劉志陽(yáng) 陳健 黃睿 彭世通

摘要：本文介紹了某7800kW自航絞吸挖泥船的功率管理系統(tǒng)（PMS），并通過(guò)對(duì)配置和疏浚控制如何進(jìn)行功率分配進(jìn)行分析，闡述了大功率挖泥船功率管理系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：大功率自航絞吸挖泥船;供電模式;疏浚工況

中圖分類(lèi)號(hào)：U674.31? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper introduces a power management system（PMS） of a 7800kW self-propelled suction dredger， and expounds the key design requirements of the power management system of a heavy power dredger by analyzing the configuration and how to allocate the power based on dredging control.

Key words： Heavy power self-propelled cutter suction dredger; Power supply mode; Dredging condition

1 前言

船舶電源管理系統(tǒng)（PMS）是一種復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)，用于處理船上發(fā)電機(jī)、配電板和重要用電設(shè)備的功率分配。該系統(tǒng)的主要作用如下：

（1）將確保電網(wǎng)容量在任何時(shí)候都符合工況需求，通過(guò)控制主要用電設(shè)備的負(fù)荷使用，保證船舶的電網(wǎng)安全;

（2）為發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、變壓器、配電板和大型用電設(shè)備提供必要的控制和保護(hù)功能;

（3）在電網(wǎng)斷電的情況下，控制配電系統(tǒng)恢復(fù)電網(wǎng)供電。

包括：柴油發(fā)電機(jī)、軸帶發(fā)電機(jī)、連接開(kāi)關(guān)和岸上連接的電源管理功能，同步、并聯(lián)運(yùn)行、柴油發(fā)電機(jī)的備用控制等。

本文以某7800KW自航絞吸挖泥船為載體，介紹在不同工況下如何通過(guò)PMS將本船的電力系統(tǒng)管理做到效率最大化。

2 船舶電站組成

全船供電系統(tǒng)圖，如圖1所示：

2.1 主發(fā)電機(jī)、中壓配電板

本船共設(shè)有四臺(tái)主發(fā)電機(jī)，通過(guò)斷路器 MA-1、MA-2 和 MB-1、 MB-2 分別向中壓配電板左/右屏供電：中壓配電板發(fā)電機(jī)屏對(duì)每臺(tái)主發(fā)電機(jī)的功率、電壓、電流、頻率等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)發(fā)電機(jī)斷路器進(jìn)行分/合閘狀態(tài)指示，在測(cè)量屏設(shè)有分/合閘旋鈕及發(fā)電機(jī)調(diào)速旋鈕;在 PMS 觸摸屏上可以發(fā)出主發(fā)電機(jī)主機(jī)定速請(qǐng)求、斷路器分/合閘、負(fù)載轉(zhuǎn)移等命令;對(duì)主發(fā)電機(jī)前、后軸承潤(rùn)滑單元進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)指示;中壓配電板左/右屏通過(guò)斷路器（母聯(lián)開(kāi)關(guān) MA-B）進(jìn)行聯(lián)接，在測(cè)量屏可對(duì)該斷路器進(jìn)行分/合閘操作及分/合閘狀態(tài)指示，同時(shí)對(duì)保護(hù)脫扣及連鎖進(jìn)行報(bào)警顯示。

中壓配電板通過(guò)三個(gè)接觸器 MA-3、 MA-4、 MB-7 分別向三個(gè)液壓泵電機(jī)供電;通過(guò)兩個(gè)斷路器 MA-5、MB-5 分別向兩套多傳動(dòng)系統(tǒng)變壓器供電;通過(guò)五個(gè)斷路器 MA-6、MA-7、 MA-8、 MB-3、 MB-4 分別向 1號(hào)主推進(jìn)/水下泵變壓器、 2 號(hào)絞刀變壓器、2號(hào)艙內(nèi)泵變壓器、 1號(hào)絞刀/2 號(hào)主推進(jìn)變壓器、 1 號(hào)艙內(nèi)泵變壓器供電;通過(guò)一個(gè)斷路器 MB-6向日用變壓器供電，每個(gè)斷路器的電流、功率等信號(hào)通過(guò)繼保單元進(jìn)行顯示。

