船舶电站系统的配置及维护.doc

专科毕业设计（论文）设计题目： 船舶电站系统的配置及维护 系 部： 电气工程系 专 业： 船舶电气 班 级： 船舶电气052501 姓 名： 学 号： 指导教师： 职 称： 实验师 2010年6月 南京摘 要船舶电站是产生并连续供给辅助机械及全船所需电能的设备，它由原动机、发电机和附属设备(组合成发电机组)及配电板组成，是船舶电力系统的核心部分，船舶电站性能的好坏，将直接影响船舶的运行情况。为使船舶在各种不同工况下能合理地进行供电，因此对电站的配置和容量要进行相关的分析与计算，对其系统经常遇到的典型故障给以相关的分析，提出合理有效的解决办法，并对船舶电站的日常维护和管理也给予了必要的论述。随着船舶向大型化、自动化方向发展，船舶电站的自动化程度也不断提高，并朝着“高可靠性智能化”方向发展。随着船舶自动化技术的不断提高，船舶电站未来的发展目标是把自动化船舶的研究与开发推向无人化程度，并保证机电设备处于最佳运行状态，在出现异常情况时能够及时发现和排除故障。关键词 船舶电站；容量计算；典型故障；日常维护； Abstract A Ship Power is a plant which generators and continuously supplies electric power to various auxiliary machinery onboard and meets the electric power demands of the whole ship.Normally，A Ship Power consists of a prime mover，generators and their ancillary equipment(to form generators sets) and distribution boards，being an essential part of the power system on board a ship. A Ship Power is one of the important equipment on board of modern ships，as the performance of the station will influences directly the operation conditions of a ship.To make the ship can be powered reasonably in a variety of conditions, so, the configuration of power should be analyzed and capacity of power should be calculated in first. The Typical fault of a Ship Power is also been analyzed and rational and effective solution is also being given. For the daily maintenance of the Ship Power, the necessary exposition is also being given in this paper.As the ship to the large-scale, automated direction, ship power plant automation is also rising, and towards the high reliability intelligent direction. With the automation of ships the continuous improvement of ship power stations development goals is to automate the research and development into unmanned ship level, and to ensure that electrical and mechanical equipment in the best run state in the event of anomalies the ability to detect and exclude failureKeywords Ship Power; Capacity Calculation; Capacity Calculation; Routine