楊亞男， 徐雪波， 于智勇

(滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129)

速降模式雙機并車原理解析及應(yīng)用驗證

楊亞男， 徐雪波， 于智勇

(滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129)

介紹一種新的船用柴油推進主機并車原理的應(yīng)用，概述雙機并車技術(shù)的背景應(yīng)用、控制要求和方法，通過對調(diào)速器特性的分析從而對速降模式控制方法的工作原理進行解析?？偨Y(jié)幾種常規(guī)調(diào)速器的穩(wěn)態(tài)特性，結(jié)合某船柴油主機調(diào)速器的配置及其速降模式雙機并車方法的應(yīng)用，在航行試驗中進行雙機負荷分配平衡精度驗證，通過實船應(yīng)用驗證可知該并車控制方法可達到較高的功率分配精度。

雙機并車；速降模式；負荷分配平衡

0 引 言

現(xiàn)代船舶對于快速性和機動性的要求日趨提高，柴油機聯(lián)合動力裝置(COmbined Diesel And Diesel, CODAD)應(yīng)用日趨增多，這種采用2臺柴油機通過彈性聯(lián)軸節(jié)、并車齒輪箱共同驅(qū)動1根螺旋槳軸的四機雙槳推進動力裝置能提供較大的輸出功率，大幅拓展優(yōu)質(zhì)柴油機的功率覆蓋范圍, 提供多種推進模式以滿足船舶對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。在雙機并車中,柴油機控制系統(tǒng)必須采用合理的并車控制方法和控制邏輯來確保在各種工況下并車柴油機的輸出功率能均衡分配，雙機負荷平衡是衡量并車控制方法優(yōu)劣的重要指標。本文著重對船舶常用的相同型號及轉(zhuǎn)速的2臺柴油機的并車控制方法進行分析，以某軍貿(mào)船推進系統(tǒng)應(yīng)用的MTU16V1163-TB93系列柴油機為例，分析其雙機并車控制原理和控制邏輯，并通過航行試驗對控制效果進行驗證。

1 雙機并車控制要求和控制方法

1.1 控制要求

雙機并車的常規(guī)控制要求是：在并車的瞬間，2臺柴油機通過齒輪箱剛性連接，接排柴油機應(yīng)與在排柴油機轉(zhuǎn)速相同，此時要求接排柴油機在接排瞬間不會對在排柴油機產(chǎn)生沖擊負荷，然后2臺柴油機按既定的控制邏輯分配負荷，平穩(wěn)進行負荷轉(zhuǎn)移。負荷分配過程在柴油機上最直觀的反應(yīng)就是油門刻度表讀數(shù)的變化，并聯(lián)運行過程控制的關(guān)鍵是使功率分配始終保持平衡。目前國內(nèi)對采用電子調(diào)速器的柴油機控制系統(tǒng)的雙機并車負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)的柴油機雙機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。國內(nèi)船舶柴油機雙機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，某船柴油主機配置了歐羅巴Viking 25調(diào)速器，正常情況下雙機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)文獻較多，本文不再贅述 ，這里主要詳細分析速降模式控制方法。

2 速降模式控制方法工作原理

要了解速降模式控制方法的工作原理，必須從柴油機調(diào)速器及其調(diào)速特性入手。柴油機調(diào)速器是一種自動調(diào)節(jié)裝置，它根據(jù)柴油機負荷的變化，自動增減供油量，使其轉(zhuǎn)速維持在規(guī)定范圍內(nèi)。調(diào)速器調(diào)速特性是指柴油機在調(diào)速器控制下運行時，其負荷與轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，以轉(zhuǎn)速為縱坐標、負荷為橫坐標作圖，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，無論柴油機在負荷范圍內(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)速特性在柴油機恒轉(zhuǎn)速控制(軸帶發(fā)電機模式)時非常有利，作為船舶發(fā)電原動機的柴油機，要求能在外界負荷變化時保持恒定轉(zhuǎn)速，以保證發(fā)電機的頻率恒定在要求的控制范圍內(nèi)，此時必須使用轉(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，柴油機空載至滿載負荷范圍內(nèi)，其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速會隨著柴油機負荷的增加(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)可以通過式(1)計算。

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)代計算機技術(shù)的發(fā)展，調(diào)速器經(jīng)歷了由機械調(diào)速器、液壓調(diào)速器到電子調(diào)速器的飛躍。

機械調(diào)速器是典型的速降特性調(diào)速器，它不能保持柴油機在調(diào)速前后的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速不變，即δ必大于零。在外負荷減少時，調(diào)節(jié)后的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速要比原穩(wěn)定轉(zhuǎn)速稍高，反之當外負荷增加時，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)機構(gòu)之間采用剛性連接。

