馮木易

(浙江欣亞磁電發(fā)展有限公司，浙江 舟山 316111)

31 200 t多用途船特殊軸帶發(fā)電機電站管理系統(tǒng)設計

馮木易

(浙江欣亞磁電發(fā)展有限公司，浙江 舟山 316111)

為了解決船舶主機在全速或者半速2種工況下都能驅動定距槳和軸帶發(fā)電機，為該船配置變速齒輪箱，通過全速/半速離合器進行切換，實現(xiàn)2種工況都能保持軸帶發(fā)電機轉速恒定。介紹特殊的2檔恒速主機(全速-半速)驅動定距槳和軸帶發(fā)電機以及電站管理系統(tǒng)控制軸帶發(fā)電機的原理，保證船舶電站的安全可靠性和經(jīng)濟性。

特殊軸帶發(fā)電機；全速-半速；恒速；定距槳；電站管理系統(tǒng)

船舶主機都留有一定的功率儲備裕量，軸帶發(fā)電機正好利用主機富余功率來實現(xiàn)節(jié)能。最常見的配置是恒速主機驅動變距槳(CPP)和軸帶發(fā)電機[1]。有些船舶在海況不好的時候也要求使用軸帶發(fā)電機，這種情況下，主機轉速波動較大，通常采用變速主機驅動定距槳和軸帶發(fā)電機，然后再配置變頻電源來穩(wěn)頻穩(wěn)壓[2]。如果海況良好、船舶工況基本保持不變，也可以采用恒速主機驅動定距槳和軸帶發(fā)電機，此方案的優(yōu)點是控制簡單，價格便宜，沒有諧波影響；缺點是主機不能調速，基本固定在一個速度左右。如果有兩檔恒速，那么船舶在全速航行和半速航行的情況下就都能使用軸帶發(fā)電機。下面以山東黃海船廠31 200 t多用途船為例，介紹全速和半速2檔恒速主機驅動定距槳和軸帶發(fā)電機的電站管理系統(tǒng)設計。

1 2檔恒速主機驅動定距槳和軸帶發(fā)電機

黃海船廠31 200 t多用途船總長167.2 m，型寬27.4 m，型深15.5 m，設計吃水10.1 m，服務航速14 kn，續(xù)航力15 000 n mile，載重量31 200 t。2臺最大200 t克令吊可進行串聯(lián)操作。第2貨艙為全箱形貨艙且長度達80.58 m。該ECO船型(經(jīng)濟型船舶)是為適應市場需求開發(fā)的新一代節(jié)能環(huán)保綠色高效多用途船，能載運雜貨、散貨、集裝箱、重大件貨及滾裝貨，能適應多種航線，適應不斷變化的海運形勢。對航運周期要求不高的貨單，船舶可以低速航行，油耗少，運費低；對航運周期要求短的貨單，因為要高速航行，所以油耗高，運費貴。

本船采用STX低速主機，主機遙控系統(tǒng)采用德國SAM，海上航行主機轉速在95～110 r/min范圍內(nèi)可以使用軸帶發(fā)電機。在全速FULL模式，主機遙控裝置把主機轉速穩(wěn)定在102～110 r/min之內(nèi)，在半速HALF模式，主機遙控裝置把主機轉速穩(wěn)定在95～102 r/min，這樣就有全速FULL和半速HALF兩檔恒速。在全速FULL時，通過變速齒輪箱的全速FULL離合器連接軸帶發(fā)電機；在半速HALF時，通過變速齒輪箱的半速HALF離合器連接軸帶發(fā)電機，讓軸帶發(fā)電機都能處于恒速模式[3]。見圖1。

2 軸帶發(fā)電機(2檔恒速)電站組成

本船電站配備2臺860 kW柴油發(fā)電機組(下文簡稱柴發(fā))和1臺745 kW軸帶發(fā)電機(下文簡稱軸發(fā))。設有3種工作模式，每種模式之間可以在駕控臺一鍵切換。柴發(fā)模式：1臺柴發(fā)供電給母排A/B/C或者2臺柴發(fā)供電給母排A/B/C。軸發(fā)模式：軸發(fā)供電給母排A/B/C。分區(qū)模式：1臺柴發(fā)供電給母排A/B且軸發(fā)供電給母排C，或者2臺柴發(fā)供電給母排A/B且軸發(fā)供電給母排C。每個工作模式適用的工況見表1。

