船舶發(fā)電機(jī)測試用大型鹽水缸負(fù)載設(shè)計(jì)與制造探討

杜洪學(xué)　黃展明

摘要：本文根據(jù)廣新海事重工股份有限公司自研制的6 000 kW船舶發(fā)電機(jī)測試負(fù)載裝置的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)實(shí)踐，分析總結(jié)大型鹽水缸及其電極板組設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，為類似的大功率消耗型鹽水缸負(fù)載裝置的研究、設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：鹽水缸；電極板組；設(shè)計(jì)與制造

1.引言

船舶發(fā)電機(jī)組進(jìn)行系泊試驗(yàn)時(shí)，必須用到大功率可調(diào)節(jié)負(fù)載。目前各船廠使用的假負(fù)載主要有濕式和干式兩種。濕式鹽水缸負(fù)載雖然有穩(wěn)定性略差、精確度較低及不適應(yīng)于航行中試驗(yàn)等問題，但其制造維護(hù)成本低、功率范圍大、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，仍被各船廠廣泛使用。

廣新海事重工股份有限公司為滿足新型大功率電推船試驗(yàn)的要求，自行研制新型氣壓控制式6 000 kw大型鹽水缸測試負(fù)載裝置。本測試負(fù)載裝置相比傳統(tǒng)的機(jī)械閘門控制式或電極板升降式鹽水缸，具有操作簡便、電流波動小、自動化程度高，且建造成本低、性能穩(wěn)定、免于維護(hù)，有一定的推廣價(jià)值。

2.測試負(fù)載裝置的組成與功能介紹

測試負(fù)載裝置由3個(gè)鹽水缸（阻性負(fù)載）、3臺可調(diào)電抗器（感性負(fù)載）、測量/記錄儀表與自動控制系統(tǒng)四部分組成，能模擬出系泊試驗(yàn)時(shí)發(fā)電機(jī)測試規(guī)范所要求的各種工況和負(fù)載特性，以供船用柴油發(fā)電機(jī)組、應(yīng)急發(fā)電機(jī)組、軸帶發(fā)電機(jī)等進(jìn)行單機(jī)/并機(jī)測試各項(xiàng)穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)特性試驗(yàn)，并可實(shí)時(shí)記錄電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率、瞬時(shí)電壓波形、反應(yīng)調(diào)整時(shí)間、調(diào)速率等參數(shù)，以供分析研究和檢驗(yàn)之用。

3.鹽水缸設(shè)計(jì)方案

鹽水缸采用全自動氣壓控制式，每個(gè)鹽水缸為長方柱形結(jié)構(gòu)，用鋼板分隔為上下兩缸，下缸一側(cè)用鋼板隔出一個(gè)長條形通道，使下缸底部與上缸底部連通。打開加氣電磁閥在下缸的上部加入壓縮空氣，使下缸中的水經(jīng)長條形通道進(jìn)入上缸，上缸的水位升高時(shí)，固定在上缸中的電極板組的浸水面積增大、電極板間的電阻變小，連接電極板組的發(fā)電機(jī)的電流上升、功率增大。反之，打開放氣電磁閥放出下缸上部的空氣，上缸的水經(jīng)過長條形通道流回下缸，電極板組的浸水面積減小，發(fā)電機(jī)的功率因而降低。鹽水缸結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

測量儀表測出電極板組消耗的實(shí)時(shí)電流，功率值，與按發(fā)電機(jī)試驗(yàn)需求設(shè)定的電流，功率值進(jìn)行對比，控制系統(tǒng)根據(jù)對比結(jié)果自動打開或關(guān)閉下缸的加氣電磁閥或放氣電磁閥，從而使鹽水缸負(fù)載電流/功率自動保持在設(shè)定電流，功率的控制范圍內(nèi)。同時(shí)，測量儀表測出負(fù)載裝置的實(shí)時(shí)功率因數(shù)值，與設(shè)定的功率因數(shù)值進(jìn)行對比，控制系統(tǒng)根據(jù)對比結(jié)果自動控制可調(diào)電抗器的電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而使負(fù)載的功率因數(shù)自動保持在設(shè)定值的允許范圍內(nèi)。

電極板組由多片長方形不銹鋼薄板按等距離平行排列方式組成（如圖2電極板組所示），總片數(shù)n為3的整數(shù)倍；片與片之間用絕緣棒相互支撐并聯(lián)結(jié)成為一個(gè)整體，再用絕緣板通過橫梁吊掛固定在上缸中。電極片按ABC順序分為3組并聯(lián)，形成三相“△”接法等效電阻。三相用銅母排經(jīng)電控柜電動斷路器和電纜連接到船上發(fā)電機(jī)配電柜。

3個(gè)鹽水缸各自獨(dú)立設(shè)計(jì)，既可單獨(dú)使用又可并聯(lián)使用。

4.1電極板組設(shè)計(jì)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)

