潘永軍，賀海濤

(中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208)

0 引 言

隨著現(xiàn)代航運業(yè)的發(fā)展，各種船舶都向自動化、智能化、高效化的方向發(fā)展，這對船舶用電設備功率的分配與管理提出了更具體、更智能的要求。普通航行船舶如散貨船、油船、集裝箱船通常沒有特大型用電設備，其用電設備的功率管理通常體現(xiàn)在主發(fā)電機發(fā)生過載故障時對非重要負載進行脫扣處理[1-2]。耙吸挖泥船作為一種特種工程船舶，有較多大型用電設備，如艙內(nèi)泥泵、水下泥泵、高壓沖水泵等。在某些工況下，疏浚設備的使用功率占裝機功率的60%～80%。在挖泥、拋泥、吹填工況下，各設備的使用功率也有較大變化。當上述大型用電設備運行時，若主發(fā)電機發(fā)生過載故障，脫扣非重要負載起到的作用比較有限，脫扣大用電負載會影響施工，甚至造成施工事故。因此，在耙吸挖泥船上對大型負載進行功率分配與限制十分必要。

1 疏浚電網(wǎng)功率限制技術(shù)現(xiàn)狀

耙吸挖泥船通常采用“一拖二”或“一拖三”的驅(qū)動方式。本文以“一拖二”驅(qū)動方式為模型對功率的分配和管理進行闡述。

在“一拖二”驅(qū)動方式下，主機功率流向如圖1所示。

圖1 主機功率流向圖

主機功率為

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：PME為主機功率；PCPP為可調(diào)螺距螺旋槳功率；ηCPP為主推進齒輪箱效率；PMG為軸帶發(fā)電機功率；ηMG為軸帶發(fā)電機效率(含齒輪箱)；PMT為主變壓器功率；PDP為艙內(nèi)泥泵功率；ηDP為艙內(nèi)泥泵變頻器效率(含齒輪箱)；PUWP為水下泥泵功率；ηUWP為水下泥泵變頻器效率(含齒輪箱)；PJP為高壓沖水泵功率；ηJP為高壓沖水泵變頻器效率(含齒輪箱)；PBT為艏側(cè)推功率。在不考慮傳動損耗的情況下，式(1)和式(2)可化簡為

PME=PCPP+PMG

(3)

PMG=PMT+PDP+PUWP+PJP+PBT

(4)

在不同工況下占用主機大量功率且可調(diào)節(jié)使用功率的設備為可調(diào)螺距螺旋槳、艙內(nèi)泥泵、水下泥泵和高壓沖水泵。艏側(cè)推器因功率占比較小，主變壓器主要供給生活用電，不作討論。傳統(tǒng)耙吸挖泥船功率分配與限制策略為疏?？刂葡到y(tǒng)決定當主機超過限定負荷時降低功率的順序，先滿足不同工況下最重要設備的功率需求，再對其他負載進行一定程度的限制[3]：

(1) 在航行時，大功率疏浚設備未投入使用，主機全部功率用于可調(diào)螺距螺旋槳推進船舶航行。若此時主機功率超過限定值，則直接降低推進功率，以達到降低主機功率、保護主機的作用。

(2) 在挖泥工況下：船舶航速低，主推進功率較低；水下泥泵進行挖泥作業(yè)，使用功率較高；根據(jù)疏浚區(qū)域土質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同，高壓沖水泵使用功率不定。此時優(yōu)先保證水下泥泵的使用功率，當主機功率超過限定值時對可調(diào)螺距螺旋槳和高壓沖水泵進行限制。

(3) 在拋泥工況下只有可調(diào)螺距螺旋槳和高壓沖水泵在運行，當主機功率超過限定值時對可調(diào)螺距螺旋槳和高壓沖水泵進行限制。

(4) 在吹填工況下，船舶處于非航行狀態(tài)：艙內(nèi)泥泵進行吹填作業(yè)，使用功率較高；高壓沖水泵起到疏松泥土和沖艙的作用，根據(jù)土質(zhì)不同其使用功率不定。此時優(yōu)先保證艙內(nèi)泥泵的使用功率，當主機功率超過限定值時對高壓沖水泵進行限制。

綜上所述，當主機功率超過限定值時，限制功率的優(yōu)先級為可調(diào)螺距螺旋槳>高壓沖水泵>水下泥泵或艙內(nèi)泥泵(水下泥泵和艙內(nèi)泥泵不會同時使用)。除了優(yōu)先級外，在限制功率的過程中還設置了釋放等級，如圖2所示。

圖2 分級-循環(huán)限制功率示例

當主機功率超過限定值時發(fā)出超負荷報警，延時5 s后進入第一階段降低可調(diào)螺距螺旋槳10%的額定功率。若主機超負荷報警仍未消失，進入第二階段降低高壓沖水泵10%的額定功率。若報警仍未消失，進入第三階段降低艙內(nèi)泥泵(水下泥泵)10%的額定功率。在第四階段繼續(xù)降低可調(diào)螺距螺旋槳20%的額定功率，以此類推。這樣就形成了分級-循環(huán)的功率限制策略。圖2數(shù)據(jù)只為舉例說明，不與實際數(shù)據(jù)一一對應。

