劉波 唐文俊

(駐廣州地區(qū)第一軍事、第二軍事代表室)

0 前言

某首制船在系泊試驗(yàn)期間，1#、2#、3#、6#中壓發(fā)電機(jī)組處于備車狀態(tài)，4#中壓發(fā)電機(jī)組處于在網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，在網(wǎng)負(fù)載約150kW，在進(jìn)行手動(dòng)操作岸電轉(zhuǎn)船電試驗(yàn)時(shí)，4#機(jī)組接口柜AC380V輸入短暫失電，系統(tǒng)隨即切換至DC220V備用電源供電。岸電轉(zhuǎn)船電過(guò)程中，4#機(jī)組機(jī)旁控制箱加固機(jī)出現(xiàn)運(yùn)行異常，兩組發(fā)電機(jī)電動(dòng)滑油泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，但發(fā)電機(jī)組未停機(jī)，隨后機(jī)旁監(jiān)控人員發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)軸承處有煙霧冒出，立即對(duì)機(jī)組進(jìn)行了緊急停機(jī)。從發(fā)現(xiàn)軸承冒煙到機(jī)組緊急停機(jī)，機(jī)組共運(yùn)行約1分鐘。拆檢后發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)端軸瓦巴氏合金燒損嚴(yán)重，發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸上密封環(huán)位置有磨損刮痕，軸頸和推力端面未見(jiàn)燒壞跡象，非驅(qū)動(dòng)端軸瓦有少量巴氏合金磨損。

1 故障原因分析

1.1 相關(guān)電氣設(shè)備原理介紹

機(jī)組及接口柜供電、負(fù)載及相關(guān)控制原理示意圖，如圖1所示。

圖1 接口柜供電、負(fù)載及相關(guān)控制邏輯圖

1.1.1 接口柜原理

根據(jù)規(guī)格書要求，接口柜輸入電源分兩路，一路是AC380V±10%主電源、容量18KVA；另外一路是DC220V±20%備用電源，容量為60Ah，備用電源是主電源故障的應(yīng)急電源，關(guān)系到機(jī)組的安全運(yùn)行，要求不間斷供電。

接口柜由信號(hào)處理單元、變壓器單元、DC/AC轉(zhuǎn)換單元、DC/DC單元、切換單元等組成，主要功能是為柴油發(fā)電機(jī)組用電設(shè)備和輔助泵組提供電源（AC380V、DC24V兩類），保障柴油發(fā)電機(jī)組任何工況下都能夠正常運(yùn)行。接口柜的設(shè)計(jì)采用主電源優(yōu)先模式，即當(dāng)主電源正常時(shí)，接口柜按主電源工作模式運(yùn)行，接口柜按需求分別輸出AC380V和DC24V電源，發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)可以正常工作；當(dāng)主電源異常時(shí)，接口柜立即切換成備用電源供電模式，接口柜也可以按需求分別輸出AC380V和DC24V電源，以保證發(fā)電機(jī)組可以正常工作。

1.1.2 加固機(jī)工作原理

加固機(jī)由CPU、通信模塊和電源模塊組成，主要通過(guò)接收來(lái)自智能IO采集的柴油發(fā)電機(jī)組狀態(tài)信息、故障信息等，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制邏輯發(fā)送柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的起/停機(jī)控制指令、安全保護(hù)指令、輔助泵組（包括發(fā)電機(jī)滑油泵、柴油機(jī)滑油預(yù)供泵、發(fā)電機(jī)冷卻海水泵等）起/停控制指令至智能IO，相當(dāng)于整個(gè)機(jī)組控制的“大腦”。加固機(jī)的供電是DC24V±20%不間斷電源。

1.1.3 智能IO工作原理

智能IO由嵌入式的采集模塊組成，是整個(gè)機(jī)組控制系統(tǒng)的采集和執(zhí)行單元，主要用于采集柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、溫度流量壓力等熱工參數(shù)以及報(bào)警信息，并將相關(guān)信息通訊至加固機(jī)，同時(shí)接收并執(zhí)行來(lái)自加固機(jī)的控制指令。智能IO的供電是DC24V±20%不間斷電源。

