軸帶發(fā)電機在大型船舶電網中的自動控制及技術研究

摘要在船舶航運費用中，燃料費占（50-60）%；結合燃料使用時廢氣排放的環(huán)境的污染。因此，合理利用能源，降低燃油消耗量，減少對環(huán)境的污染，對于提高船舶的經濟效益有著巨大的意義。船舶軸帶發(fā)電機是通過主機作為驅動柴油機，驅動發(fā)電機發(fā)電，向船舶電網供電。利用主機富裕功率達到節(jié)能、減排的目的。采用主機軸帶發(fā)電，早在小型船舶可調槳定速主機上發(fā)展應用。但隨著電力電子技術的發(fā)展，引入變頻技術，使得逐漸在大型定距漿船舶推廣開來，并且目前主流船東都在采用這種技術設備，而且具有免維護，節(jié)省能耗，使用操作簡單，自動化程度高的優(yōu)勢。如何通過自動控制、明確方法驗證，滿足大型船舶電網使用，作為節(jié)約運行費用及改善機艙管理運行條件的有效手段，通過特有的優(yōu)越性引起了各國造船界和航運界的重視。本文介紹了大型定距漿船舶軸帶發(fā)電機的原理、安裝、調試，實驗方法和問題總結，能夠了解到大型軸帶發(fā)電機的安裝過程，了解到大型定距槳主機軸帶發(fā)電機的調試和試驗流程，試驗問題的解決方法。對于提高軸帶發(fā)電機在大型船舶的穩(wěn)定使用及經濟效益有巨大的意義。對船舶運輸中的節(jié)能來說，其包括船舶電站的節(jié)能以及船舶用電負載的節(jié)能，在當前是以船舶電站的節(jié)能為主要研究方向。關鍵詞軸帶發(fā)電機；實驗內容；方法驗證第1章概述1.1研究背景和意義船舶主機在運行期間的轉速達到額定轉速后通過軸帶動發(fā)電機發(fā)電，早在直流電制時代各國在中小型船舶上就已應用。隨著時間的推移電力電子技術的一步一步發(fā)展，軸帶發(fā)電機裝置成為了節(jié)約航運費用及改善機艙管理運行條件的有效手段，以其突出的優(yōu)越性引起了各個國家造船界和航運界的重視。在船舶航行期間，全船電能由軸發(fā)系統(tǒng)提供，使用重油發(fā)電，而柴油發(fā)電機則可停止運行，可以降低燃料費用和潤滑油費用，還可減少維護費用以及發(fā)電機組中柴油機零部件的損耗費用等，帶來相當?shù)慕洕б?；而在新的國際規(guī)范要求下，船舶的尾氣排放有了嚴格的限制，使用軸帶發(fā)電機可以利用主機剩余功率而不會產生任何尾氣排放，在節(jié)能的同時達到環(huán)保的目的。主軸轉速的變化對軸帶發(fā)電機工作帶來的影響是軸帶發(fā)電機的一個主要技術關鍵問題。在變距槳船舶上工作的軸帶發(fā)電機不存在這個問題，但為了保持主機恒速旋轉，螺旋槳不能工作在最佳曲線上，螺距的變化又降低了推進效率，而且變距槳比定距槳昂貴得多，因此，一般不因軸帶發(fā)電機使用方便而選用調距槳。國內原來大多使用的都是變距槳軸帶發(fā)電機，且大多為小型船只，相對成本較低，由于主機轉速恒定，大部分試驗可以在碼頭階段完成。推進器為定距槳時，船速是通過改變主機轉速來控制的，在這種情況下，要獲得頻率恒定的交流電源，就必須設置帶有轉速或頻率補償?shù)妮S帶發(fā)電機。隨著科技技術的不斷發(fā)展，定距槳軸帶發(fā)電機的使用變得可行且穩(wěn)定，并必將得到廣泛運用。公司首次使用定距槳軸帶發(fā)電機的超大型VLGC液化氣船，其要求工況為71rpm-88.3rpm，該轉速范圍內通過變頻設備使頻率穩(wěn)定，但由于碼頭階段主機轉速最高只能到40rpm左右，試驗基本無法在碼頭階段展開，如果全部在試航階段試驗，將大大延長試航周期，而每加長一天試航天數(shù)，成本的消耗都急劇增長，因此，有必要研究如何在船舶常規(guī)電網完成調試并投入使用的情況下，在碼頭階段和航行試驗階段完成定距槳軸帶發(fā)電機調試，針對在調試過程中發(fā)現(xiàn)的問題、難點，討論并給出解決方案，明確控制空能。1.2國內外研究現(xiàn)狀1.2.1國內相關技術現(xiàn)狀國內軸帶發(fā)電機的運用并不普及，其中又以變距槳軸帶發(fā)電機為主，使用定距槳軸帶發(fā)電機的很少，且多為噸位較小的船只，而在超大型液化氣船上使用定距槳軸帶發(fā)電機，國內更是首例。在新的國際規(guī)范要求下，船舶的尾氣排放有了嚴格的限制，使用軸帶發(fā)電機可以利用主機剩余功率而不會產生任何尾氣排放，在節(jié)能的同時達到環(huán)保的目的，定距槳軸帶發(fā)電機的使用將得到廣泛運用。