某艦艇自動電站優化設計

汪成義，羅伯坤，沈 杰

應用研究

某艦艇自動電站優化設計

汪成義，羅伯坤，沈 杰

（中國船舶與海洋工程設計研究院，上海 200011）

電站作為艦船電力的來源，其安全、穩定的運行在航行過程中至關重要。如何保證艦艇電力供電及其監控系統智能化、自動化是艦船電力系統科研設計、保障工作者一直研究的重要內容。文章首先分析了某艦艇電力供電及其監控系統基本情況，通過對實船自動電站情況驗證分析，在不改變原電力供電及其控制系統的基礎上，提出增加“主電網失電，自動起動主電站備用機組”的改進性設計方案。方案能有效的提高主電站監控系統的智能化、自動化程度和保證艦艇航行安全。

船舶電站 自動電站 電站監控 失電自起動

0 引言

隨著進入21世紀以來，我國造船事業處于高速發展的階段，伴隨著國內電力、電子、控制、通訊和信息技術的發展，電子技術的突飛猛進、集成電路的投入使用以及計算機網絡的快速發展，國內船舶自動化電站技術得到迅速發展[3]。經歷了幾十年的發展，船舶機艙從有人值守到自動化機艙，目前國內外學者普遍研究無人值班機艙，但實現機艙自動化是實現無人值班機艙的必要條件[1,2]。

從技術層面看，船舶電站自動化經歷了單元分立式控制、集中式自動控制、分散式自動控制和集散式自動化系統的過程。八十年代之前，單元分立式自動化主要包含自動并車裝置、自動并車解列、自動負載分配裝置和AVR自動調壓裝置等組成電站自動化裝置。進入八十年代以來，隨著計算機和網絡技術的發展，先后出現了微機集中式自動控制和分散式自動化系統，集中式自動控制系統便于集中控制，但是該系統故障查找和維修困難。分散式控制提高了系統的可靠性和可維護性，但是不便于無人機艙集中管理要求。目前國內外船舶電站自動化朝著集散型自動化系統發展，它結合了集中和分散的優點。[3]建立在網絡通信基礎上的集散型控制系統的出現，使得船舶電站自動化開始了一個全新時代。

結合以上電站監控系統的發展，本文以21世紀初期一條艦艇電站自動化為例，增加該自動電站的“主電網失電，自動起動主電站備用機組”功能。

2 基本情況

某艦艇主電網供電裝備由4臺MAN-B&W 6L20/27主柴油發電機組和1臺MWM-TBD234-V12停泊發電機組構成；應急電網供電裝備由1臺MWM-TBD234 V6柴油發電機組構成；臨時應急電網供電裝備由若干蓄電池及充放電裝置構成。本艦艇主電網及應急電網供電示意圖如下圖1：

圖1 主電網及應急電網供電示意圖

該艦艇在進廠進行中修期間船方提出“主電網失電后，主電站無法自動起動備用機組”的情況，希望我們設計、保障人員就目前船舶電站的狀態分析，艦艇在航行過程中出現極端情況，全船失電后應如何恢復主電網供電，如果不能自動起動主電站機組，能否通過優化改進實現該功能，希望做出論證分析。

在開展艦艇系泊試驗期間，對艦船電力系統電站自動控制功能進行試驗驗證，電站自動控制功能試驗過程如下：

1）在主配電板上將選擇開關置于“自動”，設置電站運行控制方式為自動；

2）設置一臺主發電機組在網，當在網負載功率大于等于85%時自動增機，備用機組能夠自動啟動后自動投入電網，此時在網機組共兩臺；

3）繼續增加在網負載功率大于等于170%Pe時自動增機，備用機組能夠自動啟動后自動投入電網，此時在網機組共三臺；

4）繼續增加在網負載功率大于等于255%Pe時自動增機，備用機組能夠自動啟動后自動投入電網，此時在網機組共四臺；

5）調節在網負載功率小于等于90%Pe時自動減機，此時在網機組共三臺；

6）調節在網負載功率小于等于60%Pe時自動減機，此時在網機組共兩臺；

7）模擬當一臺機組發生A類故障（如滑油壓力過低、超速）時，機組停機，此時備用機組能自動起動，自動合閘投入電網供電，此時在網機組為兩臺；

8）調節在網負載功率小于等于30%Pe時自動減機，此時在網機組共一臺，或手動調節，投入停泊機組；

9）手動解列發電機組主開關，此時主電網失電，應急發電機組自動起動，應急配電板供電，但主電站無法自動起動備用機組，無法自動恢復主電網供電。

按照該船實船試驗過程狀態分析在在航行過程中主電網失電，手動恢復主電網供電過程如下：當主電站機組解列，主配電板失電時，應急發電機組應急起機，應急配電板給船上應急照明供電；停泊發電機組滑油預供油泵為手搖泵，可以通過手動搖動手搖泵潤滑停泊發電機組，手動起動主電網停泊發電機組，恢復主配電板供電，繼而可通過主配電板恢復主發電機組滑油預供油泵供電，起動主發電機組供電。

