可移動組合式內燃機綜合加載測試裝置研究

張世亮，徐唐榮，劉云坤，沈 斌，張 全，陸 兵

（1.廣東海洋大學工程學院，廣東 湛江 524088；2.湛江南海西部石油合眾近海建設有限公司，廣東 湛江 524057）

目前，用于陸地、單一型號、裝置固定的內燃機綜合加載與性能測試系統已有較多應用，其加載測試方式有水力加載測試、電渦流加載測試和電力加載測試等方式。但是，針對以海洋油氣平臺作業空間狹小、能夠完成對多品種、多規格內燃機進行綜合加載測試的裝置目前還未見有應用報道。我國的海洋石油產業已處于快速發展時期，各類海洋油氣鉆探平臺、生產平臺、陸地終端、輔助配套裝置的數量眾多，在這些設施上配備的動力裝置主要是內燃機，內燃機的型號多、規格多、維修業務量大、維修質量要求高。而且，目前，還無法使用標準加載測試裝置對上述維修的內燃機進行性能測試，無法定量獲取內燃機維修后的技術性能指標，無法完成進行質量優劣評判，只能依靠經驗或借助工作負載加載來粗略判斷內燃機的維修效果。

綜上所述，本文研發了一套可移動、組合式、電力加載的內燃機綜合加載測試裝置，該裝置能夠在海洋油氣平臺上或陸地油氣終端的有限空間內，完成對多種型號、多種規格內燃機的綜合加載測試試驗，該裝置的加載工藝流程可人工程序設定、加載測試數據可實時顯示與存儲。

1 研究內容

該測試裝置采用可移動、模塊組合式結構，能夠在海洋田平臺有限空間內吊裝移動、組合，該加載測試裝置能夠滿足功率80 kW-1 000 kW，型號為CAT3406、CAT3412或康明斯 K38、K50等內燃機（機械控制、電噴控制）綜合加載測試要求。

1.1 總體方案設計

該綜合加載測試裝置由綜合加載測試控制系統撬塊、電力加載測試裝置撬塊、干電阻耗能裝置撬塊等共3個獨立部分組成（它們分別布置在3個能夠獨立吊裝的集裝箱中）。當需對平臺上被測內燃機進行加載測試時，根據其所在平臺測試現場作業空間的具體情況，將3個集裝箱分別放置在不同的空間位置（以充分利用平臺上分散的小空間），通過加載裝置與被測試內燃機機械連接裝置、電纜、信號線、數據線等連接方式，將3個集裝箱組合在一起，以構成一個完整的綜合加載測試裝置來使用。

1.2 綜合加載測試控制系統撬塊設計

圖1加載測試控制裝置撬塊結構布置圖

該撬塊由電力加載裝置變頻控制柜、加載測試操作控制臺、上位機、數據線、數據檢測傳感器、熱交換器、空調、專用集裝箱等組成，以實現對加載裝置的調節與控制，其結構布局如圖1所示。

1.3 電力加載測試裝置撬塊設計

該撬塊由升降底座、電力加載裝置、折疊底座、對中調節機架、控制線、數據線、耗能電纜、專用集裝箱等組成。通過萬向聯軸器將電力加載裝置與被測內燃機可靠連接，具體如圖2所示。

圖2 電力加載測試裝置總體方案圖

（1）升降底座。升降底座可完成對電子加載裝置輸出軸中心高在一定范圍內的調節和水平方向角度的微調，使加載裝置適應不同測試對象的工作要求，其結構如圖3所示。電力加載裝置為一大功率變頻調速電機（功率1 000 kW），其有兩種工作模式：負載工作模式和電動機工作模式。當需測試內燃機性能時，其工作在可調加載負載模式狀態，在變頻控制柜和耗能電阻的協調工作下，實現對內燃機的綜合加載測試；當其作為變頻調速電動機使用時，可以完成對內燃機、水泵、油泵等設備的冷磨合（冷拖）操作，或直接驅動水泵和油泵工作，以測試其維修性能優劣。

圖3 電力加載測試裝置升降底座結構圖

（2）折疊底座（工作時從集裝箱內放下、調平、固定；運輸時折疊收放到集裝箱內拉緊）。該底座作為被測試內燃機的水平底座，通過2個圓柱銷和2個固定支座的連接，將其和升降底座、集裝箱地板固聯在一起，其懸伸在集裝箱外部的部分，用若干個調整墊鐵將其墊牢，以建立起測試內燃機的整體加載測試底座。在折疊底座的導軌上加上安裝著2套對中可調機架，通過絲杠螺母機構的調節，實現內燃機在該底座上的前后移動，以滿足萬向聯軸器將內燃機與加載裝置連接起來的調節要求，折疊底座的結構如圖4所示。

圖4 折疊底座結構圖

（3）對中可調機架。在折疊底座上有2套內燃機對中可調機架，通過移動與升降可調機架上的4個支撐底座位置，使其與被測內燃機上的4個連接支撐點位置相對應，可將不同規格、不同型號的內燃機連接固定在折疊底座上，并將其輸出軸與電力加載裝置輸入軸對中，再通過萬向聯軸器的連接，將被測內燃機與電力加載裝置準確、可靠的連接在一起，具體結構如圖5所示。

