Аварийно електрозахранване с дизелови агрегати - част II

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2015

Аварийно електрозахранване с дизелови агрегати - част IIАварийно електрозахранване с дизелови агрегати - част IIАварийно електрозахранване с дизелови агрегати - част IIАварийно електрозахранване с дизелови агрегати - част IIАварийно електрозахранване с дизелови агрегати - част II

B първата част на статията бе направен преглед на основните компоненти на дизеловите електрически агрегати с акцент върху особеностите при употребата им като източник на аварийно електрозахранване. Тук ще се спрем на дефинициите за номинална мощност в зависимост от режима на работа и влиянието на факторите на околната среда върху мощността на агрегатите. Ще бъдат разгледани типични схеми на електрически уредби с агрегати за аварийно захранване и взаимодействието им с UPS системи.

Дефиниции за номиналната мощност на дизелови агрегати
Първите части на стандарти ISO 8528 и ISO 3046 дават основните дефиниции, между които и тези за номиналните мощности. Има се предвид максималната полезна електрическа мощност, която може да отдаде един агрегат, и тя е различна в зависимост от режима и продължителността на работа.

Основните критерии, по които се оразмеряват дизеловите агрегати, са топлинните баланси на двигателя и на електрическия генератор. И за двата вида машини има стандартни допустими стойности било за абсолютна температура, било за превишаване над температурата на околната среда на техните критични компоненти. В зависимост от конструкцията си една машина може да бъде повече или по-малко топлоустойчива.

Например електрическите генератори от двата масово използвани класа на изолация – F и H, имат, както добре е известно, различни температурни лимити. Стандартизираните температурни лимити са различни за различни режими на работа, тъй като отчитат не само опасността от незабавна повреда, но и стареенето на изолацията на електрическите машини, респективно, износването на компонентите на дизеловите двигатели.

Лимитите са по-строги при по-голяма продължителност на работа или по-голям среден коефициент на натоварване. Всички тези фактори се вземат предвид от производителите на агрегати, така че не е нужно потребителят да избира едни или други конструктивни решения, достатъчно е да познава характеристиките на своя товар и да има каталожните мощности на агрегата, дефинирани в зависимост от режима, както следва:

Основна мощност (Prime power, PRP). Това е максималната мощност при неограничено време за работа, с осигурени само прекъсвания за извършване на периодичните профилактики и ремонти по графика, предвиден от производителя, но при следните ограничения на натоварването:

• В рамките на кой да е 24-часов период на работа на агрегата средната отдадена мощност Pa не трябва да превишава допустимата мощност Pp = 70% PRP. Методиката за изчисляване на Pa е илюстрирана на фиг. 1. Мощности под 30% PRP се приемат за равни на 30% PRP (Р4 на фигурата). 24-часовият период отчита само работните часове при включен агрегат. Т.е., при наличие на интервали с престой (“d” на фигурата) изследваният период ще обхваща повече от 24 часа календарно време.

• Агрегатите, оразмерени по PRP, обикновено имат 10% запас по претоварване. Работа с над 100% PRP в рамките на този запас се ограничава до 1 час за кой да е 12-часов цикъл.
Посочените ограничения са препоръчителни. Конкретните ограничения за всеки агрегат могат да варират при различни модели и различни производители.

Ограничена по време мощност (Limited-time running power, LTP). Това е максималната мощност, която може да бъде отдадена при работа на 100% натоварване за сумарно време до 500 часа годишно.

Мощност за аварийно захранване (Emergency Standby Power, ESP). Това е максималната мощност, която агрегатът може да отдава при сумарна работа не повече от 200 часа годишно, при спазване на аналогично като за основната мощност ограничение - в рамките на кой да е 24-часов период на работа на агрегата средната отдадена мощност Pa не трябва да превишава допустимата мощност Pp = 70% ESP. Методиката за изчисление е същата като при основната мощност.

Много от масово произвежданите агрегати се предлагат за два режима на работа – в режим на основна мощност (PRP) и режим на аварийно захранване (ESP). В този случай номиналната стойност на ESP е по-голяма от тази на PRP. Например 275 kW ESP/250 kW PRP. В режим ESP обаче няма запас по претоварване.

