книги / Надежность дизель-электрических агрегатов и их систем автоматизации

Глава VI

НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

§26. МЕРОПРИЯТИЯ ДЛЯ УСКОРЕНИЯ ПУСКА

ИПРИЕМА НАГРУЗКИ РЕЗЕРВНЫМИ И АВАРИЙНЫМИ

ЭЛЕКТРОАГРЕГАТАМИ

Н адежность электроснабжения определяется спо­ собностью источников питания обеспечить выдачу необ­ ходимого количества электроэнергии при соответствую­ щем ее качестве.

Нарушение нормального режима работы потребите­ лей, связанное с отключением источников питания, воз­ никает при плановых .ремонтно-профилактических рабо­ тах или повреждениях источников питания п их вспо­ могательных устройств. В первом случае отключение происходит в заранее установленное время, и это [легко учесть. Во втором случае оно происходит внезапно и имеет случайный характер.

Целесообразность дополнительных мероприятий для уменьшения вероятности нарушения электроснабжения определяют .сопоставлением требуемых затрат и дости­ гаемого уменьшения ущерба из-за перерыва в подаче электроэнергии.

Широкое распространение электропривода в народ­ ном хозяйстве, появление большого количества пред­ приятий и учреждений, перерывы в электроснабжении которых могут привести к нарушению технологических

«2

Для сокращения времени пуска и приема нагрузки резервными и аварийными электроагрегатами последние имеют устройства ускорения пусковых операций, напри­ мер, подогрев воды и масла в системах охлаждения, и смазки дизеля. Для этой цели используют накладные и погружаемые электронагреватели, а также автоматиче­ ский пуск агрегата на самопрогрев. Накладные подо­ греватели размещают снаружи двигателя; они прогре­ вают воду и масло через стенки блока или картера.

Подогреватели автоматически включаются в сеть при снижении температуры дизеля ниже заданной величины, а при достижении нужной температуры отключаются от сети. Внешний прогрев связан с непроизводительной за­ тратой энергии на нагрев наружных стенок блока и кар­ тера, а также на рассеивание тепла в .окружающую среду.

Погружаемые электронагреватели, установленные не­ посредственно в водяной или масляной системах, яв­ ляются более экономичными. Однако отдельные части дизеля могут оказаться недостаточно прогретыми вслед­ ствие их удаленности от электронагревателей. '

Более эффективным и экономичным является прогрев дизеля с одновременным прокачиванием воды в системе охлаждения и масла в системе смазки, что обеспечива­ ет равномерный прогрев всех рабочих поверхностей ди­ зеля и смазку трущихся деталей. Для этой цели приме­ няют устройство, состоящее из насоса (водяного, масля­ ного или того и другого) с электродвигателем и грелки с теплообменником. Устройство включают в работу пе­ риодически, поддерживая заданную температуру воды и масла в дизеле.

В ряде случаев для поддержания агрегата в горячем состоянии предусматривают его периодический автома­ тический пуск. Однако это влечет за собой повышенное изнашивание частей дизеля, и такой способ прогрева агрегатов применяют только как исключительную край­ нюю меру.

Возможность быстрого пуска и приема нагрузки ре­ зервными электроагрегатами непосредственно зависит от качества смазочных масел. Использование в зарубежных ^автоматизированных электроагрегатах специальных ма­ сел, характеризуемых пологими температурными харак­ теристиками и обладающих необходимыми смазывающи­

253

ми свойствами и возможностью прокачивания в холод­ ном состоянии, является эффективным. Например, по данным ЦНИДИ время пуска и приема нагрузки элек­ троагрегата мощностью 130 ква фирмы Dorman без

6 — т р у б о п р о в о д

применяют специальные факельные подогреватели, а за рубежом широко используют систему Старт-пилот (рис. 66), разработанную французской фирмой Ргосошbur и выпускаемую по лицензиям в США, Англии и дру­ гих странах.

В момент пуска дизеля при 1помощи : Старт-пило­ та во впускаемый воздух вводится небольшое количест­ во мелкораспыленного запального горючего. Эта при­ месь всасывается и сжимается в цилиндре одновремен­ но с воздухом и обеспечивает в конце хода сжатия мгновенное воспламенение топлива.

Наиболее распространенная модель Старт-пилота состоит из трех частей (рис. 66,а): капсулы с горючей жидкостью и приспособления для ее прокалывания; ка­ меры смеси, соединенной с капсулой; насоса, нагнетаю­ щего сжатый воздух в камеру смеси.

