陳 夢(mèng)

（上海交通大學(xué)，上海 200030）

0 引 言

PMS（power management system）功率管理系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于商船、海洋工程船等各種船舶中，但是功率管理系統(tǒng)在耙吸挖泥船中的應(yīng)用有著獨(dú)特的特點(diǎn)。耙吸挖泥船中的 PMS不僅要有普通商船中的自動(dòng)并車(chē)、負(fù)載轉(zhuǎn)移、重載問(wèn)詢(xún)、順序起動(dòng)等功能[1]，還要具有限螺距、限轉(zhuǎn)速、防止主機(jī)、軸帶發(fā)電機(jī)過(guò)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(tǒng)在該船上的應(yīng)用情況。

1 功率管理系統(tǒng)功能

1.1 動(dòng)力配置及其主要負(fù)載

圖1為該船配置的主要用電設(shè)備，包括：2臺(tái)8700kW主機(jī)、2臺(tái)7500kW軸帶發(fā)電機(jī)、3臺(tái)750kW發(fā)電機(jī)、2臺(tái)8700kW可調(diào)螺距槳、2臺(tái)5000kW艙內(nèi)泥泵、2臺(tái)1320kW高壓沖水泵、1臺(tái)700kW艏側(cè)推、左、右封水泵系統(tǒng)和左、右液壓系統(tǒng)等。

1.2 PMS功能及其組成

該船的PMS具備以下功能：

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

2)監(jiān)控主柴油發(fā)電機(jī)、對(duì)低壓主配電板進(jìn)行管理；

3)在低壓配電板為軸帶發(fā)電機(jī)供電模式時(shí)，在低壓配電板失電時(shí)自動(dòng)起動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組；

4)執(zhí)行并監(jiān)控中壓配電板的負(fù)載轉(zhuǎn)移；

5)監(jiān)視艙內(nèi)泵、水下泵的起動(dòng)，同時(shí)為艙內(nèi)泥泵的起動(dòng)釋放足夠的功率；

6)監(jiān)視側(cè)推器的起動(dòng)，同時(shí)為側(cè)推器釋放足夠的功率；

7)防止主機(jī)、軸帶發(fā)電機(jī)、6.6kV變壓器過(guò)載。

PMS系統(tǒng)通過(guò)以下的動(dòng)作來(lái)完成上述的功能：

1)限制側(cè)推器功率（限制螺距）；

2)限制高壓沖水泵功率（限制轉(zhuǎn)速）；

3)限制泥泵功率（限制轉(zhuǎn)速）；

4)限制主推進(jìn)功率（螺距）。

該船配置了疏?？刂婆_(tái)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(tái)功率管理系統(tǒng)PLC（PLC5和PLC6）。功率管理系統(tǒng)PLC5和PLC6為互為熱冗余的PLC系統(tǒng)，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(nèi)，在中壓配電板、低壓配電板、艏部配電板內(nèi)均安裝了通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線連接的PLC遠(yuǎn)程I/O接口模塊，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在中壓配電板及低壓配電板上還設(shè)置了一個(gè)就地/遙控轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，只有這兩個(gè)開(kāi)關(guān)均在遙控位置上時(shí)，PMS功能才被激活[3]。

PMS通過(guò)全船以太網(wǎng)，向其他PLC及設(shè)備發(fā)送與接收數(shù)據(jù)（例如PLC1、PLC2、PLC3、PLC4服務(wù)器、AMS（監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)）等）。

