（中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司工程船舶設(shè)計(jì)所，天津 300461）

大型耙吸船PMS系統(tǒng)軸發(fā)逆功的分析與解決

霍學(xué)亮，李鵬超，趙春峰

（中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司工程船舶設(shè)計(jì)所，天津 300461）

以大型耙吸式挖泥船功率管理系統(tǒng)為研究對象，介紹了功率管理系統(tǒng)的主要功能，闡述了電站模式轉(zhuǎn)換原理。通過上位機(jī)歷史回放軟件分析電站模式轉(zhuǎn)換中出現(xiàn)的軸發(fā)逆功問題。通過修改PLC程序和電站參數(shù)設(shè)置，成功解決了軸發(fā)逆功問題。

耙吸挖泥船；電站模式轉(zhuǎn)換；軸發(fā)逆功

0 引言

“通遠(yuǎn)”輪是我國自行設(shè)計(jì)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，兼作海岸維護(hù)工程[1]。該船配備先進(jìn)的功率管理系統(tǒng)（Power Management System，簡稱PMS），主要對電站進(jìn)行自動(dòng)操作和保護(hù)，通過對船舶主要負(fù)載的控制和分配，保證發(fā)電機(jī)、電站安全運(yùn)行。本文針對“通遠(yuǎn)”輪電站模式轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)的軸發(fā)逆功問題進(jìn)行分析，并提出了解決方案。

1 系統(tǒng)功能

“通遠(yuǎn)”船功率管理系統(tǒng)的主要功能如下：1）實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)供電模式的切換；2）實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)部分失電后的自動(dòng)恢復(fù)；3）實(shí)現(xiàn)對主要設(shè)備的過載保護(hù)；4）自動(dòng)計(jì)算剩余功率，判斷大功率負(fù)載的啟/停；5）實(shí)現(xiàn)功率分配自動(dòng)控制[2]。

1.1 船舶電站主要設(shè)備和供電模式

1.1.1 船舶主要設(shè)備

該船配置2臺(tái)2 500 kW的軸帶發(fā)電機(jī)（S）、1臺(tái)900 kW的輔發(fā)電機(jī)（A）和1臺(tái)480 kW應(yīng)急發(fā)電機(jī)（E）。左、右690 V匯流排分別向1臺(tái)高壓沖水泵（J）和1臺(tái)艏側(cè)推（B）供電。電站配置2臺(tái)690 V變400 V主變壓器。主配電板左、右主變壓器的隔離開關(guān)分別為E、F，400 V匯流排上隔離開關(guān)分別為O、G、H、P。電站配置見圖1。

圖1 電站配置圖Fig.1 Power station deployment

1.1.2 供電模式

PMS系統(tǒng)為“通遠(yuǎn)”船提供了9種供電模式，可分為3大類，分別為：航行模式、疏浚模式、停泊模式。供電模式見表1。

表1 電站供電模式Table 1 Power supply mode of power station

模式5為疏浚模式中左右泥泵以中速檔排岸工況，此時(shí)，左軸發(fā)供左1和左2匯流排，右軸發(fā)供右1和右2匯流排，輔助發(fā)電機(jī)供中匯流排。如圖2所示。

圖2 模式5電站示意圖Fig.2 Sketch map of No.5 mode of power station

模式6為疏浚模式中左右泥泵以高速檔排岸工況，此時(shí)，左軸發(fā)供左1匯排，右軸發(fā)供右1匯流排，輔助發(fā)電機(jī)供左2、右2和中匯流排。如圖3所示。

圖3 模式6電站示意圖Fig.3 Sketch map of No.6 mode of power station

1.2 失電保護(hù)

失電保護(hù)主要用于當(dāng)配電板匯流排部分失電后，自動(dòng)恢復(fù)供電，避免因失電而產(chǎn)生設(shè)備停止運(yùn)行的情況發(fā)生。

1.3 重載問詢

重載問詢功能是指在啟動(dòng)泥泵、側(cè)推等大負(fù)載設(shè)備時(shí)，PMS會(huì)根據(jù)整個(gè)電網(wǎng)的功率狀況，判斷是否允許設(shè)備啟動(dòng)。

1.4 功率限制及保護(hù)

功率限制及保護(hù)功能主要用于防止由于負(fù)載過大，造成主機(jī)超負(fù)荷停車，造成設(shè)備損壞等事故的發(fā)生。一旦功率總和大于主柴油機(jī)額定功率，功率管理系統(tǒng)將發(fā)出超負(fù)荷的警報(bào)和要求減負(fù)荷的命令，功率管理系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入減少可變螺距螺旋槳的螺距或降低主柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的程序[3]。

