龐正君

（廣西壯族自治區(qū)北海船舶檢驗(yàn)中心，北海 536000）

長期以來，廣西壯族自治區(qū)中小型民營船廠在進(jìn)行發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)的時候一般使用水電阻。這些水電阻一般是船廠自行設(shè)計(jì)和建造的，設(shè)計(jì)簡單，功能有待完善。利用傳統(tǒng)的水電阻進(jìn)行發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其存在較多問題，如沒有并聯(lián)電抗器、難以精確按照要求控制負(fù)荷的加載以及難以準(zhǔn)確完成發(fā)電機(jī)組穩(wěn)態(tài)調(diào)壓特性調(diào)制試驗(yàn)等。

干式負(fù)載箱相對于傳統(tǒng)的水電阻優(yōu)勢明顯，也能在試驗(yàn)中避免傳統(tǒng)水電阻的缺點(diǎn)。但是，干式負(fù)載箱隨著功率的提升，價格不斷攀高。以往干式負(fù)載箱一般僅在國營大中型船廠中使用[1]。隨著經(jīng)濟(jì)和工業(yè)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，干式負(fù)載箱的功能不斷完善，其安全性和智能性不斷提升，價格也在不斷下降。同時，船檢部門對建造船舶質(zhì)量的監(jiān)管和控制日趨嚴(yán)格，越來越多中小型民營船廠逐漸把目光投向干式負(fù)載箱?？梢姡褂酶墒截?fù)載箱取代水電阻進(jìn)行發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)成為趨勢。

1 內(nèi)河發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)水電阻狀況

水電阻一般由阻性負(fù)載和可調(diào)電抗器組成，兩者并聯(lián)在一起，調(diào)整功率因素在0.8左右，用來模擬船舶的負(fù)荷。一直以來，大多數(shù)中小型民營船廠使用自制的水電阻進(jìn)行發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)，且自制水電阻普遍沒有設(shè)置可調(diào)電抗器，僅設(shè)置一只單層圓形缸體。缸體上面的門型拱架上安裝一臺電動機(jī)，使用鋼絲繩拖動三相極板，在遠(yuǎn)端通過電動按鈕控制三相極板沒入鹽水的深淺實(shí)現(xiàn)不同負(fù)荷的加載。

從目前廣西內(nèi)河中小型船廠所用的水電阻來看，并不適合用來模擬目前在建的2 000 t級船舶的負(fù)載。第一，2 000 t級的內(nèi)河船舶上設(shè)置了相當(dāng)數(shù)量的電動機(jī)，在使用過程中需要從發(fā)電機(jī)中吸取無功功率，沒有并聯(lián)可調(diào)電抗器的水電阻難以完整模擬船上的負(fù)載。第二，沒有水電阻缸體頂部沒有加裝蓋子，無法避免鹽水的蒸發(fā)。鹽水的濃度發(fā)生變化，會導(dǎo)致負(fù)載發(fā)生波動。第三，水電阻缸體沒有采取較有效的冷卻措施，如水冷，導(dǎo)致水溫不恒定。鹽水容易沸騰，長時間做試驗(yàn)負(fù)荷不穩(wěn)定，將嚴(yán)重影響試驗(yàn)的精度。第四，水電阻三相極板升降控制裝置簡易，難以精確控制負(fù)荷的加載，在穩(wěn)態(tài)調(diào)壓調(diào)試試驗(yàn)和調(diào)速特性試驗(yàn)時尤其明顯，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。第五，試驗(yàn)后鹽水需要對外排放，會對環(huán)境造成一定的污染。

隨著廣西內(nèi)河黃金水道的升級和內(nèi)河砂石行情的興起，廣西內(nèi)河造船逐漸迎來了高潮。目前，在建的內(nèi)河船舶主發(fā)電機(jī)組一般為兩臺30 kW或者40 kW柴油發(fā)電機(jī)組，不并聯(lián)運(yùn)行。船舶主配電板上設(shè)置電壓表、電流表和頻率表，監(jiān)控主發(fā)電機(jī)組的日常運(yùn)行狀況。隨著內(nèi)河船舶建造高潮的來臨，以及船檢部門對船廠資質(zhì)和船舶建造質(zhì)量的監(jiān)管和控制日趨嚴(yán)格，廣西民營中小型船廠的生產(chǎn)試驗(yàn)設(shè)備逐漸迎來了升級換代。目前，已經(jīng)陸續(xù)有船廠開始使用干式負(fù)載箱來替代傳統(tǒng)自制的水電阻開展發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)。