Продължителна мощност (Continuous Power, COP). Това е мощността, която един агрегат може да отдава за неограничено време при 100% товар. Задължително е да се осигури само прекъсване за извършване на периодичните профилактики и ремонти по графика, предвиден от производителя. В този режим няма запас по претоварване. По това определение се оразмеряват главно агрегати, предназначени да захранват постоянни консуматори, изолирани от електроснабдителната система.

Както вече стана дума, при продължителна работа на максимална мощност топлинното натоварване както на двигателя, така и на електрическия генератор са по-тежки, отколкото в режимите с редуцирана средна мощност и/или по-дълги престои. Затова в агрегатите, оразмерени по продължителна мощност, се прилагат специални конструктивни решения за повишаване на топлинната и механична износоустойчивост, а охладителните им системи са с по-голям капацитет.

Всичко това увеличава цената. Ето защо масовите дизелови агрегати, използвани за аварийно захранване и другите циклични режими (PRP, LTP), не се оразмеряват по COP и, съответно, нямат тази величина в каталожните си спецификации.

Конструктивни изисквания, свързани с околната среда и влиянието им върху мощността
Каталожните данни се дават за стандартни условия на околната среда. Влиянието на отделните фактори в случай на отклонение е както следва:

Околна температура и надморска височина. Ефектът от по-високата околна температура върху загряването на машините е очевиден. Влиянието на голямата надморска височина е подобно и произтича от разреждането на въздуха. То намалява ефективността на топлоотдаването както от двигателя, така и от генератора.

Освен това, както разреденият въздух, така и високата му температура водят до намаляване на кислорода в гориво-въздушната смес, което в крайна сметка снижава изходната мощност. Затова производителите предлагат таблици за редуциране на номиналните мощности на агрегатите за температури и надморски височини над каталожните (които обикновено са температура до 40 °С и височина до 1000 метра).

Ниските околни температури не влияят на мощността на агрегата в установен режим, но могат да затруднят пуска на двигателя по ред причини: увеличено триене поради свиване на хлабините и сгъстяване на маслото; снижаване капацитета на стартовата батерия; кристализиране на парафина, съдържащ се в дизеловото гориво, съответно, запушване на горивната система.

Затова в зависимост от конкретното приложение следва да се вземат нужните мерки. В случай на открит монтаж може да се заяви опция с нагреватели в блока на двигателя. При нужда трябва да се използва гориво, обработено за работа в зимни условия.

Влажност на въздуха и кондензация. В нашите условия по-скоро би могло да има проблем при наличие на условия за кондензация при ниски температури. Кондензът създава проблеми с изолацията на електрическия генератор. Обикновено е достатъчно да се предвидят нагреватели, които да предпазват генератора от образуване на конденз по време на престой на агрегата.

По време на работа отделената топлина и циркулацията на охлаждащия въздух сами по себе си са достатъчна защита. Комбинация от висока влажност и високи температури на околния въздух не е характерно явление за нашата климатична зона. Тази комбинация може както да вреди на електрическата изолация, така и да води до обедняване на гориво-въздушната смес откъм кислород, а оттам – прегряване на двигателя. За такива условия се предлагат агрегати в тропическо изпълнение.

Наличие на атмосферен прах. Прахът в атмосферата има абразивно действие върху елементите на дизеловия двигател, а фините частици могат да образуват отлагания, влошаващи работата на турбокомпресорите. Превенцията срещу това е използване на въздушни филтри (с които дизеловите двигатели нормално са снабдени).

Пораженията от праха върху намотките на електрическия генератор са директно абразивно действие и натрупване на отлагания, които влошават охлаждането и същевременно привличат влага и снижават нивото на изолацията. Особено опасни са праховете от електропроводими материали.

При силно запрашена атмосфера е необходимо охлаждането на генератора да става в затворен обем, като на входа на охлаждащия въздух се поставят филтри. Това намалява капацитета на охладителната система, тоест необходим е по-голям генератор за дадената изходна мощност, отколкото при нормалното изпълнение. Препоръчително е въздушните филтри да са снабдени със сензори за контрол на замърсяването.