液壓調(diào)速器分無反饋機構(gòu)和有反饋機構(gòu)兩種型式，無反饋機構(gòu)的液壓調(diào)速器不能根據(jù)外負荷變化既準確又“適可而止”地改變供油量，容易因為慣性而過度矯正，不利于柴油機轉(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)速器中增加反饋機構(gòu)可以減少柴油機轉(zhuǎn)速波動，而分別采用剛性反饋和彈性反饋機構(gòu)可實現(xiàn)有速差和無速差兩種特性，因此就有了雙反饋機構(gòu)液壓調(diào)速器，它既可以使調(diào)速過程穩(wěn)定，又能通過手動調(diào)節(jié)剛性反饋杠桿的2力臂比例來實現(xiàn)速降比δ在0到一定范圍內(nèi)變化。

電子調(diào)速器的特點是信號監(jiān)測及控制調(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(例如最大可達到5%的轉(zhuǎn)速降)之間可調(diào)，實現(xiàn)了調(diào)速器特性選擇的數(shù)字化、便捷化，同時又徹底擺脫了機械慣性和機械摩擦的影響，性能較機械和液壓調(diào)速器有顯著提高，在船用柴油機中得到廣泛應(yīng)用。

2.4 速降模式雙機并車控制原理

2臺相同型號并配置了相同速降比調(diào)速器的柴油機A和B并聯(lián)運行，并車時兩機的負荷轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖3所示。假設(shè)A在100%負荷、轉(zhuǎn)速為a的工況下運行，B要求與A并聯(lián)運行，兩機通過齒輪箱剛性連接。并車時B將在0負荷、轉(zhuǎn)速為a的工況下運行，為更好地理解負荷分配，可以從相反的方向讀取A和B的特性曲線，如圖4所示，可以看出若無外界干涉，B根本無法轉(zhuǎn)移A的負荷，所以在并車前需要稍微增加B的轉(zhuǎn)速到b′，柴油機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，兩機同步運行在新的轉(zhuǎn)速點上，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將增大油門開度來增加實際轉(zhuǎn)速，A將減小油門開度來降低實際轉(zhuǎn)速，隨著兩機油門開度的增減，負荷開始由A轉(zhuǎn)移到B，此時調(diào)速器在速降特性作用下，幾乎相當于負荷調(diào)節(jié)器，通過調(diào)節(jié)B的給定轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)兩機負荷直到負荷平衡。

圖3 雙機并車兩機穩(wěn)態(tài)特性

圖4 雙機并車兩機等分負荷

2.5 速降模式雙機并車適用條件

值得注意的是，因為這種控制方法是通過速降原理來實現(xiàn)的，因此必須滿足以下條件方能實現(xiàn)精確的負荷分配：

(1) 并車柴油機之間采用剛性連接，如通過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，此種方法將不能實現(xiàn)理想的負荷分配精度。

(2) 并車柴油機調(diào)速器速降比δ相等且均大于0。

3 某船柴油主機調(diào)速器的配置及速降模式雙機并車的應(yīng)用

3.1 調(diào)速器配置

該船由4臺MTU16V1163-TB93主機和2臺摩擦片式齒輪箱驅(qū)動螺旋槳軸，組成四機雙槳推進動力裝置。其中主機控制系統(tǒng)(Engine Control System, ECS)的調(diào)速單元為電子調(diào)速器，采用電子式信號監(jiān)測、PID控制器和電液執(zhí)行機構(gòu)。圖5為調(diào)速系統(tǒng)控制原理圖。在該船航行過程中，主機設(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 在速降模式下主機轉(zhuǎn)速的控制邏輯

在實際操縱過程中，MTU遙控系統(tǒng)RCS-5CPP/DAD對操縱人員要求的給定轉(zhuǎn)速值進行邏輯判斷，根據(jù)速降給出轉(zhuǎn)速指令補償，確定控制給定值。作為圖5調(diào)速系統(tǒng)的輸入1，經(jīng)過環(huán)節(jié)2后，與實際測量的轉(zhuǎn)速反饋信號相比求得轉(zhuǎn)速瞬時偏差，通過轉(zhuǎn)速PID控制器(結(jié)合主機熱工參數(shù)限制曲線限制和修正)和油門PID控制器計算出油門動作量電信號，輸出給感應(yīng)元件電磁機構(gòu)，經(jīng)液壓單元放大后拖動油門拉桿調(diào)節(jié)柴油機的循環(huán)油量，整個調(diào)速系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速和油門齒條行程信號反饋下形成雙閉環(huán)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速波動率和不靈敏度相對較小。表1是該船航行試驗中某一動態(tài)調(diào)速狀態(tài)下，根據(jù)MTU調(diào)試人員監(jiān)控計算機的數(shù)據(jù)頁面整理形成的數(shù)據(jù)表格，此時左右2軸分別有1號主機和2號主機在排。當操縱人員給定轉(zhuǎn)速為1 325 r/min時，遙控系統(tǒng)內(nèi)部程序根據(jù)此時的主機負荷所占額定功率百分比及速降比計算出此時的理論速度降，在給定轉(zhuǎn)速指令上進行速度補償，RCS-5CPP/DAD實際內(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柴油機調(diào)速器原理

