Выбор дизельной электростанции: пусковые токи

При выборе дизельной электростанции (ДЭС) в качестве автономного (основного или резервного) источника электроэнергии проектировщика подстерегают несколько подводных камней. Одним из таких «камней» является обеспечение пусковых токов нагрузки потребителя. Неопытный специалист при выборе ДЭС руководствуется, как правило, только расчетной мощностью нагрузки, забывая, что это максимальная усредненная нагрузка на временном интервале 30 мин (интервал указан как характерный для сети напряжением до 1000 В).

Расчетная мощность Рр соответствует такой неизменной токовой нагрузке Iр, которая эквивалентна действительно изменяющейся нагрузке по наиболее тяжелому тепловому действию на элемент системы электроснабжения. Под действительной нагрузкой здесь подразумевается верхняя граница возможных значений усредненной токовой нагрузки. Длительность интервала осреднения принимается равной трем постоянным времени нагрева Т элемента системы электроснабжения, через который передается нагрузка (проводник, кабель, шинопровод). Опыт проектирования и эксплуатации электрических сетей напряжением ниже 1000 В свидетельствует о целесообразности принятия интервала осреднения 30 мин, соответствующего постоянной времени нагрева Т=10 мин. Расчетный ток — это наибольший из средних получасовых токов.

Таким образом, не учитывается такой режим работы, при котором нагрузка потребителя на несколько секунд существенно превышает расчетную мощность. Максимальная кратковременная нагрузка продолжительностью несколько секунд называется пиковой нагрузкой.

Пиковая нагрузка обусловлена запуском электроприемников с большими пусковыми токами, например, асинхронных двигателей. Пусковой ток возникает при начале вращения двигателя и продолжается до достижения номинального скольжения двигателя. Величина пускового тока превышает номинальный ток двигателя в 4…8 раз (см. характеристики двигателей марки А, АИР, RA и т.д.).

Если мощности ДЭС не хватает, чтобы покрыть пиковую нагрузку потребителя, то в результате возникает выход частоты и величины генерируемого напряжения за границы, допустимые для потребителей. В результате, потребитель автоматически отключается от источника питания действием защиты, а ДЭС останавливается. В том случае, если ДЭС, например, предназначена для резервного питания противопожарных устройств, последствия такого отключения могут быть катастрофические.

Чтобы ДЭС обеспечивала пиковую нагрузку, должно выполняться условие

где P_{пик.нагр.}– пиковая мощность нагрузки;

Р_{пер.ДЭС}– перегрузочная способность ДЭС.

Проблема заключается в том, что в каталогах очень сложно найти информацию о перегрузочной способности дизельных электростанций. Некоторые фирмы-поставщики для всех марок ДЭС пишут, что перегрузка допустима только на 10% в течение часа. При превышении этого значения срабатывает автоматическая защита генератора. Другие фирмы разделяют номинальную мощность ДЭС на основную (PRP – prime power) и аварийную (ESP – Emergency Stand-by Power). Как правило, аварийная мощность превышает основную на те же самые 10%. При этом, перегрузка ДЭС сверх аварийной мощности запрещается.

ГОСТ Р ИСО 8528-1-2005 выделяет еще два типа мощности – резервную (LTP — Limited Time running Power) и постоянную (COP — Continuous Operating Power), но в описаниях дизельных электростанций эти понятия редко применяются. Правда, частенько аварийную мощность генератора называют резервной, что некорректно.

Что же получается? Если от ДЭС запитан асинхронный двигатель сопоставимой номинальной мощности, то запуститься он не сможет? И чтобы этот двигатель запустился, ДЭС должна его превышать по номинальной мощности в К_пуск/К_{пер.ДЭС} раз (К_пуск – коэффициент пускового тока двигателя, К_{пер.ДЭС} – коэффициент перегрузки ДЭС)? Допустим, К_пуск=8, а К_{пер.ДЭС}=1,1, тогда номинальная мощность ДЭС должна быть в 8/1,1=7,3 раза больше, чем номинальная мощность асинхронного двигателя. При этом загрузка ДЭС при запущенном двигателе составит всего 100%/7,3=13,7%. Между тем, фирмы-изготовители ДЭС регламентируют минимальную загрузку не менее 25…40%.

