楊亞男, 徐雪波, 于智勇
(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司, 上海 200129)
速降模式雙機(jī)并車原理解析及應(yīng)用驗(yàn)證
楊亞男, 徐雪波, 于智勇
(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司, 上海 200129)
介紹一種新的船用柴油推進(jìn)主機(jī)并車原理的應(yīng)用,概述雙機(jī)并車技術(shù)的背景應(yīng)用、控制要求和方法,通過(guò)對(duì)調(diào)速器特性的分析從而對(duì)速降模式控制方法的工作原理進(jìn)行解析。總結(jié)幾種常規(guī)調(diào)速器的穩(wěn)態(tài)特性,結(jié)合某船柴油主機(jī)調(diào)速器的配置及其速降模式雙機(jī)并車方法的應(yīng)用,在航行試驗(yàn)中進(jìn)行雙機(jī)負(fù)荷分配平衡精度驗(yàn)證,通過(guò)實(shí)船應(yīng)用驗(yàn)證可知該并車控制方法可達(dá)到較高的功率分配精度。
雙機(jī)并車;速降模式;負(fù)荷分配平衡
現(xiàn)代船舶對(duì)于快速性和機(jī)動(dòng)性的要求日趨提高,柴油機(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置(COmbined Diesel And Diesel, CODAD)應(yīng)用日趨增多,這種采用2臺(tái)柴油機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸節(jié)、并車齒輪箱共同驅(qū)動(dòng)1根螺旋槳軸的四機(jī)雙槳推進(jìn)動(dòng)力裝置能提供較大的輸出功率,大幅拓展優(yōu)質(zhì)柴油機(jī)的功率覆蓋范圍, 提供多種推進(jìn)模式以滿足船舶對(duì)不同工況的高性能要求,大幅提升船舶的快速性、續(xù)航力、生命力等重要指標(biāo)。在雙機(jī)并車中,柴油機(jī)控制系統(tǒng)必須采用合理的并車控制方法和控制邏輯來(lái)確保在各種工況下并車柴油機(jī)的輸出功率能均衡分配,雙機(jī)負(fù)荷平衡是衡量并車控制方法優(yōu)劣的重要指標(biāo)。本文著重對(duì)船舶常用的相同型號(hào)及轉(zhuǎn)速的2臺(tái)柴油機(jī)的并車控制方法進(jìn)行分析,以某軍貿(mào)船推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用的MTU16V1163-TB93系列柴油機(jī)為例,分析其雙機(jī)并車控制原理和控制邏輯,并通過(guò)航行試驗(yàn)對(duì)控制效果進(jìn)行驗(yàn)證。
1.1 控制要求
雙機(jī)并車的常規(guī)控制要求是:在并車的瞬間,2臺(tái)柴油機(jī)通過(guò)齒輪箱剛性連接,接排柴油機(jī)應(yīng)與在排柴油機(jī)轉(zhuǎn)速相同,此時(shí)要求接排柴油機(jī)在接排瞬間不會(huì)對(duì)在排柴油機(jī)產(chǎn)生沖擊負(fù)荷,然后2臺(tái)柴油機(jī)按既定的控制邏輯分配負(fù)荷,平穩(wěn)進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移。負(fù)荷分配過(guò)程在柴油機(jī)上最直觀的反應(yīng)就是油門刻度表讀數(shù)的變化,并聯(lián)運(yùn)行過(guò)程控制的關(guān)鍵是使功率分配始終保持平衡。目前國(guó)內(nèi)對(duì)采用電子調(diào)速器的柴油機(jī)控制系統(tǒng)的雙機(jī)并車負(fù)荷分配平衡精度要求一般為差度不大于5%[1]。
1.2 控制方法
傳統(tǒng)的柴油機(jī)雙機(jī)并車控制方法一般有3種:主從調(diào)速器控制方法、單調(diào)速器控制方法和速降模式控制方法。國(guó)內(nèi)船舶柴油機(jī)雙機(jī)并車采用較多的是主從調(diào)速器法和單調(diào)速器法[1],速降模式控制方法應(yīng)用較少,有時(shí)僅僅作為主從調(diào)速器法的后備控制方式。例如,某船柴油主機(jī)配置了歐羅巴Viking 25調(diào)速器,正常情況下雙機(jī)并車控制方法為主從調(diào)速器法,如果主從調(diào)速器之間出現(xiàn)CANBUS通信故障,后備并車控制方法速降模式才起作用。前兩種控制方法相關(guān)文獻(xiàn)較多,本文不再贅述 ,這里主要詳細(xì)分析速降模式控制方法。
