功率管理系統在耙吸挖泥船中的應用

陳 夢

（上海交通大學，上海 200030）

0 引 言

PMS（power management system）功率管理系統已廣泛應用于商船、海洋工程船等各種船舶中，但是功率管理系統在耙吸挖泥船中的應用有著獨特的特點。耙吸挖泥船中的 PMS不僅要有普通商船中的自動并車、負載轉移、重載問詢、順序起動等功能[1]，還要具有限螺距、限轉速、防止主機、軸帶發電機過載、一鍵挖泥等功能[2]。本文以天津航道局85m深水耙吸挖泥船為例介紹功率管理系統在該船上的應用情況。

1 功率管理系統功能

1.1 動力配置及其主要負載

圖1為該船配置的主要用電設備，包括：2臺8700kW主機、2臺7500kW軸帶發電機、3臺750kW發電機、2臺8700kW可調螺距槳、2臺5000kW艙內泥泵、2臺1320kW高壓沖水泵、1臺700kW艏側推、左、右封水泵系統和左、右液壓系統等。

1.2 PMS功能及其組成

該船的PMS具備以下功能：

1)監控6.6kV中壓配電板工作，為該船提供遠程遙控操作；監控6.6kV/400V主變壓器，為艏部配電板提供遙控操作；

2)監控主柴油發電機、對低壓主配電板進行管理；

3)在低壓配電板為軸帶發電機供電模式時，在低壓配電板失電時自動起動柴油發電機組；

4)執行并監控中壓配電板的負載轉移；

5)監視艙內泵、水下泵的起動，同時為艙內泥泵的起動釋放足夠的功率；

6)監視側推器的起動，同時為側推器釋放足夠的功率；

7)防止主機、軸帶發電機、6.6kV變壓器過載。

PMS系統通過以下的動作來完成上述的功能：

1)限制側推器功率（限制螺距）；

2)限制高壓沖水泵功率（限制轉速）；

3)限制泥泵功率（限制轉速）；

4)限制主推進功率（螺距）。

該船配置了疏浚控制臺可編程邏輯控制器PLC (PLC1)、駕駛室PLC(PLC2)、艉疏浚PLC（PLC3）、艏疏浚PLC（PLC4）和2臺功率管理系統PLC（PLC5和PLC6）。功率管理系統PLC5和PLC6為互為熱冗余的PLC系統，CPU（中央處理單元）采用SIEMENS的S7-400H系列。CPU安裝在mimic（模擬操作屏）內，在中壓配電板、低壓配電板、艏部配電板內均安裝了通過Profibus現場總線連接的PLC遠程I/O接口模塊，以便進行數據采集。在中壓配電板及低壓配電板上還設置了一個就地/遙控轉換開關，只有這兩個開關均在遙控位置上時，PMS功能才被激活[3]。

