Электрические станции, подстанции, линии и сети — Требования к релейной защите и классификация реле
Общие сведения о релейной защите и требования к ней.
В процессе работы установки в отдельных ее элементах могут возникать повреждения и ненормальные режимы, нарушающие работу всей электроустановки в целом. Причинами повреждений обычно являются нарушения изоляции или неправильные действия обслуживающего персонала. Ненормальные режимы работы появляются при перегрузке оборудования, снижениях напряжения в сетях и у потребителей электроэнергии. Повреждения и ненормальные режимы работы могут привести к тяжелым последствиям, поэтому они должны быть устранены как можно скорее. Для быстрого отключения поврежденных участков сети или отдельных элементов установки применяются специальные автоматические аппараты (реле), приборы и устройства, объединенные в общую систему релейной защиты. Основным элементом этой системы является реле — аппарат, автоматически приходящий в действие при повреждениях, ненормальных режимах и подающий импульс на отключение поврежденного участка или сигнализирующий о появлении ненормального режима. Таким образом, реле могут срабатывать автоматически как на отключение соответствующего выключателя, так и на сигнал обслуживающему персоналу.
К релейной защите предъявляют определенные требования. Она должна быть селективной (избирательной), т. е. обеспечивать отключение только поврежденного участка, а остальные — неповрежденные участки, должны оставаться в работе; она должна иметь необходимое быстродействие, чтобы аварийное состояние длилось как можно меньшее время; она должна обладать чувствительностью, в самый начальный момент реагируя на повреждения, и быть надежной в работе, не допуская отказов или ложного действия.
Реле и приборы сигнализации питаются от источников, получивших название источников оперативного тока. В схемах релейной защиты в качестве таких источников используются аккумуляторные батареи (постоянный ток) или измерительные трансформаторы тока и напряжения, а также трансформаторы собственных нужд (переменный ток). Провода или кабели, по которым оперативный ток подается к приборам и реле, составляют оперативные цепи. Питание оперативных цепей релейной защиты должно быть особенно надежным, так как от этого зависит своевременное отключение поврежденных элементов.
Классификация реле.
Все реле можно классифицировать по нескольким признакам. По способу включения различают первичные реле, измерительные элементы которых включаются непосредственно в цепь защищаемого элемента, и вторичные, которые включаются через измерительные трансформаторы тока и напряжения. Схема включения первичного реле 1 в цепь показана на рис. 32, а. На этой схеме ток линии проходит через всю обмотку реле, поэтому она должна быть рассчитана на максимальный ток короткого замыкания и иметь соответствующую изоляцию. Такие реле не могут быть стандартными и должны выполняться на различные номинальные токи и напряжения. Другим их недостатком является весьма громоздкая подвижная система и исполнительный орган; они имеют невысокую точность и низкую чувствительность. Преимуществами первичных реле является их простота и то, что для их включения не требуется измерительных трансформаторов, источников оперативного тока и контрольных кабелей.
Вторичные реле 2 (рис. 32, б) более распространены, так как имеют следующие преимущества:
а) реле могут выполняться стандартными независимо от тока и напряжения первичной цепи, так как вторичные токи и напряжения у всех измерительных трансформаторов одинаковы (5 А и 100 В);
б) их можно располагать на любом расстоянии от защищаемого элемента установки;
в) они изолированы от высокого напряжения, их можно проверять и ремонтировать, не отключая основную цепь защищаемого элемента. Такие реле имеют, кроме того, меньший вес и габариты, отличаются высокой точностью и чувствительностью.
По способу воздействия реле на отключение выключателя различают реле прямого и косвенного действия. В реле первого типа подвижная система непосредственно воздействует на отключение выключателя, а в реле второго типа для этой цели используется какой-либо промежуточный элемент (обычно это катушка отключения, вмонтированная в привод выключателя).
Рассмотрим более подробно способы воздействия реле на отключение выключателей. На рис. 33, а показана схема защиты со вторичным реле прямого действия. Реле 1 включено в цепь защищаемого объекта через измерительный трансформатор тока 5. При срабатывании реле от сверхтоков его подвижная система 2 воздействует на расцепляющий рычаг-защелку 3 выключателя, после чего последний отключается под воздействием пружины 4. Реле I монтируется в приводе масляного выключателя, поэтому их называют встроенными реле.
Схема защиты со вторичным реле косвенного действия показана на рис. 33, б. При срабатывании реле 1 его контакты (они показаны в верхней части реле) замыкаются, и оперативный ток от источника питания ИП поступает через блок — контакты БК к обмотке электромагнита 2, называемой катушкой отключения выключателя (КО). Сердечник катушки втягивается, освобождает защелку 3, и выключатель отключается под действием пружины 4. Ток в обмотке реле после отключения выключателя исчезнет, и контакты реле разомкнутся. Блокировочный контакт БК предназначен для обеспечения надежного размыкания цепи катушки отключения (обмотки электромагнита 2). Таким образом здесь выключатель отключается путем подачи тока в катушку отключения от источника питания, т. е. путем косвенного воздействия на выключатель при срабатывании реле 1. Такие реле обеспечивают высокую чувствительность, точность и быстроту действия.
Реле могут реагировать на величину тока, напряжения, мощности и другие величины. В соответствии с этим в их обозначении указывают буквы Т, Η, М и т. д. Реле, действующие при возрастании этих величин, называются максимальными, а реле, срабатывающие при снижении указанных величин, — минимальными. К числу вспомогательных (не защитных) реле относятся реле времени, указательные и промежуточные.
Электроснабжение: Содержание и структура тестовых материалов , страница 8
В релейной защите сельскохозяйственных установок преимущественно используется реле:
R электромагнитные и индукционные.
93. Задание > ТЗ № 08.07
Токовая направленная защита применяется в качестве основной для защиты:
£ радиальных сетей с односторонним питанием.
R сетей с двухсторонним питанием.
£ сборных шин подстанций.
94. Задание > ТЗ № 08.08
Время срабатывания максимальной токовой защиты с независимой выдержкой времени зависит от:
£ величины тока КЗ.
£ уставки срабатывания промежуточного реле.
£ режима заземления нейтрали сети.
R уставки срабатывания реле времени.
