某船發電柴油機機械超速控制系統優化設計

王 源，王洪發，黃朝靜，趙天翔，李小波

（中國衛星海上測控部，江蘇江陰 214431）

0 引言

一般船用電力系統由于負載負荷較大，一般采用多臺發電機同步并聯運行，同步發電機并聯運行時的頻率調整和發電機間有功功率分配極為重要。頻率數值大小實際上是對原動機轉速與勵磁電機相互作用的轉換。當各機組轉速波動時，將會引起電力系統有功功率分配的不均勻。當某臺機轉速過快時會導致其他各臺發電機有功負載分配不均勻，輸出電流頻率波動會對精密電氣設備產生危害以及降低測量精度。對此本型號柴油發電機采用轉速模塊的超速保護（圖1、圖2）和機械離心超速保護（圖3、圖4）2 套裝置對發電機進行超速保護。但是發電機在高負荷運轉時，以及船舶在大風浪航行環境中顛簸搖晃，超速裝置發生誤報警，發電機發生緊急停車，原本的機械離心超速保護裝置反而成為安全隱患。結合多年工作經驗，對該類型發電機故障案例進行分析并改裝優化控制系統以便提高發電機組安全性能及操作性，希望能給同行及相關機型使用起到借鑒指導作用。

圖1 轉速模塊超速保護電氣接線

圖2 轉速模塊超速保護原理

圖3 離心超速保護裝置原理

圖4 離心超速保護裝置離心脫開

1 故障現象

某日船只在太平洋海域航行時遭遇2.0～2.5 m 高海浪時，船只釋放減揺鰭，電網呈高負荷狀態，此時3 臺發電機在網，當減揺鰭裝置突然增加轉動角度以緩解外部海浪沖擊時，電網電流突然增加，同時集控室監控電腦出現超速警報3#發電機緊急停機。

2 故障分析

當時值班人員到機旁查看時，油門拉桿并未被切斷，重新本地模式啟機后轉速表顯示750 r/min，能夠正常運轉。但是轉換遙控模式后仍然超速緊急停車，經過檢查超速報警繼電器4K6 一直處于得電狀態，因此值班人員檢查轉速模塊的時間繼電器4K1 的輔助觸點和超速裝置的機械閉合觸點ZS81，發現是機械超速裝置中的觸點ZS81 閉合，經過現場反復實際驗證得出結論，是機械離心超速裝置采用雙備份模式之一的機械觸發繼電器導致的故障發生（表1）。

表1 發電機超速保護

首先機械離心超速裝置（圖5）安裝在滑油泵罩蓋處，由滑油泵驅動。原本如果柴油機轉速超過了設定值，彈性飛塊在旋轉離心力的驅使下，就會向外移動，移動過程中壓下臂（臂與定位銷相聯受彈簧作用），臂向下移動同時推動心軸向下打開空氣閥，釋放壓縮空氣。壓縮空氣到達Lambda 控制器處，推動Lambda 控制器中氣缸活塞向下運動，導致聯到調速器上的彈性拉桿被帶動壓縮，隨之轉動了調速桿到停機位置，柴油機停機。飛塊釋放時也會同步啟動另外一種超速保護模式，也是本文中要討論故障模式，臂拉動按鈕觸發ZS81 電子觸點4K6 繼電器得電，通過發電機控制箱啟動了停機電磁閥。還可以手動壓下按鈕（參考圖5），通過桿使彈性飛塊動作，可以使柴油機緊急手動停機。如果發生超速動作，在柴油機重新起動之前必須使超速裝置復位，可以通過按鈕使之復位。

圖5 超速裝置原理圖

但是現在船只在大風浪海況下航行時大幅度晃動或者發電機突加負荷原動機振動加劇時，就算沒有發生超速導致的飛塊釋放現象和臂拖拽驅動動作，按鈕也發生了機械組合件松動偏移，觸發ZS81 通電繼電器4K6（參考圖6），電流信號到達控制箱隨之啟動了調速器上面的停機電磁閥（圖7），但實際發電機正處于正常工作轉速下。發電機的遙控模式沒有越控功能，當值班人員到達機旁復位或者轉為本地模式時，已經在10 s 內發生緊急停機。

圖6 離心超速保護裝置拉臂滑動

圖7 轉速模塊超速保護超速報警

3 系統優化改良

大風浪海況或者電網負荷增加時，往往是用電的關鍵時期，不允許發生緊急停車工況。因此崗位人員根據轉速模塊和控制箱的相關性能以及CCS 鋼制船用發電機規范，對其控制系統加以改裝，離心超速保護裝置控制系統改裝如圖8 所示。

圖8 離心超速保護裝置控制系統改裝

（1）加裝了壓力開關（型號：丹佛斯KP35），以機械空氣閥釋放的壓縮空氣形成連鎖，確保了觸點ZS81 是機械超速裝置啟動狀態下合上的，不是按鈕滑動松動故障導致的誤報警。

（2）加裝了24 V 紅色報警LED 燈（型號：施耐德XB2-BVB3LC）用于識別是機械超速裝置帶動ZS81 觸發發出的超速報警停機，還是A/D 轉速模塊的電子轉速傳感器激發的安保系統緊急停機，還可以快速檢查超速裝置是否正確復位（燈滅的狀態）。

（3）加裝了常閉按鈕開關SB1 和SB2 以達到既可以正常監控報警，也可以在大風浪海況與電網高負荷情況下的強制越控功能。正常使用情況下按鈕SB1 斷開SB2 合上由壓力開關連鎖；當壓縮空氣供氣量不足時可以將SB1 和SB2 合上，但是這只能在海況好或電網用電量不大情況下使用；當超速裝置故障無法復位或者ZS81 觸點開關故障時，又需要保證電網大規模用電時可以斷開SB2 屏蔽ZS81 形成越控狀態。

（4）安裝了常閉開關SB3 和接觸繼電器K0 用于監控ZS81的瞬間閉合又斷開機械故障和ZS81 的靜電和短路故障，具體功能見表2。

表2 功能對照表

4 結束語

現在船用電力系統將電能產生、傳輸、分配和消耗進行自動化和智能化管理，保證船舶電站供電安全和降低了人工值班投入，提高了運行的經濟性。但是自動電站系統在分析、判斷發電機各類信息和參數時，采用的是常規的邏輯順序，無法判斷船只所處的海況以及工作環境，執行的控制功能是最優化保護在網設備，并無考慮船員生命安全，關鍵時刻必須采取“舍機保人、生命至上”理念，輪機人員必須熟知電力相關控制系統，不要過分依賴智能化，勤于思考、敢于創新，及時消除影響船員安全的設計問題。