汪 敏，祁松林，王永興

應(yīng)用研究

雙燃料電力推進(jìn)船舶能量管理系統(tǒng)控制策略研究

汪 敏，祁松林，王永興

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文以中海油某型LNG動(dòng)力守護(hù)供應(yīng)船為例，展開雙燃料電力推進(jìn)船舶能量管理系統(tǒng)控制策略研究。通過對雙燃料機(jī)組的特性的研究，將全船動(dòng)力設(shè)備視作一個(gè)整體，分析其對整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，對比雙燃料電推船能量管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)能量管理系統(tǒng)的區(qū)別，并在此基礎(chǔ)上得出此類船舶能量管理系統(tǒng)的一般性控制策略。

雙燃料 電力推進(jìn) 能量管理

0 引言

國家倡導(dǎo)節(jié)能減排，綠色發(fā)展的大背景下，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的達(dá)成，各種清潔能源得到大力發(fā)展[1～2]。

LNG氣電混合系統(tǒng)兼有經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性，雙燃料系統(tǒng)可以進(jìn)行不同的組合，且不需要額外配備發(fā)電設(shè)備，節(jié)省了船舶空間[3～4]。

2019年，中海油新建2型8艘4000HP雙燃料LNG動(dòng)力守護(hù)供應(yīng)船，首次在雙燃料電推船使用國產(chǎn)能量管理系統(tǒng)。

本文以該船為例，展開雙燃料電力推進(jìn)船舶能量管理系統(tǒng)控制策略研究。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 基本配置

該批守護(hù)供應(yīng)船主要?jiǎng)恿υO(shè)備基本配置見表1。

表1 動(dòng)力設(shè)備配置

1.2 控制網(wǎng)絡(luò)

主控制器采用西門子S7-400H，實(shí)現(xiàn)熱備冗余。若使用S7-1500PLC，則S7-1200可以省略。

圖1 控制網(wǎng)絡(luò)圖

并車單元采用DEIF公司PPU300，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的并網(wǎng)解列與功率分配功能。每臺(tái)機(jī)組配置1臺(tái)PPU300。PPU300之間以以太網(wǎng)方式連接成冗余環(huán)網(wǎng)。由于PPU300取消了均功線，所以對于母聯(lián)開關(guān)未配置PPU的船舶，母聯(lián)開關(guān)狀態(tài)需關(guān)聯(lián)至機(jī)組PPU。對于DP2以上船舶，母聯(lián)必須增配PPU300，直接采集母聯(lián)狀態(tài)。圖1為控制網(wǎng)絡(luò)圖。

2 控制策略

2.1 工作模式

對于雙燃料PMS，傳統(tǒng)PMS所具備的自動(dòng)起停機(jī)、自動(dòng)并網(wǎng)解列、優(yōu)先級、二次短路保護(hù)、重載問詢、自動(dòng)恢復(fù)供電、優(yōu)先脫扣、順序起動(dòng)、功率限制、監(jiān)測保護(hù)等功能仍然繼續(xù)有效[5]。本文僅對雙燃料PMS特有的控制策略進(jìn)行分析與說明。

與傳統(tǒng)柴油機(jī)組不同，雙燃料機(jī)組具備三種工作模式。三種模式的工作條件及差異見表2。

表2 工作模式

2.2 燃?xì)饽Ｊ?/h3>

燃?xì)饽Ｊ綖殡p燃料機(jī)組的期望工作模式。該模式下燃料為天然氣，天然氣由引燃油點(diǎn)燃。

2.2.1燃油模式

燃油模式下燃料為燃油，工作方式與傳統(tǒng)的柴油機(jī)組相同。但是引燃油的噴射仍然處于激活狀態(tài)。

2.2.2后備模式

后備模式可視作一種特殊的燃油模式。該模式下機(jī)組輸出功率受限，引燃油噴嘴被關(guān)閉。

2.2.3模式轉(zhuǎn)換

正常情況下，三種模式之間可人為任意轉(zhuǎn)換。特定條件下，會(huì)進(jìn)行非人為的被動(dòng)轉(zhuǎn)換。被動(dòng)轉(zhuǎn)換關(guān)系見表3。

表3 被動(dòng)轉(zhuǎn)換

一旦機(jī)組在運(yùn)行狀態(tài)中被動(dòng)進(jìn)入后備模式，將無法重新回到燃?xì)饽Ｊ交蛉加湍Ｊ?，必須將機(jī)組停機(jī)重新起動(dòng)。

優(yōu)先保證機(jī)組處于燃?xì)饽Ｊ较逻\(yùn)行，盡可能避免機(jī)組轉(zhuǎn)燃油模式，應(yīng)視作雙燃料機(jī)組控制的重要原則[6]。

2.2.4燃?xì)廪D(zhuǎn)燃油

燃?xì)廪D(zhuǎn)燃油分為主動(dòng)轉(zhuǎn)換與異常轉(zhuǎn)換，均能在1 s之內(nèi)完成。氣轉(zhuǎn)油的優(yōu)先級高于油轉(zhuǎn)氣的優(yōu)先級。燃?xì)廪D(zhuǎn)燃油的流程見圖2。

圖2 燃?xì)廪D(zhuǎn)燃油流程

2.2.5 燃油轉(zhuǎn)燃?xì)?/p>

燃油轉(zhuǎn)燃?xì)庑柙谪?fù)荷率低于80%時(shí)進(jìn)行。轉(zhuǎn)換前需進(jìn)行供氣申請。圖3為燃油轉(zhuǎn)燃?xì)饬鞒獭?/p>

