大型耙吸船PMS系统轴发逆功的分析与解决

（中交天津港航勘察设计研究院有限公司工程船舶设计所，天津 300461）

大型耙吸船PMS系统轴发逆功的分析与解决

霍学亮，李鹏超，赵春峰

（中交天津港航勘察设计研究院有限公司工程船舶设计所，天津 300461）

以大型耙吸式挖泥船功率管理系统为研究对象，介绍了功率管理系统的主要功能，阐述了电站模式转换原理。通过上位机历史回放软件分析电站模式转换中出现的轴发逆功问题。通过修改PLC程序和电站参数设置，成功解决了轴发逆功问题。

耙吸挖泥船；电站模式转换；轴发逆功

0 引言

“通远”轮是我国自行设计建造的大型自航耙吸挖泥船。主要用于沿海港口航道的疏浚、吹填工程，兼作海岸维护工程[1]。该船配备先进的功率管理系统（Power Management System，简称PMS），主要对电站进行自动操作和保护，通过对船舶主要负载的控制和分配，保证发电机、电站安全运行。本文针对“通远”轮电站模式转换时出现的轴发逆功问题进行分析，并提出了解决方案。

1 系统功能

“通远”船功率管理系统的主要功能如下：1）实现电网供电模式的切换；2）实现电网部分失电后的自动恢复；3）实现对主要设备的过载保护；4）自动计算剩余功率，判断大功率负载的启/停；5）实现功率分配自动控制[2]。

1.1 船舶电站主要设备和供电模式

1.1.1 船舶主要设备

该船配置2台2 500 kW的轴带发电机（S）、1台900 kW的辅发电机（A）和1台480 kW应急发电机（E）。左、右690 V汇流排分别向1台高压冲水泵（J）和1台艏侧推（B）供电。电站配置2台690 V变400 V主变压器。主配电板左、右主变压器的隔离开关分别为E、F，400 V汇流排上隔离开关分别为O、G、H、P。电站配置见图1。

图1 电站配置图Fig.1 Power station deployment

1.1.2 供电模式

PMS系统为“通远”船提供了9种供电模式，可分为3大类，分别为：航行模式、疏浚模式、停泊模式。供电模式见表1。

表1 电站供电模式Table 1 Power supply mode of power station

模式5为疏浚模式中左右泥泵以中速档排岸工况，此时，左轴发供左1和左2汇流排，右轴发供右1和右2汇流排，辅助发电机供中汇流排。如图2所示。

图2 模式5电站示意图Fig.2 Sketch map of No.5 mode of power station

模式6为疏浚模式中左右泥泵以高速档排岸工况，此时，左轴发供左1汇排，右轴发供右1汇流排，辅助发电机供左2、右2和中汇流排。如图3所示。

图3 模式6电站示意图Fig.3 Sketch map of No.6 mode of power station

1.2 失电保护

失电保护主要用于当配电板汇流排部分失电后，自动恢复供电，避免因失电而产生设备停止运行的情况发生。

1.3 重载问询

重载问询功能是指在启动泥泵、侧推等大负载设备时，PMS会根据整个电网的功率状况，判断是否允许设备启动。

1.4 功率限制及保护

功率限制及保护功能主要用于防止由于负载过大，造成主机超负荷停车，造成设备损坏等事故的发生。一旦功率总和大于主柴油机额定功率，功率管理系统将发出超负荷的警报和要求减负荷的命令，功率管理系统自动进入减少可变螺距螺旋桨的螺距或降低主柴油机转速的程序[3]。

1.5 泵、风机启停及备用泵自动控制

在PMS柜MIMIC板上控制泵、风机的启动、停止操作，同时还有备用泵的自动控制功能。

2 轴发逆功问题分析

2.1 模式转换

模式6转换至模式5的过程，是在模式6的电站模式下主要通过对主配电板400 V汇流排4个隔离开关的控制，对主机转速的微调，实现辅发与两轴发分别的并车或解列动作，最终达到模式5的电站模式。模式转换见图4，步骤为：

1）通过信号反馈，如果检测到左、右高压冲水泵处于运行状态，则限制其电机转速至0。如果检测到左、右艏侧推处于运行状态，则降螺距至0。

2）PMS发出P开关合闸命令，配电板得到P开关合闸反馈信号后，配电板PPU调节辅发与右轴发至负载分配稳定，辅发与右轴发并车成功。

3）为了分闸H开关，解列辅发与右轴发，调节右主机转速，从而调节右轴发频率，再次调整辅发与右轴发间的功率分配，使辅发承载的负载占辅发与右轴发承载总和的70%与90%之间。随后PMS发出H开关分闸命令，直至收到H开关已分闸反馈信号，辅发与右轴发解列成功。

4）PMS发出O开关合闸命令，配电板得到O开关合闸反馈信号后，配电板PPU调节辅发与左轴发至负载分配稳定，辅发与左轴发并车成功。

5）为了分闸G开关，解列辅发与左轴发，调节左主机转速，调整辅发与左轴发的功率分配，使辅发承载的负载占辅发与左轴发承载总负载的70%与90%之间，随后PMS发出G开关分闸命令，直至收到G开关已分闸反馈信号，辅发与左轴发解列成功。至此成功转至模式5的电站模式，转换结束。

图4 模式6转至模式5的过程Fig.4 Process of No.6 mode transferred to No.5 mode

2.2 轴发逆功问题

在实际运行时，模式6转换模式5的过程进行至第5步时，出现了轴发逆功现象，即负载转移程序执行完成后，PMS发出G开关分闸命令，然而左轴发与左主变压器负载显示为0，辅发承载了配电板400 V汇流排左1段和左2段的全部负载，左主变压器开关E（逆功率保护动作断路器）跳闸，联络开关G并没有按照程序设定分闸，转换失败并退出自动转换模式，转为手动模式。

