船舶轴带发电机系统海试程序解析

钱 琨 马红军

（中船澄西船舶修造有限公司，江苏江阴214433）

0 前言

71900 DWT自卸船是中船澄西船舶修造有限公司（中船澄西）为加拿大CSL公司建造的一艘高技术含量的自卸散货船。该船配有1套AC 450 V/60 Hz/800 kW的轴带发电机系统（简称轴发）。此轴发系统由低速机（定距桨）、轴隧式齿轮箱、轴带发电机及变频器组成，需主机转速达到62 r/min及以上才会给主配电板汇流排提供稳定的AC 450 V/60 Hz交流电源。由于在主机码头系泊试验阶段，主机转速仅能达到40 r/min左右，因此轴发系统的试验需在海试过程中完成。本文将对上述轴发系统的组成及海试主要程序进行梳理，并针对试验中的关键技术及试验方法予以解析。

1 轴发系统组成及轴发负荷容量确定

该船轴发与主机轴系是通过弹性联轴节连接，由齿轮箱按1∶22的比例将轴发接入，交流发电机输出三相AC 590 V的交流电，输入轴发变频器，通过内部微型处理器对交流电进行整流、逆变及滤波等控制，转换为三相AC 450 V/60 Hz交流电输入主配电板汇流排。主配电板的主汇流排在设计时考虑到分屏需要，通过汇流排上的分屏空气开关（ACB）实现主配电板左右两屏分屏供电，且3号主发电机组通过两个单独的空气开关 （ACB）可分别接入左右屏。轴发系统框图如图1所示。

图1 轴发系统框图

为了完成图1中轴发的海试试验，首先必须对船舶航行工况进行分析，进而确定轴发负荷容量。这是确保轴发试验成功的关键所在。

根据船级社已认可的电力负荷计算书，航行工况下全船用电负载为688 kW，而配置的轴发容量为800 kW，因此，使用轴带发电机86%负荷容量就可满足航行工况。另外，该船还配备了2台1250 kW主柴油发电机组和1台938 kW柴油发电机组，由此可见，海试过程中只要采用单台发电机运行即可保证船舶正常航行，同时也不影响轴发调试。表1为电力负荷计算书中航行工况全船用电负载及轴发负荷率。

至此，在海试过程中，根据船级社、船东已认可的试验大纲，全船用电设备可采用1号主柴油发电机供电，即通过左屏保证船舶电站的正常供电，而配电板右屏用于轴发的试验。这样可确保海试过程中主机等设备电力供应正常运行。

表1 航行工况电力负荷计算书

2 轴发的试验

轴发试验前应做好准备工作。一部分准备工作在公司码头系泊过程中完成，主要包括轴发系统至监测报警系统通信测试，轴发绝缘测试和变频系统通电报警及其冷却系统试验。另一部分准备工作是在海上试验前，根据轴发试验条件通过调节主机工况及自动电站的管理（PMS）等以达到试验条件。

2.1 试验用干式负载箱（Load Bank）

在轴发的海试过程中，需对发电机的负载进行频繁且准确的调节。但船上的大负载有限，从安全角度考虑，通常会采用调节随船携带的干式负载箱来进行轴发的负荷、加载、并车等试验。

该船选用的干式负载箱容量为3500 kVA，且可实现多个负载箱并联使用。根据前述估算的轴发负荷容量，该船实际上仅需使用1台负载箱即可。结合船舶总布置图的布局，从接线便捷、距离短等角度考虑，负载箱布置在船舶的主甲板面靠近上建处所最佳。这样负载箱端口的电缆可以通过机舱吊物口临时开口进入机舱，然后接入到主配电板汇流排上。

该负载箱可在集控室内通过笔记本电脑远程对轴带发电机的有功功率及无功功率快速进行调节。图2为试航所携带的干式负载箱。

图2 轴发试验用干式负载箱

试验前，需可靠连接轴发与负载箱连接电力电缆，且需对负载箱的远程操作笔记本电脑进行网络连接。此外，因该负载箱的工作电源为三相AC 380 V/50 Hz，需随船携带小型柴油发电机供干式负载箱专用。