1.5 泵、風(fēng)機(jī)啟停及備用泵自動(dòng)控制

在PMS柜MIMIC板上控制泵、風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)、停止操作，同時(shí)還有備用泵的自動(dòng)控制功能。

2 軸發(fā)逆功問題分析

2.1 模式轉(zhuǎn)換

模式6轉(zhuǎn)換至模式5的過程，是在模式6的電站模式下主要通過對主配電板400 V匯流排4個(gè)隔離開關(guān)的控制，對主機(jī)轉(zhuǎn)速的微調(diào)，實(shí)現(xiàn)輔發(fā)與兩軸發(fā)分別的并車或解列動(dòng)作，最終達(dá)到模式5的電站模式。模式轉(zhuǎn)換見圖4，步驟為：

1）通過信號(hào)反饋，如果檢測到左、右高壓沖水泵處于運(yùn)行狀態(tài)，則限制其電機(jī)轉(zhuǎn)速至0。如果檢測到左、右艏側(cè)推處于運(yùn)行狀態(tài)，則降螺距至0。

2）PMS發(fā)出P開關(guān)合閘命令，配電板得到P開關(guān)合閘反饋信號(hào)后，配電板PPU調(diào)節(jié)輔發(fā)與右軸發(fā)至負(fù)載分配穩(wěn)定，輔發(fā)與右軸發(fā)并車成功。

3）為了分閘H開關(guān)，解列輔發(fā)與右軸發(fā)，調(diào)節(jié)右主機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)右軸發(fā)頻率，再次調(diào)整輔發(fā)與右軸發(fā)間的功率分配，使輔發(fā)承載的負(fù)載占輔發(fā)與右軸發(fā)承載總和的70%與90%之間。隨后PMS發(fā)出H開關(guān)分閘命令，直至收到H開關(guān)已分閘反饋信號(hào)，輔發(fā)與右軸發(fā)解列成功。

4）PMS發(fā)出O開關(guān)合閘命令，配電板得到O開關(guān)合閘反饋信號(hào)后，配電板PPU調(diào)節(jié)輔發(fā)與左軸發(fā)至負(fù)載分配穩(wěn)定，輔發(fā)與左軸發(fā)并車成功。

5）為了分閘G開關(guān)，解列輔發(fā)與左軸發(fā)，調(diào)節(jié)左主機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)整輔發(fā)與左軸發(fā)的功率分配，使輔發(fā)承載的負(fù)載占輔發(fā)與左軸發(fā)承載總負(fù)載的70%與90%之間，隨后PMS發(fā)出G開關(guān)分閘命令，直至收到G開關(guān)已分閘反饋信號(hào)，輔發(fā)與左軸發(fā)解列成功。至此成功轉(zhuǎn)至模式5的電站模式，轉(zhuǎn)換結(jié)束。

圖4 模式6轉(zhuǎn)至模式5的過程Fig.4 Process of No.6 mode transferred to No.5 mode

2.2 軸發(fā)逆功問題

在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，模式6轉(zhuǎn)換模式5的過程進(jìn)行至第5步時(shí)，出現(xiàn)了軸發(fā)逆功現(xiàn)象，即負(fù)載轉(zhuǎn)移程序執(zhí)行完成后，PMS發(fā)出G開關(guān)分閘命令，然而左軸發(fā)與左主變壓器負(fù)載顯示為0，輔發(fā)承載了配電板400 V匯流排左1段和左2段的全部負(fù)載，左主變壓器開關(guān)E（逆功率保護(hù)動(dòng)作斷路器）跳閘，聯(lián)絡(luò)開關(guān)G并沒有按照程序設(shè)定分閘，轉(zhuǎn)換失敗并退出自動(dòng)轉(zhuǎn)換模式，轉(zhuǎn)為手動(dòng)模式。

2.3 問題分析

通過用上位機(jī)歷史回放軟件，對模式6轉(zhuǎn)換至模式5的過程進(jìn)行分析，模式轉(zhuǎn)換過程中輔發(fā)與軸發(fā)并車后，輔發(fā)頻率會(huì)比軸發(fā)頻率稍微高些，可達(dá)到51 Hz以上，這時(shí)輔發(fā)的頻率處于自身的一個(gè)較高值。輔發(fā)與軸發(fā)并車后，配電板PPU會(huì)自行對輔發(fā)進(jìn)行降速調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)使輔發(fā)頻率逐漸下降，從而對輔發(fā)與軸發(fā)所承載的負(fù)載進(jìn)行分配直至功率穩(wěn)定。由于輔發(fā)與左軸發(fā)并車、解列進(jìn)程和輔發(fā)與右軸發(fā)并車、解列進(jìn)程之間時(shí)間間隔過小，輔發(fā)與左軸發(fā)并車前處于頻率過高的狀態(tài)，影響了并車后的功率分配。

