– Андрей Владимирович, толчком для развития техники, как правило, становятся военные заказы. Электродвижение не стало исключением?
– Электрическая машина, изобретение академика Бориса Семеновича Якоби, впервые была применена на судне почти двести лет назад. В сентябре 1838 года небольшая лодка, приводимая в движение с помощью гребных колес, развила на Неве скорость около 4 км/ч. И где же продолжилась история электродвижения? Правильно, на подводных лодках. Сегодня их называют дизель-электрическими подводными лодками. За сотню лет их принцип действия практически остался неизменным: лодки приводятся в движение электродвигателями, источником электроэнергии в надводном положении является дизель-генератор, а в подводном до недавнего прошлого были аккумуляторные батареи. Дальнейшее развитие технология электропривода получила в гребных установках транспортных судов. Серьезным стимулом для совершенствования системы электродвижения стала необходимость работы судов во льдах.
Читатели "Корабела" знают, что перегрузочная способность дизеля составляет около 10%. Попробуйте подняться на автомобиле в гору, не включая понижающие передачи. Двигатель заглохнет. Это касается и судовых дизелей: если под лопасть винта попадает льдина, момент
сопротивления со стороны винта резко возрастает, и двигатель глохнет. Все изучали в школе электротехнику и знают, что электрическая машина, в отличие от двигателей внутреннего сгорания (ДВС), может создавать вращающий момент, даже если частота вращения равняется нулю, то есть электродвигатель не вращается.
Возможность работы с большим моментом при любой частоте вращения и даже при неподвижном гребном винте – одно из главных достоинств электрического привода. Это достоинство электропривода очень важно при работе во льдах. Учитывая, что 70-80% всех морей, окружающих Россию, замерзают, суда с электродвижением нам необходимы для развития северного морского пути и работы морского транспорта в замерзающих акваториях.
А основной причиной установки системы электродвижения на первом транспортном судне было другое достоинство гребного электропривода – возможность реверсирования, то есть изменение направления вращения гребного электродвигателя. Это требовалось для торможения и остановки судна.
– Процесс преобразования энергии на таких судах довольно сложен. На атомных ледоколах, к примеру, вода за счет тепловой энергии превращается в пар. Пар поступает в турбину, которая за счет механической энергии вращает генератор. Электрический ток от генератора по шинопроводам, кабельным трассам, через трансформаторы, полупроводниковые преобразователи, защитно-коммутационную аппаратуру поступает к гребному электродвигателю... В таких системах, очевидно, много потерь, что не может не отразиться на КПД...
– Вопрос экономичности для автономных объектов, таких как суда, крайне актуальный. У систем электродвижения есть два недостатка, первым их которых действительно является более низкий максимальный КПД по сравнению с традиционными системами, вторым – высокая стоимость. Но давайте взглянем на ситуацию шире. Коэффициент полезного действия дизеля, вращающего гребной винт, составляет около 40% при номинальной нагрузке. Современные электрические машины очень энергоэффективны. У современного электрического генератора и электродвигателя КПД составляет около 98%, КПД трансформаторов и полупроводниковых преобразователей так же находится в данных пределах.
По 2% в системе электродвижения теряется на генераторе и гребном двигателе, на передаче электрической энергии, трансформаторе и в полупроводниковом преобразователе. Суммарные потери составят около 10%. Вроде бы значение довольно большое. Но здесь нужно учесть, что КПД дизеля достигает максимальных значений только при номинальной нагрузке (80% от номинальной мощности). Многие суда, включая паромы, суда снабжения, гидрографические и научно-производственные суда, большое количество транспортных судов работают в широком диапазоне изменения скорости хода, то есть с долевой нагрузкой на винте.
А у судов, работающих во льдах, нагрузка на винте часто меняется в зависимости от ледовой обстановки. Если мощность на винте уменьшается, скажем, до 50%, то КПД дизеля значительно падает, до 30% и менее. В реальных условиях коэффициент полезного действия дизеля будет снижаться более чем на 10%.
