"鑫田8"輪加裝主機軸帶發(fā)電機的探討

引言

船舶主機軸帶發(fā)電機由于其經(jīng)濟性和優(yōu)越性,越來越得到船方的青睞,尤其是在航運市場不景氣的現(xiàn)在,越來越多的船舶加裝了主機軸帶發(fā)電機,以謀求經(jīng)濟利益。在國內(nèi)航行的5000噸級船舶上,主機軸帶發(fā)電機的安裝和使用尤其普遍。然而這些主機軸帶發(fā)電機的安裝和使用情況各異,大部分并不滿足船檢相關(guān)法規(guī)和規(guī)范的要求,由此給船舶航行帶來了安全隱患,同時這些軸帶發(fā)電機也極易發(fā)生故障。近年來,不規(guī)范安裝和使用軸帶發(fā)電機而導(dǎo)致的事故逐年增長,越來越多的船舶也因私自加裝軸帶發(fā)電機而被海事部門滯留。

筆者在以往的船舶檢驗工作實踐中,每當(dāng)發(fā)現(xiàn)船舶私自加裝軸帶發(fā)電機時,均要求船方將私自加裝的軸帶發(fā)電機拆除,之后方可簽發(fā)船舶檢驗證書。然而,不少船東在領(lǐng)取船舶檢驗證書之后,又選擇恢復(fù)軸帶發(fā)電機的安裝和使用。船檢部門每年只對船舶進行一次檢驗,對于這種拆除軸帶發(fā)電機后又恢復(fù)安裝的船舶難以監(jiān)管、缺乏約束。船東將軸帶發(fā)電機拆了又恢復(fù)安裝,不僅耗費時間和人力、物力,同時也給船舶帶來許多不可控的安全隱患。因此,面對著船方使用軸帶發(fā)電機的迫切需求,如何將軸帶發(fā)電機的安裝和使用引向規(guī)范化,使其符合船檢相關(guān)法規(guī)和規(guī)范要求,成為船檢部門亟需解決的一個難題。

1軸帶發(fā)電機的原理

軸帶發(fā)電機不是新事物,最初是由汽車發(fā)電機移植而來,在20世紀(jì)50年代便開始裝船使用,70年代中東石油危機后得到了迅猛發(fā)展。其主要原理是在船舶航線較長、船舶速度相對穩(wěn)定時,通過在主機前端或者后端加裝一臺發(fā)電機,充分利用主機10%～15%的功率儲備余量來發(fā)電,供船舶航行期間使用。

2軸帶發(fā)電機的優(yōu)點

船舶主機軸帶發(fā)電機有著許多優(yōu)點,首先是發(fā)電成本低,相比較柴油發(fā)電機組燃燒輕油發(fā)電,軸帶發(fā)電機可以使用重油,發(fā)電成本得以降低:其次是使用軸帶發(fā)電時一般不同時使用柴油發(fā)電機,以降低機艙噪聲,減少熱源,改善機艙工作環(huán)境:最后是航行時使用軸帶發(fā)電機,使得進出港或者應(yīng)急狀態(tài)時才需要使用柴油發(fā)電機,可以減少輕油和滑油的消耗,降低維修保養(yǎng)費用。

3目前軸帶發(fā)電機的安裝和使用情況

目前航行于國內(nèi)的5000噸級海船大多屬于定距獎船舶,所加裝的主機軸帶發(fā)電機一般都是設(shè)置在主機前端自由端,通過增速齒輪箱和短軸與主機前端連接,通過主機帶動發(fā)電機,實現(xiàn)發(fā)電供船舶使用。

