李文濤 楊書林 郭小松

摘要：艦船供電系統(tǒng)的生命力必須和艦船總體的抗沉性能相適應(yīng)，當(dāng)艦船遭受戰(zhàn)斗損害而保持不沉?xí)r，電站和配電系統(tǒng)的剩余供電能力必須保證維持艦船機(jī)動(dòng)性、生命力和最低限度自衛(wèi)能力所必須的重要負(fù)載的供電。本文通過對(duì)某型艦船供電系統(tǒng)失電恢復(fù)試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，在不改變系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，提出系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)方案，并在實(shí)船試驗(yàn)中驗(yàn)證了其有效性。

關(guān)鍵詞：艦船電力系統(tǒng);供電生命力;失電恢復(fù);舷側(cè)排氣系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U665.12? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

Abstract： The vitality of the warship power system must be consistent with the unsinkability of the warship. When the ship suffers combat damage and remains unsinkable， the residual power supply capacity of the power station and distribution system must supply the vital loads necessary to maintain the warship's maneuverability， necessary ship vitality and minimum self-defense capability. Based on the analysis of a problem in the power loss recovery test of a certain type of warship， this paper proposes an optimization and improvement scheme with simplified system judgment logic on the basis of not changing the system principle， and verifies its effectiveness in the real ship test.

Key words： Power system of warship;Vitality of power supply;Losing electricity recovery; Side exhaust system

1 某型艦電力系統(tǒng)組成

基于電力系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)理念和合理布置要求，某型艦電站一次網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由三段主配電板各搭載兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組組成。每段主配電板均可單獨(dú)形成電站，為該型艦提供正常航行所需的供電，并在緊急情況下通過事故電力網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)全船重要負(fù)載提供供電。

三段配電板由布置在兩舷的舷側(cè)配電板相互連接，通過調(diào)整舷側(cè)跨接開關(guān)或主配電板跨接開關(guān)的分?jǐn)嗷蜷]合，可對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)供電或聯(lián)網(wǎng)供電;電站控制系統(tǒng)對(duì)各個(gè)跨接開關(guān)的通斷狀態(tài)進(jìn)行判斷，在確保供電系統(tǒng)正常的情況下，同時(shí)避免形成環(huán)網(wǎng)。

每段主配電板可通過母聯(lián)開關(guān)的分?jǐn)?，來滿足人員進(jìn)行配電板的檢修、維護(hù)等操作;三段主配電板均與岸電開關(guān)相連接，可通過任一電站的岸電開關(guān)對(duì)艦船進(jìn)行供電，確保停泊狀態(tài)的用電需求;除主電網(wǎng)外，還搭載了一定容量的UPS系統(tǒng)，作為全船應(yīng)急電源使用。

該型艦創(chuàng)新融入了系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)理念，將電站控制系統(tǒng)拆分為多個(gè)子系統(tǒng)。其中，供電監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)各柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，以及負(fù)載輸出的參數(shù)，并對(duì)機(jī)組進(jìn)行控制;配電監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)各跨接開關(guān)、配電網(wǎng)絡(luò)至一次和二次網(wǎng)絡(luò)開關(guān)的電力參數(shù)，并可對(duì)電操開關(guān)進(jìn)行遙控操作。同時(shí)，監(jiān)測(cè)所有一次網(wǎng)絡(luò)以及負(fù)載中心內(nèi)開關(guān)的電力參數(shù)以及故障狀態(tài)。

位于集控中心的電力監(jiān)控臺(tái)，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)報(bào)警復(fù)示及遠(yuǎn)程遙控操作;電站系統(tǒng)半自動(dòng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)程序，均集成于電力集中監(jiān)控臺(tái)內(nèi)，由其向供電和配電監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送指令，控制整個(gè)電站的運(yùn)行;通過電力監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控和自動(dòng)化功率管理，可實(shí)現(xiàn)類似民用船舶無人機(jī)艙的工況模式;作為整個(gè)電力系統(tǒng)的中央控制系統(tǒng)，其具備高度自動(dòng)化、集成化和操作便利等優(yōu)點(diǎn)。

2 供電系統(tǒng)失電恢復(fù)方案設(shè)計(jì)

