27 500 m3 LNG 船电站管理系统

王丹丹

(南通太平洋海洋工程有限公司， 上海200052)

27 500 m3LNG 船电站管理系统

王丹丹

(南通太平洋海洋工程有限公司， 上海200052)

介绍船舶电站管理系统的发展、组成和功能，结合采用双燃料主机的绿色环保型27 500 m3LNG液化气船，提出一种独创性的电站管理系统解决方案。采用7种工况细分法对电力负荷进行最优分配, 满足船舶所有运行工况的电力需求，使得全船设备工作在安全、稳定、高能效的工作环境，从而提高全船供电的可靠性。从对电站管理系统功能的阐述可知，该电站管理系统具有更加综合化和网络化的特点。

LNG双燃料主机； 船舶电站； 电站管理系统

0 引 言

从20世纪60年代始，船舶电站管理系统(Power Management System, PMS)经历了继电器控制技术、晶体管分立元件控制技术、小规模集成电路控制技术、中大规模集成数字和模拟电路控制技术、微处理控制技术、可编程控制器控制技术等发展历程，至今PMS已经越发完善。文中所用PMS解决方案是针对27 500 m3LNG船的。这是一艘拥有世界最大的独立C型双体罐，罐体材质采用9镍钢，可以装载所有LNG，LEG和LPG，既兼具LEG船功率需求大的特点，又可以运输温度在-163℃的液化天然气新型液化气船，是一艘采用双燃料主机、发电机的绿色环保型船，是一艘运行工况及其复杂的具有双主机双轴发特殊配置的船，解决方案具有独创性。采用7种工况细分法对电力负荷进行分配,从分配结果可知此方案经济、合理。该PMS功能具有比以往PMS更加直观、更加综合化、更加网络化的特点。

1 PMS发展现状

PMS采用的控制技术从20世纪60年代的继电器控制技术、晶体管分立元件控制技术[1]到20世纪70年代的集成数字电路和模拟电路控制技术，再到20世纪80年代的微机控制技术，最后发展到20世纪90年代的可编程控制器(PLC)，已经具有较完善的PLC控制技术产品[2]。与之相应的国内PMS产品占有率低，但上海船舶运输研究所的CY88OZC产品已经得到普遍应用[3-4]。相较国内，国外研究的产品比较受同行的青睐。比如，德国SIEMENS公司的PMA 300，丹麦DIEF公司的MULTI-LIN2系列产品，以及美国ABB公司的AC 800等产品。

PMS针对不同项目、不同厂家的解决方案也不尽相同，但是大致可以分为两种形式：一种是基于主配电板为平台；一种是整合到机舱检测报警系统中。27 500 m3双燃料主机LNG船PMS就属于后者。27 500 m3双燃料主机LNG PMS是Kongsberg公司的产品。其PMS将输入、输出模块安装在配电板里，与K-Chief 700全船自动化系统(Integrated Automation System, IAS) 整合到一起，具有高度集成化和模块化的特点。通常， 配电板厂家提供的PMS不提供模拟图(Mimic图)，而此船的PMS与IAS其他系统一样配有Mimic图，会给人们带来更加直观、立体的人机交互体验。

