CCFJ960J-WS 型船用雙頻交流柴油發電機組的設計開發

摘要：在230 系列船用交流柴油發電機組多年以來成功應用的基礎上，2010 年設計開發了以8 缸230 柴油機為原動機的CCFJ960J-WS 型960 kW 船用雙頻交流柴油發電機組，取得了中國船級社型式認可，次年3 月首臺發電機組交付用戶使用。

關鍵詞：雙頻；無限航區；柴油發電機組；設計

Design and Development of CCFJ960J-WS Type Dual-Frequency AC Marine Diesel Generator Set

ZHANG Zhenhui，ZHU Huosheng，ZHANG Qiaoliang

(Guangzhou Diesel Engine Factory Co.， Ltd. Guangzhou 510371)

Abstract: The CCFJ960J-WS type dual-frequency AC marine diesel generator set of 960 kW equipped with 8-cylinder 230 diesel engine as prime mover is designed and developed in 2010 based on the successful application of 230 series AC marine diesel generator set. It has received type approval by CCS. In March 2011， the first generator set has been delivered to user.

Key words: diesel;design;verification

1前言

近年，得益于國內經濟快速的增長及國家政策的扶持，在船舶市場趨于平穩之時，海工裝備發展勢頭強勁，尤其海工船。作為海工船用發電機組需求量呈現上升趨勢，較多船東選用可燃用重油的中速柴油發電機組，以降低運行成本。

2010 年應招商局重工（深圳）有限公司“5 萬t半潛式自航工程船”項目需要，開發了適應無限航區、燃用380 cSt/50 ℃重油以及能提供50/60 Hz 兩種不同頻率電力的960 kW 發電機組，擴大了我司船用機組的產品種類及功率覆蓋范圍。本文闡述CCFJ960J-WS 型船用雙頻交流柴油發電機組開發的技術設計要點。

2機組的構成

CCFJ960J-WS 型船用雙頻交流柴油發電機組由柴油機（8230ZD 型）、高彈性聯軸器（無錫伏爾康）、雙支承發電機（中船重工電機TFJ6 566-8SB42/82 型）、公共底座和T60 型隔振器構成，如圖1。

3機組主要技術規格及參數

見表1。

4機組設計要點

4.1 發電機的選型

4.1.1連接方式的選擇

柴油機和發電機的連接方式通常有兩種：一種是剛性連接，即用螺栓將柴油機曲軸輸出法蘭、飛輪、發電機軸法蘭連接在一起；另一種是彈性連接，即在柴油機飛輪和發電機之間設置彈性聯軸器。連接方式的選擇取決于軸系的扭轉振動特性。

扭振計算分析表明：若柴油機與發電機采用剛性連接，軸系的扭振性能不能同時滿足機組在750 r/min 和900 r/min 運行時的使用要求；CCFJ960J-WS 型船用雙頻交流柴油發電機組采用彈性連接方式，以利于機組獲得良好的軸系扭振性能，與彈性連接相適應的發電機為雙支承方式。

4.1.2 品牌、信譽的選擇

多年以來，中船重工電機科技股份有限公司采用德國西門子技術生產制造的船用無刷三相交流同步發電機，產品不僅獲得中國船級社以及外國船級社的認證，同時廣大客戶對該公司產品的質量和可靠性滿意度較高。因此選擇了該公司生產的TFJ6 566-8SB42/82 型發電機，額定容量為1 200 kVA 雙支點結構的船用發電機。

4.2調速器選型

調速器分類可簡單地劃分為兩大類，一類是機械式，另一類是電子式。對于需要負荷分配、并網運行等要求較高的發電機組，大多數采用調速性能優越的電子調速器。而作為船用柴油機的電子調速器，目前較為成熟、廣泛應用的有美國WOODWARD 和德國HEINZMANN 兩家。作為雙頻發電，HEINZMANN 在國內陸用發電機組已有成功的案例。

HEINZMANN 數字式電子調速器可以通過一開關量信號來控制發動機的額定轉速的選擇，使其能夠在兩個不同額定轉速之間切換。對應兩額定轉速，有獨立的兩組參數用以適應不同額定轉速下的應用工況，包括怠速，額定轉速，最大允許轉速，PID 值，穩態調速率，超保轉速，全程油量限制曲線，PID 修正MAP 等等。這樣可以充分保證在不同額定轉速下發動機各項動、穩態性能指標。

