ấw5ựỏ9ụUờ Wnq n /A ờờ 3 Kộd Uờựũ Uờ Oộ^ 7ờ Fng δờUQMKờUờ Wnm
6.1. Một số khỏi niệm chung
Việc đảm bảo sự cung cấp liờn tục và ổn định điện năng trờn tàu thuỷ cú ý nghĩa hết sức quan trọng vỡ phần lớn cỏc mỏy múc thiết bị trờn tàu thủy sử dụng điện năng - một loại năng lượng dễ chuyển hoỏ nhất - để hoạt động. Phụ tải điện trờn tàu thay đổi thường xuyờn và đột ngột, một số thao tỏc với hệ thống điện đũi hỏi nhanh, chớnh xỏc mà người khai thỏc khụng thể đỏp ứng kịp do đú hệ thống điện trờn tàu thuỷ được tự động húa để đảm bảo sự hoạt động an toàn, tin cậy và hiệu quả. Một hệ thống tự động cú đầy đủ cỏc chức năng quản lý, điều khiển và bảo vệ hệ thống điện và cỏc trang thiết bị điện được gọi là hệ thống tự động quản lý điện tàu thủy (power management system).
Do tớnh cơ động cao của động cơ điờzel (thời gian khởi động, đưa vào làm việc nhanh, khả năng tự động điều khiển dễ dàng...) nờn đa số cỏc mỏy phỏt điện dưới tàu thuỷ được dẫn động bằng động cơ điờzel. Mỏy phỏt điện sử dụng trờn tàu thủy thường là mỏy phỏt điện đồng bộ ba pha tự kớch từ. Trong bài này tổ hợp mỏy phỏt điện và điờzel dẫn động được gọi tắt là động cơ mỏy phỏt, động cơ ở đõy được hiểu là động cơ điờzel lai mỏy phỏt điện.
Cỏc chức năng cơ bản của một hệ thống tự động quản lý điện tàu thủy:
- Điều khiển (khởi động, dừng, thay đổi tốc độ, cụng suất...) cỏc động cơ mỏy phỏt và chỉ bỏo cỏc thụng số, trạng thỏi làm việc.
- Điều khiển hoà đồng bộ và phõn chia tải giữa cỏc động cơ mỏy phỏt làm việc song song.
- Tự động bổ sung thờm động cơ mỏy phỏt vào làm việc song song khi cú yờu cầu sử dụng (phụ tải tăng), và tự động ngắt bớt động cơ mỏy phỏt khi phụ tải giảm nhằm tối ưu hoỏ quỏ trỡnh tận dụng cụng suất của cỏc động cơ.
- Khống chế cụng suất ngoài (tải) của động cơ mỏy phỏt để trỏnh quỏ tải cho động cơ, mỏy phỏt.
- Giỏm sỏt cỏc thụng số quan trọng và bảo vệ động cơ mỏy phỏt. - Tự động dự bỏo hư hỏng đối với hệ thống.
Chức năng điều khiển động cơ giỳp cho người khai thỏc cú thể dễ dàng vận hành tổ hợp động cơ mỏy phỏt từ bảng điều khiển hệ thống cung cấp điện (bảng điện chớnh – Main Switch Board). Cỏc thao tỏc điều khiển chủ yếu là khởi động, dừng, thay đổi lượng nhiờn liệu cấp để thay đổi hoặc duy trỡ ổn định vũng quay/tần số, hoặc thay đổi cụng suất phỏt ra.
Chức năng tự động điều khiển hoà đồng bộ và phõn chia tải: khi cần bổ sung mỏy phỏt vào lưới hệ thống tự động kiểm tra cỏc điều kiện hoà đồng bộ (điện ỏp, tần số, gúc lệch pha...), điều chỉnh tần số của mỏy phỏt sắp lờn lưới và đưa tớn hiệu đúng cầu dao của mỏy phỏt này vào thời điểm thớch hợp. Sau khi cầu dao của mỏy phỏt đó đúng vào lưới, hệ thống tự động chia tải của lưới cho mỏy phỏt. Hệ thống cũn làm nhiệm vụ sang tải (chuyển hết tải của một mỏy phỏt sang cỏc mỏy phỏt khỏc đang hoạt động song song) và mở cầu dao của mỏy phỏt khi cú yờu cầu ngắt bớt mỏy phỏt ra khỏi lưới.
Chức năng tự động quản lý cụng suất đảm bảo việc cung cấp điện năng liờn tục và ổn định đồng thời đảm bảo luụn cú cụng suất dự trữ. Hệ thống sẽ kiểm tra cụng suất ngoài (phụ tải) để điều khiển bổ sung thờm mỏy phỏt lờn lưới hay ngắt bớt mỏy phỏt ra khỏi lưới.
Chức năng khống chế cụng suất ngoài của động cơ mỏy phỏt đảm bảo cho mỏy phỏt khụng bị quỏ tải bằng cỏch ngắt bớt những phụ tải khụng quan trọng (preference trip), hoặc chưa cho phộp một phụ tải nào đú hoạt động nếu chưa cú đủ cụng suất dự trữ. Đõy là chức năng bảo vệ động cơ mỏy phỏt từ vũng ngoài khi động cơ mỏy phỏt chưa bị quỏ tải.
