汪成義，羅伯坤，沈 杰

應(yīng)用研究

某艦艇自動(dòng)電站優(yōu)化設(shè)計(jì)

汪成義，羅伯坤，沈 杰

（中國(guó)船舶與海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

電站作為艦船電力的來(lái)源，其安全、穩(wěn)定的運(yùn)行在航行過(guò)程中至關(guān)重要。如何保證艦艇電力供電及其監(jiān)控系統(tǒng)智能化、自動(dòng)化是艦船電力系統(tǒng)科研設(shè)計(jì)、保障工作者一直研究的重要內(nèi)容。文章首先分析了某艦艇電力供電及其監(jiān)控系統(tǒng)基本情況，通過(guò)對(duì)實(shí)船自動(dòng)電站情況驗(yàn)證分析，在不改變?cè)娏╇娂捌淇刂葡到y(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出增加“主電網(wǎng)失電，自動(dòng)起動(dòng)主電站備用機(jī)組”的改進(jìn)性設(shè)計(jì)方案。方案能有效的提高主電站監(jiān)控系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化程度和保證艦艇航行安全。

船舶電站 自動(dòng)電站 電站監(jiān)控 失電自起動(dòng)

0 引言

隨著進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)造船事業(yè)處于高速發(fā)展的階段，伴隨著國(guó)內(nèi)電力、電子、控制、通訊和信息技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)、集成電路的投入使用以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)船舶自動(dòng)化電站技術(shù)得到迅速發(fā)展[3]。經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，船舶機(jī)艙從有人值守到自動(dòng)化機(jī)艙，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍研究無(wú)人值班機(jī)艙，但實(shí)現(xiàn)機(jī)艙自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班機(jī)艙的必要條件[1,2]。

從技術(shù)層面看，船舶電站自動(dòng)化經(jīng)歷了單元分立式控制、集中式自動(dòng)控制、分散式自動(dòng)控制和集散式自動(dòng)化系統(tǒng)的過(guò)程。八十年代之前，單元分立式自動(dòng)化主要包含自動(dòng)并車裝置、自動(dòng)并車解列、自動(dòng)負(fù)載分配裝置和AVR自動(dòng)調(diào)壓裝置等組成電站自動(dòng)化裝置。進(jìn)入八十年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，先后出現(xiàn)了微機(jī)集中式自動(dòng)控制和分散式自動(dòng)化系統(tǒng)，集中式自動(dòng)控制系統(tǒng)便于集中控制，但是該系統(tǒng)故障查找和維修困難。分散式控制提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，但是不便于無(wú)人機(jī)艙集中管理要求。目前國(guó)內(nèi)外船舶電站自動(dòng)化朝著集散型自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展，它結(jié)合了集中和分散的優(yōu)點(diǎn)。[3]建立在網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)上的集散型控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得船舶電站自動(dòng)化開(kāi)始了一個(gè)全新時(shí)代。

結(jié)合以上電站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，本文以21世紀(jì)初期一條艦艇電站自動(dòng)化為例，增加該自動(dòng)電站的“主電網(wǎng)失電，自動(dòng)起動(dòng)主電站備用機(jī)組”功能。

2 基本情況

某艦艇主電網(wǎng)供電裝備由4臺(tái)MAN-B&W 6L20/27主柴油發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)MWM-TBD234-V12停泊發(fā)電機(jī)組構(gòu)成；應(yīng)急電網(wǎng)供電裝備由1臺(tái)MWM-TBD234 V6柴油發(fā)電機(jī)組構(gòu)成；臨時(shí)應(yīng)急電網(wǎng)供電裝備由若干蓄電池及充放電裝置構(gòu)成。本艦艇主電網(wǎng)及應(yīng)急電網(wǎng)供電示意圖如下圖1：

