淺析深水鋪管船功率管理系統(tǒng)

(江蘇熔盛重工有限公司，江蘇 南通 226532)

“海洋石油201”是深水鋪管起重船，即DPV，采用DP3動力定位系統(tǒng)，全船采用電力推進。該船入ABS和CCS雙重船級，在起重作業(yè)狀態(tài)滿足DP3(ABS：DPS-3，CCS：DP-3)要求，在鋪管作業(yè)狀態(tài)滿足DP2(ABS：DPS-2，CCS：DP-2)要求。ABS規(guī)范(2005)和CCS規(guī)范(2006)都要求具有DP2和DP3附加船級符號的船，必須設(shè)置功率管理系統(tǒng)(PMS)。具有動力定位附加船級DP2和DP3的船舶對PMS的要求比一般船舶高得多[1]。

對動力定位船舶而言，保持其船位和艏向是其正常作業(yè)的基本要求。目前，大部分動力定位船舶采用全電力推進。也有一部分動力定位船舶的主推進裝置采用柴油機推進，但其方位推進器仍采用電力推進。無論如何，保持動力定位船舶的船位和艏向的前提是電站可靠地連續(xù)供電?！昂Ｑ笫?01”項目采用全電力推進，PMS應(yīng)與此適應(yīng)。

1 船級社對PMS的相關(guān)要求

1.1 CCS的要求

1)對于具有DP-2 和DP-3 附加標志的船舶，應(yīng)設(shè)置一個自動的功率管理系統(tǒng)，此系統(tǒng)應(yīng)使發(fā)電機隨負荷的變動而啟動和停止。當沒有足夠的功率啟動大功率的負載時，應(yīng)阻止大功率設(shè)備的啟動，并按要求啟動備用發(fā)電機，然后再啟動所需要的負載。

2)當總的電力負載超過運轉(zhuǎn)中發(fā)動機總?cè)萘康念A(yù)定百分比時應(yīng)發(fā)出報警，該報警的設(shè)定值應(yīng)在運轉(zhuǎn)容量的50%至100%之間可調(diào)，并應(yīng)按運行發(fā)電機的數(shù)量和任一臺發(fā)電機失靈的影響加以確定。

3)對于電力驅(qū)動的推力器系統(tǒng)，應(yīng)采取措施，在負載達到②規(guī)定的報警值之前，使未運行的發(fā)電機自動啟動、同步和負載分配。

4)因一臺或幾臺發(fā)電機的停止而引起的突然超負荷不應(yīng)造成電源的全部中斷，在啟動一臺新的發(fā)電機并使其開始發(fā)電的過程中應(yīng)減小螺距或/和降低轉(zhuǎn)速以減小推力器的負載。如動力定位系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)能完成這一功能，則應(yīng)與功率管理系統(tǒng)相協(xié)調(diào)。

5)功率管理系統(tǒng)的故障應(yīng)不引起在網(wǎng)發(fā)電機的替換，且應(yīng)在動力定位控制站報警。

6)斷開功率管理系統(tǒng)后，配電板應(yīng)能手動操作。

7)應(yīng)對功率管理系統(tǒng)進行FMEA分析。

1.2 ABS的要求

1)對具有DPS-2和DPS-3附加船級符號的船舶，必須設(shè)有功率管理系統(tǒng)(PMS)，以確保基本運行可獲得足夠的功率，并阻止發(fā)電機容量不足時起動負載。應(yīng)至少設(shè)有2個功率管理系統(tǒng)，以使系統(tǒng)在任一個功率管理系統(tǒng)失效時繼續(xù)工作。應(yīng)考慮采用諸如卸去非基本負荷或使控制系統(tǒng)臨時減少推力，以確保功率的有效性。