然而船舶主機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向并非一直不變,如何發(fā)出頻率和電壓相對穩(wěn)定的交流電,是軸帶發(fā)電機所必須解決的問題。在電壓控制方面,大多數(shù)的船舶采取以下兩種方式:一種是使用普通發(fā)電機,利用軸帶發(fā)電機中的自動電壓調(diào)節(jié)器(以下簡稱AVR）來調(diào)節(jié)勵磁電壓大小,實現(xiàn)控制電壓的穩(wěn)定。這種方式的軸帶發(fā)電機系統(tǒng),一般是軸帶發(fā)電機發(fā)出電之后,直接輸送主匯流排,供電網(wǎng)使用。這種軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的使用有著比較大的局限性,首先軸帶發(fā)電機自帶的AVR對電壓調(diào)整的范圍有限,使用軸帶發(fā)電機的條件就顯得很苛刻:其次是較小的AVR調(diào)節(jié)范圍,也必定造成電網(wǎng)中感性負載的使用限制,當(dāng)感性負載消耗的無功功率超出了AVR的控制范圍,就會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓急速下降,造成電網(wǎng)跳電。另一種電壓控制的方式是使用專用軸帶發(fā)電機,其能在發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持在一定范圍內(nèi)時輸出電壓穩(wěn)定的交流電,例如富康科技的Hw4Z系列船用軸帶發(fā)電機,能在發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1350～1800r/min范圍,實現(xiàn)電壓穩(wěn)定的交流電輸出。假設(shè)使用的增速齒輪箱增速比為4.1:1,則可計算得主機相應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍為329.3～439r/min,使用專用的軸帶發(fā)電機可以發(fā)出電壓穩(wěn)定的交流電。還有一種電壓控制方式,是專用的軸帶發(fā)電機配合電腦穩(wěn)壓箱使用。電腦穩(wěn)壓箱就相當(dāng)于一個外置的AVR,通過這種方式可以實現(xiàn)發(fā)電機在1000～2200r/min轉(zhuǎn)速范圍發(fā)出穩(wěn)定的交流電。但是這種方式的軸帶發(fā)電機系統(tǒng)容量較小,對于一艘5000噸級船舶,航行時使用50kw以下,50kw的容量,是明顯不足的。

相對于軸帶發(fā)電機的電壓控制來說,大多數(shù)國內(nèi)航行海船安裝的軸帶發(fā)電機在解決頻率穩(wěn)定性問題方面顯得辦法不多,缺乏對頻率的有效控制。以某一船舶為例,主機功率1765kw,額定轉(zhuǎn)速525r/min,齒輪箱的增速比為4.1:1,根據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》(2018）及其修改通報,一般交流設(shè)備能承受±5%的穩(wěn)態(tài)頻率波動,也就是在47.5～52.5Hz的頻率范圍內(nèi)交流設(shè)備才能正常使用。根據(jù)公式/=N×1×P/60(其中N為主機轉(zhuǎn)速,1為齒輪箱增速比,P為極對數(shù)）計算,只有主機轉(zhuǎn)速在347.5～384.1r/min時才能滿足頻率的要求。這種要求相當(dāng)苛刻,軸帶發(fā)電機只有在主機維護完成的初期以及航速相當(dāng)穩(wěn)定的情況下才能使用,極大地限制了軸帶發(fā)電機的使用時間,而且在使用的時候,對電動機這一類用電設(shè)備的使用限制比較多,長期使用不滿足頻率要求的交流電,用電的電動機轉(zhuǎn)速不夠,會對用電設(shè)備造成不可逆的損壞。

從上面的情況來看,目前國內(nèi)航行的大多數(shù)海船的軸帶發(fā)電機,均不能滿足法規(guī)和規(guī)范的要求。首先從程序上來看,這些設(shè)備都屬于私自加裝的設(shè)備,并未向船檢部門申請。其次從性能來看,這樣的軸帶發(fā)電機也不符合法規(guī)和規(guī)范的要求。從頻率上來看,一方面,目前加裝的大多數(shù)軸帶發(fā)電機難以控制頻率的波動,穩(wěn)態(tài)頻率波動難以控制在±5%的范圍,瞬態(tài)頻率波動難以控制在±10%的范圍。另一方面,絕大部分的5000噸級國內(nèi)航行海船主發(fā)電機均不能自動啟動,《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》(2018）及其修改通報中規(guī)定,主推進裝置驅(qū)動的發(fā)電機或發(fā)電機系統(tǒng),不作為主電源組成部分的,當(dāng)穩(wěn)態(tài)頻率波動超過±5.5%、瞬態(tài)頻率波動超過±11%的時候,應(yīng)配備一臺能自動啟動的發(fā)電機。顯然私自加裝的軸帶發(fā)電機并不能夠滿足規(guī)范的要求。最后從使用的設(shè)備來看,私自加裝的設(shè)備大多未持有船用產(chǎn)品證書,保證不了這些設(shè)備在復(fù)雜海況下的正常使用,也會給船舶電網(wǎng)帶來不可估量的安全隱患。筆者曾不止一次發(fā)現(xiàn)有船舶使用的發(fā)電機并不是經(jīng)過船檢產(chǎn)品檢驗的軸帶發(fā)電機,只是普通的船用發(fā)電機,有些甚至連船用發(fā)電機都不是,只是一般的陸用發(fā)電機,有些船舶甚至有舊設(shè)備裝船使用的情況。