Узнай новое:
Как береза может помочь судовому двигателестроению?
Олег Тимофеев: "Нашему выпускнику не потребуется адаптация на рабочем месте"
"Потребуется – изготовим валы и для ледокола "Россия"
КПД же гребного двигателя, генератора, трансформатора и полупроводниковых преобразователей мало зависит от частоты вращения и нагрузки и остается практически постоянным. В качестве источников электроэнергии на судах с электродвижением используются несколько генераторных агрегатов. Если скорость судна снижается, и мощность, потребляемая гребным двигателем, уменьшается, мы отключаем один или несколько дизель-генераторов, чтобы оставшиеся работали с оптимальной с точки зрения расхода топлива нагрузкой с максимальным КПД.
Возможность работы дизель-генераторов с нагрузкой, близкой к номинальной при изменении нагрузки на винте, это существенное достоинство гребных электрических установок. Оно компенсирует те 10% падения КПД, о которых мы с вами говорили чуть раньше... Таким образом, при работе на долевой нагрузке КПД систем электродвижения выше, чем у традиционных пропульсивных установок с главным тепловым двигателем.
– Насколько известно, есть еще одно решение, которая позволяет добиваться высокой энергоэффективности, – это так называемые гибридные суда или суда с гибридной пропульсией.Что вы скажете об этих установках?
– Вопрос хороший, а терминология некорректная. Морской регистр и высшие учебные заведения морской отрасли стараются использовать слово "комбинированный". Что имеется ввиду?
Комбинированные пропульсивные установки – это установки, где двигатели с разной физической основой работают на один гребной винт. Допустим, дизель и электрическая машина соединены через редуктор и работают на гребной винт. На экономичном ходу задействован главный дизель, а электрическая машина, которая приводится в движение от него, работает как генератор и вырабатывает электрическую энергию для питания общесудовых приемников.
Если мы обеспечиваем малый ход, главный дизель может отключиться, а электрическая машина работает как гребной электродвигатель, получая питание от дизель-генераторов или аккумуляторных батарей, и обеспечивает судну малый ход. Если нужен полный ход, гребной винт вращают оба двигателя – дизель и электродвигатель.
С точки зрения судовой электростанции, комбинированной часто называют электростанцию, где помимо генераторных агрегатов с вращающимися электрическими машинами мы используем еще и статические источники электрической энергии. Хотя термин "статические источники электрической энергии" тоже не очень правильно использовать в данном случае.
Статические источники электроэнергии – это солнечные батареи, топливные элементы, а современные конденсаторы большой емкости (их еще называют "суперконденсаторы") и современные аккумуляторные батареи – это, по сути, статические накопители электрической энергии.
Комбинированная электростанция, то есть электростанция с источниками электроэнергии, основанными на разных физических процессах, наиболее перспективна с точки зрения КПД и снижения загрязнения окружающей среды. Для больших российских мегаполисов – Москвы, Петербурга, наших новых регионов – уже строятся суда с использованием статических источников электрической энергии – аккумуляторных батарей в качестве основных или дополнительных источников энергии.
– И каковы, на ваш взгляд, перспективы этих электросудов?
– Как представитель академической высшей школы, хотел бы и здесь уточнить терминологию. Очень часто новые термины, в том числе "гибридные", "полностью электрические", проникают в наш технический язык при дословном переводе зарубежной литературы. Такого понятия, как "электрические суда", нет ни в ГОСТах, ни в нормативных документах морских регистров судоходства.
Электрическое судно в том понимании, которое сейчас широко распространено, – это судно, на котором нет теплового двигателя. При этом на нем остаются другие механизмы, такие как компрессор, вентилятор, насосы... Все, кроме дизелей. К примеру, заменили тепловой двигатель с генератором на аккумуляторные батареи, и все стали называть это новым направлением – "электрические суда", что по сути не является таковым.