1.1.4 滑油泵工作原理

4MW發(fā)電機(jī)組有兩組滑油泵，一用一備，當(dāng)滑油泵處于自動(dòng)工況時(shí)，加固機(jī)通過(guò)智能IO發(fā)送啟/停信號(hào)控制滑油泵。

當(dāng)發(fā)電機(jī)滑油流量低時(shí)，加固機(jī)通過(guò)智能IO采集到流量低報(bào)警信號(hào)，并立即通過(guò)智能IO啟動(dòng)備用滑油泵；當(dāng)發(fā)電機(jī)滑油流量過(guò)低時(shí)，加固機(jī)通過(guò)智能IO采集到流量過(guò)低報(bào)警信號(hào)，并通過(guò)智能IO向氣控閥箱發(fā)送緊急停機(jī)指令，氣控閥箱電磁閥動(dòng)作后機(jī)組立即停機(jī)。

1.2 原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況及工作原理分析，本次故障原因分析如下：

接口柜作為機(jī)組供電電源，為機(jī)組各型泵組、智能IO、加固機(jī)等設(shè)備供電。在故障發(fā)生前，4#機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，1#、2#、3#、6#機(jī)處于備車狀態(tài)。船上為接口柜提供AC380V主電源和DC220V備用電源，故障發(fā)生前，接口柜總負(fù)載約20.48kW。

試驗(yàn)期間，執(zhí)行岸電轉(zhuǎn)艦電操作時(shí)，接口柜主電源失電，接口柜立即切換至DC220V備用電源供電。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)測(cè)，岸電轉(zhuǎn)船電切換時(shí)接口柜DC220V備用輸入電源電壓出現(xiàn)短時(shí)下降（最低可降至DC44V～DC90V不等），遠(yuǎn)低于接口柜輸入電源要求的下限（DC176V），此時(shí)觸發(fā)接口柜保護(hù)，接口柜輸出AC380V和DC24V異常。幾秒后船電恢復(fù)，接口柜AC380V主電源恢復(fù)，接口柜待保護(hù)自動(dòng)解除后重新恢復(fù)向機(jī)組輸出AC380V和DC24V電源。

現(xiàn)場(chǎng)復(fù)查DC220V備用電源供電情況，因當(dāng)時(shí)船上實(shí)際供電UPS電源沒(méi)有調(diào)試好，實(shí)際臨時(shí)采用1路岸電經(jīng)1號(hào)充放電板的充電模塊（將380V岸電轉(zhuǎn)換成DC220V）模擬DC220V備用電源供電，該模塊額定電流為60A，額定功率為13.2KW，低于接口柜需求的負(fù)載20.48kW，造成轉(zhuǎn)換過(guò)程中短時(shí)出現(xiàn)電壓降。

由上述過(guò)程可知，電源切換過(guò)程中，接口柜因備用電源電壓下降觸發(fā)安全保護(hù)，機(jī)組因接口柜保護(hù)出現(xiàn)AC380V和DC24V供電異常，進(jìn)而引起加固機(jī)運(yùn)行異常（黑屏）、智能IO輸出重置，隨后發(fā)電機(jī)滑油泵因AC380V失電和智能IO輸出重置停止運(yùn)行，智能IO因加固機(jī)運(yùn)行異常無(wú)法獲取發(fā)電機(jī)滑油泵起動(dòng)指令和機(jī)組停機(jī)指令，最終導(dǎo)致出現(xiàn)發(fā)電機(jī)滑油泵停機(jī)而機(jī)組未停機(jī)的現(xiàn)象。同時(shí)，由于加固機(jī)運(yùn)行異常，無(wú)法處理智能IO接收到的遙控緊急停機(jī)信號(hào)，故在故障時(shí)配電板室（配電板和PMS臺(tái)）無(wú)法操作緊急停機(jī)。

針對(duì)上述分析，通過(guò)模擬故障運(yùn)行工況，共進(jìn)行了7次故障復(fù)現(xiàn)測(cè)試，7次均復(fù)現(xiàn)故障，測(cè)試結(jié)果符合原因分析。