Chức năng kiểm soỏt thụng số, tự động bỏo động và bảo vệ: đo để hiển thị, chỉ bỏo cỏc trạng 91 Table Table Table Table Table 1
thỏi và thụng số hoạt động quan trọng của hệ thống như điện ỏp, tần số, cụng suất. Khi cú thụng số hoặc trạng thỏi làm việc bất thường thỡ đưa ra tớn hiệu bỏo động bằng đốn, cũi. Khi trạng thỏi làm việc hoặc thụng số thay đổi gõy nguy hiểm cho sự hoạt động của hệ thống thỡ đưa tớn hiệu bảo vệ. Cỏc trường hợp bảo vệ mỏy phỏt:
- Bảo vệ quỏ dũng (quỏ tải - overcurrent) - Bảo vệ ngắn mạch (short circuit)
- Bảo vệ cụng suất ngược (reverse power) - Điện ỏp quỏ thấp (low voltage)
- Điện ỏp quỏ cao (high voltage) - Sự cố về "pha" (phase abnormal) - Tần số quỏ thấp (low frequency) - Bảo vệ stator (stator high temperature)
Để thiết kế, chế tạo và vận hành tốt hệ thống cung cấp điện trờn tàu thuỷ cần phải nắm được tớnh chất của cỏc loại phụ tải điện, phụ tải điện tàu thuỷ cú thể chia làm cỏc loại như sau: - Phụ tải động lực: chuyển hoỏ năng lượng điện thành năng lượng cơ học như cỏc mụ tơ điện. Cụng suất của loại phụ tải điện này chiếm phần lớn cụng suất của toàn bộ phụ tải điện trờn tàu. Loại phụ tải này khi khởi động thường gõy những ảnh hưởng nhất định đến lưới điện do dũng khởi động cao, ảnh hưởng càng lớn khi thiết bị càng lớn.
- Phụ tải chiếu sỏng: cỏc loại thiết bị chiếu sỏng sử dụng điện năng.
- Phụ tải nhiệt: cỏc loại thiết bị dựng điện năng để sinh nhiệt như bếp điện, bầu hõm nước, bầu hõm nhiờn liệu... dựng điện.
- Phụ tải điện điều khiển: nguồn điện cấp cho cỏc hệ thống điều khiển tàu, điều khiển mỏy múc, cỏc thiết bị hàng hải, cỏc thiết bị liờn lạc vụ tuyến...
Phụ tải điện tàu thuỷ cũn cú thể phõn chia theo mức độ quan trọng của chỳng đối với sự hoạt động an toàn của con tàu.
- Cỏc phụ tải quan trọng nhất được ưu tiờn về điện năng là cỏc hệ thống, thiết bị hàng hải (mỏy lỏi, rađa, GPS, đốn hành trỡnh...), thiết bị điều khiển, thiết bị liờn lạc, thiết bị cứu sinh, cứu hoả, thiết bị chiếu sỏng ở những vị trớ quan trọng trong trường hợp xảy ra black- out... Để đảm bảo cung cấp điện cho cỏc thiết bị này trong trường hợp cỏc động cơ mỏy phỏt bị sự cố hay trường hợp mất điện đột ngột (black-out), trong hệ thống cung cấp điện cũn cú thể cú mỏy phỏt điện sự cố và hệ thống ắc qui. Nguồn điện cấp cho cỏc phụ tải ưu tiờn này chỉ mất khi tất cả cỏc loại mỏy phỏt điện trờn tàu đều khụng hoạt động được, riờng cỏc thiết bị cứu sinh cũn cú thể được cấp điện từ hệ thống ắc quy (nếu cú).
- Cỏc phụ tải được ưu tiờn thứ hai là cỏc phụ tải cú vai trũ quyết định tới hoạt động của hệ động lực như cỏc bơm dầu bụi trơn, bơm nước làm mỏt, bơm dầu đốt... Trong trường hợp xảy ra black-out, khi việc cấp điện từ bảng điện chớnh hồi phục trở lại thỡ đõy là những phụ tải được ưu tiờn cấp điện ngay lập tức. Tuy nhiờn vỡ cụng suất của mỏy phỏt sự cố thường bị hạn chế nờn phụ tải loại này khụng được cấp điện khi chỉ cú mỏy phỏt sự cố cung cấp điện. Những phụ tải khỏc cần thiết cho quỏ trỡnh hoạt động và cú hai thiết bị trở lờn (như cỏc quạt thụng giú buồng mỏy, mỏy nộn khớ...) thỡ một thiết bị sẽ được xếp vào loại này tức là được cấp điện ngay lập tức sau khi việc cấp điện từ bảng điện chớnh hồi phục trở lại, cỏc thiết bị cựng loại cũn lại sẽ được xếp vào loại sau.