Для "электриков" это давно известное направление. Следует отметить, что первое судно с электродвижением, которое мы упомянули в начале нашего разговора, созданное академиком Б.С. Якоби, было именно со статическими источниками электроэнергии. Именно с него началось применение электроэнергии на судах. И именно это судно можно назвать первым электрическим судном. Поэтому говорить о какой-то новизне абсолютно неправильно. Появились новые статические источники и накопители электроэнергии, и мы снова вернулись к идее Якоби.
Кроме того, уже несколько лет на дорогах Москвы и Санкт-Петербурга, да и других городов, эксплуатируются электрические автобусы – электробусы и троллейбусы с аккумуляторными батареями в качестве источников электроэнергии. Давно появились электровозы с аккумуляторными батареями и даже на конденсаторах. Есть и другие примеры. Вместе с тем, широкое использование новых типов источников электрической энергии, прежде всего статических, не отрицает, что в недалеком будущем в нормативной документации может появиться термин "электрическое судно".
Электричество, как ни странно это звучит, по сути, полезной работы не приносит. Электрическая энергия преобразуется с помощью электродвигателей, источников тепла и света в механическую, тепловую или световую. А электроэнергия прежде всего наиболее удобный способ передачи энергии на расстояние.
К примеру, в системах электродвижения генератор преобразует механическую энергию приводного дизеля в электрическую, а гребной двигатель, наоборот, электрическую энергию преобразует в механическую, вращая гребной винт, который обеспечивает движение судна.
– Какие есть современные способы повышения КПД судовых систем электродвижения и судовой электростанции?
– Прежде всего речь идет о повышении КПД электрических машин и тепловых двигателей, которые приводят в движение генераторы. Так, все более широкое применение на судах находят синхронные машины на постоянных магнитах, у которых самый высокий КПД среди всех вращающихся электрических машин.
Повысить КПД приводных тепловых двигателей генераторных агрегатов возможно путем регулирования их частоты вращения при изменении нагрузки, что позволяет значительно уменьшить удельный расход топлива.
С развитием полупроводниковой техники стали появляться суда, на которых используются так называемые вентильные генераторы, состоящие из генераторов и полупроводниковых преобразователей. Генератор переменного тока работает с переменной частотой вращения, электроэнергия с помощью выпрямителя выпрямляется и распределяется по судну. Затем происходит ее обратное преобразование. Таким образом распределение электрической энергии осуществляется на постоянном токе, а гребной двигатель переменного тока получает питание от полупроводникового инвертора.
Системы с распределением электрической энергией на постоянном токе известны давно, и научную работу в этом направлении проводили и в Государственном университете морского и речного флота имени адмирала Макарова, где я преподаю. Но раньше не было технической возможности реализовать данные системы на судах, а с развитием полупроводниковой техники такая возможность появилась.
Достоинство данных систем заключается в том, что генераторные агрегаты способны работать с переменной частотой вращения по оптимальной с точки зрения расхода топлива характеристике. В данных электроэнергетических системах могут использоваться статические источники, которые, как правило, вырабатывают энергию постоянного рода тока. При распределении электроэнергии на постоянном токе по кабельным трассам и шинопроводам не протекает реактивный ток, что позволяет уменьшать сечение токоведущих частей, а также их нагрев и потери.
Внедрение электроэнергетических систем с распределением электроэнергии на постоянном токе становится все более популярным направлением в судостроении как в нашей стране, так и за рубежом. Наша организация участвует в проектировании и создании электроэнергетических систем с распределением электроэнергии на постоянном токе для судов различного назначения. При проведении проектных работ мы привлекаем и используем научно-технический потенциал университета морского и речного флота (Макаровки) и электротехнический университет "ЛЭТИ".
Новым направлением является создание кольцевых гребных электродвигателей, в которых совмещены непосредственно гребной электродвигатель и движитель. В таких ГЭД ротор электрической машины делается полым, а к его внутреннему диаметру крепятся гребные лопасти. Наша организация участвовала в создании первых ГЭД кольцевой конструкции. Достоинством кольцевых ГЭД является более высокий КПД и значительное улучшение массогабаритных показателей.
