NO159760B - Koblingsanordning til oekonomisk utnyttelse av primaerenergiomformere. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en koblingsanordning som angitt i

i

hovedkravets innledning.

Ombord på skip er det vanlig å drive flere aggregater

ad gangen til å frembringe elektrisk energi for å forsyne de tallrike energiforbrukere. Således anvender man for fremdriften for det meste hoveddieselmotorer og for forbrukere tilknyttet skipets elektriske nett, en generator drevet av en liten dieselmotor. På grunn av den generelle knapphet på energi og stigende energipriser er anvendelsen av akselgeneratorer til å frembringe elektrisk energi igjen kommet noe i forgrunnen. Ved disse anlegg blir for det meste en synkrongenerator montert på propellakselen eller drevet av denne over en utveksling og mater skipsnettet under fart. Den egentlige skipsnettgenerator løper da med som faseforskyver og blir bare ved sakte fart og i havn utnyttet fullt ut for skipsnettforsyningen.

Den forventede situasjon med hensyn til energitilgang tvinger skipsbyggere og redere til mer vidtgående forholdsregler for å spare energi, altså å utnytte energien mest mulig økonomisk. Således er det f.eks. kjent at der ofte går større energimengder tapt med avgassene fra hoveddieselmotorene for fremdrift.

Fra FR-A-743 237 er det kjent en anordning til generering og fordeling av elektrisk energi, hvormed grunnkostnadene for kilowatt-timene holdes mest mulig lave. Når primærenergi av forskjellig art er tilgjengelig, skal denne først og fremst utnyttes fullt, noe som fører til en gunstig kundepris. F.eks. skal det nevnes vannkraft-, dampkraft-, lagringskraft- og varme-kraftverk som koblet i serie mater et forbrukernett. Av disse overtar først vannkraftverket effektleveransen inntil en bestemt verdi, idet den leverte spenning har en frekvens på f.eks. 50 Hz. Når forbrukereffekten blir større enn den av vannkraften leverte effekt, faller frekvensen til en noe lavere verdi, hvilket fører til at en av en dampkraftmaskin drevet generator kobles til nettest -• som^ å sammen med vannkraftverkets generator leverer den av forbrukeren ønskede netteffekt med den lavere frekvens på f.eks. 49,9 Hz. Ytterligere generatorer med økende grunnkostnader for den leverte energi, blir hver til koblet nettet med frekvensverdiene redusert med en bestemt størrelse, inntil generatoreffekten tilsvarer forbrukereffekten. Av den til enhver tid målte frekvens kan det bestemmes hvor mange generatorer som er koblet til nettet for å dekke den ønskede forbrukereffekt.

Videre er det i DE-C-12 59 445 beskrevet en lastutjev-ningsregulering som, ved flere generatorer, arbeider på et felles nett. I den forbindelse skal det bare kobles inn så mange generatorer med samme effektkapasitet som svarer til nettlasten. Ved denne regulering blir alle generatorene regulert til samme effekt, hvorav en som primærgenerator bestemmer nettfrekvensen.

Sluttelig fremgår det av styrekretsene i henhold til DE-C-15 88 450 til inn- og utkobling av flere energikilder og effektforbrukere i et skipsnett, at det over motstandskretser dannes proporsjonale signaler for energikildenes og effekt-forbrukernes nominelle effekter, idet signalene gir opphav til sum- og differansesignaler. Avhengig av fortegnene til disse signaler blir enten tilkoblingen av ytterligere forbrukere fri-gitt eller sperret inntil en ytterligere energikilde er tilkoblet. Med denne styrekrets kan en optimal utnyttelse av den til rådighet stående generatoreffekt overvåkes og betjenings-personalet avlastes.

Til grunn for oppfinnelsen ligger derfor den oppgave å skaffe en koblingsanordning som sikrer en økonomisk utnyttelse av den disponible primærenergi for generering av elektrisk energi,

Til løsning av denne oppgave tjener ifølge oppfinnelsen de forholdsregler som er angitt i hovedkravets karakteristikk. Videre utviklinger av oppfinnelsen erkarakteriserti underkra-vene.

