项目八 船舶电站运行自动化任务8.1 船舶电站自动化系统要求 任务8.2 船舶电站自动化系统的自动化操作 任务8.3 某轮船电站的自动控制系
统的操纵程序 任务8.4 船舶电站、柴油发电机组启动与停止 任务8.5 自动电站的总体控制系统及其功能任务8.1 船舶电站自动化系
统要求 船舶电站自动化的主要任务是保证供电的安全可靠和改善劳动条件，同时也能提高运行的经济性。具体要求已在各国的船舶建造规范中反
映出来。现归纳如下：（1） 船舶发电站的备用发电机组应能随时迅速（不超过45 s）自动启动并自动投入电网供电（有两台机并联工作时，
应能自动同步投入）。（2） 各发电机的自动开关应能防止短路时的重复合闸。（3） 当电网电压频率持续变低及负荷持续超过预定的最大值时
，或运行机组发生故障时，应在集控室的主辅机控制台发出警报，并发出启动指令，使备用发电机组迅速自动启动，并自动投入电网供电。（4）
当船舶电站过载时，应能自动卸除次要负载。（5） 能自动启动的多台发电机组应装有程序启动系统或人工选择开关，程序启动系统在某机组启动
失灵或不能合闸时，应能自动将启动指令转移到另一机组。下一页返回任务8.1 船舶电站自动化系统要求 （6） 船舶电站的自动控制或遥
控失灵时，应能进行手动控制或就地控制（机旁）。（7） 瞬态条件所反应的信号（如电动机的自启动电流）不应使发电机组产生不必要的自动启
动。（8） 当故障断电后又恢复供电时，各电动机负载应能按程序启动，以免产生过大的冲击电流而使主开关跳闸。（9） 废气透平发电机系统
应能控制加热器循环水，使主机功率变化时仍能保证正常供电。（10）控制台应能启动和停止发电机组，接通或切断跨接汇流排，控制两路独立供
电电源的转换，并有测量及显示机组运行情况的仪表和报警设备。上一页返回任务8.2 船舶电站自动化系统的自动化操作 船舶自动化电站一般
能实现下列自动化操作：（1） 自动启动任意一台发电机组。当柴油发电机处于停车状态时，而且发电机主开关也没有合闸，如有令发电机启动的
信号时，该机就能实现自动启动。（2） 自动准同步并车。若电网上有机组供电，则机组自动启动成功后，即由自动准同步装置与自动调频调载装
置配合工作，将新启动机组自动投入电网，并联运行。（3） 自动恒频及有功功率自动分配。当两台机组并联运行时，自动调频调载装置与原动机
调速器配合，使电网维持恒定频率，偏差不大于±0.25 Hz，并使两台机承担的有功功率按机组容量成比例分配。（4） 欲使一台机解列时
，自动装置应将其负载自动转移至运行发电机后，才接收跳闸指令，实现自动解列。下一页返回任务8.2 船舶电站自动化系统的自动化操作 （
5） 自动恒压及无功功率自动分配。无论单机还是并联运行，自动调整励磁装置总能保持电网电压维持恒压，误差不大于e ±2.5%U 。同
时能调整并联运行发电机的无功分配，使之合理分担。（6） 有自动分级卸载装置及按程序顺序启动装置。当电网负载超过额定负载时，可分为一
次或二次卸掉次要负载。当电网失电后又恢复供电时，有使重要负载按顺序启动的自动装置。（7） 集控室中设有监视仪表、信号指示灯、报警设
备和人工控制按钮、转换开关等。在船舶自动化电站中有很多自动化测量装置，它依靠各种传感器能对电站系统中大量参数进行测量，如电压、电流
、功率、温度、压力、转速等，有些能连续而自动地进行巡回测量、数字显示、监视、报警和记录。同时还可以输出信息，通过相应的自控设备去控
制有关机器的运行。具体对柴油发电机组，记录和报警内容如表8.1 所示。上一页返回任务8.3 某轮船电站的自动控制系统的操纵程序 该
轮船是我国自动化程度较高的集装箱货轮，其电站自动化系统由电磁元件及半导体元件混合组成，功能比较完善。该轮船电站有三台600 kV·
A 的同容量柴油发电机组，正常航行时，用一台机组即可满足全船供电。各台柴油机（包括主机）的冷却水系统连通，利用运行机组的余热预热备
用机组，还装设了实现周期性预润滑的电动润滑油泵及自动控制装置。备用机组的启动，有“机旁”“半自动”（遥控）和“自动”三种方式。当备
用机组置于“自动”时，只要电网一停电，就形成启动指令。柴油机用压缩空气启动，可以实现“三次启动”。成功后，若电网无电，能直接自动合
