可移動組合式內(nèi)燃機綜合加載測試裝置研究

張世亮，徐唐榮，劉云坤，沈 斌，張 全，陸 兵

（1.廣東海洋大學工程學院，廣東 湛江 524088；2.湛江南海西部石油合眾近海建設(shè)有限公司，廣東 湛江 524057）

目前，用于陸地、單一型號、裝置固定的內(nèi)燃機綜合加載與性能測試系統(tǒng)已有較多應(yīng)用，其加載測試方式有水力加載測試、電渦流加載測試和電力加載測試等方式。但是，針對以海洋油氣平臺作業(yè)空間狹小、能夠完成對多品種、多規(guī)格內(nèi)燃機進行綜合加載測試的裝置目前還未見有應(yīng)用報道。我國的海洋石油產(chǎn)業(yè)已處于快速發(fā)展時期，各類海洋油氣鉆探平臺、生產(chǎn)平臺、陸地終端、輔助配套裝置的數(shù)量眾多，在這些設(shè)施上配備的動力裝置主要是內(nèi)燃機，內(nèi)燃機的型號多、規(guī)格多、維修業(yè)務(wù)量大、維修質(zhì)量要求高。而且，目前，還無法使用標準加載測試裝置對上述維修的內(nèi)燃機進行性能測試，無法定量獲取內(nèi)燃機維修后的技術(shù)性能指標，無法完成進行質(zhì)量優(yōu)劣評判，只能依靠經(jīng)驗或借助工作負載加載來粗略判斷內(nèi)燃機的維修效果。

綜上所述，本文研發(fā)了一套可移動、組合式、電力加載的內(nèi)燃機綜合加載測試裝置，該裝置能夠在海洋油氣平臺上或陸地油氣終端的有限空間內(nèi)，完成對多種型號、多種規(guī)格內(nèi)燃機的綜合加載測試試驗，該裝置的加載工藝流程可人工程序設(shè)定、加載測試數(shù)據(jù)可實時顯示與存儲。

1 研究內(nèi)容

該測試裝置采用可移動、模塊組合式結(jié)構(gòu)，能夠在海洋田平臺有限空間內(nèi)吊裝移動、組合，該加載測試裝置能夠滿足功率80 kW-1 000 kW，型號為CAT3406、CAT3412或康明斯 K38、K50等內(nèi)燃機（機械控制、電噴控制）綜合加載測試要求。

1.1 總體方案設(shè)計

該綜合加載測試裝置由綜合加載測試控制系統(tǒng)撬塊、電力加載測試裝置撬塊、干電阻耗能裝置撬塊等共3個獨立部分組成（它們分別布置在3個能夠獨立吊裝的集裝箱中）。當需對平臺上被測內(nèi)燃機進行加載測試時，根據(jù)其所在平臺測試現(xiàn)場作業(yè)空間的具體情況，將3個集裝箱分別放置在不同的空間位置（以充分利用平臺上分散的小空間），通過加載裝置與被測試內(nèi)燃機機械連接裝置、電纜、信號線、數(shù)據(jù)線等連接方式，將3個集裝箱組合在一起，以構(gòu)成一個完整的綜合加載測試裝置來使用。

1.2 綜合加載測試控制系統(tǒng)撬塊設(shè)計

圖1加載測試控制裝置撬塊結(jié)構(gòu)布置圖

該撬塊由電力加載裝置變頻控制柜、加載測試操作控制臺、上位機、數(shù)據(jù)線、數(shù)據(jù)檢測傳感器、熱交換器、空調(diào)、專用集裝箱等組成，以實現(xiàn)對加載裝置的調(diào)節(jié)與控制，其結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

1.3 電力加載測試裝置撬塊設(shè)計

該撬塊由升降底座、電力加載裝置、折疊底座、對中調(diào)節(jié)機架、控制線、數(shù)據(jù)線、耗能電纜、專用集裝箱等組成。通過萬向聯(lián)軸器將電力加載裝置與被測內(nèi)燃機可靠連接，具體如圖2所示。