maintenance目 录1 引言12 船舶电站基本定义及配置12.1船舶电站概述及分类12.2现代大型船舶电站的常见形式22.3电站容量及配置43 船舶电站系统的典型故障分析53.1逆功率继电保护装置故障53.2发电机欠压故障73.3自动调频调载装置故障74 船舶电站系统的日常维护与管理84.1船舶电站运行中的监视与管理84.2船舶电站停止运行后的管理94.3船舶电站经修理或长期停用后投入运行前的检查与要求9结 论10致 谢11参 考 文 献12第12页江苏海事职业技术学院2009届专科生毕业设计 1 引言船舶电站是产生并连续供给辅助机械及全船所需电能的设备，它由原动机、发电机和附属设备(组合成发电机组)及配电板组成，是船舶电力系统的核心部分，船舶电站性能的好坏，将直接影响船舶的运行情况。为使船舶在各种不同工况下，如航行、作业、停泊、应急等情况下，都能连续、可靠、经济、合理地进行供电，必须对电站的基本配置、容量要进行必要的分析。对其系统可能会遇到的典型故障和使用中的注意事项也需进行相关的讨论。2船舶电站基本定义及配置2.1船舶电站概述及分类船舶电站供给辅助机械及全船所需电能的设备，它由原动机、发电机和附属设备(组合成发电机组)及配电板组成，是船舶电力系统的核心部分。发电机组是把化学能转化为电能的装置，通过配电板来进行控制及分配。船上常用的发电机组是柴油发电机组和蓄电池。主发电机不能供电时由应急发电机组或蓄电池组向船舶重要航行设备和应急照明系统供电。直流船舶电力系统里直流发电机组，交流船舶电力系统用交流发电机组。应急发电机均采用柴油发电机。配电板的功能对电源和负荷进行分配、监视、测量、保护、转换、控制的装置。分为主配电盘、分配电盘（动力、照明分配电盘）、应急分配电盘、蓄电池充放电盘及岸电箱。根据电流的种类，船舶电站可以分为直流和交流两种。按照原动机的种类，船舶电站可分为蒸汽机、柴油机、汽轮机或燃气轮机等四种电站。由于主机拖动螺旋桨的功率有10%-15%的储备，而航行时需要电站供给的电功率不会超过主机功率的10%。为了充分利用主机这部分的剩余功率，节约燃油，近年来，由主机带动轴带发电机供电的电站有增多的趋势，当船舶停泊时，采用轴带发电机的电站仍需由备用的柴油发电机供电。船舶电站按照其功用不同又可分为电力推进电站、全船性电站和应急电站三类。电力推进的电站即推进螺旋桨用电机带动，主机不直接旋转螺旋桨而用来发电。推进电站功率主要按照推进要求而定。全船性电站即供照明和辅机及其他电气设备用电，也称主电站。其功率一般从几十千瓦到几千千瓦不等。为满足各种工况下所有设备的电能需要，这种电站的全部设备都装在机舱内。当主电站出现故障或其他原因而失去供电能力时，则由应急电站通过应急电网向重要的应急设备供电；应急蓄电池和充放电板又称为小应急电站，一般设在艇甲板以上的，发电量必须保证全船重要设备用电（如操舵、电讯设备、应急照明等）。应急电站的原动机常为高速柴油机组。2.2现代大型船舶电站的常见形式目前大型商用船中按发电机组型式的不同，主要有三种型式：全柴油机电站；利用主机排气能量的废气汽轮机混合电站；轴带混合电站。图1、图2分别是常见的轴带混合电站、废气汽轮机混合电站构成。图中Marine Engine表示主机，D/G为柴油机组，T/G为涡轮发电机组，S/G为轴带发电机组，SC为同步调相机组,LOAD为负载。图1 D/G、S/G组成的电站 图2 D/G、T/G组成的船舶电站一般的电站中都装有柴油机作为原动机，这取决于柴油机作为船舶的原动机自身的优点比较突出。柴油发电机组的主要优点是耗油低、轻便、起动快。为了减少设备重量和尺寸，通常采用中、高速柴油机。柴油发电机组的过载能力不大，一般为额定值的10%。因此无论哪一种船舶上，应急发电站都有柴油机作为原动机。目前柴油发电机组的发展趋势是：a)大功率、高强度、高效节能、注重环保、可靠性高，大修期前无故障；b)显著提高低负荷运行能力，提高机组的智能化、自动化程度，大力采用机电一体化和电子控制技术，提高供电品质；c)进一步提高可维修性，通用性和标准化程度。全柴油机组电站由数台柴油发电机组组成，这是目前最常见的电站形式，一般采用二、三台柴油发电机组，诸机组功率之和就是电站的配置的总功率，并有适当的备用。柴油机型式对发电机组的性能指标影响很大，日前较多采用中速柴油机(500750r/min左右)，它与低速柴油机相比，有较小的尺寸和重量:同高速柴油机相比，有可靠性高、大修期长、耗油率低等优点。对机舱小而机械设备多的船舶来说，设备的尺寸重量便成为一个突出的技术指标，因而中速柴油机的优点就很显著。