"鑫田8"轮加装主机轴带发电机的探讨

引言

船舶主机轴带发电机由于其经济性和优越性,越来越得到船方的青睐,尤其是在航运市场不景气的现在,越来越多的船舶加装了主机轴带发电机,以谋求经济利益。在国内航行的5000吨级船舶上,主机轴带发电机的安装和使用尤其普遍。然而这些主机轴带发电机的安装和使用情况各异,大部分并不满足船检相关法规和规范的要求,由此给船舶航行带来了安全隐患,同时这些轴带发电机也极易发生故障。近年来,不规范安装和使用轴带发电机而导致的事故逐年增长,越来越多的船舶也因私自加装轴带发电机而被海事部门滞留。

笔者在以往的船舶检验工作实践中,每当发现船舶私自加装轴带发电机时,均要求船方将私自加装的轴带发电机拆除,之后方可签发船舶检验证书。然而,不少船东在领取船舶检验证书之后,又选择恢复轴带发电机的安装和使用。船检部门每年只对船舶进行一次检验,对于这种拆除轴带发电机后又恢复安装的船舶难以监管、缺乏约束。船东将轴带发电机拆了又恢复安装,不仅耗费时间和人力、物力,同时也给船舶带来许多不可控的安全隐患。因此,面对着船方使用轴带发电机的迫切需求,如何将轴带发电机的安装和使用引向规范化,使其符合船检相关法规和规范要求,成为船检部门亟需解决的一个难题。

1轴带发电机的原理

轴带发电机不是新事物,最初是由汽车发电机移植而来,在20世纪50年代便开始装船使用,70年代中东石油危机后得到了迅猛发展。其主要原理是在船舶航线较长、船舶速度相对稳定时,通过在主机前端或者后端加装一台发电机,充分利用主机10%～15%的功率储备余量来发电,供船舶航行期间使用。

2轴带发电机的优点

船舶主机轴带发电机有着许多优点,首先是发电成本低,相比较柴油发电机组燃烧轻油发电,轴带发电机可以使用重油,发电成本得以降低:其次是使用轴带发电时一般不同时使用柴油发电机,以降低机舱噪声,减少热源,改善机舱工作环境:最后是航行时使用轴带发电机,使得进出港或者应急状态时才需要使用柴油发电机,可以减少轻油和滑油的消耗,降低维修保养费用。

3目前轴带发电机的安装和使用情况

目前航行于国内的5000吨级海船大多属于定距奖船舶,所加装的主机轴带发电机一般都是设置在主机前端自由端,通过增速齿轮箱和短轴与主机前端连接,通过主机带动发电机,实现发电供船舶使用。

然而船舶主机的转速和转向并非一直不变,如何发出频率和电压相对稳定的交流电,是轴带发电机所必须解决的问题。在电压控制方面,大多数的船舶采取以下两种方式:一种是使用普通发电机,利用轴带发电机中的自动电压调节器(以下简称AVR）来调节励磁电压大小,实现控制电压的稳定。这种方式的轴带发电机系统,一般是轴带发电机发出电之后,直接输送主汇流排,供电网使用。这种轴带发电机系统的使用有着比较大的局限性,首先轴带发电机自带的AVR对电压调整的范围有限,使用轴带发电机的条件就显得很苛刻:其次是较小的AVR调节范围,也必定造成电网中感性负载的使用限制,当感性负载消耗的无功功率超出了AVR的控制范围,就会导致电网电压急速下降,造成电网跳电。另一种电压控制的方式是使用专用轴带发电机,其能在发电机转子转速保持在一定范围内时输出电压稳定的交流电,例如富康科技的Hw4Z系列船用轴带发电机,能在发电机转子转速1350～1800r/min范围,实现电压稳定的交流电输出。假设使用的增速齿轮箱增速比为4.1:1,则可计算得主机相应的转速范围为329.3～439r/min,使用专用的轴带发电机可以发出电压稳定的交流电。还有一种电压控制方式,是专用的轴带发电机配合电脑稳压箱使用。电脑稳压箱就相当于一个外置的AVR,通过这种方式可以实现发电机在1000～2200r/min转速范围发出稳定的交流电。但是这种方式的轴带发电机系统容量较小,对于一艘5000吨级船舶,航行时使用50kw以下,50kw的容量,是明显不足的。

相对于轴带发电机的电压控制来说,大多数国内航行海船安装的轴带发电机在解决频率稳定性问题方面显得办法不多,缺乏对频率的有效控制。以某一船舶为例,主机功率1765kw,额定转速525r/min,齿轮箱的增速比为4.1:1,根据《国内航行海船建造规范》(2018）及其修改通报,一般交流设备能承受±5%的稳态频率波动,也就是在47.5～52.5Hz的频率范围内交流设备才能正常使用。根据公式/=N×1×P/60(其中N为主机转速,1为齿轮箱增速比,P为极对数）计算,只有主机转速在347.5～384.1r/min时才能满足频率的要求。这种要求相当苛刻,轴带发电机只有在主机维护完成的初期以及航速相当稳定的情况下才能使用,极大地限制了轴带发电机的使用时间,而且在使用的时候,对电动机这一类用电设备的使用限制比较多,长期使用不满足频率要求的交流电,用电的电动机转速不够,会对用电设备造成不可逆的损坏。