2 動態(tài)功率限制方案

第1節(jié)描述的傳統(tǒng)分級-循環(huán)功率限制策略可滿足正常工況下的疏浚作業(yè)。但是，在實際應用中還存在以下問題：

(1) 在4種工況下都優(yōu)先限制可調(diào)螺距螺旋槳的功率，這雖保證了疏浚作業(yè)的效率，但存在安全隱患。根據(jù)設計要求，耙吸挖泥船應具有頂流2.5 kn、保持2 kn航速施工的能力。在該條件下，主機往往運行在限定負荷的臨界點，若此時水流速度加大或泥泵功率加大，則會引起主機超負荷，按照傳統(tǒng)分級-循環(huán)功率限制策略降低可調(diào)螺距螺旋槳的功率，會進一步降低船速、減弱舵效甚至使其失效，這在避讓其他船舶時存在嚴重的安全隱患。

(2) 分級限制功率每一步都按照預先設定的比例降低用電負載的功率。這雖保證了主機負荷不超載，但往往會過多地釋放功率，使疏浚作業(yè)不能在最佳效率點運轉(zhuǎn)。在分級限制負載功率后，當主機有足夠的可用功率時會延時復位，這種限制和恢復是呈階梯狀的，對電網(wǎng)會有較大沖擊。

為解決上述問題，有針對性地提出動態(tài)功率限制策略。首先，將對可調(diào)螺距螺旋槳的限制轉(zhuǎn)嫁至對高壓沖水泵和泥泵的功率限制上：當出現(xiàn)頂流施工的情況時，優(yōu)先保證船舶的機動性；當主機負荷超出限定值時，降低高壓沖水泵和水下泥泵的使用功率，釋放主機負荷供可調(diào)螺距螺旋槳使用。其次，取消限制功率的等級，簡化控制優(yōu)先級：當主機實際功率超過限定功率時，延遲3 s進入限功率報警，先進入高壓沖水泵功率限制階段，通過降低高壓沖水泵功率將主機的功率降至限定目標值；當高壓沖水泵沒有運行或功率低于額定功率的10%時，進入泥泵降功率階段，通過降低艙內(nèi)泥泵或水下泥泵的功率將主機的功率降至限定目標值；當主機功率小于限定目標值時，延遲120 s自動復位限功率報警，可實現(xiàn)在主機負荷超限報警時只釋放超出限定的部分功率[4]。

設置功率限制報警點PL=95%PME，功率限制目標值PT=90%PME，高壓沖水泵功率限制下限PJP-LOW=10%PJP，艙內(nèi)泥泵功率限制下限PDP-LOW=80%PDP，水下泥泵功率限制下限PUWP-LOW=10%PUWP。程序流程如圖3所示。

圖3 動態(tài)功率限制程序流程圖

(1) 當主機實際功率>PL時，發(fā)出限功率報警。報警由監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集 (Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA)系統(tǒng)界面彈出，并伴有蜂鳴器提示。當主機實際功率

(2) 當限功率報警存在，且主機實際功率>PT時，進入限功率執(zhí)行階段。

(3) 在限功率執(zhí)行階段，當高壓沖水泵功率>PJP-LOW時，對高壓沖水泵進行限功率操作，直至主機功率PT時，再次對高壓沖水泵進行限功率操作。主機功率會在PT上下以16 kW(高壓沖水泵額定功率的2%)的幅度振動。

(4) 在限功率執(zhí)行階段，當高壓沖水泵沒有運行或高壓沖水泵功率PDP-LOW時，對艙內(nèi)泥泵進行限功率操作，直至主機功率PT時，再次對艙內(nèi)泥泵進行限功率操作。主機功率會在PT上下以28 kW(艙內(nèi)泥泵額定功率的1%)的幅度振動。

(5) 在限功率執(zhí)行階段，當高壓沖水泵沒有運行或高壓沖水泵功率PUWP-LOW時，對水下泥泵進行限功率操作，直至主機功率PT時，再次對水下泥泵進行限功率操作。主機功率會在PT上下以13.5 kW(水下泥泵額定功率的1%)的幅度振動。

(6) 當高壓沖水泵功率PT時，發(fā)出主機功率超出限制范圍的報警。

3 實船應用及結(jié)論

動態(tài)功率限制方案在江蘇海新船廠“HX021”號船進行實船應用。各設備功率參數(shù)：PME=4 500 kW，PMG=4 300 kW，PJP=800 kW，PDP=2 800 kW，PUWP=1 350 kW。

“HX021”號船的功率限制與報警界面如圖4所示：在保航時對動態(tài)功率限制程序進行試驗，達到了最初的設計目標；在航行時可隨時釋放主機負荷供主推進螺旋槳使用，保證航行和作業(yè)的安全；動態(tài)功率限制減少了船舶電網(wǎng)的波動，可使主機在高效區(qū)間運行，提高施工效率。經(jīng)過半年的運營，此程序運行正常。

圖4 “HX021”號船的功率限制與報警界面