另外一个促使柴油发电机广泛使用的原因是：以往为了提高营运经济性，船舶上的柴油发电机组大多燃用跟主机一样的低质油，从而使可靠性下降，故障率增大，维护费用增加。但随着近年来，柴油机燃油技术的不断提高，已经大大改善这种情况，这也促进了柴油发电机组的得到广泛的应用。废气汽轮机混合电站系由废气汽轮发电机组和柴油发电机组组合而成。废气发电主要解决船舶正常航行时的用电问题，另设辅助柴油发电机组作为备用，并满足非正常航行工况之电力需要，如进出港、装卸货、停泊等工况。其系统如图2所示。辅助柴油机能互为备用，通常配备两台，比无废气发电机组时少一台。当主机在航行中因各种原因减少负荷时，废气发电的电力就不敷应用，于是要临时启动辅助柴油发电机，这种情况既要降低柴油发电机的经济性又要增加维修工作量。但是这种混合系统的优点是能有效回收主机的排气废热。根据主机功率的大小，废气温度高低和流量大小，通常5%-15%燃料热量能加以回收并转化为电能。特别对于营运时间长、主机功率较大的大型船舶，更宜采用废气汽轮发电系统，以获得明显的经济效益。主机轴带混合电站由轴带发电机组（见图2-5所示）及柴油发电机组所组成。轴带发电机组从主机的自由端,或直接从推进轴上取得一部分的输出功率来驱动发电机。作为功率取出装置除齿轮、链轮和皮带轮外，还有直接传动，即在卞机后部及中间轴之间直接安装轴带发电机，由一根短形中间轴作为发电机的转子来进行直接的功率传动。轴带发电机组主要提供船舶正常航行中全船电力，取代航行柴油发电机组。同样需设置辅助柴油发电机组作为备用，以满足非航行工况时的电力需要。图3 船用柴油机发电机组 图4 TFZ-H系列船用轴带交流发电机组2.3电站容量及配置全船电力负荷的电力负荷计算来确定的。根据计算所得的总功率再考虑其他因素，如电网损耗、同时利用电力系数等，最后才能确定发电机组的容量和所配置的数量。电力负荷计算通常采用负荷表格法，用的更多的是三类负荷表格法。用电设备作为电站负荷，根据使用的特点，可分为如下的三类：第一类负荷在船舶某一运行状态下连续使用的负荷。例如：航行时的主机冷却水泵，燃油供给泵等：装卸货状态下的起货机等。第二类负荷在船舶某一运行状态下短时或者重复使用的负荷。例如：航行状态时的燃油、滑油输送泵，卫生水泵，空调压缩机组等。第三类负荷在某一运行状态下偶然短时使用的负荷。例如，靠离码头状态下的电动旋梯起吊机，航行状态下的机修机械等。电力负荷表的编制就是就要上述负荷的名称、数量、类别、负荷的额定数据以及所配电动机的额定功率，额定转速n，额定功率因数，和额定效率等。由于电动机输出的额定功率不一定恰和机械轴上所需的额定功率相符，通常电动机额定功率往往选的较大，电动机未能充分利用，故用电动机利用系数来表示：某一运行状态下，机械轴上实际功率，此时可用机械负荷系数表示: 由此得电动机的负荷系数：在某一运行状态，同类机械不一定同时使用。因此可用一组同功率用电设备的同时利用系数表示：上式中N为改组同时工作的用电设备数目；M为改组用电设备的总数。，因此，同组用电设备所需有功功率可确定为：式中：为电动机效率在确定一台电动机需要电网供给的功率时，就需要考虑到效率和cos（计算无功功率时使用）。对于交流设备，还需计算其无功功率：，为用电设备的实际功率因数角，由实际负荷的cos求得，cos可根据电动机的，n，和负荷程度查得。在计算完各组用电设备的所需有功功率和无功功率后，便可确定各运行状态下发电机应供给的用电设备总功率。此时尚应考虑各组用电设备之间的同时使用系数K0(第一类负荷)和K0第二类负荷。因为不可能同一类负荷的所有用电设备都在该状态下自始自终的工作着。一般K0在0.8-1.0范围内, K0在0.3-1.0范围。在发电机供给的总功率中，还需计入5%的电网损耗。因此在某状态下需要发电机供给的总功率为：总有功功率：P=(K0P+K0P)1.05总无功功率：Q=(K0Q+K0Q)1.05P, P为该状态下第和第类负荷的总有功功率；Q, Q为该状态下第和第类负荷的总无功功率。该状态下负荷的平均功率因数cos可用下式求得：。该状态下可能需要的短时最大负荷为：Pmax=P+P，P为该状态下第三类负荷的总有功功率。3 船舶电站系统的典型故障分析 船舶电站由发电装置和配电装置组成，一般设有2-4台同容量、同型号的发电机组，通常仅有一台或两台发电机向电网供电，发电机的转速和电压的变化及负载的投人和切除都直接对电网的频率和电压产生影响，特别是突加和突卸负载时会引起电网频率和电压较大的波动，因此要求船舶发电机组要有较高品质的调速和调压装置。此外，误操作或局部故障都容易导致全船停电，威胁船舶航行的安全，因此系统应合理配置安全可靠的保护装置。