多功能打撈支持船動力裝置及其軟啟動

劉艷朝，梁 剛，張雙成，姜旭龍，王大鵬，趙永玲，魏春光

（中國北車集團 （大連）柴油機有限公司技術(shù)部，遼寧大連116022）

多功能打撈工程支持船由上海打撈局投資建造，該船是一艘鋼質(zhì)、全焊接、適用于無限航區(qū)規(guī)定條件下作業(yè)的多功能打撈工程船。船舶總長132m、型寬35m、型深10m、最大吃水6m，配備有550t全回轉(zhuǎn)起重機，前置機艙，艏部設(shè)有一臺周遂式側(cè)推裝置，艉部設(shè)2臺全回轉(zhuǎn)Z型電力驅(qū)動螺旋槳推進器。

該船動力裝置由4組CCFJ1600J－1柴油發(fā)電機組（8240ZD型柴油機機組）、1組康明斯600kW柴油發(fā)電機組（應(yīng)急機組）兩種不同類型的5臺發(fā)電機組組成船舶電站系統(tǒng)，滿足電力推進需要及海上無限航區(qū)打撈作業(yè)，每臺機組均能實現(xiàn)自動并機和解列功能。

動力裝置中，8240ZD型柴油機及電氣控制系統(tǒng)中監(jiān)控微機、機旁控制柜、軟啟動器等由我公司自主設(shè)計生產(chǎn)，其余由配套廠家按照要求提供，整體設(shè)計方案符合國家標準、船舶標準和中國船級社（CCS）的《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。

1 CFJ1600J－1柴油發(fā)電機組總體設(shè)計結(jié)構(gòu)

CCFJ 1 6 0 0J－1柴油發(fā)電機組主機采用我公司8240ZD型柴油機，配備湘潭電機廠的TFW1600－6同步發(fā)電機，采用高彈聯(lián)軸器，公共底座和隔振器組成彈性安裝系統(tǒng)，配以柴油機輔助系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)。CFJ1600J－1柴油發(fā)電機組外形圖見圖1。

8240ZD型柴油機的輸出端與同步發(fā)電機通過RATO－R型高彈性橡膠聯(lián)軸器相連，軸系經(jīng)過扭振計算，符合船級社的相關(guān)規(guī)定。柴油機和發(fā)電機采用剛性支承，軸系經(jīng)過找正對中后通過研配的斜墊安裝在焊接結(jié)構(gòu)的公共底座上。公共底座為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，經(jīng)過有限元強度計算和固有頻率分析，滿足支承機組和整體吊裝的要求。公共底座下部有減振系統(tǒng)，采用10點支承的AV／C 2L55型隔振器，通過靜變形計算、隔振系統(tǒng)的穩(wěn)定性計算、固有頻率分析以及隔振效果分析，確認該機組隔振系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和隔振性能，有效地減緩由于部件的運轉(zhuǎn)、振動對船體的沖擊以及振感傳播。

圖1 CFJ1600J－1柴油發(fā)電機組外形圖

2 CFJ1600J－1柴油發(fā)電機組主要技術(shù)參數(shù)

3 CFJ1600J－1柴油發(fā)電機組主機技術(shù)參數(shù)

4 CFJ1600J－1柴油發(fā)電機組主發(fā)電機主要技術(shù)參

5 交流異步電動機主要技術(shù)參數(shù)

6 電氣控制系統(tǒng)功能概述（圖2）

電氣控制系統(tǒng)由柴油機監(jiān)控微機、機旁控制柜、發(fā)電機組配電屏（內(nèi)部裝有AVR勵磁箱）、軟啟動器等組成。

圖2 發(fā)電機組控制系統(tǒng)框圖

監(jiān)控微機的作用是實時檢測柴油機運行的重要參數(shù)，比如油、水、氣的溫度、壓力，柴油機轉(zhuǎn)速、增壓器轉(zhuǎn)速等。柴油機監(jiān)控微機檢測到的參數(shù)經(jīng)由CAN總線送往柴油機的機旁控制柜。

機旁控制柜是在柴油機旁控制和監(jiān)視柴油機運行狀態(tài)，柴油機調(diào)速也位于機旁柜上，重要信號的保護動作指令也由機旁柜內(nèi)的繼電器來執(zhí)行。

檢測系統(tǒng)檢測機旁控制柜及監(jiān)控微機發(fā)出的報警等信號，并將此信號發(fā)送到集控室、駕控室等處，具有聲光電報警裝置，及時反應(yīng)柴油發(fā)電機組狀態(tài)。

發(fā)電機組配電屏主要是指690V配電屏，主發(fā)配電板用于控制全部柴油發(fā)電機組的并列、解列和負荷分配，并管理整個船用主發(fā)電站的工作和進行必要的保護。

