克令吊逆功率吸收系統(tǒng)研究與分析*

馮木易

(浙江欣亞磁電發(fā)展有限公司， 浙江 舟山 316111)

1 引 言

大克令吊在下放重物過程中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速，處于回饋發(fā)電狀態(tài)。如果回饋功率過大，電網(wǎng)負(fù)載太輕，若單機(jī)工作，則調(diào)速器減油門，自動(dòng)電壓調(diào)壓器AVR自動(dòng)降壓，而電動(dòng)機(jī)需要從電網(wǎng)吸收無功電流來勵(lì)磁，要求發(fā)電機(jī)增大勵(lì)磁，則可能出現(xiàn)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)崩潰；若是多臺(tái)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，則機(jī)組可能在很輕的負(fù)載并聯(lián)，甚至有的發(fā)電機(jī)組可能會(huì)出現(xiàn)逆功率，這對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行極為不利[1]。因此，過大的回饋功率要吸收。逆功率吸收一般有兩種：①采用相角控制無級(jí)吸收，此方案價(jià)格貴；②根據(jù)逆功率大小，采用分級(jí)吸收，此方案較經(jīng)濟(jì)實(shí)用且性價(jià)比高，下面介紹分級(jí)吸收。

2 逆功率的產(chǎn)生及大小

以南通中遠(yuǎn)川崎NACKS 28 000 t重吊船為例，該船電站由3臺(tái)功率800 kW、電壓AC450 V、頻率60 Hz、功率因數(shù)0.8的柴油發(fā)電機(jī)組及1臺(tái)功率為100 kW、電壓AC450 V、頻率60 Hz、功率因數(shù)0.8的應(yīng)急發(fā)電機(jī)組成；配有2臺(tái)350 t的NMF大克令吊，每臺(tái)克令吊配有2臺(tái)電動(dòng)機(jī)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)在S6(40%)4 min工作制時(shí)最大功率可達(dá)到175 kW，在S1(100%)工作制時(shí)最大功率為132 kW，因此1臺(tái)克令吊消耗的最大功率可達(dá)到175×2=350 kW。根據(jù)電力負(fù)荷計(jì)算表，如表1所示，可查出，在各種工況下，該船的最低基本負(fù)荷為684.7 kW；1臺(tái)發(fā)電機(jī)組不能滿足克令吊的使用，若要使用克令吊，則需要重載詢問，當(dāng)備用發(fā)電機(jī)起動(dòng)且2臺(tái)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行后，發(fā)出允許起動(dòng)信號(hào)給克令吊，克令吊才可起動(dòng)運(yùn)行；當(dāng)克令吊下放重物時(shí)，產(chǎn)生的逆功率，可以根據(jù)公式：功率=重力×速度×效率，得到逆功率大小[2]。

表1 電力負(fù)荷計(jì)算表

通過計(jì)算，得出克令吊在各種工況下的功率值，如圖1所示。克令吊1臺(tái)電動(dòng)機(jī)工作，下放重物時(shí)產(chǎn)生逆功率最大值為120 kW；2臺(tái)電動(dòng)機(jī)工作，下放重物時(shí)產(chǎn)生逆功率最大值為120×2=240 kW。2臺(tái)克令吊工作時(shí)，可產(chǎn)生逆功率最大值為240×2=480 kW。

圖1 克令吊工況及功率值

3 逆功率的吸收處理

3.1 電阻值和分級(jí)投切及電阻箱的設(shè)計(jì)

柴油發(fā)電機(jī)組在小負(fù)荷下運(yùn)行，隨著運(yùn)行時(shí)間的延續(xù)，會(huì)出現(xiàn)以下故障：

(1) 活塞—汽缸套密封不好，機(jī)油上竄，進(jìn)入燃燒室燃燒，排氣冒藍(lán)煙；

(2) 對(duì)于增壓式柴油機(jī)，由于低負(fù)荷、空負(fù)荷，增壓壓力低，易導(dǎo)致增壓器油封(非接觸式)的密封效果下降，機(jī)油竄入增壓室，隨同進(jìn)氣進(jìn)入汽缸；

(3) 上竄至汽缸的一部分機(jī)油參與燃燒，一部分機(jī)油不能完全燃燒，在氣門、進(jìn)氣道、活塞頂、活塞環(huán)等處形成積炭，還有一部分則隨排氣排出，導(dǎo)致汽缸套排氣道內(nèi)逐步積聚機(jī)油形成積炭；