要了解速降模式控制方法的工作原理,必須從柴油機(jī)調(diào)速器及其調(diào)速特性入手。柴油機(jī)調(diào)速器是一種自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置,它根據(jù)柴油機(jī)負(fù)荷的變化,自動(dòng)增減供油量,使其轉(zhuǎn)速維持在規(guī)定范圍內(nèi)。調(diào)速器調(diào)速特性是指柴油機(jī)在調(diào)速器控制下運(yùn)行時(shí),其負(fù)荷與轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)關(guān)系,以轉(zhuǎn)速為縱坐標(biāo)、負(fù)荷為橫坐標(biāo)作圖,得到調(diào)速器的調(diào)速特性曲線。調(diào)速器穩(wěn)態(tài)特性包括轉(zhuǎn)速同步特性和速降特性兩種。
2.1 轉(zhuǎn)速同步特性
在調(diào)速器轉(zhuǎn)速同步特性作用下,無(wú)論柴油機(jī)在負(fù)荷范圍內(nèi)如何變化,其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速均與調(diào)速器指定轉(zhuǎn)速保持一致,其速降特性典型圖如圖1所示。這種調(diào)速特性在柴油機(jī)恒轉(zhuǎn)速控制(軸帶發(fā)電機(jī)模式)時(shí)非常有利,作為船舶發(fā)電原動(dòng)機(jī)的柴油機(jī),要求能在外界負(fù)荷變化時(shí)保持恒定轉(zhuǎn)速,以保證發(fā)電機(jī)的頻率恒定在要求的控制范圍內(nèi),此時(shí)必須使用轉(zhuǎn)速同步特性調(diào)速器。
圖1 調(diào)速器同步轉(zhuǎn)速特性典型圖
2.2 速降特性
在調(diào)速器速降特性作用下,柴油機(jī)空載至滿載負(fù)荷范圍內(nèi),其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速會(huì)隨著柴油機(jī)負(fù)荷的增加(或減少)而按一定速降比δ下降(或上升),其特性典型圖如圖2所示,速降比δ(也稱為穩(wěn)態(tài)調(diào)速率)可以通過(guò)式(1)計(jì)算。
圖2 調(diào)速器速降特性典型圖
(1)
2.3 幾種常規(guī)調(diào)速器的穩(wěn)態(tài)特性
隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,調(diào)速器經(jīng)歷了由機(jī)械調(diào)速器、液壓調(diào)速器到電子調(diào)速器的飛躍。
機(jī)械調(diào)速器是典型的速降特性調(diào)速器,它不能保持柴油機(jī)在調(diào)速前后的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速不變,即δ必大于零。在外負(fù)荷減少時(shí),調(diào)節(jié)后的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速要比原穩(wěn)定轉(zhuǎn)速稍高,反之當(dāng)外負(fù)荷增加時(shí),調(diào)節(jié)后的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速要比原穩(wěn)定轉(zhuǎn)速稍低,產(chǎn)生這種轉(zhuǎn)速差的根本原因在于感應(yīng)元件與油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)之間采用剛性連接。
液壓調(diào)速器分無(wú)反饋機(jī)構(gòu)和有反饋機(jī)構(gòu)兩種型式,無(wú)反饋機(jī)構(gòu)的液壓調(diào)速器不能根據(jù)外負(fù)荷變化既準(zhǔn)確又“適可而止”地改變供油量,容易因?yàn)閼T性而過(guò)度矯正,不利于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的快速調(diào)節(jié)和穩(wěn)定,且存在固定轉(zhuǎn)速差。在液壓調(diào)速器中增加反饋機(jī)構(gòu)可以減少柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng),而分別采用剛性反饋和彈性反饋機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)有速差和無(wú)速差兩種特性,因此就有了雙反饋機(jī)構(gòu)液壓調(diào)速器,它既可以使調(diào)速過(guò)程穩(wěn)定,又能通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)剛性反饋杠桿的2力臂比例來(lái)實(shí)現(xiàn)速降比δ在0到一定范圍內(nèi)變化。
電子調(diào)速器的特點(diǎn)是信號(hào)監(jiān)測(cè)及控制調(diào)整均采用電氣方式,其調(diào)速特性可選并且速降比δ在0(同步)到某值(例如最大可達(dá)到5%的轉(zhuǎn)速降)之間可調(diào),實(shí)現(xiàn)了調(diào)速器特性選擇的數(shù)字化、便捷化,同時(shí)又徹底擺脫了機(jī)械慣性和機(jī)械摩擦的影響,性能較機(jī)械和液壓調(diào)速器有顯著提高,在船用柴油機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。