При работе на малых нагрузках из-за невысокой температуры выхлопных газов смазочное масло, попадающее в камеру сгорания и частично выносимое в коллектор и выхлопной трубопровод, полностью не сгорает, а оседает на их стенках, элементах турбонагнетателя, клапана и т.п., где коксуется. При длительной работе дизеля в таком режиме это коксование приводит к умень­шению сечения соплового аппарата турбонагнетателя и, как следствие, к наруше­нию нормальной работы дизеля. Более того, при последующих пусках и попадании топлива в выхлопную систему это может привести к взрыву («хлопку»), который часто сопровождается повреждением дизеля.

Что-то несуразица какая-то получается. Зачем изготавливать генератор, который не может обеспечить пуск двигателя при сопоставимой нагрузке, а применение более мощного генератора невозможно из-за ограничений работы двигателя?

В ГОСТ Р 53174-2008 «Установки электрогенераторные с дизельными и газовыми двигателями внутреннего сгорания», п.6.3.10, табл.4 регламентируется мощность ДЭС по отношению к мощности асинхронного короткозамкнутого двигателя.

Электрогенераторные установки трехфазного переменного тока частотой 50 Гц (в ненагруженном состоянии) должны обеспечивать запуск асинхронного короткозамкнутого двигателя с кратностью пускового тока до 7 и мощностью не менее указанной в таблице

Номинальная мощность электрогенераторной установки, кВт	Мощность асинхронного короткозамкнутого двигателя в процентах от номинальной мощности электрогенераторной установки
До 60 включ.	70
100 и 200	60
Св. 200 до 500 включ.	50
» 500 » 1000 »	35
» 1000	Устанавливают в стандартах или ТУ на электрогенераторные установки конкретных типов

Таким образом, мощность ДЭС должна превышать мощность двигателя в 1,4…2,9 раза, а не в 7,3 раза, как рассматривалось выше. Правда есть один нюанс – большинство генераторов изготавливаются за рубежом, где не действуют требования российских нормативных документов, и, следовательно, требования к перегрузке могут быть другими.

Следует упомянуть о разговоре, который состоялся у меня с одним из представителей известной российской фирмы-поставщика дизельных электростанций. Речь шла о пиковых токах нагрузки и о способности ДЭС их выдерживать. Мне было заявлено, что фирма гарантирует только 10% перегрузки в течение часа. За кратковременные перегрузки (пусть даже несколько десятков секунд) сверх 10% они на себя ответственность не возьмут. Я обратил внимание представителя, что для выбираемого дизель-генератора есть сертификат соответствия российским нормам, и в частности, упоминаемому ГОСТ Р 53174-2008. На что мне ответили, что в курсе требований этого ГОСТ, но на самом деле они эти испытания не проводили, и все, что они могут обещать – это перегруз 10% в течение часа. Честно говоря, для меня это заявление было несколько неожиданно. Замечу, что фирма достаточно известна, работает с гос. заказами.

Попробуем найти информацию о допускаемой кратковременной перегрузке генераторов различных фирм-изготовителей, отечественных и зарубежных.

Баранчинский электромеханический завод

Генераторы синхронные серии БГ общепромышленного исполнения… выдерживают трёхфазное короткое замыкание в течение 5 сек, а 50% перегрузку в течение 2 минут. В режиме холостого хода генератор обеспечивает прямой пуск асинхронного электродвигателя мощностью до 70% номинальной мощности.

ГЕНЕРАТОРЫ СИНХРОННЫЕ типов БГ-100Т, БГ-100К3, БГ-200Т, БГ-200К1: генератор обеспечивает запуск на холостом ходу прямым включением трехфазного асинхронного короткозамкнутого двигателя без момента на валу, мощность которого составляет 50% номинальной мощности генератора, а кратность пускового тока — до 7.