2.2輔發(fā)電機(jī)、 400V 主配電板

本船設(shè)有一臺(tái)輔發(fā)電機(jī);通過(guò)斷路器 LA 向主配電板供電;通過(guò)兩個(gè)斷路器 LA-1、 LB-1 分別向 1#/2#照明變壓器供電; 1 號(hào)/2 號(hào)岸電箱通過(guò)斷路器對(duì)主配電板進(jìn)行供電;通過(guò)斷路器 LA-E1、 LA-E2 與應(yīng)急配電板聯(lián)接;通過(guò)斷路器 LB 向日用變壓器供電;低壓配電板左/右屏通過(guò)斷路器（母聯(lián)開(kāi)關(guān) LA-B）進(jìn)行聯(lián)接;照明變壓器通過(guò)兩個(gè)斷路器 LA-2、 LB-2 向 230V配電板供電;在400V 配電板輔發(fā)電機(jī)屏設(shè)有電壓、電流、功率、頻率等監(jiān)測(cè)儀表及相關(guān)指示燈。

輔發(fā)電機(jī)屏遙控模式下，在 PMS 觸摸屏上可以通過(guò)按鈕進(jìn)行手動(dòng)輔發(fā)起機(jī)/停機(jī)、斷路器分/合閘、加速/減速控制操作;在手動(dòng)并車(chē)時(shí)，還可以通過(guò)輔發(fā)電機(jī)加速/減速按鈕對(duì)輔發(fā)電機(jī)柴油機(jī)進(jìn)行加/減速控制，以手動(dòng)操作輔發(fā)電機(jī)與400V 電網(wǎng)并車(chē);在 PMS 觸摸屏上，設(shè)有各個(gè)斷路器的狀態(tài)指示，用于顯示其分/合閘狀態(tài)。

2.3 應(yīng)急發(fā)電機(jī)、應(yīng)急配電板

本船設(shè)有一臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)：通過(guò)斷路器 E1 向應(yīng)急配電板供電。應(yīng)急配電板通過(guò)斷路器 LA-E1、LA-E2 與主配電板左屏聯(lián)接，通過(guò)兩個(gè)斷路器分別向兩臺(tái)應(yīng)急 230V 變壓器供電;相應(yīng)應(yīng)急照明變壓器通過(guò)兩個(gè)斷路器向應(yīng)急 230V 配電板供電，應(yīng)急配電板上設(shè)有應(yīng)急發(fā)電機(jī)電壓、電流、功率、頻率等監(jiān)測(cè)儀表及相關(guān)指示燈。

在停泊遙控模式下，在 PMS 觸摸屏上可以通過(guò)按鈕進(jìn)行手動(dòng)起/停應(yīng)急發(fā)電機(jī)及斷路器的分/合閘、加速/減速按鈕操作;在 PMS 觸摸屏上設(shè)有斷路器狀態(tài)指示，用于相應(yīng)斷路器分/合閘狀態(tài)顯示; LA-E1 開(kāi)關(guān)在應(yīng)急配電板有電情況下或在 LA-E2 開(kāi)關(guān)有電的情況下自動(dòng)合閘。

3 供電模式

本船PMS設(shè)置有以下四種主要供電模式：

3.1? 4臺(tái)主發(fā)電機(jī)供電模式

本模式由四臺(tái)主發(fā)電機(jī)運(yùn)行向絞刀電機(jī)、水下泵電機(jī)、兩臺(tái)艙內(nèi)泵電機(jī)和液壓泵供電; 6.6kV中壓配電板通過(guò)絞車(chē)/封水泵變頻器向橫移絞車(chē)、起橋絞車(chē)、封水泵系統(tǒng)供電，通過(guò)日用變壓器向 400V 主配電板和應(yīng)急配電板供電。

該模式通常在三泵挖泥 （巖）工況、 兩泵挖泥（巖）工況下使用，輔發(fā)電機(jī)不工作，應(yīng)急/停泊柴油發(fā)電機(jī)不工作。此時(shí)主發(fā)電機(jī)負(fù)荷率為88%。

3.2? 3臺(tái)主發(fā)電機(jī)供電模式

本模式由三臺(tái)主發(fā)電機(jī)向左/右舷中壓配電板供電，通過(guò)日用變壓器向400V 配電 板供電，是單泵挖泥（巖）工況、 兩泵挖泥（巖）工況下的常用模式：