表1 船舶工況及電站模式

注：●表示適用

電站管理系統(tǒng)PMS由發(fā)電機功率/電壓/頻率采集模塊、同步并車模塊、PLC輸入/輸出模塊、觸摸屏HMI等硬件組成[4]，見圖2；軟件采用PLC編程軟件編寫程序[5]。

3 軸帶發(fā)電機(兩檔恒速)電站管理系統(tǒng)功能設計

本船電站管理系統(tǒng)具備所有的常規(guī)功能，包括發(fā)電機保護功能和手動/半自動/自動控制功能等。下面重點介紹全速FULL和半速HALF兩檔恒速軸帶發(fā)電機的投入、切換和退出自動控制功能。

3.1 軸發(fā)投入功能

軸發(fā)投入的條件是主機必須在恒速模式下，當主機轉速穩(wěn)定在95～102 r/min之內(nèi)時，主機遙控裝置給出半速HALF恒速信號；當主機轉速穩(wěn)定在102～110 r/min之內(nèi)時，主機遙控裝置給出全速FULL恒速信號。收到恒速信號，軸發(fā)就可以投入使用。

1)軸發(fā)模式自動投入。在自動情況下，選擇軸發(fā)模式，如果主機在全速FULL恒速，電站管理系統(tǒng)PMS發(fā)出全速FULL離合器合排信號。離合器合排后，軸發(fā)自動勵磁，電壓建立后，軸發(fā)自動并車，軸發(fā)和柴發(fā)并聯(lián)后，柴發(fā)自動負載轉移、分閘解列、延時停機，轉為軸發(fā)模式供電。如果主機在半速HALF恒速，PMS發(fā)出半速HALF離合器合排信號。離合器合排后，軸發(fā)自動勵磁，電壓建立后，軸發(fā)自動并車，軸發(fā)和柴發(fā)并聯(lián)后，柴發(fā)自動負載轉移、分閘解列、延時停機，轉為軸發(fā)模式供電。如軸發(fā)勵磁失敗、電壓未建立、主開關合閘失敗、同步失敗、模式轉換失敗等，則發(fā)出聲光報警。

2)分區(qū)模式自動投入。在自動情況下，選擇分區(qū)模式，如果主機在全速FULL恒速，電站管理系統(tǒng)PMS發(fā)出全速FULL離合器合排信號。離合器合排后，軸發(fā)自動勵磁，電壓建立后，軸發(fā)自動并車，軸發(fā)和柴發(fā)并聯(lián)后，母聯(lián)開關SBT分閘，把柴發(fā)和軸發(fā)分開，轉為分區(qū)模式供電。如果主機在半速HALF恒速，PMS發(fā)出半速HALF離合器合排信號。離合器合排后，軸發(fā)自動勵磁，電壓建立后，軸發(fā)自動并車，軸發(fā)和柴發(fā)并聯(lián)后，母聯(lián)開關SBT分閘分區(qū)，把柴發(fā)和軸發(fā)分開，轉為分區(qū)模式供電。如軸發(fā)勵磁失敗、電壓未建立、主開關合閘失敗、同步失敗、模式轉換失敗等，則發(fā)出聲光報警。

3.2 軸發(fā)兩檔恒速切換功能

軸發(fā)一旦投入使用，主機就鎖定在恒速模式，恒速模式下主機遙控裝置不能對主機調速。如果主機需要調速，必須先退出軸發(fā)才能調速。

3.2.1 軸發(fā)模式自動恒速切換

在自動情況下，主機遙控裝置調速手柄由HALF推到FULL，主機遙控裝置給出“轉移到柴發(fā)”信號，PMS自動起動第一備用柴發(fā)。柴發(fā)起動成功、電壓建立后，柴發(fā)自動并車，柴發(fā)和軸發(fā)并聯(lián)后，軸發(fā)自動負載轉移、分閘解列、滅磁，半速HALF離合器自動脫排，主機開始升速，待主機轉速切換到FULL，轉速恒定后，給出FULL恒速信號，全速FULL離合器自動合排，軸發(fā)自動勵磁。電壓建立后，自動同步并車，軸發(fā)和柴發(fā)并聯(lián)后，柴發(fā)自動負載轉移、分閘解列、延時停機，恢復到軸發(fā)模式供電。如果在切換過程中手柄又拉回HALF，主機轉速還在HALF范圍內(nèi)，則給出HALF恒速信號，半速HALF離合器自動合排。軸發(fā)自動勵磁、并車，軸發(fā)和柴發(fā)并聯(lián)后，柴發(fā)自動負載轉移、分閘解列、延時停機，恢復到軸發(fā)模式供電，手柄又拉回HALF，如果主機轉速已不在HALF范圍內(nèi)，則主機再調速到HALF，然后給出HALF恒速信號，半速HALF離合器自動合排。軸發(fā)自動勵磁、并車，軸發(fā)和柴發(fā)并聯(lián)后，柴發(fā)自動負載轉移、分閘解列、延時停機，恢復到軸發(fā)模式供電。

