(江蘇熔盛重工有限公司，江蘇 南通 226532)

“海洋石油201”是深水鋪管起重船，即DPV，采用DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)，全船采用電力推進(jìn)。該船入ABS和CCS雙重船級，在起重作業(yè)狀態(tài)滿足DP3(ABS：DPS-3，CCS：DP-3)要求，在鋪管作業(yè)狀態(tài)滿足DP2(ABS：DPS-2，CCS：DP-2)要求。ABS規(guī)范(2005)和CCS規(guī)范(2006)都要求具有DP2和DP3附加船級符號的船，必須設(shè)置功率管理系統(tǒng)(PMS)。具有動(dòng)力定位附加船級DP2和DP3的船舶對PMS的要求比一般船舶高得多[1]。

對動(dòng)力定位船舶而言，保持其船位和艏向是其正常作業(yè)的基本要求。目前，大部分動(dòng)力定位船舶采用全電力推進(jìn)。也有一部分動(dòng)力定位船舶的主推進(jìn)裝置采用柴油機(jī)推進(jìn)，但其方位推進(jìn)器仍采用電力推進(jìn)。無論如何，保持動(dòng)力定位船舶的船位和艏向的前提是電站可靠地連續(xù)供電。“海洋石油201”項(xiàng)目采用全電力推進(jìn)，PMS應(yīng)與此適應(yīng)。

1 船級社對PMS的相關(guān)要求

1.1 CCS的要求

1)對于具有DP-2 和DP-3 附加標(biāo)志的船舶，應(yīng)設(shè)置一個(gè)自動(dòng)的功率管理系統(tǒng)，此系統(tǒng)應(yīng)使發(fā)電機(jī)隨負(fù)荷的變動(dòng)而啟動(dòng)和停止。當(dāng)沒有足夠的功率啟動(dòng)大功率的負(fù)載時(shí)，應(yīng)阻止大功率設(shè)備的啟動(dòng)，并按要求啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)，然后再啟動(dòng)所需要的負(fù)載。

2)當(dāng)總的電力負(fù)載超過運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)動(dòng)機(jī)總?cè)萘康念A(yù)定百分比時(shí)應(yīng)發(fā)出報(bào)警，該報(bào)警的設(shè)定值應(yīng)在運(yùn)轉(zhuǎn)容量的50%至100%之間可調(diào)，并應(yīng)按運(yùn)行發(fā)電機(jī)的數(shù)量和任一臺發(fā)電機(jī)失靈的影響加以確定。

3)對于電力驅(qū)動(dòng)的推力器系統(tǒng)，應(yīng)采取措施，在負(fù)載達(dá)到②規(guī)定的報(bào)警值之前，使未運(yùn)行的發(fā)電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)、同步和負(fù)載分配。

4)因一臺或幾臺發(fā)電機(jī)的停止而引起的突然超負(fù)荷不應(yīng)造成電源的全部中斷，在啟動(dòng)一臺新的發(fā)電機(jī)并使其開始發(fā)電的過程中應(yīng)減小螺距或/和降低轉(zhuǎn)速以減小推力器的負(fù)載。如動(dòng)力定位系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能完成這一功能，則應(yīng)與功率管理系統(tǒng)相協(xié)調(diào)。

5)功率管理系統(tǒng)的故障應(yīng)不引起在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的替換，且應(yīng)在動(dòng)力定位控制站報(bào)警。

6)斷開功率管理系統(tǒng)后，配電板應(yīng)能手動(dòng)操作。

7)應(yīng)對功率管理系統(tǒng)進(jìn)行FMEA分析。

1.2 ABS的要求

1)對具有DPS-2和DPS-3附加船級符號的船舶，必須設(shè)有功率管理系統(tǒng)(PMS)，以確保基本運(yùn)行可獲得足夠的功率，并阻止發(fā)電機(jī)容量不足時(shí)起動(dòng)負(fù)載。應(yīng)至少設(shè)有2個(gè)功率管理系統(tǒng)，以使系統(tǒng)在任一個(gè)功率管理系統(tǒng)失效時(shí)繼續(xù)工作。應(yīng)考慮采用諸如卸去非基本負(fù)荷或使控制系統(tǒng)臨時(shí)減少推力，以確保功率的有效性。

2)每一功率管理系統(tǒng)應(yīng)由UPS供電，且做到一個(gè)功率管理系統(tǒng)失電不會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)功率管理系統(tǒng)失電。

3)對DPS-3船級符號，功率管理系統(tǒng)的布置和設(shè)置要做到任何一個(gè)單個(gè)故障，包括一艙失火或進(jìn)水，都不會(huì)造成功率管理系統(tǒng)不能運(yùn)行。