闸；停机的控制是由电磁铁切断燃油供给而实现的，控制系统具有“模拟试验”的功能。图8.1 所示为该轮船电站自动操纵时的程序方框图。下
一页返回任务8.3 某轮船电站的自动控制系统的操纵程序 三台机组中，1 号机为运行机，2 号和3 号机分别为第一和第二备用机组。由
图8.1 可知，对运行机的故障，分为电气故障和机械故障两类。电气故障包括过流、逆功、欠压和短路；机械故障有润滑油压力低和柴油机超速
。当发生电气故障时，发电机主开关将跳闸，考虑到电气故障有可能是瞬时性的，故控制系统有一次重合闸的功能；若是机械故障或一次重合闸不成
功，则形成停机指令，并给出报警和记录。不论何种故障，只要是电网失电，备用机组立即接收启动指令。第一备用机组启动成功后，若电网无电，
则可直接自动合闸。若因运行机重合闸成功，则因电网已有电，备用机组将因为不能在限定的时间内自动合闸，只好自动停机；反之，若第一备用机
组先合闸成功，则运行机不能再合闸，也将在规定时限内自动停机。若电网断电，第一备用机组未准备好或其启动失败或合闸失败，则将启动第二备
用机组。至于三台机组中，哪一台作为运行机组，可以用转换开关进行选择。第一备用和第二备用则将按机舱中机组的固定编号顺序依次而定。上一
页返回任务8.4 船舶电站、柴油发电机组启动与停止 1. 船舶柴油发电机启动事项船舶发电机大多由柴油机拖动，船舶发电机的自动启、停
主要牵涉柴油机的启、停。船舶发电机用的柴油机一般有电动启动和压缩空气启动两种方式。电动启动一般用于应急电站、发电机的原动机，由蓄电
池供电给直流伺服电动机，带动柴油机转动直到启动完毕。主发电机组一般采用压缩空气启动，压缩空气启动控制阀到达柴油机，再由柴油机的空气
分配器按各气缸发火的顺序，依次将压缩空气引入各气缸，推动活塞，使机器转动。一旦由进入气缸的压缩空气产生高温，自行发火运转后，立即切
断气源，柴油机即自行运转。从柴油机开始启动直到在额定转速下工作需注意以下几个问题：下一页返回任务8.4 船舶电站、柴油发电机组启动
与停止 （1）启动前的预润滑。柴油机都具有润滑油循环系统，包括由自己的动力带动的润滑油泵、管路、过滤器和冷却器等。在运行时，能自行
建立一定的润滑油压力，保证自身的润滑油循环，使各主要润滑部位都有良好的润滑；停机后，润滑油系统也停止工作。因此，经较长时间停机后，
应有启动前的预润滑程序，确保在启动时，各相互接触的运动部位有必要的润滑油，避免发生干摩擦。预润滑的方式有两种：① 周期性自动预润滑
，在柴油机润滑油泵之外，另设一电动油泵，作为柴油机润滑油循环系统的另一个动力源，该电动油泵应能实现自动控制，当柴油机停机后，就开始
工作，保证每隔一定时间（如4 h）接通电源泵油工作一段时间（如10 min），周期性实现预润滑，以待随时启动。当柴油机投入运行，自
动预润滑油泵的控制电源立即断开，由柴油机自行润滑。上一页下一页返回任务8.4 船舶电站、柴油发电机组启动与停止 ② 一次性注入式预
润滑。在柴油机润滑系统中，接入一个柱塞式润滑油泵，其中储满润滑油，当机器接到启动指令时，压缩空气先作用到柱塞式油泵，推动活塞，将其
中所储润滑油通过管系，注入机器需要润滑的各部位，然后才开始启动。（2）启动时燃油控制。柴油机的喷油量是由调速器和控制手柄控制。启动
时，调速器尚未正常工作，这时的燃油量可用手柄来限制。上一页下一页返回任务8.4 船舶电站、柴油发电机组启动与停止 （3）暖机。当启
动成功后，柴油机将运行在略高于最低稳定转速上，称为点火转速，以后再予以升速，一般为减少热应力，让机器先在中速下运行一段时间，这就是
暖机（或称为暖缸）。暖机所需时间依机型和辅机冷却系统的设计而不同。在自动电站中，通常是将各台柴油机的冷却淡水管系连成一个整体，运行
机组的冷却水（约65 ℃）也循环于备用机的冷却系统中，使备用机组处于预热状况。当备用机组启动成功后，可以较快地加速（甚至无须暖缸）
，直到额定转速运行。此对于增强自动电站功能，保证供电连续性、可靠性是有帮助的。柴油机的停机，只需控制切断燃油供给，机器即自行停机。
但也需注意不同形式机器可能有不同的要求，突然停机也许是某些机器的性能不能接受的，它要求在中速下先运行一段时间，待温度逐渐降低，然后