2.1 失電恢復(fù)方案

在艦船供電系統(tǒng)發(fā)生失電后，對(duì)于失電狀態(tài)下的自動(dòng)和半自動(dòng)恢復(fù)功能，通常有下列3種設(shè)計(jì)方案[1]：

（1）按照預(yù)先設(shè)置的優(yōu)先級(jí)順序和備車狀態(tài)，優(yōu)先啟動(dòng)順序靠前的備用柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組，待建立電壓后自動(dòng)合閘恢復(fù)供電;

（2）直接啟動(dòng)所有處于備車完畢狀態(tài)的柴油發(fā)電機(jī)組，按照預(yù)先設(shè)置的優(yōu)先級(jí)順序，待建立電壓后合閘優(yōu)先級(jí)高的柴油發(fā)電機(jī)組，以恢復(fù)供電;

（3）直接啟動(dòng)所有處于備車完畢狀態(tài)的柴油發(fā)電機(jī)組，最快建立電壓的柴油發(fā)電機(jī)組合閘，以恢復(fù)供電。

考慮到艦船生命力的重要性，應(yīng)從失電狀態(tài)快速恢復(fù)到正常航行和戰(zhàn)斗所需的供電狀態(tài)，因此本型艦采取第（3）種恢復(fù)方案;且在失電恢復(fù)過程中，所有未合閘的備用柴油發(fā)電機(jī)組將在電網(wǎng)恢復(fù)供電后，自動(dòng)或人為判斷是否需要增機(jī)并聯(lián)運(yùn)行;如不需增機(jī)并聯(lián)，則在延時(shí)30s后自動(dòng)停止備用機(jī)組。電網(wǎng)失電恢復(fù)流程圖，見圖1所示：

2.2 柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)

當(dāng)相應(yīng)主配電板處于失電狀態(tài)下，控制回路通過UPS供電，在電力監(jiān)控系統(tǒng)收到備車信號(hào)時(shí)，可確保各機(jī)組在緊急狀態(tài)下通過自動(dòng)或半自動(dòng)控制方式正常啟動(dòng)。

因該型艦具備沉浮作業(yè)工況，處于艦尾部位的5號(hào)、6號(hào)機(jī)組配備了舷側(cè)排氣系統(tǒng)，其啟動(dòng)流程與其余機(jī)組有所不同，如圖2所示：

5號(hào)、6號(hào)機(jī)組啟動(dòng)條件為：機(jī)組向舷側(cè)排氣系統(tǒng)發(fā)送啟動(dòng)請(qǐng)求信號(hào)→舷側(cè)排氣系統(tǒng)處于高位（或低位）運(yùn)行狀態(tài);高位（或低位）擋板閥打開到位，另一位置擋板閥關(guān)閉到位;高、低位泄放閥均處于關(guān)閉狀態(tài);海水冷卻泵正常運(yùn)行，電動(dòng)噴淋閥打開到位→舷側(cè)排氣系統(tǒng)向機(jī)組發(fā)送啟動(dòng)允許信號(hào)，發(fā)電機(jī)組反饋備車信號(hào)至供電監(jiān)控→機(jī)組可正常啟動(dòng)。

2.3 舷側(cè)排氣系統(tǒng)

舷側(cè)排氣系統(tǒng)，主要由排氣管、高（低）位舷側(cè)擋板閥、高（低）位泄放閥、海水冷卻裝置（冷卻海水泵和電動(dòng)噴淋閥）裝置組成，見圖3所示：

2.3.1 工作模式

（1）低位排氣模式

在艦船正常吃水狀態(tài)下，5號(hào)、6號(hào)機(jī)組將由低位擋板閥處排氣。此時(shí)，低位擋板閥及電動(dòng)噴淋閥打開，高位擋板閥及高、低位泄放閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，機(jī)組的排氣經(jīng)由海水冷卻泵輸送的海水在排氣管內(nèi)進(jìn)行冷卻，冷卻后排氣同海水一并從低位擋板閥處排出。

（2）高位排氣模式

在艦船沉浮作業(yè)狀態(tài)下，因船舶吃水線較高，低位擋板閥出口已處于浸沒狀態(tài)，5號(hào)、6號(hào)機(jī)組將由高位擋板閥處排氣。此時(shí)，高位擋板閥及電動(dòng)噴淋閥打開，低位擋板閥及高、低位泄放閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，排氣同樣由海水冷卻后從高位擋板閥處排處。