95. Задание > ТЗ № 08.09
Коэффициент чувствительности защиты это:
£ отношение параметра срабатывания к параметру возврата.
£ отношение параметра срабатывания к номинальному значению воздействующей величины.
£ отношение параметра срабатывания к максимальному значению воздействующей величины.
R отношение параметра срабатывания к минимальному значению воздействующей величины.
£ отношение параметра срабатывания к среднему значению воздействующей величины.
96. Задание > ТЗ № 08.10
Оперативным током называется ток питающий:
R цепи управления выключателями.
£ все цепи системы собственных нужд подстанции.
£ рабочее освещение подстанции.
R цепи релейной защиты.
R цепи сигнализации и телемеханики.
97. Задание > ТЗ № 08.01
Основные требования, предъявляемые к релейной защите:
R селективность, быстродействие, чувствительность, надежность.
£ селективность, быстродействие, чувствительность, избирательность.
£ чувствительность, надежность, быстродействие, механическая прочность.
£ быстродействие, чувствительность, теплостойкость, долговечность.
£ чувствительность, быстродействие, теплостойкость, дистанционность.
98. Задание > ТЗ № 08.02
У реле минимального действия коэффициент возврата:
£ больше или равен 1
£ меньше или равен 1.
99. Задание > ТЗ № 08.04
Пусковым органом у большинства схем АВР является:
£ промежуточное реле однократного действия.
R реле минимального напряжения.
09 Сельские электростанции
100. Задание > ТЗ № 9.1
Отметьте правильный ответ
Регулирование напряжения на дизельной электростанции осуществляется:
£ Изменением числа пар полюсов генератора
£ Изменением числа оборотов генератора
£ Открытием топливной рейки дизеля
R Изменением тока возбуждения генератора
£ Изменением числа работающих генераторов
101. Задание > ТЗ № 9.2
Отметьте правильный ответ
Коэффициент полезного действия конденсационных тепловых электростанций (ГРЭС) достигает:
102. Задание > ТЗ № 9.3
Отметьте правильный ответ
На тепловых электростанциях (ТЭС) применяют следуюие системы охлаждения агрегатов:
£ Прямоточную оборотную с водохранилищем
£ Оборотную с воздушными охладителями
R Могут применяться все перечисленные системы
£ Оборотную с градирнями
103. Задание > ТЗ № 9.4
Отметьте правильный ответ
Основным недостатком ветроэлектростанций является:
£ Частые поломки ветроагрегатов
R Неравномерность ветрового напора
£ Сложность в управлении
104. Задание > ТЗ № 9.5
Отметьте правильный ответ
Для электроснабжения сельских объектов в условиях Красноярского края не применяются:
£ Резервные передвижные электростанции
R Геотермальные электростанции
£ Электростанции с приводом от трактора
105. Задание > ТЗ № 9.6
Отметьте правильный ответ
Параллельная работа резервной дизельной электростанции с сетью разрешается в течение:
R Не разрешается
£ Время не ограничено
106. Задание > ТЗ № 9.7
Отметьте правильный ответ
Гидронасосы. Типы. Характеристики преимущества и недостатки различных конструкций.
В связи с нестабильным курсом валют — стоимость товара может измениться.
После оформления заказа, с вами свяжется менеджер для подтверждения стоимости.
Приносим свои извинения за временные неудобства.
of your page —>
Гидравлические насосы предназначены для преобразования механический энергии (крутящий момент, частоту вращения) в гидравлическую (подача, давление). Существует большое разнообразие типов и конструкций гидравлических насосов , но всех их объединяет единый принцип действия – вытеснение жидкости. Насосы использующие принцип вытеснения называются объемными. Во время работы внутри насоса образуются изолированные камеры, в которых рабочая жидкость перемещается из полости всасывания в полость нагнетания. Поскольку между полостями всасывания и нагнетания не существует прямого соединения, объемные насосы очень хорошо приспособлены для работы в условиях высокого давления в гидросистеме.
Основные параметры гидронасосов
• Рабочий объем (удельная подача) [см3/об] – это объем жидкости вытесняемый насосом за 1 оборот вала
• Максимальное рабочее давление [МПа, bar]
• Максимальная частота вращения [об/мин]
Классификация объемных насосов по типу вытесняющего элемента
При выборе типа насоса для гидросистемы необходимо учитывать ряд факторов свойственных определенным типам насосов и особенности разрабатываемой гидросистемы.
Основные критерии выбора насоса
- Диапазон рабочих давлений
- Интервал частот вращения
- Диапазон значений вязкости рабочей жидкости
- Габаритные размеры
- Доступность конструкции для обслуживания
- Стоимость
Далее будут рассмотрены различные типы насосов с описанием их конструктивных преимуществ и недостатков.
Поршневые насосы
Ручные насосы
Простейшим насосом использующим принцип вытеснения жидкости является ручной насос . Данный вид насосов используется в современной технике для обеспечения гидравлической энергией исполнительных гидродвигателей (в основном линейного перемещения) вспомогательных механизмов. Вторым, часто встречающимся, назначением ручных насосов в гидросистемах является использование его как аварийного источника гидравлической энергии. Давления развиваемые этими насосами лежат в диапазоне до 50МПа, но чаще всего данные насосы используют на давлениях не более 10-15МПа. Рабочий объем до 70 см3. Рабочий объем для ручного насоса это суммарный объем жидкости вытесняемый им за прямой и обратный ход рукоятки. Обычно насосы с малым рабочим объемом способны достигать больших величин рабочего давления, это связано с ограничением силы прикладываемой к рычагу пользователем.
Принцип действия ручного насоса одностороннего действия изображен на рис.1 . При ходе поршня вверх через обратный клапан КО2 происходит всасывание жидкости из бака, клапан КО1 при этом закрыт. При ходе поршня вниз происходит вытеснение жидкости через клапан КО1 в напорный трубопровод, клапан КО2 – закрыт.