才允许断油停机。上一页下一页返回任务8.4 船舶电站、柴油发电机组启动与停止 2. 柴油发电机组的自动启、停功能及程序柴油发电机组
自动启、停机的控制应包括以下功能：（1）应有“自动”“机旁”“遥控”操作方式的转换，并能满足“机旁”优先于“遥控”，“遥控”优先于
“自动”。“自动”是指柴油机的操作方式转换开关置于此位置时，柴油发电机自动控制系统投入工作，按既定的程序，自动启动、停止机组。“遥
控”是指在驾驶台或集控室用按钮对柴油机实行启、停控制。“机旁”是指在柴油机旁进行常规的手动启、停机组。优先是指转换开关置于“自动”
时，也能做“遥控”或“机旁”操作；置“遥控”时，也可实现“机旁”操作，但不能有“自动”的功能；置“机旁”时，“自动”及“遥控”功能
均被取消。上一页下一页返回任务8.4 船舶电站、柴油发电机组启动与停止 （2）对自动启动的各种准备工作设置逻辑判断和监视。例如，需
确认机组已检修完毕，转换开关已置于“自动”位置，有预润滑、预热，有足够的启动动力，本机是处于静止状态等，才能自动启动。（3）接收启
动指令时，按应有的程序自动启动。（4）一个“启动”指令，可以允许试行三次启动，若三次失败应发出警报信号，并向总体逻辑控制单元汇报“
启动失败”，以便由“总体”判断采取其他措施。（5）适当控制启动时的给油量。（6）柴油机自行发火后，应切断启动动力源。（7）“中速运
行”和“加速”控制。若柴油机需要有“暖缸运行”的程序时，应将油门控制于“暖缸转速”下进行暖缸，并给予一定的“暖缸时间”控制，待时限
到达后，再予以加速，直到接近额定转速。上一页下一页返回任务8.4 船舶电站、柴油发电机组启动与停止 （8）当转速上升到额定值的90
%时，可认为整个启动加速程序完成了，应自动切断本机的预润滑系统，经适当延时（几十秒）后，接入对本机的润滑油压力监视。这是因为柴油机
自带的润滑油泵，在润滑系统中建立必要的油压需要一定的时间，刚启动时，润滑油压力尚未达到应有数值。若不经延时，接入监视，它将立即发出
“油压低”的误会信号，造成不必要的报警，甚至自动停机。（9）运行机组接到“停机”指令后，即按应有的程序自动停机，停机完成后，发出停
机成功信号，并应自动接通预润滑系统，做好下次启动的一切准备。如果因为柴油机本身故障（一般有启动失效、润滑油压力低、冷却水温高、排烟
温度高、超速等）而导致停机时，应发出“阻塞”信号，使该机的自动启动阻塞，并发出声光报警。待工作人员排除了故障，手动“解除阻塞”后，
才恢复自动功能。上一页下一页返回任务8.4 船舶电站、柴油发电机组启动与停止 （10）自动启动。停机控制器最好具备“模拟试验”的功
能。使运行管理人员能在不影响柴油机的原始状态下，校核控制器的工作是否正常，通常用组合开关和指示灯来实现。柴油发电机组的自动启动程序
可以用下列方框图8.2 表示。图8.2 中包括了“暖缸”工况（虚线框），在某些系统中，也可以将“启动”指令安排成两种方式：一种是“
正常启动”指令，让机组有“暖缸”工况；另一种是“紧急启动”指令，如航行中电网突然失电，要求备用机组立即启动供电。当程序控制器接到这
种指令时，可以自动去掉“暖缸”程序。上一页下一页返回任务8.4 船舶电站、柴油发电机组启动与停止 自动停机的程序框图如图8.3 所
示，柴油机启、停程序制定一般有三种基本原则：① 按时间原则控制，即模仿人的实际操作过程；② 按速度原则控制，即直接按速度拟定控制程
序；③ 按润滑油压力控制，即根据不同转速时润滑油压力的变化拟定控制程序。一般采用综合方式控制，即在整个控制系统中，以上三种控制原则
都有。上一页返回任务8.5 自动电站的总体控制系统及其功能 1. 总体控制系统方框图前面已经介绍了电站自动化各主要环节的功能。在具
有要求多台机组并联供电的电站中实现电站自动化，还必须将各个自动环节有机地联系起来，组成一个总的系统，即总体控制系统。其用来收集来自
各台柴油机、发电机断路器、汇流排以及各主要负载的必要信息及参数，加以分析判断，在一定条件下，自动采取符合逻辑的措施，以应付电站运行
中可能出现的各种情况，确保电力系统安全、可靠、优质、经济地运行。总体控制系统一般设置在集控室，安装在专门的控制箱中，其方框图如8.