2 機(jī)組安保功能設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)需求

（1）機(jī)組遙控緊急停機(jī)功能優(yōu)化；

（2）加固機(jī)欠電壓保護(hù)功能優(yōu)化；

（3）機(jī)組發(fā)電機(jī)滑油泵異常停止保護(hù)功能優(yōu)化。

2.2 遙控緊急停機(jī)功能優(yōu)化

2.2.1 機(jī)組當(dāng)前狀態(tài)

遙控緊急停機(jī)信號(hào)送到機(jī)旁監(jiān)控柜后由加固機(jī)進(jìn)行處理，并通過(guò)智能IO模塊執(zhí)行緊急停機(jī)，與此同時(shí)把緊急停機(jī)狀態(tài)信號(hào)并反饋給艦船監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2.2 優(yōu)化目標(biāo)

本文分析船舶阻力時(shí)選擇RNG k-ε模型和VOF 模型。要讓RANS方程組封閉，降低數(shù)值模擬計(jì)算的復(fù)雜程度，需要用 k-ε 模型來(lái)計(jì)算雷諾應(yīng)力，根據(jù)推廣的Boussinesq的eddy viscosity關(guān)系：

改變目前狀態(tài)下機(jī)旁監(jiān)控柜運(yùn)行異常后無(wú)法在配電板室進(jìn)行緊急停機(jī)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在配電板室緊急停機(jī)。

2.2.3 優(yōu)化方案

保留原緊急停機(jī)方式，增加一條由配電板室到機(jī)組的緊急停車電纜，直接連接到機(jī)組的緊急停機(jī)電磁閥，實(shí)現(xiàn)任何情況下都可以在配電板室緊急停機(jī)的目標(biāo)。此方案不影響機(jī)組的功能性能指標(biāo)。

2.3 加固機(jī)欠電壓保護(hù)功能優(yōu)化

2.3.1 機(jī)組當(dāng)前狀態(tài)

問(wèn)題出現(xiàn)后，對(duì)加固機(jī)失電過(guò)程中運(yùn)行異常情況電壓進(jìn)行錄波，發(fā)現(xiàn)加固機(jī)電源位于圖2的A區(qū)間時(shí)（16.5V左右）加固機(jī)運(yùn)行異常。

圖2 加固機(jī)短暫失電后電壓曲線

當(dāng)前機(jī)旁監(jiān)控加固機(jī)失電停機(jī)繼電器使用斷電繼電器，其釋放電壓約為9.6V，吸合電壓約為17V。

2.3.2 優(yōu)化目標(biāo)

在加固機(jī)供電電壓接近運(yùn)行異常電壓時(shí)，能應(yīng)能實(shí)現(xiàn)機(jī)組自動(dòng)停機(jī)。

2.3.3 優(yōu)化方案

把原斷電繼電器更換為能監(jiān)視電壓的欠壓監(jiān)視繼電器，其監(jiān)視電壓能在DC17-24V可調(diào)，為保證加固機(jī)正常工作電壓（＞16.5V），又能預(yù)留10%電壓裕度，目前欠壓設(shè)定值為18V，恢復(fù)值設(shè)定為19.2V。

2.4 機(jī)組發(fā)電機(jī)滑油泵異常停止保護(hù)功能優(yōu)化

2.4.1 機(jī)組當(dāng)前狀態(tài)

發(fā)電機(jī)組有兩組滑油泵，一使用一備用，當(dāng)滑油泵處于自動(dòng)工況時(shí)，加固機(jī)通過(guò)智能IO發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)滑油泵的自動(dòng)運(yùn)行。其設(shè)計(jì)原則是既承擔(dān)預(yù)供功能，又在機(jī)組運(yùn)行時(shí)互為備用，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)滑油泵交替長(zhǎng)期運(yùn)行。當(dāng)發(fā)電機(jī)滑油流量低時(shí)，加固機(jī)通過(guò)智能IO采集到流量低報(bào)警信號(hào)，并立即通過(guò)智能IO啟動(dòng)另外一組備用滑油泵；當(dāng)發(fā)電機(jī)滑油流量過(guò)低時(shí)，加固機(jī)通過(guò)智能IO采集到流量過(guò)低報(bào)警，并通過(guò)智能IO向氣控箱發(fā)送緊急停機(jī)指令，氣控箱電磁閥動(dòng)作后機(jī)組立即停機(jī)。

