克令吊逆功率吸收系统研究与分析*

2013-12-03冯木易

机械研究与应用 2013年6期

冯木易

(浙江欣亚磁电发展有限公司，浙江舟山 316111)

1 引言

大克令吊在下放重物过程中，电动机转速大于同步转速，处于回馈发电状态。如果回馈功率过大，电网负载太轻，若单机工作，则调速器减油门，自动电压调压器AVR自动降压，而电动机需要从电网吸收无功电流来励磁，要求发电机增大励磁，则可能出现发电机励磁系统崩溃；若是多台发电机组并联运行，则机组可能在很轻的负载并联，甚至有的发电机组可能会出现逆功率，这对电网的稳定运行极为不利[1]。因此，过大的回馈功率要吸收。逆功率吸收一般有两种：①采用相角控制无级吸收，此方案价格贵；②根据逆功率大小，采用分级吸收，此方案较经济实用且性价比高，下面介绍分级吸收。

2 逆功率的产生及大小

以南通中远川崎NACKS 28 000 t重吊船为例，该船电站由3台功率800 kW、电压AC450 V、频率60 Hz、功率因数0.8的柴油发电机组及1台功率为100 kW、电压AC450 V、频率60 Hz、功率因数0.8的应急发电机组成；配有2台350 t的NMF大克令吊，每台克令吊配有2台电动机，每台电动机在S6(40%)4 min工作制时最大功率可达到175 kW，在S1(100%)工作制时最大功率为132 kW，因此1台克令吊消耗的最大功率可达到175×2=350 kW。根据电力负荷计算表，如表1所示，可查出，在各种工况下，该船的最低基本负荷为684.7 kW；1台发电机组不能满足克令吊的使用，若要使用克令吊，则需要重载询问，当备用发电机起动且2台发电机组并联运行后，发出允许起动信号给克令吊，克令吊才可起动运行；当克令吊下放重物时，产生的逆功率，可以根据公式：功率=重力×速度×效率，得到逆功率大小[2]。

表1 电力负荷计算表

通过计算，得出克令吊在各种工况下的功率值，如图1所示。克令吊1台电动机工作，下放重物时产生逆功率最大值为120 kW；2台电动机工作，下放重物时产生逆功率最大值为120×2=240 kW。2台克令吊工作时，可产生逆功率最大值为240×2=480 kW。

图1 克令吊工况及功率值

3 逆功率的吸收处理

3.1 电阻值和分级投切及电阻箱的设计

柴油发电机组在小负荷下运行，随着运行时间的延续，会出现以下故障：

(1) 活塞—汽缸套密封不好，机油上窜，进入燃烧室燃烧，排气冒蓝烟；

(2) 对于增压式柴油机，由于低负荷、空负荷，增压压力低，易导致增压器油封(非接触式)的密封效果下降，机油窜入增压室，随同进气进入汽缸；

(3) 上窜至汽缸的一部分机油参与燃烧，一部分机油不能完全燃烧，在气门、进气道、活塞顶、活塞环等处形成积炭，还有一部分则随排气排出，导致汽缸套排气道内逐步积聚机油形成积炭；

(4) 增压器的增压室内机油积聚到一定程度，就会从增压器的结合面处渗漏出；

(5) 长期小负荷运行，将导致运动部件磨损加剧且发动机燃烧环境恶化等，致使大修期提前。

因此，国外柴油机制造厂商无论对自然吸气型还是增压机型的使用都强调应尽量减少低负荷/空负荷运行时间，并规定最小负荷不能低于机组额定功率的20%～30%[3]。

根据电力负荷计算表，在装卸货工况下，减去2台克令吊的功率，该船其他的最低基本负荷为1 400.7-2×350=700.7 kW。当克令吊产生最大逆功率时，克令吊回馈发电功率为480 kW，此时2台柴油发电机组承担的实际负荷为700.7-480=220 kW，负荷率为220÷(800×2)=13.75%，明显低于柴油机组规定的最小负荷。为避免柴油发电机组在太轻负荷运行不稳定，采用分二级投入三相电阻来吸收克令吊产生的逆功率，每一级电阻为AC450 V 60 kW(每相电阻电流为77 A，电阻值为3.374 Ω)。投入二级电阻后增加功率60×2=120 kW，负荷率提高为(220+120)÷(800×2)=21.25%。由图1可看出，克令吊产生最大逆功率480 kW的时间只有5 min左右，柴油发电机组短时带21.25%左右负荷运行，可以稳定运行，电阻功率选择恰当。

