Жидкостный нагрузочный реостат

Заявляемое решение относится к устройствам нагружения дизель-генераторов тепловозов и специального самоходного подвижного состава (ССПС), а также газотурбинных установок с электрической передачей для выполнения в стационарных условиях диагностики и плавного регулирования мощности. Оптимизация габаритов и технических характеристик жидкостного реостата позволяет выполнять его мобильным, т.е. передвижным, например, на железнодорожной или автомобильной платформе.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение является обеспечение плавного регулирования мощности в диапазоне от 0,75 до 9 МВт и повышение технологичности путем реализации больших токов нагрузки при уменьшении габаритов.

Указанный технический результат достигается тем, что жидкостной нагрузочный реостат, содержащий нагрузочный бак, с размещенными в нем изолировано от его корпуса и выполненными в виде пластин электродами различной полярности, и систему охлаждения электролита в нагрузочном баке дополнительно содержит вспомогательный бак гидравлически связанный с нагрузочным баком, причем система охлаждения электролита в нагрузочном баке выполнена в виде двух насосных агрегатов, один из которых предназначен для подачи электролита из нагрузочного бака во вспомогательный бак, а другой - для его подачи из вспомогательного бака в нагрузочный бак, нагрузочный бак снабжен элементами крепления к нему электродов различной полярности, причем последние изолированы друг от друга и, по меньшей мере, часть электродов одинаковой полярности попарно соединена съемными перемычками.

Заявляемое решение относится к устройствам нагружения дизель-генераторов и газотурбинных установок с электрической передачей, автономных локомотивов (тепловозов, газотепловозов, газотурбовозов) специальных самоходных транспортных средств (ССПС), водных транспортных средств, автомобилей, стационарных и передвижных электростанций с целью проведения их испытаний, настройки, диагностирования с возможностью плавного регулирования мощности.

Известен жидкостной реостат, содержащий бак, в котором размещены отрицательные и положительные пластины (электроды разной полярности), изолированные от корпуса. Плюсовые пластины поднимают и опускают с помощью лебедки, изменяя площадь соприкосновения электродов с рабочей средой, например с водой, тем самым, меняя ток нагрузки. Размеры водяного бака, плюсовых и минусовых пластин, их количество выбирают в зависимости от максимального кратковременного тока при минимальном напряжении, тока длительного режима работы генератора, а также в зависимости от напряжения генератора и от удельного сопротивления рабочей среды в баке («Ремонт тепловозов». Норкин А.Я., Вождаев И.Н. и др. Изд. 3-е, перераб. и доп.М., «Транспорт», 1974, с.303).

Недостатком известного решения является ограниченное (не менее 220 мм) допускаемое расстояние между электродами, так как при перемещении плюсовых пластин с помощью лебедки происходит их раскачивание и велик риск короткого замыкания. При этом увеличивается объем нагрузочного бака, снижается возможность реализации больших токов нагрузки. Для реализации малых токов нагрузки возникает необходимость заточки плюсовых электродов в виде ножей, теряется полезная площадь электродов, необходимая для реализации верхнего значения токов нагрузки.

Недостатком также является необходимость постоянного обновления рабочей среды с целью ее охлаждения, так как она при прохождении электрического тока нагревается, удельное сопротивление уменьшается. Для поддержания температуры рабочей среды, например, воды в определенных пределах нагретую воду спускают в канализацию, а из водопровода поступает холодная вода. Расход воды на реостате мощностью 2,2 МВт составляет 0,5 л/сек (1,8 м³/час).

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение является обеспечение плавного регулирования мощности в диапазоне от 0,75 до 9 МВт и повышение технологичности путем реализации больших токов нагрузки при уменьшении габаритов.

Указанный технический результат достигается тем, что жидкостной нагрузочный реостат, содержащий нагрузочный бак, с размещенными в нем изолировано от его корпуса и выполненными в виде пластин электродами различной полярности, и систему охлаждения рабочей среды в нагрузочном баке дополнительно содержит вспомогательный бак гидравлически связанный с нагрузочным баком, причем система охлаждения рабочей среды в нагрузочном баке выполнена в виде двух насосных агрегатов, один из которых предназначен для подачи рабочей среды из нагрузочного бака во вспомогательный бак, а другой - для ее подачи из вспомогательного бака в нагрузочный бак, нагрузочный бак снабжен элементами крепления к нему электродов различной полярности, причем последние изолированы друг от друга и, по меньшей мере, часть электродов одинаковой полярности попарно соединена съемными перемычками, т.е. перемычками, выполненными с возможностью установки на пластины и съема с пластин.

Жидкостной нагрузочный реостат, характеризующийся тем, что может содержать установленный в нагрузочном и/или вспомогательном баке водо-водяной охладитель.

