某船發(fā)電柴油機(jī)機(jī)械超速控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 源，王洪發(fā)，黃朝靜，趙天翔，李小波

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰 214431）

0 引言

一般船用電力系統(tǒng)由于負(fù)載負(fù)荷較大，一般采用多臺(tái)發(fā)電機(jī)同步并聯(lián)運(yùn)行，同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的頻率調(diào)整和發(fā)電機(jī)間有功功率分配極為重要。頻率數(shù)值大小實(shí)際上是對原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與勵(lì)磁電機(jī)相互作用的轉(zhuǎn)換。當(dāng)各機(jī)組轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)，將會(huì)引起電力系統(tǒng)有功功率分配的不均勻。當(dāng)某臺(tái)機(jī)轉(zhuǎn)速過快時(shí)會(huì)導(dǎo)致其他各臺(tái)發(fā)電機(jī)有功負(fù)載分配不均勻，輸出電流頻率波動(dòng)會(huì)對精密電氣設(shè)備產(chǎn)生危害以及降低測量精度。對此本型號(hào)柴油發(fā)電機(jī)采用轉(zhuǎn)速模塊的超速保護(hù)（圖1、圖2）和機(jī)械離心超速保護(hù)（圖3、圖4）2 套裝置對發(fā)電機(jī)進(jìn)行超速保護(hù)。但是發(fā)電機(jī)在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，以及船舶在大風(fēng)浪航行環(huán)境中顛簸搖晃，超速裝置發(fā)生誤報(bào)警，發(fā)電機(jī)發(fā)生緊急停車，原本的機(jī)械離心超速保護(hù)裝置反而成為安全隱患。結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)，對該類型發(fā)電機(jī)故障案例進(jìn)行分析并改裝優(yōu)化控制系統(tǒng)以便提高發(fā)電機(jī)組安全性能及操作性，希望能給同行及相關(guān)機(jī)型使用起到借鑒指導(dǎo)作用。

圖1 轉(zhuǎn)速模塊超速保護(hù)電氣接線

圖2 轉(zhuǎn)速模塊超速保護(hù)原理

圖3 離心超速保護(hù)裝置原理

圖4 離心超速保護(hù)裝置離心脫開

1 故障現(xiàn)象

某日船只在太平洋海域航行時(shí)遭遇2.0～2.5 m 高海浪時(shí)，船只釋放減揺鰭，電網(wǎng)呈高負(fù)荷狀態(tài)，此時(shí)3 臺(tái)發(fā)電機(jī)在網(wǎng)，當(dāng)減揺鰭裝置突然增加轉(zhuǎn)動(dòng)角度以緩解外部海浪沖擊時(shí)，電網(wǎng)電流突然增加，同時(shí)集控室監(jiān)控電腦出現(xiàn)超速警報(bào)3#發(fā)電機(jī)緊急停機(jī)。

2 故障分析

當(dāng)時(shí)值班人員到機(jī)旁查看時(shí)，油門拉桿并未被切斷，重新本地模式啟機(jī)后轉(zhuǎn)速表顯示750 r/min，能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。但是轉(zhuǎn)換遙控模式后仍然超速緊急停車，經(jīng)過檢查超速報(bào)警繼電器4K6 一直處于得電狀態(tài)，因此值班人員檢查轉(zhuǎn)速模塊的時(shí)間繼電器4K1 的輔助觸點(diǎn)和超速裝置的機(jī)械閉合觸點(diǎn)ZS81，發(fā)現(xiàn)是機(jī)械超速裝置中的觸點(diǎn)ZS81 閉合，經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)實(shí)際驗(yàn)證得出結(jié)論，是機(jī)械離心超速裝置采用雙備份模式之一的機(jī)械觸發(fā)繼電器導(dǎo)致的故障發(fā)生（表1）。

表1 發(fā)電機(jī)超速保護(hù)

首先機(jī)械離心超速裝置（圖5）安裝在滑油泵罩蓋處，由滑油泵驅(qū)動(dòng)。原本如果柴油機(jī)轉(zhuǎn)速超過了設(shè)定值，彈性飛塊在旋轉(zhuǎn)離心力的驅(qū)使下，就會(huì)向外移動(dòng)，移動(dòng)過程中壓下臂（臂與定位銷相聯(lián)受彈簧作用），臂向下移動(dòng)同時(shí)推動(dòng)心軸向下打開空氣閥，釋放壓縮空氣。壓縮空氣到達(dá)Lambda 控制器處，推動(dòng)Lambda 控制器中氣缸活塞向下運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致聯(lián)到調(diào)速器上的彈性拉桿被帶動(dòng)壓縮，隨之轉(zhuǎn)動(dòng)了調(diào)速桿到停機(jī)位置，柴油機(jī)停機(jī)。飛塊釋放時(shí)也會(huì)同步啟動(dòng)另外一種超速保護(hù)模式，也是本文中要討論故障模式，臂拉動(dòng)按鈕觸發(fā)ZS81 電子觸點(diǎn)4K6 繼電器得電，通過發(fā)電機(jī)控制箱啟動(dòng)了停機(jī)電磁閥。還可以手動(dòng)壓下按鈕（參考圖5），通過桿使彈性飛塊動(dòng)作，可以使柴油機(jī)緊急手動(dòng)停機(jī)。如果發(fā)生超速動(dòng)作，在柴油機(jī)重新起動(dòng)之前必須使超速裝置復(fù)位，可以通過按鈕使之復(fù)位。