圖2 電力加載測試裝置總體方案圖

（1）升降底座。升降底座可完成對電子加載裝置輸出軸中心高在一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)和水平方向角度的微調(diào)，使加載裝置適應(yīng)不同測試對象的工作要求，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。電力加載裝置為一大功率變頻調(diào)速電機（功率1 000 kW），其有兩種工作模式：負載工作模式和電動機工作模式。當需測試內(nèi)燃機性能時，其工作在可調(diào)加載負載模式狀態(tài)，在變頻控制柜和耗能電阻的協(xié)調(diào)工作下，實現(xiàn)對內(nèi)燃機的綜合加載測試；當其作為變頻調(diào)速電動機使用時，可以完成對內(nèi)燃機、水泵、油泵等設(shè)備的冷磨合（冷拖）操作，或直接驅(qū)動水泵和油泵工作，以測試其維修性能優(yōu)劣。

圖3 電力加載測試裝置升降底座結(jié)構(gòu)圖

（2）折疊底座（工作時從集裝箱內(nèi)放下、調(diào)平、固定；運輸時折疊收放到集裝箱內(nèi)拉緊）。該底座作為被測試內(nèi)燃機的水平底座，通過2個圓柱銷和2個固定支座的連接，將其和升降底座、集裝箱地板固聯(lián)在一起，其懸伸在集裝箱外部的部分，用若干個調(diào)整墊鐵將其墊牢，以建立起測試內(nèi)燃機的整體加載測試底座。在折疊底座的導(dǎo)軌上加上安裝著2套對中可調(diào)機架，通過絲杠螺母機構(gòu)的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)內(nèi)燃機在該底座上的前后移動，以滿足萬向聯(lián)軸器將內(nèi)燃機與加載裝置連接起來的調(diào)節(jié)要求，折疊底座的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 折疊底座結(jié)構(gòu)圖

（3）對中可調(diào)機架。在折疊底座上有2套內(nèi)燃機對中可調(diào)機架，通過移動與升降可調(diào)機架上的4個支撐底座位置，使其與被測內(nèi)燃機上的4個連接支撐點位置相對應(yīng)，可將不同規(guī)格、不同型號的內(nèi)燃機連接固定在折疊底座上，并將其輸出軸與電力加載裝置輸入軸對中，再通過萬向聯(lián)軸器的連接，將被測內(nèi)燃機與電力加載裝置準確、可靠的連接在一起，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 對中可調(diào)機架圖

1.4 干電阻耗能裝置撬塊設(shè)計

該撬塊由3組U型管式干電阻耗能模塊、散熱風扇組、轉(zhuǎn)換控制電器、操作面板、連接電纜、專用集裝箱等組成，其結(jié)構(gòu)布局如圖6所示。

圖6 干電阻耗能裝置結(jié)構(gòu)布局圖

干電阻耗能裝置用來耗掉由電力加載裝置產(chǎn)生的電能。根據(jù)被測內(nèi)燃機負載所需耗能的大小不同，通過接觸器的組合變換，實現(xiàn)加載裝置交流與直流負載形式轉(zhuǎn)換、耗能功率大小變化的調(diào)節(jié)，使耗能電阻與電力加載裝置功率相匹配。散熱風扇組將干電阻群產(chǎn)生的熱量及時散去，防止干電阻溫度持續(xù)上升，損壞干電阻元件。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

本裝置電氣控制系統(tǒng)分為電力加載裝置電氣系統(tǒng)設(shè)計、耗能電阻裝置電氣控制系統(tǒng)設(shè)計兩部分內(nèi)容。其中，電力加載裝置電氣系統(tǒng)設(shè)計由提供電力加載裝置的配套廠家完成，這里將不再論述，干電阻耗能模塊電氣控制系統(tǒng)需自行設(shè)計。

2.1 干電阻耗能裝置電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

干電阻耗能裝置電氣控制系統(tǒng)分為干電阻耗能模塊與電氣控制模塊布局設(shè)計，控制電路原理圖設(shè)計，多路控制繼電器編程設(shè)計，觸摸屏編程設(shè)計。