Наличие на химически агресивни газове и пари в атмосферата. За предотвратяване на корозионното действие върху двигателите и генераторите трябва да се търсят машини в специално изпълнение.
При избора на мощността и характеристиките на компонентите на дизелов агрегат трябва да се имат предвид следните аспекти:

•  върховите активна и реактивна мощност на консуматорите в пусков режим и в установен режим;
•  преходните процеси на честотата и напрежението при включване и изключване на консуматори;
•  наличието на нелинейни товари.

Ограничения по активна мощност
Установената активна мощност се ограничава от термичния баланс на двигателя. Разгледаните по-горе дефиниции за номиналната мощност на агрегата са във връзка именно с тези ограничения.

Ограниченията по пускова активна мощност идват преди всичко от максималния въртящ момент и от динамичните характеристики на двигателя. При внезапно включване на електрически товар с мощност от порядъка на номиналната на агрегата, спирачният момент на товара предизвиква “пропадане” на честотата на въртене на двигателя. Максималната стъпка, с която може да се натоварва един агрегат, зависи от това дали е снабден с турбокомпресор или не.

Тези без турбокомпресор могат да поемат наведнъж 100% от товара си, стига предизвиканото от това пропадане на честотата да не представлява проблем за консуматорите и възстановяването, и да стане за приемливо кратко време – вж. стандартните допуски по-долу.

Турбокомпресорите обаче имат нужда от определено време, за да развият нужното за дадения товар налягане и това ограничава стъпката на натоварването. Стандартите ISO 8528-5 и ISO 3046-4 въвеждат величината спирачно средно ефективно налягане pme (break mean effective pressure, BMEP).

Pme е средната ефективна стойност на налягането в цилиндрите при работа на номинална мощност и честота. Колкото по-голямо е Pme на един дизелов двигател, толкова по-малко скокообразно изменение на товара може да поеме. Тогава е необходимо да се прибегне до натоварване на няколко стъпки – вж. фиг. 2.

Когато стойността на Pme на даден агрегат е наляво от линия “a”, целият товар може да бъде поет на една стъпка. Когато е между линии “a” и “b”, например стойността “x”, показана на фигурата, товарът трябва да бъде поет минимум на две стъпки, като амплитудата на първата не надвишава стойността “y”, и така нататък. Фигурата представя оригиналните криви, дадени в стандартите без стойностите на Pme.

И самите стандарти подчертават, че кривите са примерни, докато характеристиките на реалните двигатели могат да са различни. В действителност производителите рядко посочват стойността на Pme в каталожните си данни. Пресмятането на преходните процеси поначало е сложна задача и е много по-добре изборът на агрегат да бъде консултиран с доставчика или да бъдат използвани онлайн калкулаторите, които някои производители на дизелови агрегати предлагат.

Ограничения по реактивна мощност
Аналогично, ограниченията на пълната реактивна мощност в установен режим идват от термичния баланс на електрическия генератор. На фигура 3 е показана типична P-Q диаграма на синхронен генератор. Участъкът m-n представя работата на генератора в режим на превъзбуждане, респективно – ограничението по прегряване на ротора (тоест по максимален ток на възбуждане).

Дъгата n-p представлява ограничението по прегряване  на статора (тоест по ток или пълна мощност на статора). Обичайно работата на генератора в тази част от кривата не е възможна, тъй като агрегатът се комплектова с генератор с мощност, малко по-голяма от тази на двигателя и в този случай определящо е ограничението по мощност на двигателя – отсечката q-r.

Частта p-s представя ограничението по устойчивост в режим на недовъзбуждане. Товарът, представен със своите активна и реактивна мощност, във всеки един режим трябва да попада вътре в кривата m-q-r-s. Автоматичното ограничаване по максимална активна мощност се реализира от управлението на двигателя, а ограниченията по превъзбуждане и недовъзбуждане – от съответните функции на регулатора на възбуждане.

