秦立新

(海軍駐上海江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司軍事代表室　上?！?01913)

?

超速對柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的影響及解決措施*

秦立新

(海軍駐上海江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司軍事代表室上海201913)

現(xiàn)在船舶電站中，所用的發(fā)電原動機(jī)最為常見的是柴油機(jī)。伴隨著船舶的噸位越來越大以及船舶大功率負(fù)載不斷地增多，柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行向全船供電已經(jīng)成為常態(tài)。超速是一種很少出現(xiàn)卻很致命的柴油機(jī)故障，當(dāng)出現(xiàn)超速故障時將會破壞柴發(fā)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性。論文對此進(jìn)行了詳細(xì)的分析并提出了有效的解決方案，保證了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行;超速;供電系統(tǒng)穩(wěn)定性

Class NumberU262.11

1　引言

在船舶電力系統(tǒng)中，各種負(fù)載所消耗的功率各不相同，并且負(fù)載的變化非常頻繁，這對船舶電站穩(wěn)定供電的能力提出了較高的要求。柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行[1]就是一種穩(wěn)定的供電方式，不過當(dāng)系統(tǒng)中有一臺柴油機(jī)發(fā)生超速故障時將會破壞其穩(wěn)定性，本文針對此展開了詳細(xì)的分析。

2　柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的意義

除去供電穩(wěn)定性的考慮，出于船舶電站所提供電能的利用率以及經(jīng)濟(jì)性，一般也會采用多臺柴油發(fā)電機(jī)組[3]并聯(lián)運(yùn)行的方式。這樣一來，可以根據(jù)負(fù)載消耗總功率的實(shí)際情況，來調(diào)整并入運(yùn)行機(jī)組的數(shù)量。另外，當(dāng)在運(yùn)行過程中若有機(jī)組發(fā)生故障時，可以及時地將備用機(jī)組并入向電網(wǎng)供電。由此可以看出，多機(jī)組并聯(lián)有著諸多的優(yōu)點(diǎn)[4]：

1)可以提高供電質(zhì)量，當(dāng)有大負(fù)載進(jìn)入電網(wǎng)時，通常會對電力系統(tǒng)的電壓以及頻率造成，并聯(lián)運(yùn)行可以減弱這種影響令電壓及頻率穩(wěn)定。

2)可以提高供電可靠性，當(dāng)某一發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障時，可以及時地將其切除，此時仍可確保重要負(fù)載的用電需求。另外，多機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行令電力系統(tǒng)擁有更多的備用電能，以應(yīng)對可能出現(xiàn)的意外情況。

3)可以令供電方式更加靈活，提高經(jīng)濟(jì)性。可以視負(fù)載實(shí)際功率情況來確定并入運(yùn)行機(jī)組的數(shù)量，避免出現(xiàn)電能的浪費(fèi)以及供電不足的情況。

3　超速對柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的影響

雖然柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行有許多優(yōu)勢，但交互振蕩這種現(xiàn)象卻是時常會出現(xiàn)的，一般來說它會產(chǎn)生以下一些影響[5]：

1)柴油發(fā)電機(jī)組總負(fù)載功率在周期振蕩過程中不變，但每臺機(jī)組各自的負(fù)載，其電流、功率都在發(fā)生周期性的變化。

2)發(fā)電機(jī)的電壓、頻率無法穩(wěn)定，影響供電品質(zhì)。

3)受交互振蕩影響的柴油機(jī)調(diào)速器的各元件長期處于大振幅振動的狀態(tài)下運(yùn)行，最終會使得調(diào)速器的穩(wěn)定性下降。

4)受交互振蕩影響的柴油機(jī)還有可能發(fā)生扭矩振蕩，使得柴油機(jī)組發(fā)生異常振動，對其機(jī)械性能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。

目前隨著我國對柴油機(jī)技術(shù)的不斷深入，控制理論的不斷完善，交互振蕩的影響已經(jīng)減弱了許多，即使在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了，現(xiàn)場的技術(shù)人員也可以很熟練地通過調(diào)節(jié)控制參數(shù)來消除故障，退一步講，它是不會造成全船停電的?？梢哉f，在正常工作情況下，船舶電站中柴發(fā)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性是足以令人滿意的。但這僅僅是在正常工作情況下，本文結(jié)合在工作中遇到的問題來分析一種特殊情況：這種情況一旦出現(xiàn)，只要柴發(fā)機(jī)組處于并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)，必然就會導(dǎo)致全船失電。

在此之前，先介紹一下目前比較經(jīng)典的4機(jī)組船舶供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6]：船舶電站共分為前后2個電站，前、后電站分別各有2臺柴發(fā)機(jī)組；假設(shè)前電站為1#，2#柴發(fā)機(jī)組；后電站為3#，4#柴發(fā)機(jī)組；前后電站通過跨接相連。它們可能的供電方式如表1。