1.2.2國外相關技術現(xiàn)狀軸帶發(fā)電機從上世紀70年代，在德國開始，至今有40多年的歷史，由于各種問題發(fā)展道路坎坷，直到變速恒頻控制技術的應用，軸帶發(fā)電機才真正進入實用階段。國外定距槳軸帶發(fā)電機的應用要早于、多于國內，相關技術也更加成熟，而最主要的變頻控制技術任由國外幾大廠商掌握。定距槳軸帶發(fā)電機的相關調試技術、方法也是國外較為成熟。1.2.3本文開展的主要工作本文主要從軸帶發(fā)電機的組成及原理、測試和試驗結果等幾個方面展開闡述。第2章軸帶發(fā)電機系統(tǒng)及其基本原理2.1船舶軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的優(yōu)缺點船舶軸帶發(fā)電機系統(tǒng)簡稱為軸發(fā)系統(tǒng)或者軸機系統(tǒng)，是由主機驅動船舶發(fā)電機，從而進行發(fā)電。在主機功率富裕的情況下驅動發(fā)電機從而達到節(jié)能的目的，在當今節(jié)能減排，綠色環(huán)保的大背景下，該技術需求越來越大，也逐漸在新造船中全面開始投入使用。2.1.1軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的主要優(yōu)點1）低燃油消耗量通常情況下船舶主機的功率都還有10%以上的富裕量不能夠得到使用，而通常情況下船舶上安裝的發(fā)電機容量不會超過10%，同時主機的效率也要比常規(guī)的柴油輔機發(fā)電機要高，因此軸帶發(fā)電機的優(yōu)先級要高于其他的選擇。航運的燃油耗費大約要占船舶營運費用的53%左右，燃油耗費的節(jié)約能夠體現(xiàn)出巨大的經濟效益。2）少滑油消耗船舶在航行中不使用輔柴油發(fā)電機組，減少其消耗的滑油。3）低維修費用與延長維修周期船舶在海上航行期間，由軸帶發(fā)電機提供并輸送全船所需要的電能，僅在軸帶發(fā)電機不滿足運行條件時才需要輔助發(fā)電機組的投入運行，目前很多軸發(fā)都是免維護的，維修工作量要比維修柴油發(fā)電機組的要少得多，這也讓船舶的運行管理工作得到了有效的簡化。2.1.2軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的主要缺點采用軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的同時也會帶來一些不利的因素，如下：1）停泊或港口裝卸貨的情況下，由于主機不工作所以軸發(fā)不能進行供電，因此船舶仍然需要裝置一定功率的柴油輔機進行供電。2）采用交流電制的商船中，大多采用主機轉速可調的中、低速柴油機，因為需要保證整個電網系統(tǒng)頻率的恒定，所以控制系統(tǒng)就變得復雜了許多，相對應對管理人員技術水準的要求也提高很多。3）用軸發(fā)也會使船東的初次投資增大，雖然初次的投資能夠從年運行費的結余中得到補償，但是補償?shù)哪晗薷S著軸發(fā)的功率以及船舶航行工況也會讓補償?shù)乃急壤l(fā)生變化。通常情況下來說，在運行的五年之內，年營運費的結余已經可以抵消初次投資的增加費用。部分經常航行并且采用較大功率軸發(fā)系統(tǒng)的船舶，可以在短時間內收回投資的成本。故采用軸發(fā)系統(tǒng)仍然很有發(fā)展前途。2.2軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的分類因為隨著船用電的交流化在各國的商船上使用直流電制的船舶已經很少見了，所以在研究軸發(fā)的普遍分類時，通常不包含直流電制的軸發(fā)。根據主機的種類不同，交流船舶軸帶發(fā)電機可分為兩大類：其中一類是對使用可變螺距推進器（變距槳）的主機型式；另外一類則是常見的使用定距推進器（定距槳）的主機型式。在主機運行時，主軸轉速的變化對軸帶發(fā)電機工作帶來的影響是軸帶發(fā)電機的一個關鍵的技術問題。而在變距槳船舶上運行的軸帶發(fā)電機則不存在這個問題，但是為了能夠讓主機保持恒速的旋轉，螺旋槳不能在最佳曲線上工作，螺距的變化又使推進效率降低，并且變距槳相比定距槳要投資的多。