浮體式水電阻的設(shè)計(jì)與制作

荊 超 楊銘雪 秦亞軍

（煙臺(tái)打撈局船廠 煙臺(tái)264000）

浮體式水電阻的設(shè)計(jì)與制作

荊 超 楊銘雪 秦亞軍

（煙臺(tái)打撈局船廠 煙臺(tái)264000）

文章旨在為船廠實(shí)現(xiàn)大功率設(shè)備的負(fù)荷試驗(yàn)，在對(duì)比傳統(tǒng)負(fù)荷試驗(yàn)設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，闡述了大功率負(fù)荷試驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)方法，并以煙臺(tái)打撈局船廠建造的3 600 t打撈工程船為例，給出了浮體式水電阻制作的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)試驗(yàn)證明，該方案達(dá)到了大功率設(shè)備負(fù)荷試驗(yàn)的要求，并且改變了傳統(tǒng)的船舶下水后進(jìn)行負(fù)荷試驗(yàn)的方法，縮短了船舶下水調(diào)試周期，提高了碼頭利用率。

負(fù)荷試驗(yàn)；水電阻；電抗器；負(fù)載

引 言

船舶電站是全船動(dòng)力系統(tǒng)的核心，電站的運(yùn)行質(zhì)量直接關(guān)系到船舶的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及船舶安全，因此電站必須做到可靠、穩(wěn)定，這就決定了電力負(fù)荷試驗(yàn)的重要性。目前，大多數(shù)船廠在進(jìn)行負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，仍選用水電阻作為有功負(fù)載，選用電抗器作為無(wú)功負(fù)載。

3 600 t打撈工程船是煙臺(tái)打撈局船廠建造的一艘電力推進(jìn)船，該船起重機(jī)、推進(jìn)系統(tǒng)、移船絞車、艏側(cè)推等大型設(shè)備均采用變頻驅(qū)動(dòng)方式，因此電站容量較大，共有1 150 kW主發(fā)電機(jī)組4臺(tái)，250 kW停泊發(fā)電機(jī)組1臺(tái)，無(wú)論單機(jī)試驗(yàn)或是并車運(yùn)行，船廠現(xiàn)有負(fù)荷試驗(yàn)設(shè)備已遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。因此，為順利實(shí)現(xiàn)設(shè)備的負(fù)荷試驗(yàn)，文章以3 600 t打撈工程船為例，從改進(jìn)負(fù)荷試驗(yàn)設(shè)備入手，探討大功率船舶電站負(fù)荷試驗(yàn)的新方法。

1 負(fù)荷試驗(yàn)主要設(shè)備——水電阻與電抗器

在做船舶電站負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，水電阻是提供有功小于1 000 kW的機(jī)組，3 600 t打撈工程船最大工況時(shí)需3臺(tái)發(fā)電機(jī)組并車，總功率為1 150 kW×3 = 3 450 kW，現(xiàn)有水電阻已遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，因此需要設(shè)計(jì)新型水電阻。

2 3 600 t打撈工程船負(fù)荷試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

功率的負(fù)載，電抗器是提供無(wú)功功率的負(fù)載。兩種消耗功率的設(shè)備并聯(lián)接入發(fā)電機(jī)控制屏的母線上，提供發(fā)電機(jī)試驗(yàn)時(shí)所需要的有功負(fù)荷和無(wú)功負(fù)荷。

1.1 水電阻

傳統(tǒng)水電阻是將極板浸入一個(gè)以鹽水（按所需導(dǎo)電率稀釋）或海水為電解質(zhì)的儲(chǔ)液缸中，通過(guò)改變極板浸入水中的面積來(lái)改變負(fù)荷的大小。其組成部分主要是儲(chǔ)液缸、極板、極板升降機(jī)構(gòu)以及升降機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)。

這種水電阻的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、便于維護(hù)，但其缺點(diǎn)頗多：

（1）電解質(zhì)容量有限，將使試驗(yàn)大功率負(fù)載時(shí)水電阻的體積過(guò)大。

（2）電纜需從極板連接到主配電板的匯流排上，且部分電纜需隨極板上下運(yùn)動(dòng)。

（3）電解質(zhì)導(dǎo)電率不易控制，實(shí)際操作中一般通過(guò)人工加鹽和淡水來(lái)調(diào)節(jié)導(dǎo)電率，并沒(méi)有準(zhǔn)確的配方比。