2 功率計(jì)算

2.1 計(jì)算公式

PMS的功率計(jì)算公式如下：

式中：PME——主機(jī)功率；

PDP——泥泵（水下泵）功率；

PMT——主變壓器功率；

ηGB-PD——主推進(jìn)齒輪箱效率；

ηSG——軸帶發(fā)電機(jī)效率；

PMG1-3——柴油發(fā)電機(jī)功率；

PLV——低壓配電板功率；

PJP——高壓沖水泵功率；

PCPP——可調(diào)槳輸入功率；

PSG——軸帶發(fā)電機(jī)功率。

其中PME、PSG、PMG1-3、PJP、PBT、PMT和PDP是測(cè)量值，PCPP是計(jì)算值。

2.2 設(shè)備功率及效率

主機(jī)：2臺(tái)8700kW

可調(diào)槳：2臺(tái)8700kW

軸帶發(fā)電機(jī)：6.6kV/2臺(tái)7500kW

柴油發(fā)電機(jī)組：400V/3臺(tái)750kW（并車(chē)功率2250kW）

主變壓器：6.6kV/2臺(tái)400V/2000kVA

泥 泵：4160V/2臺(tái)5000kW/1500r/min

水下泵：4160V/3300kW/1500 r/min

高壓沖水泵：690V/2臺(tái)1320kW/1500 r/min

艏側(cè)推：400V/1臺(tái)700kW

左右液壓系統(tǒng)：755kW

左封水泵系統(tǒng)：180kW

右封水泵系統(tǒng)：74kW

應(yīng)急發(fā)電機(jī)：400V/210kW

泥泵電機(jī)效率：98%

主推進(jìn)齒輪箱效率：98%

軸帶發(fā)電機(jī)效率：95%

3 功率管理

當(dāng)泥泵、高壓沖水泵或艏側(cè)推處在就地控制位置時(shí)，功率管理系統(tǒng)不能控制其功率。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)設(shè)在自動(dòng)/遙控位置時(shí)，功率管理系統(tǒng)才能自動(dòng)起動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組。

當(dāng)可調(diào)槳（CPP）在 NFU（非隨動(dòng)模式）下操作（信號(hào)自中央航行控制臺(tái)或就地控制板），功率管理系統(tǒng)不能控制其功率。此時(shí)若泥泵、高壓沖水泵和艏側(cè)推滿(mǎn)功率運(yùn)行，有可能導(dǎo)致主機(jī)過(guò)載。

通過(guò)調(diào)速器和可調(diào)槳控制系統(tǒng)，主機(jī)和主推進(jìn)具有獨(dú)立的功率控制。它們的功率極限也同功率管理系統(tǒng)連鎖，以控制其功率。當(dāng)功率管理系統(tǒng)失效，設(shè)備自帶的功率控制將被激活。

可調(diào)槳控制器是通過(guò)限制螺旋槳的螺距來(lái)防止主機(jī)過(guò)載。主機(jī)過(guò)載時(shí)，安裝在航行控制臺(tái)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(fā)電機(jī)供電給中壓配電板和艏部配電板，主發(fā)電機(jī)供電給低壓主配電板。當(dāng)挖泥設(shè)備功率較低，軸帶發(fā)電機(jī)功率有富余時(shí)，艏部配電板到低壓主配電板的開(kāi)關(guān)J、K閉合，3臺(tái)主發(fā)電機(jī)不運(yùn)行，2臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)供全船用電。

依據(jù)圖2中主要饋電斷路器編號(hào)，根據(jù)各工況及各用電設(shè)備功率的不同，可以有15種模式，見(jiàn)表1。

表1 饋電斷路器狀態(tài)（1表示可以閉合，0表示斷開(kāi)）

下面對(duì)4種主要模式進(jìn)行說(shuō)明。

模式一：正常航行模式。PMS對(duì)每臺(tái)400V主發(fā)電機(jī)進(jìn)行功率管理。此時(shí)J和K閉合，2臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行向低壓主配電板供電，并可通過(guò)J和K向艏部配電板供電。在進(jìn)出港工況下，可通過(guò)閉合A、C、E、I向艏側(cè)推供電；也可3臺(tái)主發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行通過(guò)J、K、H向艏側(cè)推供電。

模式二：正常疏浚模式。適合于耙吸挖泥。PMS對(duì)每臺(tái)主機(jī)、軸帶發(fā)電機(jī)、主變壓器進(jìn)行功率管理，保證主機(jī)不過(guò)載。此時(shí)J和/或K斷開(kāi)，2臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)通過(guò)左/右舷中壓配電板分別向泥泵、高壓沖水泵供電并通過(guò)2臺(tái)主變壓器分別向左/右舷艏部配電板供電；2臺(tái)主發(fā)電機(jī)向低壓主配電板供電。

模式三：排岸模式。PMS對(duì)每臺(tái)主機(jī)、軸帶發(fā)電機(jī)、主發(fā)電機(jī)、艏側(cè)推進(jìn)行功率管理，保證主機(jī)、主發(fā)電機(jī)不過(guò)載。2臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)通過(guò)左/右舷中壓配電板分別向泥泵、高壓沖水泵供電；3臺(tái)主發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，可通過(guò)閉合J、K和H向艏側(cè)推供電。