- Cỏc phụ tải khỏc như bơm trong cỏc hệ thống phụ: hệ thống phục vụ nồi hơi, hệ thống lọc và chuyển nhiờn liệu, dầu nhờn, hệ thống khớ nộn, hệ thống quạt thụng giú... là những phụ tải được xếp vào loại ớt quan trọng hơn hai loại phụ tải đó nờu. Trong trường hợp cú điện trở lại sau black-out thỡ những phụ tải này cú thể được cấp điện chậm hơn so với hai loại phụ tải trờn. Khi cú sự cố trong hệ thống cung cấp điện làm cho khả năng cung cấp điện bị hạn chế hoặc khi động cơ - mỏy phỏt bị quỏ tải thỡ cỏc phụ tải loại này cú thể sẽ bị ngắt (sau khi cỏc phụ tải kộm quan trọng hơn đó bị ngắt).
- Cỏc loại phụ tải điện được xem là ớt quan trọng nhất trờn tàu là cỏc phụ tải điện phục vụ sinh hoạt như bếp, quạt, điện chiếu sỏng, điều hoà khụng khớ, mỏy lạnh thực phẩm... Khi xảy ra black-out và cú điện trở lại thỡ cỏc thiết bị này cú thể được cấp điện sau cựng, cũn khi xảy ra sự cố làm hạn chế khả năng cung cấp điện thỡ những phụ tải loại này sẽ bị ngắt đầu tiờn (preferential trip).
Thụng thường hệ thống cung cấp điện được thiết kế để sao cho khi tàu hoạt động bỡnh thường 92
(chạy biển) thỡ chỉ cần một tổ hợp động cơ mỏy phỏt làm việc là đủ cung cấp điện năng mà vẫn cú một phần cụng suất dự trữ. Chỉ khi manơ điều động, khi làm hàng (xếp, dỡ hàng hoỏ), hoặc khi bơm thay nước dằn tàu... thỡ mới cần đưa thờm động cơ mỏy phỏt vào làm việc song song. Cụng suất tiờu thụ của phụ tải sẽ quyết định việc đưa thờm động cơ mỏy phỏt vào làm việc song song hay ngắt bớt động cơ mỏy phỏt để đảm bảo khả năng cung cấp điện.
Một cơ sở nữa để tự động hoỏ được việc quản lý điện là phõn loại cỏc phụ tải điện theo cụng suất tiờu thụ của chỳng. Phụ tải điện trờn tàu thuỷ cú thể chia thành: nhúm phụ tải cụng suất lớn (cú cụng suất tương đối lớn so với cụng suất của động cơ mỏy phỏt), nhúm phụ tải cú cụng suất trung bỡnh và nhúm phụ tải cú cụng suất nhỏ. Nhúm phụ tải cú cụng suất lớn, khi hoạt động luụn yờu cầu phải đưa thờm động cơ mỏy phỏt vào hoạt động song song như cỏc bơm ballast, bơm cứu hoả, cẩu làm hàng, tời neo... Nhúm phụ tải cú cụng suất trung bỡnh, khi hoạt động tuỳ theo cụng suất dự trữ cú cũn đủ hay khụng mà yờu cầu đưa thờm động cơ mỏy phỏt vào hoạt động song song như cỏc mỏy lỏi, thiết bị làm hàng, bơm thuỷ lực phục vụ tời, neo... Nhúm phụ tải cú cụng suất nhỏ, khi hoạt động khụng yờu cầu đưa thờm động cơ mỏy phỏt vào làm việc song song vỡ cụng suất của chỳng thường nhỏ hơn rất nhiều so với cụng suất dự trữ.
Trờn cơ sở này khi một phụ tải cú cụng suất lớn được khởi động thỡ sẽ cú thờm tổ hợp động cơ mỏy phỏt được đưa vào làm việc song song. Khi phụ tải cụng suất trung bỡnh được khởi động thỡ việc cú đưa thờm động cơ mỏy phỏt vào hoạt động khụng được quyết định trờn cơ sở cụng suất dư hiện thời của lưới (surplus power).
Cơ sở để xõy dựng hệ thống tự động hoà đồng bộ và phõn chia tải giữa cỏc mỏy phỏt làm việc song song là cỏc điều kiện hoà đồng bộ và khả năng phõn chia tải tỏc dụng và phản tỏc dụng. Điều kiện hoà đồng bộ chớnh xỏc cỏc mỏy phỏt, nờu một cỏch ngắn gọn là điện ỏp tức thời của mỏy phỏt chuẩn bị hoà vào lưới phải bằng điện ỏp tức thời của lưới. Điều kiện hoà đồng bộ chớnh xỏc kể trờn được kiểm tra thụng qua: thứ tự pha, điện ỏp, tần số và gúc lệch pha. Trong số 4 điều kiện trờn thỡ ba điều kiện ban đầu thường dễ kiểm tra và thoả món, điều kiện cuối cựng là điều kiện liờn quan tới thời điểm hoà (thời điểm đúng cầu dao), nú quyết định phần lớn sự an toàn của quỏ trỡnh hoà đồng bộ.