功率管理系统在耙吸挖泥船中的应用

陈 梦

（上海交通大学，上海 200030）

0 引 言

PMS（power management system）功率管理系统已广泛应用于商船、海洋工程船等各种船舶中，但是功率管理系统在耙吸挖泥船中的应用有着独特的特点。耙吸挖泥船中的 PMS不仅要有普通商船中的自动并车、负载转移、重载问询、顺序起动等功能[1]，还要具有限螺距、限转速、防止主机、轴带发电机过载、一键挖泥等功能[2]。本文以天津航道局85m深水耙吸挖泥船为例介绍功率管理系统在该船上的应用情况。

1 功率管理系统功能

1.1 动力配置及其主要负载

图1为该船配置的主要用电设备，包括：2台8700kW主机、2台7500kW轴带发电机、3台750kW发电机、2台8700kW可调螺距桨、2台5000kW舱内泥泵、2台1320kW高压冲水泵、1台700kW艏侧推、左、右封水泵系统和左、右液压系统等。

1.2 PMS功能及其组成

该船的PMS具备以下功能：

1)监控6.6kV中压配电板工作，为该船提供远程遥控操作；监控6.6kV/400V主变压器，为艏部配电板提供遥控操作；

2)监控主柴油发电机、对低压主配电板进行管理；

3)在低压配电板为轴带发电机供电模式时，在低压配电板失电时自动起动柴油发电机组；

4)执行并监控中压配电板的负载转移；

5)监视舱内泵、水下泵的起动，同时为舱内泥泵的起动释放足够的功率；

6)监视侧推器的起动，同时为侧推器释放足够的功率；

7)防止主机、轴带发电机、6.6kV变压器过载。

PMS系统通过以下的动作来完成上述的功能：

1)限制侧推器功率（限制螺距）；

2)限制高压冲水泵功率（限制转速）；

3)限制泥泵功率（限制转速）；

4)限制主推进功率（螺距）。

该船配置了疏浚控制台可编程逻辑控制器PLC (PLC1)、驾驶室PLC(PLC2)、艉疏浚PLC（PLC3）、艏疏浚PLC（PLC4）和2台功率管理系统PLC（PLC5和PLC6）。功率管理系统PLC5和PLC6为互为热冗余的PLC系统，CPU（中央处理单元）采用SIEMENS的S7-400H系列。CPU安装在mimic（模拟操作屏）内，在中压配电板、低压配电板、艏部配电板内均安装了通过Profibus现场总线连接的PLC远程I/O接口模块，以便进行数据采集。在中压配电板及低压配电板上还设置了一个就地/遥控转换开关，只有这两个开关均在遥控位置上时，PMS功能才被激活[3]。