CCFJ960J-WS 型船用雙頻交流柴油發電機組的調速系統采用HEINZMANN 的DC6 數字式電調控制器和StG16 執行器。

4.3增壓器匹配

按照增壓器壓氣機特性：在額定功率保持不變的前提下，額定轉速升高，則喘振裕度增大；反之，額定轉速降低，則喘振裕度減小。因此，增壓器應以機組在額定參數960 kW/750 r/min 時進行匹配。經計算分析：采用VTR4 系列的 VTR214-VG13HF11WG06EF17 型高效率的軸流式渦輪增壓器可滿足要求。

4.4適應燃用380 cSt/50 ℃重油的零部件及系統設計

為了降低發電機組的運行成本，用戶要求柴油機必須具備燃用重油的能力，而且是低品質的380 cSt/50 ℃重油。因此，對在這種低質油品運行下的柴油機各零部件帶來很大的挑戰，在保證機組穩定運行的同時，還需確保各零部件有較高的使用壽命。主要技術措施如下：

① 氣缸套采用合金鑄鐵，并添加少量的釩、鈦，既保證了機械性能，又有利于提高耐磨性和抗腐蝕能力。

② 選用德國L’Orange 公司高壓噴油泵和噴油器、Goetze 公司鉻陶瓷活塞環、BHW 公司帶溝槽三元合金跑合層的連桿軸瓦。

③ 采用獨立油循環的噴油器冷卻系統，保證冷卻油溫度為90～100 ℃，防止噴油器受高、低溫腐蝕。

4.5操縱與監控系統

該系統主要由機旁控制箱和發電機勵磁箱來實現。機旁控制箱：在軟件上，要有兩套控制程序來適應兩種頻率的控制及安保功能要求；在硬件上，需

在面板上有頻率狀態的指示功能、在液晶顯示屏有關于雙頻內容的顯示，并多增加若干路I/O 口，主要用于接收來自發電機勵磁箱的頻率指令和輸出控制指令到電調控制箱來控制柴油機兩種額定轉速。另外，為了能實現電壓400/450 V 對應頻率50/60 Hz 時的聯鎖功能，機旁控制箱與發電機勵磁箱在接口方面作了匹配，實現了柴油機停機時能轉換、運行時不能轉換電壓及頻率的功能。發電機勵磁箱：電壓及頻率的轉換統一由該箱的轉換開關實現一鍵轉換功能，只要在勵磁箱轉換開關打到其中一檔，即調整了發電機電壓、機旁控制箱的控制程序、電子調速器運行的參數狀態。

4.6機組支承方式

為了滿足不同用戶對振動、噪聲方面的要求，機組設計了剛性支承和彈性支承兩種方式供用戶選擇。這種大型的海工船，選擇采用彈性支承方式以便把發電機組振動對環境的影響降至最低限度。經計算分析：采用10 點支撐的T60 型隔振器，機組隔振系統具有良好的穩定性和隔振效果。同時，機組相應的油管、水管、排氣總管等外接管口都必須采用柔性連接，彈性支承機組如圖1 所示。

5設計驗證

按照中國船級社批準的《CCFJ960J-WS 型船用雙頻交流柴油發電機組型式試驗大綱》，在現場驗船師的監督下，進行了全面的性能測試。試驗進行得十分順利，測試結果表明：各項性能參數達到或優于設計指標，供電質量良好。主要性能的實測結果如下：

機組燃油消耗率：b=210 g/kW·h；

最高燃燒壓力：Pmax=12.8（12.7）MPa；

缸后排氣溫度（平均）： Tr =325（377）℃；

氮氧化物排放（D2 循環）：NOX=8.14 g/kW·h；

煙度：RB＜0.2（Bosch）；

扭振性能：按CB*3325-1987 評定為A 級；

機械振動烈度：VS=8.612（9.459）mm/s；

噪聲：noise=99.6（100.6）dB（A）。

注：“（）”括號內數據為60 Hz 時的結果。

6結論

CCFJ960J-WS 型船用雙頻交流柴油發電機組的排放性能、動力性能、經濟性能各方面均達到了設計要求。氮氧化物排放滿足國際海事組織IMO Tier-Ⅱ的排放指標，并獲得中國船級社頒發的《柴油機國際控制空氣污染證書》。由于柴油機與發電機采用彈性連接、機組采用彈性支承，無論從機組軸系扭振性能，還是機械振動、噪聲等方面都獲得了滿意的效果。CCFJ960J-WS 型船用雙頻交流柴油發電機組取得了CCS 的型式認可證書后已交付用戶實船使用，機組運行正常。其優異的環保、節能、可靠性和良好的綜合性能必將受到廣大客戶的歡迎。

圖2 為我們設計開發成功的CCFJ960J-WS 型船用雙頻交流柴油發電機組。

參考文獻

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