探讨船用发电机组的设计与应用

探讨船用发电机组的设计与应用

汤仲明

湛江市海滨船厂

摘要：文章系统阐述了船用发电机组公共底座、减压水箱、电气控制柜等各主要部件的设计过程，同时按照GB/T13032-2010船用发电机组标准及CCS认证要求对所设计机组进行试验验证。事实证明机组提供给用户后，各系统运行良好，达到预期目的。

引言：船舶主机在船上占有核心地位，冠有“船舶心脏”之称。船舶主机工作的连续性、可靠性及稳定性将直接影响船舶的经济指标、技术指标乃至船舶的安全性和生命力。据统计目前以柴油机作为主机的船舶占90%以上，可见柴油主机占绝对统治地位[1]。传感技术和计算机技术的发展使柴油机制造商逐步致力于主机监控和船舶自动化技术的开发，船舶主机监控系统的发展也经历了由就地分散控制系统、集中监控系统向集散监控系统的过渡。本文所设计柴油发电机组是将PLC作为控制底层（下位机），采用MODBUS通讯协议通过RS485总线网络将信号通讯至集控室，分机械部分和电气部分设计。

一、船用发电机组发展现状

船用发电机的自动控制已有近二十年的历史了。但在1968年以前,只不过是在级别相当高的船舶中采用。以后到出现了无人机舱船,大部份船舶的发电机就都实现了自动控制。所谓发电机的自动控制,就是指发动机起动,自动空气断路器的同步投入和负荷分配等一系列操作实现自动化。但自动同步投入装置和自动负荷分配装置分别独立研制后,再组合有触点继电器而构成整个自动控制系统。1971年出现了高速集装箱船,发电机的容量和台数都迅速增加,用于发电机自动控制的继电器数量达几百个,逐渐感到采用继电器的控制方式有限度。因此,为了消除采用继电:器的电路的复杂性,1975年研制成把继电器改用软件代替处理的程序控制器。它能使发电机的自动控制具有灵活性,提高可靠性和小型化,因此发电机控制系统有了进一步发展。以后,以石油危机为转机,呼吁节能和节省劳力,发电机控制除了上述的控制以外,还要求更高级的功能。就在同一时期,有关的电`子技术有了显著进展,出现了微型计算机,而且还被应用于船舶,这对于发电机的精确控制,是一种最好的方法。

二、船用发电机组的总体设计

该机组主要由以下几部分组成：对于应急发电机组，包括发动机C32、发电机HCM634K、公共底座、电气控制柜、远置散热水箱、减压水柜、燃油箱。

2.1机组机械部分设计

船用柴油发电机组机械部分设计主要包括公共底座、减压水箱、控制箱体和降噪箱等。其中，控制箱体设计时主要是考虑能够容纳PLC、电压调节器、速度调速开关、本地/远程操作切换开关、交流接触器器、输入输出端子排及相对应的继电器和指示灯等所有电气元件，保证元件排布合理、接线方便，并保证箱体通风。控制箱安装支架设计时考虑处于什么样的高度人操作最舒服。为避免箱体振动损坏元件，在箱体和支架的联接处安装避震垫。降噪箱设计主要是解决通风条件和降低噪声之间的矛盾，按照机房实际空间布局，以进风面积≥水箱散热面积≥排风面积为准则，设计风道以降低噪声，满足用户要求。

2.1.1公共底座

机组底座是柴油发电机组的关键部件，它的设计水平和加工精度直接影响到机组的使用性能、振动、噪声、可靠性和寿命。同时根据船用发电机组CCS认证要求对机组底座进行校核。现以应急发电机组为例说明。所设计的机组底座模型如下图1所示。为分析方便，我们假设底座上的发动机和发电机等重量完全由底座主梁承担。为便于模型加载，选用32b#槽钢中的一根进行分析。查手册获得所述机座的主梁32b#槽钢材料技术数据参数如下：

弹性模量：E=2.0×105N/mm2

泊松比：μ=0.3

截面系数：W=509×103mm3

惯性矩：I=8144.2×104mm4

在ANSYS11.0中直接建模划分网格，如图2所示。

对模型施加边界条件（主梁底面Y向位移约束、发电机和发动机对主梁的压力负载），从计算结果中获得主梁最大变形量为0.0029，由要求侧构件的最大纵向挠度允许值为其全长的0.1%，即3.5mm，即满足要求。

2.1.2减压水箱

本机组与普通柴油发电机组最大差别就是冷却系统中散热问题。根据客户应用机组实际环境及机房布局，该船用应急发电机组采用远置水箱散热。由于远置水箱距发动机距离较远，经发动机厂家确认发动机机带泵不能将水送至散热水箱，为解决此问题确定在发动机与远置水箱间管路中增加加力水泵。同时为使机带泵与加力泵运行良好，且方便水泵选型，讨论决定管路中再增加减压水箱。当机组刚启动时系统为开式循环，当水返回至发动机后系统转为闭式循环。系统中减压水箱自身不能进行散热，主要起解压作用。