– На каких судах, где вы принимаете участие в проектировании и строительстве, планируют использовать данные электротехнические системы?
– Прежде всего, это паромы с электродвижением, строительство которых ведется для южных регионов России. Безусловно, инновационным решением является применение системы электродвижения с распределением электроэнергии на постоянном токе для современного проектируемого парусно-моторного судна. Могу отметить, что моя диссертационная работа была как раз посвящена разработке системы электродвижения для парусно-моторного судна. А экспериментальные исследования я проводил на знаменитом парусном судне "Мир". И вот теперь, спустя много лет, идея моей диссертации близка к практической реализации. Кроме того, мы приступили к проектированию системы электродвижения со статическими источниками электроэнергии для портовых безэкипажных буксиров, что, по сути, является революционным решением в области судовой электротехники и автоматики. Во многих наших проектах мы закладываем применение электроэнергетических систем с распределением на постоянным токе с вентильными генераторами и статическими источниками электроэнергии.
Есть примеры постройки судов с системой распределения на постоянном токе по зарубежным проектам в нашей стране. Здесь следует прежде всего отметить дизель-электрический ледокол "Обь", построенный на Выборгском заводе, и буксиры, которые работают в городе Темрюк (на Азовском и Черном море).
– Производство современного судового оборудования сегодня восстанавливают, а какова ситуация с системами электродвижения?
– С точки зрения научной мысли, все новые зарубежные решения в области судовых систем электродвижения нам хорошо известны. Проблемы всегда возникали с их практической реализацией, что связано в последние годы с отсутствием возможности использовать зарубежные технологии и материалы. Но сказать, что мы отстаем, даже с учетом всех санкционных вопросов нельзя. Да, возможно, мы чуть дольше, чуть дороже строим наукоемкие суда различного назначения с электродвижением. Может быть, этих судов не так много, но строительство современных атомных ледоколов идет полным ходом, проектируются современные паромы и буксиры с распределением энергии на постоянном токе, парусно-моторные суда с электродвижением. Все эти проекты свидетельствуют о том, что в научно-технических решениях мы как минимум не отстаем от зарубежных судостроителей.
Я много раз бывал в Европе, преподавал, стажировался, ездил к зарубежным производителям, и хочу отметить, что везде к нашим ученым относились с большим уважением, наш высокий научный потенциал не вызвал сомнение, а наши идеи воспринимались очень позитивно. Какого-либо научного отставания в области судовых систем электродвижения от европейских стран, Америки, азиатского региона, повторюсь, не вижу.
– Вторым сдерживающим фактором развития судовых систем электродвижения вы назвали высокую стоимость оборудования. Делался анализ таких судов с точки зрения экономической эффективности?
– Вопрос правильный, его мне задают многие судостроители, он звучит на всех конференциях отрасли. Наметилась тенденция, когда судовладельцы с большим вниманием стали относиться к судовым системам электродвижения. Они четко осознают, что оборудование для таких судов стоит дороже. Рассмотрим обычное судно: дизель вращает винт. Если же мы используем систему электродвижения, то у нас дизель вращает генератор, электроэнергия через трансформатор, полупроводниковый преобразователь, главный распределительный щит поступает к гребному электродвигателю. То есть значительно увеличивается количество используемого оборудования и его суммарная мощность. Что, конечно же, сказывается на стоимости.
Мы считаем, что стоимость электрооборудования на судах с системой электродвижения увеличивается где-то на 40-60% по сравнению с традиционной схемой. Но для ряда судов, работающих в ледовых условиях в широком диапазоне изменения частоты и скорости, такое решение не вызывает сомнений. Все строительные затраты окупаются снижением эксплуатационных расходов и повышением маневренности судна. Судовладельцы к нам обращаются, мы делаем расчеты и обосновываем целесообразность применения систем электродвижения на судах разного назначения. По нашим оценкам, окупаемость системы электродвижения для многих судов различного назначения составляет от 5 до 10 лет.