На рис. 2 показан ручной насос двустороннего действия. При ходе поршня вверх через обратный клапан КО4 происходит всасывание жидкости из бака в нижнюю полость. Одновременно происходит вытеснение рабочей жидкости внапорный трубопровод через клапан КО1. Клапана КО2 и КО3 при этом закрыты. При ходе поршня вниз через обратный клапан КО2происходит всасывание жидкости из бака в нижнюю полость. Одновременно происходит вытеснение рабочей жидкости в напорный трубопровод через клапан КО3. Клапана КО1 и КО4 при этом закрыты. Внешний вид ручного насоса на рис. 3
Внешний вид ручного насоса на рис. 3
Внешний вид ручного насоса Рис. 3
Достоинства и недостатки ручных гидронасосов
- простота конструкции
- высокая надежность
- отсутствие приводного двигателя
- Низкая производительность
Радиально-поршневые насосы
Радиально-поршневые насосы это разновидность роторно-поршневых гидромашин. Эти насосы применяются для гидросистем с высоким давлением (свыше 40МПа). Эти насосы способны длительно создавать давления до 100МПа.Отличительной особенностью насосов данного типа является их тихоходность, частота вращения насосов данного типа как правило не превышает 1500-2000 об/мин. Частоты вращения до 3000 об/мин можно встретить только для насосов рабочим объемом не более 2-3 см3/об.
Типы радиально-поршневых гидронасосов
- С эксцентричным ротором
- С эксцентричным валом
Радиально-поршневой насос с эксцентричным ротором изображен на рис. 4 . Конструктивно поршневая группа насоса установлена в роторе насоса. Ось вращения ротора и ось неподвижного статора смещены на величину эксцентриситета e. При вращении ротора поршни совершают поступательное движение. Величина хода составит 2e. Насос данной конструкции имеет золотниковое распределение. При вращении цилиндры поочередно соединяются с полостями слива и нагнетания разделенными перегородкой золотника, расположенного в центре.
Радиально-поршневой насос с эксцентричным валом изображен на рис. 5 .Конструктивно поршневая группа насоса установлена в статоре насоса. Ось вращения вала и ось неподвижного статора совпадают, но на валу имеется кулачок, который смещен на величину е относительно центра вращения вала. При вращении вала, кулачок заставляет поршни совершать поступательное движение. Величина хода составит 2e. Насос данной конструкции имеет клапанное распределение. При вращении вала поршни выдвигаясь из цилиндров наполняются жидкостью через клапана всасывания. Нагнетание жидкости происходит через клапана нагнетания при вхождении поршней в цилиндры.
Данная конструкция редко используется как насосная и намного чаще используется в гидромоторах.
Рабочий объем гидромашин данного типа можно рассчитать по формуле:
где, z – число поршней
dп – диаметр поршня
е – эксцентриситет
Радиально поршневые насосы могут иметь конструкцию с переменным рабочим объемом. Регулировка рабочего объема происходит за счет изменения величины эксцентриситета е.
Из двух описанных конструкций большее распространение получили радиально-поршневые насосы с эксцентричным валом. Это явилось следствием более простой конструкции. Фотографии радиально-поршневых насосов с эксцентричным валом представлены на рис. 6 .
Рис. 6(а) Рис. 6(б)
Достоинства и недостатки насосов радиально-поршневого типа
- простота конструкции
- высокая надежность
- Работа на давлениях до 100МПа
- Относительно малый осевой размер
- Высокая пульсация давления
- Малые частоты вращения вала
- Больший вес конструкции по отношению к аксиально-поршневым машинам
Аксиально-поршневые насосы
Аксиально-поршневые насосы – это разновидность роторно-поршневых гидромашин с аксиальным расположением цилиндров (т.е. располагаются вокруг оси вращения блока цилиндров, параллельны или располагаются под небольшим углом к оси).Существует деление по типу вытеснителя на аксиально-плунжерные и аксиально-поршневые гидромашины. Отличаются они тем, что в первых в качестве вытеснителей используются плунжеры, а во вторых — поршни см. рис. 7 .
Насосы данного типа являются самыми распространёнными в современных гидроприводах. По количеству конструктивных исполнений они во много раз превосходят прочие типы гидронасосов. Эти насосы обладают наилучшими габаритно-весовыми характеристики (иными словами имеют высокую удельную мощность), обладают высоким КПД.Насосы этого типа способны даватьдавление до 40МПа и работать на высоких частотах вращения (насосы общего применения имеют частоты до 4000 об/мин, но существуют специализированные насосы этого типа с частотами вращения до 20000 об/мин).
Типы аксиально-поршневых насосов
- Снаклонным блоком (ось вращения блока цилиндров располагается по углом к оси вращения вала)
- С наклоннымдиском (ось вращения блока цилиндров совпадает с осью вращения вала)
На рис. 8 показана конструктивная схема аксиально поршневого насоса с наклонным блоком. При вращении вала насоса, вращается шарнирно соединенный с ним блок цилиндров. При этом поршни совершают поступательные движения. Блок цилиндров прилегает к распределителю который имеет два паза: один паз соединен с линией всасывания, а другой с линией нагнетания. При выдвижении поршня цилиндр движется над пазом всасывания (см. вид А рис.8 ) и наполняется жидкостью. После прохождения нижней мертвой точки (точки в которой поршень находится в максимально выдвинутом состоянии) цилиндр соединяется с пазом нагнетания в распределителе и начинает вытеснять жидкость из цилиндра пока не достигнет верхней мертвой точки (точки в которой поршень находится в максимально утоленном в цилиндр состоянии). Далее Цилиндр снова соединяется с пазом всасывания и цикл повторяется. Система распределения используемая в данной конструкции насоса называется золотниковой.
Утечки из цилиндров во время нагнетания скапливаются в корпусе насоса. Чтобы не допустить роста давления в корпусе, на насосах данной конструкции имеется линия дренажа. Если ее заглушить, то это приведет к выходу из строя манжеты вала и нарушению герметичности насоса, а в некоторых случаях – к разрушению корпуса насоса.
На рис.9 показана конструкция насоса с наклонным диском.
Принцип работы насоса с наклонным диском аналогичен работе насоса с наклонным блоком. Насос данной конструкции так-же имеет золотниковое распределение. Отличие конструкций состоит в соосности осей вала и блока цилиндров.
Рабочий объем аксиально-поршневых насосов можно рассчитать из следующего выражения:
где, z – число поршней
dп – диаметр поршня
Dц – диаметр расположения цилиндров
γ – угол наклона диска(блока)
Для насосов конструкций рис. 8,9 возможны исполнения с изменяемым рабочим объемом. Изменение рабочего объема происходит за чет изменения угла наклона диска или блока (в зависимости от конструкции).