2)每一功率管理系統(tǒng)應(yīng)由UPS供電，且做到一個功率管理系統(tǒng)失電不會導(dǎo)致另一個功率管理系統(tǒng)失電。

3)對DPS-3船級符號，功率管理系統(tǒng)的布置和設(shè)置要做到任何一個單個故障，包括一艙失火或進水，都不會造成功率管理系統(tǒng)不能運行。

CCS和ABS的要求在表述上有所不同，但基本精神是一致的。兩者對冗余性都有要求，在功能上的共同要求是確保供電的連續(xù)性和可靠性。這一要求看上去和普通船舶相同，但由于動力定位對供電連續(xù)性和可靠性的要求更高，并由于動力定位船舶電站的復(fù)雜性，要實現(xiàn)這一要求也復(fù)雜得多。

電站的可靠性再高，失電(blackout)的可能性總是存在的。兩個船級社的規(guī)范都未提失電后自動啟動備用發(fā)電機，那是因為在規(guī)范的電氣部分和自動化部分已有明確要求，動力定位船舶也應(yīng)滿足這些要求。由于本船有6 600 V和400 V兩級電網(wǎng)，因此失電處理要更復(fù)雜些。

2 PMS的功能

本船的PMS裝置集成入VMS系統(tǒng)，成為其一部分。它除具有一般船舶的PMS裝置具有的功能，如自動同步、自動負荷分配、發(fā)電機解列管理、備用機組選擇等外，還具有確保供電的連續(xù)性和可靠性的功能。

1)在所有時候都確保足夠的維持船位用推進器所需的功率。

2)監(jiān)測每一臺柴油發(fā)電機組，并響應(yīng)系統(tǒng)監(jiān)測到的參數(shù)報警情況，起動或停止特定的發(fā)電機組。

3)控制并聯(lián)運行的發(fā)電機組的負荷分配。

4)監(jiān)測電網(wǎng)的負荷情況，按使電驅(qū)動設(shè)備能獲得足夠的電功率的要求啟動和停止柴油發(fā)電機組。要實現(xiàn)這一點，也要求不允許大量不必要的負荷同時接入電網(wǎng)。

5)過載時快速降低推進器速度。

6)整個系統(tǒng)失電時發(fā)電系統(tǒng)重啟動。

7)人機交互界面。

PMS運行時，所需參數(shù)的采樣周期為100 ms。

2.1 電力系統(tǒng)的配置

“海洋石油201”電力系統(tǒng)配置6臺主發(fā)電機，電網(wǎng)總?cè)萘窟_34 560 kW，確保在各種工況下均能至少有1臺備用發(fā)電機；發(fā)電機組額定功率之和均大于各種工況下實際運行負載的功率之和，見圖1。

PMS能根據(jù)匯流排故障和設(shè)備故障等不同的情況，采取切除故障的匯流排或者保證與故障設(shè)備連接的匯流排供電的連續(xù)的措施，從而為船舶提供可靠的電源。

在1、2、3號高壓配電板；1、2、3號低壓輔配電板；應(yīng)急配電板、1、2號鋪管配電板分別集成了一個信號采集箱，監(jiān)測配電板各斷路器狀態(tài)、遙控、電流、頻率等，并且能控制部分斷路器，監(jiān)控報警點多達2 500多個。這些信號采集箱通過冗余雙路網(wǎng)絡(luò)即時通訊。信號采集箱構(gòu)成了PMS與整個船舶電站的聯(lián)系接口，在駕駛室還設(shè)置有操作臺，用來顯示以及遙控PMS。

2.2 按負載功率需求啟動和停止發(fā)電機組

正常情況下，確保足夠的維持船位用推進器所需的功率容易實現(xiàn)。當電網(wǎng)儲備功率不足時啟動備用發(fā)電機組投入運行。為保證船舶經(jīng)濟性，當儲備功率過剩時解列多余機組。

與一般船舶的PMS相比，表1中的設(shè)定值有如下特點。

表1 PMS對啟動/停止發(fā)電機組的設(shè)定值(此設(shè)定值可調(diào))

