CCFJ960J-WS 型船用雙頻交流柴油發(fā)電機組的設(shè)計開發(fā)

摘要：在230 系列船用交流柴油發(fā)電機組多年以來成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，2010 年設(shè)計開發(fā)了以8 缸230 柴油機為原動機的CCFJ960J-WS 型960 kW 船用雙頻交流柴油發(fā)電機組，取得了中國船級社型式認可，次年3 月首臺發(fā)電機組交付用戶使用。

關(guān)鍵詞：雙頻；無限航區(qū)；柴油發(fā)電機組；設(shè)計

Design and Development of CCFJ960J-WS Type Dual-Frequency AC Marine Diesel Generator Set

ZHANG Zhenhui，ZHU Huosheng，ZHANG Qiaoliang

(Guangzhou Diesel Engine Factory Co.， Ltd. Guangzhou 510371)

Abstract: The CCFJ960J-WS type dual-frequency AC marine diesel generator set of 960 kW equipped with 8-cylinder 230 diesel engine as prime mover is designed and developed in 2010 based on the successful application of 230 series AC marine diesel generator set. It has received type approval by CCS. In March 2011， the first generator set has been delivered to user.

Key words: diesel;design;verification

1前言

近年，得益于國內(nèi)經(jīng)濟快速的增長及國家政策的扶持，在船舶市場趨于平穩(wěn)之時，海工裝備發(fā)展勢頭強勁，尤其海工船。作為海工船用發(fā)電機組需求量呈現(xiàn)上升趨勢，較多船東選用可燃用重油的中速柴油發(fā)電機組，以降低運行成本。

2010 年應(yīng)招商局重工（深圳）有限公司“5 萬t半潛式自航工程船”項目需要，開發(fā)了適應(yīng)無限航區(qū)、燃用380 cSt/50 ℃重油以及能提供50/60 Hz 兩種不同頻率電力的960 kW 發(fā)電機組，擴大了我司船用機組的產(chǎn)品種類及功率覆蓋范圍。本文闡述CCFJ960J-WS 型船用雙頻交流柴油發(fā)電機組開發(fā)的技術(shù)設(shè)計要點。

2機組的構(gòu)成

CCFJ960J-WS 型船用雙頻交流柴油發(fā)電機組由柴油機（8230ZD 型）、高彈性聯(lián)軸器（無錫伏爾康）、雙支承發(fā)電機（中船重工電機TFJ6 566-8SB42/82 型）、公共底座和T60 型隔振器構(gòu)成，如圖1。

3機組主要技術(shù)規(guī)格及參數(shù)

見表1。

4機組設(shè)計要點

4.1 發(fā)電機的選型

4.1.1連接方式的選擇

柴油機和發(fā)電機的連接方式通常有兩種：一種是剛性連接，即用螺栓將柴油機曲軸輸出法蘭、飛輪、發(fā)電機軸法蘭連接在一起；另一種是彈性連接，即在柴油機飛輪和發(fā)電機之間設(shè)置彈性聯(lián)軸器。連接方式的選擇取決于軸系的扭轉(zhuǎn)振動特性。

扭振計算分析表明：若柴油機與發(fā)電機采用剛性連接，軸系的扭振性能不能同時滿足機組在750 r/min 和900 r/min 運行時的使用要求；CCFJ960J-WS 型船用雙頻交流柴油發(fā)電機組采用彈性連接方式，以利于機組獲得良好的軸系扭振性能，與彈性連接相適應(yīng)的發(fā)電機為雙支承方式。

4.1.2 品牌、信譽的選擇

多年以來，中船重工電機科技股份有限公司采用德國西門子技術(shù)生產(chǎn)制造的船用無刷三相交流同步發(fā)電機，產(chǎn)品不僅獲得中國船級社以及外國船級社的認證，同時廣大客戶對該公司產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性滿意度較高。因此選擇了該公司生產(chǎn)的TFJ6 566-8SB42/82 型發(fā)電機，額定容量為1 200 kVA 雙支點結(jié)構(gòu)的船用發(fā)電機。

