nieco dłużej utrzymywane na przeciążeniach. Silnik zespołu prądotwórczego będący w gotowości do rozruchu i obciążenia, jest powszechnie wysokoprężnym, średnioobrotowym silnikiem czterosuwowym turbodoładowanym z pompami podwieszonymi napędzanymi od wału korbowego tego silnika. Jego uruchomienie powoduje podjęcie pracy przez systemy obsługujące ten silnik. Mimo systemu grzewczego temperatury oleju smarowego i wody chodzącej są niższe podczas rozruchu od znamionowych. Natężenia przepływu i ciśnienia w systemie zmieniają się dynamicznie (m.in. systemy mimo napełnienia muszą się odpowietrzyć) i potrzeba kilku minut, aby się ustabilizowały. Obciążenie silnika w kilka, kilkanaście sekund do obciążenia zbliżonego do znamionowego, powoduje duże gradienty temperatur na elementach podlegających smarowaniu i chłodzeniu oraz szybką zmianę parametrów w systemie. Szczególnie wrażliwa na duże wzrosty i spadki obciążeń jest turbosprężarka, która z silnikiem połączona jest termodynamicznie i reaguje zawsze z opóźnieniem. Największe, negatywne skutki rozruchu i dynamicznych zmian obciążenia, pojawiają się na łożyskach głównych i ramowych. Dochodzi do działania w łożyskach sił i obciążeń przekraczających obciążenia nominalne przy nieustabilizowanych warunkach przepływu, ciśnienia oleju i jego temperatury (lepkości), pogorszonych warunków smarowania i w konsekwencji przyspieszonego zużycia łożysk. Jest to poważny problem na statkach z przekładnią elektryczną, na których znajduje się kilka-kilkanaście dużych (głównych) zespołów prądotwórczych. Znane są przypadki, że konieczna była wymiana łożysk (głównie głównych) silników po czasie pracy rzędu kilkunastu-kilkudziesięciu godzin tych, które były przez długie okresy czasu w gotowości i uruchamiane były tylko na kilka-kilkanaście minut. Wystarczało to na zabezpieczenie okrętowej sieci elek- Logistyka 6/

5 troenergetycznej przed groźbą zaniku napięcia, ale przynosiło nieoczekiwane koszty. Jednym ze sposobów na zmniejszenie ww. skutków jest ciągła rotacja zespołów prądotwórczych pozostających w gorącej rezerwie. Dzięki temu skutki krótkotrwałej pracy, a szczególnie dynamicznych zmian obciążenia rozkładają się na wszystkie silniki zespołów prądotwórczych i relatywnie wydłuża się czas, w którym zachodzi konieczność przedterminowej wymiany panewek łożysk. Drugim rozwiązaniem, które wprowadzono w ramach poprawy sytuacji, jest stosowanie dodatkowych systemów oleju smarowego lewarowego, działających w okresie postoju silnika. Utrzymywanie podwyższonego ciśnienia oleju smarowego podczas postoju pozwala wytworzyć siły hydrostatyczne w łożyskach, unieść wał nad powierzchnię panewek i w momencie rozruchu ograniczyć siły tarcia w łożyskach i ich zużycie. Przy dużych wahaniach zapotrzebowania na energię elektryczną (Rys.3), może dochodzić do krótkotrwałych przeciążeń prądnic. Rys. 3. Przykład zmian obciążenia w elektroenergetycznej sieci okrętowej dla statku wiertniczego ms. Joint Venture. Źródło: [9]. Praca równoległa prądnic, o sumarycznej mocy znamionowej 20 MW lub więcej, pozwala na uniknięcie przeciążeń systemu elektroenergetycznego, ale jest ekonomicznie nieuzasadniona (zwiększone sumaryczne zużycie paliwa, czasu pracy silników itp.). Sumaryczna moc prądnic 18 MW winna zapewnić w tym stanie eksploatacji statku bezpieczeństwo zasilania w energię elektryczną. Przy mocy znamionowej prądnic pracujących w sieci o wartości 16 MW wystąpią przeciążenia wraz z groźbami zaniku napięcia, przy średnim zapotrzebowaniu na energię elektryczną o mocy 11 MW. Z rys. 3 można wyciągnąć interesujący wniosek gdyby można było gromadzić nadwyżki energii na czas około 1 minuty i w podobnym czasie pokrywać niedobory mocy, to elektrownia okrętowa mogłaby wytwarzać średnio tylko około11 MW mocy. Zaimplementowane na statkach offshorowych systemy szybkiego ograniczenia