表1 MTU調(diào)試用監(jiān)控計算機主機參數(shù)頁面數(shù)據(jù)

3.3 雙機并車控制流程

與本文2.4節(jié)中描述的控制邏輯一致，例如同軸2臺主機(1號和3號)雙機并車，1號主機已在排，實際穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為n1act，遙控系統(tǒng)給待接排3號主機的設(shè)定轉(zhuǎn)速n3nom=n1act+30 r/min，雙機接排，在新的同步轉(zhuǎn)速點上運行并等分軸上的負荷。在雙機并聯(lián)運行中，隨著軸上負荷的變化，遙控系統(tǒng)不斷地比較2臺主機的功率儲備(相當于比較兩機發(fā)出的功率)，根據(jù)儲備功率的偏差來判斷是否增加其中1臺主機的給定轉(zhuǎn)速來不斷地通過調(diào)速器實現(xiàn)油門增減，以實現(xiàn)兩機在新的同步轉(zhuǎn)速點上運行，從而實現(xiàn)兩機負荷分配平衡。解列時則動作相反，遙控系統(tǒng)根據(jù)機槳匹配曲線將軸負荷降至安全范圍(單機承受最大負荷)，給待脫排3號主機的設(shè)定轉(zhuǎn)速n3nom將低于并聯(lián)運行兩機的同步轉(zhuǎn)速30 r/min。在調(diào)速器作用下，3號主機的油門減少，負荷被轉(zhuǎn)移至1號主機，最終按同樣控制邏輯完成解列。詳細的雙機并車流程如圖6所示。

圖6 雙機并車控制流程

4 航行試驗驗證

4.1 驗證方法

由于目前實船實時在線測量柴油機的輸出功率存在安裝不便、穩(wěn)定性差、測量誤差大等缺點，經(jīng)過對柴油機臺架試驗數(shù)據(jù)以及實船運行中柴油機各熱工參數(shù)的研究對比，認為從理論上分析，2臺型號、額定功率相同的柴油機并聯(lián)運行時，油門位置相同時輸出功率也相同。圖7為集控室控制站人機界面主推進系統(tǒng)主機頁面，可全面及時地在航行試驗中觀察和記錄主機相關(guān)參數(shù)。

圖7 某船主推進系統(tǒng)人機界面圖

主機額定功率為5 920 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 325 r/min，根據(jù)主機臺架試驗數(shù)據(jù)顯示主機額定功率下油門齒條位置刻度為73.1%，本文根據(jù)GJB 4000-2000中負荷分配平衡差度計算公式[2]計算。

(2)

式中：ΔPi為參加并聯(lián)運行的第i臺主機的功率分配差度；Pi為參加并聯(lián)運行的第i臺主機實際承擔的功率，kW；Pei為參加并聯(lián)運行的第i臺主機的額定功率，kW。

4.2 試驗數(shù)據(jù)分析

在首制船的航行試驗數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，MTU針對各工況下負荷分配的情況和不足對遙控系統(tǒng)控制程序和參數(shù)不斷地進行調(diào)整和改進，并在后續(xù)船試驗中應(yīng)用驗證。根據(jù)實船應(yīng)用條件調(diào)整改進后，在后續(xù)船航行試驗各運行工況下，右軸系并聯(lián)運行主機(1號和3號主機)和左軸系并聯(lián)運行主機(2號和4號主機)的轉(zhuǎn)速、負荷、油門刻度等數(shù)據(jù)分別記錄并計算處理，如表2和表3所示。

表2 實船雙機并車試驗數(shù)據(jù)(右軸)

表3 實船雙機并車試驗數(shù)據(jù)(左軸)

試驗數(shù)據(jù)集表明，在各種工況下，同軸雙機的負荷分配不平衡度均能在(-2% ，+2%)區(qū)間，遠遠高于規(guī)范要求的雙機并車負荷分配平衡精度指標。

5 結(jié) 語

通過理論分析與實船航行試驗驗證中的數(shù)據(jù)分析，證明實船調(diào)試改進后的速降模式雙機并車控制方法可以滿足柴油主機并聯(lián)運行的穩(wěn)定性和可靠性要求?？刂品椒ㄔ谠撓盗?艘船上不斷調(diào)試改進，已能實現(xiàn)較高的負荷分配平衡精度，船東、船檢對此表示滿意。希望本文對該雙機并車控制方法在實船應(yīng)用中改進、驗證的分析論證能為今后類似控制方法的設(shè)計應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和應(yīng)用借鑒。

[1] 侯馨光, 張敏.船舶主柴油機并車運行新方法[J]. 上海船舶運輸科學(xué)研究所學(xué)報, 2007，30(2): 75-80.

[2] 中國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，高級工程師，主要從事船舶電氣設(shè)計

1000-3878(2017)04-0072-07

TK42

A