Tiểu luận Trạm phát điện tàu thủy

Tiểu luận Đề tài: TRẠM PHÁT ĐIỆN TÀU THỦY Chương 1. TRẠM PHÁT ĐIỆN TÀU THỦY 1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT TRẠM PHÁT ĐIỆN TÀU THỦY Trên tàu thủy nguồn năng lượng điện chính được tạo ra nhờ các máy phát điện đồng bộ pha, được truyền động bởi các động cơ Diesel phụ, Diesel chính hoặc Turbin. Số lượng và công suất của các máy phát phụ thuộc vào yêu cầu phụ tải, hay cách khác là phụ thuộc vào kích thước trọng tải và tính chất con tàu. Thông thường một trạm điện tàu thủy có từ 02 - 05 tổ máy được thiết kế để chúng có thể làm việc song song với nhau. Mục đích làm tăng tính an toàn, đảm bảo cung cấp điện một cách liên tục cho các phụ tải đồng thời vẫn đảm bảo hiệu quả khai thác sử dụng cũng như hiệu quả kinh tế. Tuy nhiên khi các máy phát công tác song song với nhau thì các quá trình diễn ra trong hệ thống càng phức tạp, thậm chí có thể dẫn đến hệ thống hoạt động mất ổn định. Sơ đồ phân bố năng lượng điện tàu thủy được mô tả trên hình 1.1 Hình 1.1: Hệ thống phân phối năng lượng điện tàu thuỷ Trong đó: - MF1, MF2, MF3: Các máy phát đồng bộ 3 pha. - Đ1, Đ2, Đ3: Các động cơ cấp lai các máy phát, có thể là động cơ Diesel hay Turbin. - AT1, AT2, AT3: Các Aptomat chính của máy phát. - TC: Thanh cái là nơi tập trung năng lượng điện, tuỳ theo cấu trúc các tàu khác nhau mà số lượng và sự bố trí thanh cái khác nhau. - PT1, PT2,... PTn: Phụ tải tiêu thụ năng lượng điện Tất cả các phụ tải tiêu thụ năng lượng điện đều được thiết kế, chế tạo công tác với một điện áp, tần số định mức cho trước, và chỉ khi công tác với điện áp, tần số này thì thiết bị mới hoạt động tin cậy và có tuổi thọ cao. Do vậy, để duy trì được một điện áp và tần số không đổi cung cấp cho các phụ tải, trạm phát điện tàu thuỷ đều được trang bị các hệ thống tự động ổn định điện áp, tự động điều chỉnh vòng quay Diesel, hệ thống phân chia tải phản tác dụng và tải tác dụng... Trong quá trình làm việc song song thì việc phân chia tải giữa các máy phát là một việc hết sức quan trọng. Việc chia tải tác dụng giữa các máy phát phụ thuộc vào động cơ sơ cấp và cụ thể hơn là liên quan đến hệ điều tốc. Phân chia tải phản tác dụng liên quan đến hệ điều chỉnh điện áp, hay là phụ thuộc giá trị dòng kích từ của từng máy khi chúng làm việc song song. Để đảm bảo hệ thống làm việc an toàn thì trạm phát điện tàu thuỷ còn được trang bị các thiết bị báo động, bảo vệ như: với máy phát có bảo vệ ngắn mạch, quá tải, công suất ngược,... với động cơ sơ cấp là động cơ diesel là các thông số áp lực dầu bôi trơn, nhiệt độ nước làm mát, quá tốc độ,v.v... Chế độ hoạt động của hệ thống năng lượng điện tàu thuỷ luôn thay đổi phụ thuộc vào từng chế độ hoạt động của con tàu. Tuy vậy hệ thống vẫn luôn phải đảm bảo tính ổn định và phải tuân thủ các quy định, yêu cầu về chất lượng hệ thống. 1.2. CÁC QUY ĐỊNH ĐĂNG KIỂM VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP VÀ CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG 1.2.1. Quy định đăng kiểm Quy định của Đăng kiểm, [8] như sau: - Chế độ tĩnh: Khi phụ tải thay đổi từ 0 - Iđm, với cos ( = cos (đm, tốc độ quay của động cơ sơ cấp bằng tốc độ quay định mức với sai số 5% thì điện áp của máy phát không thay đổi quá ( 2.5%Uđm. Còn khi cos ( thay đổi từ 0.6 - 0.9 thì sự dao động này không quá (3.5%. - Chế độ động: Khi thay đổi tải đột ngột thì thời gian điều chỉnh (ổn định) không vượt quá 1.5 (s), khi thay đổi tải đột ngột với P = 60% Pđm và cos ( < 0.4 thì độ quá chỉnh không vượt quá -15% đến +20% điện áp định mức. 1.2.2. Chỉ tiêu đánh giá chất lượng hệ thống tự động Chất lượng hệ thống điều khiển tự động được đánh giá qua các chỉ tiêu tính ổn định và các chỉ tiêu khác của quá trình quá độ và xác lập. Một hệ thống điều khiển tự động gọi là ổn định khi tín hiệu ra của hệ thống tắt dần theo thời gian.