PMS通過全船以太網，向其他PLC及設備發送與接收數據（例如PLC1、PLC2、PLC3、PLC4服務器、AMS（監測報警系統）等）。

2 功率計算

2.1 計算公式

PMS的功率計算公式如下：

式中：PME——主機功率；

PDP——泥泵（水下泵）功率；

PMT——主變壓器功率；

ηGB-PD——主推進齒輪箱效率；

ηSG——軸帶發電機效率；

PMG1-3——柴油發電機功率；

PLV——低壓配電板功率；

PJP——高壓沖水泵功率；

PCPP——可調槳輸入功率；

PSG——軸帶發電機功率。

其中PME、PSG、PMG1-3、PJP、PBT、PMT和PDP是測量值，PCPP是計算值。

2.2 設備功率及效率

主機：2臺8700kW

可調槳：2臺8700kW

軸帶發電機：6.6kV/2臺7500kW

柴油發電機組：400V/3臺750kW（并車功率2250kW）

主變壓器：6.6kV/2臺400V/2000kVA

泥 泵：4160V/2臺5000kW/1500r/min

水下泵：4160V/3300kW/1500 r/min

高壓沖水泵：690V/2臺1320kW/1500 r/min

艏側推：400V/1臺700kW

左右液壓系統：755kW

左封水泵系統：180kW

右封水泵系統：74kW

應急發電機：400V/210kW

泥泵電機效率：98%

主推進齒輪箱效率：98%

軸帶發電機效率：95%

3 功率管理

當泥泵、高壓沖水泵或艏側推處在就地控制位置時，功率管理系統不能控制其功率。當柴油發電機設在自動/遙控位置時，功率管理系統才能自動起動柴油發電機組。

當可調槳（CPP）在 NFU（非隨動模式）下操作（信號自中央航行控制臺或就地控制板），功率管理系統不能控制其功率。此時若泥泵、高壓沖水泵和艏側推滿功率運行，有可能導致主機過載。

通過調速器和可調槳控制系統，主機和主推進具有獨立的功率控制。它們的功率極限也同功率管理系統連鎖，以控制其功率。當功率管理系統失效，設備自帶的功率控制將被激活。

可調槳控制器是通過限制螺旋槳的螺距來防止主機過載。主機過載時，安裝在航行控制臺和就地控制板上的“PITCH REDUCED螺距限制”指示燈將閃亮。

3.1 供電模式

正常情況下，軸帶發電機供電給中壓配電板和艏部配電板，主發電機供電給低壓主配電板。當挖泥設備功率較低，軸帶發電機功率有富余時，艏部配電板到低壓主配電板的開關J、K閉合，3臺主發電機不運行，2臺軸帶發電機供全船用電。

依據圖2中主要饋電斷路器編號，根據各工況及各用電設備功率的不同，可以有15種模式，見表1。

表1 饋電斷路器狀態（1表示可以閉合，0表示斷開）

下面對4種主要模式進行說明。

模式一：正常航行模式。PMS對每臺400V主發電機進行功率管理。此時J和K閉合，2臺軸帶發電機并聯運行向低壓主配電板供電，并可通過J和K向艏部配電板供電。在進出港工況下，可通過閉合A、C、E、I向艏側推供電；也可3臺主發電機并聯運行通過J、K、H向艏側推供電。

模式二：正常疏浚模式。適合于耙吸挖泥。PMS對每臺主機、軸帶發電機、主變壓器進行功率管理，保證主機不過載。此時J和/或K斷開，2臺軸帶發電機通過左/右舷中壓配電板分別向泥泵、高壓沖水泵供電并通過2臺主變壓器分別向左/右舷艏部配電板供電；2臺主發電機向低壓主配電板供電。

模式三：排岸模式。PMS對每臺主機、軸帶發電機、主發電機、艏側推進行功率管理，保證主機、主發電機不過載。2臺軸帶發電機通過左/右舷中壓配電板分別向泥泵、高壓沖水泵供電；3臺主發電機并聯運行，可通過閉合J、K和H向艏側推供電。

模式四：正常節能疏浚模式。PMS對每臺主機、軸帶發電機、主變壓器、艏部配電板、低壓主配電板進行功率管理，保證主機不過載。當泥泵功率較小時，可以關閉所有主發電機，軸帶發電機供全船用電。此時2臺軸帶發電機分別向泥泵、高壓沖水泵供電，并通過主變壓器、艏部配電板向低壓主配電板供電。

85m深水耙吸挖泥船功率管理系統的界面見圖3。

圖3 挖泥時功率管理系統頁面

4 斷 電

4.1 局部斷電

低壓主配電板、艏部配電板可以由軸帶發電機或柴油發電機組供電。使用軸帶發電機向全船供電時，中壓配電板、艏部配電板任何一側發生斷電，配電板匯流排連接開關（G或H）將在2s后自動閉合。

1)低壓配電板軸帶發電機模式。當低壓配電板由軸帶發電機供電時，低壓主配電板斷電（J或K斷開），備妥的柴油發電機組和應急發電機組立即起動。

如在30s內，右艏部配電板未恢復向主配電板供電，柴油發電機組開關按照所設定次序，根據當前低壓主配電板功率需求，自動合閘，投入供電。未投入使用的柴油發電機組自動停車。在35-45s內，如果主發電機組依然未合閘從而低壓主配電板未得電，那么由應急發電機向應急配電板供電。