由于电阻功率大，所以散发热量较大，电阻采用长期工作制的不锈钢电阻，电阻箱体采用2.5 mm厚不锈钢板制作，并配有温控强制通风风机，确保电阻箱温升在设计值[4]。

3.2 逆功率吸收的电阻投切控制

电阻参数及分级确定后再有效合理地控制电阻的投切。下面给出两种吸收方案的原理框图，采用如图3所示的分级吸收。

图2 相角控制无级吸收

图3 根据逆功率大小分级吸收

(1) 1台克令吊运行时，电阻的投切控制

1台克令吊产生的最大逆功率为240 kW，1台克令吊吊臂静止不动，电动机空转运行消耗功率为100 kW。

当电网的总负荷低于240 kW和克令吊产生的最大逆功率相等，如果此时克令吊产生最大逆功率回馈发电给电网，则发电机组承担的负荷为“0”，使发电机组不能稳定并联运行，因此自动电站PMS发出负荷太轻报警，提醒用户，多运行一些设备，增加电网用电负荷。

当电网的总负荷大于240 kW，分两种情况：①当克令吊已经下放重物产生逆功率，PMS检测到：电网负荷≤240 kW-克令吊逆功率，则投入第一级电阻；投入电阻后，仍然有：电网负荷≤240 kW-克令吊逆功率，则投入第二级电阻。②当克令吊没有产生逆功率，PMS检测到：电网负荷≤(240+100)=340 kW，也就是说电网其它负荷加上克令吊电机空转功率小于340 kW，电网的基本用电负荷低于340-100=240 kW，因此投入第一级电阻；投入电阻后，仍然有：电网负荷≤340 kW，则投入第二级电阻。

克令吊停止运行电阻自动切除。克令吊运行，分两种情况切除：①当克令吊在下放重物产生逆功率，PMS检测到：电网负荷>(240+60)=300 kW，则切除第一级电阻；切除电阻后，仍然有：电网负荷>300 kW，则切除第二级电阻。②当克令吊没有产生逆功率，PMS检测到：电网负荷>(240+60+100)=400 kW，则切除第一级电阻；切除电阻后，仍然有：电网负荷>400 kW，则切除第二级电阻。

(2) 2台克令吊运行时，电阻的投切控制

2台克令吊产生最大逆功率为480 kW，2台克令吊吊臂静止不动，电动机空转运行消耗功率为200 kW。

当电网的总负荷低于480 kW，和克令吊产生的最大逆功率相等，如果此时克令吊产生最大逆功率回馈发电给电网，则发电机组承担的负荷为“0”，使发电机组不能稳定并联运行，因此自动电站PMS发出负荷太轻报警，提醒用户多运行一些设备，增加电网用电负荷。

电网的总负荷大于480 kW，分两种情况：①克令吊已经下放重物产生逆功率，PMS检测到：电网负荷≤480 kW-克令吊逆功率，则投入第一级电阻；投入电阻后，仍然有：电网负荷≤480 kW-克令吊逆功率，则投入第二级电阻。②克令吊没有产生逆功率，PMS检测到：电网负荷≤(480+200)=680 kW，也就是说电网其它负荷加上克令吊电机空转功率小于680 kW，电网的基本用电负荷低于680-200=480 kW，因此投入第一级电阻；投入电阻后，仍然有：电网负荷≤680 kW，则投入第二级电阻。

克令吊停止运行，电阻自动切除。克令吊运行，分两种情况切除：①当克令吊在下放重物产生逆功率，PMS检测到：电网负荷>(480+60)=540 kW，则切除第一级电阻；切除电阻后，仍然有：电网负荷>540 kW，则切除第二级电阻。②当克令吊没有产生逆功率，PMS检测到：电网负荷>(480+60+200)=740 kW，则切除第一级电阻；切除电阻后，仍然有：电网负荷>740 kW，则切除第二级电阻。