2 干式負(fù)載箱的組成

干式負(fù)載箱一般由可調(diào)阻性負(fù)載、可調(diào)感性負(fù)載、冷卻裝置、可編程控制器、運(yùn)算單元、執(zhí)行裝置、保護(hù)裝置以及遠(yuǎn)程電腦等部分組成，如圖1所示。一般將上述單元集成在一個箱柜內(nèi)。負(fù)荷的加載有兩種方式：一種是通過柜體上的控制面板手動加載負(fù)載；另一種是在遠(yuǎn)程電腦使用軟件控制設(shè)置負(fù)載，通過運(yùn)算單元計(jì)算相應(yīng)的有功功率和無功功率，然后由執(zhí)行單元控制負(fù)載接觸器的通斷，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的加載。

圖1 干式負(fù)載箱框架圖

目前，北海承建內(nèi)河船舶的船廠已經(jīng)有兩家船廠配備了干式負(fù)載箱。下面主要是以北海市海城區(qū)海洋船船舶修造廠（以下簡稱海洋船廠）配備的干式負(fù)載箱在“鑫木5888”輪發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)中的表現(xiàn)，介紹其在干式負(fù)載箱在內(nèi)河船舶發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)中的應(yīng)用。

3 干式負(fù)載箱基本情況

海洋船廠配備的是一臺由東莞市能一電氣科技有限公司生產(chǎn)的100 kW的干式負(fù)載箱，額定有功功率100 kW，額定無功功率75 kvar。阻性負(fù)載有8個檔位，分別為1個1 kW、2個2 kW、1個5 kW、2個10 kW、1個20 kW和1個50 kW檔位。感性檔位也有8個檔位，分別為1個0.75 kvar、2個 1.5 kvar、1個 3.75 kvar、2個 7.5 kvar、1個 15 kvar和1個37.5 kvar檔位。阻性檔位和感性檔位可以自由組合加載。感性負(fù)載可以手動加載，也可以在遠(yuǎn)程電腦端按照設(shè)定的功率因素，跟隨有功功率自動加載[2]。

干式負(fù)載箱對發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)的監(jiān)控可以在箱體上顯示，也可以在遠(yuǎn)程電腦端顯示。使用遠(yuǎn)程電腦連接干式負(fù)載箱進(jìn)行發(fā)電機(jī)組負(fù)荷試驗(yàn)時，可以時時刻刻監(jiān)控發(fā)電機(jī)組各相的線電壓、線電流、有功功率、無功功率、視在功率、頻率以及功率因素等數(shù)據(jù)，并在試驗(yàn)結(jié)束時分別保存各項(xiàng)數(shù)據(jù)的波形圖，以便后期的數(shù)據(jù)分析。另外，在進(jìn)行發(fā)電機(jī)組穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)時，能設(shè)置各個試驗(yàn)點(diǎn)負(fù)荷百分比和試驗(yàn)時間。試驗(yàn)過程中也可以監(jiān)控各相的線電壓和頻率，以觀測電壓和頻率的波動。

4 被測試船舶概況

“鑫木5888”輪是多用途船，總長73.8 m，航區(qū)為內(nèi)河A級航區(qū)，配備兩臺30 kW發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)型號SGTH-30，額定電壓400 V，額定電流54.3 A。兩臺發(fā)電機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行，不能并車?？梢姡Ｑ蟠瑥S配備的100 kW干式負(fù)載箱滿足“鑫木5888”輪發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)要求。

5 干式負(fù)載箱在發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)中的應(yīng)用

干式負(fù)載箱負(fù)荷的加載以及發(fā)電機(jī)試驗(yàn)過程中電氣參數(shù)的觀測，可以在負(fù)載箱端實(shí)現(xiàn)，也可以在遠(yuǎn)程電腦上實(shí)現(xiàn)。下面主要使用遠(yuǎn)程電腦對整個發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)進(jìn)行操作。

5.1 負(fù)荷試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)組負(fù)荷試驗(yàn)是一項(xiàng)檢查發(fā)電機(jī)組持久性工作的試驗(yàn)[3]，要求發(fā)電機(jī)按照預(yù)定的負(fù)荷和時間試驗(yàn)，并記錄各工況下的電流值、電壓值和頻率值，使用干式負(fù)載箱能夠很好地完成這項(xiàng)試驗(yàn)。只需要遠(yuǎn)程電腦軟件的數(shù)值加載欄，按照各需要試驗(yàn)的功率輸入，加載好相應(yīng)的負(fù)載，按規(guī)定的時間試驗(yàn)[4]，即可完成。電腦在試驗(yàn)過程中會時刻顯示和記錄各相線電壓、線電流、頻率以及功率因素等數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)組負(fù)荷試驗(yàn)圖