2.4 速降模式雙機(jī)并車控制原理
2臺(tái)相同型號(hào)并配置了相同速降比調(diào)速器的柴油機(jī)A和B并聯(lián)運(yùn)行,并車時(shí)兩機(jī)的負(fù)荷轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖3所示。假設(shè)A在100%負(fù)荷、轉(zhuǎn)速為a的工況下運(yùn)行,B要求與A并聯(lián)運(yùn)行,兩機(jī)通過(guò)齒輪箱剛性連接。并車時(shí)B將在0負(fù)荷、轉(zhuǎn)速為a的工況下運(yùn)行,為更好地理解負(fù)荷分配,可以從相反的方向讀取A和B的特性曲線,如圖4所示,可以看出若無(wú)外界干涉,B根本無(wú)法轉(zhuǎn)移A的負(fù)荷,所以在并車前需要稍微增加B的轉(zhuǎn)速到b′,柴油機(jī)B特性曲線被抬升到與A同一水平,即B′曲線。并車后由于齒輪箱的剛性連接特性,兩機(jī)同步運(yùn)行在新的轉(zhuǎn)速點(diǎn)上,該轉(zhuǎn)速略低于B并車前的給定轉(zhuǎn)速b′且高于A并車前的給定轉(zhuǎn)速a。在調(diào)速器作用下,B將增大油門開度來(lái)增加實(shí)際轉(zhuǎn)速,A將減小油門開度來(lái)降低實(shí)際轉(zhuǎn)速,隨著兩機(jī)油門開度的增減,負(fù)荷開始由A轉(zhuǎn)移到B,此時(shí)調(diào)速器在速降特性作用下,幾乎相當(dāng)于負(fù)荷調(diào)節(jié)器,通過(guò)調(diào)節(jié)B的給定轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)兩機(jī)負(fù)荷直到負(fù)荷平衡。
圖3 雙機(jī)并車兩機(jī)穩(wěn)態(tài)特性
圖4 雙機(jī)并車兩機(jī)等分負(fù)荷
2.5 速降模式雙機(jī)并車適用條件
值得注意的是,因?yàn)檫@種控制方法是通過(guò)速降原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因此必須滿足以下條件方能實(shí)現(xiàn)精確的負(fù)荷分配:
(1) 并車柴油機(jī)之間采用剛性連接,如通過(guò)摩擦片式離合器并車,而液力耦合器等滑差離合器由于其彈性連接滑差較大,此種方法將不能實(shí)現(xiàn)理想的負(fù)荷分配精度。
(2) 并車柴油機(jī)調(diào)速器速降比δ相等且均大于0。
3.1 調(diào)速器配置
該船由4臺(tái)MTU16V1163-TB93主機(jī)和2臺(tái)摩擦片式齒輪箱驅(qū)動(dòng)螺旋槳軸,組成四機(jī)雙槳推進(jìn)動(dòng)力裝置。其中主機(jī)控制系統(tǒng)(Engine Control System, ECS)的調(diào)速單元為電子調(diào)速器,采用電子式信號(hào)監(jiān)測(cè)、PID控制器和電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖5為調(diào)速系統(tǒng)控制原理圖。在該船航行過(guò)程中,主機(jī)設(shè)定調(diào)速器速降比為5%,即調(diào)速器穩(wěn)態(tài)特性為速降特性。
3.2 在速降模式下主機(jī)轉(zhuǎn)速的控制邏輯
在實(shí)際操縱過(guò)程中,MTU遙控系統(tǒng)RCS-5CPP/DAD對(duì)操縱人員要求的給定轉(zhuǎn)速值進(jìn)行邏輯判斷,根據(jù)速降給出轉(zhuǎn)速指令補(bǔ)償,確定控制給定值。作為圖5調(diào)速系統(tǒng)的輸入1,經(jīng)過(guò)環(huán)節(jié)2后,與實(shí)際測(cè)量的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)相比求得轉(zhuǎn)速瞬時(shí)偏差,通過(guò)轉(zhuǎn)速PID控制器(結(jié)合主機(jī)熱工參數(shù)限制曲線限制和修正)和油門PID控制器計(jì)算出油門動(dòng)作量電信號(hào),輸出給感應(yīng)元件電磁機(jī)構(gòu),經(jīng)液壓?jiǎn)卧糯蠛笸蟿?dòng)油門拉桿調(diào)節(jié)柴油機(jī)的循環(huán)油量,整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速和油門齒條行程信號(hào)反饋下形成雙閉環(huán)系統(tǒng),轉(zhuǎn)速波動(dòng)率和不靈敏度相對(duì)較小。