(4) 增壓器的增壓室內(nèi)機(jī)油積聚到一定程度，就會(huì)從增壓器的結(jié)合面處滲漏出；

(5) 長(zhǎng)期小負(fù)荷運(yùn)行，將導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)部件磨損加劇且發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒環(huán)境惡化等，致使大修期提前。

因此，國(guó)外柴油機(jī)制造廠商無論對(duì)自然吸氣型還是增壓機(jī)型的使用都強(qiáng)調(diào)應(yīng)盡量減少低負(fù)荷/空負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間，并規(guī)定最小負(fù)荷不能低于機(jī)組額定功率的20%～30%[3]。

根據(jù)電力負(fù)荷計(jì)算表，在裝卸貨工況下，減去2臺(tái)克令吊的功率，該船其他的最低基本負(fù)荷為1 400.7-2×350=700.7 kW。當(dāng)克令吊產(chǎn)生最大逆功率時(shí)，克令吊回饋發(fā)電功率為480 kW，此時(shí)2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組承擔(dān)的實(shí)際負(fù)荷為700.7-480=220 kW，負(fù)荷率為220÷(800×2)=13.75%，明顯低于柴油機(jī)組規(guī)定的最小負(fù)荷。為避免柴油發(fā)電機(jī)組在太輕負(fù)荷運(yùn)行不穩(wěn)定，采用分二級(jí)投入三相電阻來吸收克令吊產(chǎn)生的逆功率，每一級(jí)電阻為AC450 V 60 kW(每相電阻電流為77 A，電阻值為3.374 Ω)。投入二級(jí)電阻后增加功率60×2=120 kW，負(fù)荷率提高為(220+120)÷(800×2)=21.25%。由圖1可看出，克令吊產(chǎn)生最大逆功率480 kW的時(shí)間只有5 min左右，柴油發(fā)電機(jī)組短時(shí)帶21.25%左右負(fù)荷運(yùn)行，可以穩(wěn)定運(yùn)行，電阻功率選擇恰當(dāng)。

由于電阻功率大，所以散發(fā)熱量較大，電阻采用長(zhǎng)期工作制的不銹鋼電阻，電阻箱體采用2.5 mm厚不銹鋼板制作，并配有溫控強(qiáng)制通風(fēng)風(fēng)機(jī)，確保電阻箱溫升在設(shè)計(jì)值[4]。

3.2 逆功率吸收的電阻投切控制

電阻參數(shù)及分級(jí)確定后再有效合理地控制電阻的投切。下面給出兩種吸收方案的原理框圖，采用如圖3所示的分級(jí)吸收。

圖2 相角控制無級(jí)吸收

圖3 根據(jù)逆功率大小分級(jí)吸收

(1) 1臺(tái)克令吊運(yùn)行時(shí)，電阻的投切控制

1臺(tái)克令吊產(chǎn)生的最大逆功率為240 kW，1臺(tái)克令吊吊臂靜止不動(dòng)，電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)運(yùn)行消耗功率為100 kW。

當(dāng)電網(wǎng)的總負(fù)荷低于240 kW和克令吊產(chǎn)生的最大逆功率相等，如果此時(shí)克令吊產(chǎn)生最大逆功率回饋發(fā)電給電網(wǎng)，則發(fā)電機(jī)組承擔(dān)的負(fù)荷為“0”，使發(fā)電機(jī)組不能穩(wěn)定并聯(lián)運(yùn)行，因此自動(dòng)電站PMS發(fā)出負(fù)荷太輕報(bào)警，提醒用戶，多運(yùn)行一些設(shè)備，增加電網(wǎng)用電負(fù)荷。

當(dāng)電網(wǎng)的總負(fù)荷大于240 kW，分兩種情況：①當(dāng)克令吊已經(jīng)下放重物產(chǎn)生逆功率，PMS檢測(cè)到：電網(wǎng)負(fù)荷≤240 kW-克令吊逆功率，則投入第一級(jí)電阻；投入電阻后，仍然有：電網(wǎng)負(fù)荷≤240 kW-克令吊逆功率，則投入第二級(jí)電阻。②當(dāng)克令吊沒有產(chǎn)生逆功率，PMS檢測(cè)到：電網(wǎng)負(fù)荷≤(240+100)=340 kW，也就是說電網(wǎng)其它負(fù)荷加上克令吊電機(jī)空轉(zhuǎn)功率小于340 kW，電網(wǎng)的基本用電負(fù)荷低于340-100=240 kW，因此投入第一級(jí)電阻；投入電阻后，仍然有：電網(wǎng)負(fù)荷≤340 kW，則投入第二級(jí)電阻。