4 所示。下一页返回任务8.5 自动电站的总体控制系统及其功能 2. 功能分析下面对总体控制系统的功能进行分析。1）发电机组操作方
式的选择自动电站中，每一台发电机组应有三种可供选择的操作方式：“机旁”“半自动”（遥控），“自动”，并且按次序前者应优先于后者，仅
当某机确定为“自动”方式时，它才纳入总体控制系统的范围。在机组发生故障的情况下，应能自行“退出自动”（即所谓“阻塞”），非经管理人
员排除故障并手动控制“复位”，不得自行恢复“自动”功能。上一页下一页返回任务8.5 自动电站的总体控制系统及其功能 2）判断是否需
要启动备用机组这是一组“或门”条件，即当出现下述任一条件时，就应发出“增机”指令，启动备用机组。（1）经延时判断，确认运行机组重载
。（2）运行机组的润滑油压力低。（3）运行机组冷却水出口温度高。（4）电网突然断电。（5）经重载询问，储备容量不够。（6）正要启动
的备用机组阻塞（启动指令应递续）。（7）备用机组启动失效或合闸失败。上一页下一页返回任务8.5 自动电站的总体控制系统及其功能 3
）发电机组备用的条件及备用机组顺序的安排（1）备用机组条件。船舶电站中各发电机组一般都是互为备用，因此发电机组可供备用的条件是：燃
油、压缩空气备好，有预热和预润滑，无阻塞，操作选择开关置“自动”位置。当同时满足上述条件时，认为机组已进入“备好”状态。（2）备用
机组顺序选择。对于备用机组的启动必须安排一个顺序，通常是按机组的编号依次循环。例如，一个具有三台发电机组的自动电站按1?2?3?1
的循环来决定备用机组。只要在电网上已有一台机组在运行，即可按负荷的需要或按运行机组的技术状态产生的“增机指令”，顺序启动下一台机
组。上一页下一页返回任务8.5 自动电站的总体控制系统及其功能 在电站中只有三台机组的情况下，增机情况大约有：① 单机运行不正常或
重载，要求增机，按顺序启动下一台。② 单机运行突然跳闸，电网失电，启动下一台。③ 单机运行要求增机，但第一备用机组“阻塞”，或启动
合闸失效，“增机指令”应递续给最后的一台。④ 并联运行要求增机，则启动最后一台备用机组。上述后两种情况发生时，则是系统的机组“已经
用完”，故自动电站还应设置监视“系统用完”的信号指示电路，以便引起管理人员的注意。上一页下一页返回任务8.5 自动电站的总体控制系
统及其功能 4）空气断路器的合闸发电机主开关有三种合闸方式：（1）直接自动合闸。当电网无电时，刚启动成功的发电机组建立电压后，其主
开关即可直接合闸。（2）自动准同步合闸。电网有电时，备用发电机组启动成功并建立电压后，应经过自动并车装置，使待并发电机经自动整步之
后投入，并车后，利用自动空气断路器的辅助触头，接通均匀线及自动调频调载装置，实现无功及有功功率的分配及频率的自动调整。上一页下一页
返回任务8.5 自动电站的总体控制系统及其功能 （3）自动重合闸。由直接自动合闸的条件可知，当发电机在某些非正常情况下跳闸后，若使
电网失电，就可能又构成了直接合闸的条件，这就自然地可能发生“重合闸”。作为自动化电站，可以设计成为具有重合闸功能，也可以不设置这一
功能。若有重合闸功能，应保证只有一次重合闸。以免在永久性故障的情况下，发生一再重复合闸的有害过程。同时应防止在这种情况下连续启动两
台以上的机组去做合闸的尝试。无论哪种合闸方式，都有“成功”或“不成功”两种可能，这两种情况的信号都应设法取得，因为它是作为“指示”
和控制机能都不可少的信号。上一页下一页返回任务8.5 自动电站的总体控制系统及其功能 5）解列当两台及以上机组并联运行，若因电网负
荷降低到可以停掉一台机组时，应自动发出“解列”指令。或者，运行中的某机组因发生运行不正常，应自动发出“解列”指令。或者，运行中的某
机组因发生运行不正常（如冷却水出口温度偏高等）时，自动控制系统可以先启动备用机组，并车后再转移负荷。解列指令发生后，通过自动调频调
载装置将待停机组的负载转移给其他运行机组后，再将该机主开关跳闸，这就是解列操作。对于运行不正常的机组属于解列对象。在这种情况下，为