2 船舶电站自动化简介

2.1 PMS的组成

PMS主要由5部分组成：发电系统管理模块，配电系统管理模块，用电设备管理模块，系统检测报警管理模块，以及电力优化分配和管理模块。其组成框图如图1所示。

图1 PMS组成框图

2.2 PMS的功能

PMS 5个组成部分的功能如下[5]。

(1) 发电系统管理模块：对船舶柴油发电机、机组控制屏等的控制和管理。

(2) 配电系统管理模块：监测电网失电、恢复，配电系统的短路、绝缘和过载，监控配电开关及其连锁功能。

(3) 用电设备管理模块：重载问询、根据电站负载情况自动分级卸载或投入次要负载，大负载设备功率限制功能，平衡供电。

(4) 系统检测报警管理模块：整个电力系统运行参数的监测与报警，以及参数的显示与打印。

(5) 电力优化分配和管理模块：电力管理、船舶操纵和电能供给的优化和管理。

3 27 500 m3 LNG船PMS

3.1 27 500 m3LNG概况

27 500 m3LNG船总长178 m，垂线间长168.4 m，型宽26.6 m，型深17.8 m。该船由2台Wärtsilä W6L50DF双燃料主机经减速齿轮箱带动1个可调螺距桨。每台主机通过增速齿轮箱带动1台轴带发电机，在大部分工况下为船舶电网提供电源。主机单机最大功率为5 850 kW；轴带发电机单机功率为1 800 kW。除了2台轴带发电机，该船还配备了2台W6L20DF双燃料发电机，在港口模式下使用或作为轴带发电机故障时的补充。整船的自动化系统采用Kongsberg公司的综合自动化系统K-Chief 700。K-Chief 700的 PMS 单元在27 500 m3LNG船上除承担发电机保护和自动并车功能之外，还对双燃料发电机组的控制、船舶电网的监视和发电机的保护以及电网功率进行管理。

3.2 各种工况下的用电需求

27 500 m3LNG船主要运输-163℃的液态甲烷等烷烃，还可以运输乙烯、氨水等工业原材料。在运输过程中，通过维持液罐内压力和制冷操作来保持货物呈液体状态，因此操作工况比较复杂。可以分成3大类7种工况模式:海上航行模式、进出港模式、港口模式。海上航行模式又分为保压模式、制冷模式；进出港模式又分为保压模式、制冷模式；港口模式又分装卸货带制冷与不带制冷两种模式，以及正常的停泊模式。其中用于制冷工况下的电力需求最大。详细的电力负荷分配如表1所示。

表1 各工况电力负荷分配

3.3 配电系统设计

27 500 m3LNG船整合全船自动化系统的配电系统单线图如图2所示。

该船的发电系统包括以2台Wärtsilä 1 009 kW双燃料发电机组(简称1G和2G)，2台双燃料主机驱动的1 800 kW轴带发电机(简称1SG和2SG)。

用电设备包含船舶常规系统所需的机舱泵、风机、空压机、系泊设备、通导设备以及容量达3 000 A的液货系统。其中液货系统大功率设备主要有2台450 kW制冷压缩机、2台500 kW液货压缩机、6台180 kW深井泵、2台190 kW增压泵和195 kW、158 kW制氮系统压缩机启动器等。

图2 27 500 m3 LNG船配电系统单线图

配电系统主要由交流440 V主配电板及交流220 V主配电板提供，其中440 V主配电板被空气断路器ACB 5分成A和B两段。正常情况下ACB 5合闸，失火状态下ACB 5分闸，配电板可以分段供电。220 V主配电板通过主变压器1MT和2MT由交流440 V主配电板变压供电，主要用于照明、综合广播、无线电等。系统配备1台专用的应急发电机，用于瘫船时的电力恢复。这台应急发电机通过ET1和ET2变压器变压，给440 V应急配电板和220 V应急配电板供电。

3.4 运行模式

27 500 m3LNG船的运行工况可以分为7种。其中，海上航行模式(保压与制冷)、进出港模式(保压与制冷)及港口装货时带制冷这5种模式采用2台轴带发电机1SG和2SG向汇流排供电， 2台双燃料发电机1DG和2DG备用。通过断路器的配合，每台轴带发电机都可以实现供电给船舶系统或者液货系统。为了化繁为简，此项目定义1SG用于船舶设备、2SG用于液货部分。配电系统单线如图2所示。在这5种模式下，首先PMS遥控关闭空气断路器ACB 5。此时，主机处于运行状态，主机转速逐渐增加到514 r/min即固定速度模式时，轴带发电机启动。PMS同步并闭合空气断路器ACB 4与ACB 10。1SG为汇流排A和B供电，2SG为液货配电板(MCC1和MCC2)供电。这种分段供电功能的实现是通过配单板上的空气断路器ACB 3和ACB 4以及ACB 9和ACB 10互锁实现的。当ACB 3合闸时，ACB 4为分闸状态，1SG仅给船舶部分供电。此时， ACB 10合闸，ACB 9分闸，只有2SG给液货部分供电。这5种运行工况下，轴带发电机分别给主配电板和液货配电板供电时，2台双燃料发电机作为备用。如果轴带发电机失电，备用的双燃料发电机自动启动连接。在港口(装卸货)模式下采用2台发电机并车供电，停泊模式时1台发电机供电。各不同模式之间的切换是通过PMS遥控操作断路器实现的。