克令吊停止運(yùn)行電阻自動(dòng)切除?？肆畹踹\(yùn)行，分兩種情況切除：①當(dāng)克令吊在下放重物產(chǎn)生逆功率，PMS檢測(cè)到：電網(wǎng)負(fù)荷>(240+60)=300 kW，則切除第一級(jí)電阻；切除電阻后，仍然有：電網(wǎng)負(fù)荷>300 kW，則切除第二級(jí)電阻。②當(dāng)克令吊沒有產(chǎn)生逆功率，PMS檢測(cè)到：電網(wǎng)負(fù)荷>(240+60+100)=400 kW，則切除第一級(jí)電阻；切除電阻后，仍然有：電網(wǎng)負(fù)荷>400 kW，則切除第二級(jí)電阻。

(2) 2臺(tái)克令吊運(yùn)行時(shí)，電阻的投切控制

2臺(tái)克令吊產(chǎn)生最大逆功率為480 kW，2臺(tái)克令吊吊臂靜止不動(dòng)，電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)運(yùn)行消耗功率為200 kW。

當(dāng)電網(wǎng)的總負(fù)荷低于480 kW，和克令吊產(chǎn)生的最大逆功率相等，如果此時(shí)克令吊產(chǎn)生最大逆功率回饋發(fā)電給電網(wǎng)，則發(fā)電機(jī)組承擔(dān)的負(fù)荷為“0”，使發(fā)電機(jī)組不能穩(wěn)定并聯(lián)運(yùn)行，因此自動(dòng)電站PMS發(fā)出負(fù)荷太輕報(bào)警，提醒用戶多運(yùn)行一些設(shè)備，增加電網(wǎng)用電負(fù)荷。

電網(wǎng)的總負(fù)荷大于480 kW，分兩種情況：①克令吊已經(jīng)下放重物產(chǎn)生逆功率，PMS檢測(cè)到：電網(wǎng)負(fù)荷≤480 kW-克令吊逆功率，則投入第一級(jí)電阻；投入電阻后，仍然有：電網(wǎng)負(fù)荷≤480 kW-克令吊逆功率，則投入第二級(jí)電阻。②克令吊沒有產(chǎn)生逆功率，PMS檢測(cè)到：電網(wǎng)負(fù)荷≤(480+200)=680 kW，也就是說電網(wǎng)其它負(fù)荷加上克令吊電機(jī)空轉(zhuǎn)功率小于680 kW，電網(wǎng)的基本用電負(fù)荷低于680-200=480 kW，因此投入第一級(jí)電阻；投入電阻后，仍然有：電網(wǎng)負(fù)荷≤680 kW，則投入第二級(jí)電阻。

克令吊停止運(yùn)行，電阻自動(dòng)切除?？肆畹踹\(yùn)行，分兩種情況切除：①當(dāng)克令吊在下放重物產(chǎn)生逆功率，PMS檢測(cè)到：電網(wǎng)負(fù)荷>(480+60)=540 kW，則切除第一級(jí)電阻；切除電阻后，仍然有：電網(wǎng)負(fù)荷>540 kW，則切除第二級(jí)電阻。②當(dāng)克令吊沒有產(chǎn)生逆功率，PMS檢測(cè)到：電網(wǎng)負(fù)荷>(480+60+200)=740 kW，則切除第一級(jí)電阻；切除電阻后，仍然有：電網(wǎng)負(fù)荷>740 kW，則切除第二級(jí)電阻。

4 結(jié) 語

此系統(tǒng)硬件采用PLC加采集模塊，軟件采用PLC編程軟件，具有可靠性高、功能修改方便、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[5]。已經(jīng)成功應(yīng)用到某廠28 000 t的吊船上，且順利通過船東、船級(jí)社及船廠的實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)收，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行性能穩(wěn)定可靠，性價(jià)比較高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國(guó)船舶工業(yè)總公司．船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)(電氣分冊(cè))[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1999.

[2] 石殿鈞．工程起重機(jī)械[M]．北京：水利電力出版社,1987．

[3] 陸瑞松．內(nèi)燃機(jī)的傳熱與負(fù)荷[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社.1985．

[4] 北京凱翔高科科技公司．船用大功率干式負(fù)載[Z]．2011.

[5] 宋伯生．PLC編程理論、算法及技巧[M]． 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.