AVR勵磁箱負責對應(yīng)柴油發(fā)電機組的發(fā)電勵磁，它能接受來自柴油機電子調(diào)速器的起勵和滅磁信號，并可在主發(fā)配電板處調(diào)節(jié)勵磁大小。

7 軟啟動器

該船的主推進采用2臺2 000kW交流異步電動機，1臺1 100kW交流異步電動機作為側(cè)推進，為使電動機無沖擊、平滑啟動，需要在啟動過程中采用軟啟動器。工程上多采用Y／△轉(zhuǎn)換，自耦降壓，磁控降壓等方式來實現(xiàn)電動機軟啟動，而且最高應(yīng)用在電動機功率800kW以內(nèi)。這些方法雖然可以起到一定的限流作用，但沒有從根本上解決問題，而且啟動功率范圍較小。伴隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，我們自行設(shè)計一款采用可控硅為主要器件、單片機為控制核心的智能型電動機啟動設(shè)備－－軟啟動器，以實現(xiàn)在整個啟動過程中無沖擊而平滑的啟動電動機，而且可根據(jù)電動機負載的特性來調(diào)節(jié)啟動過程中的參數(shù)，如限流值、啟動時間等。此外，它還具有多種對電動機保護功能，從根本上解決了傳統(tǒng)的降壓啟動設(shè)備的諸多弊端。

軟啟動器根據(jù)異步電動機的定子電流公式可以得知，減小啟動電流可以從改變定子電壓、轉(zhuǎn)差率、定子側(cè)電阻或者電抗、轉(zhuǎn)子側(cè)電阻或者電抗考慮。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，減小定子電壓來減小啟動電流是最容易實現(xiàn)的方法。有鑒于此，軟啟動器采用了交流調(diào)壓調(diào)速的原理，它的主電路結(jié)構(gòu)形式和晶閘管三相調(diào)壓電路完全一致，利用晶閘管的可控導(dǎo)通特性，通過改變串接于電源與被控電機之間的三相反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角來改變施加在電動機定子上的電流有效值，使電動機輸入電壓按照預(yù)先設(shè)定的函數(shù)關(guān)系逐漸上升到額定電壓，從而減小電動機啟動電流。在軟啟動過程中，電動機啟動轉(zhuǎn)矩逐漸增加，轉(zhuǎn)速也逐漸增加。軟啟動控制柜控制框圖如圖3所示。

圖3 軟啟動器控制框圖

晶閘管交流調(diào)壓電路在軟啟動器中作為執(zhí)行機構(gòu)，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角大小起到總調(diào)節(jié)輸出到異步電動機定子上的電壓和電流的作用，是軟啟動器的主電路。與以往采用6只反并聯(lián)晶閘管的主電路不同，我們采用10只反并聯(lián)晶閘管，不但能夠方便的實現(xiàn)電動機的正、反轉(zhuǎn)和電磁制動，而且還能實現(xiàn)電動機的分級變頻的控制方式，即讓電動機工作于12.5、25Hz和50 Hz的頻率下，與此同時，電動機運行于額定轉(zhuǎn)速的1／4、1／2和全速，從而實現(xiàn)電動機的變速運行。主電路圖如圖4所示。

圖4 軟啟動器主電路圖

同時該軟啟動器還具有電源同步檢測環(huán)節(jié)、觸發(fā)脈沖驅(qū)動環(huán)節(jié)、反饋量檢測環(huán)節(jié)、計算機控制系統(tǒng)，并具備顯示功能。

同步檢測環(huán)節(jié)是軟啟動器的基本環(huán)節(jié)。由于晶閘管必須在承受正向電壓的同時給門極施加觸發(fā)信號才能夠?qū)?，因此，電路中每只晶閘管的觸發(fā)信號相位必須以其剛剛承受正向電壓的相位點（即電源電壓過零點）作為參照，這就必須對電壓過零點進行檢測，稱為同步檢測，并由此確定觸發(fā)信號發(fā)出的時刻，以及主電路中10只晶閘管的觸發(fā)順序。

在電源同步檢測環(huán)節(jié)中，使用同步變壓器完成電源隔離和電平變換的作用。同步變壓器既能完成電平變換，有可以濾除部分干擾，還可以使隔離電壓提高。軟啟動器控制微機從同步變壓器二次側(cè)取得低電壓信號，完成同步檢測。取三相信號，不但能夠完成同步檢測，還能夠檢測相序錯誤和缺相錯誤。

反饋量需要檢測電網(wǎng)電壓和電動機電流，均是通過專用模塊將相關(guān)物理量轉(zhuǎn)變成4～20mA信號，再由軟啟動器控制微機檢測。電壓檢測模塊的作用是通過檢測電網(wǎng)電壓，在軟啟動過程中，使電壓降保持在允許的范圍內(nèi)。電流檢測模塊的作用是使電動機的軟啟動過程不超過設(shè)定的限流值，并且當電流失控而超過晶閘管保護值后，迅速采取措施以保護晶閘管。