254

С каждым прибором поставляется также форсунка, которая привинчивается к патрубку впускного воздуха, и отрезок трубки для соединения патрубка с аппаратом Старт-пилот. Этот аппарат позволяет не только ускорить пуск двигателя, но и сократить время, необходимое для принятия 'электроагрегатом полной нагрузки. Для этого продолжительность впрыскивания запальной жидкости можно регулировать в пределах от 5 до 35 сек. Для дви­ гателей малых мощностей применяют Старт-пилот, в ко­ тором в одной капсуле смешана запальная жидкость и сжатый газ. Для ускорения пуска двигателя нажимают пальцем на клапан капсулы и направляют струю на воздухоочиститель двигателя (рис. 66,6).

§27. РЕЗЕРВИРОВАНИЕ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Краткие сведения. В гл. IV были рассмотрены основ­ ные факторы, влияющие на надежность электроагрега­ тов, и указаны некоторые пути ее повышения. Практи­ ческое осуществление подобных мероприятий потребует определенного времени.

Для обеспечения надежного электроснабжения по­ требителей в настоящее время широко применяют резер­ вирование основных источников электропитания, которы­ ми могут служить автономные электроагрегаты или внешний ввод от местной электрической сети. Под ре­ зервированием электроагрегатов понимают такое их ис­ пользование, когда, кроме одного основного электро­ агрегата, достаточного по мощности для электропита­ ния данного объекта, есть еще и несколько резервных.

Резервирование электроагрегатов можно осущест­ вить одним из следующих способов:

включением основного и резервных электроагрегатов на .параллельную работу (горячий резерв);

поддержанием резервных электроагрегатов в предва­ рительно подготовленном прогретом состоянии, необхо­ димом для немедленного пуска и приема нагрузки (теп­ лый резерв); (

наличием на объекте резервных электроагрегатов без предварительной их подготовки к немедленному приня­ тию нагрузки (холодный резерв). 1

Горячий резерв электроагрегатов. Рассмотрим систе­ му электропитания, состоящую из одного основного

255

электроагрегата, имеющего вероятность безотказной ра­ боты P0{t)y и т резервных электроагрегатов, включен­ ных в параллельную работу с основным и имеющих ве­ роятности безотказной работы Pi(t), где i= 1, 2, ..., т (рис. 67,а). Будем исходить из следующих предпосы­ лок, которые соответствуют действительным условиям эксплуатации электроагрегатов:

основной н резервные электроогрегаты эксплуати­ руются в одинаковых условиях;

P0(t)

Рис. 67. Система (одни основной н два резервных электроагрегата АД-5) электропитания потребителей при горячем резерве электро­ агрегатов:

а — р а с ч е т н а я с х е м а ; б — гр а ф и ч е с к и й с по со б о п р е д е л е н и я с р е д н е г о в р е м е н и б е з о т к а з н о й р а б о т ы

основной и резервные электроагрегаты работают (с точки зрения надежности) независимо друг от друга.

Обозначим вероятность безотказной работы системы через Pc{t), а вероятность отказа — через Qc(0- ДРИ питании потребителей от такой системы перерыв в их электроснабжении наступит лишь тогда, когда откажут все параллельно работающие электроагрегаты. Тогда в соответствии с положениями теории надежности вероят­ ность отказа всех электроагрегатов системы будет выра­ жаться следующим соотношением:

256

Qi(/) = 1— Pi(t) — вероятность отказа t-го резерв­ ного электроагрегата.

Вероятность безотказной работы системы, электро-, агрегатов будет равна

Pc(t) = l - { [ l - P 0(/)] • 11 - Рх (01 . . • [1 - Р,п (ОН- (59)

Если все резервные электроагрсгаты будут иметь одинаковую надежность, равную надежности основного электроагрегата, что практически имеет место в боль­ шинстве случаен, т. е. Pt,{t) = Р \\t) =... = Л п(0. формула (59) примет вид

p c(t) = 1 - [1 - Pe (0](m+1) == 1 -[Q o(0J(w+1)- (50)

Из формулы (60) нетрудно определить необходимое количество резервных электроагрегатов для обеспечения электропитания потребителей с заданной надежностью Ра (t), которая должна быть равна или меньше надеж­ ности системы Pc(t) :

изложенным в литературе [11]. Для этого строим график зависимости вероятности безотказной работы электро­ агрегата от времени t и делим ординату Р0 на т + 2 равные части (рис. 67,6). Из нижней точки деления проводим прямую, параллельную оси абсцисс, до пере­ сечения с кривыми Р ся и Ясв. Из точек пересечения опускаем перпендикуляры на ось абсцисс. Полученные значения и будут равны величине среднего времени без­ отказной работы системы Тс, состоящей из одного ос­ новного и m резервных (однотипных) электроагрегатов. Следует указать, что графическое определение величины Тс является приближенным. Действительное значение времени Тс будет несколько больше.

