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【本期聚焦·港口电气】海南港口新型柴油电站系统集成

海南港口新型柴油电站系统集成 

翟永革

摘要:  为解决普通柴油发电机的缺陷,自主研发新型中速柴油电站,并进行系统集成。经过系统集成后的新型电站能满足海南港口高温、高湿、高盐雾、强紫外线环境下长期运行的要求,电站工作可靠、性能稳定。

关键词:  港口;柴油电站;系统集成;供电工艺

0 引 言

某些港口电站需要在海南高温、高湿、高盐雾、强紫外线环境中连续不间断地高负荷工作,因此对电站的可靠性、稳定性、经济性、安全性、使用寿命、自动化水平等都有非常高的要求。目前,海南港口电站主要以高速柴油发电机组和中低速柴油发电机组为主,但存在以下问题:高速柴油发电机组存在油耗高、使用寿命短、维护保养成本高、环境适应能力差等缺点,一般用作应急供电,不适用于长期连续供电场合;中低速柴油发电机组存在技术落后、油耗高、可靠性差、污染严重、噪声大、自动化程度低等缺点,一般用于船舶供电。

为解决海南特定区域电站存在的问题,中交一航局安装工程有限公司(以下简称“公司”)作为系统集成商,研制开发满足海南特定使用要求的新型柴油电站。

(1)选用先进的中速船用柴油机作为动力,配套先进的水冷船用发电机,从根本上解决目前港口电站存在的技术落后、可靠性差等问题。

(2)采用海水冷却方式,改变传统的淡水冷却方式,节约宝贵的淡水资源。

(3)采用先进的黑烟净化技术,净化效率可达90%以上,有效降低电站废气排放,保护环境。

(4)采用先进的降噪技术,机旁1 m内噪声控制在85 dB内,机房外噪声控制在55 dB内,有效避免噪声对操作人员的损伤,同时也改善电站周围的环境。

(5)采用最先进的数字控制技术,对电站系统的主机和配套辅机、配电设备、机房设备等进行智能化、数字化、系统化控制,从而有效地保障电站系统安全可靠运行。

(6)采用“三防”设计和“三防”措施,满足项目现场的使用要求。

1 项目情况

项目电站设计容量为12 000 kW,选用12套1 000 kW柴油发电机组,共2座中心电站,每站6套机组。每个电站配备柴油供油单元、海水换热装置、滑油分离器、空气进气滤清器、黑烟净化装置、黑启动设备等辅助机械,为港区提供电力保障。中心电站平面图见图1。

图1  中心电站平面图

1.1 主 机

1.1.1 发动机

本项目选用具有国际先进水平的德国MAN公司的6L21/31型中速柴油机,转速为1 000 r/min,功率为1 290 kW。该发动机具有以下优点:

(1)发动机采用模块化和无管道设计,零部件数量较其他同类发动机少40%以上,质量减轻30%以上。因此,该发动机具有结构紧凑、质量轻等优点,满足特定区域电站运输和安装的特殊要求。

(2)由于发动机零部件数量大幅减少,使零部件的可靠性和使用寿命大幅提高,这样就减少发动机的日常维护保养工作量,检修周期也延长到10 000~20 000 h。在正常维护保养下,发动机的使用寿命达30 a。

(3)由于发动机S/D的提高,在保证燃烧室足够高度的前提下,发动机的压缩比也增加到16以上,使燃油消耗率下降,热效率一般可达到45%~46%。此外,由于中速机活塞顶部的尺寸通常小于气缸内径,用火焰环可以刮掉活塞顶端的积炭,这样可以优化活塞环的工作条件,降低滑油的消耗率。

1.1.2 发电机选型

本项目选用具有国际先进水平的利莱森玛LSA53L75/6P型发电机,转速为1 000 r/min,功率为1 000 kW。该发电机具有以下优点:

(1)发电机定子绕组和转子绕组均经过特殊浸漆工艺处理,可以达到H级绝缘,从而大幅提高发电机运行的可靠性。

(2)采用水冷结构,绝缘等级达到IP44,从根本上杜绝“三高(高温、高湿、高盐雾)”空气对发电机绕组的侵蚀和腐蚀,从而提高发电机对环境的适应能力。

(3)发电机效率可达96%以上,电站发电效率高。

1.2 海水冷却方式

通常高速机组的冷却方式为风扇水箱冷却,存在冷却效率低、故障率高、可靠性差等缺点。传统的中低速机组采用开式淡水冷却,同样存在淡水消耗大、冷却装置占地大等缺点。由于港口电站附近海水资源丰富,可以利用海水作为电站的冷却介质,海水冷却方式具有冷却效率高、结构简单可靠、占地面积小、经济环保等优点。

1.2.1 系统描述

(1)柴油机冷却水冷却器单元的板式换热器板片材质为钛板,淡水出冷却器温度为36 ℃, 1套/机,共12套。

(2)发电机冷却水冷却器单元为1套/机,共12套。每套单元包括材质为钛板的发电机冷却水冷却器,淡水出冷却器温度为36 ℃。压力为2~4 bar的发电机冷却水循环泵为1套/机,包括管道阀件和底座等部件。

1.2.2 控制系统

控制系统主要包括触摸屏、PLC系统、深海输入模块DSE2131、深海输出模块DSE2157等元器件。自吸式海水取水泵分为2组,每组2台。

1.3 组合净化

柴油机运行过程中产生的烟气如没有得到净化而直接排放会对周围环境造成污染。为消除烟气污染,须增加黑烟净化装置,对发电机组排烟进行治理。在深入了解新型电站使用环境、安装条件、工作状态等相关情况后,采用废气净化+黑烟净化+三级水雾喷淋的组合净化方式,确保发电机组黑烟净化率达到90%以上,从而消除发电机组烟气排放对环境的污染,且不会影响发电机组的正常运行。

1.3.1 废气净化装置

柴油引擎废气净化器采用直通式的金属载体,表面涂敷贵金属触媒铂金(Pt)和钯金(Pd)。当有害气体CO、碳氢化合物与触媒接触时,在一定温度下,就被转化成无害的CO2和水蒸气。同时,触媒把废气中的NO 转化成NO2。NO2具有极强的氧化性,利用发动机废气的余热,在很高的温度(210 ℃)下可以把被过滤下来的黑烟颗粒自动地“二次燃烧掉”。[1]

1.3.2 黑烟净化装置

柴油引擎黑烟触媒过滤器使用的是“壁流”式DPF 过滤器。该过滤器的孔道一端开口,另一端堵塞,过滤器的微孔孔径为8~13 μm。当柴油引擎的废气和黑烟颗粒流经过滤器时,废气分子可以直接通过,而黑烟颗粒都被过滤下来,过滤效果一般为95%~99.9%。黑烟颗粒如果不能及时被“二次燃烧掉”,过滤器芯子有可能在很短时间内就被堵塞,发动机也将不能正常工作。为此,在过滤器内涂敷贵金属Pt和Pd。该贵金属是很好的催化剂,利用发动机废气的余热,可以使黑烟颗粒自动地“二次燃烧掉”。

1.3.3 三级喷淋净化装置

湿式净化装置具备降温、除尘、除烟等功能。主要工作原理:从柴油机排出的废气先经过废气净化装置和黑烟净化装置过滤,再进行喷淋净化。喷淋净化装置由3级喷头组成,第1级、第2级、第3级喷头分别位于过滤球阻隔棉和活性炭之间,可有效阻隔、过滤黑烟和炭。喷淋所用喷淋水直接采用发动机冷却用水,通过喷淋后去除烟气中的烟尘和有害气体。过滤装置由三级过滤器组成,顶部用颗粒状活性炭吸附有害气体。通过水喷淋能有效降低排气温度,使排气温度从500 ℃降低到90 ℃以下。

