РЕЖИМЫ РАБОТЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ

РЕЖИМЫ РАБОТЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ
ДЭС В СИСТЕМЕ «ДЭС–ИБП»
Цыркин М.И., Гольдинер А.Я., Тюляков К.А. ТХ «Электросистемы»
http://www.electrosystems.ru/
Источниками бесперебойного питания (ИБП) называют устройства,
обеспечивающие безразрывное электропитание потребителей электроэнергии при
исчезновении или недопустимом снижении напряжения на входе ИБП (на подводящем
фидере). ИБП состоит, в основном, из выпрямителей, аккумуляторной батареи и
инвертора, включенных последовательно. Время, в течение которого обеспечивается
питание потребителей, зависит от величины нагрузки и емкости аккумуляторной батареи
и обычно лежит в пределах 5…30 минут. При необходимости увеличения времени
автономной работы и сравнительно небольшой мощности нагрузки увеличивают емкость
аккумуляторной батареи, а при большой - устанавливают ДЭС. После запуска ДЭС
последняя подключается к входу ИБП, обеспечивая питание нагрузки и компенсируя
энергию, затраченную аккумуляторной батареей.
Сказанное проиллюстрировано рис.1, на
котором приведены графики изменения мощности,
отдаваемой ДЭС (после ее пуска и включения под
нагрузку) и аккумуляторной батареей РДЭС = f(t) и
РАБ = j(t) соответственно, при неизменной
мощности потребителя Рп = const.
Графики изменения мощности, отдаваемой
ДЭС
(после ее пуска и выхода под нагрузку) и
аккумуляторной батареей
РДЭС = f(t) и РАБ = j(t) соответственно
При неизменной мощности потребителя РП = const
Нахождение оптимальной мощности ДЭС может быть произведено при
правильном определении:
- мощности, которую должна вырабатывать ДЭС для обеспечения нужд
потребителей;
- мощности, расходуемой ДЭС на компенсацию энергии, затраченной
аккумуляторной батареей ИБП на питание нагрузки в течение времени пуска и выхода на
рабочий режим ДЭС, а также способа этой компенсации;
- мощности, затрачиваемой на зарядку входных цепей (фильтров) ИБП при
подключении ДЭС.
Определение мощности, которую должна вырабатывать ДЭС для обеспечения
нужд потребителей, производится обычным способом и ее определение не требует
пояснений.
Мощность, расходуемая ДЭС на компенсацию затраченной аккумуляторной
батареей ИБП энергии, является величиною переменной, зависящей от емкости
установленной батареи, степени ее разряда и способа, применяемого при ее заряде. К ней
следует добавить мощность, расходуемую в момент подключения ДЭС к ИБП на заряд
входных цепей ИБП (фильтров), т.к. только после практического окончания заряда
начинается подзаряд аккумуляторной батареи. В результате суммарная нагрузка,
подключаемая к ДЭС, достигает величины, существенно превышающей входную
мощность ИБП. Последнее, в свою очередь, заставляет
увеличивать установочную мощность ДЭС, что крайне
неэкономично (получаемый при этом избыток мощности
используется только при подключении ИБП, в течение
секунд) и технически нежелательно (снижение
относительной мощности приводит к необходимости более
частого «прожига»
дизеля).
Увеличения
мощности ДЭС можно
избежать и, более того,
добиться ее снижения,
заменив ИБП с
одномоментным («наброс») подключением нагрузки на
ИБП с программным («плавный старт») подключением.
Зависимость мощности, расходуемой ДЭС в переходном режиме РДЭС = y(t)
показана на рис.2.
Зависимость мощности, расходуемой ДЭС в переходном режиме.
РДЭС - мощность ДЭС; t - время; j- пределы регулирования мощности, расходуемой
ДЭС в переходном режиме («плавный старт»)
1 - одномоментное включение («наброс» нагрузки).