– А для каких коммерческих судов есть смысл применять систему электродвижения?
– Возьмем морской и океанский флот: прежде всего, это суда, которые работают во льдах – ледоколы, транспортные суда, суда снабжения, танкеры для перевозки сжиженного природного газа. Во всем мире понимают, что оптимальное решение для этих судов – это система электродвижения. За рубежом системы электродвижения находят широкое применение на речных судах. На речке, в классе "река-море", в процентном отношении количество судов с системой электродвижения существенно возрастает в последние годы. В нашей стране система электродвижения на речном пассажирском судне впервые применена на круизном судне проекта PV09, сегодня оно называется "Штандарт".
Мы участвовали в испытаниях данного судна и можем сказать, что применение системы электродвижения в полной степени себе оправдало.
Комбинированными пропульсивными установками оснащены небольшие лоцмейстерские суда, которые были построены на Онежском судостроительном заводе для ФГУП "Росморпорт". На этих судах реализовано много новых технических решений. В частности, в качестве источников электроэнергии применяются дизель-генераторы и аккумуляторные батареи. Главный дизель и гребной электродвигатель через редуктор совместно или поодиночке обеспечиваю ход судна. Проведенные ходовые испытания с участием нашей организации подтвердили преимущества данных систем для судов, эксплуатирующихся в широком диапазоне изменения скорости.
Резюмируя, можно отметить, что есть довольно много типов судов, где район плавания, режимы эксплуатации определяют целесообразность применения системы электродвижения.
Современные судовладельцы, строя судно, стараются сделать его максимально универсальным, чтобы оно могло использоваться в разных районах плавания, перевозить грузы разного типа. Сегодня высокий спрос на одни грузоперевозки, через год-два – на другие. Сегодня суда работают на юге, завтра – на севере во льдах. Появляется тенденция к созданию универсальных судов, способных работать в разных режимах эксплуатации в различных морских и речных районах, что формирует дополнительную целесообразность применения систем электродвижения.
– Приводная полупроводниковая электротехника последние десятилетия развивалась семимильными шагами. На берегу вентиляторы, компрессоры, насосы без преобразователя частоты становятся редкостью. Какова ситуация с внедрением современной преобразовательной техники на судах?
– Еще в 2000 году я занимался научной работой в ГУМРФ им. Макарова по созданию дизель-генераторов, работающих с переменной частотой вращения.
Мешало практической реализации таких вентильных дизель-генераторов с полупроводниковыми преобразователями именно отсутствие надежных полупроводниковых приборов, "вентилей". Вентили – это полупроводниковые элементы: транзисторы, тиристоры, диоды, поэтому и генераторы с их применением получили название вентильных. Этот термин мы внедрили в нормативную документацию Российского морского регистра судоходства, где я явлюсь председателем научно-технической секции "Электрическое оборудование и автоматизация судов".
Работа дизеля с переменной частотой вращения весьма экономична. Но в этом случае возникает вопрос: как нам поддерживать постоянство напряжения и частоты судовой сети, если генератор работает с переменной частотой?
Современные полупроводниковые преобразователи способны эту проблему решить. Дизель работает с переменной частотой вращения, генератор вырабатывает электроэнергию, переменную по напряжению и частоте, а в судовой автономной сети мы поддерживаем постоянство напряжения и частоты. Наше АО "Научно-производственный центр "Электродвижение судов" вместе с ГУМРФ им. Макарова и при участии электротехнического университета в 2018 году создало вентильный дизель-генератор переменной частоты вращения для самоходной баржи проекта HB600 "Сильная". Проект выполнялся по договору с ФГУП "Росморпорт". Хочу отметить, что данный судовладелец активно использует новые научно-технические решения на своих современных судах.