Для аксиально-поршневых насосов необходим механизм синхронизации вращения приводного вала и блока цилиндров. Существует четыре основных способа такой синхронизации:
- Синхронизация одинарным (силовым) карданом
- Синхронизация двойным (несиловым) карданом
- Синхронизация шатунами поршней (бескарданная схема)
- Синхронизация коническим зубчатым зацеплением.
Аксиально-поршневой насос с наклонным блоком представлен на рис. 10 . В данной конструкции синхронизация вращения вала и блока цилиндров осуществлена посредством конической зубчатой передачи.
Регулируемый аксиально-поршневой насос с наклонным диском представлен на рис. 11 .
Рассмотрим еще одну довольно распространённую конструкцию насоса с наклонным диском. Это конструкция аксиально-плунжерного насоса с неподвижным блоком, клапанным распределением и приводом плунжеровкулачкового типа (вращающейся наклонной шайбой). По ГОСТ 17398-72 этот тип насоса классифицируется как аксиально-кулачковый. Схема такого насоса показана на рис. 12 .
Эта конструкция имеет принципиальные отличия от конструкции изображенной на рис. 9 . Насос на рис. 12 в отличие от предыдущей конструкции на рис. 9 имеет неподвижный блок цилиндров, совмещенный с корпусом, наклонный диск объединенный с валом и клапанное распределение рабочей жидкости. Ход плунжера определяется вращением наклонного диска. Система распределения работает следующим образом: выдвигаясь из цилиндра поршень создает в камере разряжение и через клапан всасывания камера наполняется жидкостью из полости корпуса, объединенной со всасыванием. При вхождении в цилиндр клапан всасывания находится в закрытом состоянии, происходит вытеснение рабочей жидкости из рабочей камеры через клапан нагнетания в линию нагнетания.
Некоторые конструкции аксиально-кулачковых насосов могут работать на давлениях до 70МПа.
Примечательным является факт отсутствия в данной конструкции линии дренажа так как всасывание осуществляется непосредственно из корпуса насоса. При этом в корпусе насоса абсолютное давления ниже атмосферного. По этой причине в данной конструкции повышенные требования предъявляются к уплотнению вала, при выходе из строя которого насос подсасывает воздух и подает гидросистему смесь воздуха и рабочей жидкости. Такой «воздушный коктейль» приводит к вибрациям в гидросистеме и выходу из строя ее элементов, включая насос.
Рабочий объем рассчитывается по той-же зависимости что и для описанных выше конструкций аксиально-поршневых насосов. Следует отметить что насос данной конструкции не имеет исполнения с регулируемым рабочим объемом.
Фотография насоса с конструктивным вырезом показана на рис. 13 .
Достоинства и недостатки насосов аксиально-поршневого типа
- простота конструкции
- Работа на давлениях до 70МПа
- Высокий КПД
- Частоты вращения до 4000 об/мин
- Высокая удельная мощность
- Высокая пульсация давления
- Высокая стоимость по сравнению с другими типами гидронасосов
Шестеренные насосы
Шестеренные насосы относятся к типу роторныхгидромашин. Рабочими элементами (вытеснителями) являются две вращающиеся шестерни. Различают два основных типа таких насосов:
- Насосы внешнего зацепления
- Насосы внутреннего зацепления.
Частным случаем шестеренных насосов с внутренним зацеплением являются героторные насосы.
Шестеренные насосы широко распространены в гидросистемах с невысокими (до 20 МПа) давлениями. Они широко применяются в сельскохозяйственной, дорожной технике, мобильной гидравлике, системах смазки. Используются для обеспечения гидравлической энергией гидроприводов вспомогательных механизмов в сложных гидросистемах. Столь широкое распространение шестеренные насосы получили за простоту конструкции, компактность и малый вес. Платой за простоту конструкции стало довольно низкое значение КПД (не более 0,85), низкое рабочее давление, и небольшой ресурс (особенно на давлениях ≈20МПа). Шестеренные насосы могут работать на частотах вращения до 5000об/мин.
Существуют образцы шестеренных насосов на давления до 30МПа однако ресурс таких насосов на порядок ниже.
Шестеренные насосы внешнего зацепления
Основными элементами шестеренных насосов внешнего зацепления являются шестерни. При вращении шестерен жидкость, заключенная во впадинах зубьев переносится из линии всасывания в линию нагнетания (рис.14). Поверхности зубьев А1 и А2 вытесняют при вращении шестерен больше жидкости чем может поместиться в пространстве освобождаемом зацепляющимися зубьями B1 и B2. Разность объемов, высвобождаемых двумя парами зубьев вытесняется в линию нагнетания. В месте зацепления шестерен при работе насоса образуются области «запертого» объема, что вызывает пульсации давления в линии нагнетания.
Рабочий объем шестеренного насоса можно определить из зависимости:
Где, m – модуль зубьев
z – число зубьев
b – ширина зуба
h – высота зуба
Шестерни насосов внешнего зацепления в большинстве конструкций имеют прямой зуб, однако встречаются конструкции таких насосов с косым и шевронным зубом. Преимущество применения косого зуба состоит в меньшем уровне пульсаций за счет того что в месте зацепления «запертые» объемы не образуются. Недостатком конструкций с косым зубом является возникающая осевая сила, для восприятия которой нужно включать в конструкцию упорные подшипники. Этот недостаток отсутствует в насосах с шевронным зубом, где осевая сила компенсируется формой зуба. У насосов с шевронным зубом также малый уровень пульсаций.
Конструктивный разрез шестеренного насоса с внешним зацеплением показан на рис. 15 .
Достоинства и недостатки шестеренных насосов внешнего зацепления
- простота конструкции.
- Частоты вращения до 5000 об/мин
- Низкая стоимость
- Высокая пульсация давления
- Низкий КПД
- Сравнительно низкие давления
Шестеренные насосы внутреннего зацепления
Отличительной особенностью шестеренных насосов внутреннего зацепления является меньший уровень пульсаций и как следствие малый уровень шума. В связи с этим они находят широкое в стационарных машинах и механизмах, а так-же на мобильной технике работающей в закрытых помещениях.