（1）單泵挖泥（巖）工況

三臺(tái)主發(fā)電機(jī)運(yùn)行向兩臺(tái)絞刀電機(jī)、水下泥泵電機(jī)和液壓泵供電;6.6kV 中壓配電板通過(guò)絞車(chē)/封水泵變頻器向橫移絞車(chē)、起橋絞車(chē)、 封水泵系統(tǒng)供電，通過(guò)日用變壓器向 400V 主配電板和應(yīng)急配電板供電。

（2）雙泵挖泥（巖）工況

三臺(tái)主發(fā)電機(jī)運(yùn)行向一臺(tái)絞刀電機(jī)、水下泵電機(jī)、一臺(tái)艙內(nèi)泵電機(jī)和液壓泵供電;6.6kV 中壓配電板通過(guò)絞車(chē)/封水泵變頻器向 橫移絞車(chē)、起橋絞車(chē)、封水泵系統(tǒng)供電，通過(guò)日用變壓器向 400V 主配電板和應(yīng)急配電板供電;輔發(fā)電機(jī)不工作，應(yīng)急/停泊柴油發(fā)電機(jī)不工作。此時(shí)主發(fā)電機(jī)負(fù)荷率為86.5%。

3.3? 2臺(tái)主發(fā)電機(jī)供電模式

本模式由兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)提供 6600V及400V全船用電，是單泵挖泥（巖）工況、航行工況下的可選供電模式：

（1）單泵挖泥（ 巖）工況

兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)運(yùn)行向一臺(tái)絞刀電機(jī)、水下 泵電機(jī)和液壓泵供電; 6.6kV 中壓配電板通過(guò)絞車(chē)/封水泵變頻器向橫移絞車(chē)、起橋絞 車(chē)、封水泵系統(tǒng)供電，通過(guò)日用變壓器向 400V 主配電板和應(yīng)急配電板供電。

（2）航行工況

兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)運(yùn)行向兩臺(tái)推進(jìn)電機(jī)供電;6.6kV中壓配電板通過(guò)日用變壓器向 400V 主配電板和應(yīng)急配電板供電;輔發(fā)電機(jī)不工作，此時(shí)主發(fā)電機(jī)負(fù)荷率為84%。

3.4? 1臺(tái)主機(jī)供電模式

本模式由一臺(tái)主發(fā)電機(jī)提供 6600V 及 400V 全船用電，絞刀維修工況下的可選供電模式;輔發(fā)電機(jī)不工作，應(yīng)急/停泊柴油發(fā)電機(jī)不工作。此時(shí)主發(fā)電機(jī)負(fù)荷率為10%。

此工況建議選用輔發(fā)電機(jī)反供電模式更為經(jīng)濟(jì)，輔發(fā)電機(jī)的負(fù)荷率為56%。

4 功率限制與保護(hù)

4.1 基于自動(dòng)疏浚系統(tǒng)的負(fù)載預(yù)分配及降功率順序

在疏浚工程開(kāi)始之前，自動(dòng)疏浚系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的工地土質(zhì)對(duì)疏浚設(shè)備進(jìn)行功率預(yù)分：挖淤泥時(shí)，橫移和絞刀的功率需求比較小，水下泵的功率需求比較大;挖硬土質(zhì)時(shí)則相反。

另外，對(duì)于泥泵，如果過(guò)量的降低泥泵的功率會(huì)導(dǎo)致泥泵的轉(zhuǎn)速降低，若低于疏浚管道內(nèi)的臨界流速，則在泥漿濃度較大的情況下就會(huì)出現(xiàn)堵 管。這些疏浚工況的來(lái)源是疏浚系統(tǒng)，并且功率的配置需求是一個(gè)變動(dòng)的過(guò)程，此分配在電網(wǎng)未超負(fù)荷進(jìn)行功率限制時(shí)有效。

在運(yùn)行各設(shè)備功率總和大于在網(wǎng)主發(fā)電機(jī)總功率減400v配電板功率時(shí)，說(shuō)明在當(dāng)前電網(wǎng)配置下運(yùn)行設(shè)備不能運(yùn)行在額定功率，根據(jù)不同工況進(jìn)行功率預(yù)分配可以提高施工效率，并可有效的防止電網(wǎng)超負(fù)荷進(jìn)入限功率模式。表1為各設(shè)備額定功率的百分比權(quán)重，（可修改設(shè)定）：

