7800kW自航絞吸挖泥船功率管理系統(tǒng)（PMS）研究

劉志陽 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），并通過對配置和疏?？刂迫绾芜M行功率分配進行分析，闡述了大功率挖泥船功率管理系統(tǒng)關鍵設計要求。

關鍵詞：大功率自航絞吸挖泥船;供電模式;疏浚工況

中圖分類號：U674.31? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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）是一種復雜的自動化系統(tǒng)，用于處理船上發(fā)電機、配電板和重要用電設備的功率分配。該系統(tǒng)的主要作用如下：

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

（2）為發(fā)電機、柴油發(fā)動機、變壓器、配電板和大型用電設備提供必要的控制和保護功能;

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

包括：柴油發(fā)電機、軸帶發(fā)電機、連接開關和岸上連接的電源管理功能，同步、并聯(lián)運行、柴油發(fā)電機的備用控制等。

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、中壓配電板

本船共設有四臺主發(fā)電機，通過斷路器 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)電機屏對每臺主發(fā)電機的功率、電壓、電流、頻率等進行監(jiān)測，對發(fā)電機斷路器進行分/合閘狀態(tài)指示，在測量屏設有分/合閘旋鈕及發(fā)電機調(diào)速旋鈕;在 PMS 觸摸屏上可以發(fā)出主發(fā)電機主機定速請求、斷路器分/合閘、負載轉移等命令;對主發(fā)電機前、后軸承潤滑單元進行運行狀態(tài)指示;中壓配電板左/右屏通過斷路器（母聯(lián)開關 MA-B）進行聯(lián)接，在測量屏可對該斷路器進行分/合閘操作及分/合閘狀態(tài)指示，同時對保護脫扣及連鎖進行報警顯示。

中壓配電板通過三個接觸器 MA-3、 MA-4、 MB-7 分別向三個液壓泵電機供電;通過兩個斷路器 MA-5、MB-5 分別向兩套多傳動系統(tǒng)變壓器供電;通過五個斷路器 MA-6、MA-7、 MA-8、 MB-3、 MB-4 分別向 1號主推進/水下泵變壓器、 2 號絞刀變壓器、2號艙內(nèi)泵變壓器、 1號絞刀/2 號主推進變壓器、 1 號艙內(nèi)泵變壓器供電;通過一個斷路器 MB-6向日用變壓器供電，每個斷路器的電流、功率等信號通過繼保單元進行顯示。

2.2輔發(fā)電機、 400V 主配電板

本船設有一臺輔發(fā)電機;通過斷路器 LA 向主配電板供電;通過兩個斷路器 LA-1、 LB-1 分別向 1#/2#照明變壓器供電; 1 號/2 號岸電箱通過斷路器對主配電板進行供電;通過斷路器 LA-E1、 LA-E2 與應急配電板聯(lián)接;通過斷路器 LB 向日用變壓器供電;低壓配電板左/右屏通過斷路器（母聯(lián)開關 LA-B）進行聯(lián)接;照明變壓器通過兩個斷路器 LA-2、 LB-2 向 230V配電板供電;在400V 配電板輔發(fā)電機屏設有電壓、電流、功率、頻率等監(jiān)測儀表及相關指示燈。

輔發(fā)電機屏遙控模式下，在 PMS 觸摸屏上可以通過按鈕進行手動輔發(fā)起機/停機、斷路器分/合閘、加速/減速控制操作;在手動并車時，還可以通過輔發(fā)電機加速/減速按鈕對輔發(fā)電機柴油機進行加/減速控制，以手動操作輔發(fā)電機與400V 電網(wǎng)并車;在 PMS 觸摸屏上，設有各個斷路器的狀態(tài)指示，用于顯示其分/合閘狀態(tài)。

2.3 應急發(fā)電機、應急配電板

本船設有一臺應急發(fā)電機：通過斷路器 E1 向應急配電板供電。應急配電板通過斷路器 LA-E1、LA-E2 與主配電板左屏聯(lián)接，通過兩個斷路器分別向兩臺應急 230V 變壓器供電;相應應急照明變壓器通過兩個斷路器向應急 230V 配電板供電，應急配電板上設有應急發(fā)電機電壓、電流、功率、頻率等監(jiān)測儀表及相關指示燈。

在停泊遙控模式下，在 PMS 觸摸屏上可以通過按鈕進行手動起/停應急發(fā)電機及斷路器的分/合閘、加速/減速按鈕操作;在 PMS 觸摸屏上設有斷路器狀態(tài)指示，用于相應斷路器分/合閘狀態(tài)顯示; LA-E1 開關在應急配電板有電情況下或在 LA-E2 開關有電的情況下自動合閘。

3 供電模式

本船PMS設置有以下四種主要供電模式：

3.1? 4臺主發(fā)電機供電模式

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

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)電機不工作，應急/停泊柴油發(fā)電機不工作。此時主發(fā)電機負荷率為88%。

3.2? 3臺主發(fā)電機供電模式

本模式由三臺主發(fā)電機向左/右舷中壓配電板供電，通過日用變壓器向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

三臺主發(fā)電機運行向兩臺絞刀電機、水下泥泵電機和液壓泵供電;6.6kV 中壓配電板通過絞車/封水泵變頻器向橫移絞車、起橋絞車、 封水泵系統(tǒng)供電，通過日用變壓器向 400V 主配電板和應急配電板供電。