本柴油發(fā)電機(jī)組選用海茵茨曼電子調(diào)速器，其設(shè)置停機(jī)接口，用于柴油機(jī)的停機(jī)，此接口有效后，柴油機(jī)斷油停機(jī)，其轉(zhuǎn)速時(shí)間曲線如圖3所示。其中，t1為停機(jī)信號(hào)有效的時(shí)間點(diǎn)，t2為機(jī)組停止時(shí)間點(diǎn)，t2-t1<14s。

圖3 電子調(diào)速器轉(zhuǎn)速時(shí)間曲線

目前狀態(tài)下4#中壓發(fā)電機(jī)組機(jī)旁監(jiān)控柜運(yùn)行異常后，有可能出現(xiàn)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)滑油泵均停止運(yùn)行，但機(jī)組未停機(jī)的情況，如圖4所示。

圖4 目前發(fā)電機(jī)滑油泵控制原理圖

2.4.2 優(yōu)化目標(biāo)

只要出現(xiàn)兩組發(fā)電機(jī)滑油泵同時(shí)停止運(yùn)行，發(fā)電機(jī)機(jī)組立即自動(dòng)停機(jī)。

2.4.3 優(yōu)化方案

機(jī)組配電箱內(nèi)已設(shè)有兩臺(tái)發(fā)電機(jī)滑油泵運(yùn)行狀態(tài)繼電器，擬將上述繼電器輔助觸點(diǎn)串聯(lián)聯(lián)到主控箱電壓監(jiān)視繼電器KA01線圈上，當(dāng)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)滑油泵均不工作時(shí)，KA01失電，進(jìn)而向電子調(diào)速器發(fā)送停機(jī)信號(hào)，如圖5所示。此方案不影響機(jī)組的功能性能指標(biāo)。

圖5 優(yōu)化發(fā)電機(jī)滑油泵原控制理圖

3 優(yōu)化方案驗(yàn)證

針對(duì)中壓柴油發(fā)電機(jī)組安保功能設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，同步編寫了《中壓柴油發(fā)電機(jī)組安保功能優(yōu)化方案驗(yàn)證試驗(yàn)細(xì)則》，在完成外部評(píng)審之后，按照設(shè)計(jì)優(yōu)化的三個(gè)內(nèi)容分別測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果滿意并達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，最后還進(jìn)行該發(fā)電機(jī)組修復(fù)后的性能測(cè)試（空載運(yùn)行半小時(shí)，滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)小時(shí)），試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)異常情況出現(xiàn)，各性能指標(biāo)滿足要求，故可以判定修復(fù)后的發(fā)電機(jī)組主要性能不受影響，可以正常投入使用。

4 啟示與思考

通過(guò)此次故障處理，更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了邊界工況的重要性，在后續(xù)設(shè)計(jì)工作中不僅要提高設(shè)備可靠性，同時(shí)還需兼顧邊界工況下的設(shè)備自我保護(hù)，不斷地提高柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)水平。試驗(yàn)應(yīng)該盡量按照船上設(shè)計(jì)技術(shù)狀態(tài)開(kāi)展。本案例中，因?yàn)榇喜婚g斷備用電源供電未調(diào)試好,只能采用外部供電，經(jīng)充放電模塊轉(zhuǎn)換模擬實(shí)船不間斷備用電源，操作過(guò)程中又未考慮實(shí)際功率需求（即一個(gè)充電模塊供電容量不足），最終導(dǎo)致了質(zhì)量事故的發(fā)生。質(zhì)量問(wèn)題處理要注重舉一反三。該故障發(fā)生在系列船的首制船上，同時(shí)其他船中壓柴油發(fā)電機(jī)組也采用了類似設(shè)計(jì)，在完成本質(zhì)量事故歸零處理后，還應(yīng)在后續(xù)船和采用類似設(shè)計(jì)的其他船上落實(shí)優(yōu)化方案。