船舶不同容量柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行分析

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(武昌船舶重工有限責(zé)任公司 海工裝備設(shè)計公司，武漢 430060)

船舶在進(jìn)出港、靠離碼頭、裝卸貨等工況下，使用的輔助動力設(shè)備比較多，一臺發(fā)電機(jī)承受的負(fù)載往往會接近或者超過發(fā)電機(jī)額定負(fù)載。在這種情況下，就需要用兩臺或兩臺以上發(fā)電機(jī)同時工作。同樣，在船舶長時間的航行過程中，發(fā)電機(jī)因輪流工作而作轉(zhuǎn)換時，不可能突然停止，需要通過并聯(lián)運(yùn)行，將一臺發(fā)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)移到另一臺發(fā)電機(jī)上。所以，當(dāng)船上裝有兩臺以上發(fā)電機(jī)需要做并聯(lián)運(yùn)行試驗。

不同容量發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行試驗涉及面廣，技術(shù)難度大。而船東出于使發(fā)電機(jī)經(jīng)常處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，提高燃油的經(jīng)濟(jì)性，以及合理使用電能的考慮，要求不同容量發(fā)電機(jī)組能夠長期并聯(lián)運(yùn)行。但并聯(lián)后假設(shè)電網(wǎng)的負(fù)載突變，即使調(diào)整設(shè)備特性相似，可能大容量的機(jī)組增長了幾分之一的功率，而容量小的機(jī)組就已經(jīng)過載，如果該發(fā)電機(jī)主開關(guān)跳閘，將會引起電網(wǎng)的崩潰，后果不堪想象。而且長期的電流過載會使發(fā)電機(jī)過熱引起絕緣老化和損壞，長期的功率過載會導(dǎo)致原動機(jī)的壽命縮短和部件損壞。因此，應(yīng)研究并聯(lián)運(yùn)行的技術(shù)方案來保證船舶電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定。

1 分配原則和要求

并聯(lián)運(yùn)行時負(fù)荷的分配方案有:比例分配法、溢流分配法和最佳負(fù)載分配法。對于僅有柴油發(fā)電機(jī)組的船舶電站而言，主要是按比例負(fù)荷分配法，規(guī)范中的技術(shù)要求也是比例分配法，故本文討論的負(fù)載分配方法采用比例分配法。

并聯(lián)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)，各機(jī)組所承擔(dān)的無功功率應(yīng)按機(jī)組額定容量成比例分配。這一要求是基于下述兩條理由而提出來的。

1)無功電流不按比例分配，會造成部分機(jī)組電流偏大，部分機(jī)組電流偏小。會使總的定子銅損增加，使效率降低。設(shè)兩臺機(jī)組并聯(lián)，負(fù)載為純電感性質(zhì)，負(fù)載總電流I=I1+I2為常數(shù)，則兩機(jī)定子銅損之和為

若令d ∑Pa/dI1=m(2I1-2I+2I1)ra=0,則得I1=I/2， 此時兩機(jī)定子銅損之和∑Pa最小。

式中:∑Pa——定子銅損之和;

I——負(fù)載總電流;

I1、I2——兩臺機(jī)組負(fù)載電流;

ra——負(fù)載阻抗

2)并聯(lián)機(jī)組所承擔(dān)的無功電流不按比例分配，會造成某些機(jī)組電流過載，另一些機(jī)組可能轉(zhuǎn)化為輸入滯后無功電流的運(yùn)行狀態(tài)。電流過載將導(dǎo)致保護(hù)電器動作，發(fā)生不應(yīng)有的斷電事故。

CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》對交流發(fā)電機(jī)并聯(lián)時負(fù)載分配及保護(hù)的要求如下[1]，美國ABS船級社和挪威DNV船級社對負(fù)載分配與CCS船級社類似。

1.1 負(fù)載分配要求

并聯(lián)運(yùn)行的各交流發(fā)電機(jī)組均應(yīng)能穩(wěn)定運(yùn)行，且當(dāng)負(fù)載在總額定負(fù)載的20%～100%范圍內(nèi)變化時，其負(fù)載分配應(yīng)符合下列規(guī)定。

①各機(jī)組所承擔(dān)的有功負(fù)載與總負(fù)載按機(jī)組定額比例分配值之差應(yīng)不超過最大機(jī)組額定有功功率的±15%或各機(jī)組額定有功功率的±25%兩個數(shù)值中的較小者。

②各機(jī)組所承擔(dān)的無功負(fù)載與總無功負(fù)載按機(jī)組定額比例分配值之差，應(yīng)不超過最大機(jī)組額定無功功率的±10%或各個機(jī)組額定無功功率的±25%兩個數(shù)值中的較小者。