（2）雙泵挖泥（巖）工況

三臺主發(fā)電機運行向一臺絞刀電機、水下泵電機、一臺艙內(nèi)泵電機和液壓泵供電;6.6kV 中壓配電板通過絞車/封水泵變頻器向 橫移絞車、起橋絞車、封水泵系統(tǒng)供電，通過日用變壓器向 400V 主配電板和應急配電板供電;輔發(fā)電機不工作，應急/停泊柴油發(fā)電機不工作。此時主發(fā)電機負荷率為86.5%。

3.3? 2臺主發(fā)電機供電模式

本模式由兩臺主發(fā)電機提供 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

兩臺主發(fā)電機運行向一臺絞刀電機、水下 泵電機和液壓泵供電; 6.6kV 中壓配電板通過絞車/封水泵變頻器向橫移絞車、起橋絞 車、封水泵系統(tǒng)供電，通過日用變壓器向 400V 主配電板和應急配電板供電。

（2）航行工況

兩臺主發(fā)電機運行向兩臺推進電機供電;6.6kV中壓配電板通過日用變壓器向 400V 主配電板和應急配電板供電;輔發(fā)電機不工作，此時主發(fā)電機負荷率為84%。

3.4? 1臺主機供電模式

本模式由一臺主發(fā)電機提供 6600V 及 400V 全船用電，絞刀維修工況下的可選供電模式;輔發(fā)電機不工作，應急/停泊柴油發(fā)電機不工作。此時主發(fā)電機負荷率為10%。

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

4 功率限制與保護

4.1 基于自動疏浚系統(tǒng)的負載預分配及降功率順序

在疏浚工程開始之前，自動疏浚系統(tǒng)根據(jù)預設的工地土質(zhì)對疏浚設備進行功率預分：挖淤泥時，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)時則相反。

另外，對于泥泵，如果過量的降低泥泵的功率會導致泥泵的轉速降低，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出現(xiàn)堵 管。這些疏浚工況的來源是疏浚系統(tǒng)，并且功率的配置需求是一個變動的過程，此分配在電網(wǎng)未超負荷進行功率限制時有效。

在運行各設備功率總和大于在網(wǎng)主發(fā)電機總功率減400v配電板功率時，說明在當前電網(wǎng)配置下運行設備不能運行在額定功率，根據(jù)不同工況進行功率預分配可以提高施工效率，并可有效的防止電網(wǎng)超負荷進入限功率模式。表1為各設備額定功率的百分比權重，（可修改設定）：

例如：三泵雙絞刀工況，開啟四臺主發(fā)電機，此時的功率預分配計算結果如下：

設備需求總功率：16312 KW

電網(wǎng)可用總功率： 13852 KW

絞刀實際分配功率： 5084 KW

橫移絞車實際分配功率： 679 KW

水下泵實際分配功率： 3068 KW

艙內(nèi)泵實際分配功率： 4331 KW

當電網(wǎng)超負荷后，進入功率限制，PMS根據(jù)不同工況查詢限負荷優(yōu)先級如表2所列：

當電網(wǎng)出現(xiàn)過載工況時（如過載 xKW），則 PMS將執(zhí)行以下動作：

（1）向疏浚系統(tǒng)發(fā)出過載報警提示;

（2）根據(jù)疏浚系統(tǒng)給定的工況，選擇相應的功率限制優(yōu)先級表，指定的一級降功率負載減少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載執(zhí)行;

（3）如果一級降負荷達到最小功率限制值電網(wǎng)仍然過載，則激活二級降功率設備的降功率指令;

（4）依次執(zhí)行相應的降功率等級。

必須注意：在航行工況下左右推進處于相同的降功率等級時，也就是如果出現(xiàn)推進的功率限制時，則兩臺推進都會受到相同的限制值;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;當其他設備降功率仍然不滿足主推功率需求時，如果有備用機則啟動備機，并車進網(wǎng)運行。

4.2 航行模式

船舶進出港時一般以低速航行，消耗的功率較少，此時采用雙主發(fā)電機的模式就可以滿足功率需求，另外2臺主發(fā)電機則處在備機狀態(tài)。

PMS主要管理主推進的功率使用：

（1）電網(wǎng)出現(xiàn)預過載（電網(wǎng)負荷大于90%）時，發(fā)出預過載報警，如果預過載持續(xù)時間大于1分鐘，則啟動備用發(fā)電機;

（2）電網(wǎng)出現(xiàn)過載（電網(wǎng)負荷大于95%）時，發(fā)出過載報警，同時啟動備用發(fā)電機，PMS此時對推進的功率進行限制，進入降功率步驟，但不會降到設備允許使用的最小功率以下，如果過載持續(xù)時間大于10秒，則對非重要負載優(yōu)先脫扣;

（3）船舶正常巡航時，為了保證船舶的航速，采用二臺主發(fā)電機的模式就可以滿足功率需求，另外2臺主發(fā)電機則處在備機狀態(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;當其他設備降功率仍然不滿足主推功率需求時，如果有備用機則啟動備機，并車進網(wǎng)運行。

5 結論

本文通過對一艘某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目和關鍵點，具有一定的借鑒意義，也為未來類似工作的開展提供一定的經(jīng)驗和幫助。

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