船舶發電機測試用大型鹽水缸負載設計與制造探討

杜洪學　黃展明

摘要：本文根據廣新海事重工股份有限公司自研制的6 000 kW船舶發電機測試負載裝置的設計和試驗實踐，分析總結大型鹽水缸及其電極板組設計的要點和注意事項，為類似的大功率消耗型鹽水缸負載裝置的研究、設計、制造與應用提供參考。

關鍵詞：鹽水缸；電極板組；設計與制造

1.引言

船舶發電機組進行系泊試驗時，必須用到大功率可調節負載。目前各船廠使用的假負載主要有濕式和干式兩種。濕式鹽水缸負載雖然有穩定性略差、精確度較低及不適應于航行中試驗等問題，但其制造維護成本低、功率范圍大、操作簡便等優點，仍被各船廠廣泛使用。

廣新海事重工股份有限公司為滿足新型大功率電推船試驗的要求，自行研制新型氣壓控制式6 000 kw大型鹽水缸測試負載裝置。本測試負載裝置相比傳統的機械閘門控制式或電極板升降式鹽水缸，具有操作簡便、電流波動小、自動化程度高，且建造成本低、性能穩定、免于維護，有一定的推廣價值。

2.測試負載裝置的組成與功能介紹

測試負載裝置由3個鹽水缸（阻性負載）、3臺可調電抗器（感性負載）、測量/記錄儀表與自動控制系統四部分組成，能模擬出系泊試驗時發電機測試規范所要求的各種工況和負載特性，以供船用柴油發電機組、應急發電機組、軸帶發電機等進行單機/并機測試各項穩態/瞬態特性試驗，并可實時記錄電壓、電流、功率、功率因數、頻率、瞬時電壓波形、反應調整時間、調速率等參數，以供分析研究和檢驗之用。

3.鹽水缸設計方案

鹽水缸采用全自動氣壓控制式，每個鹽水缸為長方柱形結構，用鋼板分隔為上下兩缸，下缸一側用鋼板隔出一個長條形通道，使下缸底部與上缸底部連通。打開加氣電磁閥在下缸的上部加入壓縮空氣，使下缸中的水經長條形通道進入上缸，上缸的水位升高時，固定在上缸中的電極板組的浸水面積增大、電極板間的電阻變小，連接電極板組的發電機的電流上升、功率增大。反之，打開放氣電磁閥放出下缸上部的空氣，上缸的水經過長條形通道流回下缸，電極板組的浸水面積減小，發電機的功率因而降低。鹽水缸結構示意圖見圖1。

測量儀表測出電極板組消耗的實時電流，功率值，與按發電機試驗需求設定的電流，功率值進行對比，控制系統根據對比結果自動打開或關閉下缸的加氣電磁閥或放氣電磁閥，從而使鹽水缸負載電流/功率自動保持在設定電流，功率的控制范圍內。同時，測量儀表測出負載裝置的實時功率因數值，與設定的功率因數值進行對比，控制系統根據對比結果自動控制可調電抗器的電機正轉或反轉，從而使負載的功率因數自動保持在設定值的允許范圍內。

電極板組由多片長方形不銹鋼薄板按等距離平行排列方式組成（如圖2電極板組所示），總片數n為3的整數倍；片與片之間用絕緣棒相互支撐并聯結成為一個整體，再用絕緣板通過橫梁吊掛固定在上缸中。電極片按ABC順序分為3組并聯，形成三相“△”接法等效電阻。三相用銅母排經電控柜電動斷路器和電纜連接到船上發電機配電柜。

