船舶大功率應(yīng)急負(fù)載啟動方式選擇

曹征宇，周 婷

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

根據(jù)SOLAS定義，裝有用作非主推進(jìn)的、總輸出功率大于等于375kW的內(nèi)燃機(jī)處所為A類機(jī)械處所[1]，該處所需配置固定式水基滅火等消防措施，勢必增加造船成本，因此常規(guī)貨船通常選擇功率小于375kW的應(yīng)急發(fā)電機(jī)。但是，隨著船舶的大型化，舵機(jī)越來越大。此外，根據(jù)高膨脹率泡沫滅火系統(tǒng)規(guī)范MSC.327(90)的要求，泡沫必須在10min內(nèi)注滿最大保護(hù)空間[2]，應(yīng)急消防泵的排量隨之增大。由于應(yīng)急電站的容量有限，加上作為重要應(yīng)急負(fù)載的舵機(jī)和應(yīng)急消防泵的容量不斷增加，使得啟動大功率應(yīng)急負(fù)載時對電網(wǎng)的沖擊較為突出。該問題一般有2種解決方案，即增大應(yīng)急發(fā)電機(jī)的容量和降低負(fù)載的啟動電流。

當(dāng)發(fā)電機(jī)原動機(jī)的功率大于等于375kW時，應(yīng)急發(fā)電機(jī)室將被定義為A類機(jī)械處所，會造成一系列的成本增加。例如：將應(yīng)急發(fā)電機(jī)的容量從300kW增大至360kW，增加的費(fèi)用包含應(yīng)急發(fā)電機(jī)和CO2消防等產(chǎn)生的費(fèi)用。因此，考慮采用合理選擇負(fù)載啟動方式以降低啟動電流的方案，有效降低船舶造價。

1 大功率應(yīng)急負(fù)載啟動需考慮的問題

1.1 瞬態(tài)電壓降

交流發(fā)電機(jī)突加負(fù)載時，由于漏抗和電樞反應(yīng)，使得發(fā)電機(jī)的電壓急劇下降，對發(fā)電機(jī)、用電設(shè)備和整個電力系統(tǒng)的運(yùn)行都不利。電網(wǎng)的電壓下降使得其電流增大，電動機(jī)發(fā)熱，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，若電壓下降10%，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩下降為原來的80%，照明燈具的光通量下降70%（白熾燈）。若電壓繼續(xù)下降，則電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置會動作，斷開配電系統(tǒng)或發(fā)電機(jī)的進(jìn)線開關(guān)，造成供電中斷[3]。

規(guī)范規(guī)定，當(dāng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)突加負(fù)載導(dǎo)致發(fā)電機(jī)端電壓下降時，其瞬態(tài)電壓值不低于額定電壓的85%，而電壓恢復(fù)至與最后穩(wěn)定值相差4%以內(nèi)所需時間不應(yīng)超過5s[4]。

1.2 負(fù)載啟動力矩

在給處于停止?fàn)顟B(tài)的交流異步電動機(jī)施加電壓的瞬間，交流異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩。交流異步電動機(jī)在全壓狀態(tài)下的瞬間啟動轉(zhuǎn)矩通常為額定轉(zhuǎn)矩的125%以上。

根據(jù)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理，電磁轉(zhuǎn)矩與每極磁通和轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流成正比，而每極磁通和轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流又與電源電壓成正比。因此，轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比，電源電壓下降對電動機(jī)的啟動性能影響最大。例如，若電源電壓降為原來的80%，則啟動轉(zhuǎn)矩只有原啟動轉(zhuǎn)矩的64%，因此在低電壓狀態(tài)下，電動機(jī)啟動特別困難。由此，在采用降壓啟動方式時，有必要校核啟動力矩是否大于泵所需的啟動轉(zhuǎn)矩。