模式四：正常節(jié)能疏浚模式。PMS對(duì)每臺(tái)主機(jī)、軸帶發(fā)電機(jī)、主變壓器、艏部配電板、低壓主配電板進(jìn)行功率管理，保證主機(jī)不過(guò)載。當(dāng)泥泵功率較小時(shí)，可以關(guān)閉所有主發(fā)電機(jī)，軸帶發(fā)電機(jī)供全船用電。此時(shí)2臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)分別向泥泵、高壓沖水泵供電，并通過(guò)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(tǒng)的界面見(jiàn)圖3。

圖3 挖泥時(shí)功率管理系統(tǒng)頁(yè)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(fā)電機(jī)或柴油發(fā)電機(jī)組供電。使用軸帶發(fā)電機(jī)向全船供電時(shí)，中壓配電板、艏部配電板任何一側(cè)發(fā)生斷電，配電板匯流排連接開(kāi)關(guān)（G或H）將在2s后自動(dòng)閉合。

1)低壓配電板軸帶發(fā)電機(jī)模式。當(dāng)?shù)蛪号潆姲逵奢S帶發(fā)電機(jī)供電時(shí)，低壓主配電板斷電（J或K斷開(kāi)），備妥的柴油發(fā)電機(jī)組和應(yīng)急發(fā)電機(jī)組立即起動(dòng)。

如在30s內(nèi)，右艏部配電板未恢復(fù)向主配電板供電，柴油發(fā)電機(jī)組開(kāi)關(guān)按照所設(shè)定次序，根據(jù)當(dāng)前低壓主配電板功率需求，自動(dòng)合閘，投入供電。未投入使用的柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)停車(chē)。在35-45s內(nèi)，如果主發(fā)電機(jī)組依然未合閘從而低壓主配電板未得電，那么由應(yīng)急發(fā)電機(jī)向應(yīng)急配電板供電。

2)低壓配電板柴油發(fā)電模式。使用柴油發(fā)電機(jī)組向低壓配電板、艏部配電板供電時(shí)，此時(shí)J和K閉合。如果低壓主配電板斷電，45s內(nèi)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組起動(dòng)并向應(yīng)急配電板供電，O、J、K均斷開(kāi)。

3)軸帶發(fā)電機(jī)+柴油發(fā)電機(jī)混合供電模式。當(dāng)軸帶發(fā)電機(jī)向中壓配電板供電，主變壓器向艏部配電板供電，柴油發(fā)電機(jī)向低壓配電板供電時(shí)，如果艏部配電板斷電，不要柴油發(fā)電機(jī)自動(dòng)起動(dòng)，J和K自動(dòng)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(dòng)合閘，由軸帶發(fā)電機(jī)通過(guò)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(dāng)發(fā)生全部斷電2s后，柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)起動(dòng)。在柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)后，柴油發(fā)電機(jī)組（按照運(yùn)行時(shí)間最少次序選擇）和匯流排開(kāi)關(guān)J、K、H將相繼閉合。

5 供電轉(zhuǎn)換

供電轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)不僅能夠增加用電設(shè)備供電的靈活性，減少斷電幾率，同時(shí)又能提高發(fā)電機(jī)的效率[4]，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

當(dāng)?shù)蛪号潆姲寤螋疾颗潆姲逶诰W(wǎng)用電負(fù)荷超過(guò)單臺(tái)主變壓器容量或單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)容量時(shí)，PMS會(huì)阻止由主變壓器和柴油發(fā)電機(jī)之間的供電轉(zhuǎn)換，如不超出，則進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

當(dāng)?shù)蛪号潆姲逵奢S帶發(fā)電機(jī)供電向柴油發(fā)電機(jī)供電轉(zhuǎn)換時(shí)，PMS首先檢測(cè)低壓配電板上的總用電功率，當(dāng)用電負(fù)荷超過(guò)單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)時(shí)，需要手動(dòng)卸載低壓配電板上的非重要負(fù)載，直到單臺(tái)發(fā)電機(jī)不過(guò)載，再進(jìn)行用電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成功后再手動(dòng)恢復(fù)低壓配電板上的用電設(shè)備。

當(dāng)?shù)蛪号潆姲逵刹裼桶l(fā)電機(jī)向主變壓器轉(zhuǎn)換時(shí)，PMS首先檢測(cè)低壓配電板總用電功率，當(dāng)總用電功率超過(guò)單臺(tái)主變壓器負(fù)荷時(shí)，需要手動(dòng)卸載非重要負(fù)載直至單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)不過(guò)載，再進(jìn)行一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)與一臺(tái)主變壓器短時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)移，供電轉(zhuǎn)換至主變壓器，然后手動(dòng)恢復(fù)低壓配電板上的用電設(shè)備。