CCS和ABS的要求在表述上有所不同，但基本精神是一致的。兩者對冗余性都有要求，在功能上的共同要求是確保供電的連續(xù)性和可靠性。這一要求看上去和普通船舶相同，但由于動(dòng)力定位對供電連續(xù)性和可靠性的要求更高，并由于動(dòng)力定位船舶電站的復(fù)雜性，要實(shí)現(xiàn)這一要求也復(fù)雜得多。

電站的可靠性再高，失電(blackout)的可能性總是存在的。兩個(gè)船級社的規(guī)范都未提失電后自動(dòng)啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)，那是因?yàn)樵谝?guī)范的電氣部分和自動(dòng)化部分已有明確要求，動(dòng)力定位船舶也應(yīng)滿足這些要求。由于本船有6 600 V和400 V兩級電網(wǎng)，因此失電處理要更復(fù)雜些。

2 PMS的功能

本船的PMS裝置集成入VMS系統(tǒng)，成為其一部分。它除具有一般船舶的PMS裝置具有的功能，如自動(dòng)同步、自動(dòng)負(fù)荷分配、發(fā)電機(jī)解列管理、備用機(jī)組選擇等外，還具有確保供電的連續(xù)性和可靠性的功能。

1)在所有時(shí)候都確保足夠的維持船位用推進(jìn)器所需的功率。

2)監(jiān)測每一臺柴油發(fā)電機(jī)組，并響應(yīng)系統(tǒng)監(jiān)測到的參數(shù)報(bào)警情況，起動(dòng)或停止特定的發(fā)電機(jī)組。

3)控制并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷分配。

4)監(jiān)測電網(wǎng)的負(fù)荷情況，按使電驅(qū)動(dòng)設(shè)備能獲得足夠的電功率的要求啟動(dòng)和停止柴油發(fā)電機(jī)組。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，也要求不允許大量不必要的負(fù)荷同時(shí)接入電網(wǎng)。

5)過載時(shí)快速降低推進(jìn)器速度。

6)整個(gè)系統(tǒng)失電時(shí)發(fā)電系統(tǒng)重啟動(dòng)。

7)人機(jī)交互界面。

PMS運(yùn)行時(shí)，所需參數(shù)的采樣周期為100 ms。

2.1 電力系統(tǒng)的配置

“海洋石油201”電力系統(tǒng)配置6臺主發(fā)電機(jī)，電網(wǎng)總?cè)萘窟_(dá)34 560 kW，確保在各種工況下均能至少有1臺備用發(fā)電機(jī)；發(fā)電機(jī)組額定功率之和均大于各種工況下實(shí)際運(yùn)行負(fù)載的功率之和，見圖1。

PMS能根據(jù)匯流排故障和設(shè)備故障等不同的情況，采取切除故障的匯流排或者保證與故障設(shè)備連接的匯流排供電的連續(xù)的措施，從而為船舶提供可靠的電源。

在1、2、3號高壓配電板；1、2、3號低壓輔配電板；應(yīng)急配電板、1、2號鋪管配電板分別集成了一個(gè)信號采集箱，監(jiān)測配電板各斷路器狀態(tài)、遙控、電流、頻率等，并且能控制部分?jǐn)嗦菲?，監(jiān)控報(bào)警點(diǎn)多達(dá)2 500多個(gè)。這些信號采集箱通過冗余雙路網(wǎng)絡(luò)即時(shí)通訊。信號采集箱構(gòu)成了PMS與整個(gè)船舶電站的聯(lián)系接口，在駕駛室還設(shè)置有操作臺，用來顯示以及遙控PMS。

2.2 按負(fù)載功率需求啟動(dòng)和停止發(fā)電機(jī)組

正常情況下，確保足夠的維持船位用推進(jìn)器所需的功率容易實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電網(wǎng)儲(chǔ)備功率不足時(shí)啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行。為保證船舶經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)儲(chǔ)備功率過剩時(shí)解列多余機(jī)組。

與一般船舶的PMS相比，表1中的設(shè)定值有如下特點(diǎn)。

表1 PMS對啟動(dòng)/停止發(fā)電機(jī)組的設(shè)定值(此設(shè)定值可調(diào))

1)啟動(dòng)設(shè)定值較低，停止設(shè)定值更是低得多。這是因?yàn)閯?dòng)力定位船舶對供電可靠性要求更高，而經(jīng)濟(jì)性的考慮比一般船舶更顯得次要。