圖5 超速裝置原理圖

但是現(xiàn)在船只在大風(fēng)浪海況下航行時(shí)大幅度晃動(dòng)或者發(fā)電機(jī)突加負(fù)荷原動(dòng)機(jī)振動(dòng)加劇時(shí)，就算沒有發(fā)生超速導(dǎo)致的飛塊釋放現(xiàn)象和臂拖拽驅(qū)動(dòng)動(dòng)作，按鈕也發(fā)生了機(jī)械組合件松動(dòng)偏移，觸發(fā)ZS81 通電繼電器4K6（參考圖6），電流信號(hào)到達(dá)控制箱隨之啟動(dòng)了調(diào)速器上面的停機(jī)電磁閥（圖7），但實(shí)際發(fā)電機(jī)正處于正常工作轉(zhuǎn)速下。發(fā)電機(jī)的遙控模式?jīng)]有越控功能，當(dāng)值班人員到達(dá)機(jī)旁復(fù)位或者轉(zhuǎn)為本地模式時(shí)，已經(jīng)在10 s 內(nèi)發(fā)生緊急停機(jī)。

圖6 離心超速保護(hù)裝置拉臂滑動(dòng)

圖7 轉(zhuǎn)速模塊超速保護(hù)超速報(bào)警

3 系統(tǒng)優(yōu)化改良

大風(fēng)浪海況或者電網(wǎng)負(fù)荷增加時(shí)，往往是用電的關(guān)鍵時(shí)期，不允許發(fā)生緊急停車工況。因此崗位人員根據(jù)轉(zhuǎn)速模塊和控制箱的相關(guān)性能以及CCS 鋼制船用發(fā)電機(jī)規(guī)范，對其控制系統(tǒng)加以改裝，離心超速保護(hù)裝置控制系統(tǒng)改裝如圖8 所示。

圖8 離心超速保護(hù)裝置控制系統(tǒng)改裝

（1）加裝了壓力開關(guān)（型號(hào)：丹佛斯KP35），以機(jī)械空氣閥釋放的壓縮空氣形成連鎖，確保了觸點(diǎn)ZS81 是機(jī)械超速裝置啟動(dòng)狀態(tài)下合上的，不是按鈕滑動(dòng)松動(dòng)故障導(dǎo)致的誤報(bào)警。

（2）加裝了24 V 紅色報(bào)警LED 燈（型號(hào)：施耐德XB2-BVB3LC）用于識(shí)別是機(jī)械超速裝置帶動(dòng)ZS81 觸發(fā)發(fā)出的超速報(bào)警停機(jī)，還是A/D 轉(zhuǎn)速模塊的電子轉(zhuǎn)速傳感器激發(fā)的安保系統(tǒng)緊急停機(jī)，還可以快速檢查超速裝置是否正確復(fù)位（燈滅的狀態(tài)）。

（3）加裝了常閉按鈕開關(guān)SB1 和SB2 以達(dá)到既可以正常監(jiān)控報(bào)警，也可以在大風(fēng)浪海況與電網(wǎng)高負(fù)荷情況下的強(qiáng)制越控功能。正常使用情況下按鈕SB1 斷開SB2 合上由壓力開關(guān)連鎖；當(dāng)壓縮空氣供氣量不足時(shí)可以將SB1 和SB2 合上，但是這只能在海況好或電網(wǎng)用電量不大情況下使用；當(dāng)超速裝置故障無法復(fù)位或者ZS81 觸點(diǎn)開關(guān)故障時(shí)，又需要保證電網(wǎng)大規(guī)模用電時(shí)可以斷開SB2 屏蔽ZS81 形成越控狀態(tài)。

（4）安裝了常閉開關(guān)SB3 和接觸繼電器K0 用于監(jiān)控ZS81的瞬間閉合又?jǐn)嚅_機(jī)械故障和ZS81 的靜電和短路故障，具體功能見表2。

表2 功能對照表

4 結(jié)束語

現(xiàn)在船用電力系統(tǒng)將電能產(chǎn)生、傳輸、分配和消耗進(jìn)行自動(dòng)化和智能化管理，保證船舶電站供電安全和降低了人工值班投入，提高了運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。但是自動(dòng)電站系統(tǒng)在分析、判斷發(fā)電機(jī)各類信息和參數(shù)時(shí)，采用的是常規(guī)的邏輯順序，無法判斷船只所處的海況以及工作環(huán)境，執(zhí)行的控制功能是最優(yōu)化保護(hù)在網(wǎng)設(shè)備，并無考慮船員生命安全，關(guān)鍵時(shí)刻必須采取“舍機(jī)保人、生命至上”理念，輪機(jī)人員必須熟知電力相關(guān)控制系統(tǒng)，不要過分依賴智能化，勤于思考、敢于創(chuàng)新，及時(shí)消除影響船員安全的設(shè)計(jì)問題。