圖5 對中可調機架圖

1.4 干電阻耗能裝置撬塊設計

該撬塊由3組U型管式干電阻耗能模塊、散熱風扇組、轉換控制電器、操作面板、連接電纜、專用集裝箱等組成，其結構布局如圖6所示。

圖6 干電阻耗能裝置結構布局圖

干電阻耗能裝置用來耗掉由電力加載裝置產生的電能。根據被測內燃機負載所需耗能的大小不同，通過接觸器的組合變換，實現加載裝置交流與直流負載形式轉換、耗能功率大小變化的調節，使耗能電阻與電力加載裝置功率相匹配。散熱風扇組將干電阻群產生的熱量及時散去，防止干電阻溫度持續上升，損壞干電阻元件。

2 電氣控制系統設計

本裝置電氣控制系統分為電力加載裝置電氣系統設計、耗能電阻裝置電氣控制系統設計兩部分內容。其中，電力加載裝置電氣系統設計由提供電力加載裝置的配套廠家完成，這里將不再論述，干電阻耗能模塊電氣控制系統需自行設計。

2.1 干電阻耗能裝置電氣控制系統設計

干電阻耗能裝置電氣控制系統分為干電阻耗能模塊與電氣控制模塊布局設計，控制電路原理圖設計，多路控制繼電器編程設計，觸摸屏編程設計。

（1）干電阻模塊、電氣控制模塊的布局

干電阻耗能模塊分成3個分模塊，由功率大小不同的管式干電阻群組成，通過三相銅排和接觸器觸電的通斷組合，將其有序連接起來，根據加載負載的要求不同，進行電阻負載大小的排列組合變換，以獲得與電力加載裝置所需要的匹配耗能功率。并且，通過電氣系統的控制，可實現交直流負載的轉換。在3個干電阻耗能模塊的下方分布著6臺軸流風機，完成對干電阻發熱量的及時散熱，其結構布局如圖7所示。

圖7 干電阻模塊、電氣控制模塊布局圖

（2）交直流負載功耗電阻箱設計

滿足1 000 kW直流功耗，直流按照1 000伏設計，對應等效電阻為1歐姆。

直流負載功率由變頻器控制，對照直流1 000伏設計，擬采用交流模式三相串接方式實現。按照三相工作，每相工作于400伏，串接實現的額定整定電壓為1 200伏。按照功率與電壓平方的函數關系，交流模式的直流額定功率系數為：

按照滿足直流1 000 kW設計，所需交流功率為：

交、直流功率轉換原理如圖8所示：

圖8 交直流功率轉換原理圖

在圖8中，用豎直虛線短接可實現400伏交流測試工作，而用水平虛線短接則可實現直流工作模式，用水平虛線短接后，三相電阻實現串聯工作模式，因此，總體設計按照交流功率來設計，通過等效方式轉換為直流工作功率模式。

（1）耗能電阻分組設計

耗能電阻分組設計為：1 kW、2 kW、2 kW、5 kW、10 kW、10 kW、20 kW、50 kW、100 kW、100 kW、200 kW、200 kW、200 kW、200 kW、200 kW、200 kW，共計16擋，設計總耗能交流功率為1 500 kW。

耗能功率管采用U型粗管，20kw及以上統一采用6.666 kW規格。干電阻管規格如下：

1 kW檔位單只耗能功率管功率計算如下：

2 kW檔位單只耗能功率管功率計算如下：

5 kW檔位單只耗能功率管功率計算如下：

10 kW檔位單只耗能功率管功率計算如下：

20 kW檔位單只耗能功率管功率計算如下：

耗能功率管數量：

1 kW~20 kW范圍，需要21只；

20 kW~50 kW范圍，需要9只；

50~1 400 kW范圍，需要210只；

需耗能功率管數量，總計240只。

按照工作電壓400 V進行耗能功率管整定，根據公式P=U2/R，則R=U2/P，得：

為保證耗能功率整定準確，干電阻管電阻測定必須采用單電橋測量方法完成。

耗能功率管的空間設計為：縱向排列8根U型功率管，共需30列，U型管長度1 600mm，電阻管布置總空間為2 100mm×1 600mm×1 200mm。

（2）控制界面和測量電路的設計

干電阻耗能模塊的主控界面和主控器采用10"觸摸屏控制方式，下位機采用20點單片機控制繼電器控制板和數據采集器方式，其原理如圖9所示。

圖9 控制界面和測量電路原理圖

（3）控制電源保護設計

電路的主保護設計為接觸器-熔斷器保護模式；風機保護采用溫度保護模式，如圖10所示。

圖10 電源保護電路原理圖

3 結束語

本文開研發的可移動、組合式、電力加載內燃機綜合加載測試裝置，能夠在海洋油氣平臺上的有限空間內，完成對多種型號、多種規格內燃機的綜合加載測試，有效解決了海洋平臺上內燃機動力設備高質量維修保養的技術難題，該項技術填補了國內空白，具有較高的實際應用價值。

鳴謝：本研究受湛江南海西部石油合眾近海建設有限公司科研項目(項目編號：YH12ZF0993)資助

[1]實用機床設計手冊編寫組.實用機床設計手冊[M].北京:機械工業出版社，1999.

[2]陸元章.現代機械設備設計手冊(1-3卷)[M].北京:機械工業出版社，2005.

[3]聞邦椿.機械設計手冊(1-6卷)[M].北京:機械工業出版社，2010.

[4]袁 琦.現代電氣控制與PLC應用技術[M].北京:機械工業出版社，2011.