2.3 问题分析

通过用上位机历史回放软件，对模式6转换至模式5的过程进行分析，模式转换过程中辅发与轴发并车后，辅发频率会比轴发频率稍微高些，可达到51 Hz以上，这时辅发的频率处于自身的一个较高值。辅发与轴发并车后，配电板PPU会自行对辅发进行降速调节，通过调节使辅发频率逐渐下降，从而对辅发与轴发所承载的负载进行分配直至功率稳定。由于辅发与左轴发并车、解列进程和辅发与右轴发并车、解列进程之间时间间隔过小，辅发与左轴发并车前处于频率过高的状态，影响了并车后的功率分配。

同时，对PLC程序进行分析，辅发与轴发解列前功率再次分配的程序中，设定辅发承载的负载占辅发与轴发承载总负载的70%与90%之间的一个固定比例区间，如图5所示。此种比例设定无法满足所有工况下不同的负载分布的情况，易导致辅发与轴发解列前负载分配不合理。

通过以上分析可得，辅发与左轴发并车后，左轴发无法承载到负载，从而负荷为0，造成了左轴发逆功，左主变压器负荷为0，并且左主变压器逆功时间超过逆功自保分闸时间，从而左主变压器开关分闸，模式转换失败的结果。

图5 辅发负载值区间设定Fig.5 Load value range setting of auxiliary generator

3 解决方案

针对轴发逆功问题，通过对模式转换工程分析，对PLC程序与配电板设置做出了以下调整。

3.1 增加延迟

在模式6转至模式5的PLC程序中，辅发与右轴发先后并车、解列后，增加了30 s的延迟，见图6、图7。令PPU有充足时间自行对辅发进行稳频调节，使频率下调至50.5 Hz左右，这样可使辅发与左轴发并车功率分配时，消除由于辅发频率过高对功率分配的影响。

图6 PLC程序模式转换过程中增加延时Fig.6 Increase the time delay in PLC program mode conversion process

图7 30 s延时Fig.7 30 s delay

3.2 主机转速控制条件的调整

根据不同工况下配电板各段汇流排所承载负载，计算出不同工况下辅发与左轴发、辅发与右轴发并车时，辅发所承载配电板汇流排段负载所占总负载的比例、轴发所承载配电板汇流排段负载所占总负载的比例。用辅发、轴发所承载负载的动态比例作为调节主机转速的条件，取代原控制程序中设定辅发功率达到固定的70%至90%总功率区间的调节条件。通过对主机转速控制条件的调整，使辅发与轴发功率分配更加合理。

3.3 延长主变压器逆功自保分闸时间

通过研究，在技术允许的范围内延长主变压器逆功自保分闸时间，解决辅发与轴发功率分配时主变压器短时间内逆功跳闸的问题。

实践证明，通过按照上述方案的调整，解决了电站模式6转换模式5过程中轴发逆功、配电板主变压器开关自保分闸的问题。

4 结语

本文针对“通远”轮PMS系统的轴发逆功问题，通过对模式转换工程分析，找到了解决该问题的办法，积累了宝贵的经验。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[4]。功率管理系统的应用不仅可以提高挖泥的自动化程度，还可以提高设备的利用率，进一步实现了船舶节能减排。

[1] 王健.11 000 m3耙吸挖泥船全船规格书[R].天津：天津航道局有限公司，2010. WANG Jian.Specification for the whole 11 000 m3large suction hopper dredger[R].Tianjin：CCCC TianjinDredging Co.，Ltd.，2010.

[2]罗刚，李鹏超，于涛.大型复合驱动耙吸挖泥船集成监控系统设计与实现[J].中国港湾建设，2013（5）：34-36. LUO Gang，LI Peng-chao，YU Tao.Design and realication of integrated monitoring and controlling system for large compound-driven hopper-dredger[J].China Harbour Engineering，2013（5）：34-36.

[3]郑捷.万方耙吸式挖泥船“万顷沙”功率管理系统[J].中国港湾建设，2008（2）：65-68. ZHENG Jie.Power management system of trailing suction hopper dredger，Wanqingsha[J].China Harbour Engineering，2008（2）：65-68.

[4]陈梦.功率管理系统在耙吸挖泥船中的应用[J].船舶与海洋工程，2012（1）：26-34. CHEN Meng.Application of power management system on trailing suction hopper dredger[J].Naval Architecture and Ocean Engineering，2012（1）：26-34.

Analysis and solution of the reverse power of shaft generator in PMS of large-scale trailing suction hopper dredger

HUO Xue-liang，LI Peng-chao，ZHAO Chun-feng
（Engineering Ship Design Department of CCCC Tianjin Port&Waterway Prospection&Design Research Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300461，China）

Taking the PowerManagementSystem（PMS）oflarge-scale trailingsuction hopperdredgerasthe research objective，this paper introduces the main functions of PMS and expounds the principles of mode conversion of power station.History playback software installed on the host computer is used to analyze the problem of the reverse power of shaft generator occurred in the mode conversion.By modifying the PLC program and setting the parameters of power station on the dredger，the problem of the reverse power of shaft generator is successfully resolved.

trailing suction hopper dredger；mode conversion of power station；reverse power of shaft generator

U615.351

：A

：1003-3688（2014）03-0068-04

10.7640/zggwjs201403014

2013-10-31

霍学亮（1981— ），男，河北南和人，硕士，工程师，轮机工程专业，从事疏浚船舶电气与自动化设计与研究。E-mail：huoxueliang0304@126.com