Принцип работы шестеренного насоса с внутренним зацеплением состоит, как и у насосов внешнего зацепления, в переносе жидкости во впадинах шестерен от линии всасывания в линию нагнетания. В зоне всасывания при вращении шестерен объем камеры, образованной зубьями шестерен и серпообразным разделителем, увеличивается (см. рис. 16 ). При этом происходит наполнение рабочей камеры жидкостью из линии всасывания. В зоне нагнетания происходит процесс вытеснения рабочей жидкости в линию нагнетания, т.к. объем камеры в этой зоне при вращении шестерен уменьшается.
Рабочий объем шестеренного насоса с внутренним можно определить из зависимости:
Где, m – модуль зубьев
z – число зубьев внутренней шестерни
b – ширина зуба
h – высота зуба
Конструктивный разрез шестеренного насоса с внутренним зацеплением показан на рис. 17 .
Достоинства и недостатки шестеренных насосов внутреннего зацепления
- простота конструкции.
- Частоты вращения до 4000 об/мин
- Низкий уровень шума
- Низкая стоимость
- Низкий КПД
- Сравнительно низкие давления
Героторные насосы
Героторные насосы это разновидность шестеренных насосов с внутренним зацеплением. Отличие от классической конструкции шестеренного насоса с внутренним зацеплением состоит в отсутствии серпообразного разделителя. Разделение полостей всасывания и нагнетания реализовано за счет применения специального профиля. Его форма такова что в зоне где должен находиться серпообразный разделитель обеспечен постоянный контакт шестерен. ( рис.18 ). Принцип работы насоса данной конструкции точно такой же как и шестеренного насоса с внутренним зацеплением.Героторные насосы обычно используют при невысоких давлениях (до 15МПа) и подачах до 120 л/мин. При этом частоты вращения составляют не более 1500 об/мин.
Рабочий объем героторного насоса можно определить из выражения:
Где, Аmin , Аmin – минимальная и максимальная площадь межзубьевой камеры
z – число зубьев внутренней шестерни
b – ширина зуба
\
Изображение героторного насоса Рис.19
Достоинства и недостатки героторных насосов
- Простота конструкции
- Низкий уровень шума
- Невысокий КПД
- Высокая по сравнению с шестеренными насосами стоимость
Роторно-винтовые насосы
Еще одной разновидностью шестеренного насоса можно считать винтовые насосы. Их рабочие элементы можно представить как косозубые шестерни с количеством зубьев равному числу заходов винтовой нарезки. Главным преимуществом этих насосов является равномерность подачи и как следствие низкий уровень шума. Достоинством насоса также является его способность перекачивать жидкости с твердыми включениями. Давление развиваемое насосом может составлять до 20МПа. Частоты вращения до 1500 об/мин.
Ввиду сложности изготовления данного типа насосов, они не получили широкого распространения и применяются лишь в специфических гидросистемах. Существуют двух ( рис. 20 ) и трехвинтовые ( рис. 21 ) конструкции насосов.
Достоинства и недостаткироторно-винтовых насосов
- Низкий уровень шума
- Низкий уровень пульсаций
- Невысокий КПД
- Высокая стоимость
Пластинчатые насосы
Пластинчатые гидронасосы это гидромашины в которых роль вытеснителя рабочей жидкости выполняют радиально расположенные пластины, которые совершают возвратно-поступательные движения при вращении ротора. В российской литературе пластины часто называют – шиберами, а насосы – шиберными.
Различают пластинчатые гидронасосы однократного действия и двойного действия. У насосов однократного действия за один оборот вала гидромашины процесс всасывания и нагнетания осуществляется один раз, в машинах двойного действия — два раза.
Пластинчатые насосы имеют низкий уровень шума и хорошую равномерность подачи. Также эти насосы имеют сравнительно большие рабочие объемы при небольших габаритах. Пластинчатые гидронасосы могут работать на давлениях до 21МПа при частотах вращения до 1500 об/мин.
Насос однократного действия
Принцип работы насоса однократного действия состоит в следующем. При сообщении вращающего момента валу насоса ротор насоса приходит во вращение (см. рис. 22 ). Под действием центробежной силы пластины прижимаются к корпусу статора, в результате чего образуется две полости, герметично отделённых друг от друга. При прохождении пластин через область всасывания, объем рабочих камер между ними увеличивается и происходит всасывание рабочей жидкости. При прохождении пластин через область нагнетания, объем рабочих камер между ними уменьшается и происходит вытеснение рабочей жидкости в линию нагнетания. Для обеспечения прижима пластин в зоне нагнетания в полость под ними подводится давление из линии нагнетания. В некоторых случаях дополнительный прижим пластин организуется за счет установки пружин под пластины.
Рабочий объем пластинчатого насоса однократного действия рассчитывается как:
Где, e – эксцентриситет
b – ширина пластины
Насосы однократного действия конструктивно могут иметь исполнения с регулируемым рабочим объемом. Регулировка рабочего объема происходит за счет изменения величины эксцентриситета e .
Достоинства и недостатки пластинчатых насосов однократного действия
- Низкий уровень шума
- Низкий уровень пульсаций
- Возможность регулировки рабочего объема
- Низкая по сравнению с роторно-поршневыми насосами стоимость.
- Менее требователен к чистоте рабочей жидкости.
- Большие нагрузки на подшипники ротора.
- Сложность уплотнения торцов пластин
- Низкая ремонтопригодность
- Сравнительно невысокие давления (до 7МПа)
Насос двойного действия
Принцип действия насоса двойного действия полностью аналогичен принципу работы насоса однократного действия ( рис. 23 ). Отличием является наличие двух зон всасывания и двух зон нагнетания. Для обеспечения прижима пластин в зоне нагнетания, также как и насосов однократного действия, подводится давление нагнетания.
Рабочий объем пластинчатого насоса двойного действия рассчитывается как
Где, b – ширина пластины
Изображение внутреннего устройства пластинчатого насоса двойного действия показано на рис. 24 .
Достоинства и недостатки пластинчатых насосов двойного действия
- Низкий уровень шума
- Низкий уровень пульсаций
- Возможность регулировки рабочего объема
- Уравновешенность радиальных нагрузок в роторе.