2.3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因5號(hào)、6號(hào)機(jī)組布置位置與機(jī)艙棚有較大距離，通過舷側(cè)排氣系統(tǒng)的設(shè)置避免了冗長(zhǎng)的排氣管，在提升空間利用率的同時(shí)，兼顧了艦船不同作業(yè)工況的吃水要求;同時(shí)減少了因排氣產(chǎn)生的紅外輻射效應(yīng)，降低了艦船被探測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)，在一定程度上起到了提高艦船生存能力的作用。

該型艦舷側(cè)排氣系統(tǒng)，將高（低）位擋板閥開關(guān)到位及聯(lián)鎖情況、海水冷卻裝置運(yùn)行狀態(tài)作為5號(hào)、6號(hào)機(jī)組正常運(yùn)行和啟動(dòng)的重要條件，需確保機(jī)組的排氣得到冷卻，并在接近水面的部位排出舷側(cè)。

3 供電系統(tǒng)失電恢復(fù)試驗(yàn)存在的問題及解決方案

3.1 5號(hào)、6號(hào)機(jī)組未能正常啟動(dòng)現(xiàn)象

在該型艦電站系統(tǒng)系泊試驗(yàn)過程中，首次進(jìn)行全電站聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)自動(dòng)控制模式下的失電恢復(fù)試驗(yàn)，5號(hào)、6號(hào)機(jī)組未能正常啟動(dòng)。當(dāng)時(shí)電站運(yùn)行狀態(tài)為：1號(hào)機(jī)組在網(wǎng)，其余機(jī)組均為待機(jī)備車狀態(tài);三個(gè)電站通過右舷側(cè)配電板的三個(gè)跨接開關(guān)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行;5號(hào)、6號(hào)機(jī)組的舷側(cè)排氣系統(tǒng)處于低位排氣狀態(tài)。此時(shí)人為將1號(hào)機(jī)組緊急停機(jī)，造成電網(wǎng)失電，監(jiān)控系統(tǒng)向所有柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)出運(yùn)行信號(hào)。其中，2號(hào)～4號(hào)機(jī)組均正常啟動(dòng)，最快建立電壓的3號(hào)機(jī)組成功合閘并恢復(fù)供電，2號(hào)、4號(hào)機(jī)組在3號(hào)機(jī)合閘后延時(shí)30s自動(dòng)停機(jī)，但5號(hào)、6號(hào)機(jī)組未能正常啟動(dòng)，且未發(fā)出起動(dòng)失敗報(bào)警。

3.2 5號(hào)、6號(hào)機(jī)組啟動(dòng)失敗原因分析

問題發(fā)生后，對(duì)5號(hào)、6號(hào)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行檢查，兩臺(tái)機(jī)組各部件均為正常，排除因機(jī)組自身故障造成啟動(dòng)失敗的原因;對(duì)舷側(cè)排氣系統(tǒng)進(jìn)行檢查，低位擋板閥處于正常打開狀態(tài)，但系統(tǒng)向機(jī)組裝置發(fā)送了380V失電報(bào)警，機(jī)組收到擋板閥二級(jí)故障，電站系統(tǒng)將其判定為機(jī)組裝置一級(jí)故障，屬于換機(jī)故障，該故障將閉鎖5號(hào)、6號(hào)機(jī)組的備車信號(hào)，直接導(dǎo)致5號(hào)、6號(hào)機(jī)組無法啟動(dòng)。

經(jīng)過進(jìn)一步查驗(yàn)，擋板閥為氣動(dòng)蝶閥，閥的開關(guān)動(dòng)作由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，壓縮空氣管路的通斷則由一個(gè)DC 24V電磁閥控制。因此在全船失電狀態(tài)下，當(dāng)壓縮空氣系統(tǒng)處于正常壓力狀態(tài)，該電磁閥仍由不間斷電源持續(xù)供電，在收到運(yùn)行信號(hào)后，DC 24V電磁閥動(dòng)作，使壓縮空氣管路暢通，擋板閥可正常動(dòng)作。但因海水冷卻泵需380V電源供電，在全船失電時(shí)主電源無法啟動(dòng)，因此海水冷卻裝置在收到與運(yùn)行信號(hào)后仍未正常運(yùn)行，此時(shí)舷側(cè)排氣系統(tǒng)將向機(jī)組裝置發(fā)送380V失電報(bào)警，見圖4所示：

