31 200 t多用途船特殊轴带发电机电站管理系统设计

冯木易

(浙江欣亚磁电发展有限公司，浙江 舟山 316111)

31 200 t多用途船特殊轴带发电机电站管理系统设计

冯木易

(浙江欣亚磁电发展有限公司，浙江 舟山 316111)

为了解决船舶主机在全速或者半速2种工况下都能驱动定距桨和轴带发电机，为该船配置变速齿轮箱，通过全速/半速离合器进行切换，实现2种工况都能保持轴带发电机转速恒定。介绍特殊的2档恒速主机(全速-半速)驱动定距桨和轴带发电机以及电站管理系统控制轴带发电机的原理，保证船舶电站的安全可靠性和经济性。

特殊轴带发电机；全速-半速；恒速；定距桨；电站管理系统

船舶主机都留有一定的功率储备裕量，轴带发电机正好利用主机富余功率来实现节能。最常见的配置是恒速主机驱动变距桨(CPP)和轴带发电机[1]。有些船舶在海况不好的时候也要求使用轴带发电机，这种情况下，主机转速波动较大，通常采用变速主机驱动定距桨和轴带发电机，然后再配置变频电源来稳频稳压[2]。如果海况良好、船舶工况基本保持不变，也可以采用恒速主机驱动定距桨和轴带发电机，此方案的优点是控制简单，价格便宜，没有谐波影响；缺点是主机不能调速，基本固定在一个速度左右。如果有两档恒速，那么船舶在全速航行和半速航行的情况下就都能使用轴带发电机。下面以山东黄海船厂31 200 t多用途船为例，介绍全速和半速2档恒速主机驱动定距桨和轴带发电机的电站管理系统设计。

1 2档恒速主机驱动定距桨和轴带发电机

黄海船厂31 200 t多用途船总长167.2 m，型宽27.4 m，型深15.5 m，设计吃水10.1 m，服务航速14 kn，续航力15 000 n mile，载重量31 200 t。2台最大200 t克令吊可进行串联操作。第2货舱为全箱形货舱且长度达80.58 m。该ECO船型(经济型船舶)是为适应市场需求开发的新一代节能环保绿色高效多用途船，能载运杂货、散货、集装箱、重大件货及滚装货，能适应多种航线，适应不断变化的海运形势。对航运周期要求不高的货单，船舶可以低速航行，油耗少，运费低；对航运周期要求短的货单，因为要高速航行，所以油耗高，运费贵。

本船采用STX低速主机，主机遥控系统采用德国SAM，海上航行主机转速在95～110 r/min范围内可以使用轴带发电机。在全速FULL模式，主机遥控装置把主机转速稳定在102～110 r/min之内，在半速HALF模式，主机遥控装置把主机转速稳定在95～102 r/min，这样就有全速FULL和半速HALF两档恒速。在全速FULL时，通过变速齿轮箱的全速FULL离合器连接轴带发电机；在半速HALF时，通过变速齿轮箱的半速HALF离合器连接轴带发电机，让轴带发电机都能处于恒速模式[3]。见图1。

2 轴带发电机(2档恒速)电站组成

本船电站配备2台860 kW柴油发电机组(下文简称柴发)和1台745 kW轴带发电机(下文简称轴发)。设有3种工作模式，每种模式之间可以在驾控台一键切换。柴发模式：1台柴发供电给母排A/B/C或者2台柴发供电给母排A/B/C。轴发模式：轴发供电给母排A/B/C。分区模式：1台柴发供电给母排A/B且轴发供电给母排C，或者2台柴发供电给母排A/B且轴发供电给母排C。每个工作模式适用的工况见表1。

表1 船舶工况及电站模式

注：●表示适用

电站管理系统PMS由发电机功率/电压/频率采集模块、同步并车模块、PLC输入/输出模块、触摸屏HMI等硬件组成[4]，见图2；软件采用PLC编程软件编写程序[5]。

3 轴带发电机(两档恒速)电站管理系统功能设计

本船电站管理系统具备所有的常规功能，包括发电机保护功能和手动/半自动/自动控制功能等。下面重点介绍全速FULL和半速HALF两档恒速轴带发电机的投入、切换和退出自动控制功能。

3.1 轴发投入功能

轴发投入的条件是主机必须在恒速模式下，当主机转速稳定在95～102 r/min之内时，主机遥控装置给出半速HALF恒速信号；当主机转速稳定在102～110 r/min之内时，主机遥控装置给出全速FULL恒速信号。收到恒速信号，轴发就可以投入使用。