所以一般情況下不會因為軸帶發(fā)電機的使用方便而去選用變距槳。當推進器為定距槳時，通過改變主機的轉速來控制航行速度。在這種狀況下，要想交流電源的頻率恒定，只能設置帶有轉速或頻率補償?shù)妮S帶發(fā)電機。2.3西門子可控硅軸帶發(fā)電機系統(tǒng)2.3.1系統(tǒng)的組成結構西門子可控硅軸發(fā)系統(tǒng)屬頻率補償型軸發(fā)系統(tǒng)，是西門子公司的專利產品，目前在帶有軸發(fā)系統(tǒng)的船舶上得到較廣的應用。該系統(tǒng)主要由以下幾個方面組成：軸帶發(fā)電機：使用的是自勵式無刷同步發(fā)電機，通過中間軸與主機連接轉動?？煽毓枵髌鳎河删чl管組成的可控整流器，軸帶發(fā)電機輸出的交流電經可控整流器變換成直流電，輸出的大小由控制單元控制。可控硅逆變器：由晶閘管組成的有源逆變器，把直流電變換成交流電。系統(tǒng)電抗器：直流電抗器用來平滑整流輸出的直流脈沖，采用干式空芯電抗器。交流電抗器用來抑制輸出的諧波成分，改善交流電的波形，采用干式鐵芯電抗器。同步補償機：提供系統(tǒng)所需的全部無功功率，維持電網電壓在一定水平。2.3.2軸帶發(fā)電機系統(tǒng)變流主電路主電路中的可控整流裝置采用三相橋式全控晶閘管整流。因為轉速n時變化的，所以發(fā)電機輸出電壓Ug的電壓大小和頻率也是變化的。整流輸出電壓的調節(jié)是通過改變發(fā)電機的勵磁電流，以改變發(fā)電機輸出電壓大小可使晶閘管控制角限制到最小限度，保持最佳功率因素和效率，節(jié)省發(fā)電機容量。（西門子專利）主電路中的晶閘管逆變裝置，采用三相橋式全控晶閘管逆變電路，雖然船舶電網的頻率隨負載變化而波動，但逆變器只控制逆變角，不改變頻率，屬于有源逆變。2.3.3軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的頻率特性和電壓特性如果要求軸帶發(fā)電機能夠與柴油發(fā)電機長時間并聯(lián)運行，那么為了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，兩者的頻率特性和電壓特性必須一致。柴油機的轉速調整特性：負載的變化引起轉速的變化，由調速器維持穩(wěn)定。如下圖：柴油發(fā)電機的電壓特性：負載的變化引起電壓的變化，如下圖：2.4運行控制基本原理2.4.1逆變器啟動軸帶發(fā)電機系統(tǒng)把頻率隨主機轉速變化的電壓變換成恒定頻率的電壓輸出，主要是由逆變器來完成。逆變器必須在同步調相機運轉發(fā)電時才能啟動工作。2.4.2系統(tǒng)頻率控制頻率控制是通過對可控整流器輸出和軸帶發(fā)電機勵磁的控制來實現(xiàn)的。頻率控制是對有功功率的控制。2.4.3電網電壓控制對電網（匯流排）電壓的控制是通過調節(jié)同步調相機的勵磁來實現(xiàn)的。電壓控制是對無功功率的控制。2.4.4對負載側短路的控制當負載側發(fā)生短路時逆變器的交流側失去電壓，因“無源”逆變器不在進行工作，控制單元立即關斷可控整流器，使直流電流降低到零。軸帶發(fā)電機在電網中的測試3.1軸發(fā)試驗前配電板準備工作將主配電板上軸帶發(fā)電機屏與1號440V配電屏之間的聯(lián)絡銅牌拆除，并在1號和2號440V配電屏之間增加臨時跨屏電纜，并在跨屏電纜中間增加一個隔離開關。通過主配電板供電的設備，應盡可能得通過2號440V配電屏供電。在航行試驗期間，可視情況將匯流排開關斷開，使軸帶發(fā)電機的相關試驗所配載的負載能夠與主電網分離。在上述情況下，應保持空氣開關ACB2-1和匯流排開關為斷開狀態(tài)，船舶的供電應通過合上跨屏電纜隔離開關Bypass以及2或3號主柴油發(fā)電機空氣開關ACB2-2或ACB3，對主配電板1號和2號440V配電屏進行供電。當匯流排開關斷開后，應通過主配電板上的PMS控制屏，將控制模式設為半自動模式。3.2船舶電網的開關保護3.2.1過電流保護試驗內容設定值Omicron設定值動作延時SettingValue：Ist=115%2049A0.68320sSettingValue：Ist=120%2138A0.71310sSettingValue：Ist=130%2371A0.7725s表3-13.2.2短路當短路情況發(fā)生在整流模組、變頻器至發(fā)電機的直流電流或者變頻器內的直流匯流排上時：試驗內容設定值Omicron設定值動作延時SettingValue：Ist=210%3742A1.2475ms表3-2通過Omicron試驗模擬器測得準確的脫扣時間，包含PLC、消磁繼電器和試驗模擬器。