- Низкая по сравнению с роторно-поршневыми насосами стоимость.
- Менее требователен к чистоте рабочей жидкости.
- Большие по сравнению пластинчатыми насосами однократного действия давления (до 21МПа)
- Низкая ремонтопригодность
- Сложность уплотнения торцов пластин
Рекомендации по выбору насоса для гидросистемы
Выбор типа и насоса нужно осуществлять исходя из условий работы гидросистемы, ее назначения и требований к параметрам потребного потока рабочей жидкости.
Основными параметрами при выборе типа насоса
- Уровень действующих давлений рабочей жидкости;
- Класс чистоты рабочей жидкости;
- Диапазон вязкостей рабочей жидкости;
- Экономическое обоснование применения.
При выборе насоса для гидросистемы следует учитывать большое количество определяющих факторов. Основными критериями с которых необходимо начать выбор насоса являются необходимая подача Q и давление p. Также в начале процедуры подбора необходимо четкое представление о типе приводного двигателя. В зависимости от предназначения и базирования механизма приводимого в действие гидросистемой приводной двигатель может быть электрическим или двигателем внутреннего сгорания. При выборе мощности приводного двигателя следует определить необходимую для гидросистемы гидравлическую мощность, которую можно приблизительно определить по зависимости (1).
где, Q – подача насоса [л/мин]
p – давление в гидросистеме [МПа]
ɳ — КПД насоса (шестеренного и пластинчатого ɳ=0,85, для роторно-поршневого ɳ=0,9)
После определения мощностивыбирается тип гидронасоса исходя из характеристик свойственных для каждого из типов насосов и рабочего давления. Необходимый рабочий объем гидронасоса определяется как:
где, Q – необходимая подача насоса [л/мин]
n – частота вращения двигателя [об/мин]
Определив необходимый рабочий объем насоса, выбираем по каталогу насос выбранного типа с наиболее близким значением рабочего объема. После чего взяв из каталога реальные значения q0и ɳ, рассчитываем реальное значение подачи насоса Q :
и проверяем насос на совместимость с выбранным двигателем по мощности (см. выражение (1)).
При необходимости наличия регулируемой подачи насоса, помимо установки регулируемого насоса, можно применить насос постоянного рабочего объема при этом подачу регулировать оборотами приводного двигателя. Данный способ регулирования может быть осуществлен в ограниченных характеристиками двигателя пределах.
Для ступенчатой регулировки скорости гидродвигателя в гидросистеме можно применять два насоса или многосекционные насосы, фактически представляющие собой несколько насосов конструктивно выполненных одним блоком. Для регулировки скорости в этом случае необходимо подключать или отключать секции насоса изменяя тем самым суммарную подачу насоса.
Причины отказа насосов
При эксплуатации насоса следует обращать внимание на условия его работы. Наиболее часто неисправность насоса бывает вызвана:
- Попаданием посторонних частиц (грязи)
- Масляным голоданием
- Работой на водно-масляной эмульсии
- Работой на воздушно-масляной смеси
- Работой с перегрузкой по давлению
- Превышением допустимых оборотов
- Превышение давления в корпусе
- Перегревом рабочей жидкости
Заключение
Данная статья написана в помощь специалистам осуществляющим ремонт, обслуживание и эксплуатацию гидросистем станочного оборудования и мобильных машин. Ознакомившись с вышенаписанным материалом, читатель получает базовые сведения о самых распространённых типах гидравлических насосов, их преимуществах и недостатках. Также в материале имеется простейший алгоритм определения мощности насоса и подбора приводного двигателя.
Следует отметить что практически все описанные конструктивные типы насосов могут использоваться в качестве гидромоторов, но об этом в следующей статье…
Все типы насосов описанные в данной статье можно приобрести на нашем сайте или в розничном магазине г. Люберцы. Возможна поставка гидроагрегатов и запасных частей по всей России и СНГ. Также, вы всегда можете получить консультации по гидрооборудованию у наших специалистов.
Внимание! Данная статья авторская. При копировании ее с сайта обязательно указывать источник!
ГАЗОВАЯ ТУРБИНА И ГАЗОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АГРОПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Виноградов Анатолий Алексеевич, Недосеков Владимир Владимирович, Мамонтов Артем Юрьевич, Шаршуков Николай Олегович
Предлагаются некоторые принципы построения систем надежного энергоснабжения предприятий агропромышленного сектора, обосновано применение установки комбинированной генерации в системе электроснабжения животноводческой фермы в комплексе с биостанцией. Сравниваются характеристики газотурбинных установок и газопоршневых двигателей применительно к таким системам, предложены варианты исполнения установки комбинированной генерации и однолинейная схема электропитания фермы с участием когенерационной установки.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Виноградов Анатолий Алексеевич, Недосеков Владимир Владимирович, Мамонтов Артем Юрьевич, Шаршуков Николай Олегович
Мини-ТЭЦ на основе когенерационных технологий
Ключевые факторы эффективного применения технологий распределенной генерации в промышленности
Основные направления развития микротурбинных технологий в России и за рубежом
Оценка эффективности перехода на децентрализованное энергоснабжение в Тюменской области
Перспективы применения паровых микротурбин в распределенной энергетике
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Gas turbine and gas reciprocating engines in farm electrical supply
Agricultural rural power supply can be more reliable with suggested principles of their arrangement including combinedcycle generation assembly and biogas stations. Power supply systems with gas turbine and gas reciprocating engines are compared in terms of their effectiveness for the mentioned purpose. The authors also suggest different cogeneration installation schemes as well as a one-line farm power supply system with power backup options.
Текст научной работы на тему «ГАЗОВАЯ ТУРБИНА И ГАЗОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АГРОПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ»
УДК 621.311.182 DOI 10.18635/2071-2219-2016-2-31-34
Газовая турбина и газопоршневой двигатель в системах электроснабжения агропромышленных предприятий
Энергетический институт БГТУ им. В. Г. Шухова, кандидат технических наук, профессор, г. Белгород
ПАО «МРСК Центра» — «Белгородэнерго», начальник управления корпоративных и технологических автоматизированных систем
Энергетический институт БГТУ им. В. Г. Шухова, г. Белгород
Энергетический институт БГТУ им. В. Г. Шухова, г. Белгород
Предлагаются некоторые принципы построения систем надежного энергоснабжения предприятий агропромышленного сектора, обосновано применение установки комбинированной генерации в системе электроснабжения животноводческой фермы в комплексе с биостанцией. Сравниваются характеристики газотурбинных установок и газопоршневых двигателей применительно к таким системам, предложены варианты исполнения установки комбинированной генерации и однолинейная схема электропитания фермы с участием когенерационной установки.
