克令吊逆功率吸收系統研究與分析*

2013-12-03 04:31:20馮木易

機械研究與應用 2013年6期

馮木易

(浙江欣亞磁電發(fā)展有限公司，浙江舟山 316111)

1 引言

大克令吊在下放重物過程中，電動機轉速大于同步轉速，處于回饋發(fā)電狀態(tài)。如果回饋功率過大，電網負載太輕，若單機工作，則調速器減油門，自動電壓調壓器AVR自動降壓，而電動機需要從電網吸收無功電流來勵磁，要求發(fā)電機增大勵磁，則可能出現發(fā)電機勵磁系統崩潰；若是多臺發(fā)電機組并聯運行，則機組可能在很輕的負載并聯，甚至有的發(fā)電機組可能會出現逆功率，這對電網的穩(wěn)定運行極為不利[1]。因此，過大的回饋功率要吸收。逆功率吸收一般有兩種：①采用相角控制無級吸收，此方案價格貴；②根據逆功率大小，采用分級吸收，此方案較經濟實用且性價比高，下面介紹分級吸收。

2 逆功率的產生及大小

以南通中遠川崎NACKS 28 000 t重吊船為例，該船電站由3臺功率800 kW、電壓AC450 V、頻率60 Hz、功率因數0.8的柴油發(fā)電機組及1臺功率為100 kW、電壓AC450 V、頻率60 Hz、功率因數0.8的應急發(fā)電機組成；配有2臺350 t的NMF大克令吊，每臺克令吊配有2臺電動機，每臺電動機在S6(40%)4 min工作制時最大功率可達到175 kW，在S1(100%)工作制時最大功率為132 kW，因此1臺克令吊消耗的最大功率可達到175×2=350 kW。根據電力負荷計算表，如表1所示，可查出，在各種工況下，該船的最低基本負荷為684.7 kW；1臺發(fā)電機組不能滿足克令吊的使用，若要使用克令吊，則需要重載詢問，當備用發(fā)電機起動且2臺發(fā)電機組并聯運行后，發(fā)出允許起動信號給克令吊，克令吊才可起動運行；當克令吊下放重物時，產生的逆功率，可以根據公式：功率=重力×速度×效率，得到逆功率大小[2]。

表1 電力負荷計算表

通過計算，得出克令吊在各種工況下的功率值，如圖1所示。克令吊1臺電動機工作，下放重物時產生逆功率最大值為120 kW；2臺電動機工作，下放重物時產生逆功率最大值為120×2=240 kW。2臺克令吊工作時，可產生逆功率最大值為240×2=480 kW。

圖1 克令吊工況及功率值

3 逆功率的吸收處理

3.1 電阻值和分級投切及電阻箱的設計

柴油發(fā)電機組在小負荷下運行，隨著運行時間的延續(xù)，會出現以下故障：

(1) 活塞—汽缸套密封不好，機油上竄，進入燃燒室燃燒，排氣冒藍煙；

(2) 對于增壓式柴油機，由于低負荷、空負荷，增壓壓力低，易導致增壓器油封(非接觸式)的密封效果下降，機油竄入增壓室，隨同進氣進入汽缸；

(3) 上竄至汽缸的一部分機油參與燃燒，一部分機油不能完全燃燒，在氣門、進氣道、活塞頂、活塞環(huán)等處形成積炭，還有一部分則隨排氣排出，導致汽缸套排氣道內逐步積聚機油形成積炭；

(4) 增壓器的增壓室內機油積聚到一定程度，就會從增壓器的結合面處滲漏出；

(5) 長期小負荷運行，將導致運動部件磨損加劇且發(fā)動機燃燒環(huán)境惡化等，致使大修期提前。

因此，國外柴油機制造廠商無論對自然吸氣型還是增壓機型的使用都強調應盡量減少低負荷/空負荷運行時間，并規(guī)定最小負荷不能低于機組額定功率的20%～30%[3]。

根據電力負荷計算表，在裝卸貨工況下，減去2臺克令吊的功率，該船其他的最低基本負荷為1 400.7-2×350=700.7 kW。當克令吊產生最大逆功率時，克令吊回饋發(fā)電功率為480 kW，此時2臺柴油發(fā)電機組承擔的實際負荷為700.7-480=220 kW，負荷率為220÷(800×2)=13.75%，明顯低于柴油機組規(guī)定的最小負荷。為避免柴油發(fā)電機組在太輕負荷運行不穩(wěn)定，采用分二級投入三相電阻來吸收克令吊產生的逆功率，每一級電阻為AC450 V 60 kW(每相電阻電流為77 A，電阻值為3.374 Ω)。投入二級電阻后增加功率60×2=120 kW，負荷率提高為(220+120)÷(800×2)=21.25%。由圖1可看出，克令吊產生最大逆功率480 kW的時間只有5 min左右，柴油發(fā)電機組短時帶21.25%左右負荷運行，可以穩(wěn)定運行，電阻功率選擇恰當。