圖1 主電網(wǎng)及應(yīng)急電網(wǎng)供電示意圖

該艦艇在進(jìn)廠進(jìn)行中修期間船方提出“主電網(wǎng)失電后，主電站無(wú)法自動(dòng)起動(dòng)備用機(jī)組”的情況，希望我們?cè)O(shè)計(jì)、保障人員就目前船舶電站的狀態(tài)分析，艦艇在航行過(guò)程中出現(xiàn)極端情況，全船失電后應(yīng)如何恢復(fù)主電網(wǎng)供電，如果不能自動(dòng)起動(dòng)主電站機(jī)組，能否通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)實(shí)現(xiàn)該功能，希望做出論證分析。

在開(kāi)展艦艇系泊試驗(yàn)期間，對(duì)艦船電力系統(tǒng)電站自動(dòng)控制功能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，電站自動(dòng)控制功能試驗(yàn)過(guò)程如下：

1）在主配電板上將選擇開(kāi)關(guān)置于“自動(dòng)”，設(shè)置電站運(yùn)行控制方式為自動(dòng)；

2）設(shè)置一臺(tái)主發(fā)電機(jī)組在網(wǎng)，當(dāng)在網(wǎng)負(fù)載功率大于等于85%時(shí)自動(dòng)增機(jī)，備用機(jī)組能夠自動(dòng)啟動(dòng)后自動(dòng)投入電網(wǎng)，此時(shí)在網(wǎng)機(jī)組共兩臺(tái)；

3）繼續(xù)增加在網(wǎng)負(fù)載功率大于等于170%Pe時(shí)自動(dòng)增機(jī)，備用機(jī)組能夠自動(dòng)啟動(dòng)后自動(dòng)投入電網(wǎng)，此時(shí)在網(wǎng)機(jī)組共三臺(tái)；

4）繼續(xù)增加在網(wǎng)負(fù)載功率大于等于255%Pe時(shí)自動(dòng)增機(jī)，備用機(jī)組能夠自動(dòng)啟動(dòng)后自動(dòng)投入電網(wǎng)，此時(shí)在網(wǎng)機(jī)組共四臺(tái)；

5）調(diào)節(jié)在網(wǎng)負(fù)載功率小于等于90%Pe時(shí)自動(dòng)減機(jī)，此時(shí)在網(wǎng)機(jī)組共三臺(tái)；

6）調(diào)節(jié)在網(wǎng)負(fù)載功率小于等于60%Pe時(shí)自動(dòng)減機(jī)，此時(shí)在網(wǎng)機(jī)組共兩臺(tái)；

7）模擬當(dāng)一臺(tái)機(jī)組發(fā)生A類故障（如滑油壓力過(guò)低、超速）時(shí)，機(jī)組停機(jī)，此時(shí)備用機(jī)組能自動(dòng)起動(dòng)，自動(dòng)合閘投入電網(wǎng)供電，此時(shí)在網(wǎng)機(jī)組為兩臺(tái)；

8）調(diào)節(jié)在網(wǎng)負(fù)載功率小于等于30%Pe時(shí)自動(dòng)減機(jī)，此時(shí)在網(wǎng)機(jī)組共一臺(tái)，或手動(dòng)調(diào)節(jié)，投入停泊機(jī)組；

9）手動(dòng)解列發(fā)電機(jī)組主開(kāi)關(guān)，此時(shí)主電網(wǎng)失電，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組自動(dòng)起動(dòng)，應(yīng)急配電板供電，但主電站無(wú)法自動(dòng)起動(dòng)備用機(jī)組，無(wú)法自動(dòng)恢復(fù)主電網(wǎng)供電。