4"鑫田8"輪安裝軸帶發(fā)電機情況

軸帶發(fā)電機的安裝和使用,不應(yīng)當(dāng)成為海事部門、船檢部門與船方之間貓和老鼠的游戲,如何正確規(guī)范地安裝和使用軸帶發(fā)電機,是當(dāng)下亟需解決的一個問題,也是船檢部門所必須面對的一個問題。筆者在近期的工作實踐當(dāng)中,遇到了一艘船舶("鑫田8"輪）因加裝主機軸帶發(fā)電機,向船檢部門申請圖紙審查以及臨時檢驗的例子,經(jīng)過圖紙審查以及相關(guān)試驗,最終簽發(fā)了船檢證書。這一案例有望成為軸帶發(fā)電機安裝和使用得以規(guī)范化的一個處理方案。

4.1"鑫田8"輪概況

"鑫田8"輪建造于2009年,適航于我國近海航區(qū),屬于尾機型,采用單機、單獎(定距獎）單舵形式,總噸2995,主機型號G8300ZC16B-1,功率1765kw,轉(zhuǎn)速525r/min。配備兩臺120kw主發(fā)電機(不具備自動啟動功能）,一臺75kw停泊發(fā)電機以及一臺50kw應(yīng)急發(fā)電機。

4.2圖紙審查

鑫田8"輪就加裝軸帶發(fā)電機補充了相關(guān)圖紙,圖紙由溫州中舟船舶設(shè)計有限公司設(shè)計,圖號VZZ4589,圖紙內(nèi)容包括以下部分:(1）輪機、電氣修改圖紙目錄:(2）輪機修改說明書:(3）機艙布置圖:(4）軸系扭轉(zhuǎn)震動計算報告書:(5）短軸強度計算書:(6）軸系布置圖:(7）短軸:(8）電氣修改說明書:(9）電設(shè)備布置圖:(10）電力負荷計算書:(11）主配電板單線圖。

由圖紙可以發(fā)現(xiàn),"鑫田8"輪計劃加裝的軸帶發(fā)電機為90kw,約占主機功率的5%,在使用軸帶發(fā)電機的時候依然留下了一定的功率儲備供主機緊急使用。從使用功能定位來看,此次安裝的軸帶發(fā)電機是在航行工況中當(dāng)作備用發(fā)電機使用,在海況航速適當(dāng)?shù)臅r候才發(fā)電供船舶使用。根據(jù)《電力負荷計算書》,航行工況在考慮了電網(wǎng)損失的情況下用電需要73.41kw,此時如使用90kw軸帶發(fā)電機,發(fā)電機負荷率為81.6%,滿足使用要求。

"鑫田8"輪此次加裝的軸帶發(fā)電機,設(shè)置在主機前端,通過齒輪箱和短軸與主機前端連接。軸帶發(fā)電機發(fā)電之后,通過恒頻恒壓控制柜處理,再輸送到主配電板匯流排,供用電設(shè)備使用(具體情況如圖1所示）。主發(fā)電機與軸帶發(fā)電機之間設(shè)置聯(lián)鎖裝置,當(dāng)主發(fā)電機的主開關(guān)合閘后,軸帶發(fā)電機主開關(guān)不能合閘,只有主發(fā)電機不供電時,軸帶發(fā)電機才能供電使用。軸帶發(fā)電機主開關(guān)設(shè)置過載保護以及欠壓保護,當(dāng)電流達到1.25倍額定電流時,延時20s主開關(guān)分斷,當(dāng)電流達到2.5倍額定電流時,延時0.4s主開關(guān)分斷,當(dāng)瞬時電流達到10倍額定電流時,主開關(guān)分斷:當(dāng)電壓下降到0.7倍額定電壓時,主開關(guān)分斷。