觸發(fā)脈沖驅(qū)動環(huán)節(jié)根據(jù)軟啟動器控制微機發(fā)出的觸發(fā)控制信號，通過脈沖整形、隔離、功率放大后，施加于晶閘管的門極，控制晶閘管導(dǎo)通。脈沖觸發(fā)環(huán)節(jié)如圖5所示。T1為脈沖隔離變壓器，起電氣隔離作用，可以減少主電路對觸發(fā)電路以及控制電路的干擾，提高電路的可靠性，并防止由于晶閘管損壞而將高壓電引入軟啟動器控制微機中。二極管D1和D2用于防止控制信號關(guān)斷時在脈沖變壓器的二次側(cè)感應(yīng)出的高壓加在晶閘管的門級。C1和C2起到脈沖整形的作用，R1起到限制門極電流的作用。

圖5 脈沖觸發(fā)環(huán)節(jié)電路圖

計算機控制系統(tǒng)是軟啟動器的核心環(huán)節(jié)，來自電源同步檢測環(huán)節(jié)的同步信號和來自反饋量檢測環(huán)節(jié)的信號都被送到計算機控制系統(tǒng)中，通過對信號進行處理和計算，最后輸出晶閘管的觸發(fā)信號，并完成相關(guān)的保護功能。計算機控制系統(tǒng)使用Microchip公司的dsPIC30F6010A為主控芯片，配合先進的數(shù)字控制技術(shù)，不僅實現(xiàn)在整個啟動過程中無沖擊而平滑的啟動電機，而且可根據(jù)電動機負載的特性來調(diào)節(jié)啟動過程中的參數(shù)，如限流值、啟動時間等，消除電動機啟動、停止過程中的電流沖擊，減小電網(wǎng)容量，避免電機啟動時機械沖擊，保護電機和負載。此外，它還具有多種對電機保護功能，如可控硅短路保護、缺相保護、過熱保護、欠壓保護等，使之成為一種集軟啟動、軟停車、輕載節(jié)能、電動機運行參數(shù)記錄和多功能保護于一體的電動機控制裝置。

軟啟動器在廠內(nèi)進行了船級社的產(chǎn)品認證試驗，電動機的相關(guān)參數(shù)為額定電壓690V，額定電流1 918A，額定功率2 000kW。由于船上采用可調(diào)螺距的螺旋槳，在電動機啟動時，調(diào)整螺距，可視為空載，所以在試驗臺上模擬電動機空載啟動。當＂電動機啟動＂指令下達后，電流表的指針快速上升，接近2 300A處，上升速度開始變慢，最終穩(wěn)定在3 300A處，直到電動機克服啟動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速迅速上升，電流回落至300A的空載電流，軟啟動過程結(jié)束，時間為45s。

8 試驗

該套動力裝置試驗是出廠前的最后一道工序，是在廠內(nèi)檢驗該裝置是否符合設(shè)計要求，達到運用水平的真正考驗。根據(jù)公司技術(shù)要求及船級社要求，首先完成8240ZD型柴油機的一系列試驗，包括磨合調(diào)整檢查試驗、船檢出廠試驗、排放試驗，然后完成CCFJ1600J－1柴油發(fā)電機組的組裝并完成出廠試驗，最后是整套動力裝置并機聯(lián)調(diào)試驗。

首先8240ZD柴油機出廠試驗根據(jù)船規(guī)要求，完成了啟動試驗、安全保護裝置試驗、調(diào)速性能試驗、負荷特性試驗及試驗后的拆檢，均達到了船級社的規(guī)定。

排放試驗根據(jù)機組的用途，按照恒速船用主機E2循環(huán)完成試驗，并取得NOx排放證書。

然后CCFJ1600J－1柴油發(fā)電機組按照安裝技術(shù)條件進行組裝，并完成單機組出廠試驗。

機組出廠試驗在柴油機出廠試驗基礎(chǔ)上增加了噪聲、扭振測試、振動測試環(huán)節(jié)，更細致的反應(yīng)機組及柴油機的狀態(tài)，其噪聲、扭振及振動值均在允許的范圍內(nèi)，符合相關(guān)規(guī)定。

由于單機組出廠試驗后，要在廠內(nèi)完成多機組并機聯(lián)調(diào)試驗，而多機組并聯(lián)運行時應(yīng)該滿足下列4個條件：相序一致、頻率相等、電壓相等、相位一致。這就對單機組的調(diào)速特性提出了相當高的要求，要求單機組之間的調(diào)速率要盡可能的接近，才能保證順利并機并使有功功率、無功功率分配均勻。