Ключевые слова: электроснабжение, надежность, резервирование, энергоэффективность.
При общем развитии агропромышленного комплекса и обновлении актуальных требований к современному оборудованию надежность электроснабжения сельскохозяйственных потребителей, таких как молочно-товарные фермы, в настоящее время находится на низком уровне. Анализ аварийности показывает частые отключения электроприемников 2-3 категории надежности. Среди причин аварийности — повреждения опор ЛЭП, аварийные отказы силового оборудования из-за недостаточного контроля его состояния, несвоевременная реконструкция, а также ошибки в действиях персонала, обслуживающего электроустановки.
Для обеспечения надежности в энергосистеме сельскохозяйственных потребителей необходимо придерживаться комплекса мероприятий, в которых задействованы как сотрудники компании, обслуживающей распределительные сети, так и локальные специалисты-энергетики, обслуживающие электроприводное оборудование и инженерные сети. Комплекс мероприятий по повышению надежности электроснабжения в сельскохозяйственной деятельности можно представить в виде блок-схемы (рис. 1).
Одним из способов повышения надежности является применение резервных источников электропитания и установок комбинированной генерации. Установки комбинированной генерации являются наиболее актуальным выбором для сельскохозяйственных потребителей, поскольку использование
таких установок для резервирования электропитания при включении потребителей через АВР позволяет оперативно восстанавливать неисправности в сетях без технологического простоя, избегая значительных материальных затрат.
Сравнение газопоршневого двигателя и газотурбинной установки как резервного источника питания для комплекса с биостанцией
Биогаз, значительными объемами которого располагают животноводческие фермы, может использоваться в качестве топлива, например в газопоршневом двигателе когенерационной установки. Двигатель установки приводит в движение генератор, тепло от охлаждения двигателя и выхлопных газов отбирается системой теплообменников и подается потребителю в виде пара или горячей воды. На 100 кВт электрической мощности потребитель получает порядка 100 кВт тепловой мощности для отопления и горячего водоснабжения [2].
Способ получения электрической энергии из биогаза с использованием газопоршневых генераторов на базе двигателей внутреннего сгорания распространен широко. В этом случае с выходным валом двигателя соединен электрический генератор переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 400 В. Частота вращения электрогенератора в 50 Гц обеспечивается электронной системой управления двигателя внутреннего сгорания, регулирующей подачу
Повышение надежности электроснабжения агропромышленного комплекса
Задачи Задачи Задачи
Своевременная реконструкция и ремонт энергетических объектов Технологическое оснащение объектов Контроль энергооборудования в осенне-зимний период
Решения Решения Решения
1. Устранение аварийных отказов и предотвращение повторных. 2. Замена устаревшего оборудования. 3. Проведение текущих и капитальных ремонтов 1. Установка автоматизированных средств контроля и управления. 2.Обеспечение дополнительного резервирования 1. Осмотр и контроль силового оборудования, средств релейной защиты и телемеханики, опор и ЛЭП
Реализация Реализация Реализация
Рис. 1. Мероприятия по повышению надежности электроснабжения в сельскохозяйственном секторе
топлива в зависимости от скорости вращения выходного вала. Эта система также может синхронизировать частоту вращения вала с частотой в сети, к которой подключен генератор. Установка комбинированной генерации позволяет использовать то тепло, которое обычно теряется, что сокращает годовые расходы на энергообеспечение примерно на 100 $/кВт [3].
Другим способом получения электрической энергии из биогаза в когенерационной установке является использование газотурбинного двигателя. Частота вращения вала турбины в газотурбинном двигателе значительно выше, чем частота вращения вала поршневого двигателя внутреннего сгорания. Из-за большого момента инерции турбины невозможно резко менять частоту ее вращения, поэтому обычно турбина вращает генератор постоянного тока, который проходит через инвертор, и на выходе формируется ток заданного напряжения и частоты. Кроме того, в газотурбинных генераторах применяются аккумуляторные батареи, которые демпфируют неравномерность потребления электрического тока переменной нагрузкой у потребителя. Однако стоимость аккумуляторов высока и возрастает с ростом мощности установки, поэтому удельная стоимость одного киловатта электрической мощности газопоршневого генератора существенно ниже, чем газотурбинного. Но при этом стоимость технического обслуживания газопоршневых генераторов существенно выше, а срок службы до капитального ремонта — меньше.
Газопоршневые двигатели чувствительны к примесям, содержащимся в биогазе; остатки таких агрессивных газов, как аммиак или сероводород, вызывают коррозию металлических поверхностей
цилиндра, поршня и выхлопных труб, окисляют масло, циркулирующее в системе смазки, из-за чего оно теряет свои свойства. От содержания углекислого газа в биогазе зависят детонационные свойства горючей смеси воздуха с биогазом, соответственно, усложняется система регулирования угла опережения зажигания, нарушается оптимальное соотношение степени сжатия и объема камеры сгорания и т. д. Хотя режим работы на газообразном топливе является более щадящим для поршневых двигателей внутреннего сгорания, чем режим работы на жидком топливе, вышеописанные факторы заметно ограничивают моторесурс газопоршневых генераторов, работающих на биогазе. Для промышленных устройств моторесурс обычно не превышает пяти лет непрерывной работы, предусматривающей лишь остановки для проведения обслуживания и регламентных работ (замена масла, свечей, прокладок и т. п.). Маломощные генераторы имеют моторесурс не более одного года и обычно не рассчитаны на непрерывную работу.