3個鹽水缸各自獨立設計，既可單獨使用又可并聯使用。

4.1電極板組設計要點和注意事項

（1）電極板采用耐腐蝕的不銹鋼亞光板，不能用銅板、鋼板、鍍鋅板等材料；

（2）電極板為正方形或長方形薄板，板面平直無彎曲凹陷變形，板邊無毛刺、披風；

（3）電極板厚度取1.5 mm～2.5 mm，太厚成本增加、太薄則容易變形；

（4）極板四角及中間鉆孔，用兩端帶螺孔的聚四氟乙烯絕緣棒（塑料王）在板之間均勻支撐并相互鎖緊，形成一個整體，防止變形或通電時產生震動；

（5）極板間距一般取100mm～120mm，太大則鹽水缸體積也要增大造成成本上升；過小則不利鹽水的流動和散熱，并可能在鹽水濃度高時在極板間產生爆濺現象；

（6）極板邊緣與缸壁距離一般取極板間距的2～3倍，太小則極板對地放電增加，影響三相電流平衡，太大則鹽水缸容積利用率降低；

（7）電極板組的上沿應略低于鹽水缸最高水位，以便充分利用極板；

（8）3組極板的并聯可在裝配后采用不銹鋼板焊接而成方形，以避免銅母排接口的氧化；

（9）銅母排過流能力計算必須采用高溫參數并留有足夠裕度，在缸面部分最好是立式安裝以減輕熱蒸汽的影響。式中：p-電極組消耗功率（w）；

u-電極所加電壓有效值，即發電機相電壓（v）；

w-電極板寬度（mm）；

h-電極板高度（mm）；

d-電極板間距（mm）；

m-電極板組數，即板數n/3；

p-鹽水的電阻率（Ωm）。

注：本公式忽略了交流電頻率、平板電容、鹽水流速及溫度等因素的影響。

4.3電極板組計算公式使用方法

上述公式為電極組設計后校驗鹽水缸功率容量之用，也可在設計過程根據功率容量的需求初步計算電極板尺寸或組數（極板數量）。

根據常溫自來水的電阻率p（一般25～100Ωm，取50 Ωm）及電極板尺寸w、h、m及電壓u等基本數據，計算在自來水工況下的鹽水缸滿水功率容量P；

計算得到的P值應為鹽水缸最大設計功率容量Pmax的25%左右，如偏差較大則需要進行電極板設計參數調整；

根據公式計算鹽水缸最大設計功率容量Pmax的鹽水電阻率p，按表1查出對應的鹽水濃度ppm；

再根據滿水時的容積計算出最大功率加鹽量和各功率段的加鹽量。

5.提高鹽水缸功率穩定性的技術措施

（1）利用膜片式氣用電磁閥開關迅捷的特點，在設置測量儀表的上下限范圍時盡量取窄，使壓縮空氣的充/放調節時間更短，可達到控制功率波動度≤1%的水平甚至更低；

（2）為降低上下缸調節水流的涌動對電極板的影響，電極板片的布置方向應與長條形通道垂直，使水流涌動對各電極板影響相同；

（3）為防止鹽水沸騰以及鹽水濃度不均勻造成的功率波動，可增加使工作水循環散熱的冷卻系統（冷卻水塔），控制鹽水溫度≤65℃保證不沸騰并使鹽水濃度均勻；

（4）根據測試的最大功率需求計算需要的鹽水濃度估算加鹽量，不因過度加鹽導致工作水量太少加劇功率波動。

6.改善三相電流不平衡問題的技術措施

（1）由于邊緣兩片A1（A相邊緣片）和Cn（C相邊緣片）的外表面沒有相對的電極，故A、C相電流小于B相電流造成三相不平衡，可加大中間部分的A和C片的寬度，增加寬度按w/m計得；

（2）缸體嚴格接地，并在上缸內壁涂布較厚的耐熱環氧樹脂以降低三相電流不平衡。

7.結束語

由于干式負載技術的發展，有些船廠在新增測試負載裝置時傾向于更穩定的新型干式負載裝置。但鹽水缸式負載的投資成本比干式負載低得多，如我司研制成功的6 000 kW鹽水缸式負載的投資成本只有國內干式負載價格的一半，一套可節省投資近300萬元。本項目的設計、制造克服了傳統舊式鹽水缸的諸多缺陷，經一年多以來的使用，其性能穩定、操作方便，有較高的經濟效益，對鹽水缸的研究、設計、制造、應用有一定的參考價值。