Судя по приведенным данным, генераторы БЭМЗ соответствуют требованиям российских стандартов.

ОАО «Электроагрегат», Курск

Непосредственно в описании генераторов информации нет, зато удалось найти информацию в описании готовых дизельных электростанций. Так, например, для ДЭС марки АД200С-Т400 (номинальная мощность составляет 200 кВт) мощность запускаемого ненагруженного асинхронного короткозамкнутого двигателя составляет 110 кВт, что составляет 55% от мощности ДЭС.

Lenz Electric

ПЕРЕГРУЗКИ:

Обычно допустима перегрузка в 10% в течение 1 часа каждые 6 часов. Короткие перегрузки могут быть весьма значительными (в три раза больше номинального тока).

Overloads:

A 10% overload for 1 hour every 6 hours is normally accepted. Short overloads can be very high (3 times the rated current).

LEROY-SOMER

Эта фирма приводит подробные данные по запуску асинхронных двигателей для каждого типа генератора. Например, номинальная мощность генератора LSA 47/2 исполнения M7 составляет 500 кВА, а при запуске асинхронного двигателя – 1073 кВА (система возбуждения SHUNT) или 1195 кВА (система возбуждения AREP). Таким образом, перегрузка генератора при запуске асинхронного двигателя может составлять ~100% (SHUNT) или 140%(AREP) при установившемся отклонении напряжения 20% или переходном отклонении напряжения 50%.

Варианты исполнения генератора LSA 47.2.

Информация о допустимой перегрузке генератора при запуске асинхронного двигателя.

MarelliGenerators

К сожалению, удалось только найти упоминание о допустимости 10% перегрузки в течение 1 часа.

Mecc Alte Spa

Допускается перегрузка 10% в течение 1 часа за 6 часовой период, а также 300% нагрузка в течение 20 сек (например, для генератора ECO 38-1LN/4, Рном=200 кВт).

Информация о перегрузке генератора ECO 38-1LN/4

Итак, данные о перегрузке приводят далеко не все изготовители генераторов, и данные разных производителей существенно различаются. Тем не менее, практически все из рассмотренных фирм-изготовителей генераторов декларируют более или менее существенный запас по обеспечению пиковых нагрузок потребителей.

Для общего развития можно ознакомиться с требованиями к судовым генераторам. Для всех генераторов предъявляется требование 50% перегрузки в течение от 15 сек до 2 мин.

Требования по перегрузке, предъявляемые к судовым генераторам

В расчетах также не следует забывать об условиях, влияющих на снижение номинальной мощности генераторов (а значит, и перегрузочную способность тоже) – температуре окружающего воздуха, высоте над уровнем моря, коэффициенте активной мощности потребителей (cosф).

Вот какие коэффициенты рекомендует применять фирма SINCRO для своих генераторов.

Корректирующие коэффициенты для различных «ухудшающих» условий.

Выводы

1. При выборе следует обращать особое внимание на перегрузку дизельной электростанции пиковыми (пусковыми) токами нагрузки.
2. Перегрузочная способность генераторов у разных фирм-изготовителей может существенно отличаться, поэтому их следует запрашивать у соответствующей фирмы-изготовителя или авторизованных дилеров этой фирмы.
3. В расчетах следует учитывать понижающие коэффициенты номинальной мощности электрической станции в зависимости от различных условий – окружающей температуры воздуха, высоты над уровнем моря, коэффициента активной мощности (cosф) потребителей.

В статье применяется термин ДЭС — дизельная электростанция, но следует заметить, что наряду с этим термином широко используется другой термин ДГУ — дизель-генераторная установка. Хоть эти термины и взаимозаменяемы, в статье, во избежание путаницы, применяется только термин ДЭС. Также, нет разницы, на каком топливе работает электростанция — дизельном топливе, бензине или газе, т.к. речь идет о перегрузочной способности генератора. Для удобства изложения была выбрана электростанция на дизельном топливе.