2,2` - программное приложение нагрузки («плавный старт»)
Кривая 1 соответствует одномоментному подключению («набросу») нагрузки, а 2
и 2` программному.
При применении ИБП не имеющих устройств программного ввода в работу,
необходимая мощность ДЭС может быть определена по формуле:
В формуле (1) не учтена возможность подключения некритической нагрузки,
которая может запитываться от ДЭС после окончания переходного процесса при
включении ИБП. Величина этой нагрузки при ее одномоментном набросе не должна
превышать имеющегося запаса мощности ДЭС, равного разности ее номинальной
мощности и мощности, расходуемой ИБП на установившемся режиме работы. В частном
случае, при некритической нагрузке близкой или являющейся чисто омической, ее
подключение параллельно ИБП изменяет параметры системы «ДЭС-ИБП-Нагрузка», в
частности повышая коэффициент мощности (cosj) и, соответственно, такая нагрузка
может включаться не после окончания переходного процесса, а одновременно с
подключением ИБП (подробное рассмотрение этого вопроса требует более глубокого
анализа, что выходит за пределы настоящей статьи).
После определения необходимой мощности по таблицам выбирают ДЭС,
мощность которой равна или несколько больше требуемой.
Современные ИБП оборудуют устройствами программного подключения к ДЭС
разного типа - с плавным или ступенчатым вводом в работу. Вне зависимости от типа, все
они обеспечивают нормированное подключение нагрузки к ДЭС. Наиболее совершенные,
выполненные с плавным вводом в работу, позволяют путем несложной перерегулировки,
которая может быть выполнена непосредственно на месте монтажа (эксплуатации),
устанавливать оптимальную для данной установки мощность, переводимую в единицу
времени с аккумуляторной батареи ИБП на ДЭС.
Экспериментальная проверка подтвердила, что перевод осуществляется плавно,
практически без изменения частоты вращения вала приводного дизеля и, соответственно,
частоты тока, что свидетельствует об отсутствии перегрузки дизеля.
При применении ИБП с программным вводом в работу, например серии Plus
фирмы Powerware, мощность ДЭС может быть определена по формуле:
Наблюдаемое в момент подключения ИБП снижение напряжения вызывается
недостаточными возможностями используемых возбудителей, которые для условий
работы в системе «ДЭС-ИБП» должны обладать большим пределом форсировки
возбуждения. К сожалению, переделка существующих или разработка новых
возбудителей требует значительных затрат и времени. В этих условиях целесообразной
представляется замена в ДЭС штатных генераторов на генераторы повышенной
мощности, при неизменной мощности дизелей. В результате такой замены при
неизменном (по абсолютной величине) набросе нагрузки, загрузка генератора (в
процентах от его мощности) будет меньшей, возбудитель иметь запас по величине
форсировки возбуждения, а «провал» напряжения - меньшим.
Частной задачей является определение требуемой мощности ДЭС при
подключении к ней нескольких ИБП разной мощности. Оптимальным является вариант
их поочередного, начиная с ИБП максимальной мощности, программного подключения к
ДЭС («квазиплавный старт») с интервалом между подключениями в 5 … 15 с.
При этом:
- первым к ДЭС, работающей на холостом ходу, должен подключаться ИБП
наибольшей мощности;
- остальные ИБП должны подключаться в порядке убывания их мощности.
Такой порядок подключения позволяет снизить установочную мощность ДЭС на
7…12% (в зависимости от количества и мощности ИБП).
Мощность ДЭС - РДЭС определяется по формуле 3.
В случае, если одно или несколько неравенств (4) не выдерживаются, мощность
ДЭС, определенная по уравнению (3), должна быть увеличена на величину, равную
максимальной разности правой и левой частей этого неравенства (неравенств).
Окончательно мощность определяется по значениям номинальных мощностей
ДЭС, причем она должна быть равна или несколько больше расчетной.