Med anordningen ifølge oppfinnelsen blir den varmemengde som ennå inneholdes i avgassene fra den hoveddieselmotor som benyttes til fremdriften, så langt det er tillatelig, utnyttet til drift av en turbogenerator. Først når den således tilveie-bragte elektriske energi ikke lenger strekker til for å dekke nettforbruket, blir den nest gunstigste energikilde koblet til, inntil også den har nådd grensen for sin ydeevne. Først derpå blir dieselaggregatet, som ikke arbeider fullt så gunstig,tatt til hjelp for å dekke skipsnettets behov.

Tegningen anskueliggjør utførelseseksempler på oppfinnelsen.

Fig. 1 er et skjema over kretsløpet for en avgass-turbogenerator,

fig. 2 er et koblingsskjerna for reguleringen av flere aggregater som mater en skipsnett-samleskinne, og

fig. 3 viser en koblingsanordning til dannelse av ønskeverdien for effektsummen.

Først skal der under henvisning til fig. 1 gjøres rede for det kjente kretsløpskjerna for en avgass-turbogenerator for å klargjøre de begreper som behøves for forståelsen av oppfinnelsen. Dampen fra turbinen 1, som driver en generator 2, kondenserer i en kondensator 3. Via en kondensatpumpe 4, en føde-vannstank 5, en fødevannspumpe 6 og en fødevannsforvarmer 7 kommer dampen til en damptrommel 8. En sirkulasjonspumpe 9 transporterer fødevannet fra damptrommelen 8 gjennom fødevanns-forvarmeren 7 til en spareanordning eller "economiser" 10 og en fordamper 11 i avgasskjelen 12, og derfra tilbake til trom-melen 8. Avgasskilden gjennomstrømmes av røkgassene i retningen for de brede piler. Forvarmingen av fødevannet betyr en av-kjølning av det sirkulerende vann som tas fra damptrommelen og pumpes til avgasskilden.

Jo sterkere sirkulasjonsvannet blir nedkjølt, desto mer blir også røkgassene ved stadig tilstrekkelig temperaturfor-skjell mellom vann og røkgass ved utløpet fra avgasskjelen og dermed tilstrekkelig varmeoverføring avkjølet, og desto mer energi blir trukket ut av røkgassen. Dog må røkgasstemperatu-ren ikke synke vesentlig under 170°C, da der ellers på rørene danner seg kondensvann som kan forårsake såkalt duggpunktkor-rosjon. Behøver røkgassene ikke å avkjøles så langt, kan eco-nomiseren også falle bort.

Dampen for turbinen 1 tas ut fra dampledningen 14 og var-mes opp i en overheter 13, og etter ekspansjon i turbinen scrøm-mer den tilbake til kondensatoren 3 og kretsløpet begynner på ny.

Dampen til oppvarmningsformål kommer via dampledningen

14 og en reduksjonsventil 15 til de enkelte forbrukere. Hos disse kondenserer dampen under avgivelse av varme, og kondensa-

tet kan føres tilbake til fødevannstanken.

En overproduksjon av damp i avgasskjelen 12 kan tas vare på med en regulert røkgasshunt, frakobling av rørknipper eller bortledning via en overskudds-reguleringsventil 17. Reguleringsventilen 17 åpner i tilfellet av overproduksjon av damp en shuntledning mellom damptrommelen 8 og kondensatoren 3. Denne ventils reaksjonstrykk ligger over turbinens nominelle trykk og under reaksjonstrykket for sikkerhetsventilen, som alltid foreligger. Shunten med reguleringsventilen 17 må være dimensjonert for avgasskjelens fulle dampydelse.

Systemets temperaturnivå kan bibeholdes selv ved delbelastning av dieselmotoren dersom den dampmengde som skal produseres, blir redusert tilsvarende.. Ved delbelastning av motoren minker hovedsakelig røkgassmengden,mens temperaturen av røkgassene bare synker uvesentlig.