船舶电站系统的故障现象主要以“主开关跳闸”作为其代表性特征。船舶电站的“主开关”采用的是一种带有保护装置的开关电器万能式自动空气断路器。发电机正常运动时，作为主开关来接通和断开主电路，在故障发生时它又作为保护装置对主电路的短路、过载以及欠压等故障进行保护，自动断开主电路;另外，当两台以上发电机并联运动时，有可能因某种原因造成同步发电机不但不发出有功功率，而且还从电网吸收有功功率(即出现逆功率)，使电网上其他未处于逆功率状态工作的发电机输出的有功功率增加，可能造成发电机因过载运行而跳闸，故还应设置逆功率继电保护装置，通过“主开关”的脱扣装置将处于逆功率运动的发电机从电网上切除。尽管引发“主开关跳闸”的直接原因无外乎过载、短路、欠压或逆功四种，但造成过载、短路、欠压或逆功的原因却很多，现对几种典型的故障分析如下:3.1 逆功率继电保护装置故障故障现象：一艘处于较佳运动状态的船舶，在某次航行中，该的2#发电机组在与3#发电机组并联运动时突然发生跳闸，警报显示为逆功率故障，船上值班人员及主要负责人员立即对2#发电机组进行了全面系统的检查，发现2#发电机组的原动机运动良好，且2#发电机组空载可运行，空载运行时各仪表显示也完全正常，在对其它与之有关的电气系统进行检查时也未发现问题。复位后，重新起动、并车，逆功率继电器仍然动作，使主开关跳闸。原因分析及处理：逆功率继电器工作原理当如图5所示，发电机逆功率时，接通两个静触头，输出使发电机跳闸的信号。逆功率继电保护装置动作并通过空气断路器的失压脱扣器使发电机跳闸，逆功率继电保护装置动作原因无外乎两种，其一，并联运动时的发电机的原动机工作失常，致使该发电机不但不能发出有功功率，反而要从系统吸收有功功率，即变为同步电动机运行；其二，电气元件本身的故障或失效，使逆功率继电保护装置发生误动作。图5 GG-21型逆功率继电器外部原理接线图 图6直流侧晶问管分流可控相复励恒压装置根据故障现象，首先对2#发电机组的原动机的运动情况进行了检查，无异常现象，可排除发电机的原动机工作失常。对2#发电机组进行空载运动实验时，各仪表显示也完全正常，可初步断定发电机的励磁、起压、调频、调压系统正常。对并车系统的各个环节及相关元件进行检查也未发现异常。可断定为逆功率继电保护装置的误动作，为进一步判明原因找出故障点，对2#发电机逆功率继电保护装置中的旋转铝盘采用强制手段，使其不能旋转后，再起动2#发电机组进行并车试验，结果除功率表显示为负功率外，运行完全正常，说明是当输出有功功率时，发电机有功电流没有超前电压线圈中电流900，而是电压线圈电流超前电流线圈中有功电流90。这种情况只有逆功率继电器的接线错误时才会出现，即没有按IA、UAC、IH、UHA；IC、UCB。，规律接线(300接线法)，但2#发电机组是在与3#发电机组并联运行时突然发生跳闸的，不存在接线错误的问题，由此可得出结论:2#发电机逆功率继电保护装置的外部接线处有故障。经查发现是与B相联的接头接触不良造成，在对接头进行清洁、重接后试车，故障消失。3.2发电机欠压故障由于某种原因使发电机的电压降低时，将导致负载不能正常工作，使电动机过流甚至发生堵转，这对发电机和电动机都是不利的。因此，欠压保护就是在电网电压低时，保证发电机从电网上自动断开或合不上闸，以实现对发电机和电动机的保护。故障现象：某船，在靠港卸货作业时，电站系统由1#和3#发电机并车运行时，突然发生跳电，报警装置显示为发电机欠压故障，当值人员及主要负责人员首先立即起动2#发电机组对船舶进行恢复供电，然后对1#和3#发电机进行了全面系统的检查，确定了是由于3#发电机组空载电压过低引起。原因分析及处理：发电机组空载电压偏低的原因，在正常情况下无外乎励磁系统的故障。该船电站系统中，同步发电机的励磁系统采用的是直流侧晶闸管分流可控相复励恒压装置，工作原理如图6所示。该励磁系统主要包括两大部分:相复励恒压装置和可控硅直流分流的电压校正器。所谓可控相复励自励恒压励磁系统，就是在按If进行不可控相复励调压的基础上，又加上了一个按Uf进行调压的电压校正器。所谓可控，就是指有电压偏差的校正。在此，相复励装置的主要作用是:实现自励起压，主要负责动态电压调整。电压校正器的作用，主要是负责静态电压调整，进一步提高电压调整精度。相复励恒压装置的励磁电流是空载分量和复励分量叠加的结果，空载电压偏低可以通过调节移相电抗器的气隙或匝数或调节电压绕组的匝数，使励磁电流增加，电压升高。但经过调节之后，并没有解决问题，故障依然存在，经对励磁系统的各环节进一步检查发现，是整流二极管故障所致，更换后故障消失。