1)啟動設(shè)定值較低，停止設(shè)定值更是低得多。這是因為動力定位船舶對供電可靠性要求更高，而經(jīng)濟性的考慮比一般船舶更顯得次要。

2)運行發(fā)電機數(shù)量不同，啟動和停止設(shè)定值也有變化，而且啟動值有兩級。因為本船的主要電負荷是電力推進，要求電站有較多的功率儲備，按運行發(fā)電機的數(shù)量確定啟動和停止設(shè)定值是合理的，且兼顧了經(jīng)濟性。

為防止負載頻繁變化時發(fā)電機頻繁啟動停止，可為這樣的負載設(shè)定功率儲備。

如運行時匯流排或匯流排分段之間的斷路器斷開，則PMS可將電站作為幾個獨立電站處理。

2.3 重載問詢

根據(jù)發(fā)電機容量，本船需要重載問詢的負載有MSB1A上的1號主推進器；MSB1B上的主起重機電源1、6號推進器、7號推進器；MSB2A上的2號主推進器、主起重機電源2；MSB2B上的5號推進器；MSB3A上的7號推進器、3號推進器；MSB3B上的4號推進器。當這類大功率負載需要啟動時，先向PMS提出所需的功率請求，PMS將檢測可用功率是否足夠啟動。如果不夠，負載不會啟動，PMS將給出一個啟動備用發(fā)電機組的命令。當啟動備用發(fā)電機組后的電網(wǎng)容量足夠和其它啟動條件均具備的情況下，負載啟動被允許。如在規(guī)定的時間內(nèi)仍未達到足夠的啟動功率，負載啟動命令失效。

圖1 “海洋石油201”項目的電力系統(tǒng)

表2 PMS重載問詢設(shè)定

重載問詢除負載啟動閉鎖限定功率外，還需確定可用功率。一般船舶將電站看成一個整體，各發(fā)電機的可用功率統(tǒng)一考慮。對動力定位(DP2/DP3)的電力推進船舶來說，這樣的處理方式就不夠理想。供電主母線由多段匯流排連接組成，負載也分別接至各匯流排分段,各重要負載均是根據(jù)動力定位要求進行合理的配電。如某一匯流排分段因故跳閘，而這一分段又正好處于向其它分段大負荷供電狀態(tài)，那就容易造成其它匯流排分段過載，甚至導(dǎo)致事故擴大化。為盡量避免這種情況發(fā)生，PMS設(shè)置了一種算法，分別計算各匯流排分段的可用功率。其作用之一就是盡量減少匯流排之間的相互供電。

2.4 自動負載脫扣

PMS在下列情況下自動卸載，自動將非重要負載卸載，以確保被連接的發(fā)電機不發(fā)生持續(xù)過載。

1臺發(fā)電機突然故障導(dǎo)致在線的其它發(fā)電機組過載；

1個機艙發(fā)生故障導(dǎo)致另一機艙發(fā)電機組過載；

1臺高壓配電板發(fā)生故障導(dǎo)致其余高壓配電板和與其相聯(lián)的發(fā)電機組過載；

1臺低壓配電板發(fā)生故障導(dǎo)致其余低壓配電板和與其相聯(lián)的發(fā)電機組過載；

系統(tǒng)低頻；

船舶管理系統(tǒng)所要求的操作模式需求；

DP系統(tǒng)所要求的操作模式需求；

起重機系統(tǒng)所要求的操作模式需求；

鋪管系統(tǒng)所要求的操作模式需求。

在鋪管(尖峰)或起重安全操作模式下，DP控制系統(tǒng)優(yōu)先級高于其它系統(tǒng)，如：船舶輔機、起重機系統(tǒng)和鋪管系統(tǒng)，其目的是需確保在這兩種操作模式下能保持船位。

動力定位系統(tǒng)從PMS即時獲取當前發(fā)電機組負荷及電網(wǎng)可用功率，設(shè)定一個DP系統(tǒng)允許負荷值；如果DP系統(tǒng)的負載超過了當前電網(wǎng)可用功率，PMS將產(chǎn)生一個報警；DP系統(tǒng)根據(jù)允許負荷值限制推進器的轉(zhuǎn)速；PMS重新調(diào)整可用功率值。因變頻器響應(yīng)減負荷命令僅需幾個周波，因此可大大降低失電的可能性。