1)轴发模式自动投入。在自动情况下，选择轴发模式，如果主机在全速FULL恒速，电站管理系统PMS发出全速FULL离合器合排信号。离合器合排后，轴发自动励磁，电压建立后，轴发自动并车，轴发和柴发并联后，柴发自动负载转移、分闸解列、延时停机，转为轴发模式供电。如果主机在半速HALF恒速，PMS发出半速HALF离合器合排信号。离合器合排后，轴发自动励磁，电压建立后，轴发自动并车，轴发和柴发并联后，柴发自动负载转移、分闸解列、延时停机，转为轴发模式供电。如轴发励磁失败、电压未建立、主开关合闸失败、同步失败、模式转换失败等，则发出声光报警。

2)分区模式自动投入。在自动情况下，选择分区模式，如果主机在全速FULL恒速，电站管理系统PMS发出全速FULL离合器合排信号。离合器合排后，轴发自动励磁，电压建立后，轴发自动并车，轴发和柴发并联后，母联开关SBT分闸，把柴发和轴发分开，转为分区模式供电。如果主机在半速HALF恒速，PMS发出半速HALF离合器合排信号。离合器合排后，轴发自动励磁，电压建立后，轴发自动并车，轴发和柴发并联后，母联开关SBT分闸分区，把柴发和轴发分开，转为分区模式供电。如轴发励磁失败、电压未建立、主开关合闸失败、同步失败、模式转换失败等，则发出声光报警。

3.2 轴发两档恒速切换功能

轴发一旦投入使用，主机就锁定在恒速模式，恒速模式下主机遥控装置不能对主机调速。如果主机需要调速，必须先退出轴发才能调速。

3.2.1 轴发模式自动恒速切换

在自动情况下，主机遥控装置调速手柄由HALF推到FULL，主机遥控装置给出“转移到柴发”信号，PMS自动起动第一备用柴发。柴发起动成功、电压建立后，柴发自动并车，柴发和轴发并联后，轴发自动负载转移、分闸解列、灭磁，半速HALF离合器自动脱排，主机开始升速，待主机转速切换到FULL，转速恒定后，给出FULL恒速信号，全速FULL离合器自动合排，轴发自动励磁。电压建立后，自动同步并车，轴发和柴发并联后，柴发自动负载转移、分闸解列、延时停机，恢复到轴发模式供电。如果在切换过程中手柄又拉回HALF，主机转速还在HALF范围内，则给出HALF恒速信号，半速HALF离合器自动合排。轴发自动励磁、并车，轴发和柴发并联后，柴发自动负载转移、分闸解列、延时停机，恢复到轴发模式供电，手柄又拉回HALF，如果主机转速已不在HALF范围内，则主机再调速到HALF，然后给出HALF恒速信号，半速HALF离合器自动合排。轴发自动励磁、并车，轴发和柴发并联后，柴发自动负载转移、分闸解列、延时停机，恢复到轴发模式供电。

在自动情况下，主机遥控装置调速手柄由FULL拉到HALF，主机遥控装置给出“转移到柴发”信号，PMS自动起动第一备用柴发。柴发起动成功、电压建立后，柴发自动并车，柴发和轴发并联后，轴发自动负载转移、分闸解列、灭磁，全速FULL离合器自动脱排，主机开始降速。待主机转速切换到HALF，转速恒定后，给出HALF恒速信号，半速HALF离合器自动合排，轴发自动励磁，电压建立后，自动同步并车，轴发和柴发并联后，柴发自动负载转移、分闸解列、延时停机，恢复到轴发模式供电。如果在切换过程中手柄又推回FULL，主机转速还在FULL范围内，则给出FULL恒速信号，全速FULL离合器自动合排，轴发自动励磁、并车，轴发和柴发并联后，柴发自动负载转移、分闸解列、延时停机，恢复到轴发模式供电。手柄又推回FULL，如果主机转速已不在FULL范围内，则主机再调速到FULL，然后给出FULL恒速信号，全速FULL离合器自动合排，轴发自动励磁、并车，轴发和柴发并联后，柴发自动负载转移、分闸解列、延时停机，恢复到轴发模式供电。

在自动情况下，主机遥控装置调速手柄由FULL或HALF拉到其他转速(例如SLOW)，主机遥控装置给出“转移到柴发”信号，PMS自动起动第一备用柴发，柴发起动成功、电压建立后，柴发自动并车，柴发和轴发并联后，轴发自动负载转移、分闸解列、灭磁，全速FULL或半速HALF离合器自动脱排，主机开始降速到其他转速SLOW，转为柴发模式供电。如果主机又回到FULL或HALF恒速，再自动切换到轴发模式供电。

