船舶軸帶發(fā)電機系統(tǒng)海試程序解析

錢 琨 馬紅軍

（中船澄西船舶修造有限公司，江蘇江陰214433）

0 前言

71900 DWT自卸船是中船澄西船舶修造有限公司（中船澄西）為加拿大CSL公司建造的一艘高技術含量的自卸散貨船。該船配有1套AC 450 V/60 Hz/800 kW的軸帶發(fā)電機系統(tǒng)（簡稱軸發(fā)）。此軸發(fā)系統(tǒng)由低速機（定距槳）、軸隧式齒輪箱、軸帶發(fā)電機及變頻器組成，需主機轉速達到62 r/min及以上才會給主配電板匯流排提供穩(wěn)定的AC 450 V/60 Hz交流電源。由于在主機碼頭系泊試驗階段，主機轉速僅能達到40 r/min左右，因此軸發(fā)系統(tǒng)的試驗需在海試過程中完成。本文將對上述軸發(fā)系統(tǒng)的組成及海試主要程序進行梳理，并針對試驗中的關鍵技術及試驗方法予以解析。

1 軸發(fā)系統(tǒng)組成及軸發(fā)負荷容量確定

該船軸發(fā)與主機軸系是通過彈性聯(lián)軸節(jié)連接，由齒輪箱按1∶22的比例將軸發(fā)接入，交流發(fā)電機輸出三相AC 590 V的交流電，輸入軸發(fā)變頻器，通過內部微型處理器對交流電進行整流、逆變及濾波等控制，轉換為三相AC 450 V/60 Hz交流電輸入主配電板匯流排。主配電板的主匯流排在設計時考慮到分屏需要，通過匯流排上的分屏空氣開關（ACB）實現(xiàn)主配電板左右兩屏分屏供電，且3號主發(fā)電機組通過兩個單獨的空氣開關 （ACB）可分別接入左右屏。軸發(fā)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 軸發(fā)系統(tǒng)框圖

為了完成圖1中軸發(fā)的海試試驗，首先必須對船舶航行工況進行分析，進而確定軸發(fā)負荷容量。這是確保軸發(fā)試驗成功的關鍵所在。

根據(jù)船級社已認可的電力負荷計算書，航行工況下全船用電負載為688 kW，而配置的軸發(fā)容量為800 kW，因此，使用軸帶發(fā)電機86%負荷容量就可滿足航行工況。另外，該船還配備了2臺1250 kW主柴油發(fā)電機組和1臺938 kW柴油發(fā)電機組，由此可見，海試過程中只要采用單臺發(fā)電機運行即可保證船舶正常航行，同時也不影響軸發(fā)調試。表1為電力負荷計算書中航行工況全船用電負載及軸發(fā)負荷率。

至此，在海試過程中，根據(jù)船級社、船東已認可的試驗大綱，全船用電設備可采用1號主柴油發(fā)電機供電，即通過左屏保證船舶電站的正常供電，而配電板右屏用于軸發(fā)的試驗。這樣可確保海試過程中主機等設備電力供應正常運行。

表1 航行工況電力負荷計算書

2 軸發(fā)的試驗

軸發(fā)試驗前應做好準備工作。一部分準備工作在公司碼頭系泊過程中完成，主要包括軸發(fā)系統(tǒng)至監(jiān)測報警系統(tǒng)通信測試，軸發(fā)絕緣測試和變頻系統(tǒng)通電報警及其冷卻系統(tǒng)試驗。另一部分準備工作是在海上試驗前，根據(jù)軸發(fā)試驗條件通過調節(jié)主機工況及自動電站的管理（PMS）等以達到試驗條件。

2.1 試驗用干式負載箱（Load Bank）

在軸發(fā)的海試過程中，需對發(fā)電機的負載進行頻繁且準確的調節(jié)。但船上的大負載有限，從安全角度考慮，通常會采用調節(jié)隨船攜帶的干式負載箱來進行軸發(fā)的負荷、加載、并車等試驗。