4.3加裝設(shè)備情況

發(fā)電機:sB-Hw4-90型三相交流發(fā)電機一臺,江西南昌富康電機廠生產(chǎn),持有CCs船用產(chǎn)品證書。功率90kw,電壓400V,電流162.4A,頻率50Hz,轉(zhuǎn)速1500r/min。

齒輪箱:300型船用齒輪箱一臺,杭州前進齒輪箱集團有限公司生產(chǎn),持有CCs船用產(chǎn)品證書。比速1:4.1:短軸長度400mm,直徑100mm,材料為軸用鍛鋼。

軸帶發(fā)電機恒頻恒壓控制柜:持有CCs船用產(chǎn)品證書。額定頻率50Hz:額定電壓400V:電流種類:交流:型號wHZB-90kw。

4.4"鑫田8"輪軸帶發(fā)電機系統(tǒng)原理

"鑫田8"輪軸帶發(fā)電機是通過頻率補償?shù)姆绞綄崿F(xiàn)穩(wěn)頻輸出,補償形式為主逆變式,這種主逆變式的補償形式優(yōu)點頗多。首先它的頻率補償性能良好,效率高,可靠性強:其次是它對發(fā)電機的要求較低,使用普通的同步發(fā)電機即可,性價比較高。

"鑫田8"輪軸帶發(fā)電機系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)頻的原理主要通過恒頻恒壓柜實現(xiàn),恒頻恒壓柜的核心控制單元是變頻器。軸帶發(fā)電機輸出的電流進入變頻器,經(jīng)過變頻器內(nèi)的整流元器件,把交流電變成與頻率無關(guān)的直流電,經(jīng)過直流電抗器得到平滑的直流脈動,再經(jīng)過有源逆變器,把直流電變成交流電。變頻器不斷地通過外接的電量采集模塊與變頻器內(nèi)部設(shè)置的參數(shù)對比,監(jiān)控著整個軸帶發(fā)電機供電電網(wǎng),通過控制整流裝置的晶閘管控制角、有源逆變器的控制角以及發(fā)電機勵磁電流控制角,實現(xiàn)了軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的頻率補償。變頻器調(diào)節(jié)了整個系統(tǒng)有功功率、無功功率的分配,使得軸帶發(fā)電機系統(tǒng)輸出恒頻恒壓的交流電。

5軸帶發(fā)電機系統(tǒng)相關(guān)試驗

軸帶發(fā)電機組安裝結(jié)束后,對其性能做了系泊和航行試驗,試驗結(jié)果如下:

5.1空載電壓調(diào)整及頻率調(diào)整范圍

空載電壓、頻率調(diào)整范圍如表1所示。

5.2利用鹽水缸和電抗器做負荷試驗

主機及發(fā)電機運轉(zhuǎn)正常,油溫、油壓、水溫、水壓、電壓、電流、頻率等參數(shù)正常,冷熱態(tài)絕緣電阻測試正常。

5.3電壓及調(diào)整率試驗

經(jīng)試驗,計算得穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率1%,瞬態(tài)電壓調(diào)整率2.3%,穩(wěn)定時間3s。穩(wěn)態(tài)頻率波動0.8%,瞬態(tài)頻率調(diào)整率3%。

5.4軸帶發(fā)電機主開關(guān)與主開關(guān)之間聯(lián)鎖試驗

當(dāng)主發(fā)電機主開關(guān)合閘并向主配電板匯流排供電時,軸帶發(fā)電機開關(guān)分離脫扣。主發(fā)電機主開關(guān)合閘后,軸帶發(fā)電機主開關(guān)無法合閘。

5.5欠壓試驗

當(dāng)主機速度降至340r/min,頻率表降至46Hz,電壓降至290V以下,軸帶發(fā)電機主開關(guān)脫扣跳閘,斷電,并發(fā)出聲光報警。

5.6過載延時保護試驗

當(dāng)軸帶發(fā)電機負載電流達到185～190A時,軸帶發(fā)電機主開關(guān)在20s時間內(nèi)脫扣跳閘。當(dāng)電流達到270A時,軸帶發(fā)電機主開關(guān)在3.5s內(nèi)脫扣跳閘。