4.2調(diào)速器選型

調(diào)速器分類可簡單地劃分為兩大類，一類是機械式，另一類是電子式。對于需要負荷分配、并網(wǎng)運行等要求較高的發(fā)電機組，大多數(shù)采用調(diào)速性能優(yōu)越的電子調(diào)速器。而作為船用柴油機的電子調(diào)速器，目前較為成熟、廣泛應(yīng)用的有美國WOODWARD 和德國HEINZMANN 兩家。作為雙頻發(fā)電，HEINZMANN 在國內(nèi)陸用發(fā)電機組已有成功的案例。

HEINZMANN 數(shù)字式電子調(diào)速器可以通過一開關(guān)量信號來控制發(fā)動機的額定轉(zhuǎn)速的選擇，使其能夠在兩個不同額定轉(zhuǎn)速之間切換。對應(yīng)兩額定轉(zhuǎn)速，有獨立的兩組參數(shù)用以適應(yīng)不同額定轉(zhuǎn)速下的應(yīng)用工況，包括怠速，額定轉(zhuǎn)速，最大允許轉(zhuǎn)速，PID 值，穩(wěn)態(tài)調(diào)速率，超保轉(zhuǎn)速，全程油量限制曲線，PID 修正MAP 等等。這樣可以充分保證在不同額定轉(zhuǎn)速下發(fā)動機各項動、穩(wěn)態(tài)性能指標。

CCFJ960J-WS 型船用雙頻交流柴油發(fā)電機組的調(diào)速系統(tǒng)采用HEINZMANN 的DC6 數(shù)字式電調(diào)控制器和StG16 執(zhí)行器。

4.3增壓器匹配

按照增壓器壓氣機特性：在額定功率保持不變的前提下，額定轉(zhuǎn)速升高，則喘振裕度增大；反之，額定轉(zhuǎn)速降低，則喘振裕度減小。因此，增壓器應(yīng)以機組在額定參數(shù)960 kW/750 r/min 時進行匹配。經(jīng)計算分析：采用VTR4 系列的 VTR214-VG13HF11WG06EF17 型高效率的軸流式渦輪增壓器可滿足要求。

4.4適應(yīng)燃用380 cSt/50 ℃重油的零部件及系統(tǒng)設(shè)計

為了降低發(fā)電機組的運行成本，用戶要求柴油機必須具備燃用重油的能力，而且是低品質(zhì)的380 cSt/50 ℃重油。因此，對在這種低質(zhì)油品運行下的柴油機各零部件帶來很大的挑戰(zhàn)，在保證機組穩(wěn)定運行的同時，還需確保各零部件有較高的使用壽命。主要技術(shù)措施如下：

① 氣缸套采用合金鑄鐵，并添加少量的釩、鈦，既保證了機械性能，又有利于提高耐磨性和抗腐蝕能力。

② 選用德國L’Orange 公司高壓噴油泵和噴油器、Goetze 公司鉻陶瓷活塞環(huán)、BHW 公司帶溝槽三元合金跑合層的連桿軸瓦。

③ 采用獨立油循環(huán)的噴油器冷卻系統(tǒng)，保證冷卻油溫度為90～100 ℃，防止噴油器受高、低溫腐蝕。

4.5操縱與監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由機旁控制箱和發(fā)電機勵磁箱來實現(xiàn)。機旁控制箱：在軟件上，要有兩套控制程序來適應(yīng)兩種頻率的控制及安保功能要求；在硬件上，需