PMS通过全船以太网，向其他PLC及设备发送与接收数据（例如PLC1、PLC2、PLC3、PLC4服务器、AMS（监测报警系统）等）。

2 功率计算

2.1 计算公式

PMS的功率计算公式如下：

式中：PME——主机功率；

PDP——泥泵（水下泵）功率；

PMT——主变压器功率；

ηGB-PD——主推进齿轮箱效率；

ηSG——轴带发电机效率；

PMG1-3——柴油发电机功率；

PLV——低压配电板功率；

PJP——高压冲水泵功率；

PCPP——可调桨输入功率；

PSG——轴带发电机功率。

其中PME、PSG、PMG1-3、PJP、PBT、PMT和PDP是测量值，PCPP是计算值。

2.2 设备功率及效率

主机：2台8700kW

可调桨：2台8700kW

轴带发电机：6.6kV/2台7500kW

柴油发电机组：400V/3台750kW（并车功率2250kW）

主变压器：6.6kV/2台400V/2000kVA

泥 泵：4160V/2台5000kW/1500r/min

水下泵：4160V/3300kW/1500 r/min

高压冲水泵：690V/2台1320kW/1500 r/min

艏侧推：400V/1台700kW

左右液压系统：755kW

左封水泵系统：180kW

右封水泵系统：74kW

应急发电机：400V/210kW

泥泵电机效率：98%

主推进齿轮箱效率：98%

轴带发电机效率：95%

3 功率管理

当泥泵、高压冲水泵或艏侧推处在就地控制位置时，功率管理系统不能控制其功率。当柴油发电机设在自动/遥控位置时，功率管理系统才能自动起动柴油发电机组。

当可调桨（CPP）在 NFU（非随动模式）下操作（信号自中央航行控制台或就地控制板），功率管理系统不能控制其功率。此时若泥泵、高压冲水泵和艏侧推满功率运行，有可能导致主机过载。

通过调速器和可调桨控制系统，主机和主推进具有独立的功率控制。它们的功率极限也同功率管理系统连锁，以控制其功率。当功率管理系统失效，设备自带的功率控制将被激活。

可调桨控制器是通过限制螺旋桨的螺距来防止主机过载。主机过载时，安装在航行控制台和就地控制板上的“PITCH REDUCED螺距限制”指示灯将闪亮。

3.1 供电模式

正常情况下，轴带发电机供电给中压配电板和艏部配电板，主发电机供电给低压主配电板。当挖泥设备功率较低，轴带发电机功率有富余时，艏部配电板到低压主配电板的开关J、K闭合，3台主发电机不运行，2台轴带发电机供全船用电。

依据图2中主要馈电断路器编号，根据各工况及各用电设备功率的不同，可以有15种模式，见表1。

表1 馈电断路器状态（1表示可以闭合，0表示断开）

下面对4种主要模式进行说明。

模式一：正常航行模式。PMS对每台400V主发电机进行功率管理。此时J和K闭合，2台轴带发电机并联运行向低压主配电板供电，并可通过J和K向艏部配电板供电。在进出港工况下，可通过闭合A、C、E、I向艏侧推供电；也可3台主发电机并联运行通过J、K、H向艏侧推供电。

模式二：正常疏浚模式。适合于耙吸挖泥。PMS对每台主机、轴带发电机、主变压器进行功率管理，保证主机不过载。此时J和/或K断开，2台轴带发电机通过左/右舷中压配电板分别向泥泵、高压冲水泵供电并通过2台主变压器分别向左/右舷艏部配电板供电；2台主发电机向低压主配电板供电。

模式三：排岸模式。PMS对每台主机、轴带发电机、主发电机、艏侧推进行功率管理，保证主机、主发电机不过载。2台轴带发电机通过左/右舷中压配电板分别向泥泵、高压冲水泵供电；3台主发电机并联运行，可通过闭合J、K和H向艏侧推供电。

模式四：正常节能疏浚模式。PMS对每台主机、轴带发电机、主变压器、艏部配电板、低压主配电板进行功率管理，保证主机不过载。当泥泵功率较小时，可以关闭所有主发电机，轴带发电机供全船用电。此时2台轴带发电机分别向泥泵、高压冲水泵供电，并通过主变压器、艏部配电板向低压主配电板供电。

85m深水耙吸挖泥船功率管理系统的界面见图3。

图3 挖泥时功率管理系统页面

4 断 电

4.1 局部断电

低压主配电板、艏部配电板可以由轴带发电机或柴油发电机组供电。使用轴带发电机向全船供电时，中压配电板、艏部配电板任何一侧发生断电，配电板汇流排连接开关（G或H）将在2s后自动闭合。

1)低压配电板轴带发电机模式。当低压配电板由轴带发电机供电时，低压主配电板断电（J或K断开），备妥的柴油发电机组和应急发电机组立即起动。

如在30s内，右艏部配电板未恢复向主配电板供电，柴油发电机组开关按照所设定次序，根据当前低压主配电板功率需求，自动合闸，投入供电。未投入使用的柴油发电机组自动停车。在35-45s内，如果主发电机组依然未合闸从而低压主配电板未得电，那么由应急发电机向应急配电板供电。