2.2电气控制部分设计

2.2.1机组工作过程

所设计船用发电机组分辅发电机组和应急发电机组，其中辅发电机组是正常情况下向全船供电的电站。应急发电机组是在停泊状态又无岸电供应时，向停泊船舶的用电负载供电或在紧急情况下，向保证船舶安全所必需的负载供电的电站。

2.2.2机组功能实现

按照客户要求，所设计的机组需输出的模拟信号为：电池电压、发动机冷却水温、发动机滑油压力、发动机滑油温度、发动机转速、燃油消耗率、燃油消耗量、燃油压力等，报警信号为发动机冷却水温度高报警、发动机滑油温度高报警、发动机滑油压力低报警、系统电压低报警、启动气压低报警、膨胀水箱水位低报警等信号。模拟信号通过机旁仪表显示，报警信号通过控制箱上指示灯或增加蜂鸣器提供信息。所设计船用发电机组电气控制部分以三菱PLCFX1N-40MR-D为中心，根据机组各监测部位传感器等检测仪采集的模拟量信号和开关量信号，设计17个输入点，17个输出点，经过一系列逻辑处理，输出并控制各种继电器和指示灯动作或指示，从而实现对机组的监测和控制。在机组运行期间，该控制系统对运行参数、状态实时检测，控制机组的自动运行。电气控制部分有通讯模块PL1000E，将检测的参数及运行状态通过MODBUS通讯协议传送到上位主机，

同时也可接收上位主机指令，监控主机运行。通过该系统，轮机管理员无需到机舱巡视，只在集控室就能了解，并能及时发现故障，打造了“无人值班”机舱。

三、试验

根据GB/T13032-2010船用发电机组标准及CCS认证要求，在对机组进行外观检查、发电机绝缘电阻检查、试运转检查并确认合格后，对机组执行启动性能试验、机组保护装置试验、机组负载试验、发电机组突加突卸负载试验及发电机瞬态电压变化率及稳定时间。

3.1机组试验前的外观检查

外观检查主要包括铭牌数据检查、焊接质量、安装质量、管路无泄露、起动系统和接线是否正确等。

3.2测量发电机绝缘电阻

测量各独立电气回路对地及各回路间的绝缘电阻，用兆欧表测量，测量时半导体器件、电容器等应拆除，各开关应处于导通状态。

3.3机组运转检查

柴油机启动，逐渐加速额定转速后，观察机组有无异常声响，电机轴承的温度是否正常，柴油机有无三漏，电机、柴油机是否正常运行等。

3.3发电机组起动性能试验

机组在环境温度不低于5℃，冷却水、滑油不预热的条件下，应急机组在环境度0℃条件下（起动有困难时允许采用预热措施）应能顺利起动，连续起动六次，以六次起动中成功五次以上者为合格。每次起动的时间间隔不超过1mi（自动化机组还应做3次自启动失败试验）。

3.4机组保护装置试验

启动机组，在空载下调整转速至额定转速，稳定后缓慢升速至规定报警值来试验超速保护。水温高保护要区分水温传感器是采用的开关量还是模拟量，开关量传感器将两端短接，使其报警。而模拟量的话则可以改变控制器报警和停机参数来完成试验。油温和油压的试验也类似。试验结果如表5所示。

3.5发电机组突加突卸负载试验

在进行突加突卸负载试验时，电压和频率的波形经历一个突加突卸前的平稳到突加突卸时的上下波动，再到波形回复平稳的过程。试验结果如表6所示。

3.6发电机瞬态电压变化率及稳定时间

船舶电站的容量相对较小，当负载变化时，会使得发电机组的端电压变化比较大，保持较为稳定的电压是发电机组的一个重要的指标，发电机瞬态电压变化率就是衡量供电质量的一个重要指标。该发电机组的电压变化率及稳定时间试验结果如表7所示。

3.7机组负载试验

该试验在机组处于额定工况的条件下进行，机组在空载运行10分钟后，接着变化负载，每隔一段时间记录功率、频率、电流等参数值。在额定运行时间内机组应无三漏等不正常现象。

经过做上述试验，机组均能满足要求。

结语

本文对船用发电机组机械部分和电气部分主要部件设计过程及试验内容进行了系统阐述，指出通过一系列试验来验证机组是否满足要求。实践证明该机组提供给用户后，机组各个系统运行良好，达到了预期目的。船舶发电机组是船舶的心脏，它的稳定性和可靠性对船舶来说至关重要。因此，对船舶发电机组进行严格的测试具有十分重要的意义。在提高各项性能指标的同时，大幅减轻了工人的劳动强度，具有高效节能的优点，有利于船厂实现产业升级。

参考文献

[1]王文义.船舶电站组建与调试.哈尔滨工程大学出版社.2009.11

[2]吴中俊.可编程序控制器原理及应用.机械工业出版社.2014.12

[3]阳宪惠.工业数据通信与控制网络.清华大学出版社2013.10

[4]孙培廷.船舶柴油机.大连海事大学出版社.2012.11

[5]侯媛彬.智能控制技术.北京工业大学出版社.2011.2

[6]史昌.船舶电气设备及系统.大连海事大学出版社.2010.10