2.2 干式负载箱接线

由于该船的主配电板上最大开关容量有限，因此，轴发干式负载箱无法通过主配电板上现有开关接入，而是采用试车专用铜排连接的方式，干式负载通过该专用铜排接入船上的主汇流排。图3为干式负载箱接线示意图。

2.3 主要试验程序

轴发系统正常运行后，首先需在轴发变频器上的人机界面触控屏上检查各个参数的值，并检测轴发的输出电压和频率，与主柴油发电机空载时的电压相比（主柴油发电机的电压可查阅发电机系泊试验报告），确保一致。试验主要程序应包括如下部分：

1）轴发的负荷试验。主机转速稳定在65r/min及以上时开展此项试验。试验前主配电板分屏供电，左屏1号柴油发电机给电网供电，保证航行安全，右屏用于轴发试验，右屏2号柴油发电机运行且空气开关（ACB）合闸，提供轴发变频器的工作电源。在轴发运行正常后，需先手动分别进行轴发与1号、2号、3号柴油发电机的并车试验，检验操作的可靠性。

试验结束后卸掉2号柴油发电机，轴发单机运行向配电板右屏单独供电，依次按轴发额定功率（800 kW） 的 75%～100%～75%～50%～25%～0%进行各挡负荷试验，记录每挡负荷试验发电机的电参数。因轴发的原动机是主机，输出功率可有效保证，每挡负荷试验时间仅需1～3 min，观察发电机的各项电参数是否稳定正常。试验过程中需对负荷频繁进行调节，通过在集控室笔记本电脑远程快速加减载，大大提高了试验效率。

图3 干式负载箱接线示意图

2）轴发在最低及稳定转速时的带载能力试验。该船轴发允许起动的主机最低转速为62 r/min，轴发稳定运行的转速为65 r/min及以上。根据轴发提供的技术参数，在主机转速在62 r/min时，轴发最大能带载776 kW；主机转速在65 r/min时，轴发能带800 kW的负载。

但在海试过程中，船东出于对弹性联轴节、齿轮箱及轴发的长久保护性需求，要求对轴发的功率运行进一步限制，即在主机转速低于72 r/min时，轴发允许带的最大负载为650 kW；主机转速在72 r/min及以上，轴发允许带载800 kW。在与主配电板供应商沟通后，通过对电站管理系统（PMS）的程序中起备用机的参数值进行修正的方式，达到了船东要求，完成了相关试验步骤。

3）轴发的动态试验。轴发的动态试验分为突加和突卸两个步骤。突加试验负荷分0～400 kW和400～800 kW两步，突卸试验负荷从800 kW直接瞬时降至0 kW。

在实际操作中，配电板右屏不能断电，需手动将配电板右屏的2号柴油发电机与轴发并网供电，并手动调节，进行负荷分配：2号柴油发电机带100 kW的最低负载，轴发带800 kW负载。记录发电机负荷在突加或突卸前后的稳定频率及电压，频率和电压变化的最大最小值，以及恢复到稳定频率和电压所需时间。试验过程中电站的控制方式是手动控制。

4）轴发与柴油发电机的并车试验。并车试验主要是检测并网运行的2台或3台发电机组的有功及无功功率分配是否均衡，是否会产生不利于发电机的环流现象。根据设计要求，该船试验分两两并车和三机并车，即轴发分别与1号、2号、3号柴油发电机的并车试验以及轴发与1号、3号柴油发电机的三机并车试验，依次按照并网运行机组额定总负荷的25%～50%～75%～100%四个阶段进行手动并车试验，记录并网运行机组的功率、功率因数、电流及频率，观察各个电参数是否均衡。

5）轴发报警的功能试验。进行该试验时需将电站管理系统转到自动模式，主配电板分屏空气开关（ACB）合闸，仅保持轴发单机运行供电，其他柴油发电机都处于备用状态。

6）轴发谐波测量。轴发谐波测量主要是验证轴发变频器的滤波功能，并检验轴发电力电缆外层屏蔽连接好坏。保持轴发单机最低负荷（约100 kW）运行供电，在主配电板测量电网的谐波当量THD，记录所测得的谐波量及测量时的负荷和电压。该船船级社要求谐波当量不超过15%［1］。