（4）負(fù)載不穩(wěn)定，儲(chǔ)液缸里的電解質(zhì)溫度不均衡，往往是極板浸入部分溫度很高，而極板未到達(dá)部分溫度較低。隨著電解質(zhì)溫度升高，使其導(dǎo)電率發(fā)生變化，當(dāng)極板浸入部分溫度達(dá)到100℃時(shí)，液面沸騰且有電解質(zhì)飛濺，使極板接觸面積發(fā)生不規(guī)則變化，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)負(fù)載不穩(wěn)定，對(duì)發(fā)電機(jī)損害較大。

1.2 電抗器

電抗器在負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)主要有以下三個(gè)作用：一是對(duì)發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率進(jìn)行交換［1］，二是防止負(fù)荷電流突變，三是模擬船舶實(shí)際工況。由于船上絕大多數(shù)負(fù)載是感性負(fù)載，功率因數(shù)一般在0.8左右；如果單純用水電阻作負(fù)載，功率因數(shù)為1，因此效用試驗(yàn)時(shí)并入電抗器，可將功率因數(shù)調(diào)整至0.8，這樣更接近真實(shí)負(fù)載狀態(tài)。

1.3 船廠現(xiàn)有負(fù)荷設(shè)備情況

船廠現(xiàn)有水電阻容量較小，僅適用于總功率

2.1 浮體式水電阻構(gòu)想

3 600 t打撈工程船最大工況時(shí)，3臺(tái)發(fā)電機(jī)組并車，總功率為3 450 kW，如果按照傳統(tǒng)水電阻制作，那么其體積將非常大，因此，我們將水電阻負(fù)載制成浮體式，并將浮體部分安裝于一個(gè)海水柜上，就成為一個(gè)水電阻柜，通過(guò)一個(gè)潛水泵將海水引到水電阻內(nèi)，使水電阻內(nèi)的海水與大海的海水進(jìn)行交換，達(dá)到水電阻內(nèi)海水降溫的目的，此時(shí)只需改變浸入海水的極板面積（或高度）就可以滿足大功率負(fù)荷試驗(yàn)。

此浮體式水電阻主要有以下幾大優(yōu)點(diǎn)：

（1）以海水為電解質(zhì)，通過(guò)潛水泵進(jìn)行海水交換，完全能滿足3 600 t打撈工程船大功率負(fù)荷試驗(yàn)。

（2）海水是相對(duì)穩(wěn)定的電解質(zhì)，其導(dǎo)電率一致，使得極板浸入海水過(guò)程中，負(fù)荷電流變化穩(wěn)定。

（3）海水通過(guò)潛水泵循環(huán)，散熱較好，因此水溫變化不大，更不會(huì)出現(xiàn)液面沸騰飛濺現(xiàn)象，負(fù)載比較穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)造成損害。

（4）可以放在船臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，而不必放在海水中。

2.2 浮體式水電阻結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)水電阻不同，由于浮體式水電阻放置在海水柜中，因此主要有以下幾部分基本結(jié)構(gòu)組成：

負(fù)載：主要由極板、極板支架組成；極板用鋼板制做，極板支架用鋼管和絕緣膠木制作。

浮體支撐機(jī)構(gòu)：由浮體、支架組成；浮體可用鋼板制作。

升降機(jī)構(gòu)：由水電阻支架頂端的滑輪、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、控制箱和遙控按鈕盒組成，電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)安裝于水電阻浮體上。

2.2.1 參數(shù)確定

3 600 t打撈工程船電站共有AC 400 V、3相、50 Hz、1 150 kW發(fā)電機(jī)4臺(tái)，根據(jù)負(fù)荷計(jì)算書，最大負(fù)荷狀態(tài)為3臺(tái)主發(fā)電機(jī)100%負(fù)荷并車運(yùn)行，由此，水電阻設(shè)計(jì)功率取4 000 kW，考慮到極板面積過(guò)大及極板連接電纜重量，決定分別制作2個(gè)水電阻（結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1），每個(gè)水電阻功率為2 000 kW，單機(jī)試驗(yàn)時(shí)可用1個(gè)水電阻，并車試驗(yàn)可同時(shí)投入2個(gè)水電阻。