該船選用的干式負載箱容量為3500 kVA，且可實現(xiàn)多個負載箱并聯(lián)使用。根據(jù)前述估算的軸發(fā)負荷容量，該船實際上僅需使用1臺負載箱即可。結合船舶總布置圖的布局，從接線便捷、距離短等角度考慮，負載箱布置在船舶的主甲板面靠近上建處所最佳。這樣負載箱端口的電纜可以通過機艙吊物口臨時開口進入機艙，然后接入到主配電板匯流排上。

該負載箱可在集控室內通過筆記本電腦遠程對軸帶發(fā)電機的有功功率及無功功率快速進行調節(jié)。圖2為試航所攜帶的干式負載箱。

圖2 軸發(fā)試驗用干式負載箱

試驗前，需可靠連接軸發(fā)與負載箱連接電力電纜，且需對負載箱的遠程操作筆記本電腦進行網絡連接。此外，因該負載箱的工作電源為三相AC 380 V/50 Hz，需隨船攜帶小型柴油發(fā)電機供干式負載箱專用。

2.2 干式負載箱接線

由于該船的主配電板上最大開關容量有限，因此，軸發(fā)干式負載箱無法通過主配電板上現(xiàn)有開關接入，而是采用試車專用銅排連接的方式，干式負載通過該專用銅排接入船上的主匯流排。圖3為干式負載箱接線示意圖。

2.3 主要試驗程序

軸發(fā)系統(tǒng)正常運行后，首先需在軸發(fā)變頻器上的人機界面觸控屏上檢查各個參數(shù)的值，并檢測軸發(fā)的輸出電壓和頻率，與主柴油發(fā)電機空載時的電壓相比（主柴油發(fā)電機的電壓可查閱發(fā)電機系泊試驗報告），確保一致。試驗主要程序應包括如下部分：

1）軸發(fā)的負荷試驗。主機轉速穩(wěn)定在65r/min及以上時開展此項試驗。試驗前主配電板分屏供電，左屏1號柴油發(fā)電機給電網供電，保證航行安全，右屏用于軸發(fā)試驗，右屏2號柴油發(fā)電機運行且空氣開關（ACB）合閘，提供軸發(fā)變頻器的工作電源。在軸發(fā)運行正常后，需先手動分別進行軸發(fā)與1號、2號、3號柴油發(fā)電機的并車試驗，檢驗操作的可靠性。

試驗結束后卸掉2號柴油發(fā)電機，軸發(fā)單機運行向配電板右屏單獨供電，依次按軸發(fā)額定功率（800 kW） 的 75%～100%～75%～50%～25%～0%進行各擋負荷試驗，記錄每擋負荷試驗發(fā)電機的電參數(shù)。因軸發(fā)的原動機是主機，輸出功率可有效保證，每擋負荷試驗時間僅需1～3 min，觀察發(fā)電機的各項電參數(shù)是否穩(wěn)定正常。試驗過程中需對負荷頻繁進行調節(jié)，通過在集控室筆記本電腦遠程快速加減載，大大提高了試驗效率。

圖3 干式負載箱接線示意圖

2）軸發(fā)在最低及穩(wěn)定轉速時的帶載能力試驗。該船軸發(fā)允許起動的主機最低轉速為62 r/min，軸發(fā)穩(wěn)定運行的轉速為65 r/min及以上。根據(jù)軸發(fā)提供的技術參數(shù)，在主機轉速在62 r/min時，軸發(fā)最大能帶載776 kW；主機轉速在65 r/min時，軸發(fā)能帶800 kW的負載。

但在海試過程中，船東出于對彈性聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱及軸發(fā)的長久保護性需求，要求對軸發(fā)的功率運行進一步限制，即在主機轉速低于72 r/min時，軸發(fā)允許帶的最大負載為650 kW；主機轉速在72 r/min及以上，軸發(fā)允許帶載800 kW。在與主配電板供應商溝通后，通過對電站管理系統(tǒng)（PMS）的程序中起備用機的參數(shù)值進行修正的方式，達到了船東要求，完成了相關試驗步驟。