Насколько нам известно, наш вентильный дизель-генератор переменного тока является первым генератором такого типа не только в нашей стране, но и зарубежом. Вентильный дизель-генератор работает с переменной частотой вращения, в то время как в судовой сети поддерживаются номинальные значения напряжения и частоты.
Есть существенные достижения в нашей стране и в судовых системах электродвижения. Так, на морском буксире-спасателе, который носит имя нашего известного писателя Виктора Конецкого, впервые в истории коммерческого судостроения был установлен в качестве гребного двигателя так называемый вентильно-индукторный двигатель. Проект системы электродвижения и поставку оборудования осуществил Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии (ЦНИИ СЭТ), где я более 10 лет работал и руководил рядом проектов. В том числе был главным конструктором и ответственным сдатчиком первой отечественной системы электродвижения переменного тока, которая была установлена на малом гидрографическом судне "Вайгач". Безусловно, и сейчас филиал крыловского центра судостроения остается отечественным флагманом в области судовой электротехники и технологии.
 |
Полупроводниковые преобразователи на современных судах применяются не только в составе системы электродвижения и вентильных генераторах, но и, как правильно был задан вопрос, в составе общесудового электропривода. К примеру, раньше мы меняли подачу воздуха в машинное отделение, служебные и жилые помещения, изменяя количество работающих вентиляторов, что не очень экономично. То же самое относится и к насосам. Теперь эту же задачу можно решать, меняя частоту вращения вентилятора, насоса, другого механизма. При этом мы получим существенную экономию и повысим КПД электропривода.
Многие судостроительные заводы, которые строят небольшие рыбопромысловые суда, краболовы, уже активно используют на них общесудовой частотно-регулируемый электропривод. К таким судам можно отнести проекты 03095, 03070, по которым мы работаем с нашими партнерами – Невским электромонтажным обществом. На этих компактных, но очень современных и интересных судах установлено большое количество полупроводниковых преобразователей. К слову, на данных судах параметры электроэнергии отличаются от береговых: в частности, частота тока в судовой сети составляет 60 Гц. Для питания электроприемников при стоянке судна у причала нами были разработаны и поставлены полупроводниковые устройства питания судна с берега.
– Вы заговорили об электромашинах. Это направление сегодня тоже активно развивается, идет борьба за повышение их КПД и надежности, снижение габаритов. Насколько работа в этом направлении важна?
– Еще один наш великий ученый, Доливо-Добровольский, создал первую трехфазную асинхронную машину (АМ). Сегодня она является основным приемником электрической энергии как на берегу, так и на судне. Около 80% всей электроэнергии в судостроении потребляют асинхронные машины.
Почему асинхронная машина при всех своих недостатках получила такое широкое применение? КПД у нее меньше, чем у синхронной машины, тепловыделение больше, выше масса и габариты. Главное достоинство асинхронной машины – возможность прямого пуска. То есть асинхронная машина может запускаться без использования дополнительного оборудования, в том числе полупроводниковых устройств. Поэтому альтернативы для использования АМ в составе общесудового электропривода, по сути, не было и нет.
Если мы говорим про гребные электрические установки, то в них для того, чтобы регулировать частоту вращения винта, мы должны менять напряжение и частоту тока, подводимого к электродвигателю, то есть мы должны использовать полупроводниковый преобразователь. Раньше это были выпрямители, сейчас – полупроводниковые преобразователи частоты. И в этом случае нет необходимости использовать асинхронные машины, а можно применять синхронные или индукторные электродвигатели.
Выбор типа гребного двигателя зависит от частоты вращения, мощности, перегрузочной способности, КПД. Нельзя просто так сказать, что какой-то двигатель лучше или хуже. У каждого гребного двигателя, каждой электрической машины есть свои достоинства и недостатки. К примеру, асинхронный электродвигатель нашел применение на атомных ледоколах проекта 22220, а синхронный – на дизель-электрическом ледоколе проекта 22600 "Виктор Черномырдин". На атомных ледоколах "Вайгач", "Таймыр" также используются синхронные ГЭД. Мы в своих проектах на судах небольшой мощности закладываем применение в качестве ГЭД синхронных электродвигателей на постоянных магнитах. Как я уже отметил, на одном морском буксире, где я также был руководителем проекта, применена в качестве ГЭД вентильно-индукторная электрическая машина, которая, к слову, была создана в Новочеркасске.