（1）干電阻模塊、電氣控制模塊的布局

干電阻耗能模塊分成3個分模塊，由功率大小不同的管式干電阻群組成，通過三相銅排和接觸器觸電的通斷組合，將其有序連接起來，根據(jù)加載負載的要求不同，進行電阻負載大小的排列組合變換，以獲得與電力加載裝置所需要的匹配耗能功率。并且，通過電氣系統(tǒng)的控制，可實現(xiàn)交直流負載的轉(zhuǎn)換。在3個干電阻耗能模塊的下方分布著6臺軸流風機，完成對干電阻發(fā)熱量的及時散熱，其結(jié)構(gòu)布局如圖7所示。

圖7 干電阻模塊、電氣控制模塊布局圖

（2）交直流負載功耗電阻箱設(shè)計

滿足1 000 kW直流功耗，直流按照1 000伏設(shè)計，對應(yīng)等效電阻為1歐姆。

直流負載功率由變頻器控制，對照直流1 000伏設(shè)計，擬采用交流模式三相串接方式實現(xiàn)。按照三相工作，每相工作于400伏，串接實現(xiàn)的額定整定電壓為1 200伏。按照功率與電壓平方的函數(shù)關(guān)系，交流模式的直流額定功率系數(shù)為：

按照滿足直流1 000 kW設(shè)計，所需交流功率為：

交、直流功率轉(zhuǎn)換原理如圖8所示：

圖8 交直流功率轉(zhuǎn)換原理圖

在圖8中，用豎直虛線短接可實現(xiàn)400伏交流測試工作，而用水平虛線短接則可實現(xiàn)直流工作模式，用水平虛線短接后，三相電阻實現(xiàn)串聯(lián)工作模式，因此，總體設(shè)計按照交流功率來設(shè)計，通過等效方式轉(zhuǎn)換為直流工作功率模式。

（1）耗能電阻分組設(shè)計

耗能電阻分組設(shè)計為：1 kW、2 kW、2 kW、5 kW、10 kW、10 kW、20 kW、50 kW、100 kW、100 kW、200 kW、200 kW、200 kW、200 kW、200 kW、200 kW，共計16擋，設(shè)計總耗能交流功率為1 500 kW。

耗能功率管采用U型粗管，20kw及以上統(tǒng)一采用6.666 kW規(guī)格。干電阻管規(guī)格如下：

1 kW檔位單只耗能功率管功率計算如下：

2 kW檔位單只耗能功率管功率計算如下：

5 kW檔位單只耗能功率管功率計算如下：

10 kW檔位單只耗能功率管功率計算如下：

20 kW檔位單只耗能功率管功率計算如下：

耗能功率管數(shù)量：

1 kW~20 kW范圍，需要21只；

20 kW~50 kW范圍，需要9只；

50~1 400 kW范圍，需要210只；

需耗能功率管數(shù)量，總計240只。

按照工作電壓400 V進行耗能功率管整定，根據(jù)公式P=U2/R，則R=U2/P，得：

為保證耗能功率整定準確，干電阻管電阻測定必須采用單電橋測量方法完成。

耗能功率管的空間設(shè)計為：縱向排列8根U型功率管，共需30列，U型管長度1 600mm，電阻管布置總空間為2 100mm×1 600mm×1 200mm。

（2）控制界面和測量電路的設(shè)計

干電阻耗能模塊的主控界面和主控器采用10"觸摸屏控制方式，下位機采用20點單片機控制繼電器控制板和數(shù)據(jù)采集器方式，其原理如圖9所示。

圖9 控制界面和測量電路原理圖

（3）控制電源保護設(shè)計

電路的主保護設(shè)計為接觸器-熔斷器保護模式；風機保護采用溫度保護模式，如圖10所示。

圖10 電源保護電路原理圖

3 結(jié)束語

本文開研發(fā)的可移動、組合式、電力加載內(nèi)燃機綜合加載測試裝置，能夠在海洋油氣平臺上的有限空間內(nèi)，完成對多種型號、多種規(guī)格內(nèi)燃機的綜合加載測試，有效解決了海洋平臺上內(nèi)燃機動力設(shè)備高質(zhì)量維修保養(yǎng)的技術(shù)難題，該項技術(shù)填補了國內(nèi)空白，具有較高的實際應(yīng)用價值。

鳴謝：本研究受湛江南海西部石油合眾近海建設(shè)有限公司科研項目(項目編號：YH12ZF0993)資助

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