某型艦供電系統失電恢復的改進方案

李文濤 楊書林 郭小松

摘要：艦船供電系統的生命力必須和艦船總體的抗沉性能相適應，當艦船遭受戰斗損害而保持不沉時，電站和配電系統的剩余供電能力必須保證維持艦船機動性、生命力和最低限度自衛能力所必須的重要負載的供電。本文通過對某型艦船供電系統失電恢復試驗時出現的問題進行分析，在不改變系統原理的基礎上，提出系統的優化改進方案，并在實船試驗中驗證了其有效性。

關鍵詞：艦船電力系統;供電生命力;失電恢復;舷側排氣系統

中圖分類號：U665.12? ? ? ? ? ? 文獻標示碼：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 某型艦電力系統組成

基于電力系統冗余設計理念和合理布置要求，某型艦電站一次網絡系統由三段主配電板各搭載兩臺柴油發電機組組成。每段主配電板均可單獨形成電站，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系統對全船重要負載提供供電。

三段配電板由布置在兩舷的舷側配電板相互連接，通過調整舷側跨接開關或主配電板跨接開關的分斷或閉合，可對電網進行分區供電或聯網供電;電站控制系統對各個跨接開關的通斷狀態進行判斷，在確保供電系統正常的情況下，同時避免形成環網。

每段主配電板可通過母聯開關的分斷，來滿足人員進行配電板的檢修、維護等操作;三段主配電板均與岸電開關相連接，可通過任一電站的岸電開關對艦船進行供電，確保停泊狀態的用電需求;除主電網外，還搭載了一定容量的UPS系統，作為全船應急電源使用。

該型艦創新融入了系統化、網絡化設計理念，將電站控制系統拆分為多個子系統。其中，供電監控系統負責監測各柴油發電機組運行狀態，以及負載輸出的參數，并對機組進行控制;配電監控系統負責監測電網各跨接開關、配電網絡至一次和二次網絡開關的電力參數，并可對電操開關進行遙控操作。同時，監測所有一次網絡以及負載中心內開關的電力參數以及故障狀態。

位于集控中心的電力監控臺，負責監測報警復示及遠程遙控操作;電站系統半自動及自動控制系統程序，均集成于電力集中監控臺內，由其向供電和配電監控系統發送指令，控制整個電站的運行;通過電力監控系統的遠程操控和自動化功率管理，可實現類似民用船舶無人機艙的工況模式;作為整個電力系統的中央控制系統，其具備高度自動化、集成化和操作便利等優點。

2 供電系統失電恢復方案設計

2.1 失電恢復方案

在艦船供電系統發生失電后，對于失電狀態下的自動和半自動恢復功能，通常有下列3種設計方案[1]：

（1）按照預先設置的優先級順序和備車狀態，優先啟動順序靠前的備用柴油發電機機組，待建立電壓后自動合閘恢復供電;

（2）直接啟動所有處于備車完畢狀態的柴油發電機組，按照預先設置的優先級順序，待建立電壓后合閘優先級高的柴油發電機組，以恢復供電;

（3）直接啟動所有處于備車完畢狀態的柴油發電機組，最快建立電壓的柴油發電機組合閘，以恢復供電。

考慮到艦船生命力的重要性，應從失電狀態快速恢復到正常航行和戰斗所需的供電狀態，因此本型艦采取第（3）種恢復方案;且在失電恢復過程中，所有未合閘的備用柴油發電機組將在電網恢復供電后，自動或人為判斷是否需要增機并聯運行;如不需增機并聯，則在延時30s后自動停止備用機組。電網失電恢復流程圖，見圖1所示：

2.2 柴油發電機組啟動

當相應主配電板處于失電狀態下，控制回路通過UPS供電，在電力監控系統收到備車信號時，可確保各機組在緊急狀態下通過自動或半自動控制方式正常啟動。

因該型艦具備沉浮作業工況，處于艦尾部位的5號、6號機組配備了舷側排氣系統，其啟動流程與其余機組有所不同，如圖2所示：

5號、6號機組啟動條件為：機組向舷側排氣系統發送啟動請求信號→舷側排氣系統處于高位（或低位）運行狀態;高位（或低位）擋板閥打開到位，另一位置擋板閥關閉到位;高、低位泄放閥均處于關閉狀態;海水冷卻泵正常運行，電動噴淋閥打開到位→舷側排氣系統向機組發送啟動允許信號，發電機組反饋備車信號至供電監控→機組可正常啟動。

2.3 舷側排氣系統

舷側排氣系統，主要由排氣管、高（低）位舷側擋板閥、高（低）位泄放閥、海水冷卻裝置（冷卻海水泵和電動噴淋閥）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下，5號、6號機組將由低位擋板閥處排氣。此時，低位擋板閥及電動噴淋閥打開，高位擋板閥及高、低位泄放閥均處于關閉狀態，機組的排氣經由海水冷卻泵輸送的海水在排氣管內進行冷卻，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

在艦船沉浮作業狀態下，因船舶吃水線較高，低位擋板閥出口已處于浸沒狀態，5號、6號機組將由高位擋板閥處排氣。此時，高位擋板閥及電動噴淋閥打開，低位擋板閥及高、低位泄放閥均處于關閉狀態，排氣同樣由海水冷卻后從高位擋板閥處排處。