在自動情況下，主機遙控裝置調速手柄由FULL拉到HALF，主機遙控裝置給出“轉移到柴發(fā)”信號，PMS自動起動第一備用柴發(fā)。柴發(fā)起動成功、電壓建立后，柴發(fā)自動并車，柴發(fā)和軸發(fā)并聯(lián)后，軸發(fā)自動負載轉移、分閘解列、滅磁，全速FULL離合器自動脫排，主機開始降速。待主機轉速切換到HALF，轉速恒定后，給出HALF恒速信號，半速HALF離合器自動合排，軸發(fā)自動勵磁，電壓建立后，自動同步并車，軸發(fā)和柴發(fā)并聯(lián)后，柴發(fā)自動負載轉移、分閘解列、延時停機，恢復到軸發(fā)模式供電。如果在切換過程中手柄又推回FULL，主機轉速還在FULL范圍內(nèi)，則給出FULL恒速信號，全速FULL離合器自動合排，軸發(fā)自動勵磁、并車，軸發(fā)和柴發(fā)并聯(lián)后，柴發(fā)自動負載轉移、分閘解列、延時停機，恢復到軸發(fā)模式供電。手柄又推回FULL，如果主機轉速已不在FULL范圍內(nèi)，則主機再調速到FULL，然后給出FULL恒速信號，全速FULL離合器自動合排，軸發(fā)自動勵磁、并車，軸發(fā)和柴發(fā)并聯(lián)后，柴發(fā)自動負載轉移、分閘解列、延時停機，恢復到軸發(fā)模式供電。

在自動情況下，主機遙控裝置調速手柄由FULL或HALF拉到其他轉速(例如SLOW)，主機遙控裝置給出“轉移到柴發(fā)”信號，PMS自動起動第一備用柴發(fā)，柴發(fā)起動成功、電壓建立后，柴發(fā)自動并車，柴發(fā)和軸發(fā)并聯(lián)后，軸發(fā)自動負載轉移、分閘解列、滅磁，全速FULL或半速HALF離合器自動脫排，主機開始降速到其他轉速SLOW，轉為柴發(fā)模式供電。如果主機又回到FULL或HALF恒速，再自動切換到軸發(fā)模式供電。

3.2.2 分區(qū)模式自動恒速切換

在自動情況下，主機遙控裝置調速手柄由HALF推到FULL，主機遙控裝置給出“轉移到柴發(fā)”信號，當柴發(fā)和軸發(fā)總功率小于單臺柴發(fā)90%時，則母聯(lián)開關SBT自動并車；當柴發(fā)和軸發(fā)總功率大于單臺柴發(fā)90%時，PMS自動起動備用柴發(fā)，柴發(fā)起動成功、電壓建立后，柴發(fā)自動并車。若2臺柴發(fā)已并聯(lián)，則母聯(lián)開關SBT自動并車，柴發(fā)和軸發(fā)并聯(lián)后，軸發(fā)自動負載轉移、分閘解列、滅磁，半速HALF離合器自動脫排，主機開始升速。待主機轉速切換到FULL，轉速恒定后，給出FULL恒速信號，全速FULL離合器自動合排，軸發(fā)自動勵磁，電壓建立后，自動同步并車，軸發(fā)和柴發(fā)并聯(lián)后，母聯(lián)開關SBT分閘，把柴發(fā)和軸發(fā)分開，轉為分區(qū)模式供電。如果在切換過程中手柄又拉回HALF，主機轉速還在HALF范圍內(nèi)，則給出HALF恒速信號，半速HALF離合器自動合排，軸發(fā)自動勵磁、并車，軸發(fā)和柴發(fā)并聯(lián)后，母聯(lián)開關SBT分閘，把柴發(fā)和軸發(fā)分開，轉為分區(qū)模式供電。手柄又拉回HALF，如果主機轉速已不在HALF范圍內(nèi)，則主機再調速到HALF，然后給出HALF恒速信號，半速HALF離合器自動合排，軸發(fā)自動勵磁、并車，軸發(fā)和柴發(fā)并聯(lián)后，母聯(lián)開關SBT分閘，把柴發(fā)和軸發(fā)分開，轉為分區(qū)模式供電。