3）軸發(fā)的動態(tài)試驗。軸發(fā)的動態(tài)試驗分為突加和突卸兩個步驟。突加試驗負荷分0～400 kW和400～800 kW兩步，突卸試驗負荷從800 kW直接瞬時降至0 kW。

在實際操作中，配電板右屏不能斷電，需手動將配電板右屏的2號柴油發(fā)電機與軸發(fā)并網供電，并手動調節(jié)，進行負荷分配：2號柴油發(fā)電機帶100 kW的最低負載，軸發(fā)帶800 kW負載。記錄發(fā)電機負荷在突加或突卸前后的穩(wěn)定頻率及電壓，頻率和電壓變化的最大最小值，以及恢復到穩(wěn)定頻率和電壓所需時間。試驗過程中電站的控制方式是手動控制。

4）軸發(fā)與柴油發(fā)電機的并車試驗。并車試驗主要是檢測并網運行的2臺或3臺發(fā)電機組的有功及無功功率分配是否均衡，是否會產生不利于發(fā)電機的環(huán)流現(xiàn)象。根據(jù)設計要求，該船試驗分兩兩并車和三機并車，即軸發(fā)分別與1號、2號、3號柴油發(fā)電機的并車試驗以及軸發(fā)與1號、3號柴油發(fā)電機的三機并車試驗，依次按照并網運行機組額定總負荷的25%～50%～75%～100%四個階段進行手動并車試驗，記錄并網運行機組的功率、功率因數(shù)、電流及頻率，觀察各個電參數(shù)是否均衡。

5）軸發(fā)報警的功能試驗。進行該試驗時需將電站管理系統(tǒng)轉到自動模式，主配電板分屏空氣開關（ACB）合閘，僅保持軸發(fā)單機運行供電，其他柴油發(fā)電機都處于備用狀態(tài)。

6）軸發(fā)諧波測量。軸發(fā)諧波測量主要是驗證軸發(fā)變頻器的濾波功能，并檢驗軸發(fā)電力電纜外層屏蔽連接好壞。保持軸發(fā)單機最低負荷（約100 kW）運行供電，在主配電板測量電網的諧波當量THD，記錄所測得的諧波量及測量時的負荷和電壓。該船船級社要求諧波當量不超過15%［1］。

7）軸發(fā)與主機的自動控制的功能試驗。軸發(fā)單機運行供電，主機轉速在72 r/min以上，電站管理系統(tǒng)為自動模式。當電站管理系統(tǒng)工作在非自動模式下，有如下 3 種運行狀態(tài)［2］。

狀態(tài)一：操縱主機手柄將主機轉速設定至62 r/min。根據(jù)設計要求為保護軸發(fā)安全穩(wěn)定運行，在主機轉速降至72 r/min以下時，軸發(fā)的在網功率超過650 kW時，電站的功率管理系統(tǒng)（PMS）將自動起動第一備用柴油發(fā)電機，并與軸發(fā)并網供電，按比例調節(jié)兩機的負荷，自動分配。只有在完成了發(fā)電機的負荷轉移后，主機轉速才可降至設定的62 r/min。整個過程軸發(fā)始終在網供電，僅按比例轉移一部分負載至柴油發(fā)電機。

狀態(tài)二：操縱主機手柄將主機轉速設定至62 r/min以下（如50 r/min）。在主機轉速低于62 r/min，軸發(fā)是不允許起動的。電站管理系統(tǒng)（PMS）在接收到將主機轉速降至50 r/min后，將立刻自動起動第一備用柴油發(fā)電機，與軸發(fā)并網供電后，將軸發(fā)負荷卸載，將所有負荷轉移至柴油發(fā)電機，在卸載完成后斷開軸發(fā)空氣開關（ACB）。將軸發(fā)從電網移除后，主機才可以將轉速降至50 r/min。