3.2.2 分区模式自动恒速切换

在自动情况下，主机遥控装置调速手柄由HALF推到FULL，主机遥控装置给出“转移到柴发”信号，当柴发和轴发总功率小于单台柴发90%时，则母联开关SBT自动并车；当柴发和轴发总功率大于单台柴发90%时，PMS自动起动备用柴发，柴发起动成功、电压建立后，柴发自动并车。若2台柴发已并联，则母联开关SBT自动并车，柴发和轴发并联后，轴发自动负载转移、分闸解列、灭磁，半速HALF离合器自动脱排，主机开始升速。待主机转速切换到FULL，转速恒定后，给出FULL恒速信号，全速FULL离合器自动合排，轴发自动励磁，电压建立后，自动同步并车，轴发和柴发并联后，母联开关SBT分闸，把柴发和轴发分开，转为分区模式供电。如果在切换过程中手柄又拉回HALF，主机转速还在HALF范围内，则给出HALF恒速信号，半速HALF离合器自动合排，轴发自动励磁、并车，轴发和柴发并联后，母联开关SBT分闸，把柴发和轴发分开，转为分区模式供电。手柄又拉回HALF，如果主机转速已不在HALF范围内，则主机再调速到HALF，然后给出HALF恒速信号，半速HALF离合器自动合排，轴发自动励磁、并车，轴发和柴发并联后，母联开关SBT分闸，把柴发和轴发分开，转为分区模式供电。

在自动情况下，主机遥控装置调速手柄由FULL拉到HALF，主机遥控装置给出“转移到柴发”信号，当柴发和轴发总功率小于单台柴发90%时，则母联开关SBT自动并车；当柴发和轴发总功率大于单台柴发90%时，PMS自动起动备用柴发，柴发起动成功、电压建立后，柴发自动并车。若2台柴发已并联，则母联开关SBT自动并车，柴发和轴发并联后，轴发自动负载转移、分闸解列、灭磁，全速FULL离合器自动脱排，主机开始降速，待主机转速切换到HALF，转速恒定后，给出HALF恒速信号，半速HALF离合器自动合排，轴发自动励磁。电压建立后，自动同步并车，轴发和柴发并联后，母联开关SBT分闸，把柴发和轴发分开，转为分区模式供电。如果在切换过程中，手柄又推回FULL，主机转速还在FULL范围内，则给出FULL恒速信号，全速FULL离合器自动合排，轴发自动励磁、并车，轴发和柴发并联后，母联开关SBT分闸，把柴发和轴发分开，转为分区模式供电。手柄又推回FULL，如果主机转速已不在FULL范围内，则主机再调速到FULL，然后给出FULL恒速信号，全速FULL离合器自动合排，轴发自动励磁、并车，轴发和柴发并联后，母联开关SBT分闸，把柴发和轴发分开，转为分区模式供电。

在自动情况下，主机遥控装置调速手柄由FULL或HALF拉到其他转速(例如SLOW)，主机遥控装置给出“转移到柴发”信号，当柴发和轴发总功率小于单台柴发90%时，则母联开关SBT自动并车；当柴发和轴发总功率大于单台柴发90%时，PMS自动起动备用柴发，柴发起动成功、电压建立后，柴发自动并车。若两台柴发已并联，则母联开关SBT自动并车，柴发和轴发并联后，轴发自动负载转移、分闸解列、灭磁，全速FULL或半速HALF离合器自动脱排，主机开始降速到其他转速SLOW，转为柴发模式供电。如果主机又回到FULL或HALF恒速，再自动切换到分区模式供电。

“转移到柴发”为保持信号，直到转速切换完成才断开；或手柄刚推出，转速还没有开始调节，手柄又拉回到原位置，则“转移到柴发”信号断开，表示切换完成。在切换过程中，如果主机转速调节时间超过设定时间(可修改)，则发出切换失败报警。

3.3 轴发退出功能

使用中的轴发退出原因主要是：主机严重故障时，需要停机Shutdown，则轴发立即分闸退出，按失电流程处理(本文不再介绍)；主机出现轻故障时，需要降负荷Slowdown，在发出Slowdown预报警后，轴发延时退出。