表1是該船航行試驗(yàn)中某一動(dòng)態(tài)調(diào)速狀態(tài)下,根據(jù)MTU調(diào)試人員監(jiān)控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)頁(yè)面整理形成的數(shù)據(jù)表格,此時(shí)左右2軸分別有1號(hào)主機(jī)和2號(hào)主機(jī)在排。當(dāng)操縱人員給定轉(zhuǎn)速為1 325 r/min時(shí),遙控系統(tǒng)內(nèi)部程序根據(jù)此時(shí)的主機(jī)負(fù)荷所占額定功率百分比及速降比計(jì)算出此時(shí)的理論速度降,在給定轉(zhuǎn)速指令上進(jìn)行速度補(bǔ)償,RCS-5CPP/DAD實(shí)際內(nèi)部輸出轉(zhuǎn)速指令為:1 325×(1+4.7%)= 1 388 r/min左右。
圖5 MTU16V1163-TB93柴油機(jī)調(diào)速器原理
表1 MTU調(diào)試用監(jiān)控計(jì)算機(jī)主機(jī)參數(shù)頁(yè)面數(shù)據(jù)
3.3 雙機(jī)并車控制流程
與本文2.4節(jié)中描述的控制邏輯一致,例如同軸2臺(tái)主機(jī)(1號(hào)和3號(hào))雙機(jī)并車,1號(hào)主機(jī)已在排,實(shí)際穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為n1act,遙控系統(tǒng)給待接排3號(hào)主機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速n3nom=n1act+30 r/min,雙機(jī)接排,在新的同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)上運(yùn)行并等分軸上的負(fù)荷。在雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)行中,隨著軸上負(fù)荷的變化,遙控系統(tǒng)不斷地比較2臺(tái)主機(jī)的功率儲(chǔ)備(相當(dāng)于比較兩機(jī)發(fā)出的功率),根據(jù)儲(chǔ)備功率的偏差來(lái)判斷是否增加其中1臺(tái)主機(jī)的給定轉(zhuǎn)速來(lái)不斷地通過(guò)調(diào)速器實(shí)現(xiàn)油門增減,以實(shí)現(xiàn)兩機(jī)在新的同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)上運(yùn)行,從而實(shí)現(xiàn)兩機(jī)負(fù)荷分配平衡。解列時(shí)則動(dòng)作相反,遙控系統(tǒng)根據(jù)機(jī)槳匹配曲線將軸負(fù)荷降至安全范圍(單機(jī)承受最大負(fù)荷),給待脫排3號(hào)主機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速n3nom將低于并聯(lián)運(yùn)行兩機(jī)的同步轉(zhuǎn)速30 r/min。在調(diào)速器作用下,3號(hào)主機(jī)的油門減少,負(fù)荷被轉(zhuǎn)移至1號(hào)主機(jī),最終按同樣控制邏輯完成解列。詳細(xì)的雙機(jī)并車流程如圖6所示。
圖6 雙機(jī)并車控制流程
4.1 驗(yàn)證方法
由于目前實(shí)船實(shí)時(shí)在線測(cè)量柴油機(jī)的輸出功率存在安裝不便、穩(wěn)定性差、測(cè)量誤差大等缺點(diǎn),經(jīng)過(guò)對(duì)柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及實(shí)船運(yùn)行中柴油機(jī)各熱工參數(shù)的研究對(duì)比,認(rèn)為從理論上分析,2臺(tái)型號(hào)、額定功率相同的柴油機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí),油門位置相同時(shí)輸出功率也相同。圖7為集控室控制站人機(jī)界面主推進(jìn)系統(tǒng)主機(jī)頁(yè)面,可全面及時(shí)地在航行試驗(yàn)中觀察和記錄主機(jī)相關(guān)參數(shù)。
圖7 某船主推進(jìn)系統(tǒng)人機(jī)界面圖
主機(jī)額定功率為5 920 kW,額定轉(zhuǎn)速為1 325 r/min,根據(jù)主機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示主機(jī)額定功率下油門齒條位置刻度為73.1%,本文根據(jù)GJB 4000-2000中負(fù)荷分配平衡差度計(jì)算公式[2]計(jì)算。
(2)
式中:ΔPi為參加并聯(lián)運(yùn)行的第i臺(tái)主機(jī)的功率分配差度;Pi為參加并聯(lián)運(yùn)行的第i臺(tái)主機(jī)實(shí)際承擔(dān)的功率,kW;Pei為參加并聯(lián)運(yùn)行的第i臺(tái)主機(jī)的額定功率,kW。