5.2 調(diào)速試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)組調(diào)速試驗(yàn)的目的在于檢查發(fā)電機(jī)組的原動機(jī)對負(fù)載變化時保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的能力[5]。與負(fù)荷試驗(yàn)一樣，功率在遠(yuǎn)程電腦軟件的數(shù)值加載欄設(shè)定后，通過突加突卸按鈕來完成負(fù)荷的加載。通過對頻率的監(jiān)控，可以記錄突加突卸過程中瞬態(tài)發(fā)電機(jī)頻率、穩(wěn)態(tài)頻率以及穩(wěn)定時間。發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)轉(zhuǎn)速和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速通過n=60f/p（其中，n為轉(zhuǎn)速，f為頻率，p為極對數(shù)）間接求取。

5.3 穩(wěn)態(tài)調(diào)壓特性試驗(yàn)

穩(wěn)態(tài)調(diào)壓特性試驗(yàn)主要是為了考量發(fā)電機(jī)對負(fù)載變化保持電壓穩(wěn)定的能力。使用干式負(fù)載箱也能很方便地完成這項(xiàng)試驗(yàn)。要先設(shè)置發(fā)電機(jī)組的參數(shù)，再在軟件穩(wěn)態(tài)測試欄中輸入相應(yīng)的功率百分比和試驗(yàn)時間，以便開始試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，可以監(jiān)控各項(xiàng)電氣數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)可以生成試驗(yàn)圖形，如圖3所示。

圖3 穩(wěn)態(tài)調(diào)壓試驗(yàn)A相電壓數(shù)據(jù)

6 干式負(fù)載箱的優(yōu)點(diǎn)

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，使用干式負(fù)載箱做發(fā)電機(jī)組調(diào)試工作，能夠避免傳統(tǒng)自制水電阻存在的缺陷，比較順利地完成整個試驗(yàn)過程。從整個試驗(yàn)過程來看，干式負(fù)載箱相比傳統(tǒng)的水電阻優(yōu)勢明顯。一方面，安全性。干式負(fù)載箱由電阻、電抗和接觸器等組成，具有過熱保護(hù)、短路保護(hù)以及急停保護(hù)等功能。另一方面，智能化操作。從穩(wěn)態(tài)調(diào)壓特性試驗(yàn)的過程來看，只需要事先設(shè)置發(fā)電機(jī)組和各個檢測點(diǎn)的功率百分比，即可完成整個試驗(yàn)。電腦自動記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，減少了人為干預(yù)，提高了試驗(yàn)結(jié)果的精確性。

7 干式負(fù)載箱在發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)的問題

雖然使用干式負(fù)載箱進(jìn)行發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但對操作人員提出了更高的要求。操作人員需要了解整個試驗(yàn)的要求，具備一定的電腦操作水平，還需要對干式負(fù)載箱的原理和功能有一定的了解。筆者在參與幾次海洋船廠使用干式負(fù)載箱發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)，干式負(fù)載箱在發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)時存在問題。

7.1 操作人員對干式負(fù)載箱不熟悉

第一，干式負(fù)載箱提供了接地接線柱，但實(shí)際上未配備接地電纜，試驗(yàn)過程中也沒有接地，易造成安全隱患。第二，在加載負(fù)荷時，一開始沒有設(shè)置無功功率跟隨，容易遺忘無功功率的加載。第三，電腦軟件加載的有功功率與實(shí)際消耗的有功功率存在偏差，往往實(shí)際消耗的功率比加載的有功功率高。操作人員需清晰認(rèn)識到這個問題，否則操作過程會存在危險。如圖5所示，在加載有功功率到30 kW的時候，干式負(fù)載箱實(shí)際消耗的有功功率為33.182 kW。按額定功率30 kW的發(fā)電機(jī)來算，實(shí)際顯示的33.182 kW已經(jīng)屬于110%工況。如果按照這個功率試驗(yàn)1 h，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過《內(nèi)燃機(jī)動力內(nèi)河船舶系泊和航行試驗(yàn)大綱》（GB/T 3221—2020）中110%負(fù)荷的時間。柴油發(fā)電機(jī)組長時間超負(fù)荷運(yùn)行，會造成柴油發(fā)電機(jī)組損傷。所以，在進(jìn)行試驗(yàn)時應(yīng)當(dāng)以干式負(fù)載箱消耗的實(shí)際有功功率為準(zhǔn)，調(diào)節(jié)加載的有功功率，使實(shí)際消耗的有功功率滿足各需要測試的負(fù)載點(diǎn)的功率要求。第四，干式負(fù)載箱應(yīng)在室內(nèi)使用，但幾次試驗(yàn)均在露天進(jìn)行，一方面對設(shè)備有損傷，另一方面露天陽光刺眼不利于觀測數(shù)據(jù)。