6 設(shè)備過(guò)載時(shí)的處理

6.1 主變壓器的過(guò)載（僅僅發(fā)生在軸帶發(fā)電機(jī)供全船用電的情況）

當(dāng)主變壓器過(guò)載時(shí)（主變壓器功率大于1.05倍額定功率），PMS將通過(guò)限制艏側(cè)推的功率或關(guān)閉空調(diào)裝置或把低壓配電板供電轉(zhuǎn)換到柴油發(fā)電機(jī)供電來(lái)保證主變壓器不過(guò)載。

6.2 軸帶發(fā)電機(jī)過(guò)載

當(dāng)一臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)過(guò)載時(shí)（軸帶發(fā)電機(jī)功率大于1.05倍額定功率），首先在航行控制臺(tái)上發(fā)出“PMS降負(fù)荷”報(bào)警信號(hào)。10s后根據(jù)操作模式不同，分以下3個(gè)步驟對(duì)軸帶發(fā)電機(jī)負(fù)荷進(jìn)行限制。

在正常模式下，對(duì)高壓沖水泵進(jìn)行負(fù)荷限制之前，先對(duì)艏側(cè)推進(jìn)行負(fù)荷限制。在DT/DP（動(dòng)態(tài)航跡/動(dòng)力定位）模式下，對(duì)艏側(cè)推負(fù)荷限制之前，先對(duì)高壓沖水泵負(fù)荷限制。當(dāng)艏側(cè)推關(guān)閉或放在現(xiàn)場(chǎng)控制時(shí)，負(fù)荷限制程序?qū)⒈惶^(guò)。

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(gè)等級(jí)；(2)軸帶發(fā)電機(jī)負(fù)荷在93%～105%之間超過(guò)10s后，PMS先對(duì)高壓沖水泵第一級(jí)85%的負(fù)荷限制；如果軸帶發(fā)電機(jī)負(fù)荷仍≥93%，PMS啟動(dòng)第二級(jí) 70%的負(fù)荷限制，啟動(dòng)負(fù)荷限制時(shí)，限制指示燈長(zhǎng)亮；(3)當(dāng)軸帶發(fā)電機(jī)的負(fù)荷率≤93%超過(guò)5s時(shí)，PMS將取消進(jìn)一步負(fù)荷限制。

2)艏側(cè)推功率限制。艏側(cè)推采用一級(jí)負(fù)荷限制至70%最大螺距，大約降低50%的負(fù)荷（325kW）。(1)軸帶發(fā)電機(jī)負(fù)荷在 93%-105%之間超過(guò) 10s后，PMS將保持艏側(cè)推的負(fù)荷限制（如上所述），PMS負(fù)荷限制指示燈長(zhǎng)亮；(2)當(dāng)軸帶發(fā)電機(jī)的負(fù)荷率≤90%超過(guò)5s時(shí)，PMS將取消進(jìn)一步負(fù)荷限制。

當(dāng)所有負(fù)荷限制被取消后，PMS負(fù)荷限制指示燈熄滅。同時(shí)，PMS是通過(guò)延時(shí)手段對(duì)由負(fù)載的短時(shí)波動(dòng)引起的高頻干擾進(jìn)行濾波。

7 大功率設(shè)備起動(dòng)時(shí)和DT/DP模式激活時(shí)的負(fù)荷限制[3]

7.1 CPP（可調(diào)槳）的負(fù)荷限制

CPP功率在下列條件下被限制：

1)艏側(cè)推起動(dòng)請(qǐng)求；

2)主機(jī)剩余功率不足；

3)最大螺距限制不滿(mǎn)足；

4)泥泵起動(dòng)請(qǐng)求；

7.2 艏側(cè)推負(fù)荷限制

艏側(cè)推功率在下列條件下被限制：

1)正常模式下，軸帶發(fā)電機(jī)功率≥105%額定功率達(dá)10s以上；

2)DT/DP模式下，高壓沖水泵已達(dá)到最大負(fù)荷限制，軸帶發(fā)電機(jī)負(fù)荷仍≥93%。

7.3 高壓沖水泵負(fù)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(cè)推負(fù)荷限制已激活，軸帶發(fā)電機(jī)負(fù)荷仍≥93%；