hay là khi tín hiệu của hệ tiến tới một giá trị ổn định hằng số khi tín hiệu vào u(t) = 1(t). - Chất lượng tĩnh: Sau khi đi vào ổn định ở trạng thái xác lập vẫn tồn tại một sai lệch nào đó tuỳ thuộc vào bộ điều khiển. Đó là chất lượng tĩnh và được đánh giá theo sai lệch tĩnh.
(1.1) - Chất lượng động: + Độ quá chỉnh (lượng quá điều chỉnh): (max = ymax - y (() trong đó ymax là giá trị lớn nhất của hàm quá độ y(t). + Thời gian quá độ tqd: Là thời gian được tính đến khi giá trị hàm quá độ đi vào vùng ổn định. + Độ tác động nhanh của hệ thống được đánh giá bằng thời điểm mà hàm quá độ đạt được giá trị y(() lần đầu tiên. + Số lần dao động n xung quanh giá trị y ((). Chất lượng động của hệ thống được xác định qua các tiêu chuẩn tích phân, tùy theo dạng đường cong quá độ mà chúng ta có các tiêu chuẩn đánh giá khác nhau . 1.3. HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH VÒNG QUAY ĐỘNG CƠ DIESEL, CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CHỦ YẾU CỦA BỘ ĐIỀU TỐC 1.3.1. Hệ thống tự động điều chỉnh vòng quay động cơ Diesel Trong quá trình khai thác, chế độ làm việc của động cơ Diesel thường xuyên thay đổi, tức là chế độ làm việc ổn định của hệ thống luôn bị phá vỡ. Khi thay đổi phụ tải hay mômen quay động cơ thì vòng quay của hệ trục cũng thay đổi, [3] ta có: Jdc
= Me -Mc (1.2) Trong đó: Jdc-mô men quán tính quy đổi của hệ động cơ và thiết bị tiêu thụ năng lượng Me, Mc- Mô men quay, mô men cản Như vậy, để vòng quay hệ trục không thay đổi hoặc thay đổi trong giới hạn cho phép thì phải đảm bảo mômen do động cơ Diesel sinh ra cân bằng với mômen cản của thiết bị tiêu thụ năng lượng, điều đó được thực hiện bằng cách luôn luôn thay đổi lượng nhiên liệu cấp cho động cơ. Trong quá trình khai thác, phụ tải luôn thay đổi phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài nên không thể điều khiển lượng nhiên liệu cấp cho động cơ bằng tay được. Ngoài ra động cơ Diesel rất nhậy cảm với chế độ tốc độ. Nếu vòng quay khai thác vượt quá vòng quay cho phép, chất lượng công tác của chu trình xấu đi, làm giảm tính tin cậy, tăng suất tiêu hao nhiên liệu, giảm tuổi thọ động cơ. Vì thế cần thiết phải đảm bảo động cơ làm việc trong khoảng vòng quay cho phép bằng bộ điều tốc. Do vậy, bố trí bộ điều tốc để tự động điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp trong mỗi chu trình sao cho công suất động cơ luôn cân bằng với công suất máy công tác là điều rất cần thiết. Hiện nay, các loại bộ điều tốc lắp trên động cơ Diesel rất đa dạng phụ thuộc vào công dụng và đặc tính động cơ. Dựa vào đặc điểm của các bộ điều tốc thường lắp trên các động cơ Diesel có thể phân thành các loại khác nhau như sau: - Bộ điều tốc cơ giới, thuỷ lực, điện và chân không. - Bộ điều tốc 1 xung và 2 xung. - Bộ điều tốc có sai số tĩnh và không có sai số tĩnh. - Bộ điều tốc độc lập và lắp trong cụm bơm cao áp. - Bộ điều tốc trực tiếp và gián tiếp. 1.3.2. Các thông số đặc trưng của bộ điều tốc Bộ điều tốc có tác dụng giữ cho vòng quay không thay đổi hay thay đổi do tác động của con người, không phụ thuộc vào tải. Đặc tính của bộ điều tốc được đặc trưng bởi một số thông số chủ yếu sau: 1.3.2.1. Độ không đồng đều (() Độ không đồng đều ( trong quá trình điều chỉnh vòng quay là tỷ số độ chênh giữa vòng quay động cơ khi tăng từ 0 đến toàn tải (khi giữ nguyên vị trí thanh răng bơm cao áp) với vòng quay trung bình: ( =