圖3 燃油轉(zhuǎn)燃?xì)饬鞒?/p>

2.3 加減載

燃?xì)馀c燃油模式使用兩條特性曲線，對應(yīng)不同的加減載特性。圖4，圖5分別為該船燃油、燃?xì)饽Ｊ郊虞d特性。特性曲線可在PPU300中進(jìn)行設(shè)置。

燃?xì)饽Ｊ较拢訙p載需嚴(yán)格按照特性表限定范圍執(zhí)行，若超出范圍，將跳轉(zhuǎn)至燃油模式。兩次最大加載需間隔15 s。

燃油模式下減載可不受幅度限制。燃?xì)饽Ｊ较聹p載斜坡為15 s。

圖4 燃油模式加載特性

圖5 燃?xì)饽Ｊ郊虞d特性

2.4 運(yùn)行限制

2.4.1功率輸出限制

燃?xì)饽Ｊ较聶C(jī)組運(yùn)行需滿足一定的甲烷值條件，曲線見圖6。只有當(dāng)甲烷值大于80時(shí)，機(jī)組才具備滿負(fù)荷運(yùn)行的能力。

圖6 甲烷值與功率輸出限制表

燃油模式下，無特定的輸出功率限制。

2.4.2后備模式限制

后備模式下引燃油噴嘴不會(huì)激活，若重油燃油超過30分鐘或輕油燃燒超過5小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致引燃油噴嘴閉塞。同時(shí)后備模式下，機(jī)組負(fù)載不能超過70%。如果雙燃料機(jī)組以異常跳轉(zhuǎn)方式進(jìn)入后備模式，則無法在運(yùn)行中切換至燃?xì)饣蛉加湍Ｊ健?/p>

因此，當(dāng)機(jī)組處于后備模式時(shí)，需對運(yùn)行時(shí)間與機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行嚴(yán)格控制。

在設(shè)計(jì)時(shí)后備模式應(yīng)視作一種報(bào)警，對操作人員進(jìn)行提醒，通過人為干預(yù)，主動(dòng)退出該模式。

2.4.3空載及輕載模式限制

空載模式含義為空載運(yùn)行，未并網(wǎng)狀態(tài)。停機(jī)前持續(xù)空載時(shí)間不宜超過10 min，建議設(shè)置為3 min。

輕載時(shí)，根據(jù)燃料類別，負(fù)載低于特定下限值，機(jī)組存在最大運(yùn)行時(shí)間限制。高于該下限值運(yùn)行，則不存在最大時(shí)間限制。

當(dāng)雙燃料機(jī)組處于空載輕載模式時(shí)，須具備對運(yùn)行時(shí)間的管理功能，在超時(shí)前發(fā)出預(yù)報(bào)警。

2.5 黑船模式

當(dāng)全船失電進(jìn)入黑船模式時(shí)，PMS向所有機(jī)組發(fā)出黑船信號(hào)，將全部機(jī)組轉(zhuǎn)入后備模式。采用自動(dòng)或手動(dòng)的方式將其中一臺(tái)機(jī)組投網(wǎng)，恢復(fù)全船供電。

恢復(fù)供電后，未并網(wǎng)機(jī)組將恢復(fù)為燃?xì)饣蛉加湍Ｊ?。為使在網(wǎng)機(jī)組退出后備模式，需另起一臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)，替換已在網(wǎng)機(jī)組。停機(jī)后將后備模式機(jī)組解列重起。

2.6 重載問詢

由于燃?xì)饽Ｊ较录虞d曲線的限制，當(dāng)功率突增超過曲線的斜率，會(huì)出現(xiàn)異常油轉(zhuǎn)氣。燃?xì)饽Ｊ较轮剌d問詢需要根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷值與在網(wǎng)機(jī)組數(shù)的關(guān)系，動(dòng)態(tài)修正增機(jī)裕量[7]。

2.7 功率限制

2.7.1動(dòng)態(tài)功率限制

由于后備模式下負(fù)荷率不允許超過70%，所以后備模式時(shí)機(jī)組負(fù)荷率需要增加修正系數(shù)。

2.7.2 快速功率限制

為確?？焖俟β氏拗坪蟮墓β驶謴?fù)過程不超過機(jī)組的加載曲線。在燃?xì)饽Ｊ较掳l(fā)生快速功率限制時(shí)，除正常向變頻器發(fā)出指令外，需同時(shí)將機(jī)組由燃?xì)饽Ｊ街鲃?dòng)轉(zhuǎn)為燃油模式。

3 結(jié)論

由于雙燃料機(jī)組不同的加減載特性、三種工作模式的轉(zhuǎn)換關(guān)系以及燃?xì)鈾C(jī)組的諸多特殊限制，使雙燃料機(jī)組的能量管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)的能量管理呈現(xiàn)出明顯的差異。

這些差異，體現(xiàn)在加減載限制、運(yùn)行限制、黑船模式、重載問詢、功率限制等功能上。通過對這些差異進(jìn)行有針對性的處理，可以較好地實(shí)現(xiàn)雙燃料電力推進(jìn)船舶的能量管理功能。

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Control strategy research on power management system of dual fuel electrical propulsion marine

Wang Min, Qi Songlin, Wang Yongxing

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM41

A

1003-4862（2022）04-0046-03

2021-08-30

汪敏(1984-)，男，工程師，研究方向：船舶電力系統(tǒng)。E-mail: wangminhbhs@163.com