1.3 應(yīng)急發(fā)電機(jī)突加特性

為增強(qiáng)對重要設(shè)備供電的連續(xù)性，對舵機(jī)和應(yīng)急消防泵等重要負(fù)載采用欠電壓釋放（Under Voltage Release, UVR），當(dāng)主電網(wǎng)失電，應(yīng)急發(fā)電機(jī)投入使用，電壓恢復(fù)之后，采用欠電壓釋放的重要負(fù)載，失電之前正在運(yùn)行的負(fù)載能自動接通電源再啟動，可能出現(xiàn)同時接入很大負(fù)載導(dǎo)致瞬態(tài)壓降過大的情況，甚至造成發(fā)電機(jī)過載保護(hù)裝置動作，因此需校核應(yīng)急發(fā)電機(jī)的突加特性。為保證供電質(zhì)量，規(guī)范規(guī)定，當(dāng)發(fā)電機(jī)在空載狀態(tài)下突然加上50%的額定負(fù)荷，穩(wěn)定之后再加上余下50%的額定負(fù)荷時，其瞬時調(diào)速率不大于額定轉(zhuǎn)速的10%，穩(wěn)定調(diào)速率不大于額定轉(zhuǎn)速的5%，恢復(fù)穩(wěn)定時間（即轉(zhuǎn)速恢復(fù)到波動率為±1%范圍的時間）不超過5s[5]。一般大型貨船的應(yīng)急發(fā)電機(jī)的容量在200～300kW，突加采用二次加載的方式，即分2次加載到滿載。

因此，選擇好負(fù)載啟動方式之后，有必要校核應(yīng)急發(fā)電機(jī)的突加特性，確保每次加載的啟動功率不超過應(yīng)急發(fā)電機(jī)能承受的加載功率。

1.4 保護(hù)裝置的協(xié)調(diào)性

電動機(jī)全壓啟動時電流較大，一般為額定電流的5～7倍，若采用星-三角和自耦變壓器啟動，還要考慮降壓與全壓轉(zhuǎn)換瞬間因斷電而產(chǎn)生的沖擊電流，以及啟動時不能引起負(fù)載過載的保護(hù)動作。應(yīng)急發(fā)電機(jī)的容量較小，可能會超過應(yīng)急發(fā)電機(jī)瞬動保護(hù)的設(shè)定值，引起保護(hù)裝置動作，引發(fā)應(yīng)急發(fā)電機(jī)直接跳閘的事故。因此，不僅要考慮使負(fù)載的保護(hù)裝置避開啟動瞬間的沖擊電流，而且要考慮使應(yīng)急發(fā)電機(jī)開關(guān)的瞬動值大于負(fù)載啟動的沖擊電流。

綜上所述，在選擇大功率負(fù)載啟動方式時，首先根據(jù)負(fù)載啟動的瞬態(tài)壓降選擇電機(jī)的啟動方式，再校核負(fù)載的啟動力矩、應(yīng)急發(fā)電機(jī)的突加能力和保護(hù)裝置的協(xié)調(diào)性，只有綜合考慮，才能設(shè)計出較優(yōu)的方案。

2 案例分析

以某大型船舶應(yīng)急消防泵啟動方式的選擇為例，其應(yīng)急發(fā)電機(jī)參數(shù)見表1，大功率應(yīng)急負(fù)荷參數(shù)見表2。

表1 應(yīng)急發(fā)電機(jī)參數(shù)

表2 大功率應(yīng)急負(fù)荷參數(shù)

2.1 負(fù)載瞬態(tài)電壓降計算

當(dāng)直接啟動大功率負(fù)載會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，造成瞬時電壓降超過規(guī)范規(guī)定的15%時，就要采取降壓啟動方式。瞬態(tài)電壓降采用負(fù)載啟動電流的方法計算，計算式[6]為

式(1)中：ΔU為發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓降，%；Xd′為發(fā)電機(jī)直軸瞬態(tài)電抗(標(biāo)幺值)；Xd′為發(fā)電機(jī)直軸次瞬態(tài)電抗（標(biāo)幺值）；IN為發(fā)電機(jī)額定電流，A；IST為電動機(jī)啟動電流，A。

電動機(jī)啟動電流IST與電動機(jī)的啟動方式有關(guān)，直接啟動、星-三角和自耦變壓器啟動的啟動系統(tǒng)的計算式為

式(2)中：K1為電動機(jī)啟動電流倍數(shù)；d為啟動方式系數(shù)，直接啟動為1，星-三角啟動為，自耦變壓器啟動為變壓器抽頭；Ie為電動機(jī)額定電流，A；軟啟動和變頻啟動根據(jù)廠家提供的啟動電流倍數(shù)計算。