Жидкостной нагрузочный реостат, характеризующийся тем, что каждый насосный агрегат содержит насос и задвижку.

Жидкостной нагрузочный реостат, характеризующийся тем, что нагрузочный бак может быть снабжен датчиками температуры и уровня, соединенными с измерителем-регулятором, управляющим системой охлаждения рабочей среды.

Жидкостной нагрузочный реостат, характеризующийся тем, что электроды различной полярности размещены в нагрузочном баке вертикально и неподвижно.

Жидкостной нагрузочный реостат, в котором элементы крепления электродов к нагрузочному баку выполнены для верхней части электродов - в виде опорного яруса, расположенного в верхней части нагрузочного бака, а для нижней части электродов в виде фиксаторов из изоляционного материала.

Жидкостной нагрузочный реостат, характеризующийся тем, что содержит, по меньшей мере, два бака.

Жидкостной нагрузочный реостат, отличающийся тем, что в качестве рабочей среды используется H₂O, Na₂CO₃ или K₂ CO₃.

Жидкостной реостат-сосуд, наполненный электролитом (БСЭ, том 22, с.83). Исходя из степени диссоциации все электролиты делятся на две группы - сильные электролиты и слабые электролиты, к слабым электролитам относится, например, вода, а к сильным - большинство солей, щелочей и некоторые кислоты.

Заявляемое решение представлено на фиг.1-3, где где на фиг.1 -представлена принципиальная гидравлическая схема жидкостного реостата, на фиг.2 - расположение электродов жидкостного реостата в нагрузочном баке, на фиг.3 - вид А фиг.2.

Жидкостной нагрузочный реостат, содержит нагрузочный бак 1, с размещенными в нем изолировано от его корпуса 2 и выполненными в виде пластин электродами различной полярности - положительной 3 и отрицательной 4 и систему охлаждения электролита, например, воды 5 в нагрузочном баке 1. Реостат содержит вспомогательный бак 6 гидравлически связанный с нагрузочным баком 1, причем система охлаждения воды 5 в нагрузочном баке выполнена в виде двух насосных агрегатов 7 и 8, один из которых предназначен для подачи воды из нагрузочного бака во вспомогательный бак, а другой - для подачи воды из вспомогательного бака в нагрузочный бак. Нагрузочный бак 1 снабжен элементами крепления 9 и 10 к нему электродов 3 и 4 различной полярности при работе реостата, причем последние изолированы друг от друга и, по меньшей мере, часть электродов одинаковой полярности попарно соединена съемными перемычками 11. В жидкостном нагрузочном реостате может быть установлен в нагрузочном 1 или во вспомогательном баке 6, а может быть и в них обоих, водо-водяной охладитель 12, выполненный, например, в виде змеевика или радиаторной секции. Каждый насосный агрегат 7 и 8 содержит насос 13 и 14 и задвижку 15 и 16 соответственно. Нагрузочный бак 1 может быть снабжен датчиками температуры 17 и уровня 18, соединенными с измерителем-регулятором 19, управляющим системой охлаждения воды. Электроды различной полярности 3 и 4 размещены в нагрузочном баке 1 вертикально.

Элементы крепления электродов 3 и 4 к нагрузочному баку 1 выполнены для верхней части электродов - в виде опорного яруса 20, расположенного в верхней части нагрузочного бака 1, а для нижней части электродов в виде фиксаторов 21, выполненных из изоляционного материала, например, из фторопласта и т.д. Наиболее подходящим, но не единственно возможным, с точки зрения обработки, а также изоляционных свойств для работы в водной среде является фторопласт - политетрафторэтилен.

Элементы крепления электродов (пластин) могут быть выполнены в виде прокатного профиль-уголка подвески 22 к которому приваривается электрод (пластина). С другой стороны подвеска 22 приваривается к швелеру (поперечной балке), который через изоляторы устанавливается на верхнем опорном ярусе нагрузочного бака.

Жидкостной нагрузочный реостат в соответствии с заявляемым решением содержит, по меньшей мере, два бака, один из которых нагрузочный 1 с размешенными в нем электродами 3 и 4 различной полярности, а другой - вспомогательный 6. Независимая работа двух насосных агрегатов дает возможность организовывать встречные потоки электролита для более интенсивного охлаждения электролита в нагрузочном баке. Однако, в некоторых случаях, например, при выполнении нагружения дизель-генераторов более 3 МВт запаса электролита, например, воды при полностью заправленных нагрузочном и вспомогательном баках на режиме максимальных токов и организации встречных потоков воды хватит для выполнения теплоотвода без кипения воды только на 40 минут. Для дополнительного теплоотвода и увеличения продолжительности испытаний на номинальном режиме возможна установка в нагрузочный и/или вспомогательный бак водо-водяного охладителя, который питается от автономного источника воды.