在自動情況下，主機遙控裝置調速手柄由FULL拉到HALF，主機遙控裝置給出“轉移到柴發(fā)”信號，當柴發(fā)和軸發(fā)總功率小于單臺柴發(fā)90%時，則母聯(lián)開關SBT自動并車；當柴發(fā)和軸發(fā)總功率大于單臺柴發(fā)90%時，PMS自動起動備用柴發(fā)，柴發(fā)起動成功、電壓建立后，柴發(fā)自動并車。若2臺柴發(fā)已并聯(lián)，則母聯(lián)開關SBT自動并車，柴發(fā)和軸發(fā)并聯(lián)后，軸發(fā)自動負載轉移、分閘解列、滅磁，全速FULL離合器自動脫排，主機開始降速，待主機轉速切換到HALF，轉速恒定后，給出HALF恒速信號，半速HALF離合器自動合排，軸發(fā)自動勵磁。電壓建立后，自動同步并車，軸發(fā)和柴發(fā)并聯(lián)后，母聯(lián)開關SBT分閘，把柴發(fā)和軸發(fā)分開，轉為分區(qū)模式供電。如果在切換過程中，手柄又推回FULL，主機轉速還在FULL范圍內(nèi)，則給出FULL恒速信號，全速FULL離合器自動合排，軸發(fā)自動勵磁、并車，軸發(fā)和柴發(fā)并聯(lián)后，母聯(lián)開關SBT分閘，把柴發(fā)和軸發(fā)分開，轉為分區(qū)模式供電。手柄又推回FULL，如果主機轉速已不在FULL范圍內(nèi)，則主機再調速到FULL，然后給出FULL恒速信號，全速FULL離合器自動合排，軸發(fā)自動勵磁、并車，軸發(fā)和柴發(fā)并聯(lián)后，母聯(lián)開關SBT分閘，把柴發(fā)和軸發(fā)分開，轉為分區(qū)模式供電。

在自動情況下，主機遙控裝置調速手柄由FULL或HALF拉到其他轉速(例如SLOW)，主機遙控裝置給出“轉移到柴發(fā)”信號，當柴發(fā)和軸發(fā)總功率小于單臺柴發(fā)90%時，則母聯(lián)開關SBT自動并車；當柴發(fā)和軸發(fā)總功率大于單臺柴發(fā)90%時，PMS自動起動備用柴發(fā)，柴發(fā)起動成功、電壓建立后，柴發(fā)自動并車。若兩臺柴發(fā)已并聯(lián)，則母聯(lián)開關SBT自動并車，柴發(fā)和軸發(fā)并聯(lián)后，軸發(fā)自動負載轉移、分閘解列、滅磁，全速FULL或半速HALF離合器自動脫排，主機開始降速到其他轉速SLOW，轉為柴發(fā)模式供電。如果主機又回到FULL或HALF恒速，再自動切換到分區(qū)模式供電。

“轉移到柴發(fā)”為保持信號，直到轉速切換完成才斷開；或手柄剛推出，轉速還沒有開始調節(jié)，手柄又拉回到原位置，則“轉移到柴發(fā)”信號斷開，表示切換完成。在切換過程中，如果主機轉速調節(jié)時間超過設定時間(可修改)，則發(fā)出切換失敗報警。

3.3 軸發(fā)退出功能

使用中的軸發(fā)退出原因主要是：主機嚴重故障時，需要停機Shutdown，則軸發(fā)立即分閘退出，按失電流程處理(本文不再介紹)；主機出現(xiàn)輕故障時，需要降負荷Slowdown，在發(fā)出Slowdown預報警后，軸發(fā)延時退出。

根據(jù)主機廠家提供的數(shù)據(jù)，軸發(fā)必須在117 s內(nèi)退出。根據(jù)柴油發(fā)電機組廠家提供的數(shù)據(jù)，柴發(fā)可以承受37%額定功率的突加負荷。

3.3.1 軸發(fā)模式自動退出

主機發(fā)出Slowdown信號，PMS起動第一備用柴發(fā)自動起動，柴發(fā)起動成功、電壓建立后，柴發(fā)自動并車，柴發(fā)和軸發(fā)并聯(lián)后，軸發(fā)自動退出，然后發(fā)出允許降速信號給主機遙控裝置。