Рассмотрим случай, когда при перерыве питания в сети к ИБП подключается ДЭС,
состоящая из двух или более дизель-генераторов (ДГ). Такое решение, при очевидном
усложнении системы управления, имеет ряд существенных преимуществ.
К их числу относятся:
- возможность при изменении нагрузки подключать к ИБП разное количество
работающих дизель-генераторов, что улучшает экономические показатели ДЭС;
- расширение рабочего, могущего быть использованным в течение длительного
времени, диапазона мощностей (от 25…40%) номинальной меньшего дизель-генератора
до 100…110% суммарной мощности всех установленных агрегатов);
- сокращение времени работы ДГ на малых нагрузках, что уменьшает, а в ряде
случаев исключает необходимость в периодических «прожигах» дизелей.
Реализация такой схемы требует решения следующих задач:
- выбора параметра, определяющего необходимость запуска (остановки)
очередного ДГ;
- определения максимальной и минимальной нагрузок, при которых необходимы
запуск и включение под нагрузку очередного («последующего») ДГ и его остановка;
- определения оптимального (по количеству и мощности) состава дизельгенераторов.
В отличие от случаев, рассмотренных выше, использование напряжения (точнее
его исчезновения или снижения) в качестве параметра, определяющего команду на пуск
второго и последующих дизель-генераторов, в рассматриваемой схеме невозможно.
Подключение к нагрузке всех, кроме первого ДГ, должно производиться до снижения
(исчезновения) напряжения.
Наиболее удачным и сравнительно легко реализуемым представляется
непосредственный замер нагрузки (мощности) дизель-генератора. Такое решение
применяется, в частности, на ДГ фирмы F.G.Wilson, поставляемых фирмой «ERIMEX».
При достижении нагрузкой работающего ДГ значения 75…80% номинальной, подается
команда на запуск очередного агрегата. При снижении нагрузки до 25…30% от суммы
номинальных мощностей двух ДГ - на остановку одного из них.
Естественно, что приведенные значения мощностей, при которых должны
запускаться (останавливаться) дизель-генераторы, не являются абсолютными и должны
уточняться применительно к конкретной установке. Показателем необходимости
уточнения является свободная (неиспользуемая) мощность работающего ДГ, которая
должна быть равной или превышать предполагаемую пусковую мощность потребителя.
Оптимальное количество и мощность дизель-генераторов, входящих в состав ДЭС,
определяют в зависимости от количества, мощности и частоты включения (отключения)
потребителей, с учетом типа используемого в составе ДГ дизеля - с газотурбинным
наддувом или без него, а также наличия устройства программного перевода нагрузки.
Напомним, что параметры переходного процесса при набросе нагрузки у дизелей с
газотурбинным наддувом ниже, чем у дизелей без него, что делает их применение в
составе дизель-генераторов не всегда целесообразным (особенно при «мгновенных» или
«резких» набросах нагрузки).
Для пояснения причины невысокого качества переходного процесса у дизелей с
высоким наддувом (к последним будем относить дизеля, оснащенные свободными
турбонагревателями и имеющие среднее эффективное давление Ре >= 1,6Мпа - у
четырехтактных дизелей) рассмотрим как протекает процесс наброса нагрузки.
Способность такого дизеля к приему мгновенно набрасываемой нагрузки зависит,
главным образом, от времени разгона и производительности турбонагнетателя. Пусть в
начальный момент времени нагрузка определяется точкой А (рис.3) на регуляторной
характеристике 1. Конечная нагрузка определяется точкой В. Примем, что на дизеле
установлен регулятор частоты вращения, оснащенный программным ограничителем
подачи топлива, работающим в функции давления
наддувочного воздуха.