2)低压配电板柴油发电模式。使用柴油发电机组向低压配电板、艏部配电板供电时，此时J和K闭合。如果低压主配电板断电，45s内应急发电机组起动并向应急配电板供电，O、J、K均断开。

3)轴带发电机+柴油发电机混合供电模式。当轴带发电机向中压配电板供电，主变压器向艏部配电板供电，柴油发电机向低压配电板供电时，如果艏部配电板断电，不要柴油发电机自动起动，J和K自动合闸，由低压主配电板向艏部配电板供电。如果低压配电板断电，J和K自动合闸，由轴带发电机通过主变压器及右舷艏部配电板向低压配电板供电。

4.2 全部断电

当发生全部断电2s后，柴油发电机组自动起动。在柴油发电机组起动后，柴油发电机组（按照运行时间最少次序选择）和汇流排开关J、K、H将相继闭合。

5 供电转换

供电转换的实现不仅能够增加用电设备供电的灵活性，减少断电几率，同时又能提高发电机的效率[4]，达到节能减排的目的。

当低压配电板或艏部配电板在网用电负荷超过单台主变压器容量或单台柴油发电机容量时，PMS会阻止由主变压器和柴油发电机之间的供电转换，如不超出，则进行转换。

当低压配电板由轴带发电机供电向柴油发电机供电转换时，PMS首先检测低压配电板上的总用电功率，当用电负荷超过单台柴油发电机时，需要手动卸载低压配电板上的非重要负载，直到单台发电机不过载，再进行用电转换，转换成功后再手动恢复低压配电板上的用电设备。

当低压配电板由柴油发电机向主变压器转换时，PMS首先检测低压配电板总用电功率，当总用电功率超过单台主变压器负荷时，需要手动卸载非重要负载直至单台柴油发电机不过载，再进行一台柴油发电机与一台主变压器短时负载转移，供电转换至主变压器，然后手动恢复低压配电板上的用电设备。

6 设备过载时的处理

6.1 主变压器的过载（仅仅发生在轴带发电机供全船用电的情况）

当主变压器过载时（主变压器功率大于1.05倍额定功率），PMS将通过限制艏侧推的功率或关闭空调装置或把低压配电板供电转换到柴油发电机供电来保证主变压器不过载。

6.2 轴带发电机过载

当一台轴带发电机过载时（轴带发电机功率大于1.05倍额定功率），首先在航行控制台上发出“PMS降负荷”报警信号。10s后根据操作模式不同，分以下3个步骤对轴带发电机负荷进行限制。

在正常模式下，对高压冲水泵进行负荷限制之前，先对艏侧推进行负荷限制。在DT/DP（动态航迹/动力定位）模式下，对艏侧推负荷限制之前，先对高压冲水泵负荷限制。当艏侧推关闭或放在现场控制时，负荷限制程序将被跳过。

1)高压冲水泵的功率限制：(1)高压冲水泵功率被限制在额定功率的 85%（1122kW）和 70%（924kW）2个等级；(2)轴带发电机负荷在93%～105%之间超过10s后，PMS先对高压冲水泵第一级85%的负荷限制；如果轴带发电机负荷仍≥93%，PMS启动第二级 70%的负荷限制，启动负荷限制时，限制指示灯长亮；(3)当轴带发电机的负荷率≤93%超过5s时，PMS将取消进一步负荷限制。

2)艏侧推功率限制。艏侧推采用一级负荷限制至70%最大螺距，大约降低50%的负荷（325kW）。(1)轴带发电机负荷在 93%-105%之间超过 10s后，PMS将保持艏侧推的负荷限制（如上所述），PMS负荷限制指示灯长亮；(2)当轴带发电机的负荷率≤90%超过5s时，PMS将取消进一步负荷限制。