由于軟啟動的價格一般是星-三角啟動和自耦變壓器啟動的3倍，變頻啟動又比軟啟動貴3倍，通常在選擇啟動方式時優(yōu)先考慮采用星-三角啟動和自耦變壓器啟動方式。瞬態(tài)壓降計算結(jié)果見表3。

表3 瞬態(tài)壓降計算結(jié)果

由表1可知，星-三角啟動和自耦變壓器50%抽頭都能滿足小于15%瞬態(tài)壓降的要求。但是，星-三角啟動瞬態(tài)壓降接近15%，且星型轉(zhuǎn)成三角型的瞬間有短時斷電過程，會產(chǎn)生更大的沖擊電流，因此考慮選用50%抽頭的自耦變壓器啟動方式。

2.2 啟動力矩校核

初步選定降壓啟動方式之后，還需校核啟動力矩是否滿足泵對啟動轉(zhuǎn)矩的需求。根據(jù)廠家提供的應(yīng)急消防泵轉(zhuǎn)速與扭矩曲線（見圖1），可得應(yīng)急消防泵啟動轉(zhuǎn)矩必須大于120N·m。

圖1 廠家提供的應(yīng)急消防泵轉(zhuǎn)速與扭矩曲線

根據(jù)電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩計算式計算應(yīng)急消防泵額定轉(zhuǎn)矩TN，有

式(3)中：TN為電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，N·m；PN為電動機(jī)額定功率，kW；nN為電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min。

一般用途電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的1.1倍。降壓之后的啟動轉(zhuǎn)矩的計算式[7]為

計算得到降壓之后的啟動力矩大于應(yīng)急消防泵啟動需要的啟動轉(zhuǎn)矩。

2.3 應(yīng)急發(fā)電機(jī)突加能力校核

2.3.1 應(yīng)急負(fù)載順序啟動分級

根據(jù)船級社規(guī)范的規(guī)定和負(fù)載的重要程度設(shè)定順序啟動分級和啟動時間如下。

1) 第一級（0s之后）：舵機(jī)、航行信號燈、導(dǎo)航設(shè)備和應(yīng)急發(fā)電機(jī)室風(fēng)機(jī)。

2) 第二級（5s之后）：應(yīng)急消防泵和機(jī)艙高泡泵。

3) 第三級（10s之后）：舵機(jī)艙風(fēng)機(jī)。

2.3.2 啟動功率和穩(wěn)態(tài)功率計算

順序啟動分級之后，要計算每一級的啟動功率。先計算每一級的啟動電流，電動機(jī)的啟動電流可根據(jù)式(2)計算，其他負(fù)載的啟動電流等于額定電流。在計算每一級的啟動電流時，不僅要考慮第n級的啟動電流，而且應(yīng)考慮第（n-1）級的基本電流，并用矢量進(jìn)行計算[8]，計算式為

式(5)中：ISTn為第n級的啟動電流；Ibe(n-1)為第（n-1)級的基本電流有功分量；Isen為第n級的啟動電流有功分量；Ibr(n-1)為（n-1)級的基本電流無功分量；Isrn第n級的啟動電流無功分量。啟動功率P的計算式為

式(6)中：cosφ為功率因數(shù)。

各級啟動功率和穩(wěn)態(tài)功率計算結(jié)果見表4。

表4 各級啟動功率和穩(wěn)態(tài)功率計算結(jié)果

2.3.3 每級順序啟動瞬態(tài)壓降計算

計算出每一級的總啟動電流之后，根據(jù)式(1)可計算順序啟動的每一級瞬態(tài)壓降，結(jié)果見表5。

表5 順序啟動每一級瞬態(tài)壓降計算結(jié)果

2.3.4 應(yīng)急發(fā)電機(jī)調(diào)速特性檢驗

順序啟動每一級的啟動功率如表4所示，以穩(wěn)態(tài)功率為橫坐標(biāo)，以啟動功率為縱坐標(biāo)，繪制順序啟動負(fù)荷曲線，并將其與應(yīng)急發(fā)電機(jī)突加特性曲線0-80%-100%相比較，結(jié)果見圖2。順序啟動負(fù)荷曲線不應(yīng)超過應(yīng)急發(fā)電機(jī)突加特性曲線。