表1　4機(jī)組供電方式

當(dāng)船舶處于停泊等低負(fù)荷工況下時，通常會以單機(jī)供電的方式向全船供電，此時船舶整體處于休息狀態(tài)，所帶負(fù)載并不多，所以即使出現(xiàn)了全船失電的故障，相對來說，對整個系統(tǒng)的影響還是有限的。本文便不針對這種運(yùn)行方式加以討論了，下面主要討論船舶在海上航行過程中利用多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(n≥2)如果柴油機(jī)發(fā)生一些異常情況，將會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生什么影響。

一般來說，柴油機(jī)的故障[7]分為四大類，如表2所示。

表2　柴油機(jī)故障報警

當(dāng)柴油機(jī)發(fā)生一般故障、換機(jī)故障和停機(jī)故障時，最壞的情況就是帶有故障的柴油機(jī)停機(jī)。在機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的情況下，僅會出現(xiàn)故障機(jī)組解列停機(jī)的現(xiàn)象，而且由于負(fù)載轉(zhuǎn)移過程的存在(如果負(fù)載過大，一般系統(tǒng)會依據(jù)情況啟動另外一臺機(jī)組并網(wǎng))，不會影響供電系統(tǒng)的供電品質(zhì)。下面重點(diǎn)分析一下當(dāng)柴油機(jī)發(fā)生急停故障時對供電系統(tǒng)的影響。不同柴油機(jī)廠家對急停故障的定義不一定相同，不過基本包括以下四個故障：冷卻水溫度極高、滑油壓力極低、遙控緊急停機(jī)和超速。通過比較可以發(fā)現(xiàn)雖然同為急停故障，前三個故障(冷卻水溫度極高、滑油壓力極低以及遙控緊急停機(jī))與第四個故障(超速)情況卻有所不同；在前三個故障發(fā)生的瞬間之前柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速是不變的，當(dāng)故障發(fā)生后柴油機(jī)會立即停機(jī)，直接導(dǎo)致斷路器欠壓脫扣使得負(fù)載轉(zhuǎn)移的過程被跳過了，對電網(wǎng)來說就相當(dāng)于受到了一個負(fù)載突加的沖擊，使其進(jìn)入了一個短暫的動態(tài)平衡過程，不過這并不會導(dǎo)致全船斷電的情況發(fā)生，總體來說其影響也是可以承受的。然而對于超速報警這里需要依據(jù)其來源分成兩種情況來分析：情況一：系統(tǒng)干擾使得柴油機(jī)發(fā)出超速誤報警，其轉(zhuǎn)速并沒有真的變化；情況二：柴油機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速超過了規(guī)定值，真實(shí)的發(fā)出了超速報警。當(dāng)情況一發(fā)生時，由于是誤報警，柴油機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速并沒有變化，因此其對供電系統(tǒng)的影響將和前三種故障一樣；當(dāng)情況二發(fā)生時，在多機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行條件的限制下，起初故障機(jī)組的轉(zhuǎn)速將與電網(wǎng)其他機(jī)組的轉(zhuǎn)速保持同步，基本保持不變(實(shí)際上所有機(jī)組的轉(zhuǎn)速均會同步的略有上升，并聯(lián)機(jī)組越多，上升幅度越小，在這里可以忽略)；但由于噴油量的增加，故障機(jī)組將會一直搶奪其他機(jī)組的負(fù)載，一直到其他所有機(jī)組發(fā)出逆功率報警并分?jǐn)嗤C(jī)；當(dāng)其他所有機(jī)組對應(yīng)的斷路器斷開后，電網(wǎng)就由故障機(jī)組單獨(dú)供電，而此時由于失去同步的限制，故障機(jī)組的轉(zhuǎn)速便會迅速的上升，同時柴油機(jī)會發(fā)出明顯的異響，直至柴油機(jī)發(fā)出超速報警并下達(dá)緊急停機(jī)指令，最后故障機(jī)組急停，斷路器欠壓脫扣，全船失電。在船舶的航行期間，發(fā)生全船失電事件，其后果是十分嚴(yán)重，這種事件需要杜絕發(fā)生。