2)運(yùn)行發(fā)電機(jī)數(shù)量不同，啟動(dòng)和停止設(shè)定值也有變化，而且啟動(dòng)值有兩級。因?yàn)楸敬闹饕娯?fù)荷是電力推進(jìn)，要求電站有較多的功率儲(chǔ)備，按運(yùn)行發(fā)電機(jī)的數(shù)量確定啟動(dòng)和停止設(shè)定值是合理的，且兼顧了經(jīng)濟(jì)性。

為防止負(fù)載頻繁變化時(shí)發(fā)電機(jī)頻繁啟動(dòng)停止，可為這樣的負(fù)載設(shè)定功率儲(chǔ)備。

如運(yùn)行時(shí)匯流排或匯流排分段之間的斷路器斷開，則PMS可將電站作為幾個(gè)獨(dú)立電站處理。

2.3 重載問詢

根據(jù)發(fā)電機(jī)容量，本船需要重載問詢的負(fù)載有MSB1A上的1號主推進(jìn)器；MSB1B上的主起重機(jī)電源1、6號推進(jìn)器、7號推進(jìn)器；MSB2A上的2號主推進(jìn)器、主起重機(jī)電源2；MSB2B上的5號推進(jìn)器；MSB3A上的7號推進(jìn)器、3號推進(jìn)器；MSB3B上的4號推進(jìn)器。當(dāng)這類大功率負(fù)載需要啟動(dòng)時(shí)，先向PMS提出所需的功率請求，PMS將檢測可用功率是否足夠啟動(dòng)。如果不夠，負(fù)載不會(huì)啟動(dòng)，PMS將給出一個(gè)啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組的命令。當(dāng)啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組后的電網(wǎng)容量足夠和其它啟動(dòng)條件均具備的情況下，負(fù)載啟動(dòng)被允許。如在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)仍未達(dá)到足夠的啟動(dòng)功率，負(fù)載啟動(dòng)命令失效。

圖1 “海洋石油201”項(xiàng)目的電力系統(tǒng)

表2 PMS重載問詢設(shè)定

重載問詢除負(fù)載啟動(dòng)閉鎖限定功率外，還需確定可用功率。一般船舶將電站看成一個(gè)整體，各發(fā)電機(jī)的可用功率統(tǒng)一考慮。對動(dòng)力定位(DP2/DP3)的電力推進(jìn)船舶來說，這樣的處理方式就不夠理想。供電主母線由多段匯流排連接組成，負(fù)載也分別接至各匯流排分段,各重要負(fù)載均是根據(jù)動(dòng)力定位要求進(jìn)行合理的配電。如某一匯流排分段因故跳閘，而這一分段又正好處于向其它分段大負(fù)荷供電狀態(tài)，那就容易造成其它匯流排分段過載，甚至導(dǎo)致事故擴(kuò)大化。為盡量避免這種情況發(fā)生，PMS設(shè)置了一種算法，分別計(jì)算各匯流排分段的可用功率。其作用之一就是盡量減少匯流排之間的相互供電。

2.4 自動(dòng)負(fù)載脫扣

PMS在下列情況下自動(dòng)卸載，自動(dòng)將非重要負(fù)載卸載，以確保被連接的發(fā)電機(jī)不發(fā)生持續(xù)過載。

1臺發(fā)電機(jī)突然故障導(dǎo)致在線的其它發(fā)電機(jī)組過載；

1個(gè)機(jī)艙發(fā)生故障導(dǎo)致另一機(jī)艙發(fā)電機(jī)組過載；

1臺高壓配電板發(fā)生故障導(dǎo)致其余高壓配電板和與其相聯(lián)的發(fā)電機(jī)組過載；

1臺低壓配電板發(fā)生故障導(dǎo)致其余低壓配電板和與其相聯(lián)的發(fā)電機(jī)組過載；

系統(tǒng)低頻；

船舶管理系統(tǒng)所要求的操作模式需求；

DP系統(tǒng)所要求的操作模式需求；

起重機(jī)系統(tǒng)所要求的操作模式需求；

鋪管系統(tǒng)所要求的操作模式需求。

在鋪管(尖峰)或起重安全操作模式下，DP控制系統(tǒng)優(yōu)先級高于其它系統(tǒng)，如：船舶輔機(jī)、起重機(jī)系統(tǒng)和鋪管系統(tǒng)，其目的是需確保在這兩種操作模式下能保持船位。