For reguleringsanordningen på fig. 2, hvor et nett kan mates med energi fra flere aggregater, hvorav det ene er en avgass-turbogenerator, er det av betydning å itnytte en slik driftsstørrelse hos dampkretsløpet som er karakteristisk for utnyttelsen av den i avgasskjelen produserte dampmengde. Ved et dampkretsløp som det der er vist på fig. 1, står følgende egnede driftsstørrelser til disposisjon:

Røkgassenes avgasstemperatur på stedet a.

Er den minimale røkgasstemperatur ikke nådd, ville avgasskjelen kunne produsere enda mere damp. Turbogeneratoren kan forsyne nettet med den nødvendige energi til å dekke belast-ningen.

Stilling av overskudds-reguleringsventilen på stedet b.

Er reguleringsventilen blitt åpnet, blir energi avgitt til kjølevannet uten å utnyttes. Også i dette tilfelle overtar turbogeneratoren alene forsyningen av skipsnettet.

Trykk eller temperatur av dampkretsløpet på stedet c/d.

Hvis turbin-reguleringsventilen lar mindre damp slippe inn i turbinen enn avgasskjelen produserer, må trykket i sys-temet stige inntil overskudds-reguleringsventilen sluttelig åpner. Jo høyere trykket i dampsystemet er, jo mindre må et ytterligere aggregat levere av tilskuddsenergi.

Da trykkmåling på stedet c lar seg gjennomføre eksakt, enkelt og sikkert, blir den forutsatt i den følgende beskrivelse.

I koblingsanordningen på fig. 2 er der med strekpunkterte linjer innrammet tre blokker I til III. Blokken I inneholder som energikilde en turbogenerator som den der er vist tilknyttet avgasskjelen på fig. 1. I blokk II inneholdes en akselgenerator som energikilde, og i blokk III dieselgeneratorer. Disse energikilder er enkeltvis eller i fellesskap i stand til å dekke energibehovet for de forbrukere som er tilkoblet skips-nettsamleskinnen 20. Da avgass-turbogeneratoren kan frembringe den billigste energi fra røkgassene fra hoveddieselmotoren som benyttes til fremdriften, blir den i første omgang tatt til hjelp til å dekke energibehovet.

De tre energikilder er med sine reguleringsorganer tilknyttet en overordnet frekvensregulering 21 som sørger for at der i tilfellet av varierende netteffekt er sikret en konstant nettfrekvens. Ved anvendelse av dieselaggregater som i blokk III er det for det første nødvendig å minske det totale effektbehov EPØ med en minimalverdi P„ . i blokken 22. Som bekjent

Dmin J

må disse motorer ikke drives i tomgang for lenge, da der ellers inntrer forkoksning i ventilene. Den således reduserte verdi ^PØred^or ^et samlede effektbehov foreligger ved blokk 23 i del

I.

Hvis den anvendte turbin er dimensjonert for et nominelt trykk på 7,5 bar, dvs. avgir nominell effekt ved dette trykk og ved fullt åpen reguleringsventil, kan denne størrelse benyttes som ønskeverdi for reguleringen. På et sammenligningssted 2 5 kan derfor verdiene for nominelt tryJ kk Pnomog 3 måle-trykk PTmforan turbinen sammenføres for sammenligning. Ved en differansedannelse mellom disse to verdier fås den maksimale effekt<p>maxTG»som kan frembringes av avgassturbinen, og som er begrenset med en begrenser 26. Den effekt som maksimalt kan avgis av turbinen, og den reduserte totaleffekt som fås fra kom-ponenten 24, danner i blokken 23 ønskeverdien PøTGfor turbinens effekt. Etter slutning av en bryter S1blirønskeverdien sammenlignet med momentanverdie<n><P>mTG fra turbogeneratoren P i en differansedanner 27 og avviket utregulert i 28. Det signal som leveres av regulatoren 28, opptrer som omdreiningstall-ønskeverdi n^TGi en sammenligner 29, hvor den blir sammenlignet med måleverdien av turbogeneratorens omdreiningstall. Et avvik i omdreiningstall blir via en regulator 30 gitt videre som inn-stillingsstørrelse til en reguleringsventil 31 for turbinen. Kan den forlangte skipsnetteffekt dekkes av avgassturbinen, får alle andre aggregater effekt-ønskeverdien Pø= null. Med anleggsdelen I blir den samlede dampmengde som frembringes i avdampkjelen, fullt utnyttet.