4　解決方案

正常來說，解決問題的思路分為兩種：一種思路是問題已經(jīng)出現(xiàn)，通過后續(xù)的措施來消除問題的影響，通過上面故障過程的分析，可以看出最終能導(dǎo)致全船失電的關(guān)鍵在于故障機(jī)組必然會使正常機(jī)組在它停機(jī)之前先逆功率停機(jī)，簡單來說就是它會使供電系統(tǒng)由多機(jī)并聯(lián)的運(yùn)行模式直接轉(zhuǎn)化至單機(jī)運(yùn)行的模式，這樣一旦故障機(jī)組停機(jī)，全船必然失電。那么能不能阻止故障機(jī)組改變供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[8]？至少目前還沒有什么好的辦法。另一種思路是采取措施阻止問題的出現(xiàn)，也就是要阻止柴油機(jī)發(fā)生真實(shí)的超速故障，那么首先要了解柴油機(jī)在什么情況下會出現(xiàn)超速情況，柴油機(jī)發(fā)生超速故障無外乎機(jī)械故障和電氣故障這兩個方面，而機(jī)械故障由于其頻繁性很容易被工作人員發(fā)現(xiàn)，這里便不做討論；剩下的就只有電氣故障了，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示[9]。

圖1　柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制示意圖

當(dāng)電子調(diào)速器正常工作時，控制器的輸出電流處于可控狀態(tài)，在沒有機(jī)械故障的情況下無法出現(xiàn)超速故障；當(dāng)電子調(diào)速器異常工作(如死機(jī))時，控制器的輸出電流將處于失控狀態(tài)(變大、變小、不變均有可能)，這就導(dǎo)致了其執(zhí)行器的位置也將是不定的。如果控制器的輸出電流下降，執(zhí)行器向減小噴油量的位置移動，故障機(jī)組將會發(fā)出逆功率報警并解列停機(jī)；如果控制器的輸出電流不變，執(zhí)行器的位置保持不變，在系統(tǒng)負(fù)載不變的情況下，故障機(jī)組正常工作且沒有報警；當(dāng)輸出電流上升時，執(zhí)行器位置向增大噴油量的位置移動，只要輸出電流足夠大，故障機(jī)組將出現(xiàn)超速故障。

綜上分析可知:只有當(dāng)電子調(diào)速器控制器處于異常工作狀態(tài)時，才有可能發(fā)生超速故障[10]?；诖?，本文的解決方案是監(jiān)控電子調(diào)速器控制器的狀態(tài)。一旦檢測到控制器處于異常工作狀態(tài)，直接斷開電子調(diào)速器的電源使柴油機(jī)停機(jī)(如圖2所示)，將其失控狀態(tài)人為的轉(zhuǎn)化為可控狀態(tài)，這樣對于供電系統(tǒng)來說最多只是解列了一臺機(jī)組，不會發(fā)生全船失電的故障。

圖2　帶有狀態(tài)監(jiān)控的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制示意圖

5　結(jié)語

隨著我國船舶行業(yè)的快速發(fā)展，船舶自動化程度的逐步提高，對船舶供電系統(tǒng)也提出了更高的要求。本文結(jié)合實(shí)際，對能在柴發(fā)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時造成全船停電的超速故障做出了詳細(xì)的分析并提出了相應(yīng)的解決方案，使其在理論上杜絕了全船停電的可能，進(jìn)一步提高了船舶供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

[1]高水華,彭佩怡,梅映新.多電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的應(yīng)用研究[J].船電技術(shù),2007,27(6):370-371.

[2]陳武.船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析[J].電子技術(shù)與軟件工程,2014(16):180.

[3]楊新征,阮渤壽.淺談柴油發(fā)電機(jī)組自動化控制的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2006,33(9):39-42.

[4]呂慶軍.柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行穩(wěn)定性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化，2012.

[5]武征.柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行穩(wěn)定性研究[J].電力訊息,2015,4(1):189-190.

[6]黃巧亮,劉國海,劉維亭.艦船交流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2009,31(4):61-64.

[7]陳石.柴油發(fā)電機(jī)組故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)[J].廣東造船,2001(3):37-40.

[8]楊秀霞,張曉峰,張敏.船舶電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[J].中國修船,2004(3):12-13.

[9]吳富民.柴油機(jī)數(shù)字式電子調(diào)速器的設(shè)計(jì)與開發(fā)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，2010.

[10]王德明,李敬福.柴油機(jī)防超速自動控制電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報,2010(3):64-66.

Influence and Solution of Diesel Generator Sets Running in Parallel by Over-speed

QIN Lixin1

(Naval Military Representative Office in Shanghai Jiangnan Shipyard(Group)Co.,Ltd,Shanghai201913)

Currently,the prime mover used in ship power station is diesel commonly.Along with the increasing of tonnage and power load of the ship continuously,it becomes to be normal that diesel generator sets running in parallel provides power to the whole ship.The over-speed is a rare but fatal diesel fault,it will damage the stability of diesel generator sets running in parallel when the over-speed fault occurs.This paper gives a detailed analysis and proposes effective solutions,which ensure the stability of the power supply system.

diesel generator sets running in parallel,over-speed,stability of the power supply system

2016年3月12日,

2016年4月28日

秦立新，男，工程師，研究方向：艦船電氣。

U262.11DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.025