2.5 發(fā)電機組故障停機處理

船舶管理系統(tǒng)監(jiān)控主發(fā)電機組的狀態(tài)，并與PMS實時通訊，PMS可隨時了解柴油發(fā)電機組的運行狀況，提高了電站的供電可靠性。

然而，主發(fā)電機組故障停機還是可能發(fā)生的。導(dǎo)致主發(fā)電機組故障停機的原因很多，如滑油低壓、主軸承高溫、發(fā)電機繞組高溫等。與一般船舶不同，本船的柴油發(fā)電機組設(shè)置了故障停機延時功能。當發(fā)生故障停機工況時，柴油機就地控制箱通過硬接線直接向PMS發(fā)出故障停機信號，300 ms后停機。PMS收到此信號后，立刻減低DP系統(tǒng)允許負荷值，并啟動備用發(fā)電機組。因PMS采樣周期為100 ms，就至少有200 ms的處理時間，而變頻器響應(yīng)減負荷命令僅需幾個周波(本船電站一個周波為20 ms)，因此即使發(fā)生像發(fā)電機組故障停機那樣的重大故障，仍可將失電的可能性降至最低，也即供電連續(xù)性可得到最大程度的保障。

2.6 失電之后的供電恢復(fù)

當某一主配電板(6 600 V)失電時，此主配電板上所有至推進器、鋪管變壓器、輔配變壓器等的斷路器均失壓跳閘，匯流排之間的連接開關(guān)也斷開。此時，PMS將立即啟動備用發(fā)電機，并要求連接至匯流排，并在故障原因分析(主要指是否短路或接地故障、發(fā)生在何處)的基礎(chǔ)上，重新按序合閘應(yīng)合閘且可合閘的高壓斷路器。然后，PMS將按程序順序啟動各負載，從而避免各負載同時啟動而導(dǎo)致發(fā)電機的再次過載。船舶輔機啟動順序大致如下。

1)1、2號電力變壓器(分別連接至1、2號輔配電板)。1號和/或2號電力變壓器高壓側(cè)合閘后，在故障原因分析(主要指是否短路故障、發(fā)生在何處)的基礎(chǔ)上，重新按序合閘應(yīng)合閘且可合閘的低壓斷路器。

2)3、4、5、6、7號變壓器(3、4、5號變壓器分別對應(yīng)1、2、3號輔配電板的220 V負載；6、7號變壓器對應(yīng)應(yīng)急配電板220 V負載。)；1、2號推進器轉(zhuǎn)向泵及滑油泵；1、2、3、4、5、6號主機燃油循環(huán)泵。

3)淡水系統(tǒng)冷卻水泵。

4)海水系統(tǒng)冷卻水泵。

5)啟動空壓機、機艙風機。

以上輔機的啟動在20 s左右均能完成。

當主配電板(6 600 V)有電而輔配電板(400 V)失電時，PMS在故障原因分析(主要指是否短路故障、發(fā)生在何處)的基礎(chǔ)上，重新合閘相應(yīng)的高壓斷路器(如已跳閘，且可重新合閘)，并按序合閘應(yīng)合閘且可合閘的低壓斷路器。其余步驟與主配電板(6 600 V)失電后的處理程序相同。

主配電板和輔配電板供電和輔機工作都正常后，電力推進系統(tǒng)將自動按要求重新運行。

3 結(jié)束語

本船的PMS系統(tǒng)設(shè)計周密、功能齊全、充分考慮了動力定位電力推進船舶的特殊要求，最大程度保證了電力系統(tǒng)供電的連續(xù)性和可靠性，為

本船動力定位作業(yè)提供了可靠的電源。

[1] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范2009[S].北京：人民交通出版社，2009.