Жидкостной, например, водяной реостат имеет ряд преимуществ перед другими устройствами нагружения: резисторными, электромагнитными и др. При нагружении на жидкостной реостат практически вся энергия, вырабатываемая главным генератором тепловоза, газотурбовоза или другой дизель-генераторной установки расходуется на нагревание воды.

Недостатком известных жидкостных реостатов является то, что они не позволяют использовать их в широком диапазоне мощностей, т.е. в настоящее время известны жидкостные реостаты определенных типоразмеров - на 1 МВт, 2,2 МВт и 3 МВт. Причем каждый типоразмер имеет определенное и неизменное количество пластин (электродов), а именно - 4 пары, 5 пар и 6 пар и, как следствие, в известных решениях отсутствует возможность регулирования номинальной мощности реостатной установки (жидкостного реостата) в широком диапазоне.

Еще одним недостатком известных жидкостных реостатов является отсутствие охлаждения электролита, например, воды и отсутствие регулировки сопротивления слоя воды.

Заявляемое решение позволяет избежать указанных недостатков известных решений и позволяет выполнять нагружение, например, дизель и турбо-генераторов в диапазоне мощностей от 0,75 МВт до 9 МВт, в частности за счет того, что:

- регулирование нагрузки осуществляется изменением уровня электролита, например, воды в нагрузочном баке при неподвижных электродах (пластинах) без смещения плюсовых электродов в вертикальном направлении;

- необходимое сопротивление слоя электролита, например, воды между электродами (пластинами) регулируется изменением расстояния между электродами (точек крепления электродов на опорном ярусе нагрузочного бака). При сокращении расстояния достигается увеличенный токовый диапазон нагружения. Особенно это касается силовых установок переменно-постоянного тока, где требуется реализация токов в несколько тысяч ампер;

- изменение мощностных характеристик реостата осуществляется включением (отключением) необходимого числа пар электродов.

Вода, как резистор, имеет квадратичную зависимость электропроводности от температуры (БСЭ, т.5, Вода, Физические свойства, с.172-173, М., издательство «Советская энциклопедия», 1971 г). С увеличением температуры электропроводность увеличивается. Стабильность токовых режимов обеспечивается путем циркуляции воды между нагрузочным и вспомогательным баками, при этом происходит охлаждение воды и предупреждается уменьшение сопротивления воды между электродами, следовательно, достигается стабильность поддержания требуемого режима нагружения.

Процесс поддержания температуры воды в баке не выше требуемого значения, например, не выше 95°С может быть выполнен как вручную (дистанционным управлением насосами и задвижками), так и автоматически с помощью датчика температуры с нормированным выходным сигналом и цифрового измерителя регулятора (например, ТРМ1, выпускаемого фирмой ОВЕН или другого с аналогичными характеристиками).

Для испытаний силовых установок постоянного тока расстояние между электродами можно увеличить, а также снизить интенсивность циркуляции воды между нагрузочным и вспомогательным баками.

Откачивание воды из нагрузочного бака во вспомогательный бак сокращает необходимость постоянного ее пополнения. Контроль уровня воды в нагрузочном баке выполняется, например, автоматически с помощью датчика уровня с нормированным выходным сигналом, соединенным с цифровым измерителем-регулятором: при достижении верхнего уровня воды в нагрузочном баке циркуляция воды отключается, отключается подающий воду насос и включается откачивающий насос, а при достижении нижнего уровня отключается откачивающий насос.

В заявляемом реостате имеется возможность отключать часть перемычек соединяющие электроды, т.е. парами отключать часть электродов (переводить их из рабочего состояния в нерабочее), что позволяет регулировать (уменьшать) номинальную мощность нагружения. В случае необходимости отключенные электроды могут быть перемычками подключены, т.е. приведены в рабочее состояние и номинальная мощность нагружения может быть увеличена.