Графическим способом на рис. 67,6 определена вели­ чина среднего времени безотказной работы системы, со­ стоящей из одного основного и двух резервных электро-

257

Таким образом, пользуясь указанными выше зависи­ мостями и зная величину надежности отдельных элек­ троагрегатов, можно рассчитать надежность системы электропитания, состоящей из любого количества одно­ типных или разнотипных электроагрегатов, включенных в параллельную работу. Это позволит обеспечить элек­ тропитание потребителей с любой практически необхо­ димой надежностью. Достоинством данного вида резер­ вирования является также его простота и отсутствие пе­ реключающих устройств.

P0(t)

Рис. 68. Система электропитания потребителей при холодном ре­ зерве электроагрегатов:

а — расчетная схема; б — доверительны е границы вероятности отказов электро ­ агрегата АД-б (при а -0 ,9 )

Однако при горячем резервировании нерационально расходуется ресурс резервных электроагрегатов и проис­ ходит излишний расход горюче-смазочных материалов.

Холодный резерв электроагрегатов. Холодный или ненагруженный резерв электроагрегатов (рис. 68, а) мож­ но применять для электропитания только таких объек­ тов, которые допускают нечастые перерывы в работе (от нескольких минут летом до 20—30 мин в зимних усло­ виях). Эти перерывы определяются временем, необходи­ мым для пуска и прогрева резервного электроагрегата, и принятием им номинальной нагрузки.

При расчете надежности такой системы будем исхо­ дить из следующих предпосылок:

резервные электроагрегаты находятся в исправном состоянии;

они не стареют и не изнашиваются.

258

Последнюю предпосылку также можно принять, так как в течение некоторого ограниченного времени это действительно имеет место.

Вероятность отказа Qi(t) электроагрегата при экспо­ ненциальном законе распределения времени безотказной работы можно определять из выражения

(при доверительной вероятности а=0,9). Действитель­ ное значение вероятности отказа находится между этими граничными значениями.

Вероятность отказа системы Qc(t) электроагрегатов

Если величина Л^<С1, что практически обеспечено для времени t в пределах до 100—150 ч, то величину Qc(i) можно определять по приближенной формуле

Тогда вероятность безотказной работы системы при холодном резервировании ,

(Л,о^+п

Сравнивая значения вероятности безотказной работы системы электроагрегатов при горячем и холодном ре­ зервировании, можно установить, что при холодном ре­ зервировании вероятность отказа системы в (т + 1 )! раз ниже, чем при горячем резервировании. Среднее время безотказной работы такой системы будет равно сумме наработок на отказ основного и резервных электроагретов, .если последние не ремонтируются. Кроме того, при холодном резервировании рационально расходуется ре­ сурс резервных электроагрегатов.

259

Однако следует учитывать, что при холодном резер­ вировании имеют место перерывы в электропитании по­ требителей на время пуска резервного электроагрегата, тогда как при горячем резервировании обеспечена пол­ ная бесперебойность в электроснабжении потребителей.

Теплый резерв электроагрегатов. Теплый или облег­ ченный резерв (рис. 69, а) может быть применен только

Рис. G9. Система электропитания потребителей при теплом резерве электроагрегатов:

а — с х е м а в к л ю ч е н и я э л е к т р о а г р е г а т о п ; б — р а с ч е т н а я с х е м а

в том случае, если в качестве резервных применяются автоматизированные электроагрегаты, обеспечивающие длительное поддержание их в прогретом состоянии и быстрый автоматический пуск с принятием номинальной нагрузки. Такой вид резервирования обеспечивает со­ хранность ресурса резервных электроагрегатов и надеж­ ное электропитание потребителей. Однако при этом воз­ никают кратковременные (от 15 до 60 сек) перерывы в электроснабжении, вызванные необходимым временем для пуска резервных электроагрегатов и принятия ими нагрузки. Теплый резерв занимает промежуточное поло­ жение между горячим и холодным резервом и находит в практике все более широкое применение.

Количественные соотношения надежности системы, состоящей из одного основного электроагрегата с веро­ ятностью безотказной работы P0{t) и т резервных элек­ троагрегатов с вероятностью безотказной работы Р{(1), при экспоненциальном законе распределения времени

260