水電阻的等值電路為三角形接法，其阻值與極板浸水面積、極板間距的關(guān)系式為

式中：R線為線電阻，Ω；

ρt為電解質(zhì)電阻率，Ω·m2/ m；

L為極板間距，m；

S為極板浸水面積，m2。

式中：P為發(fā)電機(jī)功率，kW；

Ie為發(fā)電機(jī)額定電流，A；

cosφ = 0.8。

海水導(dǎo)電率ρt= 7.05×10-2Ω·m2/ m，極板與

中心的距離取0.45 m，所以極板間距為0.78 m。

得出：

得出：R線= 2.0×106/（3 609×0.8）2= 0.24Ω。

得出：

S = ρtL / R線= 7.05×104×0.78/0.24 = 22 9125 mm2= 0.229 m2，為留出余量，最終取出極板面積S為0.24 m2。

2.2.2 具體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

（1）為保證增減負(fù)載時(shí)電流平穩(wěn)，水電阻極板形狀設(shè)計(jì)為菱形，極板面積為0.24 m2，采用16 mm厚鋼板制作。

（2）每個(gè)極板連接1塊紫銅板，并安裝雙頭銅螺栓，用來(lái)接線。銅板和極板支架用絕緣膠木板、螺栓連接。

（3）浮體的形狀為“工”字形，在浮體之上分別安裝2個(gè)水電阻支架，在支架頂端安裝1個(gè)起升的穿減速器鋼絲的定滑輪。

（4）在浮體上安裝減速電動(dòng)機(jī)，減速器的防護(hù)等級(jí)為防水型。

圖1 水電阻結(jié)構(gòu)示意圖

（5）為方便檢修，在浮體上安裝1個(gè)防水型接線箱，負(fù)載上的電纜需在此與來(lái)自匯流排的電纜對(duì)接。

2.3 浮體式水電阻安放位置

根據(jù)3 600 t打撈工程船建造情況，為了縮短水下調(diào)試時(shí)間，準(zhǔn)備在船臺(tái)上進(jìn)行發(fā)電機(jī)組負(fù)荷試驗(yàn)。因此，將海水柜靠船舶側(cè)舷安裝，既節(jié)省電纜，也利于試驗(yàn)觀察，并可就近進(jìn)行負(fù)荷試驗(yàn)所必須的操作。

2.4 浮體式水電阻控制系統(tǒng)

浮體式水電阻的控制系統(tǒng)主要通過(guò)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行來(lái)改變極板浸入水中的面積，從而改變負(fù)荷大小。

2.4.1 水電阻控制箱

根據(jù)減速電動(dòng)機(jī)功率設(shè)計(jì)1個(gè)控制箱，能控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，通過(guò)減速機(jī)所帶鋼絲卷筒上的鋼絲拉動(dòng)負(fù)載上下運(yùn)動(dòng)。為保證安全，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行多種保護(hù)設(shè)計(jì)［2］?？刂葡浒卜旁诖现骷装暹m當(dāng)位置，控制箱的防護(hù)等級(jí)為防水型。

2.4.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)如圖2所示 。

2.4.3 控制原理簡(jiǎn)介

（1）正轉(zhuǎn)：按下按鈕BP1→KM1線圈得電→KM1觸點(diǎn)吸合→電動(dòng)機(jī)M正轉(zhuǎn)開(kāi)始，同時(shí)上升指示燈HL2亮，當(dāng)達(dá)到上限位開(kāi)關(guān)時(shí)，SQ1斷開(kāi)→電動(dòng)機(jī)M停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，極板離開(kāi)水面，負(fù)荷為0。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