2)DT/DP模式下，軸帶發(fā)電機(jī)功率≥105%額定功率達(dá)10s以上；

3)收到艏側(cè)推起動(dòng)請(qǐng)求信號(hào)，主機(jī)儲(chǔ)備功率不足。

8 大功率設(shè)備的起動(dòng)

8.1 艏側(cè)推的起動(dòng)

PMS接收到艏側(cè)推起動(dòng)請(qǐng)求信號(hào)后，根據(jù)當(dāng)時(shí)的運(yùn)行模式檢查軸帶發(fā)電機(jī)、主變壓器或低壓配電板以及主機(jī)的剩余功率。當(dāng)主機(jī)、軸帶發(fā)電機(jī)、主變壓器或低壓主配電板剩余功率大于 700kW 時(shí)，起動(dòng)請(qǐng)求才能被接受。

當(dāng)軸帶發(fā)電機(jī)的剩余功率不足時(shí)，PMS將通過(guò)限制 CPP功率或限制高壓沖水泵功率直至滿(mǎn)足上述條件。此時(shí)PMS向艏側(cè)推發(fā)出“起動(dòng)允許”信號(hào)，否則發(fā)出“起動(dòng)不允許”信號(hào)，并向AMS發(fā)出“艏側(cè)推起動(dòng)失敗”的報(bào)警。

PMS在收到艏側(cè)推運(yùn)行信號(hào)后取消功率限制，并通過(guò)限制CPP槳角來(lái)防止主機(jī)過(guò)載。

8.2 泥泵電機(jī)的起動(dòng)

只有在主機(jī)剩余功率大于1400kW（最低轉(zhuǎn)速時(shí)的功率）的前提下，泥泵才允許起動(dòng)，若主機(jī)剩余功率不足，PMS將限制CPP槳角，直至滿(mǎn)足上述條件。此時(shí)，PMS向泥泵變頻器發(fā)出“起動(dòng)允許”信號(hào)，否則發(fā)出“起動(dòng)不允許”信號(hào)，并向AMS發(fā)出“泥泵起動(dòng)失敗”的報(bào)警。

PMS在收到泥泵電機(jī)運(yùn)行信號(hào)后取消功率限制，并通過(guò)限制CPP槳角來(lái)防止主機(jī)過(guò)載。

8.3 泥泵運(yùn)行

隨著泥泵轉(zhuǎn)速的提高，泥泵電機(jī)消耗功率將增加，PMS將檢測(cè)主機(jī)剩余功率，若主機(jī)剩余功率不足，PMS將限制CPP功率直至滿(mǎn)足泥泵電機(jī)功率要求。

如果泥泵運(yùn)轉(zhuǎn)期間無(wú)法獲取足夠的剩余功率，PMS向PLC發(fā)出“不允許調(diào)速”信號(hào)，泥泵轉(zhuǎn)速將無(wú)法提高。

9 結(jié) 語(yǔ)

PMS在耙吸挖泥船中的應(yīng)用提高了設(shè)備的可靠性，增加了供電的連續(xù)性，特別是不同模式的預(yù)先設(shè)定，大大提高了工程施工人員的便利性。因?yàn)槎喾N模式預(yù)先設(shè)定在程序中，當(dāng)選定某種模式后，相關(guān)設(shè)備按照設(shè)定的次序依次打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)一鍵挖泥功能[4]。

然而目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)耙吸挖泥船配備國(guó)產(chǎn)PMS系統(tǒng)的很少，該船為其中的一艘。國(guó)內(nèi)在海洋工程電站技術(shù)領(lǐng)域與國(guó)外的差距主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的集成技術(shù)以及關(guān)鍵設(shè)備的研制。希望通過(guò)國(guó)際交流，及時(shí)掌握國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，采取引進(jìn)、消化、吸收、改進(jìn)等方式解決發(fā)展瓶頸[5]。

[1]黃建章，吳忠林. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)（電氣分冊(cè)）[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社.1996.

[2]王 健，等. 天津航道局85m深水耙吸挖泥船設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)[Z]. 天津航道局有限公司，2007.

[3]陳松濤，等. PMS功率管理系統(tǒng)功能規(guī)格書(shū)[Z]. 鎮(zhèn)江億華系統(tǒng)集成有限公司，2009.

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

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