2)低壓配電板柴油發電模式。使用柴油發電機組向低壓配電板、艏部配電板供電時，此時J和K閉合。如果低壓主配電板斷電，45s內應急發電機組起動并向應急配電板供電，O、J、K均斷開。

3)軸帶發電機+柴油發電機混合供電模式。當軸帶發電機向中壓配電板供電，主變壓器向艏部配電板供電，柴油發電機向低壓配電板供電時，如果艏部配電板斷電，不要柴油發電機自動起動，J和K自動合閘，由低壓主配電板向艏部配電板供電。如果低壓配電板斷電，J和K自動合閘，由軸帶發電機通過主變壓器及右舷艏部配電板向低壓配電板供電。

4.2 全部斷電

當發生全部斷電2s后，柴油發電機組自動起動。在柴油發電機組起動后，柴油發電機組（按照運行時間最少次序選擇）和匯流排開關J、K、H將相繼閉合。

5 供電轉換

供電轉換的實現不僅能夠增加用電設備供電的靈活性，減少斷電幾率，同時又能提高發電機的效率[4]，達到節能減排的目的。

當低壓配電板或艏部配電板在網用電負荷超過單臺主變壓器容量或單臺柴油發電機容量時，PMS會阻止由主變壓器和柴油發電機之間的供電轉換，如不超出，則進行轉換。

當低壓配電板由軸帶發電機供電向柴油發電機供電轉換時，PMS首先檢測低壓配電板上的總用電功率，當用電負荷超過單臺柴油發電機時，需要手動卸載低壓配電板上的非重要負載，直到單臺發電機不過載，再進行用電轉換，轉換成功后再手動恢復低壓配電板上的用電設備。

當低壓配電板由柴油發電機向主變壓器轉換時，PMS首先檢測低壓配電板總用電功率，當總用電功率超過單臺主變壓器負荷時，需要手動卸載非重要負載直至單臺柴油發電機不過載，再進行一臺柴油發電機與一臺主變壓器短時負載轉移，供電轉換至主變壓器，然后手動恢復低壓配電板上的用電設備。

6 設備過載時的處理

6.1 主變壓器的過載（僅僅發生在軸帶發電機供全船用電的情況）

當主變壓器過載時（主變壓器功率大于1.05倍額定功率），PMS將通過限制艏側推的功率或關閉空調裝置或把低壓配電板供電轉換到柴油發電機供電來保證主變壓器不過載。

6.2 軸帶發電機過載

當一臺軸帶發電機過載時（軸帶發電機功率大于1.05倍額定功率），首先在航行控制臺上發出“PMS降負荷”報警信號。10s后根據操作模式不同，分以下3個步驟對軸帶發電機負荷進行限制。

在正常模式下，對高壓沖水泵進行負荷限制之前，先對艏側推進行負荷限制。在DT/DP（動態航跡/動力定位）模式下，對艏側推負荷限制之前，先對高壓沖水泵負荷限制。當艏側推關閉或放在現場控制時，負荷限制程序將被跳過。

1)高壓沖水泵的功率限制：(1)高壓沖水泵功率被限制在額定功率的 85%（1122kW）和 70%（924kW）2個等級；(2)軸帶發電機負荷在93%～105%之間超過10s后，PMS先對高壓沖水泵第一級85%的負荷限制；如果軸帶發電機負荷仍≥93%，PMS啟動第二級 70%的負荷限制，啟動負荷限制時，限制指示燈長亮；(3)當軸帶發電機的負荷率≤93%超過5s時，PMS將取消進一步負荷限制。

2)艏側推功率限制。艏側推采用一級負荷限制至70%最大螺距，大約降低50%的負荷（325kW）。(1)軸帶發電機負荷在 93%-105%之間超過 10s后，PMS將保持艏側推的負荷限制（如上所述），PMS負荷限制指示燈長亮；(2)當軸帶發電機的負荷率≤90%超過5s時，PMS將取消進一步負荷限制。