例如：三泵雙絞刀工況，開(kāi)啟四臺(tái)主發(fā)電機(jī)，此時(shí)的功率預(yù)分配計(jì)算結(jié)果如下：

設(shè)備需求總功率：16312 KW

電網(wǎng)可用總功率： 13852 KW

絞刀實(shí)際分配功率： 5084 KW

橫移絞車(chē)實(shí)際分配功率： 679 KW

水下泵實(shí)際分配功率： 3068 KW

艙內(nèi)泵實(shí)際分配功率： 4331 KW

當(dāng)電網(wǎng)超負(fù)荷后，進(jìn)入功率限制，PMS根據(jù)不同工況查詢(xún)限負(fù)荷優(yōu)先級(jí)如表2所列：

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)過(guò)載工況時(shí)（如過(guò)載 xKW），則 PMS將執(zhí)行以下動(dòng)作：

（1）向疏浚系統(tǒng)發(fā)出過(guò)載報(bào)警提示;

（2）根據(jù)疏浚系統(tǒng)給定的工況，選擇相應(yīng)的功率限制優(yōu)先級(jí)表，指定的一級(jí)降功率負(fù)載減少xKW;如果降低的功率小于最小允許功率，則降功率按照允許最小負(fù)載執(zhí)行;

（3）如果一級(jí)降負(fù)荷達(dá)到最小功率限制值電網(wǎng)仍然過(guò)載，則激活二級(jí)降功率設(shè)備的降功率指令;

（4）依次執(zhí)行相應(yīng)的降功率等級(jí)。

必須注意：在航行工況下左右推進(jìn)處于相同的降功率等級(jí)時(shí)，也就是如果出現(xiàn)推進(jìn)的功率限制時(shí)，則兩臺(tái)推進(jìn)都會(huì)受到相同的限制值;如果主推出現(xiàn)越控，則主推的允許功率為電網(wǎng)可用的100%功率;當(dāng)其他設(shè)備降功率仍然不滿(mǎn)足主推功率需求時(shí)，如果有備用機(jī)則啟動(dòng)備機(jī)，并車(chē)進(jìn)網(wǎng)運(yùn)行。

4.2 航行模式

船舶進(jìn)出港時(shí)一般以低速航行，消耗的功率較少，此時(shí)采用雙主發(fā)電機(jī)的模式就可以滿(mǎn)足功率需求，另外2臺(tái)主發(fā)電機(jī)則處在備機(jī)狀態(tài)。

PMS主要管理主推進(jìn)的功率使用：

（1）電網(wǎng)出現(xiàn)預(yù)過(guò)載（電網(wǎng)負(fù)荷大于90%）時(shí)，發(fā)出預(yù)過(guò)載報(bào)警，如果預(yù)過(guò)載持續(xù)時(shí)間大于1分鐘，則啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī);

（2）電網(wǎng)出現(xiàn)過(guò)載（電網(wǎng)負(fù)荷大于95%）時(shí)，發(fā)出過(guò)載報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)，PMS此時(shí)對(duì)推進(jìn)的功率進(jìn)行限制，進(jìn)入降功率步驟，但不會(huì)降到設(shè)備允許使用的最小功率以下，如果過(guò)載持續(xù)時(shí)間大于10秒，則對(duì)非重要負(fù)載優(yōu)先脫扣;

（3）船舶正常巡航時(shí)，為了保證船舶的航速，采用二臺(tái)主發(fā)電機(jī)的模式就可以滿(mǎn)足功率需求，另外2臺(tái)主發(fā)電機(jī)則處在備機(jī)狀態(tài);

（4）如果主推出現(xiàn)越控，則主推的允許功率為電網(wǎng)可用的100%功率;當(dāng)其他設(shè)備降功率仍然不滿(mǎn)足主推功率需求時(shí)，如果有備用機(jī)則啟動(dòng)備機(jī)，并車(chē)進(jìn)網(wǎng)運(yùn)行。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)一艘某7800KW自航絞吸挖泥船功率管理系統(tǒng)的研究，討論了功率分配的重要項(xiàng)目和關(guān)鍵點(diǎn)，具有一定的借鑒意義，也為未來(lái)類(lèi)似工作的開(kāi)展提供一定的經(jīng)驗(yàn)和幫助。

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