当所有负荷限制被取消后，PMS负荷限制指示灯熄灭。同时，PMS是通过延时手段对由负载的短时波动引起的高频干扰进行滤波。

7 大功率设备起动时和DT/DP模式激活时的负荷限制[3]

7.1 CPP（可调桨）的负荷限制

CPP功率在下列条件下被限制：

1)艏侧推起动请求；

2)主机剩余功率不足；

3)最大螺距限制不满足；

4)泥泵起动请求；

7.2 艏侧推负荷限制

艏侧推功率在下列条件下被限制：

1)正常模式下，轴带发电机功率≥105%额定功率达10s以上；

2)DT/DP模式下，高压冲水泵已达到最大负荷限制，轴带发电机负荷仍≥93%。

7.3 高压冲水泵负荷限制

高压冲水泵功率在下列条件下被限制：

1)正常模式下，艏侧推负荷限制已激活，轴带发电机负荷仍≥93%；

2)DT/DP模式下，轴带发电机功率≥105%额定功率达10s以上；

3)收到艏侧推起动请求信号，主机储备功率不足。

8 大功率设备的起动

8.1 艏侧推的起动

PMS接收到艏侧推起动请求信号后，根据当时的运行模式检查轴带发电机、主变压器或低压配电板以及主机的剩余功率。当主机、轴带发电机、主变压器或低压主配电板剩余功率大于 700kW 时，起动请求才能被接受。

当轴带发电机的剩余功率不足时，PMS将通过限制 CPP功率或限制高压冲水泵功率直至满足上述条件。此时PMS向艏侧推发出“起动允许”信号，否则发出“起动不允许”信号，并向AMS发出“艏侧推起动失败”的报警。

PMS在收到艏侧推运行信号后取消功率限制，并通过限制CPP桨角来防止主机过载。

8.2 泥泵电机的起动

只有在主机剩余功率大于1400kW（最低转速时的功率）的前提下，泥泵才允许起动，若主机剩余功率不足，PMS将限制CPP桨角，直至满足上述条件。此时，PMS向泥泵变频器发出“起动允许”信号，否则发出“起动不允许”信号，并向AMS发出“泥泵起动失败”的报警。

PMS在收到泥泵电机运行信号后取消功率限制，并通过限制CPP桨角来防止主机过载。

8.3 泥泵运行

随着泥泵转速的提高，泥泵电机消耗功率将增加，PMS将检测主机剩余功率，若主机剩余功率不足，PMS将限制CPP功率直至满足泥泵电机功率要求。

如果泥泵运转期间无法获取足够的剩余功率，PMS向PLC发出“不允许调速”信号，泥泵转速将无法提高。

9 结 语

PMS在耙吸挖泥船中的应用提高了设备的可靠性，增加了供电的连续性，特别是不同模式的预先设定，大大提高了工程施工人员的便利性。因为多种模式预先设定在程序中，当选定某种模式后，相关设备按照设定的次序依次打开，实现一键挖泥功能[4]。

然而目前国内先进耙吸挖泥船配备国产PMS系统的很少，该船为其中的一艘。国内在海洋工程电站技术领域与国外的差距主要体现在系统的集成技术以及关键设备的研制。希望通过国际交流，及时掌握国外先进技术，采取引进、消化、吸收、改进等方式解决发展瓶颈[5]。

[1]黄建章，吴忠林. 船舶设计实用手册（电气分册）[M].北京：国防工业出版社.1996.

[2]王 健，等. 天津航道局85m深水耙吸挖泥船设计任务书[Z]. 天津航道局有限公司，2007.

[3]陈松涛，等. PMS功率管理系统功能规格书[Z]. 镇江亿华系统集成有限公司，2009.

[4]范建新. 船舶电站自主创新现状和途径[J]. 上海造船，2009, (3)∶ 42-44.

[5]唐石青，王 乐. 海洋工程电站集成技术及关键设备发展与研究[J]. 上海造船，2010, (3)∶ 32-35.