从上面的情况来看,目前国内航行的大多数海船的轴带发电机,均不能满足法规和规范的要求。首先从程序上来看,这些设备都属于私自加装的设备,并未向船检部门申请。其次从性能来看,这样的轴带发电机也不符合法规和规范的要求。从频率上来看,一方面,目前加装的大多数轴带发电机难以控制频率的波动,稳态频率波动难以控制在±5%的范围,瞬态频率波动难以控制在±10%的范围。另一方面,绝大部分的5000吨级国内航行海船主发电机均不能自动启动,《国内航行海船建造规范》(2018）及其修改通报中规定,主推进装置驱动的发电机或发电机系统,不作为主电源组成部分的,当稳态频率波动超过±5.5%、瞬态频率波动超过±11%的时候,应配备一台能自动启动的发电机。显然私自加装的轴带发电机并不能够满足规范的要求。最后从使用的设备来看,私自加装的设备大多未持有船用产品证书,保证不了这些设备在复杂海况下的正常使用,也会给船舶电网带来不可估量的安全隐患。笔者曾不止一次发现有船舶使用的发电机并不是经过船检产品检验的轴带发电机,只是普通的船用发电机,有些甚至连船用发电机都不是,只是一般的陆用发电机,有些船舶甚至有旧设备装船使用的情况。

4"鑫田8"轮安装轴带发电机情况

轴带发电机的安装和使用,不应当成为海事部门、船检部门与船方之间猫和老鼠的游戏,如何正确规范地安装和使用轴带发电机,是当下亟需解决的一个问题,也是船检部门所必须面对的一个问题。笔者在近期的工作实践当中,遇到了一艘船舶("鑫田8"轮）因加装主机轴带发电机,向船检部门申请图纸审查以及临时检验的例子,经过图纸审查以及相关试验,最终签发了船检证书。这一案例有望成为轴带发电机安装和使用得以规范化的一个处理方案。

4.1"鑫田8"轮概况

"鑫田8"轮建造于2009年,适航于我国近海航区,属于尾机型,采用单机、单奖(定距奖）单舵形式,总吨2995,主机型号G8300ZC16B-1,功率1765kw,转速525r/min。配备两台120kw主发电机(不具备自动启动功能）,一台75kw停泊发电机以及一台50kw应急发电机。

4.2图纸审查

鑫田8"轮就加装轴带发电机补充了相关图纸,图纸由温州中舟船舶设计有限公司设计,图号VZZ4589,图纸内容包括以下部分:(1）轮机、电气修改图纸目录:(2）轮机修改说明书:(3）机舱布置图:(4）轴系扭转震动计算报告书:(5）短轴强度计算书:(6）轴系布置图:(7）短轴:(8）电气修改说明书:(9）电设备布置图:(10）电力负荷计算书:(11）主配电板单线图。

由图纸可以发现,"鑫田8"轮计划加装的轴带发电机为90kw,约占主机功率的5%,在使用轴带发电机的时候依然留下了一定的功率储备供主机紧急使用。从使用功能定位来看,此次安装的轴带发电机是在航行工况中当作备用发电机使用,在海况航速适当的时候才发电供船舶使用。根据《电力负荷计算书》,航行工况在考虑了电网损失的情况下用电需要73.41kw,此时如使用90kw轴带发电机,发电机负荷率为81.6%,满足使用要求。

"鑫田8"轮此次加装的轴带发电机,设置在主机前端,通过齿轮箱和短轴与主机前端连接。轴带发电机发电之后,通过恒频恒压控制柜处理,再输送到主配电板汇流排,供用电设备使用(具体情况如图1所示）。主发电机与轴带发电机之间设置联锁装置,当主发电机的主开关合闸后,轴带发电机主开关不能合闸,只有主发电机不供电时,轴带发电机才能供电使用。轴带发电机主开关设置过载保护以及欠压保护,当电流达到1.25倍额定电流时,延时20s主开关分断,当电流达到2.5倍额定电流时,延时0.4s主开关分断,当瞬时电流达到10倍额定电流时,主开关分断:当电压下降到0.7倍额定电压时,主开关分断。

4.3加装设备情况

发电机:sB-Hw4-90型三相交流发电机一台,江西南昌富康电机厂生产,持有CCs船用产品证书。功率90kw,电压400V,电流162.4A,频率50Hz,转速1500r/min。

齿轮箱:300型船用齿轮箱一台,杭州前进齿轮箱集团有限公司生产,持有CCs船用产品证书。比速1:4.1:短轴长度400mm,直径100mm,材料为轴用锻钢。

轴带发电机恒频恒压控制柜:持有CCs船用产品证书。额定频率50Hz:额定电压400V:电流种类:交流:型号wHZB-90kw。

4.4"鑫田8"轮轴带发电机系统原理

"鑫田8"轮轴带发电机是通过频率补偿的方式实现稳频输出,补偿形式为主逆变式,这种主逆变式的补偿形式优点颇多。首先它的频率补偿性能良好,效率高,可靠性强:其次是它对发电机的要求较低,使用普通的同步发电机即可,性价比较高。