(1.3) Trong đó: nkt - vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ không tải, v/ph. nH - vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ định mức. v/ph; ntb = (nkt + nH)/2 - vòng quay trung bình, v/ph. ( là mức độ sai số tĩnh của bộ điều tốc, nó đặc trưng cho khả năng duy trì vòng quay ban đầu, ( càng nhỏ chất lượng bộ điều tốc càng cao, tuy nhiên khi đó thời gian điều chỉnh tăng lên. Trong trường hợp đường đặc tính điều tốc vuông góc với trục hoành (( = 0) gọi là đặc tính siêu tĩnh hay phi tĩnh (đặc tính izôđrôm). Trong trường hợp đường đặc tính điều tốc có độ dốc (( > 0) gọi là đặc tính tĩnh định. Đối với động cơ điezel lai máy phát điện ( = 0 ( 5%. 1.3.2.2. Độ không nhậy của bộ điều tốc Nếu không có lực ma sát, khi vận tốc góc động cơ thay đổi rất ít cũng làm dịch chuyển các cơ cấu bộ điều tốc. Thực tế, do ảnh hưởng lực ma sát trong các cơ cấu của bộ điều tốc và cơ cấu điều khiển nhiên liệu nên khi vận tốc góc thay đổi nhỏ, bộ điều tốc không có phản ứng gì. Giới hạn thay đổi vận tốc góc tương ứng vùng không có phản ứng gọi là khu vực không nhậy. Chiều rộng khu vực không nhậy thể hiện bằng độ không nhậy của bộ điều tốc (kn. (kn =
;
=
(1.4) Trong đó, (’cb , (”cb - giá trị vận tốc góc tại các điểm biên của khu vực không nhậy khi tăng và giảm vòng quay động cơ. Trong các bộ điều tốc hiện đại lực ma sát khô rất nhỏ. Trong điều kiện làm việc độc lập, độ không nhậy ảnh hưởng không nhiều tới chất lượng làm việc động cơ. Khi làm việc song song, chỉ cần có độ không nhậy nhỏ cũng có thể gây ra sai lệch lớn về công suất giữa các động cơ vì chế độ cân bằng của hệ thống điều chỉnh có thể được xác lập ở bất kỳ chế độ phụ tải nào trong khu vực không nhậy của động cơ. Độ không nhậy của bộ điều tốc tăng lên phụ thuộc vào thời gian khai thác động cơ và chất lượng chăm sóc bảo dưỡng. Với các động cơ làm việc song song mặc dù động cơ còn mới, bộ điều tốc giống nhau nhưng vùng không nhậy không hoàn toàn giống nhau nên khi hiệu chỉnh cần phải xem xét cẩn thận. 1.3.2.3. Độ thay đổi vòng quay tương đối lớn nhất ( Độ thay đổi vòng quay tương đối lớn nhất ( là tỷ số giữa biên độ dao động vòng quay lớn nhất (vận tốc góc lớn nhất) trong thời gian chuyển tiếp với vòng quay định mức: ( =
=
(1.5) (ndd (((dd) - biên độ dao động vòng quay (vận tốc góc) lớn nhất trong quá trình chuyển tiếp. Giá trị độ thay đổi vòng quay tương đối lớn nhất ( phụ thuộc vào chất lượng bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật, chất lượng quá trình cháy của động cơ và các hệ thống phục vụ, phụ thuộc vào phương pháp và mức độ thay đổi tải theo độ quy định của đăng kiểm độ quá điều chỉnh có giá trị cao nhất 10% vòng quay định mức.