1.2 發(fā)電機(jī)的保護(hù)要求

船舶同步發(fā)電機(jī)是船舶電站中最重要的設(shè)備，各種不正常運(yùn)行和故障會造成發(fā)電機(jī)的損壞，針對船舶同步發(fā)電機(jī)可能出現(xiàn)的不正常運(yùn)行狀態(tài)和故障，各船級社均設(shè)有欠電壓保護(hù)、過載和短路保護(hù)和逆功率保護(hù)。因此需要設(shè)置主配電板保護(hù)裝置，即安裝在主配電板上用來控制主開關(guān)的裝置。主開關(guān)一般采用的是框架式自動空氣斷路器。見表1。

表1 發(fā)電機(jī)的保護(hù)

注：Ue，Ie，Pe分別是額定電壓，額定電流和額定功率

2 實例分析

“科學(xué)號”船是武昌船舶重工有限公司為中國科學(xué)院建造的一艘承擔(dān)我國深海遠(yuǎn)洋科學(xué)調(diào)查任務(wù)的現(xiàn)代化海洋科學(xué)綜合考察船，是目前國際最先進(jìn)的海洋科學(xué)綜合考察船之一。采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，AC690 V，50 Hz，共設(shè)置了3臺相同型號相同容量的主發(fā)電機(jī)組(1～3號機(jī)組)，每臺2 610 kW, 1臺758 kW停泊發(fā)電機(jī)組(4號機(jī)組)，總功率為8 588 kW，見圖1。

冬季全速航行時需要2臺主發(fā)電機(jī)組和停泊發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，走航測量，拖曳/拖網(wǎng)的工況下1臺主發(fā)電機(jī)組和停泊發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行。

2.1 功率分配

以下分析均以1臺主柴油發(fā)電機(jī)為1號，停泊發(fā)電機(jī)組為2號。

并聯(lián)同步發(fā)電機(jī)組無功電流的分配與各發(fā)電機(jī)的電勢及同步電抗的數(shù)值有關(guān)，也與有功功率的分配有關(guān)。在以下的討論中，不考慮有功分配不均而引起的無功分配不均的情況。

并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)的2臺發(fā)電機(jī)之間，盡管承擔(dān)的有功功率相同，若無功功率分配不等，1臺發(fā)電機(jī)有可能出現(xiàn)提前過載，因此對于不同功率的發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，則要求按比例分配無功功率。因此，電勢不等，無功分配不均勻；電勢相等，無功均勻分配[2]。因此要使無功功率均勻分配必須調(diào)整電勢，保證電網(wǎng)電壓始終為額定電壓，而調(diào)整電勢的方法是調(diào)整勵磁電流。

圖1 科考船電力系統(tǒng)單線圖

圖2 兩臺發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時無功功率調(diào)整向量

圖3是兩臺發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時有功功率轉(zhuǎn)移的調(diào)整過程。調(diào)控前2號機(jī)組僅承擔(dān)無功功率，1號機(jī)組承擔(dān)的無功功率分量和2號機(jī)組相等，即無功功率已經(jīng)均分，而有功功率只有1號機(jī)組承擔(dān)，2號機(jī)組尚未承擔(dān)。柴油發(fā)電機(jī)輸出給負(fù)載的能量就僅僅由進(jìn)油量(另外還包括進(jìn)空氣的量及燃燒的完全程度)的大小所決定，即由調(diào)速器進(jìn)行自動調(diào)整。調(diào)控過程與無功調(diào)控類似。

圖3 兩臺發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時有功功率調(diào)整向量

2.2 試驗步驟

3臺主柴油發(fā)電機(jī)組(1號，2號，3號)分別與停泊發(fā)電機(jī)組(4號)并聯(lián)運(yùn)行負(fù)載試驗。即做1、4號，2、4號，3、4號以及1、2、4號，1、3、4號，2、3、4號的并聯(lián)運(yùn)行試驗。運(yùn)行中發(fā)電機(jī)組在50%額定負(fù)載時，電壓和頻率調(diào)至額定狀態(tài)，并入待并發(fā)電機(jī)組，每個負(fù)載點并聯(lián)運(yùn)行時間為5～10 min，測量各負(fù)載點時每臺發(fā)電機(jī)的有功功率、電壓、功率因數(shù)、電流和頻率。

有功功率滿足：各發(fā)電機(jī)實際承擔(dān)的有功負(fù)載與總負(fù)載按機(jī)組定額比例分配值之差不超過停泊發(fā)電機(jī)額定有功功率758 kW的±25%，也就是±189.5 kW。