1)在117 s內(nèi)如果柴發(fā)和軸發(fā)已經(jīng)并聯(lián)，軸發(fā)自動負載轉移，117 s內(nèi)軸發(fā)負載轉移完畢，軸發(fā)自動分閘解列、滅磁，退出使用；如果已到117 s，軸發(fā)剩余功率小于37%柴發(fā)額定功率(318 kW)，可以直接分斷軸發(fā)；如果時間已到117 s，軸發(fā)剩余功率大于318 kW，則同時分斷柴發(fā)和軸發(fā)，全船失電，然后柴發(fā)再自動合閘供電，轉為柴發(fā)模式供電。

2)時間已到117 s，如果柴發(fā)和軸發(fā)還沒有并聯(lián)，則直接分斷軸發(fā)，全船失電，然后柴發(fā)再自動合閘供電，轉為柴發(fā)模式供電。

3.3.2 分區(qū)模式自動退出

1)主機發(fā)出Slowdown信號，當柴發(fā)和軸發(fā)總功率小于單臺柴發(fā)90%時，則母聯(lián)開關SBT自動并車，柴發(fā)和軸發(fā)并聯(lián)后，軸發(fā)自動退出，然后發(fā)出允許降速信號給主機遙控裝置。

(1)在117 s內(nèi)如果柴發(fā)和軸發(fā)已經(jīng)并聯(lián)，軸發(fā)自動負載轉移，117 s內(nèi)軸發(fā)負載轉移完畢，軸發(fā)自動分閘解列、滅磁，退出使用；如果已到117 s，軸發(fā)剩余功率小于37%柴發(fā)額定功率(318 kW)時，可以直接分斷軸發(fā)；如果時間已到117 s，軸發(fā)剩余功率大于318 kW，則先進行優(yōu)先脫扣，分掉冷藏箱，然后再分斷軸發(fā)，轉為柴發(fā)模式供電。

(2)如果時間已到117 s，母聯(lián)開關還沒有同步合閘，則直接分斷軸發(fā)，然后母聯(lián)開關SBT自動合閘，轉為柴發(fā)模式供電。

2)主機發(fā)出Slowdown信號，當柴發(fā)和軸發(fā)總功率大于單臺柴發(fā)90%時，PMS起動備用柴發(fā)，柴發(fā)起動成功、電壓建立后，柴發(fā)自動并車。若2臺柴發(fā)已并聯(lián)，則母聯(lián)開關SBT自動并車，2臺柴發(fā)和軸發(fā)并聯(lián)后，軸發(fā)自動退出，然后發(fā)出允許降速信號給主機遙控裝置。

(1)軸發(fā)自動負載轉移，117 s內(nèi)軸發(fā)負載轉移完畢，軸發(fā)自動分閘解列、滅磁，退出使用；如果時間已到117 s，軸發(fā)剩余功率小于74%柴發(fā)額定功率(636 kW)，可以直接分斷軸發(fā)；如果時間已到117 s，軸發(fā)剩余功率大于636 kW，則先進行優(yōu)先脫扣，分掉冷藏箱，然后再分斷軸發(fā)，轉為柴發(fā)模式供電。

(2)時間已到117 s，如果備用柴發(fā)或者母聯(lián)開關還沒有同步合閘，則直接分斷軸發(fā)，然后母聯(lián)SBT自動合閘，轉為柴發(fā)模式供電。

4 結論

本船已經(jīng)順利交付伊朗船東使用，且船東對此功能非常滿意。此方案在恒速主機驅動定距槳和軸帶發(fā)電機的基礎上，由1檔恒速改為2檔恒速，機械方面只需把變速齒輪箱增加1檔，成本增加不多。電站管理系統(tǒng)硬件增加一些接口，軟件增加一些特殊功能即可。此方案比1檔恒速主機驅動定距槳和軸帶發(fā)電機的成本稍高，但比配變頻電源的軸帶發(fā)電機成本要低很多，而且沒有諧波干擾。方案性價比高，可供類似船舶設計參考。

[1] 吳濤.變速恒頻無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)獨立運行控制研究[D].武漢：華中科技大學，2009.

[2] 中國船舶工業(yè)總公司.船舶設計實用手冊：電氣分冊[M].3版.北京；國防工業(yè)出版社，2013.

[3] 王文義.船舶電站[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2006.

[4] 宋伯生.PLC編程理論、算法及技巧[M].北京:機械工業(yè)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

馮木易(1973—)，男，學士，高級工程師

U665.1

A

1671-7953(2017)02-0196-05

修回日期：2016-08-26

研究方向:電氣設計與研究