Er turbogeneratoren 1, 2 ikke i stand til å prestere hele den effekt som skipsnettet krever, må en ytterligere anleggsdel II med en akselgenerator kobles til. Den effektandel som må presteres av akselgeneratoren,blir på et sammenligningssted 32 bestemt ut fra det reduserte totale effektbehov EPØ- red, og effekt-ønskeverdien PøTG«Denne verdi opptrer ved blokken 33, som også mottar verdien P ,_, for den effekt som maksimalt

1 3 maxAG

kan produseres av akselgeneratoren. Denne effekt kan være ak-selgeneratorens nominelle effekt eller bestemmes ut fra pro-duktet av akselens omdreiningstall nAGog den nominelle effekt. Dette produkt blir dannet i blokk 34. Etter slutning av en bryter S2blir en effekt-ønskeverdi PøAGlevert fra blokken 33 til et sammenligningssted 35 og sammenlignet med måleverdien ]?mAG"Et eventuelt avvik blir utregulert i en blokk 36 hvis utgangssignal danner ønskeverdien for en underlagret frekvensregulering i blokker 37, 38. Via en regulator 38 blir magne-tiseringsviklingen 39 hos akselgeneratoren 40 påvirket i ret-ning av konstant nettfrekvens. Akselgeneratoren 40 leverer via en ikke-styrt likeretter 41 og en nettført vekselretter 42 sin effektandel inn på skipsnettet 20. Under drift med akselgenerator løper en skipsnettgenerator 43 som faseforskyver.

Skulle effekten fra anleggsdelene I og II ennå ikke strekke til for å dekke den effekt nettet krever, vil det være nødvendig å tilkoble en ytterligere anleggsdel III,i det foreliggende tilfelle dieselgeneratorer, som arbeider mindre økonomisk. Den effektandel som må presteres av en eller flere die-selgeneratorerj blir igjen i et sammenligningssted 44 bestemt ut fra redusert totaleffekt £Pøre(jme<3 fradrag av ef f ekt-ønske-verdiene<P>øDG 0<3<p>ø^G" Ti"1' ^enne verdi blir den i 22 utledede minimalverdi P„ . addert i summeringsleddet 45. En blokk

Dmin ^

46 tar hensyn til om den ene eller begge dieselgeneratorene i anleggsdel III skal kobles inn. Ved betjening av en bryter S3 blir utgangssignalet fra 4 6 levert som ønskeverdi PøDGtil et sammenligningssted 47. Etter sammenligning med maksimalver-dien av effekten PmDGblir avviket utregulert i en blokk 48 og tilført et sammenligningssted 49 som omdreiningstall-ønskeverdi nØDG*^ avv-"-k etter sammenligning med omdreiningstallets måleverdi nmDGblir utregulert i 50 og ledet videre som signal til endring av matningsinnstillingen for dieselmotoren 51. Generatoren 32, som drives av motoren 51, leverer så den ennå manglende effekt til nettet 20. Eventuelt kan det også bli nødvendig å koble inn det ytterligere dieselaggregat ved å slutte en bryter S^.

Fig. 3 viser på ny den overordnede frekvensregulering

til å sikre konstant nettfrekvens ved varierende netteffekt.

På et sammenligningssted 54 svarende til sammenligningsstedet 21 på fig. 2, blir målefrekvensen f msubtrahert fra ønskefre-kvensen f^. Avviket leveres til en PI-regulator 55 som avgir sumsignalet EPø. Til denne ønskeverdi blir der i et addisjons-ledd 56 addert en ytterligere ønskeverdi EPøsom er dannet ut

fra måleeffektenes sum EP og forsterkes med en PDm,-strekning

m ^ Tl 3 57. Den sum-ønskeverdi EPøsom avgis av addisjonsleddet 56, opptrer på sammenligningsstedene på fig. 2.