7）轴发与主机的自动控制的功能试验。轴发单机运行供电，主机转速在72 r/min以上，电站管理系统为自动模式。当电站管理系统工作在非自动模式下，有如下 3 种运行状态［2］。

状态一：操纵主机手柄将主机转速设定至62 r/min。根据设计要求为保护轴发安全稳定运行，在主机转速降至72 r/min以下时，轴发的在网功率超过650 kW时，电站的功率管理系统（PMS）将自动起动第一备用柴油发电机，并与轴发并网供电，按比例调节两机的负荷，自动分配。只有在完成了发电机的负荷转移后，主机转速才可降至设定的62 r/min。整个过程轴发始终在网供电，仅按比例转移一部分负载至柴油发电机。

状态二：操纵主机手柄将主机转速设定至62 r/min以下（如50 r/min）。在主机转速低于62 r/min，轴发是不允许起动的。电站管理系统（PMS）在接收到将主机转速降至50 r/min后，将立刻自动起动第一备用柴油发电机，与轴发并网供电后，将轴发负荷卸载，将所有负荷转移至柴油发电机，在卸载完成后断开轴发空气开关（ACB）。将轴发从电网移除后，主机才可以将转速降至50 r/min。

状态三：模拟触发一个主机报警信号。模拟触发的主机报警信号分3类，即一般的主机报警信号、发出主机慢车（slowdown）信号的报警信号以及发出主机停车（shutdown）信号的报警信号。对于一般的报警信号，电站管理系统不起动备用柴油发电机。对于发出慢车信号的报警信号，与报警信号同步，自动电站将立即起动备用柴油发电机组，在完成轴发与柴油发电机的负载转移，轴发从电网分闸后，才允许主机降速。对于发出主机停车信号的报警点，备用柴油发电机立即起动，且主机停车命令立刻发出，轴发也因主机停车而停机，柴油发电机因来不及起机合闸供电而造成全船的短暂失电，船舶电站自动运行失电运行程序。

3 试验中解决的问题

3.1 轴发端转动轴对地电压问题

在轴发负荷试验过程中，检测到轴发与齿轮箱轴连接处对地测量有2.7 V电压。为保证轴发与齿轮箱的连接轴可靠接地，不被烧毁，试验过程中采用静电接地环，并在接地环表面喷涂银质接地介质，将接地环安装在轴发与齿轮箱连接处法兰，将轴发端接地电压通过齿轮箱端轴，可靠地引向船体结构。

3.2 主机停车后电网电力恢复问题

在模拟主机停车报警信号过程中，主机停车，船舶电站失电，因主供油单元断电等多种原因，主柴油发电机燃油供油压力不稳定，发电机起机合闸后，不能有效带载，电网重复失电。为解决这一问题，在满足船级社规范要求前提下，通过为辅机供油单元增加一路应急电源，由应急配电板供电，确保辅机供油单元主电和应急电源双路自动切换供电。船舶失电后，电站管理系统设定应急发电机先于主发电机合闸，保证为主柴油发电机供油单元及时提供电源，辅机供油单元为柴油发电机建立稳定油压，电站电力恢复正常。

4 结语

71900 DWT系列船所配置的轴发系统采用的是德国先进成熟的电子控制系统，由内部微型处理器控制脉冲宽度调制（PWM），保证输出电压和频率的恒定。在首次试验过程中，为了控制轴发联轴节跳动，对轴发投入运行主机转速从62 r/min提高至65 r/min；在自动电站管理系统对轴发带载情况与主机转速进行了磨合匹配，确保轴发可靠安全运行，保证电网供电稳定；对轴发变频系统冷却报警系统进行了优化，提升了冷却效率；并对变频系统产生谐波进行测量，控制谐波当量等，解决了一系列复杂难题。

该套系统在实船安装后，试验前的各项准备工作较多，整个试验流程中各种操作纷繁复杂。在船东高标准严要求的条件下，海试项目组精细准备，梳理各个试验流程，合理安排，成功完成各项海试项目，为公司建造同类型的船舶积累了宝贵的经验。

［1］中国船级社.钢质海船入级规范 2015［S］.

［2］康乐，万细义，汪伟，等.船用轴带发电机的并网控制［J］.船电技术，2008（6）：348-350.