無功功率滿足：各發(fā)電機(jī)實際承擔(dān)的無功負(fù)載與總負(fù)載按機(jī)組定額比例分配值之差不超過停泊發(fā)電機(jī)額定無功功率568.5 kW的±25%，也就是±142.1 kW。

2.3 試驗數(shù)據(jù)

調(diào)進(jìn)油量能調(diào)整有功功率的分配比例，調(diào)勵磁電流可調(diào)節(jié)無功功率的分配比例，實際調(diào)節(jié)功率分配的方法：調(diào)進(jìn)油量可通過主配電板上的伺服電機(jī)來操縱，使主配電板上功率表讀數(shù)之比值滿足試驗大綱的規(guī)定；在功率表讀數(shù)已滿足要求的前提下，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流，使發(fā)電機(jī)電流表的讀數(shù)之比值滿足試驗大綱的規(guī)定。

1、2、4號機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行數(shù)據(jù)見表2，發(fā)電機(jī)保護(hù)試驗數(shù)據(jù)見表3， 其它機(jī)組的系泊試驗數(shù)據(jù)類似。

綜上，該機(jī)組的并聯(lián)運(yùn)行試驗的數(shù)據(jù)滿足船級社規(guī)范的要求，其系泊試驗結(jié)果合格。

為使不同容量發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，海洋科學(xué)綜合考察船采用同一品牌的調(diào)速和調(diào)壓裝置，各調(diào)整特性盡可能相同，即調(diào)壓調(diào)差系數(shù)和調(diào)頻調(diào)差系數(shù)盡可能相等。為了滿足并聯(lián)運(yùn)行時的負(fù)載分配要求，隨著負(fù)載增加、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)下降即負(fù)載特性應(yīng)為有差的下降特性。應(yīng)盡量使并聯(lián)機(jī)組的下降特性的斜率保持一致[4]。

3 結(jié)束語

船廠在建造或前期方案設(shè)計類似船舶時，應(yīng)對并聯(lián)運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組作選型考核：并聯(lián)運(yùn)行的各個機(jī)組容量應(yīng)盡可能相同或相近，并要求調(diào)整特性盡可能相同。即調(diào)壓調(diào)差系數(shù)和調(diào)頻調(diào)差系數(shù)盡可能相等，建議采用同一品牌的原動機(jī)、調(diào)速和調(diào)壓裝置。當(dāng)實際機(jī)組的調(diào)差率不可能做得完全相等時，為減小無功環(huán)流，應(yīng)使單機(jī)的調(diào)差率適當(dāng)大一些。

表2 1、2、4號機(jī)組并聯(lián)

表3 發(fā)電機(jī)保護(hù)試驗

試驗結(jié)論：合格(滿足各機(jī)組承擔(dān)的有功功率與總負(fù)載按機(jī)組定額比例分配之差不超過189.5 kW，各機(jī)組承擔(dān)的無功功率與總負(fù)載按機(jī)組定額比例分配之差不超過142.1 kW)

在柴油發(fā)電機(jī)組的系泊試驗調(diào)試中，有如下經(jīng)驗。

1)調(diào)節(jié)進(jìn)油量能調(diào)整有功功率的分配比例，調(diào)勵磁電流可調(diào)節(jié)無功功率的分配比例，實際調(diào)節(jié)功率分配，應(yīng)先調(diào)進(jìn)油量可通過主配電板上的伺服電機(jī)來操縱，使主配電板上功率表讀數(shù)之比值滿足規(guī)范要求；在功率表讀數(shù)已滿足要求的前提下，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流，使發(fā)電機(jī)電流表的讀數(shù)之比值滿足規(guī)范要求。

2)在不同容量的交流發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時，有功功率的分配比例與無功功率的分配比例之間有相對獨立性——可以在有功功率之比不變的條件下改變無功功率之比，也可以在無功功率不變的條件下改變有功功率之比。

3)無論并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組是否同型號，也無論采用何種型號的調(diào)壓器和調(diào)速器，必須滿足端電壓相等及定子電流矢量和為總電流兩個條件。

[1] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2012.

[2] 胡福保.船舶電氣設(shè)備調(diào)試方法問答[M].北京：國防工業(yè)出版社，1990.

[3] 姜錦范.船舶電站及自動化[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2005.

[4] 馮茂巖.兩臺不同容量不同型號發(fā)電機(jī)組并車設(shè)計[J].中國修船，2001(5)：21-22.