同時(shí)，對PLC程序進(jìn)行分析，輔發(fā)與軸發(fā)解列前功率再次分配的程序中，設(shè)定輔發(fā)承載的負(fù)載占輔發(fā)與軸發(fā)承載總負(fù)載的70%與90%之間的一個(gè)固定比例區(qū)間，如圖5所示。此種比例設(shè)定無法滿足所有工況下不同的負(fù)載分布的情況，易導(dǎo)致輔發(fā)與軸發(fā)解列前負(fù)載分配不合理。

通過以上分析可得，輔發(fā)與左軸發(fā)并車后，左軸發(fā)無法承載到負(fù)載，從而負(fù)荷為0，造成了左軸發(fā)逆功，左主變壓器負(fù)荷為0，并且左主變壓器逆功時(shí)間超過逆功自保分閘時(shí)間，從而左主變壓器開關(guān)分閘，模式轉(zhuǎn)換失敗的結(jié)果。

圖5 輔發(fā)負(fù)載值區(qū)間設(shè)定Fig.5 Load value range setting of auxiliary generator

3 解決方案

針對軸發(fā)逆功問題，通過對模式轉(zhuǎn)換工程分析，對PLC程序與配電板設(shè)置做出了以下調(diào)整。

3.1 增加延遲

在模式6轉(zhuǎn)至模式5的PLC程序中，輔發(fā)與右軸發(fā)先后并車、解列后，增加了30 s的延遲，見圖6、圖7。令PPU有充足時(shí)間自行對輔發(fā)進(jìn)行穩(wěn)頻調(diào)節(jié)，使頻率下調(diào)至50.5 Hz左右，這樣可使輔發(fā)與左軸發(fā)并車功率分配時(shí)，消除由于輔發(fā)頻率過高對功率分配的影響。

圖6 PLC程序模式轉(zhuǎn)換過程中增加延時(shí)Fig.6 Increase the time delay in PLC program mode conversion process

圖7 30 s延時(shí)Fig.7 30 s delay

3.2 主機(jī)轉(zhuǎn)速控制條件的調(diào)整

根據(jù)不同工況下配電板各段匯流排所承載負(fù)載，計(jì)算出不同工況下輔發(fā)與左軸發(fā)、輔發(fā)與右軸發(fā)并車時(shí)，輔發(fā)所承載配電板匯流排段負(fù)載所占總負(fù)載的比例、軸發(fā)所承載配電板匯流排段負(fù)載所占總負(fù)載的比例。用輔發(fā)、軸發(fā)所承載負(fù)載的動(dòng)態(tài)比例作為調(diào)節(jié)主機(jī)轉(zhuǎn)速的條件，取代原控制程序中設(shè)定輔發(fā)功率達(dá)到固定的70%至90%總功率區(qū)間的調(diào)節(jié)條件。通過對主機(jī)轉(zhuǎn)速控制條件的調(diào)整，使輔發(fā)與軸發(fā)功率分配更加合理。

3.3 延長主變壓器逆功自保分閘時(shí)間

通過研究，在技術(shù)允許的范圍內(nèi)延長主變壓器逆功自保分閘時(shí)間，解決輔發(fā)與軸發(fā)功率分配時(shí)主變壓器短時(shí)間內(nèi)逆功跳閘的問題。

實(shí)踐證明，通過按照上述方案的調(diào)整，解決了電站模式6轉(zhuǎn)換模式5過程中軸發(fā)逆功、配電板主變壓器開關(guān)自保分閘的問題。

4 結(jié)語

本文針對“通遠(yuǎn)”輪PMS系統(tǒng)的軸發(fā)逆功問題，通過對模式轉(zhuǎn)換工程分析，找到了解決該問題的辦法，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。PMS在耙吸挖泥船中的應(yīng)用提高了設(shè)備的可靠性，增加了供電的連續(xù)性，特別是不同模式的預(yù)先設(shè)定，大大提高了工程施工人員的便利性[4]。功率管理系統(tǒng)的應(yīng)用不僅可以提高挖泥的自動(dòng)化程度，還可以提高設(shè)備的利用率，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了船舶節(jié)能減排。

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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

霍學(xué)亮（1981— ），男，河北南和人，碩士，工程師，輪機(jī)工程專業(yè)，從事疏浚船舶電氣與自動(dòng)化設(shè)計(jì)與研究。E-mail：huoxueliang0304@126.com