Важно е да се отбележи, че тази крива представя ограниченията за продължителен режим на работа. Възможностите за краткотрайно претоварване по ток (пълна мощност в kVA) на генераторите са доста по-големи и каталозите на някои производители дават тази величина.

Преходни процеси на честотата и напрежението
В действителност най-често не максималните стойности на мощностите, а ограниченията, свързани с преходните процеси, са тези, които са определящи при оразмеряването на агрегата. Особено тогава, когато се включват големи единични или групови консуматори.
Стандарт ISO 8528-1 определя четири класа агрегати с двигатели с вътрешно горене, в зависимост от типа захранвани консуматори:

• G1 – товари с общо предназначение и осветление. Изискванията към отклоненията в параметрите на честотата и напрежението за този клас са най-леки.
•  G2- осветление и електродвигатели. Изискванията за този клас се доближават до изискванията към обществените електроразпределителни мрежи.
•  G3- телекомуникационно оборудване.
•  G4- компютърно оборудване.

Стандартът ISO 8528-5 определя максималните отклонения от честотата и напрежението по време на стъпково изменение на товара за всеки от класовете G1, G2 и G3, показани в таблица 1. Изискванията за клас G4 са най-тежки и стандартът указва те да бъдат договорени между потребителя и производителя на агрегата.

В таблицата неслучайно са дадени ограничения за отнемане на 100% товар, докато амплитудата на стъпковото поемане на товар не е посочена във връзка с ограниченията за максимална амплитуда на стъпковото натоварване, разгледани по-горе.

Фиг. 4 показва най-често прилаганата схема за резервиране в една електрическа уредба, например на промишлено предприятие или търговски център. Тя включва няколко нива на резервиране. Неотговорните товари се захранват само от обществената електроразпределителна мрежа. В тази група попадат товарите от категории 2 и 3 по Наредба 3 за устройството на електрическите уредби и електропроводните линии.

Отделянето на тези товари от шините на дизел генератора значително редуцира необходимата мощност за резервиране. От шините на дизел-генератора се захранват отговорни товари, които се класифицират в категория 1 по наредбата. Те търпят безтокова пауза за времето от автоматичното регистриране на липса на основно захранване до развъртането на дизеловия агрегат.

UPS захранва консуматорите от категория 0, които не търпят никаква безтокова пауза. Наличието на дизел агрегата позволява да бъде използван UPS с акумулаторни батерии с относително малък капацитет, достатъчен да поддържа работата му само за времето, необходимо за пускане на агрегата.

Същевременно, един UPS с директно преобразуване, каквито са повечето съвременни UPS, може да изиграе ролята на стабилизатор на захранването на най-чувствителните консуматори като телекомуникационното и компютърното оборудване. В такъв случай не е необходимо дизеловият агрегат да бъде избран за режим на работа G3 или G4, а за G1 или G2 в зависимост от вида консуматори от категория 1.

Разбира се, при много ценно и отговорно оборудване може да се вземе предвид и малката, но не и нулева вероятност от повреда на UPS по време на работа с дизеловия агрегат и превключването на неговите консуматори на работа през байпас. Тогава решението би могло да бъде както втвърдяване на изискванията към дизеловия агрегат, така и дублиране на UPS.
Принципно, товарите влияят върху преходните процеси посредством:

•  характеристиките на изменение на консумираната активна и реактивна мощност по време на пускане;
•  реакцията си към захранване с честота и напрежение, различни от номиналните.

По-съществените характеристики на дизел агрегатите, от които зависят преходните процеси на честотата и напрежението, са:
•  инерционният момент на агрегата (в това число маховикът на двигателя);
•  бързодействието, с което двигателят поема измененията в активната мощност – зависи от регулатора на обороти, от системата за впръскване и най-вече от турбокомпресора;
•  електрическите параметри на генератора и на уредбата (активни и реактивни съпротивления);
•  кратността на възбуждането на генератора, бързодействието и характеристиката на регулиране.

Продължава в следващия брой.

Новият Специален брой: Машини, технологии, оборудване за Industry 4.0/2018

Специален брой: Машини, технологии, оборудване за Industry 4.0-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

Top