整個脫扣時間約為30~35毫秒。3.2.3差動電流當負載不平衡，且不平衡相之間的電流差值達到20%時：試驗內容設定值Omicron設定值動作延時SettingValue：Ist=20%0.20.2500ms表3-33.2.4過電壓當過勵磁導致電壓過高并超過121%時：試驗內容設定值Omicron設定值動作延時SettingValue：Ust=20%835V101V30ms表3-43.3電網電壓檢測丟失試驗3.3.1試驗條件軸帶發(fā)電機運行于服務航速軸帶發(fā)電機系統(tǒng)和主配電板均處于負載施加的準備就緒狀態(tài)VPL已被接通至匯流排3.3.2電壓檢測丟失試驗切斷變頻器電氣保護裝置的三相電壓監(jiān)測線路并啟動勵磁系統(tǒng)。切斷變頻器電氣保護裝置的其中一相電壓監(jiān)測線路并啟動勵磁系統(tǒng)。在系統(tǒng)運行期間，切斷變頻器電氣保護裝置的三相線電壓監(jiān)測線路。在系統(tǒng)運行期間，切斷變頻器電氣保護裝置中的其中一相電壓監(jiān)測線路。在上訴描述的情況導致電壓檢測信號丟失，將出現(xiàn)以下現(xiàn)象：·報警·切斷勵磁系統(tǒng)·消磁脫扣·Q20勵磁開關脫扣·切斷軸帶發(fā)電機系統(tǒng)3.4軸帶發(fā)電機單機加載試驗3.4.1壓降及頻率降為了滿足電網正常工作以及軸帶發(fā)電機能夠與柴油發(fā)電機能夠長時間并網使用，軸帶發(fā)電機的電壓特性及頻率特性應參照發(fā)電機的特性，并調整保持一致。測量頻率為60Hz時的空載電壓測量壓降及頻率降降發(fā)電機加載至滿載狀態(tài)，測量電壓、頻率并與空載狀態(tài)對比后計算下列數(shù)據：·壓降·頻率降序號試驗內容3.4.1測量頻率為60Hz時的空載電壓負荷頻率電壓060Hz459V3.4.2降發(fā)電機加載至滿載狀態(tài)，測量電壓、頻率并與空載狀態(tài)對比后計算下列數(shù)據負荷頻率電壓頻率降壓降100%57.8Hz442V2.2Hz17V3.67%3.7%表3-53.4.2負荷試驗負荷試驗時，采用負載箱作為負載。負荷試驗應按下表規(guī)定的工況及試驗時間進行：負載功率KW時間min25%4503050%9003075%135030100%1800120110%198015表3-6在每一級負荷試驗結束時，需記錄電壓、電流、頻率、功率因素等數(shù)據。機艙溫度：25.6℃主機轉速：75RPM軸發(fā)負荷%255075100110KW450900135018001980運行時間min30303012015功率因素0.810.810.810.811電流A6501490220930202800電壓V452450446442442頻率Hz59.658.958.357.857.2表3-63.4.3大負載分、合閘大負荷合閘試驗：本試驗工分為3個步驟，每一次均通過負載試驗裝置加載600KW的負荷，直至加載至發(fā)電機的額定功率（1800KW）。大負荷分閘試驗：本試驗通過切斷負載使發(fā)電機從額定功率（1800KW）降至0。在每一次負荷加載后，記錄頻率（最小值和穩(wěn)定值）、電壓（最小值和穩(wěn)定值）和頻率、電壓穩(wěn)定所需時間。3.4.3負荷KW頻率Hz頻率變化電壓變化穩(wěn)定時間變化前變化后變化前變化后最小/最大最小/最大060062.0361.3961.324510.39S600120061.3960.760.664370.45S1200180060.760.159.784470.4S3.4.41800060.0562.0362.254590.4S表3-7試驗要求：瞬時頻率變化不超過±10%(±6HZ)穩(wěn)定頻率變化不超過≤±5%(±3HZ)最大允許瞬時電壓變化小于等于+20%，大于等于-15%穩(wěn)定電壓變化不超過±2.5%(±11.25V)穩(wěn)定時間≤5秒（穩(wěn)定時間為當轉速恢復到轉速波動率為±1%范圍的時間）3.5并聯(lián)運行試驗3.5.1試驗條件軸帶發(fā)電機與一臺主柴油發(fā)電機并聯(lián)運行狀態(tài)功率因素設定為0.8主機運行于71-89RPM之間負荷分配功能處于手動模式3.5.2試驗及數(shù)據記錄軸帶發(fā)電機應與每一臺柴油發(fā)電機進行并聯(lián)運行，并記錄當前的主機轉速、主配電板頻率、以及每一臺發(fā)電機的功率、電流和功率因素。