Hình 1.2:Biểu diễn Sự thay đổi (, (, và tct 1.3.2.4. Độ không ổn định vòng quay tương đối ( Độ không ổn định vòng quay tương đối ( là tỷ số giữa biên độ vòng quay khi động cơ làm việc ứng với chế độ ổn định với vòng quay ổn định tương đối (định mức, không tải v.v...): ( =
hay ( =
(1.6) Trong đó: ((s - biên độ dao động vận tốc góc ứng với chế độ ổn định; (H, (kt - vận tốc góc ứng với chế độ ổn định (chế độ định mức và không tải). 1.3.2.5. Thời gian chuyển tiếp tct (hay thời gian điều chỉnh) Thời gian chuyển tiếp tct là thời gian tính từ lúc bắt đầu thay đổi tải tới lúc biên độ dao động vòng quay nằm trong giới hạn không ổn định cho phép. Thời gian tct cũng phụ thuộc vào loại và chất lượng bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật của động cơ và các hệ thống phục vụ, phương pháp và mức độ thay đổi tải. Đối với động cơ Diesel lai máy phát, thời gian điều chỉnh không lớn hơn 5(s) 1.4. CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG [4] TRẠM PHÁT ĐIỆN TÀU THỦY 1.4.1. Hệ số đặc trưng sự biến dạng đặc tính thời gian của điện áp và dòng điện. Chỉ số biến dạng đặc tính thời gian của điện áp và dòng điện trong lưới điện tàu thủy được xác định:
(1.7) Trong đó: Kn - Hệ số biến dạng điện áp. Ah - Giá trị hiệu dụng của sóng bậc h AC - Giá trị hiệu dụng của đặc tính. 1.4.2. Hệ số độ lệch cực đại giá trị tức thời của điện áp đối với sóng bậc một Uw.
(1.8) Trong đó: (Um: độ lệch điện áp cực đại U1: Giá trị hiệu dụng sóng bậc 1 của điện áp Do có tổn hao gây nên bởi các sóng bậc cao của dòng điện trong các máy điện, biến áp, tụ điện trong các thiết bị bù cos( nên cần xác định giá trị trung bình của hệ số biến dạng Ku trong một thời gian dài. 1.4.3. Hệ số hàm lượng sóng bậc cao Để đánh giá tác dụng của lưới đối với sóng radio ta cần xác định hàm lượng sóng bậc cao kih. Hệ số này được định nghĩa:
(1.9) Bằng phương pháp đo lường ta có thể xác định toàn bộ phổ tần của tín hiệu điện áp và dòng điện hoặc chỉ xác định hàm lượng của một số sóng bậc cao phụ thuộc vào số lượng, loại thiết bị có trong hệ thống. 1.4.4. Hệ số đặc trưng sự lệch điện áp, tần số và độ phi đối xứng của điện áp. - Các hệ số đặc trưng độ lệch điện áp và tần số của lưới điện tàu thủy là: Độ lệch điện áp (U, độ lệch tần số (f. - Các hệ số này cần phải xác định ở trạng thái động và tính theo biểu thức sau: Hệ số độ lệch điện áp:
(1.10) Trong đó: Udm là điện áp định mức U là giá trị hiệu dụng trên thanh cái. Hệ số độ lệch tần số:
(1.11) Trong đó: fdm là tần số định mức. f là giá trị tần số trên thanh cái. Ngoài ra còn phải xác định thời gian tồn tại quá trình quá độ. 1.4.5. Chỉ số phi đối xứng điện áp. - Chỉ số phi đối xứng điện áp có thể là hệ số không đối xứng điện áp Wn được xác định như tỷ số độ lệch cực đại của điện áp trung bình (U của pha bất kỳ đối với giá trị trung bình của điện áp lưới Utb.