根据主机厂家提供的数据，轴发必须在117 s内退出。根据柴油发电机组厂家提供的数据，柴发可以承受37%额定功率的突加负荷。

3.3.1 轴发模式自动退出

主机发出Slowdown信号，PMS起动第一备用柴发自动起动，柴发起动成功、电压建立后，柴发自动并车，柴发和轴发并联后，轴发自动退出，然后发出允许降速信号给主机遥控装置。

1)在117 s内如果柴发和轴发已经并联，轴发自动负载转移，117 s内轴发负载转移完毕，轴发自动分闸解列、灭磁，退出使用；如果已到117 s，轴发剩余功率小于37%柴发额定功率(318 kW)，可以直接分断轴发；如果时间已到117 s，轴发剩余功率大于318 kW，则同时分断柴发和轴发，全船失电，然后柴发再自动合闸供电，转为柴发模式供电。

2)时间已到117 s，如果柴发和轴发还没有并联，则直接分断轴发，全船失电，然后柴发再自动合闸供电，转为柴发模式供电。

3.3.2 分区模式自动退出

1)主机发出Slowdown信号，当柴发和轴发总功率小于单台柴发90%时，则母联开关SBT自动并车，柴发和轴发并联后，轴发自动退出，然后发出允许降速信号给主机遥控装置。

(1)在117 s内如果柴发和轴发已经并联，轴发自动负载转移，117 s内轴发负载转移完毕，轴发自动分闸解列、灭磁，退出使用；如果已到117 s，轴发剩余功率小于37%柴发额定功率(318 kW)时，可以直接分断轴发；如果时间已到117 s，轴发剩余功率大于318 kW，则先进行优先脱扣，分掉冷藏箱，然后再分断轴发，转为柴发模式供电。

(2)如果时间已到117 s，母联开关还没有同步合闸，则直接分断轴发，然后母联开关SBT自动合闸，转为柴发模式供电。

2)主机发出Slowdown信号，当柴发和轴发总功率大于单台柴发90%时，PMS起动备用柴发，柴发起动成功、电压建立后，柴发自动并车。若2台柴发已并联，则母联开关SBT自动并车，2台柴发和轴发并联后，轴发自动退出，然后发出允许降速信号给主机遥控装置。

(1)轴发自动负载转移，117 s内轴发负载转移完毕，轴发自动分闸解列、灭磁，退出使用；如果时间已到117 s，轴发剩余功率小于74%柴发额定功率(636 kW)，可以直接分断轴发；如果时间已到117 s，轴发剩余功率大于636 kW，则先进行优先脱扣，分掉冷藏箱，然后再分断轴发，转为柴发模式供电。

(2)时间已到117 s，如果备用柴发或者母联开关还没有同步合闸，则直接分断轴发，然后母联SBT自动合闸，转为柴发模式供电。

4 结论

本船已经顺利交付伊朗船东使用，且船东对此功能非常满意。此方案在恒速主机驱动定距桨和轴带发电机的基础上，由1档恒速改为2档恒速，机械方面只需把变速齿轮箱增加1档，成本增加不多。电站管理系统硬件增加一些接口，软件增加一些特殊功能即可。此方案比1档恒速主机驱动定距桨和轴带发电机的成本稍高，但比配变频电源的轴带发电机成本要低很多，而且没有谐波干扰。方案性价比高，可供类似船舶设计参考。

[1] 吴涛.变速恒频无刷双馈发电系统独立运行控制研究[D].武汉：华中科技大学，2009.

[2] 中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册：电气分册[M].3版.北京；国防工业出版社，2013.

[3] 王文义.船舶电站[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006.

[4] 宋伯生.PLC编程理论、算法及技巧[M].北京:机械工业出版社，2005.

Design of Power Management System of Special Shaft Generator for 31 200 t Multi-purpose Ship

FENG Mu-yi

(Zhejiang Xinya Electric Development Co., Ltd., Zhoushan Zhejiang 316111, China)

In order to use shaft generator when main engine drives fixed pitch propeller at full speed or half speed, the 31 200 t multi-purpose vessel equips with variable speed gear box to keep shaft generator speed constant by change-over full speed/half speed clutch. The principle of controlling the special shaft generator under constant speed main engine (full speed-half speed) to drive the fixed pitch propeller was described, as well as its power management system. The system can ensure safety reliability and economy of power system.

special shaft generator; full speed-half speed; constant speed; fixed pitch propeller; power management system

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.046

2016-07-21

冯木易(1973—)，男，学士，高级工程师

U665.1

A

1671-7953(2017)02-0196-05

修回日期：2016-08-26

研究方向:电气设计与研究