1.4 降噪措施

1.4.1 噪声控制技术

根据噪声的传播途径,可采取吸声、隔声、隔振和阻尼等控制技术。噪声控制技术不仅可以解决发电机组噪声污染问题,而且可改善机组室过热问题,但不影响发电机本身的正常输出功率和例行维修。

1.4.2 发电机组烟道消声和排烟处理

发电机组排气噪声在治理前高达100 dB,排气部位噪声穿透力强、传播距离远,是危害最大的主要声源。因此,采用复合型消声器进行消声,将噪声控制在允许范围内,并通过设置在机房的排烟管井将烟排出。

1.4.3 进风、排风的消音和吸音

机组室的进风采用自然进风,进风口在机组室后部及两侧。为消除进风噪声,将进风通道设置成迷宫式进风通道,并在进风通道表面敷设高效吸音材料。

机组室的排风噪声通过设置排风消声器来消除。排风消声器安装在机组的前部,即发动机水箱前面。此消声器为全钢架结构,内充高效吸音材料,夹双层玻璃布,外包钢板网护面,使用角钢定位,排风阻力小,且不影响通风散热。

机组通过侧面进风,前端排风,并在进风口、排风口安装高效消音箱,有效消除噪声对周边环境的影响。

1.4.4 隔音式静音箱

为了有效隔断发电机组工作时产生的噪声,将静音箱设计成封闭式结构。在静音箱内壁安装1层环保高效的隔声、吸声材料,外层敷设金属孔板,能有效地阻隔、吸收发电机组工作时的噪声。整个机组安装在静音外罩内,整个外罩采用防雨、防音设计,进风、出风采用消声处理设计,进风口全部采用百叶窗形式,尽可能减小噪声。

1.5 黑启动设备

当全网停电时,黑启动机组启动,对柴油发电机淡水冷却板换系统、机组预润滑系统、滑油分离机系统、风机系统、盘车马达系统、空压机系统、柴油供应单元系统、箱内照明系统、海水泵系统、远程监控系统等进行控制和供电,保证主供电机组顺利启动,从而恢复全网供电。

(1)空压机系统。机组启动前对空压机系统进行控制和供电,就地/远程开启空压机,向压力罐内供气,达到机组可以启动的压力。控制系统对空压机运行故障进行监控,保证压力罐满足机组启动要求。

(2)预供油系统。机组准备启动时开启预供油系统,对发动机进行预润滑。控制系统对预供油系统进行控制和供电。

(3)盘车马达系统。机组长时间不运行时需要对机组进行盘车,排除发动机内部存在的故障问题。控制系统对盘车系统进行监控和供电。

(4)滑油分离系统。滑油分离系统主要包括分离机、加热器、排渣泵等。当机组启动运行时,现场开启滑油分离机:分离机系统分离滑油中的水和其他异物,保证滑油质量,以免对发动机造成损害;排渣泵排出从滑油中分离出来的异物。控制系统监控分离机、排渣泵的运行和故障情况。

(5)柴油供给系统。柴油供给系统主要包括供油泵、板冷系统、排渣系统等。机组启动前预先启动柴油供给单元,供应整个油路。控制系统监控供油系统2台供油泵、排渣泵的运行和故障情况,并根据机组运行的数量来确定泵的数量。

(6)风机系统。风机系统主要包括外罩排风风机、烟道抽风风机等。每台机组对应2套风机,机组启动运行后发出开关量指令,启动风机。控制系统监控风机的运行和故障情况。当机组停止运行时,风机也停止运行。

(7)淡水冷却系统。淡水冷却系统主要包括水泵和板换冷却器等,水泵带动冷却水循环,以冷却发电机。控制系统监控淡水冷却系统的运行和故障情况。

1.6 柴油供油模块

1.6.1 概 述

按照港口特定工况,设计柴油供油模块。主机油耗需求为203 g/(kW·h),供油压力≥5 bar,油中颗粒度不超过10 μm,1个供油模块可同时为3台主机服务。所需柴油为0号柴油,冷却方式为海水冷却,排污方式采用自动预警式自动排污滤器,要求过滤器的有效过滤精度为10 μm,排污油料排出方式为由液位控制器控制气动泵的开启和关闭。