3 原因分析

查閱該艦艇電站自動控制功能說明書描述如下：在網機組平均功率≥85%時自動增機，機組起動成功后自動投入電網；在網機組平均功率≤30%時自動減機。在說明書并未涉及“主電網失電，自動起動主電站備用機組”功能要求。依據HJB4000-2000對電站自動化功能設計要求是按照標準可選擇、可裁剪和組合。鑒于該艦艇服役入列已近16年之久，電站的設計是一個迭代升級的過程，按照系泊期間電力系統電站自動控制功能試驗，滿足該艦艇說明書電站自動控制功能要求。

根據對電站自動控制功能試驗，在主配電板未失電情況下，主發電機組可以自動增、減機組，那么主配電板上電站控制器可以控制機組自動起、停。考慮“主電網失電后，主電站無法自動起動備用機組”的原因如下幾點：

1）當主配電板失電后，電站控制器是否給主發電機組機旁控制箱發起起動機組信號；

2）當主配電板失電后，機旁控制箱內部是否存在自動起動機組的控制電路；

3）當主配電板失電后，機組外圍油、汽、水、電是否可以滿足起動機組條件。

根據以上三點進行驗證研討發現，主發電機組柴油機MAN-B&W 6L20/27機組特性，主發電機組須在滑油預供油泵建立一定油壓才具備起動條件，因此在主發電機組內部的控制線路設置了與滑油預供油泵的壓力聯鎖；當主配電板失電時，主發電機組滑油預供油泵無法起動，滑油預供壓力值低于壓力開關設定值，此時無法自動起動主發電機組。

主電網停泊發電機組滑油預供油泵為手搖泵，但機組僅手動和半自動控制模式，半自動控制模塊無自動起動機組的功能，因此在主配電板失電時，無法自動起動除應急發電機組之外的備用機組。

4 自動起動功能優化改進設計

4.1 自動起動的判決條件[4]

一般的電站控制器自動起動判決條件有如下四種情況：

1）設定的最小運行機組數大于在網運行機組數，電站控制器按差數起動發電機組并自動投網并聯運行；

2）在網運行的機組出現故障停機，自動起動備用機組并自動投入電網并聯運行；

3）在網負荷超過機組平均功率N%（一般取85%），電站控制器會起動備用機組并自動投入電網并聯運行；

4）電網失電時，按照優先級起動備用機組并恢復電網供電。

4.2 失電自動起動控制程序

設置發電機組控制方式為自動時，電站控制器會自動判斷以上四種自動起動判決條件，當出現以上情況時，電站控制器會向發電機組機旁控制箱發出起動備用機組的信號。開始電站控制器會判斷電網是否有電，如果電網失電，電站控制器會發出1#發電機組起動信號（假設發電機組優先級為1#、2#、3#、4#），當1#發電機組機旁控制箱接收到電站控制器的啟動信號時，1#發電機組啟動成功后對應主開關合閘，并恢復主電網供電。在此過程中電站控制器會發送三次啟動信號，如果在規定時間內1#機組未能起動時，電站控制器發出1#機組起動失敗報警，同時電站控制器發起起動2#發電機組信號。依次起動備用機組，最先起動成功者自動投入電網。發電機組失電自動動的流程圖如圖2。

圖2 發電機組失電自動起動的流程圖

4.3 失電自動功能優化設計

根據上述“主電網失電時，無法自動起動主電站備用機組”的原因主要為主配電板失電時，主發電機組滑油預供油泵失電，此時機組自動起動與滑油預供油壓聯鎖因此無法自動起動。本文提出了兩個解決方案。