Когенераторы, функционирующие на базе микротурбинного оборудования, в настоящее время относятся к ряду самых перспективных проектов [4]. Интерес к подобным установкам вызван их уникальными свойствами, например возможностью работы без газоподготовки на разных типах топлива. Микротурбинное оборудование, функционирующее в когенерационном режиме, позволяет почти на четверть увеличить эффективность использования топлива и вдвое снизить эксплуатационные затраты по сравнению с традиционными газопоршневыми устройствами.
Есть ряд параметров, по которым турбина имеет преимущества: более низкий уровень шума, более
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ I www.endi.ru
№2 (68)2016, март-апрель
чистый выхлоп, возможность установки на крыше здания за счет меньшей вибрации, возможность длительное время работать на частичных нагрузках и холостом ходу, высокое качество производимой электроэнергии. Кроме того, турбина имеет воздушную систему охлаждения, а котел-утилизатор размещен в габаритах энергоблока. Эти особенности позволяют применять турбины на объектах с невысоким энергопотреблением и неравномерным графиком потребления, где главной задачей автономного энергоцентра является не экономия ресурсов, а наличие энергоснабжения как такового, а также на объектах, где за счет высокой стоимости присоединения к энергосетям подключение к ним экономически нецелесообразно. Использование турбин может быть финансово оправдано в диапазоне мощностей до 200 кВт и при условии, когда их ключевые преимущества имеют принципиальное значение.
Газопоршневые установки, в свою очередь, представлены в диапазоне единичных мощностей от 250 кВт до 6 МВт. Набором таких силовых агрегатов можно получить мощность газовой электростанции до 40-50 МВт. Газопоршневые установки остаются наиболее надежными, доступными и энергоэффективными силовыми агрегатами для большинства автономных газовых электростанций.
Еще более перспективной и экономически выгодной следует признать выработку электричества из биогаза с использованием топливных элементов. В данном случае обеспечивается прямое преобразование газа в электроэнергию, не требующее его сжигания. Помимо экологичности процесса достигается более высокий его КПД. Однако до конца задача эффективного использования биогаза в топливных элементах пока не решена, поскольку их мембраны подвержены разрушению ввиду воздействия содержащихся в биогазе агрессивных веществ [4]. Работы, связанные с поиском материалов для выполнения мембран, по данным [4], находятся в завершающей стадии, в частности установлено, что малую восприимчивость к загрязнению имеют высокотемпературные материалы.
Надежность системы электроснабжения животноводческого комплекса
Электроснабжение ферм проектируется на стадии разработки и рассчитывается исходя из количества и мощности потребителей. Использование автоматических секционных переключателей не всегда экономически оправдано для небольшого агропромышленного хозяйства; монтаж,
Рис. 2. Система электроснабжения животноводческого комплекса
наладка и обслуживание дополнительной линии электропередачи с другой подстанции чрезвычайно дорогостоящи. В то же время при выводе оборудования в ремонт останется без электроснабжения ряд потребителей, отключение которых понесет за собой не только массовые простои, но и угрозу безопасности фермы. Аварийное освещение, охранная сигнализация, видеонаблюдение не допускают перебоев в энергоснабжении, поэтому для них лучше использовать отдельные источники бесперебойного питания.
Согласно ПУЭ, 2-я категория надежности электроснабжения характеризуется питанием от двух взаимозаменяемых источников и возможным отключением электроэнергии на срок не более одной рабочей смены (8 часов) до полного восстановления. На рис. 2 предложена система электроснабжения фермы с учетом вышеизложенных параметров. Особенности предлагаемой системы -применение источника установки комбинированной генерации в качестве основного источника питания и удерживание линии комплектной трансформаторной подстанции в резерве. Это повышает
надежность энергоснабжения, а наличие на биостанции крупного газгольдера позволяет системе работать некоторое время даже без поступления сырья в реактор биостанции. Небольшая нагрузка (аварийное освещение, сигнализация, видеонаблюдение) может работать через буфер источника бесперебойного питания [1, 5].
Предложенный подход к проектированию сельскохозяйственных предприятий с учетом совмещения их с биоэнергетическими станциями позволяет добиться экономии трудовых и энергоресурсов. Резервирование электропитания повышает надежность электроснабжения агропромышленного сектора, так как источник питания когенерационной установки способен снабжать электроэнергией комплексы до полного восстановления централизованного энергоснабжения.
Предложенная система служит повышению надежности электроснабжения приоритетных потребителей. Результаты исследования отвечают стандарту энергоменеджмента ISO 50001-2012, а описанная технология получения электроэнергии является энергоэффективной.
1. Мамонтов А. Ю., Виноградов А. А., Мулява Г. С., Идельчик В. И. Математическая модель системы «Животноводческий комплекс — биостанция» / / Энергобезопасность и энергосбережение. — 2015. — № 5. -С. 30-34.
2. Когенерация. Устройство когенерационных установок [Электронный ресурс]. Код доступа: www.manbw.ru/analitycs/cogeneration.html.
3. Микротурбины против газопоршневых установок [Электронный ресурс]. Код доступа: www.manbw.ru/analitycs/gazoporshnevye_mikroturbiny_otzyvy_sravnenie_ustanovok.html.
4. Электроэнергия из биогаза и применение биогазовой технологии [Электронный ресурс]. Код доступа: www.biogaz-russia.ru/ehlektroehnergiya-iz-biogaza.
5. Положение ОАО «Россети» о единой технической политике в электросетевом комплексе. Утверждено Советом директоров ОАО «Россети» (протокол № 138 от 23.10.2013).
Gas turbine and gas reciprocating engines in farm electrical supply A. A. Vinogradov,
Belgorod State Technological University, Energy Institute, PhD, associate professor V. V. Nedosekov,
Belgorodenergo, Head of the Department of corporate and industrial automated systems A. Yu. Mamontov,
Belgorod State Technological University, Energy Institute, postgraduate student N. O. Sharshukov,
Belgorod State Technological University, Energy Institute
Agricultural rural power supply can be more reliable with suggested principles of their arrangement including combined-cycle generation assembly and biogas stations. Power supply systems with gas turbine and gas reciprocating engines are compared in terms of their effectiveness for the mentioned purpose. The authors also suggest different cogeneration installation schemes as well as a one-line farm power supply system with power backup options.
Keywords: power supply, reliability, backup, energy efficiency.
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЪ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / www.endi.ru
№2 (68)2016, март-апрель