當所有負荷限制被取消后，PMS負荷限制指示燈熄滅。同時，PMS是通過延時手段對由負載的短時波動引起的高頻干擾進行濾波。

7 大功率設備起動時和DT/DP模式激活時的負荷限制[3]

7.1 CPP（可調槳）的負荷限制

CPP功率在下列條件下被限制：

1)艏側推起動請求；

2)主機剩余功率不足；

3)最大螺距限制不滿足；

4)泥泵起動請求；

7.2 艏側推負荷限制

艏側推功率在下列條件下被限制：

1)正常模式下，軸帶發電機功率≥105%額定功率達10s以上；

2)DT/DP模式下，高壓沖水泵已達到最大負荷限制，軸帶發電機負荷仍≥93%。

7.3 高壓沖水泵負荷限制

高壓沖水泵功率在下列條件下被限制：

1)正常模式下，艏側推負荷限制已激活，軸帶發電機負荷仍≥93%；

2)DT/DP模式下，軸帶發電機功率≥105%額定功率達10s以上；

3)收到艏側推起動請求信號，主機儲備功率不足。

8 大功率設備的起動

8.1 艏側推的起動

PMS接收到艏側推起動請求信號后，根據當時的運行模式檢查軸帶發電機、主變壓器或低壓配電板以及主機的剩余功率。當主機、軸帶發電機、主變壓器或低壓主配電板剩余功率大于 700kW 時，起動請求才能被接受。

當軸帶發電機的剩余功率不足時，PMS將通過限制 CPP功率或限制高壓沖水泵功率直至滿足上述條件。此時PMS向艏側推發出“起動允許”信號，否則發出“起動不允許”信號，并向AMS發出“艏側推起動失敗”的報警。

PMS在收到艏側推運行信號后取消功率限制，并通過限制CPP槳角來防止主機過載。

8.2 泥泵電機的起動

只有在主機剩余功率大于1400kW（最低轉速時的功率）的前提下，泥泵才允許起動，若主機剩余功率不足，PMS將限制CPP槳角，直至滿足上述條件。此時，PMS向泥泵變頻器發出“起動允許”信號，否則發出“起動不允許”信號，并向AMS發出“泥泵起動失敗”的報警。

PMS在收到泥泵電機運行信號后取消功率限制，并通過限制CPP槳角來防止主機過載。

8.3 泥泵運行

隨著泥泵轉速的提高，泥泵電機消耗功率將增加，PMS將檢測主機剩余功率，若主機剩余功率不足，PMS將限制CPP功率直至滿足泥泵電機功率要求。

如果泥泵運轉期間無法獲取足夠的剩余功率，PMS向PLC發出“不允許調速”信號，泥泵轉速將無法提高。

9 結 語

PMS在耙吸挖泥船中的應用提高了設備的可靠性，增加了供電的連續性，特別是不同模式的預先設定，大大提高了工程施工人員的便利性。因為多種模式預先設定在程序中，當選定某種模式后，相關設備按照設定的次序依次打開，實現一鍵挖泥功能[4]。

然而目前國內先進耙吸挖泥船配備國產PMS系統的很少，該船為其中的一艘。國內在海洋工程電站技術領域與國外的差距主要體現在系統的集成技術以及關鍵設備的研制。希望通過國際交流，及時掌握國外先進技術，采取引進、消化、吸收、改進等方式解決發展瓶頸[5]。

[1]黃建章，吳忠林. 船舶設計實用手冊（電氣分冊）[M].北京：國防工業出版社.1996.

[2]王 健，等. 天津航道局85m深水耙吸挖泥船設計任務書[Z]. 天津航道局有限公司，2007.

[3]陳松濤，等. PMS功率管理系統功能規格書[Z]. 鎮江億華系統集成有限公司，2009.

[4]范建新. 船舶電站自主創新現狀和途徑[J]. 上海造船，2009, (3)∶ 42-44.

[5]唐石青，王 樂. 海洋工程電站集成技術及關鍵設備發展與研究[J]. 上海造船，2010, (3)∶ 32-35.