船舶发电机测试用大型盐水缸负载设计与制造探讨

杜洪学　黄展明

摘要：本文根据广新海事重工股份有限公司自研制的6 000 kW船舶发电机测试负载装置的设计和试验实践，分析总结大型盐水缸及其电极板组设计的要点和注意事项，为类似的大功率消耗型盐水缸负载装置的研究、设计、制造与应用提供参考。

关键词：盐水缸；电极板组；设计与制造

1.引言

船舶发电机组进行系泊试验时，必须用到大功率可调节负载。目前各船厂使用的假负载主要有湿式和干式两种。湿式盐水缸负载虽然有稳定性略差、精确度较低及不适应于航行中试验等问题，但其制造维护成本低、功率范围大、操作简便等优点，仍被各船厂广泛使用。

广新海事重工股份有限公司为满足新型大功率电推船试验的要求，自行研制新型气压控制式6 000 kw大型盐水缸测试负载装置。本测试负载装置相比传统的机械闸门控制式或电极板升降式盐水缸，具有操作简便、电流波动小、自动化程度高，且建造成本低、性能穩定、免于维护，有一定的推广价值。

2.测试负载装置的组成与功能介绍

测试负载装置由3个盐水缸（阻性负载）、3台可调电抗器（感性负载）、测量/记录仪表与自动控制系统四部分组成，能模拟出系泊试验时发电机测试规范所要求的各种工况和负载特性，以供船用柴油发电机组、应急发电机组、轴带发电机等进行单机/并机测试各项稳态/瞬态特性试验，并可实时记录电压、电流、功率、功率因数、频率、瞬时电压波形、反应调整时间、调速率等参数，以供分析研究和检验之用。

3.盐水缸设计方案

盐水缸采用全自动气压控制式，每个盐水缸为长方柱形结构，用钢板分隔为上下两缸，下缸一侧用钢板隔出一个长条形通道，使下缸底部与上缸底部连通。打开加气电磁阀在下缸的上部加入压缩空气，使下缸中的水经长条形通道进入上缸，上缸的水位升高时，固定在上缸中的电极板组的浸水面积增大、电极板间的电阻变小，连接电极板组的发电机的电流上升、功率增大。反之，打开放气电磁阀放出下缸上部的空气，上缸的水经过长条形通道流回下缸，电极板组的浸水面积减小，发电机的功率因而降低。盐水缸结构示意图见图1。

测量仪表测出电极板组消耗的实时电流，功率值，与按发电机试验需求设定的电流，功率值进行对比，控制系统根据对比结果自动打开或关闭下缸的加气电磁阀或放气电磁阀，从而使盐水缸负载电流/功率自动保持在设定电流，功率的控制范围内。同时，测量仪表测出负载装置的实时功率因数值，与设定的功率因数值进行对比，控制系统根据对比结果自动控制可调电抗器的电机正转或反转，从而使负载的功率因数自动保持在设定值的允许范围内。

电极板组由多片长方形不锈钢薄板按等距离平行排列方式组成（如图2电极板组所示），总片数n为3的整数倍；片与片之间用绝缘棒相互支撑并联结成为一个整体，再用绝缘板通过横梁吊挂固定在上缸中。电极片按ABC顺序分为3组并联，形成三相“△”接法等效电阻。三相用铜母排经电控柜电动断路器和电缆连接到船上发电机配电柜。

3个盐水缸各自独立设计，既可单独使用又可并联使用。

4.1电极板组设计要点和注意事项

（1）电极板采用耐腐蚀的不锈钢亚光板，不能用铜板、钢板、镀锌板等材料；

（2）电极板为正方形或长方形薄板，板面平直无弯曲凹陷变形，板边无毛刺、披风；

（3）电极板厚度取1.5 mm～2.5 mm，太厚成本增加、太薄则容易变形；

（4）极板四角及中间钻孔，用两端带螺孔的聚四氟乙烯绝缘棒（塑料王）在板之间均匀支撑并相互锁紧，形成一个整体，防止变形或通电时产生震动；

（5）极板间距一般取100mm～120mm，太大则盐水缸体积也要增大造成成本上升；过小则不利盐水的流动和散热，并可能在盐水浓度高时在极板间产生爆溅现象；

（6）极板边缘与缸壁距离一般取极板间距的2～3倍，太小则极板对地放电增加，影响三相电流平衡，太大则盐水缸容积利用率降低；

（7）电极板组的上沿应略低于盐水缸最高水位，以便充分利用极板；

（8）3组极板的并联可在装配后采用不锈钢板焊接而成方形，以避免铜母排接口的氧化；

（9）铜母排过流能力计算必须采用高温参数并留有足够裕度，在缸面部分最好是立式安装以减轻热蒸汽的影响。式中：p-电极组消耗功率（w）；

u-电极所加电压有效值，即发电机相电压（v）；

w-电极板宽度（mm）；

h-电极板高度（mm）；

d-电极板间距（mm）；

m-电极板组数，即板数n/3；

p-盐水的电阻率（Ωm）。

注：本公式忽略了交流电频率、平板电容、盐水流速及温度等因素的影响。

4.3电极板组计算公式使用方法

上述公式为电极组设计后校验盐水缸功率容量之用，也可在设计过程根据功率容量的需求初步计算电极板尺寸或组数（极板数量）。

根据常温自来水的电阻率p（一般25～100Ωm，取50 Ωm）及电极板尺寸w、h、m及电压u等基本数据，计算在自来水工况下的盐水缸满水功率容量P；

计算得到的P值应为盐水缸最大设计功率容量Pmax的25%左右，如偏差较大则需要进行电极板设计参数调整；

根据公式计算盐水缸最大设计功率容量Pmax的盐水电阻率p，按表1查出对应的盐水浓度ppm；

再根据满水时的容积计算出最大功率加盐量和各功率段的加盐量。

5.提高盐水缸功率稳定性的技术措施

（1）利用膜片式气用电磁阀开关迅捷的特点，在设置测量仪表的上下限范围时尽量取窄，使压缩空气的充/放调节时间更短，可达到控制功率波动度≤1%的水平甚至更低；

（2）为降低上下缸调节水流的涌动对电极板的影响，电极板片的布置方向应与长条形通道垂直，使水流涌动对各电极板影响相同；

（3）为防止盐水沸腾以及盐水浓度不均匀造成的功率波动，可增加使工作水循环散热的冷却系统（冷却水塔），控制盐水温度≤65℃保证不沸腾并使盐水浓度均匀；

（4）根据测试的最大功率需求计算需要的盐水浓度估算加盐量，不因过度加盐导致工作水量太少加剧功率波动。

6.改善三相电流不平衡问题的技术措施

（1）由于边缘两片A1（A相边缘片）和Cn（C相边缘片）的外表面没有相对的电极，故A、C相电流小于B相电流造成三相不平衡，可加大中间部分的A和C片的宽度，增加宽度按w/m计得；

（2）缸体严格接地，并在上缸内壁涂布较厚的耐热环氧树脂以降低三相电流不平衡。

7.结束语

由于干式负载技术的发展，有些船厂在新增测试负载装置时倾向于更稳定的新型干式负载装置。但盐水缸式负载的投资成本比干式负载低得多，如我司研制成功的6 000 kW盐水缸式负载的投资成本只有国内干式负载价格的一半，一套可节省投资近300万元。本项目的设计、制造克服了传统旧式盐水缸的诸多缺陷，经一年多以来的使用，其性能稳定、操作方便，有较高的经济效益，对盐水缸的研究、设计、制造、应用有一定的参考价值。