5.7過載瞬時保護試驗

當(dāng)軸帶發(fā)電機負載電流超過700A時,軸帶發(fā)電機主開關(guān)瞬間脫扣跳閘。

5.8報警試驗

當(dāng)主機速度降至380r/min,發(fā)電機頻率表降至48Hz,電壓表降至350V,配電屏發(fā)出低壓報警:當(dāng)主機速度升至460r/min,發(fā)電機頻率表升至51.5Hz,電壓表升至410V,配電屏發(fā)出高壓報警。

5.9航行試驗

在航行過程中,在軸帶發(fā)電機滿功率系統(tǒng)運行時,主機速度保持在410～420r/min,主機運行良好,油溫、水溫、機油壓力、冷卻水壓力等指標(biāo)正常。

6結(jié)論

鑒于以上試驗結(jié)果,"鑫田8"輪此次加裝的軸帶發(fā)電機,第一,功率只有90kW,占比主機功率5%,在使用軸帶發(fā)電機的情況下主機仍留有一定的功率儲備余量:第二,其在使用過程中穩(wěn)態(tài)頻率的波動始終未超過±5%,瞬態(tài)頻率波動未超過±10%,電壓波動也滿足相關(guān)要求,主開關(guān)的相關(guān)過載、欠壓、聯(lián)鎖試驗也正常,軸帶發(fā)電機滿功率運行,主機的轉(zhuǎn)速始終可以達到75%主機功率以上,相關(guān)的安全保護設(shè)施試驗也正常。故認為,此次"鑫田8"輪加裝的軸帶發(fā)電機滿足法規(guī)、規(guī)范的要求。加裝的設(shè)備均持有船用產(chǎn)品證書,同意其使用,故在收集好相應(yīng)設(shè)備的船用產(chǎn)品證書、試驗報告等資料后,重新簽發(fā)了船舶檢驗證書。

7存在問題

"鑫田8"輪加裝主機軸帶發(fā)電機雖然是一個比較成功的例子,但因其是后加裝設(shè)備,難免存在著一定的不足之處,首先是恒頻恒壓柜的安裝位置,安裝在集控室,固然使得恒頻恒壓柜獲得了比較良好的工作環(huán)境,但是恒頻恒壓柜體積不小,必定會占據(jù)集控室一定的空間,使得集控室空間變小,有時甚至?xí)伦∫粋?cè)的通道。其次,恒頻恒壓柜工作的時候如采取強制風(fēng)冷會有一定的噪聲,同時也會有溫度的提升,安裝在集控室時會造成集控室工作環(huán)境變差。最后,對于后加裝軸帶發(fā)電機的電纜敷設(shè),在排線方面不可避免地面臨著一定的問題。

8經(jīng)濟效益

"鑫田8"輪本次安裝的軸帶發(fā)電機系統(tǒng)一次性投資價格比較高,投資金額達15萬元,經(jīng)船務(wù)公司測算,投資的軸帶發(fā)電機成本與因軸帶發(fā)電機投入使用所節(jié)約的成本對比,有望在8個月內(nèi)實現(xiàn)成本回收,可見軸帶發(fā)電機所帶來的經(jīng)濟效益是比較可觀的。正是由于此套軸帶發(fā)電機系統(tǒng)技術(shù)的成熟,鑫田公司正逐步在公司內(nèi)部船舶上推廣此套系統(tǒng),公司新造的船舶"鑫田12""鑫田13"輪均在設(shè)計建造的時候就已經(jīng)配有此系統(tǒng)。

9結(jié)語

目前,北海船舶檢驗中心檢驗的5000噸級船舶中存在著大量私加軸帶發(fā)電機的狀況。本次"鑫田8"輪的檢驗發(fā)證可以作為一個典型的案例,給需要安裝軸帶發(fā)電機的船舶和那些安裝了不符合要求的軸帶發(fā)電機的船舶指明一個方向。將軸帶發(fā)電機的安裝和使用引向符合法規(guī)、規(guī)范的要求,既符合船方的利益,又消除了船舶安全隱患,降低了船舶滯留率,具備良好的推廣效益。