"鑫田8"轮轴带发电机系统实现稳频的原理主要通过恒频恒压柜实现,恒频恒压柜的核心控制单元是变频器。轴带发电机输出的电流进入变频器,经过变频器内的整流元器件,把交流电变成与频率无关的直流电,经过直流电抗器得到平滑的直流脉动,再经过有源逆变器,把直流电变成交流电。变频器不断地通过外接的电量采集模块与变频器内部设置的参数对比,监控着整个轴带发电机供电电网,通过控制整流装置的晶闸管控制角、有源逆变器的控制角以及发电机励磁电流控制角,实现了轴带发电机系统的频率补偿。变频器调节了整个系统有功功率、无功功率的分配,使得轴带发电机系统输出恒频恒压的交流电。

5轴带发电机系统相关试验

轴带发电机组安装结束后,对其性能做了系泊和航行试验,试验结果如下:

5.1空载电压调整及频率调整范围

空载电压、频率调整范围如表1所示。

5.2利用盐水缸和电抗器做负荷试验

主机及发电机运转正常,油温、油压、水温、水压、电压、电流、频率等参数正常,冷热态绝缘电阻测试正常。

5.3电压及调整率试验

经试验,计算得稳态电压调整率1%,瞬态电压调整率2.3%,稳定时间3s。稳态频率波动0.8%,瞬态频率调整率3%。

5.4轴带发电机主开关与主开关之间联锁试验

当主发电机主开关合闸并向主配电板汇流排供电时,轴带发电机开关分离脱扣。主发电机主开关合闸后,轴带发电机主开关无法合闸。

5.5欠压试验

当主机速度降至340r/min,频率表降至46Hz,电压降至290V以下,轴带发电机主开关脱扣跳闸,断电,并发出声光报警。

5.6过载延时保护试验

当轴带发电机负载电流达到185～190A时,轴带发电机主开关在20s时间内脱扣跳闸。当电流达到270A时,轴带发电机主开关在3.5s内脱扣跳闸。

5.7过载瞬时保护试验

当轴带发电机负载电流超过700A时,轴带发电机主开关瞬间脱扣跳闸。

5.8报警试验

当主机速度降至380r/min,发电机频率表降至48Hz,电压表降至350V,配电屏发出低压报警:当主机速度升至460r/min,发电机频率表升至51.5Hz,电压表升至410V,配电屏发出高压报警。

5.9航行试验

在航行过程中,在轴带发电机满功率系统运行时,主机速度保持在410～420r/min,主机运行良好,油温、水温、机油压力、冷却水压力等指标正常。

6结论

鉴于以上试验结果,"鑫田8"轮此次加装的轴带发电机,第一,功率只有90kW,占比主机功率5%,在使用轴带发电机的情况下主机仍留有一定的功率储备余量:第二,其在使用过程中稳态频率的波动始终未超过±5%,瞬态频率波动未超过±10%,电压波动也满足相关要求,主开关的相关过载、欠压、联锁试验也正常,轴带发电机满功率运行,主机的转速始终可以达到75%主机功率以上,相关的安全保护设施试验也正常。故认为,此次"鑫田8"轮加装的轴带发电机满足法规、规范的要求。加装的设备均持有船用产品证书,同意其使用,故在收集好相应设备的船用产品证书、试验报告等资料后,重新签发了船舶检验证书。

7存在问题

"鑫田8"轮加装主机轴带发电机虽然是一个比较成功的例子,但因其是后加装设备,难免存在着一定的不足之处,首先是恒频恒压柜的安装位置,安装在集控室,固然使得恒频恒压柜获得了比较良好的工作环境,但是恒频恒压柜体积不小,必定会占据集控室一定的空间,使得集控室空间变小,有时甚至会堵住一侧的通道。其次,恒频恒压柜工作的时候如采取强制风冷会有一定的噪声,同时也会有温度的提升,安装在集控室时会造成集控室工作环境变差。最后,对于后加装轴带发电机的电缆敷设,在排线方面不可避免地面临着一定的问题。

8经济效益

"鑫田8"轮本次安装的轴带发电机系统一次性投资价格比较高,投资金额达15万元,经船务公司测算,投资的轴带发电机成本与因轴带发电机投入使用所节约的成本对比,有望在8个月内实现成本回收,可见轴带发电机所带来的经济效益是比较可观的。正是由于此套轴带发电机系统技术的成熟,鑫田公司正逐步在公司内部船舶上推广此套系统,公司新造的船舶"鑫田12""鑫田13"轮均在设计建造的时候就已经配有此系统。

9结语

目前,北海船舶检验中心检验的5000吨级船舶中存在着大量私加轴带发电机的状况。本次"鑫田8"轮的检验发证可以作为一个典型的案例,给需要安装轴带发电机的船舶和那些安装了不符合要求的轴带发电机的船舶指明一个方向。将轴带发电机的安装和使用引向符合法规、规范的要求,既符合船方的利益,又消除了船舶安全隐患,降低了船舶滞留率,具备良好的推广效益。