1.6.2 主要结构

供油模块主要部件安装在机架上,由完整的管系、阀件、电缆、其他附件和控制系统等共同组成。控制系统和所有的电机启停开关设置在模块中心,具有自维护或变更为手动操作等功能。柴油供油模块原理图见图2。

图2  柴油供油模块原理图

1.7 滑油分离器装置

1.7.1 概 述

(1)滑油分离机单元为1套/ 机,共12套。每套滑油分离机单元主要包括滑油粗滤器、滑油供给泵、螺杆泵、电加热器、滑油分离机、控制单元、渣箱(液位开关与气动泵联动)、管道阀件和底座等部件。

(2)DN80的油气分离装置为1套/机,共12套。

1.7.2 功能描述

分离机SAE40滑油处理量约为700 L/h,模块由独立电气控制箱控制,可自动处理滑油,排渣方式为全液压排渣,可有效处理滑油中的水分和机械杂质,满足主机滑油的运行要求。模块内集成滑油泵入、温度控制、分离、滑油泵出、渣质泵出等功能。电气控制箱采用独立运行方式,并提供1个无源综合报警常闭触点,可将信号传至集控室。现场配有急停按钮,模块现场启动完毕后可实现自动操作。

1.8 空气进气滤清器

由于现场空气中盐雾、硫化物、颗粒物含量偏高,空气进入机器会加重机器磨损,导致机器内部出现腐蚀,从而影响机器性能,缩短机器使用寿命。因此,增加燃烧空气处理装置,可充分过滤空气中的有害物质,确保进入气缸的空气质量,从而达到减少磨损、延长机器使用寿命的目的。

1.9 电站管理系统

每个中心电站有6套柴油发电机组,且采用独立的机房设计。为便于对整个柴油电站系统进行控制和管理,根据以往类似项目经验,采用独立控制柜对6套机组进行集中控制。电站辅机控制系统示意图见图3。

图3  电站辅机控制系统图

集中控制管理柜能对空压机、滑油分离机、柴油供油模块、黑启动机组等进行监控。琴台式控制柜由3个单独的柜体组成,在左边柜体安装6台DSE8810控制器,在中间柜体安装DSE8004集中控制触摸屏,可实时检测所有发电机组的状态。

1.9.1DSE8810控制器

DSE8810控制器的自启动负载分配并机模块:可用于控制电喷或非电喷燃气发动机,提供先进的发动机监控和保护功能;可实现智能负载分配控制,具有功能先进、简单易用等特点。模块的智能分配负载功能通过模块内部的同步指示器和负载分配器自动实现。模块输出灵活,可直接连接常用的调速器和调压器模块,最多支持32台发电机组与32路市电并联。

1.9.1.1 基本功能

DES8810控制器:具有手动操作、自动操作功能;具有控制器、负载分配器和同步器的功能,做到智能化、人性化并机,系统操作简单;支持电喷、非电喷、燃气发动机,可显示发动机参数、发电机参数、机组功率和母排参数,并且显示内容可编辑;具有削峰调节的功能;具有发动机、发电机监控和保护功能,可显示发动机转速、发动机油压、发动机水温、蓄电池电压、发电机电压、发电机电流、发动机频率等;RS232、RS485、程序设置端口、网络端口和U盘端口可同时使用,并且通过DSE8004集中控制触摸屏可实现远程监控,最多支持32台机组并机;可实现报警分级(预报警、电气跳闸和停机);可手动控制燃油泵、发动机转速;可进行保养运行,有预设保养周期的功能。

1.9.1.2 负载分配特性

负载分配特性:可实现不间断切换、峰值下移/削峰调节、顺序启动多台机组;根据负载需求,可实现自动启动/停止机组、自动平衡运行时间、无电母排检测、直连调速器和调节调压板等功能;可实现有功和无功功率共享、自动识别模块ID号等功能。