當進行軸帶發(fā)電機與3號主發(fā)電機并聯(lián)運行試驗，需將匯流排開關合閘，即該試驗過程中，需將維持船舶運行的輔助設備的負荷計算入配電板總負荷內。軸發(fā)與1號發(fā)電機并聯(lián)運行：負荷轉速頻率軸帶發(fā)電機1號發(fā)電機功率電壓電流PF功率電壓電流PF2575604584556570.813334555270.81507559.890745013800.8260045010560.78757559.6134744521420.8392044515000.781007559.4178844028130.8122944021110.78表3-8軸發(fā)與1號發(fā)電機并聯(lián)運行負荷轉速頻率軸帶發(fā)電機2號發(fā)電機功率電壓電流PF功率電壓電流PF2575604274556130.853264555040.79507559.893245014250.8564045010520.77757559.6134244521140.8393344515790.771007559.4174344028580.8122644021130.76表3-9軸發(fā)與2號發(fā)電機并聯(lián)運行負荷轉速頻率軸帶發(fā)電機3號發(fā)電機功率電壓電流PF功率電壓電流PF2575604274556250.853104555250.78507559.865044914520.8364345010630.79757559.6137044521830.8295944515820.781007559.4180044029300.81125044020660.78表3-10軸發(fā)與3號發(fā)電機并聯(lián)運行3.6電網自動電站功能試驗3.6.1備用柴油發(fā)電機自啟動試驗自動功率控制：當主配電板上的實時負載超過85%額定功率時，備用柴油發(fā)電機在延時30秒后自動起動并接入匯流排。當軸帶發(fā)電機與n臺柴油發(fā)電機并聯(lián)運行，主配電板上的實時負載低于n-1臺柴油發(fā)動機與軸帶發(fā)電機額定功率總和的70%，其中一臺并聯(lián)運行的柴油發(fā)電機在延時10分鐘后自動退出電網，并無負載運行5分鐘后自動停車。3.6.2軸發(fā)運行時主機出現(xiàn)SLOWDOWN故障船舶正常航行中，軸發(fā)單機在網時主機出現(xiàn)SLOWDOWN報警，此時主機轉速降至軸發(fā)運行最低轉速69RPM,備用發(fā)電機啟動并合閘，合閘后軸發(fā)開關分閘，主機轉速降至36RPM，此過程需在120秒之內完成。如果超過120秒備用發(fā)電機未合閘，主機直接SHUTDOWN停車，軸發(fā)分閘全船失電。3.6.3軸發(fā)運行時將車鐘拉至69RPM以下船舶正常航行中，軸發(fā)單機在網時由于突發(fā)原因或者人為因素在軸發(fā)切換柴油發(fā)電機之前就拉車鐘減低轉速，此時主機轉速降至軸發(fā)運行最低轉速69RPM,備用發(fā)電機啟動并合閘，合閘后軸發(fā)開關分閘，主機轉速降至車鐘命令轉速。此過程需在120秒之內完成。如果超過120秒備用發(fā)電機未合閘，主機直接SHUTDOWN停車，軸發(fā)分閘全船失電。3.6.4軸發(fā)運行時主機出現(xiàn)SHUTDOWN故障船舶正常航行中，軸發(fā)單機在網時出現(xiàn)主機SHUTDOWN報警，主機直接停機，軸發(fā)分閘，全船失電。此時備用發(fā)電機啟動并合閘，電網恢復供電。

第4章調試與試航問題總結1）1號和2號變壓器風機故障通過一個繼電器輸出即任一風機故障兩個報警點都觸發(fā)，后由現(xiàn)場增加繼電器修改接線完成。2）發(fā)電機繞組溫度、冷熱空氣溫度及變壓器繞組溫度HH報警不能停機后由監(jiān)測報警修改程序完成。3）調試過程中