Отмечу перспективы применения в гребном электроприводе и в составе вентильных генераторов синхронных машин на постоянных магнитах. Почему? КПД у таких электрических машин чуть выше, габариты меньше, высокая надежность, которая, конечно, выше, чем у асинхронных машин и синхронных машин с электромагнитным возбуждением.
У синхронных машин на постоянных магнитах значительно меньше тепловыделение, что также является весомым аргументом при использовании в составе систем электродвижения.
– Как осуществляется торможение судна с системой электродвижения? Это непростая задача?
– С технической точки зрения проблема даже более сложная, чем разгон гребного электродвигателя. Когда мы разгоняем и двигаем судно, приводной дизель вращает генератор, который вырабатывает электрическую энергию, а электрическая энергия поступает к гребному двигателю, который приводит в движение винт. А что происходит, когда мы тормозим?
Судно движется в свободной воде, мы уменьшаем момент гребного двигателя, и наступает ситуация, когда винт под действием потоков набегающей воды начинает вращать гребной электродвигатель. Для того чтобы затормозить судно, нужно затормозить гребной винт и изменить направление его вращения, то есть осуществить реверс винта. Если этого не предпринимать, то судно будет двигаться по инерции и выбег будет большим. Что делать? Необходимо, чтобы гребной электродвигатель тормозил винт, а для этого его необходимо перевести в режим генератора. Генератор создает тормозной электромагнитный момент и останавливает винт. Но электромагнитный тормозной момент будет создан только тогда, когда электроэнергия в виде электрического тока будет поступать к приемникам электроэнергии. И здесь возникает проблема, которая заключается в том, что мощность, которую вырабатывает (генерирует) при торможении ГЭД, значительно больше, чем мощность, которую можно отдать в судовую сеть.
То есть мощность гребного двигателя, допустим, мегаватт, а приемники электрической энергии на судне – всего 200 киловатт. И отдать этот мегаватт в сеть мы не можем. Передача электроэнергии от ГЭ в судовую сеть называется процессом рекуперативного торможения или рекуперацией электроэнергии.
На атомных ледоколах "Таймыр" и "Вайгач" реализован принцип рекуперативного торможения. Процесс сложный, судно трехвальное. На этих ледоколах реализован последовательный реверс трех гребных валов, то есть сначала тормозятся два бортовых гребных двигателя, которые переходят в режим генераторов, а электроэнергия, которую они вырабатывают, поступает на центральный гребной двигатель, который продолжал работать как электродвигатель. Получается, что два двигателя тормозят судно, а один толкает.
На атомных ледоколах проекта 22220 для торможения используют так называемые тормозные сопротивления. То есть при торможении ГЭД электроэнергия поступает не в судовую сеть, а на сопротивления, где преобразуется в тепло. Это не самое экономичное решение, но, по сути, единственно возможное. Во-первых, большую электрическую мощность от гребных двигателей в судовую сеть не отдать, сеть не примет. Во-вторых, полупроводниковые преобразователи, которые используются на ледоколе, выполнены однонаправленными, то есть электроэнергия может поступать только в одном направлении: от генераторов к гребным электродвигателям.
Если мы хотим реализовать рекуперативное торможение, то необходимо применять реверсивные преобразователи, которые могли бы пропускать электроэнергию и в прямом направлении, и в обратном, что существенно повышает их стоимость.
Необходимо отметить, что проблема торможения гребного винта прежде всего относится к судам с прямой передачей вращающего момента на винт. Если на судне устанавливаются винторулевые колонки, то в этом случае торможение судна осуществляется за счет их разворота или поворота перпендикулярно диаметральной плоскости судна.