(1.12) - Theo quy định của tổ chức kỹ thuật điện quốc tế (IEC) nếu độ phi đối xứng vượt quá 5% thì cần phải chú ý tới thành phần điện áp đối xứng ngược khi phân tích chế độ làm việc của động cơ dị bộ. 1.4.6. Hệ số đặc trưng sự phân chia tải tác dụng và phản kháng giữa các máy làm việc song song. Các chỉ số này không gặp trong lưới điện bờ mà chỉ gặp trong lưới điện tàu thủy vì nó có liên quan đến sự làm việc liên tục của trạm điện. Các chỉ số phân bố công suất tác dụng và phản kháng (Pi, (Qi xác định như sau:
(1.13)
(1.14) Trong đó: Pi, Qi: Công suất tác dụng và phản kháng Pnm, Qnm: Tải định mức công suất tác dụng và phản kháng của máy phát làm việc song song có công suất lớn nhất. n: Số lượng máy phát đang làm việc song song (i: Hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào số lượng và công suất của các máy đang làm việc song song. 1.4.7. Các chỉ số phụ Do đặc điểm của lưới điện tàu thủy là lưới mềm, các máy phát có hệ điều chỉnh điện áp và tần số độc lập nên trong hệ thống xuất hiện độ lệch U/f so với giá trị định mức. Hệ số này được xác định như sau:
(1.15) Đại lượng này nên tính trong thời gian dài và lấy giá trị trung bình vì nó ảnh hưởng tới tổn hao trong mạch từ. Mục lục Chương 1. TRẠM PHÁT ĐIỆN TÀU THỦY 8 1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT TRẠM PHÁT ĐIỆN TÀU THỦY 9 Hình 1.1: Hệ thống phân phối năng lượng điện tàu thuỷ 9 1.2. CÁC QUY ĐỊNH ĐĂNG KIỂM VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP VÀ CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG 11 1.2.1. Quy định đăng kiểm 11 1.2.2. Chỉ tiêu đánh giá chất lượng hệ thống tự động 11 1.3. HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH VÒNG QUAY ĐỘNG CƠ DIESEL, CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CHỦ YẾU CỦA BỘ ĐIỀU TỐC 12 1.3.1. Hệ thống tự động điều chỉnh vòng quay động cơ Diesel 12 1.3.2. Các thông số đặc trưng của bộ điều tốc 13 1.4. CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG [4] TRẠM PHÁT ĐIỆN TÀU THỦY 17 1.4.1. Hệ số đặc trưng sự biến dạng đặc tính thời gian của điện áp và dòng điện. 17 1.4.2. Hệ số độ lệch cực đại giá trị tức thời của điện áp đối với sóng bậc một Uw. 17 1.4.3. Hệ số hàm lượng sóng bậc cao 17 1.4.4. Hệ số đặc trưng sự lệch điện áp, tần số và độ phi đối xứng của điện áp. 18 1.4.5. Chỉ số phi đối xứng điện áp. 19 1.4.6. Hệ số đặc trưng sự phân chia tải tác dụng và phản kháng giữa các máy làm việc song song. 19 1.4.7. Các chỉ số phụ 20