狀態(tài)三：模擬觸發(fā)一個主機報警信號。模擬觸發(fā)的主機報警信號分3類，即一般的主機報警信號、發(fā)出主機慢車（slowdown）信號的報警信號以及發(fā)出主機停車（shutdown）信號的報警信號。對于一般的報警信號，電站管理系統(tǒng)不起動備用柴油發(fā)電機。對于發(fā)出慢車信號的報警信號，與報警信號同步，自動電站將立即起動備用柴油發(fā)電機組，在完成軸發(fā)與柴油發(fā)電機的負載轉移，軸發(fā)從電網分閘后，才允許主機降速。對于發(fā)出主機停車信號的報警點，備用柴油發(fā)電機立即起動，且主機停車命令立刻發(fā)出，軸發(fā)也因主機停車而停機，柴油發(fā)電機因來不及起機合閘供電而造成全船的短暫失電，船舶電站自動運行失電運行程序。

3 試驗中解決的問題

3.1 軸發(fā)端轉動軸對地電壓問題

在軸發(fā)負荷試驗過程中，檢測到軸發(fā)與齒輪箱軸連接處對地測量有2.7 V電壓。為保證軸發(fā)與齒輪箱的連接軸可靠接地，不被燒毀，試驗過程中采用靜電接地環(huán)，并在接地環(huán)表面噴涂銀質接地介質，將接地環(huán)安裝在軸發(fā)與齒輪箱連接處法蘭，將軸發(fā)端接地電壓通過齒輪箱端軸，可靠地引向船體結構。

3.2 主機停車后電網電力恢復問題

在模擬主機停車報警信號過程中，主機停車，船舶電站失電，因主供油單元斷電等多種原因，主柴油發(fā)電機燃油供油壓力不穩(wěn)定，發(fā)電機起機合閘后，不能有效帶載，電網重復失電。為解決這一問題，在滿足船級社規(guī)范要求前提下，通過為輔機供油單元增加一路應急電源，由應急配電板供電，確保輔機供油單元主電和應急電源雙路自動切換供電。船舶失電后，電站管理系統(tǒng)設定應急發(fā)電機先于主發(fā)電機合閘，保證為主柴油發(fā)電機供油單元及時提供電源，輔機供油單元為柴油發(fā)電機建立穩(wěn)定油壓，電站電力恢復正常。

4 結語

71900 DWT系列船所配置的軸發(fā)系統(tǒng)采用的是德國先進成熟的電子控制系統(tǒng)，由內部微型處理器控制脈沖寬度調制（PWM），保證輸出電壓和頻率的恒定。在首次試驗過程中，為了控制軸發(fā)聯(lián)軸節(jié)跳動，對軸發(fā)投入運行主機轉速從62 r/min提高至65 r/min；在自動電站管理系統(tǒng)對軸發(fā)帶載情況與主機轉速進行了磨合匹配，確保軸發(fā)可靠安全運行，保證電網供電穩(wěn)定；對軸發(fā)變頻系統(tǒng)冷卻報警系統(tǒng)進行了優(yōu)化，提升了冷卻效率；并對變頻系統(tǒng)產生諧波進行測量，控制諧波當量等，解決了一系列復雜難題。

該套系統(tǒng)在實船安裝后，試驗前的各項準備工作較多，整個試驗流程中各種操作紛繁復雜。在船東高標準嚴要求的條件下，海試項目組精細準備，梳理各個試驗流程，合理安排，成功完成各項海試項目，為公司建造同類型的船舶積累了寶貴的經驗。

［1］中國船級社.鋼質海船入級規(guī)范 2015［S］.

［2］康樂，萬細義，汪偉，等.船用軸帶發(fā)電機的并網控制［J］.船電技術，2008（6）：348-350.