動(dòng)力定位系統(tǒng)從PMS即時(shí)獲取當(dāng)前發(fā)電機(jī)組負(fù)荷及電網(wǎng)可用功率，設(shè)定一個(gè)DP系統(tǒng)允許負(fù)荷值；如果DP系統(tǒng)的負(fù)載超過了當(dāng)前電網(wǎng)可用功率，PMS將產(chǎn)生一個(gè)報(bào)警；DP系統(tǒng)根據(jù)允許負(fù)荷值限制推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速；PMS重新調(diào)整可用功率值。因變頻器響應(yīng)減負(fù)荷命令僅需幾個(gè)周波，因此可大大降低失電的可能性。

2.5 發(fā)電機(jī)組故障停機(jī)處理

船舶管理系統(tǒng)監(jiān)控主發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)，并與PMS實(shí)時(shí)通訊，PMS可隨時(shí)了解柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀況，提高了電站的供電可靠性。

然而，主發(fā)電機(jī)組故障停機(jī)還是可能發(fā)生的。導(dǎo)致主發(fā)電機(jī)組故障停機(jī)的原因很多，如滑油低壓、主軸承高溫、發(fā)電機(jī)繞組高溫等。與一般船舶不同，本船的柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)置了故障停機(jī)延時(shí)功能。當(dāng)發(fā)生故障停機(jī)工況時(shí)，柴油機(jī)就地控制箱通過硬接線直接向PMS發(fā)出故障停機(jī)信號，300 ms后停機(jī)。PMS收到此信號后，立刻減低DP系統(tǒng)允許負(fù)荷值，并啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組。因PMS采樣周期為100 ms，就至少有200 ms的處理時(shí)間，而變頻器響應(yīng)減負(fù)荷命令僅需幾個(gè)周波(本船電站一個(gè)周波為20 ms)，因此即使發(fā)生像發(fā)電機(jī)組故障停機(jī)那樣的重大故障，仍可將失電的可能性降至最低，也即供電連續(xù)性可得到最大程度的保障。

2.6 失電之后的供電恢復(fù)

當(dāng)某一主配電板(6 600 V)失電時(shí)，此主配電板上所有至推進(jìn)器、鋪管變壓器、輔配變壓器等的斷路器均失壓跳閘，匯流排之間的連接開關(guān)也斷開。此時(shí)，PMS將立即啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)，并要求連接至匯流排，并在故障原因分析(主要指是否短路或接地故障、發(fā)生在何處)的基礎(chǔ)上，重新按序合閘應(yīng)合閘且可合閘的高壓斷路器。然后，PMS將按程序順序啟動(dòng)各負(fù)載，從而避免各負(fù)載同時(shí)啟動(dòng)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的再次過載。船舶輔機(jī)啟動(dòng)順序大致如下。

1)1、2號電力變壓器(分別連接至1、2號輔配電板)。1號和/或2號電力變壓器高壓側(cè)合閘后，在故障原因分析(主要指是否短路故障、發(fā)生在何處)的基礎(chǔ)上，重新按序合閘應(yīng)合閘且可合閘的低壓斷路器。

2)3、4、5、6、7號變壓器(3、4、5號變壓器分別對應(yīng)1、2、3號輔配電板的220 V負(fù)載；6、7號變壓器對應(yīng)應(yīng)急配電板220 V負(fù)載。)；1、2號推進(jìn)器轉(zhuǎn)向泵及滑油泵；1、2、3、4、5、6號主機(jī)燃油循環(huán)泵。

3)淡水系統(tǒng)冷卻水泵。

4)海水系統(tǒng)冷卻水泵。

5)啟動(dòng)空壓機(jī)、機(jī)艙風(fēng)機(jī)。

以上輔機(jī)的啟動(dòng)在20 s左右均能完成。

當(dāng)主配電板(6 600 V)有電而輔配電板(400 V)失電時(shí)，PMS在故障原因分析(主要指是否短路故障、發(fā)生在何處)的基礎(chǔ)上，重新合閘相應(yīng)的高壓斷路器(如已跳閘，且可重新合閘)，并按序合閘應(yīng)合閘且可合閘的低壓斷路器。其余步驟與主配電板(6 600 V)失電后的處理程序相同。

主配電板和輔配電板供電和輔機(jī)工作都正常后，電力推進(jìn)系統(tǒng)將自動(dòng)按要求重新運(yùn)行。

3 結(jié)束語

本船的PMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)周密、功能齊全、充分考慮了動(dòng)力定位電力推進(jìn)船舶的特殊要求，最大程度保證了電力系統(tǒng)供電的連續(xù)性和可靠性，為

本船動(dòng)力定位作業(yè)提供了可靠的電源。

[1] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范2009[S].北京：人民交通出版社，2009.