由圖4可知：在失電狀態(tài)下，舷側(cè)排氣系統(tǒng)將直接發(fā)出380V失電報(bào)警，且舷側(cè)排氣系統(tǒng)海水冷卻泵無法正常啟動(dòng)，從而導(dǎo)致5號(hào)、6號(hào)柴油發(fā)電機(jī)組無法正常啟動(dòng)。所以該系統(tǒng)存在不合理設(shè)計(jì)。

3.3 優(yōu)化改進(jìn)方案

依據(jù)舷側(cè)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需確保機(jī)組排氣得到有效冷卻，因此海水冷卻裝置正常運(yùn)行是5號(hào)、6號(hào)機(jī)組啟動(dòng)的先決條件之一。

經(jīng)進(jìn)一步調(diào)查，海水冷卻裝置電動(dòng)噴淋閥打開時(shí)間約為30s，因此即使冷卻海水泵在收到運(yùn)行信號(hào)后正常啟動(dòng)，在5號(hào)、6號(hào)機(jī)組啟動(dòng)過程中仍有約30s的時(shí)間不能得到排氣冷卻。因此將海水冷卻裝置作為5號(hào)、6號(hào)機(jī)組啟動(dòng)的先決條件，該設(shè)計(jì)未遵循保障艦船必要生命力的理念，存在一定的缺陷。

根據(jù)以上調(diào)查結(jié)論，對(duì)5號(hào)、6號(hào)機(jī)組運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整，取消380V失電故障導(dǎo)致機(jī)組裝置無法收到允許啟動(dòng)信號(hào)，并將擋板閥380V失電故障報(bào)警判定類別改為一般報(bào)警，在此狀態(tài)下機(jī)組裝置可正常運(yùn)行。

以上實(shí)施方案，可通過軟件的優(yōu)化達(dá)到效果，無需對(duì)硬件設(shè)施進(jìn)行任何的改動(dòng)。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電后，舷側(cè)排氣系統(tǒng)得到來自主配電板的380V電源，海水冷卻泵啟動(dòng)器在得電后正常運(yùn)行泵組，對(duì)排氣進(jìn)行冷卻。

經(jīng)實(shí)船驗(yàn)證，5號(hào)、6號(hào)機(jī)組從啟動(dòng)到合閘時(shí)間在30s之內(nèi)，機(jī)組啟動(dòng)過程中排氣未得到冷卻的時(shí)間與優(yōu)化前相同，延續(xù)了現(xiàn)有硬件設(shè)施的最大艦船生命力保障。

設(shè)計(jì)優(yōu)化后的5號(hào)、6號(hào)機(jī)組啟動(dòng)流程圖，見圖5：

經(jīng)上述優(yōu)化后，重新對(duì)自動(dòng)及半自動(dòng)模式電站失電恢復(fù)功能進(jìn)行驗(yàn)證，所有機(jī)組均可正常啟動(dòng)，舷側(cè)排氣系統(tǒng)運(yùn)行正常，未再次出現(xiàn)機(jī)組裝置無法啟動(dòng)的情況，使問題得到了完滿解決。

4 結(jié)論

通過以上方式，對(duì)該型艦供電系統(tǒng)原有的失電恢復(fù)原理基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，在維持艦船必要生命力的設(shè)計(jì)理念前提下，使系統(tǒng)失電恢復(fù)過程迅速有效，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少了故障點(diǎn)的存在。

該優(yōu)化方案經(jīng)評(píng)審后，最終在實(shí)船上驗(yàn)證為有效，表明該優(yōu)化方案滿足該型艦的實(shí)際需要。

參考文獻(xiàn)

[1] 李勇 電網(wǎng)失電恢復(fù)及互鎖模塊化設(shè)計(jì)[J].上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)， 2009年12月，第32卷第2期：16-18.

[2] GJB4000-2000 艦船通用規(guī)范 3組 電力系統(tǒng)[S]. 中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn).