某新型大功率發電機組優化設計建議

劉波 唐文俊

(駐廣州地區第一軍事、第二軍事代表室)

0 前言

某首制船在系泊試驗期間，1#、2#、3#、6#中壓發電機組處于備車狀態，4#中壓發電機組處于在網運行狀態，在網負載約150kW，在進行手動操作岸電轉船電試驗時，4#機組接口柜AC380V輸入短暫失電，系統隨即切換至DC220V備用電源供電。岸電轉船電過程中，4#機組機旁控制箱加固機出現運行異常，兩組發電機電動滑油泵停止運轉，但發電機組未停機，隨后機旁監控人員發現發電機軸承處有煙霧冒出，立即對機組進行了緊急停機。從發現軸承冒煙到機組緊急停機，機組共運行約1分鐘。拆檢后發現驅動端軸瓦巴氏合金燒損嚴重，發電機旋轉軸上密封環位置有磨損刮痕，軸頸和推力端面未見燒壞跡象，非驅動端軸瓦有少量巴氏合金磨損。

1 故障原因分析

1.1 相關電氣設備原理介紹

機組及接口柜供電、負載及相關控制原理示意圖，如圖1所示。

圖1 接口柜供電、負載及相關控制邏輯圖

1.1.1 接口柜原理

根據規格書要求，接口柜輸入電源分兩路，一路是AC380V±10%主電源、容量18KVA；另外一路是DC220V±20%備用電源，容量為60Ah，備用電源是主電源故障的應急電源，關系到機組的安全運行，要求不間斷供電。

接口柜由信號處理單元、變壓器單元、DC/AC轉換單元、DC/DC單元、切換單元等組成，主要功能是為柴油發電機組用電設備和輔助泵組提供電源（AC380V、DC24V兩類），保障柴油發電機組任何工況下都能夠正常運行。接口柜的設計采用主電源優先模式，即當主電源正常時，接口柜按主電源工作模式運行，接口柜按需求分別輸出AC380V和DC24V電源，發電機組系統可以正常工作；當主電源異常時，接口柜立即切換成備用電源供電模式，接口柜也可以按需求分別輸出AC380V和DC24V電源，以保證發電機組可以正常工作。

1.1.2 加固機工作原理

加固機由CPU、通信模塊和電源模塊組成，主要通過接收來自智能IO采集的柴油發電機組狀態信息、故障信息等，根據預設的控制邏輯發送柴油機發電機組的起/停機控制指令、安全保護指令、輔助泵組（包括發電機滑油泵、柴油機滑油預供泵、發電機冷卻海水泵等）起/停控制指令至智能IO，相當于整個機組控制的“大腦”。加固機的供電是DC24V±20%不間斷電源。

1.1.3 智能IO工作原理

智能IO由嵌入式的采集模塊組成，是整個機組控制系統的采集和執行單元，主要用于采集柴油發電機組的運行狀態、溫度流量壓力等熱工參數以及報警信息，并將相關信息通訊至加固機，同時接收并執行來自加固機的控制指令。智能IO的供電是DC24V±20%不間斷電源。

1.1.4 滑油泵工作原理

4MW發電機組有兩組滑油泵，一用一備，當滑油泵處于自動工況時，加固機通過智能IO發送啟/停信號控制滑油泵。

當發電機滑油流量低時，加固機通過智能IO采集到流量低報警信號，并立即通過智能IO啟動備用滑油泵；當發電機滑油流量過低時，加固機通過智能IO采集到流量過低報警信號，并通過智能IO向氣控閥箱發送緊急停機指令，氣控閥箱電磁閥動作后機組立即停機。

1.2 原因分析

根據現場試驗情況及工作原理分析，本次故障原因分析如下：

接口柜作為機組供電電源，為機組各型泵組、智能IO、加固機等設備供電。在故障發生前，4#機處于運行狀態，1#、2#、3#、6#機處于備車狀態。船上為接口柜提供AC380V主電源和DC220V備用電源，故障發生前，接口柜總負載約20.48kW。

試驗期間，執行岸電轉艦電操作時，接口柜主電源失電，接口柜立即切換至DC220V備用電源供電。經現場復測，岸電轉船電切換時接口柜DC220V備用輸入電源電壓出現短時下降（最低可降至DC44V～DC90V不等），遠低于接口柜輸入電源要求的下限（DC176V），此時觸發接口柜保護，接口柜輸出AC380V和DC24V異常。幾秒后船電恢復，接口柜AC380V主電源恢復，接口柜待保護自動解除后重新恢復向機組輸出AC380V和DC24V電源。

現場復查DC220V備用電源供電情況，因當時船上實際供電UPS電源沒有調試好，實際臨時采用1路岸電經1號充放電板的充電模塊（將380V岸電轉換成DC220V）模擬DC220V備用電源供電，該模塊額定電流為60A，額定功率為13.2KW，低于接口柜需求的負載20.48kW，造成轉換過程中短時出現電壓降。

由上述過程可知，電源切換過程中，接口柜因備用電源電壓下降觸發安全保護，機組因接口柜保護出現AC380V和DC24V供電異常，進而引起加固機運行異常（黑屏）、智能IO輸出重置，隨后發電機滑油泵因AC380V失電和智能IO輸出重置停止運行，智能IO因加固機運行異常無法獲取發電機滑油泵起動指令和機組停機指令，最終導致出現發電機滑油泵停機而機組未停機的現象。同時，由于加固機運行異常，無法處理智能IO接收到的遙控緊急停機信號，故在故障時配電板室（配電板和PMS臺）無法操作緊急停機。