– Насколько сейчас актуален вопрос импортозамещения при создании судовых систем электродвижения?
– Вопрос даже не в том, можем ли мы сами сделать оборудование или нет. Вопрос я бы поставил несколько в другой плоскости: оборудование, производимое в наше стране, зачастую значительно дороже, чем у зарубежных производителей, а срок изготовления зачастую больше.
Если выпускать изделия большими партиями, их стоимость существенно снижается. Да, за рубежом оборудование часто стоит дешевле. У них существует разделение труда по странам: в одной европейской стране делают электродвигатели, в другой – полупроводниковые преобразователи, в третьей – трансформаторы. И у каждого производителя рынок сбыта большой, что снижает стоимость продукции. Поэтому наши судовладельцы в недалеком прошлом часто отдавали предпочтение зарубежной технике, да и сейчас такое бывает.
Электрические машины, трансформаторы, защитно-коммуникационное оборудование, электроизмерительные приборы мы делаем. Отечественные системы автоматизации у нас тоже есть. Главный вопрос стоит в снижении стоимости и сроков производства. Только тогда судостроительные заводы при строительстве судов по коммерческим заказам будут активно переходить на применение отечественного оборудования.
– Как поменялся рынок электротехники за последние полтора года?
– Конечно, мы пытаемся заменить все, что поставлялось из европейских стран. Начинаем ориентироваться на дружественные страны, в том числе в азиатском регионе. Наша компания, наши партнеры и друзья активно смотрят, что производят в Азии: какие там решения, какие технологии. Научно-технического провала, которого многие опасались, за эти два года не произошло. Говоря научным языком, наша промышленность устойчивость не потеряла.
– И последний вопрос про перспективы применения аккумуляторных батарей нового поколения в качестве основных источников электроэнергии на судах. Насколько это целесообразно и перспективно?
– Применение аккумуляторных батарей в транспорте у всех на слуху. Все говорят про экологичность, экономичность, эффективность. Да, появились новые аккумуляторные батареи большой мощности. Но их ведь надо заряжать! То есть где-то на береговой электростанции работает дизель-генератор, потребляет топливо и загрязняет окружающую среду. Но где-то там, где мы его не видим. Поэтому создается иллюзия отсутствия загрязнения окружающей среды. Это не так. Вопрос, который необходимо решить, – как и где заряжать аккумуляторные батареи. Здесь можно провести параллели с электромобилями. И количество электрических заправок ограничено, и время зарядки составляет на порядок больше, чем заправка автомобиля жидким топливом.
Во-вторых, срок эксплуатации аккумуляторных батарей ограничен, 5-7 лет, может, чуть больше. Значит, в процессе эксплуатации судна их надо несколько раз менять и покупать новые, с чем мы сталкиваемся, к примеру, в мобильных телефонах. Высокая стоимость аккумуляторных батарей играет важную роль. Многие судовладельцы, когда узнают о стоимости батарей для их проектов, отказываются от их применения на судне.
И пожалуй, главное – утилизация аккумуляторных батарей. Что с ними делать, как утилизировать. Насколько мне известно, возможность переработки и повторного использования материалов отработавших батарей нового поколения на сегодняшний день составляет менее 20%. Это примерно как с пластиковыми пакетами. Сначала все радовались от их применения, а потом мы столкнулись с большой проблемой по их утилизации. Так что, конечно же, применение на судах аккумуляторных батарей перспективно, целесообразно, но и имеет рад проблем, которые необходимо решать планомерно, системно и последовательно.
Спасибо за интересные и актуальные вопросы!
Статья впервые опубликована в журнале WWW.KORABEL.RU. 2023 №3/ Подписаться на журнал
Узнай новое:
Как береза может помочь судовому двигателестроению?
Олег Тимофеев: "Нашему выпускнику не потребуется адаптация на рабочем месте"
"Потребуется – изготовим валы и для ледокола "Россия"