Устройство работает следующим образом. Заполняется электролитом, например, водой нагрузочный бак 1, проводится его калибровка с помощью датчика уровня 18 для предотвращения его переполнения, с одной стороны, и предотвращения осушения электродов с другой стороны, в случае если вода опустится ниже нижнего уровня. Калибровка выполняется один раз при вводе жидкостного реостата в действие. По технологии выполнения реостатных испытаний нагружение дизель-генератора выполняется вначале на низких нагрузках. Для этого вода из нагрузочного бака 1 насосом 13 при открытой задвижке 15 перекачивается до достижения нижнего уровня во вспомогательный бак 6. Насос 13 останавливается и задвижка 15 закрывается. На этом подготовительная операция заканчивается. Для выполнения нагружения дизель-генератора открывается задвижка 16 и включается насос 14. Заполнение нагрузочного бака 1 контролируется по току дизель-генератора. При достижении необходимого тока нагрузки задвижка 16 закрывается, насос 14 выключается. Для увеличения тока нагрузки до номинального значения через задвижку 16 насосом 14 перекачивается вода из вспомогательного бака 6 в нагрузочный бак 1. При снижении тока нагрузки насос 14 отключается, задвижка 16 закрывается. Насосом 13 при открытой задвижке 15 вода перекачивается во вспомогательный бак до момента установления требуемого тока нагрузки. В заявляемом решении регулирование нагрузки осуществляется изменением уровня воды в нагрузочном баке при неподвижных электродах (пластинах) без смещения плюсовых электродов в вертикальном направлении, что ранее не применялось;

Примеры конкретного выполнения.

Жидкостной реостат мощностью 4,5 МВт, расстояние между электродами реостата 160 мм. В работу включено шесть пар пластин.

Для выполнения реостатных испытаний дизель-генераторов мощностью 2 МВт расстояние между электродами может быть увеличено до 220 мм, либо при расстоянии между пластинами 160 мм число пар пластин, включенных в работу, составит четыре.

Для выполнения реостатных испытаний дизель-генераторов и турбо-генераторов мощностью 6-9 МВт расстояние между электродами уменьшают до 100-120 мм и включают в работу все электроды (восемь пар), путем включения всех перемычек.

Например, испытанию подлежит маневровый тепловоз ЧМЭ3. Потребная мощность реостатной установки не превышает 1,4 МВт. Для испытаний достаточно 3 пар электродов, остальные перемычки снимаются, разъединяются.

Для испытаний газотурбовоза ГТ1 мощностью около 9 МВт в работу включаются, т.е. работают, все пары электродов - 8 пар (все перемычки соединяются).

Заявляемое решение, в котором оптимизированы технические характеристики и его габариты, кроме всего прочего позволяет устанавливать жидкостной реостат на железнодорожной или автомобильной платформе, и делает его передвижным и мобильным. Создание передвижного реостата для испытаний дизель-генераторов позволяет расширить область его применения по их диагностике и настройке.

Комплекс мероприятий, описанный выше позволяет, например, в объеме нагрузочного бака реостата 24 м³ реализовать до 9 МВт мощности при условии интенсивной циркуляции воды между нагрузочным и вспомогательным баками. Это в два раза больше по сравнению с известными аналогами.

Оптимизация габаритов и технических характеристик жидкостного реостата позволяет выполнять его мобильным, т.е. передвижным, например, на железнодорожной или автомобильной платформе. Создание передвижного реостата для испытаний дизель-генераторов дает возможность расширить сферу деятельности предприятий по диагностике путем охвата объектов, у которых нет своих реостатных установок. Возможно также размещение реостата и внутри ремонтного цеха, что предупреждает процесс кипения воды и облегчает обслуживание реостата в зимний период.

1. Жидкостный нагрузочный реостат, содержащий нагрузочный бак с размещенными в нем изолировано от его корпуса и выполненными в виде пластин электродами различной полярности, и систему охлаждения электролита в нагрузочном баке, отличающийся тем, что дополнительно содержит вспомогательный бак, гидравлически связанный с нагрузочным баком, система охлаждения электролита в нагрузочном баке выполнена в виде двух насосных агрегатов, один из которых предназначен для подачи электролита из нагрузочного бака во вспомогательный бак, а другой - для подачи его из вспомогательного бака в нагрузочный бак, нагрузочный бак снабжен элементами крепления к нему электродов различной полярности, причем последние изолированы друг от друга и, по меньшей мере, часть электродов одинаковой полярности попарно соединена перемычками.

2. Жидкостный нагрузочный реостат по п.1, отличающийся тем, что содержит установленный в нагрузочном и/или вспомогательном баке водо-водяной охладитель.

3. Жидкостный нагрузочный реостат по п.1, отличающийся тем, что каждый насосный агрегат содержит насос и задвижку.

4. Жидкостный нагрузочный реостат по п.1, отличающийся тем, что нагрузочный бак снабжен датчиками температуры и уровня, соединенными с измерителем-регулятором, управляющим системой охлаждения воды.

5. Жидкостный нагрузочный реостат по п.1, отличающийся тем, что электроды различной полярности размещены в нагрузочном баке вертикально и неподвижно.

6. Жидкостный нагрузочный реостат по п.1, отличающийся тем, что элементы крепления электродов к нагрузочному баку выполнены для верхней части электродов в виде опорного яруса, расположенного в верхней части нагрузочного бака, а для нижней части электродов - в виде фиксаторов из изоляционного материала.