（1）電極板采用耐腐蝕的不銹鋼亞光板，不能用銅板、鋼板、鍍鋅板等材料；

（2）電極板為正方形或長方形薄板，板面平直無彎曲凹陷變形，板邊無毛刺、披風(fēng)；

（3）電極板厚度取1.5 mm～2.5 mm，太厚成本增加、太薄則容易變形；

（4）極板四角及中間鉆孔，用兩端帶螺孔的聚四氟乙烯絕緣棒（塑料王）在板之間均勻支撐并相互鎖緊，形成一個(gè)整體，防止變形或通電時(shí)產(chǎn)生震動；

（5）極板間距一般取100mm～120mm，太大則鹽水缸體積也要增大造成成本上升；過小則不利鹽水的流動和散熱，并可能在鹽水濃度高時(shí)在極板間產(chǎn)生爆濺現(xiàn)象；

（6）極板邊緣與缸壁距離一般取極板間距的2～3倍，太小則極板對地放電增加，影響三相電流平衡，太大則鹽水缸容積利用率降低；

（7）電極板組的上沿應(yīng)略低于鹽水缸最高水位，以便充分利用極板；

（8）3組極板的并聯(lián)可在裝配后采用不銹鋼板焊接而成方形，以避免銅母排接口的氧化；

（9）銅母排過流能力計(jì)算必須采用高溫參數(shù)并留有足夠裕度，在缸面部分最好是立式安裝以減輕熱蒸汽的影響。式中：p-電極組消耗功率（w）；

u-電極所加電壓有效值，即發(fā)電機(jī)相電壓（v）；

w-電極板寬度（mm）；

h-電極板高度（mm）；

d-電極板間距（mm）；

m-電極板組數(shù)，即板數(shù)n/3；

p-鹽水的電阻率（Ωm）。

注：本公式忽略了交流電頻率、平板電容、鹽水流速及溫度等因素的影響。

4.3電極板組計(jì)算公式使用方法

上述公式為電極組設(shè)計(jì)后校驗(yàn)鹽水缸功率容量之用，也可在設(shè)計(jì)過程根據(jù)功率容量的需求初步計(jì)算電極板尺寸或組數(shù)（極板數(shù)量）。

根據(jù)常溫自來水的電阻率p（一般25～100Ωm，取50 Ωm）及電極板尺寸w、h、m及電壓u等基本數(shù)據(jù)，計(jì)算在自來水工況下的鹽水缸滿水功率容量P；

計(jì)算得到的P值應(yīng)為鹽水缸最大設(shè)計(jì)功率容量Pmax的25%左右，如偏差較大則需要進(jìn)行電極板設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整；

根據(jù)公式計(jì)算鹽水缸最大設(shè)計(jì)功率容量Pmax的鹽水電阻率p，按表1查出對應(yīng)的鹽水濃度ppm；

再根據(jù)滿水時(shí)的容積計(jì)算出最大功率加鹽量和各功率段的加鹽量。

5.提高鹽水缸功率穩(wěn)定性的技術(shù)措施

（1）利用膜片式氣用電磁閥開關(guān)迅捷的特點(diǎn)，在設(shè)置測量儀表的上下限范圍時(shí)盡量取窄，使壓縮空氣的充/放調(diào)節(jié)時(shí)間更短，可達(dá)到控制功率波動度≤1%的水平甚至更低；

（2）為降低上下缸調(diào)節(jié)水流的涌動對電極板的影響，電極板片的布置方向應(yīng)與長條形通道垂直，使水流涌動對各電極板影響相同；

（3）為防止鹽水沸騰以及鹽水濃度不均勻造成的功率波動，可增加使工作水循環(huán)散熱的冷卻系統(tǒng)（冷卻水塔），控制鹽水溫度≤65℃保證不沸騰并使鹽水濃度均勻；

（4）根據(jù)測試的最大功率需求計(jì)算需要的鹽水濃度估算加鹽量，不因過度加鹽導(dǎo)致工作水量太少加劇功率波動。

6.改善三相電流不平衡問題的技術(shù)措施

（1）由于邊緣兩片A1（A相邊緣片）和Cn（C相邊緣片）的外表面沒有相對的電極，故A、C相電流小于B相電流造成三相不平衡，可加大中間部分的A和C片的寬度，增加寬度按w/m計(jì)得；

（2）缸體嚴(yán)格接地，并在上缸內(nèi)壁涂布較厚的耐熱環(huán)氧樹脂以降低三相電流不平衡。

7.結(jié)束語

由于干式負(fù)載技術(shù)的發(fā)展，有些船廠在新增測試負(fù)載裝置時(shí)傾向于更穩(wěn)定的新型干式負(fù)載裝置。但鹽水缸式負(fù)載的投資成本比干式負(fù)載低得多，如我司研制成功的6 000 kW鹽水缸式負(fù)載的投資成本只有國內(nèi)干式負(fù)載價(jià)格的一半，一套可節(jié)省投資近300萬元。本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、制造克服了傳統(tǒng)舊式鹽水缸的諸多缺陷，經(jīng)一年多以來的使用，其性能穩(wěn)定、操作方便，有較高的經(jīng)濟(jì)效益，對鹽水缸的研究、設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。