Skjønt der i utførelseseksemplet er beskrevet et samlet anlegg bestående av turbogenerator, akselgenerator og dieselgeneratorer, er oppfinnelsen ikke begrenset til dette. Tvert-imot er der ved et anlegg oppbygget av vilkårlige primær-energiomformere,tildelt energiomformeren med den mest økonomiske energiutnyttelse en ledefunksjon slik at den disponible energi blir utnyttet så langt det er tillatelig, innen en ytterligere energiomformer tilkobles for å dekke det foreliggende effektbehov.

Claims (10)

1. Koblingsanordning til økonomisk utnyttelse av primær-energiomformere som, matet med forskjellig primærenergi driver elektriske generatorer (2, 40, 52) som innbyrdes parallelt mater et separat arbeidende nett (20) med varierende energi-forbruk , hvor primær-energiomformernes (1, 51) effektregulatorer (27, 28, 35, 36, 47, 48) er tilsluttet en overordnet frekvensregulering (21), og hvor aggregatet med den mest økonomiske primær-energiom-formning arbeider som ledeaggregat og dette ledeaggregat først avlastes av neste aggregat når den forlangte netteffekt (£Pø) overskrider den maksimale effekt som momentant disponeres av ledeaggregatet, karakterisert ved at der først etter full belastning av ledeaggregatet via en differansedannelse (32) mellom forlangt netteffekt (£Pø)°9den av ledeaggregatet momentant maksimalt disponible effekt dannes en ønskeverdi for effektreguleringen (35, 36) av neste aggregat og bevirkes påkobling av dette, at ytterligere aggregater avgir effekt når den effekt som stilles til rådighet av de paralleltløpende aggregater, underskrider den forlangte netteffekt (EP^), og at der til stadighet tilføres en bare medløpende dieselmotor (51) som primær-energiomf ormer en minimalef f ekt (<p>Dni^n) som ønskeeffekt hvormed den forlangte netteffekt (EPø) på forhånd reduseres.

2. Anordning som angitt i krav 1,karakterisertved at der påkobles sumeffekt-ønskeverdien (£Pø) fra fre-kvensregulatoren en av sumeffekt-måleverdien (EPø) avhengig verdi med en proporsjonal- og en minimal-andel (PD).

3. Anordning som angitt i krav 1,karakterisertved at der som ledeaggregat arbeider en turbogenerator (1, 2) som mates av en avgasskjele (12) og er parallellkoblet med en akselgenerator (40).

4. Anordning som angitt i krav 1,karakterisertved at der som ledeaggregat arbeider en turbogenerator (2) som mates av en avgasskjele og er parallellkoblet med et dieselaggregat (52).

5. Anordning som angitt i krav 3 eller 4,karakterisert vedat turbogeneratorens (1,2) disponible effekt er representert av momentant trykk (Pipm) eller temperatur av dampen foran en strupeventil eller kjelen (12), idet denne verdi sammenlignes med nominell verdi (Pnom ) av tryJkket, resp. temperaturen, og at differansen tilføres effektreguleringen av de paralleltliggende aggregater som ekstra ønskeverdi (Pøtq)-

6. Anordning som angitt i krav 3 eller 4,karakterisert vedat differansen mellom avgasstempera-turen (a) ved utgangen fra kjelen og temperaturverdien for duggpunktgrensen tjener som ekstra ønskeverdi for effektreguleringen.

7. Anordning som angitt i krav 3 eller 4,karakterisert vedat den ekstra ønskeverdi for effektreguleringen skaffes ut fra overskuddsventilens (17) stilling.

8. Anordning som angitt i krav 3 eller 4,karakterisert vedat den ekstra ønskeverdi i tilfellet av at der foreligger en røkgasshunt, utledes fra den røkgass-mengde som måles i denne.

9. Anordning som angitt i krav 1,karakterisertved at den disponible effekt i tilfellet av en akselgenerator (40) hos et drivaggregat som ledeaggregat bestemmes ut fra akselens omdreiningstall (N A(j), og differansen med frembragt effekt dannes for reguleringsformål.

10. Anordning som angitt i krav 5 eller 6,karakterisert vedat differansen multiplisert med turbogeneratorens momentane turbineffekt tjener som ekstra ønskeverdi for effektreguleringen av akselgenerator (40) og/ eller dieselaggregat (51).