4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
在首制船的航行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上,MTU針對(duì)各工況下負(fù)荷分配的情況和不足對(duì)遙控系統(tǒng)控制程序和參數(shù)不斷地進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn),并在后續(xù)船試驗(yàn)中應(yīng)用驗(yàn)證。根據(jù)實(shí)船應(yīng)用條件調(diào)整改進(jìn)后,在后續(xù)船航行試驗(yàn)各運(yùn)行工況下,右軸系并聯(lián)運(yùn)行主機(jī)(1號(hào)和3號(hào)主機(jī))和左軸系并聯(lián)運(yùn)行主機(jī)(2號(hào)和4號(hào)主機(jī))的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、油門刻度等數(shù)據(jù)分別記錄并計(jì)算處理,如表2和表3所示。
表2 實(shí)船雙機(jī)并車試驗(yàn)數(shù)據(jù)(右軸)
表3 實(shí)船雙機(jī)并車試驗(yàn)數(shù)據(jù)(左軸)
試驗(yàn)數(shù)據(jù)集表明,在各種工況下,同軸雙機(jī)的負(fù)荷分配不平衡度均能在(-2% ,+2%)區(qū)間,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)范要求的雙機(jī)并車負(fù)荷分配平衡精度指標(biāo)。
通過(guò)理論分析與實(shí)船航行試驗(yàn)驗(yàn)證中的數(shù)據(jù)分析,證明實(shí)船調(diào)試改進(jìn)后的速降模式雙機(jī)并車控制方法可以滿足柴油主機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性要求。控制方法在該系列3艘船上不斷調(diào)試改進(jìn),已能實(shí)現(xiàn)較高的負(fù)荷分配平衡精度,船東、船檢對(duì)此表示滿意。希望本文對(duì)該雙機(jī)并車控制方法在實(shí)船應(yīng)用中改進(jìn)、驗(yàn)證的分析論證能為今后類似控制方法的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和應(yīng)用借鑒。
[1] 侯馨光, 張敏.船舶主柴油機(jī)并車運(yùn)行新方法[J]. 上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào), 2007,30(2): 75-80.
[2] 中國(guó)人民解放軍總裝備部.艦船通用規(guī)范3組電力系統(tǒng):GJB 4000-2000[S].2000.
Principle Analysis and Application Verification of Speed Droop Mode Engine Paralleling
YANG Yanan, XU Xuebo, YU Zhiyong
(Hudong Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)
A new application of a paralleling method for the main diesel engine on board is introduced. The characteristic of the engine governor is analyzed so that the principle of the “droop” paralleling control method could be clarified with profundity and an easy-to-understand approach. The characteristic of some common governor is concluded. Combined with the configuration for a diesel engine governor of a ship and application of the droop mode paralleling method, dual load sharing accuracy is verified by sea trial. It can be concluded that the parallel control method can achieve higher power distribution accuracy.
engine paralleling; speed droop; load sharing accuracy
楊亞男(1984-),女,高級(jí)工程師,主要從事船舶電氣設(shè)計(jì)
1000-3878(2017)04-0072-07
TK42
A