了尽可能不断电，对于“运行不正常”现象的识别信号，可以分为两级，一级作为预报，一级作为保护装置的动作极限。预报级信号可以用来要求启
动备用机以便赢得时间，等待备用机组启动和并车后再取代“不正常”的机组。当然，这种期望是建立在不正常的机组还可以坚持运行一段时间的基
础上。上一页下一页返回任务8.5 自动电站的总体控制系统及其功能 显然，这一段时间决定于两方面：一方面是备用机组的启动、加速、并车
所需的时间，当然越短越好；另一方面是不正常现象发展的速度，当它发展到保护装置的动作极限时，如果并车尚未成功，则造成因保护系统功能而
停电。6）空气断路器的分断和停机发电机自动空气断路器的分断有“正常分断”与“保护动作分断”。前者指手控分断或经自动解列、负荷转移完
毕后的分断。后者指因各种发电机保护动作而引起的自动跳闸。机组的停机亦可分为“正常停机”与“紧急停机”，前者一般都是在自动空气断路器
“正常分断”后，按正常停机程序进行。后者一般是当柴油机发生润滑油压力低或超速时，为了保护机器不至于损坏，控制柴油机直接断油而实现停
机。此时，自动空气断路器可能是逆功率脱扣（并联运行时），也可能是失压脱扣（单机运行时）。上一页下一页返回任务8.5 自动电站的总体
控制系统及其功能 7）重载询问当欲启动大负荷时，应先询问运行发电机功率储备是否满足其用电和启动要求。若不能满足，则应先启动备用机组
，并车后才允许该负荷接入电网。重载询问的基本原理如图8.5 所示。根据发电机测功器的功率变比，在电位器的动触头上取一电压信号，使之
相当于准备投入的大负载功率（应考虑到启动时的冲击）即所谓“模拟负载”。经按钮A 接到运放，与发电机测功器的输出信号（它对应发电机的
实际负载功率）相加，再由鉴幅器来检测求和的结果。鉴幅器的鉴幅电平可以设定在相当于发电机容量的某一百分值（如80%），当鉴幅器动作时
，表明储备容量不够，即可发生“要求增机”信号。若鉴幅器未动作，则表明储备够用，大负载可以启动。上一页下一页返回任务8.5 自动电站
的总体控制系统及其功能 8）重要负载分级启动当船舶电网因故障失电又获电时，为避免因负荷同时启动造成的电流冲击，甚至使发电机主开关再
次跳闸，自动电站能够对重要负荷进行分级启动。按照在紧急情况下各负荷的重要性排好先后次序，并按其启动电流大小分组，然后按程序逐级启动
，每两级启动之间的间隔为3～6 s。上一页下一页返回任务8.5 自动电站的总体控制系统及其功能 9）监视、报警和打印记录为了取出自
动电站做适时控制所需的信号，也为了对系统运行情况做必要的了解，通常的发电系统需做如下的检测与监视。（1）对于柴油机：转速：零转速点
、大转速、中速运行，额定转速；润滑油压力：低或过低；冷却水出口温度：高和过高；各缸排烟温度；柴油机运行时间累计。（2）对发电机：电压、频率、功率、电流、功率因数；对于断路器；能合闸、断开。（3）对电网：汇流排电压、短路、绝缘监视。上一页下一页返回任务8.5 自动电站的总体控制系统及其功能 （4）对系统状态及工作过程的监视与指示：机组的预热、预润滑；启动空气压力；各机组控制方式选择；正常启动，启动成功或失败；正常停机过程中，停机成功或失败；机组用完以及控制系统的工作电源等。为了便于检查某些逻辑功能，最好能使控制系统的各主要部分可以进行模拟试验。10）自动电站控制功能流程图自动电站的功能较多，其中每一部分都有相对的独立性。由总体控制，将各部分工作有机地协调起来，组成一个系统。在系统的安排上，应充分利用各单元的独立性，使系统运用起来更加灵活。当某部分出现故障时，仍可利用其他单元实现局部自动化或半自动化。图8.6 所示为三台机组的自动化电站功能流程图，但并非固定模式。随着自动电站进一步发展，使自动电站功能更趋完善。上一页返回表8.1 记录和报警内容返回图8.1 返回图8.2 自动启动程序框图返回图8.3 自动停机的程序框图返回图8.4 总体控制系统方框图返回图8.5 重载询问的基本原理返回图8.6 三台机组的自动电站功能流程图返回 |
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