由于電阻功率大，所以散發(fā)熱量較大，電阻采用長期工作制的不銹鋼電阻，電阻箱體采用2.5 mm厚不銹鋼板制作，并配有溫控強制通風風機，確保電阻箱溫升在設計值[4]。

3.2 逆功率吸收的電阻投切控制

電阻參數及分級確定后再有效合理地控制電阻的投切。下面給出兩種吸收方案的原理框圖，采用如圖3所示的分級吸收。

圖2 相角控制無級吸收

圖3 根據逆功率大小分級吸收

(1) 1臺克令吊運行時，電阻的投切控制

1臺克令吊產生的最大逆功率為240 kW，1臺克令吊吊臂靜止不動，電動機空轉運行消耗功率為100 kW。

當電網的總負荷低于240 kW和克令吊產生的最大逆功率相等，如果此時克令吊產生最大逆功率回饋發(fā)電給電網，則發(fā)電機組承擔的負荷為“0”，使發(fā)電機組不能穩(wěn)定并聯運行，因此自動電站PMS發(fā)出負荷太輕報警，提醒用戶，多運行一些設備，增加電網用電負荷。

當電網的總負荷大于240 kW，分兩種情況：①當克令吊已經下放重物產生逆功率，PMS檢測到：電網負荷≤240 kW-克令吊逆功率，則投入第一級電阻；投入電阻后，仍然有：電網負荷≤240 kW-克令吊逆功率，則投入第二級電阻。②當克令吊沒有產生逆功率，PMS檢測到：電網負荷≤(240+100)=340 kW，也就是說電網其它負荷加上克令吊電機空轉功率小于340 kW，電網的基本用電負荷低于340-100=240 kW，因此投入第一級電阻；投入電阻后，仍然有：電網負荷≤340 kW，則投入第二級電阻。

克令吊停止運行電阻自動切除。克令吊運行，分兩種情況切除：①當克令吊在下放重物產生逆功率，PMS檢測到：電網負荷>(240+60)=300 kW，則切除第一級電阻；切除電阻后，仍然有：電網負荷>300 kW，則切除第二級電阻。②當克令吊沒有產生逆功率，PMS檢測到：電網負荷>(240+60+100)=400 kW，則切除第一級電阻；切除電阻后，仍然有：電網負荷>400 kW，則切除第二級電阻。

(2) 2臺克令吊運行時，電阻的投切控制

2臺克令吊產生最大逆功率為480 kW，2臺克令吊吊臂靜止不動，電動機空轉運行消耗功率為200 kW。

當電網的總負荷低于480 kW，和克令吊產生的最大逆功率相等，如果此時克令吊產生最大逆功率回饋發(fā)電給電網，則發(fā)電機組承擔的負荷為“0”，使發(fā)電機組不能穩(wěn)定并聯運行，因此自動電站PMS發(fā)出負荷太輕報警，提醒用戶多運行一些設備，增加電網用電負荷。

電網的總負荷大于480 kW，分兩種情況：①克令吊已經下放重物產生逆功率，PMS檢測到：電網負荷≤480 kW-克令吊逆功率，則投入第一級電阻；投入電阻后，仍然有：電網負荷≤480 kW-克令吊逆功率，則投入第二級電阻。②克令吊沒有產生逆功率，PMS檢測到：電網負荷≤(480+200)=680 kW，也就是說電網其它負荷加上克令吊電機空轉功率小于680 kW，電網的基本用電負荷低于680-200=480 kW，因此投入第一級電阻；投入電阻后，仍然有：電網負荷≤680 kW，則投入第二級電阻。

克令吊停止運行，電阻自動切除。克令吊運行，分兩種情況切除：①當克令吊在下放重物產生逆功率，PMS檢測到：電網負荷>(480+60)=540 kW，則切除第一級電阻；切除電阻后，仍然有：電網負荷>540 kW，則切除第二級電阻。②當克令吊沒有產生逆功率，PMS檢測到：電網負荷>(480+60+200)=740 kW，則切除第一級電阻；切除電阻后，仍然有：電網負荷>740 kW，則切除第二級電阻。