obciążenia (ang. FLR) ograniczają groźbę zaniku napięcia w sieci, dzięki spowolnieniu dynamiki zmian obciążenia sieci, ale nie spełniają wymagań gromadzenia i oddawania energii w czasie 1-2 minut, newralgicznych dla możliwości uruchomienia i obciążenia kolejnego zespołu prądotwórczego. Wnioski Zmiany natężenia przepływu, ciśnień, temperatur, lepkości w stanach przejściowych pracy silników zespołów prądotwórczych, negatywnie odbijają się na ich trwałości i niezawodności. Aspekty wskazane w referacie uzasadniają, że podczas eksploatacji takie stany występują z konieczności często. Skrócenie czasu między przeglądami, a nawet awarie silników zespołów prądotwórczych pracujących w takich warunkach, przemawiają za poszukiwaniem sposobów poprawy sytuacji. Występują ograniczone możliwości kumulacji energii elektrycznej, szczególnie w systemach energetycznych na prąd przemienny. Podejmuje się próby przetwarzania prądu na stały, a następnie odwrotnie, bowiem występują tu większe możliwości gromadzenia nadmiarowej energii i szybkiego jej oddawania. Zmiany parametrów silników napędzających prądnice powodują zmiany parametrów energii elektrycznej w sieci okrętowej, które mają istotny wpływ na jej jakość (opisywaną współczynnikami) oraz bezpieczeństwo zasilania statku w energię elektryczną. Streszczenie Okrętowa sieć energetyczna powinna zapewnić pewność dostarczenia energii, odpowiednie parametry prądu oraz zapas mocy. Ze względu na relatywnie małą liczbę pracujących zespołów prądotwórczych, sieć 204 Logistyka 6/2013

6 okrętowa jest podatna. Przy stosunkowo dużych zmiennych obciążeniach w sieci występują duże zmiany parametrów prądu. Zapewnienie stabilności parametrów prądu w sieci okrętowej jest dużym wyzwaniem. Istotnym czynnikiem jest reakcja silników zespołów prądotwórczych na dynamiczne zmiany obciążenia, możliwości zmiany obciążenia, które pozwalają na zachowanie jakości energii elektrycznej. W referacie podjęto próbę oceny stanu obecnego. 8. Radan D., i inni, Reducing Power Load Fluctuactions on Ship Using Power Redistribution Control, Marine Technology vol. 45 No.3 July 2008 str Radan, D., Soerensen, A.J: A 9ew Concept of Integrated Power Control In Marine Electric Power System, Conference on Electrical Equipment and Technical Safety on Board of Ships, SCHIFFBAUTECHNISCHE GESELLSCHAFT e.v., Hamburg, Abstract Marine electric network ought to ensure the reliability of energy supply and proper current parameters. There is a necessary to leave the power margin on load rise. Due to relatively small number of working generating sets, marine electric network is susceptible. At relatively high load changes in electric network determines a lot of changes of current parameters. The assurance of current parameters stability is a challenge. The essential factors is the reaction of generating sets on dynamic load changes. In the paper the probe of present condition evaluation is considered. Literatura 1. Mindykowski J., Ocena jakości energii elektrycznej w systemach okrętowych z układami przekształtnikowymi, Okrętownictwo i Żegluga, Gdańsk Wyszkowski S., Elektrotechnika okrętowa, Wydawnictwo Morskie, Gdańsk Maśnicki R., i inni, Electrical energy quality estimation in ship electrical power system, ETIMVIS 1998, Minneapolis, str Pałczyńska B., i inni, Analiza zakłóceń występujących w elektroenergetycznym układzie okrętowym, prace naukowe KEO, WSM Gdynia 2000, nr 40 str Tarasiuk T., Analiza metod i układów do wyznaczania jakości energii w okrętowych systemach elektroenergetycznych, praca doktorska WEiA, Politechnika Gdańska, Gdańsk Polski Rejestr Statków, cz. VIII, Instalacje elektryczne i systemy sterowania, Gdańsk 2007 z późn. zmianami. 7. Rakopoulos C., i inni, Diesel Engine Transient Operation: Principles of Operation and Simulation Analysis, Springer, Londyn Logistyka 6/