圖2 順序啟動負(fù)荷曲線

目前，美國船級社（American Bureau of Shipping, ABS）和法國船級社（Bureau Veritas, BV）要求應(yīng)急消防泵采用欠電壓釋放，其他船級社接受應(yīng)急消防泵采用失壓保護(hù)（Under Voltage Protect, UVP），若采用失壓保護(hù), 應(yīng)急消防泵可等應(yīng)急電網(wǎng)穩(wěn)定之后啟動，此時可不校核應(yīng)急發(fā)電機(jī)的突加特性。

2.4 保護(hù)裝置協(xié)調(diào)性校核

2.4.1 與應(yīng)急發(fā)電機(jī)過載保護(hù)的配合

順序啟動每級啟動電流應(yīng)小于應(yīng)急發(fā)電機(jī)斷路器過載保護(hù)整定值。通常用電流系數(shù)表示[9]，即

式(7)中：KI為電流系數(shù)；IST為啟動電流；ISET為斷路器過載保護(hù)整定電流。

應(yīng)急發(fā)電機(jī)斷路器過載保護(hù)整定電流為發(fā)電機(jī)額定電流的110%，而長延時脫扣器在電流為其整定值的115%時(608.5A)，延時20s動作。因此，電流系數(shù)不大于115%為佳。

斷路器長延時脫扣器整定電流為：IN×1.1 =529.1A 。順序啟動電流系數(shù)計算結(jié)果見表6。

表6 順序啟動電流系數(shù)計算結(jié)果

計算結(jié)果最好小于115% (608.5A)。進(jìn)一步分析，即使大于115% (608.5A)，由于啟動時間通常在5～7s，長延時脫扣器要延時20s，還不會動作，也可實現(xiàn)按時間原則的配合。

2.4.2 與應(yīng)急發(fā)電機(jī)斷路器的配合

當(dāng)選用星-三角啟動和自耦變壓器啟動時，要考慮降壓與全壓轉(zhuǎn)換時瞬間再啟動產(chǎn)生的沖擊電流。負(fù)載斷路器瞬時脫扣器整定值必須大于電動機(jī)啟動沖擊電流有效值；同時，注意要小于上位應(yīng)急發(fā)電機(jī)斷路器的瞬動值。

應(yīng)急發(fā)電機(jī)斷路器的瞬動值設(shè)定為：IN×16 =7 696 A。

應(yīng)急消防泵根據(jù)啟動方式，自耦變壓器啟動50%抽頭，啟動功率因數(shù)為0.35，查閱船舶設(shè)計實用手冊可知，啟動沖擊電流是直接啟動電流的2.07倍[10]。表7為保護(hù)裝置配合。

表7 保護(hù)裝置配合

3 結(jié) 語

隨著船舶日益大型化，大功率應(yīng)急負(fù)載啟動對電網(wǎng)的沖擊尤為突出，若在選型方面缺乏科學(xué)、合理的方法，僅憑經(jīng)驗選型會導(dǎo)致機(jī)組整體性能不符合要求，或配置過高而增加成本。

在實際選型時，要根據(jù)廠家的技術(shù)參數(shù)，通過合理分析運(yùn)算，經(jīng)濟(jì)地選擇機(jī)組型號。同時，為保證船舶的安全性，要反復(fù)就上文提到的內(nèi)容進(jìn)行校核，對電網(wǎng)的沖擊進(jìn)行論證，并采取保護(hù)措施。可通過改變大功率負(fù)載的啟動方式或增大應(yīng)急發(fā)電機(jī)的容量綜合評估，從而挑選出最佳設(shè)計。該論證方法同樣適用于船舶主發(fā)電機(jī)和大功率負(fù)載啟動方式的選擇，對類似問題的處理有一定的參考意義。