3.3 自动调频调载装置故障船舶同步发电机并联运行时，由于各发电机组的调速特性均为有差特性(能随电网负荷的变化自动的、稳定的分配有功功率，使机组能稳定的并联运行)，当负荷变化时，虽然有调速器，但电网电压的频率仍会发生变化，而且由于两机组的调速特性不可能做到完全一致，两相组的功率分配也不均匀。因此要维持频率恒定和有功功率分配均匀，必须进行二次调节。即采用自动调频调载装置，它的基本功能，应当能自动维持电力系统的频率为额定值;按参与并联运行各机组的容量以既定的比例或其他的既定方式自动控制负荷分配；接收“解列”指令时，能自动控制负荷转移。故障现象：某船，共有三台发电机，其中1#发电机组由于主轴故障进行了大修，在大修完成后，进行试车的过程中出现了问题。现象是:进行空载试验时，一切正常。然后进行负载试验，把户发电机组与正在运行的3#发电机组进行并联，在自动调频调载装置自动进行负载转移的时候，发现电网频率出现较大的波动，不能稳定工作，而且功率表显示1#发电机组的功率变化迟缓，随后用2#发电机组与正在运行的3#发电机组进行并联运行，则完全正常。原因分析及处理：自动调频调载装置是利用频率变换器和有功功率变换器把电网的频率和各机组承担的有功功率变换为电压信号，送人运算环节进行运算，根据运算结果发出信号给调整器，由执行元件(调速马达)对原动机的油门进行自动调节，从而保持电网频率恒定和各机组有功功率分配均匀。根据故障现象:1#发电机组与3#发电机组并联时电网频率的波动较大不能稳定工作，但2#发电机组与3#发电机组并联运行时一切正常，则可初步认为自动调频调载装置的共用部分是完全正常的，导致上述现象的可能原因:1#发电机组原动机大修之后仍然存在问题:1#发电机组有功功率检测环节可能有故障;1#发电机组自动调频调载装置的执行元件(调速马达)有故障。对调速马达拆下检查完全正常，1#发电机组原动机的各项运行指标也完全正常。再对1#发电机组作运行试验发现，即使用“手动”调节1#发电机组原动机的增减速时也时常出现调节不灵的情况，这说明可能有两种情况:调速器本身有故障;调速马达的控制绕组输人的控制电压有问题即线路可能有虚接，把控制绕组的输人线路更换后故障消除。而线路出现虚接的原因极有可能是在对1#发电机组的主轴故障进行大修时，调速马达的控制绕组输人线路受到损伤。4 船舶电站系统的日常维护与管理4.1船舶电站运行中的监视与管理1）观察配电盘上仪表读数，如电压，频率、电流、功率等读数并作记录； 2）根据工况进行发电机的并联运行或解列。使电站合理、经济运行； 3）观察并联发电机功率分配是否合理。如果不合理，应用手动调节，使之合理分配。交流发电机各相电流不得相差15%，且每相电流不应超过额定值。当发电机超负荷时，若无分级卸载装置，可卸去一部分次要负载，如空调、风机等设备，以保证发电设备和航行安全； 4）检查主，应急配电盘上的主开关，继电接触器的通断状态是否在正确位置上。重要负载开关应有明显的标志，以免引起误操作； 5）检查运行中的发电机其调压装置是否有不正常的振动和声响，若有异常，应查明原因，排除故障； 6）检查发电机温度及轴承温度是否正常。发电机的温升不应超过其绝缘等级允许的温升。轴承最高工作温度：滚动轴承一般不超过80，滑动轴承不超过70。 7）观察滑环或直流发电机换向器情况，正常工作时，不得出现有害的火花； 8）对故障待修或正在检修的电气设备，在主配电板上断开电源时，必须在其相应的开关上悬挂告示牌，以免造成触电事故或设备损坏； 9）配电板上同步表，兆欧表均按短期工作设计，因此并车或测量完毕后，应将转换开关打到零位； 10）经常注意配电板上兆欧表或地气灯所显示的船舶电网绝缘情况是否良好，如有，绝缘不良应及时检查、排除。整个配电板绝缘检查，每日至少一次，并记入电气工作日志。4.2船舶电站停止运行后的管理 1）电站在将要长期停止运行或者发电机，配电板将进行厂修前均应测量绝缘电阻，并做好记录，以备查考； 2）配电板上所有开关，电阻器及仪表均应处于切断状态。有门锁的配电板应锁好；3）直流船舶如果需要接交流岸电时，应将动力设备、航行灯，各直流线圈的负载线路切断，并悬挂告示牌，此时仅能对照明线路供电。必须使用直流电源的设备，需经整流装置供电，但不宜采用半波整流装置； 4）交流船舶接岸电时，应当查明电压及频率是否与本船电网电压及频率一致，并检测确定相序一致时，才能接通岸电， 5）接受其它船舶供电时，应注意供电船舶的电制和负荷情况。在电制，电压，频率和相序一致，而且电站容量允许的情况下，才能由其它船舶供电； 6）配电板停用期间，对有加热驱潮电阻装置者，应通电加热