2.3.2 系統設計

因5號、6號機組布置位置與機艙棚有較大距離，通過舷側排氣系統的設置避免了冗長的排氣管，在提升空間利用率的同時，兼顧了艦船不同作業工況的吃水要求;同時減少了因排氣產生的紅外輻射效應，降低了艦船被探測的風險，在一定程度上起到了提高艦船生存能力的作用。

該型艦舷側排氣系統，將高（低）位擋板閥開關到位及聯鎖情況、海水冷卻裝置運行狀態作為5號、6號機組正常運行和啟動的重要條件，需確保機組的排氣得到冷卻，并在接近水面的部位排出舷側。

3 供電系統失電恢復試驗存在的問題及解決方案

3.1 5號、6號機組未能正常啟動現象

在該型艦電站系統系泊試驗過程中，首次進行全電站聯網狀態自動控制模式下的失電恢復試驗，5號、6號機組未能正常啟動。當時電站運行狀態為：1號機組在網，其余機組均為待機備車狀態;三個電站通過右舷側配電板的三個跨接開關聯網運行;5號、6號機組的舷側排氣系統處于低位排氣狀態。此時人為將1號機組緊急停機，造成電網失電，監控系統向所有柴油發電機組發出運行信號。其中，2號～4號機組均正常啟動，最快建立電壓的3號機組成功合閘并恢復供電，2號、4號機組在3號機合閘后延時30s自動停機，但5號、6號機組未能正常啟動，且未發出起動失敗報警。

3.2 5號、6號機組啟動失敗原因分析

問題發生后，對5號、6號柴油發電機組進行檢查，兩臺機組各部件均為正常，排除因機組自身故障造成啟動失敗的原因;對舷側排氣系統進行檢查，低位擋板閥處于正常打開狀態，但系統向機組裝置發送了380V失電報警，機組收到擋板閥二級故障，電站系統將其判定為機組裝置一級故障，屬于換機故障，該故障將閉鎖5號、6號機組的備車信號，直接導致5號、6號機組無法啟動。

經過進一步查驗，擋板閥為氣動蝶閥，閥的開關動作由壓縮空氣驅動，壓縮空氣管路的通斷則由一個DC 24V電磁閥控制。因此在全船失電狀態下，當壓縮空氣系統處于正常壓力狀態，該電磁閥仍由不間斷電源持續供電，在收到運行信號后，DC 24V電磁閥動作，使壓縮空氣管路暢通，擋板閥可正常動作。但因海水冷卻泵需380V電源供電，在全船失電時主電源無法啟動，因此海水冷卻裝置在收到與運行信號后仍未正常運行，此時舷側排氣系統將向機組裝置發送380V失電報警，見圖4所示：

由圖4可知：在失電狀態下，舷側排氣系統將直接發出380V失電報警，且舷側排氣系統海水冷卻泵無法正常啟動，從而導致5號、6號柴油發電機組無法正常啟動。所以該系統存在不合理設計。

3.3 優化改進方案

依據舷側排氣系統的設計需確保機組排氣得到有效冷卻，因此海水冷卻裝置正常運行是5號、6號機組啟動的先決條件之一。

經進一步調查，海水冷卻裝置電動噴淋閥打開時間約為30s，因此即使冷卻海水泵在收到運行信號后正常啟動，在5號、6號機組啟動過程中仍有約30s的時間不能得到排氣冷卻。因此將海水冷卻裝置作為5號、6號機組啟動的先決條件，該設計未遵循保障艦船必要生命力的理念，存在一定的缺陷。

根據以上調查結論，對5號、6號機組運行進行調整，取消380V失電故障導致機組裝置無法收到允許啟動信號，并將擋板閥380V失電故障報警判定類別改為一般報警，在此狀態下機組裝置可正常運行。

以上實施方案，可通過軟件的優化達到效果，無需對硬件設施進行任何的改動。當電網恢復供電后，舷側排氣系統得到來自主配電板的380V電源，海水冷卻泵啟動器在得電后正常運行泵組，對排氣進行冷卻。

經實船驗證，5號、6號機組從啟動到合閘時間在30s之內，機組啟動過程中排氣未得到冷卻的時間與優化前相同，延續了現有硬件設施的最大艦船生命力保障。

設計優化后的5號、6號機組啟動流程圖，見圖5：

經上述優化后，重新對自動及半自動模式電站失電恢復功能進行驗證，所有機組均可正常啟動，舷側排氣系統運行正常，未再次出現機組裝置無法啟動的情況，使問題得到了完滿解決。

4 結論

通過以上方式，對該型艦供電系統原有的失電恢復原理基礎上進行優化，在維持艦船必要生命力的設計理念前提下，使系統失電恢復過程迅速有效，增加了系統的穩定性，減少了故障點的存在。

該優化方案經評審后，最終在實船上驗證為有效，表明該優化方案滿足該型艦的實際需要。

參考文獻

[1] 李勇 電網失電恢復及互鎖模塊化設計[J].上海船舶運輸科學研究所學報， 2009年12月，第32卷第2期：16-18.

[2] GJB4000-2000 艦船通用規范 3組 電力系統[S]. 中華人民共和國國家軍用標準.