8240ZD型柴油機采用 Woodward的2301D＋UG調(diào)速器，為更好的達到并機要求，采用了有差調(diào)速模式，速度隨負荷的增加而降低。如圖6所示。

單機組處于全負荷時，有差調(diào)速表示為速度減小的百分比，在給定的有差調(diào)速率設(shè)定下，發(fā)電機組將一直產(chǎn)生同樣的功率輸出。有差調(diào)速率有時稱為速度調(diào)整百分比，如果所有的機組處于相同掉速率設(shè)定的有差系統(tǒng)中，他們將按比例分配負荷，負荷變化系統(tǒng)的頻率也變化。需要改變速度設(shè)定彌補反饋的改變，使系統(tǒng)恢復(fù)到原先的速度或頻率。為了系統(tǒng)中每一臺機組維持相同比例的負荷分配，每臺機組需要改變相同的速度設(shè)定值。

圖6 有差調(diào)速模式

單機組調(diào)速率設(shè)定合理后，多機組并機運行將會事半功倍。

機組的并機聯(lián)調(diào)試驗由于是5臺機組共同參與，機組數(shù)量眾多，試驗前的準備工作顯得尤為重要，仔細檢查，查找隱患后，可避免在試驗時出現(xiàn)不必要的事故。針對這種情況，我們編寫了《柴油機組檢查記錄表》，對每臺機組進行全面細致的檢查。檢查記錄包括柴油機組的基本數(shù)據(jù)、基本配置、安裝檢查、油水管系及附件安裝檢查、油位、啟動風壓檢查、電氣的絕緣檢查、電氣連線檢查、主要預(yù)供單元的動作檢查。

并機聯(lián)調(diào)試驗整套動力系統(tǒng)的總功率達到7 000 kW，對于試驗臺的要求非常高，而且必須是交流測功，功率因數(shù)為0.8（滯后）。所以并機次序及方法非常重要，機組并機可以采取手動或自動兩種方式進行。手動控制是手動調(diào)節(jié)待并機組轉(zhuǎn)速，使待并機組稍快于在網(wǎng)發(fā)電機，觀看同步表及同步指示燈，滿足同步條件時，手動合上待并機組，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速進行手動負載分配。自動控制是由PMS發(fā)出待并機組同步信號，PMS自動調(diào)節(jié)待并機組的轉(zhuǎn)速，當待并機組滿足并車條件時，PMS自動發(fā)出待并機組開關(guān)合閘信號，待并機組開關(guān)合閘后，PMS自動調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，進行自動負載分配。

如圖7所示，首先全部柴油發(fā)電機組的負載斷路器均須斷開。先啟動1號柴油機組，達到額定轉(zhuǎn)速及額定電壓后，合1號機組負載斷路器QF1，調(diào)節(jié)負載使1號機組運行在40%額定負載，功率因數(shù)為0.8（滯后）。穩(wěn)定后起動2號機組，到額定工況后，與1號機組并機，實現(xiàn)2＃發(fā)電機組與1＃發(fā)電機組的并聯(lián)運行，調(diào)節(jié)負載為2臺機組總和的40%，功率因數(shù)為0.8（滯后）。同理，分別起動3號、4號、5號發(fā)電機。并聯(lián)機組運行穩(wěn)定后，把總負載增加到40%額定負載作為基調(diào)點，調(diào)節(jié)并聯(lián)機組的轉(zhuǎn)速，使同一額定功率發(fā)電機組有功和無功功率的分配基本一致，保持總負載功率因數(shù)為0.8（滯后）。

圖7 機組并機試驗示意圖

由于單機組的調(diào)速特性調(diào)試的合理，在并機聯(lián)調(diào)過程中，不但并機順利，而且有功功率和無功功率的分配差度的絕對值同樣符合船規(guī)的規(guī)定。

9 結(jié)束語

此套動力裝置系我公司首次針對多功能打撈支持船設(shè)計完成的，同時也是我公司8240ZD型柴油機首次作為電力推進主機，CCFJ1600J－1柴油發(fā)電機組及8240ZD型柴油機各項結(jié)構(gòu)功能、性能參數(shù)均滿足國家標準、船舶標準和中國船級社（CCS）的《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，并機聯(lián)調(diào)試驗是我公司首次實現(xiàn)機組數(shù)量2組以上的并機聯(lián)調(diào)。

目前該動力裝置正在船廠進行安裝調(diào)試，即將進行系泊試驗及航行試驗，此套動力裝置設(shè)計及試驗成功將對于我公司今后開拓柴油機市場，拓寬產(chǎn)品領(lǐng)域，做大做強柴油機產(chǎn)業(yè)具有深遠的意義和影響。