（1）方案1、增加蓄電池組、交流不間斷電源UPS供電

該艦艇應急直流供電系統總體設計未考慮發電機組滑油預供油泵應急供電需求，在不改變艦艇應急直流供電系統總體設計的情況下。因此在蓄電池室增加一套蓄電池組和充放電裝置以滿足柴油發電機組滑油預供油泵應急直流供電。在輔機艙配置一臺380 V 交流不間斷UPS電源供電。主柴油發電機組滑油預供油泵額定功率為1.5 kW 、額定電壓為380 V。綜合上述實船情況，優化改進后的系統應滿足：當主發電機組正常運行時，通過主配電板通過各級配電系統給滑油預供油泵供電，此時主電站如果需要增減機，滑油預供油泵均滿足啟停機組滑油壓力聯鎖需求。當主發電機組全部停機、主電網失電時，主電網無法給滑油預供油泵供電，交流不間斷電源UPS切換到蓄電池經過充放電裝置，經過DC/DC變換和DC/AC變化后輸出交流380 V電源供滑油預供油泵供電，當電站控制器檢測到主電網失電時，主電站滑油預供油泵一直能夠有電源不間斷供電，滿足滑油預供壓力聯鎖要求，發電機組能夠起動備用機組，恢復主電網供電。按上述分析，滑油預供油泵增加不間斷供電原理圖如下圖3。

圖3 滑油預供油泵不間斷供電原理圖

（2）方案2、增加兩路電源供電裝置

該艦艇應急電源由應急發電機組構成，當主電站失電時，應急發電機組此時自動起動，并應急配電板主開關自動合閘供船上應急照明和應急供電裝備供電用。當主電網恢復向應急配電板供電后，應急發電機組主開關自動分閘，應急發電機組自動延時停機。

該方案在機艙區域加上4臺兩路電源轉換裝置，當主電站供主電網正常供電時，主電網通過各級配電系統向主柴油發電機組預供油泵供電，實現主電站自動增減機的需求。當主電網失電時，應急發電機組通過應急配電板再經兩路電源轉換裝置向滑油預供油泵供電，滑油預供油泵能夠建立機組起動的滑油預供油壓需求，滿足主電站起動機組前提條件，電站控制器向機旁控制箱發起起動信號，起動主電站發電機組，恢復主電站供電，但此方案當主電網失電，需要應急電站自動起動和經過應急配電板供兩路電源轉換裝置開關合閘及兩路電源轉換裝置切換電源的時間，不能完成滑油預供油泵不間斷供電。其恢復主電站供電可靠性、時效性較差。

5 結束語

本文對國內船舶電站監控系統發展和趨勢進行研究，闡明了不同時期電站監控系統的技術特點。然后對某艦艇自動電站功能進行技術狀態分析，針對本船自動電站無法實現“主電網失電后，主電站無法自動起動備用機組”進行原因分析，根據其具體原因提出了兩種優化改進方案。兩種優化改進方案能夠有效保證電站失電自啟動功能的完整性，為艦艇航行安全提供有力保障。通過本次對該艦艇的自動電站系統優化改進分析，目前國內外不同艦艇其電站監控系統特點，不同時期電站監控系統有所差異。有些電站監控系統僅手動功能，有些電站存在手動、半自動功能，還有些電站控制功能比較完善，存在手動、半自動、自動功能。同時也存在不同時期電站監控系統的其功能的獨特性。需要我們科研、保障人員進行分析。對不同時期的艦艇電站監控系統進行優化改進，以提高船舶電站系統的自動化、智能化程度。同時保證艦艇在航行過程中的安全性。

[1] 巫林生. 淺析船舶電站自動化系統領域的發展現狀與趨勢. [J] 科學與技術，2020（9）.

[2] 胡鑫. 淺析船舶電站自動化系統領域的發展現狀與趨勢[J]. 建筑工程技術與設計,2017,(22):3260-3260

[3] 呂付帥. 淺談船舶電氣自動化發展趨勢[D]. 重慶交通大學 ,2013（4）

[4] 勞山. 船舶電站自動化及發電機保護的設計與實現[D]大連海事大學，2014（5）

[5] 王闖. 基于PLC的船舶電站綜合監控系統的設計[D]：大連海事大學，2008

[6] 王文義. 船舶電站[M]. 哈爾濱：哈爾濱過程大學出版社，2006

Optimal design of automatic power station for a surface ship

Wang Chengyi, Luo Bokun, Shen Jie

（Marine Design and Research Institute of China ，Shanghai 200011, China）

U665

A

1003-4862（2023）10-0041-04

2023-02-09

汪成義(1990-)，男，工程師。研究方向：船舶電氣、通導設備及自動控制。E-mail:1192495416@qq.com