1.9.1.3 电站保护功能

机组控制柜有过载、短路和逆功率保护装置,可实现过载、短路和逆功率保护。此外,发电机具有差动保护功能,配备绕组、轴承温度检测装置、报警保护装置等。

1.9.2DSE8004集中控制触摸屏

DSE8004集中控制触摸屏可以连接DSE8810控制器,用于远程监控,最多可同时监控20台机组。

电站管理系统示意图见图4。

图4  电站管理系统示意图

2 “三防”设计及其工艺措施

2.1 “三防”设计

2.1.1 防潮湿设计

(1)采用喷涂、浸渍、灌封等工艺对重要电气元器件进行防水处理。

(2)采用吸湿性较低的电子元器件和结构材料。

(3)对于局部防潮要求高的器件,采用密封结构。

(4)改善电气设备使用环境,例如安装加热、去湿装置等。

(5)对电子线路板表面浸涂丙稀酸膜层保护剂或硅酮树脂膜层保护剂,避免潮气的侵入。

2.1.2 防霉设计

(1)控制环境条件,例如采用防潮、通风、降温等措施来抑制霉菌生长。

(2)采用抗霉材料,例如采用无机矿物材料,使霉菌不易生长。

(3)采用防霉包装,例如对于内装物,放些干燥剂等进行防潮,降低包装容器内的相对湿度,并对包装材料进行防霉处理等。

2.1.3 防盐雾设计

(1)箱体采用热镀锌板进行制作,并涂防腐油漆。开关柜壳体采用316L不锈钢板进行制作,缝口、门窗处用密封条嵌压。

(2)电气机柜绝缘等级达到IP44以上,电气器件采用船用标准件。

2.1.4 采用防盐雾能力强的材料和工艺

(1)紧固件和其他配件采用不锈钢材质。导电端子搭接处、接触面涂敷导电膏。

(2)关键的金属结构件全部采用316L不锈钢板,以增强防盐雾腐蚀能力。

(3)管道涂覆SEBF 进行防腐。

2.2 “三防”工艺措施

2.2.1 发电机的“三防”工艺措施

(1)增加空气盐雾过滤器,防护等级达到IP44以上,能够充分过滤空气中的盐雾、水分和其他腐蚀性杂质等,确保发电机绕组绝缘不被破坏。

(2)发电机绕组采用真空浸漆,以提高绝缘性能。采用船用型发电机,并配置防冷凝加热装置。

2.2.2 控制设备的“三防”工艺措施

(1)柜体选用316L不锈钢板,厚度在2.5 mm以上。

(2)控制柜安装在电气室内,电气室内安装通风、除湿装置。

(3)柜体内安装防潮加热器,防止凝露。

(4)控制模块、显示屏、开关等主要元件均选用“三防”产品,其他元件选用湿热带型电气元件。

(5)接线端子和绝缘子均选用温热带型和防污型。一次接线端子镀锡,铜排喷涂聚氨酯磁漆后套绝缘套管。二次接线端子镀锌,所有裸露、带电金属部件均用中性凡士林封涂。

3 结 语

经过系统集成的新型电站能满足海南港口高温、高湿、高盐雾、强紫外线环境下长期运行的要求。新型电站工作稳定、性能可靠,主要达到以下效果:

(1)采用最先进的发动机和发电机,电站的可靠性显著提高。

(2)采用废气净化+黑烟净化+三级水雾喷淋的组合净化方式,确保发电机组黑烟净化率达到90%以上。

(3)采用自主研发的可拆卸式静音箱等降噪技术,实现机旁1 m内噪声控制在85 dB内,机房外噪声控制在55 dB内。

(4)实现电站系统主机和配套辅机、配电设备、机房设备等的智能化、数字化、系统化控制,从而有效保障电站系统的运行。

(5)采用“三防”设计和“三防”工艺措施,从而满足项目现场的使用要求。

参考文献

[1]  陈云华,郭青松.作业机废气减排技术研究[J].油气田环境保护,2012(1):34-35.