（2）反轉(zhuǎn)：按下按鈕BP2→KM2線圈得電→KM2觸點(diǎn)吸合→電動(dòng)機(jī)M反轉(zhuǎn)開(kāi)始，同時(shí)下降指示燈HL3亮，當(dāng)達(dá)到下限位開(kāi)關(guān)時(shí)，SQ2斷開(kāi)→電動(dòng)機(jī)M停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，極板浸入水中面積最大，負(fù)荷最大。

在負(fù)荷試驗(yàn)過(guò)程中，可隨時(shí)按下按鈕BP3，使負(fù)荷保持在特定數(shù)值 。

2.4.4 遙控按鈕盒

負(fù)荷試驗(yàn)中，同樣可使用遙控按鈕盒來(lái)遙控電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行。

2.4.5 限位開(kāi)關(guān)

在支架的頂端安裝1個(gè)上限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)極板達(dá)到支架頂端時(shí)使減速電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，起到保護(hù)電動(dòng)機(jī)的作用。在鋼絲繩的適當(dāng)位置安裝1塊銜鐵，與支架上的下限位開(kāi)關(guān)接觸，達(dá)到下限位目的，從而防止連接極板的電纜在升降負(fù)載過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的拉力。

2.5 浮體式水電阻電纜

2.5.1 電纜型式選擇

根據(jù)上述計(jì)算，在最大工況3臺(tái)機(jī)組并車時(shí)，水電阻

船廠現(xiàn)有負(fù)荷試驗(yàn)電纜為單根1×150×10-6m2，由于單根電纜比三芯三角形排列電纜損耗大，故將其載流量留出10%的余量，為329 A，為充分利用這些電纜，可在此基礎(chǔ)上采購(gòu)相同規(guī)格的電纜，每相需電纜11根，兩個(gè)水電阻共需66根電纜。

2.5.2 電纜連接

電纜在敷設(shè)時(shí)不能繞圈，主要原因：一是防止電流繞圈時(shí)產(chǎn)生電磁感應(yīng)引起渦流效應(yīng)，二是電纜在額定功率使用時(shí)是靠空氣散熱，繞圈不利于散熱。

2.6 負(fù)荷試驗(yàn)主要過(guò)程

根據(jù)3 600 t打撈工程船負(fù)荷試驗(yàn)大綱，負(fù)荷試驗(yàn)首先需進(jìn)行單臺(tái)機(jī)組試驗(yàn)，然后進(jìn)行并聯(lián)機(jī)組試驗(yàn)，兩兩并聯(lián)、三三并聯(lián)，最大工況時(shí)為3臺(tái)機(jī)組并聯(lián)。

3 結(jié) 論

目前，3 600 t打撈工程船負(fù)荷試驗(yàn)水電阻已按照該方案制成并完成負(fù)荷試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)滿足負(fù)荷試驗(yàn)要求。該水電阻不僅可以在船臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，而且可以滿足大功率負(fù)荷試驗(yàn)的需要，對(duì)中小型船廠在造船技術(shù)方面的改進(jìn)起到較大推進(jìn)作用。

［1］ 史際昌.船舶電氣［M］.大連： 大連海事學(xué)院出版社，2005.

［2］ 王文義.船舶電站［M］. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006.

［3］ 袁繼華.船舶電氣安裝與調(diào)試［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1979.

Design and production of fl oating hydroelectric resistor

JING Chao YANG Ming-xue QIN Ya-jun
(Shipyard of Yantai Salvage Bureau, Yantai 264000, China)

In order to realize the load test for high power equipment of shipyard, the improvement method for the equipment is expounded based on the comparison with the traditional equipment. With example of Yantai wreching bureau’s 3600 t salvage craft, the design of fl oating hydroelectric resistance has been presented. The design can meet the requirement of the load test , and has changed the way that the load test has to be done after launching, which shortens the period of ship launching debug and improve the ef fi ciency of the dock.

load test; hydroelectric resistor; reactor; load

U674.3+3

A

1001-9855（2014）03-0080-05

2013-10-24 ；

2013-11-21

荊 超（1981-），男，工程師，主要從事輪機(jī)自動(dòng)化研究。

楊銘雪（1986-），女，助理工程師，主要從事電氣自動(dòng)化研究。

秦亞軍（1982-），女，工程師，主要從事船舶與海洋工程研究。