在面板上有頻率狀態(tài)的指示功能、在液晶顯示屏有關(guān)于雙頻內(nèi)容的顯示，并多增加若干路I/O 口，主要用于接收來自發(fā)電機勵磁箱的頻率指令和輸出控制指令到電調(diào)控制箱來控制柴油機兩種額定轉(zhuǎn)速。另外，為了能實現(xiàn)電壓400/450 V 對應(yīng)頻率50/60 Hz 時的聯(lián)鎖功能，機旁控制箱與發(fā)電機勵磁箱在接口方面作了匹配，實現(xiàn)了柴油機停機時能轉(zhuǎn)換、運行時不能轉(zhuǎn)換電壓及頻率的功能。發(fā)電機勵磁箱：電壓及頻率的轉(zhuǎn)換統(tǒng)一由該箱的轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)一鍵轉(zhuǎn)換功能，只要在勵磁箱轉(zhuǎn)換開關(guān)打到其中一檔，即調(diào)整了發(fā)電機電壓、機旁控制箱的控制程序、電子調(diào)速器運行的參數(shù)狀態(tài)。

4.6機組支承方式

為了滿足不同用戶對振動、噪聲方面的要求，機組設(shè)計了剛性支承和彈性支承兩種方式供用戶選擇。這種大型的海工船，選擇采用彈性支承方式以便把發(fā)電機組振動對環(huán)境的影響降至最低限度。經(jīng)計算分析：采用10 點支撐的T60 型隔振器，機組隔振系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和隔振效果。同時，機組相應(yīng)的油管、水管、排氣總管等外接管口都必須采用柔性連接，彈性支承機組如圖1 所示。

5設(shè)計驗證

按照中國船級社批準的《CCFJ960J-WS 型船用雙頻交流柴油發(fā)電機組型式試驗大綱》，在現(xiàn)場驗船師的監(jiān)督下，進行了全面的性能測試。試驗進行得十分順利，測試結(jié)果表明：各項性能參數(shù)達到或優(yōu)于設(shè)計指標，供電質(zhì)量良好。主要性能的實測結(jié)果如下：

機組燃油消耗率：b=210 g/kW·h；

最高燃燒壓力：Pmax=12.8（12.7）MPa；

缸后排氣溫度（平均）： Tr =325（377）℃；

氮氧化物排放（D2 循環(huán)）：NOX=8.14 g/kW·h；

煙度：RB＜0.2（Bosch）；

扭振性能：按CB*3325-1987 評定為A 級；

機械振動烈度：VS=8.612（9.459）mm/s；

噪聲：noise=99.6（100.6）dB（A）。

注：“（）”括號內(nèi)數(shù)據(jù)為60 Hz 時的結(jié)果。

6結(jié)論

CCFJ960J-WS 型船用雙頻交流柴油發(fā)電機組的排放性能、動力性能、經(jīng)濟性能各方面均達到了設(shè)計要求。氮氧化物排放滿足國際海事組織IMO Tier-Ⅱ的排放指標，并獲得中國船級社頒發(fā)的《柴油機國際控制空氣污染證書》。由于柴油機與發(fā)電機采用彈性連接、機組采用彈性支承，無論從機組軸系扭振性能，還是機械振動、噪聲等方面都獲得了滿意的效果。CCFJ960J-WS 型船用雙頻交流柴油發(fā)電機組取得了CCS 的型式認可證書后已交付用戶實船使用，機組運行正常。其優(yōu)異的環(huán)保、節(jié)能、可靠性和良好的綜合性能必將受到廣大客戶的歡迎。

圖2 為我們設(shè)計開發(fā)成功的CCFJ960J-WS 型船用雙頻交流柴油發(fā)電機組。

參考文獻

[1]霍榮康等. CCFJ880J-W型船用柴油發(fā)電機組的設(shè)計開發(fā)［J］. 廣東造船.2008(3).

[2]霍榮康等. 8230 柴油機的研制開發(fā)［J］. 柴油機. 中國內(nèi)燃機學會大功率柴油機分會五屆一次學術(shù)年會論文集. 2002.

[3] 高德明等. 230 柴油機燃用重油發(fā)電機組的運行［C］. 第十二屆全國大功率柴油機學術(shù)年會論文集. 2001.