針對上述分析，通過模擬故障運行工況，共進行了7次故障復現測試，7次均復現故障，測試結果符合原因分析。

2 機組安保功能設計優化方案

2.1 優化設計需求

（1）機組遙控緊急停機功能優化；

（2）加固機欠電壓保護功能優化；

（3）機組發電機滑油泵異常停止保護功能優化。

2.2 遙控緊急停機功能優化

2.2.1 機組當前狀態

遙控緊急停機信號送到機旁監控柜后由加固機進行處理，并通過智能IO模塊執行緊急停機，與此同時把緊急停機狀態信號并反饋給艦船監控系統。

2.2.2 優化目標

本文分析船舶阻力時選擇RNG k-ε模型和VOF 模型。要讓RANS方程組封閉，降低數值模擬計算的復雜程度，需要用 k-ε 模型來計算雷諾應力，根據推廣的Boussinesq的eddy viscosity關系：

改變目前狀態下機旁監控柜運行異常后無法在配電板室進行緊急停機的狀態，實現在配電板室緊急停機。

2.2.3 優化方案

保留原緊急停機方式，增加一條由配電板室到機組的緊急停車電纜，直接連接到機組的緊急停機電磁閥，實現任何情況下都可以在配電板室緊急停機的目標。此方案不影響機組的功能性能指標。

2.3 加固機欠電壓保護功能優化

2.3.1 機組當前狀態

問題出現后，對加固機失電過程中運行異常情況電壓進行錄波，發現加固機電源位于圖2的A區間時（16.5V左右）加固機運行異常。

圖2 加固機短暫失電后電壓曲線

當前機旁監控加固機失電停機繼電器使用斷電繼電器，其釋放電壓約為9.6V，吸合電壓約為17V。

2.3.2 優化目標

在加固機供電電壓接近運行異常電壓時，能應能實現機組自動停機。

2.3.3 優化方案

把原斷電繼電器更換為能監視電壓的欠壓監視繼電器，其監視電壓能在DC17-24V可調，為保證加固機正常工作電壓（＞16.5V），又能預留10%電壓裕度，目前欠壓設定值為18V，恢復值設定為19.2V。

2.4 機組發電機滑油泵異常停止保護功能優化

2.4.1 機組當前狀態

發電機組有兩組滑油泵，一使用一備用，當滑油泵處于自動工況時，加固機通過智能IO發送啟動信號，實現滑油泵的自動運行。其設計原則是既承擔預供功能，又在機組運行時互為備用，自動實現兩臺滑油泵交替長期運行。當發電機滑油流量低時，加固機通過智能IO采集到流量低報警信號，并立即通過智能IO啟動另外一組備用滑油泵；當發電機滑油流量過低時，加固機通過智能IO采集到流量過低報警，并通過智能IO向氣控箱發送緊急停機指令，氣控箱電磁閥動作后機組立即停機。

本柴油發電機組選用海茵茨曼電子調速器，其設置停機接口，用于柴油機的停機，此接口有效后，柴油機斷油停機，其轉速時間曲線如圖3所示。其中，t1為停機信號有效的時間點，t2為機組停止時間點，t2-t1<14s。

圖3 電子調速器轉速時間曲線

目前狀態下4#中壓發電機組機旁監控柜運行異常后，有可能出現兩臺發電機滑油泵均停止運行，但機組未停機的情況，如圖4所示。

圖4 目前發電機滑油泵控制原理圖

2.4.2 優化目標

只要出現兩組發電機滑油泵同時停止運行，發電機機組立即自動停機。

2.4.3 優化方案

機組配電箱內已設有兩臺發電機滑油泵運行狀態繼電器，擬將上述繼電器輔助觸點串聯聯到主控箱電壓監視繼電器KA01線圈上，當兩臺發電機滑油泵均不工作時，KA01失電，進而向電子調速器發送停機信號，如圖5所示。此方案不影響機組的功能性能指標。

圖5 優化發電機滑油泵原控制理圖

3 優化方案驗證

針對中壓柴油發電機組安保功能設計優化方案，同步編寫了《中壓柴油發電機組安保功能優化方案驗證試驗細則》，在完成外部評審之后，按照設計優化的三個內容分別測試，試驗結果滿意并達到預期目標，最后還進行該發電機組修復后的性能測試（空載運行半小時，滿負荷運轉一個小時），試驗過程中無異常情況出現，各性能指標滿足要求，故可以判定修復后的發電機組主要性能不受影響，可以正常投入使用。

4 啟示與思考

通過此次故障處理，更進一步認識了邊界工況的重要性，在后續設計工作中不僅要提高設備可靠性，同時還需兼顧邊界工況下的設備自我保護，不斷地提高柴油發電機組的設計水平。試驗應該盡量按照船上設計技術狀態開展。本案例中，因為船上不間斷備用電源供電未調試好,只能采用外部供電，經充放電模塊轉換模擬實船不間斷備用電源，操作過程中又未考慮實際功率需求（即一個充電模塊供電容量不足），最終導致了質量事故的發生。質量問題處理要注重舉一反三。該故障發生在系列船的首制船上，同時其他船中壓柴油發電機組也采用了類似設計，在完成本質量事故歸零處理后，還應在后續船和采用類似設計的其他船上落實優化方案。