При набросе нагрузки снизится частота
вращения и регулятор переставит рейку топливных
насосов высокого давления (ТНВД) в положение
максимально-возможной подачи топлива:
- на ограничительную характеристику 2
(точка F) при нехватке воздуха (т.е. при
коэффициенте избытка воздуха a < 1,8; a < 1,8
принято условно);
- на внешнюю характеристику 3 (точка Д)
- при его достаточном количестве (a >= 1,8);
Характеристики дизеля:
1 - регуляторная (номинальная),
2 - ограничительная,
3 - внешняя.
Далее, после снижения частоты вращения процесс будет протекать:
- при достаточном количестве воздуха - с увеличением частоты до значения,
определяемого регуляторной характеристикой 1. Графически это соответствует ломаной
кривой ДСВ;
- при нехватке воздуха - в зависимости от величины набрасываемой нагрузки и
характеристик турбонагнетателя, - по кривой FEB при значительных производительности
и скорости разгона последнего, а также сравнительно небольшой набрасываемой
нагрузке, и по кривой, обозначенной пунктиром - при малых производительности и
скорости разгона, но большой нагрузке. В последнем случае двигатель еще больше
снизит частоту вращения, будет работать с значительной перегрузкой и может заглохнуть
(под перегрузкой будем понимать такое нарушение процесса горения, при котором
механические и (или) тепловые напряжения в деталях превысят допустимые значения).
Из изложенного следует, что применение любых регуляторов частоты вращения,
изменяющих подачу топлива, на двигателях с высоким наддувом может улучшить
качество переходного процесса только незначительно (за счет сокращения времени
перестановки рейки ТНДВ в положение максимально-допустимой подачи топлива).
Иначе обстоит дело на двигателях с нагнетателями (компрессорами), имеющими
механический привод. В этом случае количество поступающего на горение воздуха
зависит только от частоты вращения вала дизеля и производительности компрессора, т.е.
практически остается неизменным на всех режимах работы ДГ. Последнее позволяет
улучшением характеристик регулятора частоты вращения (уменьшением запаздывания и
увеличением скорости отработки) существенно повысить динамические показатели
систем регулирования таких дизелей. Следует только иметь ввиду, что при установке на
двигатели электронных регуляторов особое внимание нужно обращать на выбор типа
исполнительных механизмов, неудачный выбор которых (недостаточное быстродействие)
может свести к нулю все преимущества таких регуляторов.
Выводы
1. Наиболее совершенными являются ИБП, оборудованные устройствами
программного подключения нагрузки («плавный старт»). Их применение позволяет
существенно уменьшить установочную мощность дизель-генератора, что оправдывает
(технически и экономически) некоторое усложнение и удорожание ИБП. Следует также
учитывать лучшее качество переходного процесса при изменении нагрузки.
2. При выборе дизеля, предназначенного для работы в составе системы «ДЭСИБП», следует обращать внимание на ожидаемый в эксплуатации характер изменения
нагрузки. При большой вероятности резких («мгновенных») набросов предпочтение
следует отдавать дизелям с умеренным наддувом, несмотря на все преимущества дизелей
с высоким наддувом.
3. Применение электронных регуляторов частоты вращения, особенно на
двигателях с нагнетателями, имеющими механический привод, позволяет повысить
качество переходного процесса при набросе нагрузки и является целесообразным.
Литература
1.
ГОСТ 10511. Системы автоматического регулирования частоты вращения
(САР4) судовых, тепловозных и промышленных дизелей. Общие технические
требования.
2.
Цыркин М.И., Худин В.П. Особенности работы дизелей с высоким
наддувом на переменных режимах. Двигателестроение, 1998, № 1, стр. 20…22.
3.
Цыркин М.И., Гольдинер А.Я., Тюляков К.А. Совместная работа дизельной
электростанции (ДЭС) и источника бесперебойного питания (ИБП). (Системы "ДЭСИБП"). Двигателестроение, 2000, № 2, стр.
4.
Гольдинер А.Я., Любельский А.И., Головко В.В. Практическая надежность.
Электросистемы, 2000, № 2 (специализированное издание по энергетике и системам
бесперебойного электроснабжения).