3.5 27 500 m3LNG船PMS功能

PMS能够实时监视电力数据、断路器状态和主机的运行状态，也能遥控控制双燃料发电机、汇流排上的空气断路器和其他配电系统的断路器，还能合理处理不同断路器级间配合。通过判断电网的电力消耗情况，PMS可以通过起、停功能自动控制发电机在线的台数。当选择负荷分配模式时，PMS可以通过负载分配功能控制发电机的电力负荷和频率。当电网全部或部分断电时，PMS会自动启动副机，连接主发电机，并再次接通带低压脱扣器的空气断路器。此项目PMS的主要功能如图3所示。

图3 PMS的主要功能

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其中，PMS的重载问询功能会防止发电机过载。一旦电网的电力不够，进行重载问询设备的启动被阻止，备用发电机启动。通常商船的重载问询包括请求、允许、反馈信号，采用硬线连接，如 7×1.5 mm2电缆。27 500 m3LNG船的PMS重载问询功能则是集成到厂商提供的配电板模块里的，无需船厂硬线接入，节省人工和材料。

4 结 论

普通商船的PMS无论是配电板厂家集成还是自动化厂家集成，都是非常成熟、配置标准划一的，但本项目的PMS是设计者根据各种使用工况、各种功率需求逐一定制的，最终由Kongsberg公司实现。在船舶行业日益发达的今天，高科技、高附加值一直是业界追求的目标。本文所述的功能多元化、绿色环保型LNG船将成为今后的主流。希望Kongsberg解决复杂工况下各种电力需求的PMS不仅仅是个案，而是朝着更普遍、通用性更强的方向发展。

[1] FENG X. A bio-inspired multi-agent system framework for real-time load management in all-electric ship power systems[D]. College Station，Texas A & M University,2012.

[2] SMITH J. PLC functionality provides application flexibity[J]. Plant Engineering， 2007,61(10).

[3] 朱兴生，庄肖波. 船舶电站自动化管理系统分析[J].江苏船舶，2009，26(3)：31-33.

[4] 苗百春，于军.浅析船舶电站自动化系统领域的发展状况与趋势[J].赤峰学院学报(自然科学版)，2013(19):37-38.

[5] KOKAI Y, MASUDA F, HORIIKE S,et al. Recent development in open system for EMS/SCADA[J].International Journal of Electrical Power & Energy Systems,1998,20(2):111-123.

Power Management System of Dual Fuel Engine LNG Ship

WANG Dandan

(Sinopacific Offshore & Engineering, Shanghai 200052, China )

Base on the development, constitution and function of ship Power Management System(PMS), a kind of special power management system of 27 500 m3LNG carrier was researched. The carrier is equipped with duel fuel engine that is a green environmental protection ship. According to seven different operational modes, the electrical load was reasonably allotted to meet all the condition of power demand of the ship. The equipments of the ship work in the safe, steady and high-efficiency environment that improved reliable power supply of the whole ship. This PMS is more integrated and networked from the PMS function description.

LNG; ship power； power management system

王丹丹(1983-)，女，工程师，主要研究方向为船舶电气详细设计

1000-3878(2017)04-0046-04

U665

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