圖5 發(fā)電機(jī)組100%工況負(fù)荷試驗(yàn)

7.2 干式負(fù)載箱功能的不足

雖然海洋船廠使用的這個干式負(fù)載箱能基本完成整個發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)，但是在使用過程中也能感覺到這個干式負(fù)載箱存在某些不足。第一，阻性檔位和感性檔位都是固定檔位，導(dǎo)致某些工況下難以精確加載。例如，30 kW的發(fā)電機(jī)組，在試驗(yàn)75%功率負(fù)荷時間時就難已調(diào)至22.5 kW，造成試驗(yàn)偏差。若分別增加一個無級可調(diào)電阻和無極可調(diào)電抗器，可以解決這個問題。第二，穩(wěn)態(tài)調(diào)壓特性試驗(yàn)和負(fù)荷試驗(yàn)無法一次性完成。穩(wěn)態(tài)調(diào)壓特性試驗(yàn)事先設(shè)置發(fā)電機(jī)組的有功功率等，而由于加載的有功功率與實(shí)際消耗的有功功率之間存在偏差，100%功率負(fù)荷點(diǎn)只能在負(fù)荷試驗(yàn)完成后才能確定加載的有功功率值，所以需在負(fù)荷試驗(yàn)后卸載所有負(fù)荷，關(guān)停干式負(fù)載箱，再重新開啟軟件，設(shè)置好發(fā)電機(jī)組有功功率、試驗(yàn)的負(fù)荷功率百分比和試驗(yàn)時間后才能進(jìn)行。第三，穩(wěn)態(tài)調(diào)壓試驗(yàn)過程中雖然可以觀測各相線電壓、線電流以及頻率等參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)束也能保存試驗(yàn)中數(shù)據(jù)的波形，但是僅僅只能保存當(dāng)前的數(shù)據(jù)波形，在試驗(yàn)結(jié)束后無法切換各個監(jiān)控參數(shù)來保存其相應(yīng)的試驗(yàn)波形圖。第四，功能缺陷不足，如調(diào)速試驗(yàn)發(fā)動機(jī)穩(wěn)定時需靠人工觀測，未能實(shí)現(xiàn)電腦記錄。第五，智能化程度有所欠缺，如穩(wěn)態(tài)電壓變化率未能從報(bào)表中直接讀取，需要人工計(jì)算。

7.3 其他問題

海洋船廠目前僅僅配備了一臺干式負(fù)載箱，導(dǎo)致兩臺發(fā)電機(jī)組的調(diào)試無法同時進(jìn)行。海洋船廠地處于靠近南流江入?？诟浇?，水位受潮汐影響。一臺發(fā)電機(jī)組的調(diào)試至少需要2.5 h，兩臺發(fā)電機(jī)組的試驗(yàn)需要約5 h。僅配備一臺干式負(fù)載箱時，發(fā)電機(jī)組需要逐臺試驗(yàn)。在第二臺發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)時極可能遇到退潮、水位降低、艙底吸口吸不上水等意外情況，導(dǎo)致第二臺發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)無法進(jìn)行。

8 結(jié)語

發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)過程中，干式負(fù)載箱在安全性、準(zhǔn)確性、智能性以及便捷性等方面表現(xiàn)出優(yōu)良的特性。隨著船舶工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，干式負(fù)載箱的功能越來越完善，價格也日趨平民化。目前，100 kW干式負(fù)載箱價格在4～5萬元，中小型民營船廠也能夠承受。干式負(fù)載箱不僅可以應(yīng)用于發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)，還可以直接裝運(yùn)在船上用于整船系泊試驗(yàn)、航行試驗(yàn)等。