按照該船實(shí)船試驗(yàn)過(guò)程狀態(tài)分析在在航行過(guò)程中主電網(wǎng)失電，手動(dòng)恢復(fù)主電網(wǎng)供電過(guò)程如下：當(dāng)主電站機(jī)組解列，主配電板失電時(shí)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組應(yīng)急起機(jī)，應(yīng)急配電板給船上應(yīng)急照明供電；停泊發(fā)電機(jī)組滑油預(yù)供油泵為手搖泵，可以通過(guò)手動(dòng)搖動(dòng)手搖泵潤(rùn)滑停泊發(fā)電機(jī)組，手動(dòng)起動(dòng)主電網(wǎng)停泊發(fā)電機(jī)組，恢復(fù)主配電板供電，繼而可通過(guò)主配電板恢復(fù)主發(fā)電機(jī)組滑油預(yù)供油泵供電，起動(dòng)主發(fā)電機(jī)組供電。

3 原因分析

查閱該艦艇電站自動(dòng)控制功能說(shuō)明書描述如下：在網(wǎng)機(jī)組平均功率≥85%時(shí)自動(dòng)增機(jī)，機(jī)組起動(dòng)成功后自動(dòng)投入電網(wǎng)；在網(wǎng)機(jī)組平均功率≤30%時(shí)自動(dòng)減機(jī)。在說(shuō)明書并未涉及“主電網(wǎng)失電，自動(dòng)起動(dòng)主電站備用機(jī)組”功能要求。依據(jù)HJB4000-2000對(duì)電站自動(dòng)化功能設(shè)計(jì)要求是按照標(biāo)準(zhǔn)可選擇、可裁剪和組合。鑒于該艦艇服役入列已近16年之久，電站的設(shè)計(jì)是一個(gè)迭代升級(jí)的過(guò)程，按照系泊期間電力系統(tǒng)電站自動(dòng)控制功能試驗(yàn)，滿足該艦艇說(shuō)明書電站自動(dòng)控制功能要求。

根據(jù)對(duì)電站自動(dòng)控制功能試驗(yàn)，在主配電板未失電情況下，主發(fā)電機(jī)組可以自動(dòng)增、減機(jī)組，那么主配電板上電站控制器可以控制機(jī)組自動(dòng)起、停?？紤]“主電網(wǎng)失電后，主電站無(wú)法自動(dòng)起動(dòng)備用機(jī)組”的原因如下幾點(diǎn)：

1）當(dāng)主配電板失電后，電站控制器是否給主發(fā)電機(jī)組機(jī)旁控制箱發(fā)起起動(dòng)機(jī)組信號(hào)；

2）當(dāng)主配電板失電后，機(jī)旁控制箱內(nèi)部是否存在自動(dòng)起動(dòng)機(jī)組的控制電路；

3）當(dāng)主配電板失電后，機(jī)組外圍油、汽、水、電是否可以滿足起動(dòng)機(jī)組條件。

根據(jù)以上三點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證研討發(fā)現(xiàn)，主發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)MAN-B&W 6L20/27機(jī)組特性，主發(fā)電機(jī)組須在滑油預(yù)供油泵建立一定油壓才具備起動(dòng)條件，因此在主發(fā)電機(jī)組內(nèi)部的控制線路設(shè)置了與滑油預(yù)供油泵的壓力聯(lián)鎖；當(dāng)主配電板失電時(shí)，主發(fā)電機(jī)組滑油預(yù)供油泵無(wú)法起動(dòng)，滑油預(yù)供壓力值低于壓力開(kāi)關(guān)設(shè)定值，此時(shí)無(wú)法自動(dòng)起動(dòng)主發(fā)電機(jī)組。

主電網(wǎng)停泊發(fā)電機(jī)組滑油預(yù)供油泵為手搖泵，但機(jī)組僅手動(dòng)和半自動(dòng)控制模式，半自動(dòng)控制模塊無(wú)自動(dòng)起動(dòng)機(jī)組的功能，因此在主配電板失電時(shí)，無(wú)法自動(dòng)起動(dòng)除應(yīng)急發(fā)電機(jī)組之外的備用機(jī)組。

4 自動(dòng)起動(dòng)功能優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)

4.1 自動(dòng)起動(dòng)的判決條件[4]

一般的電站控制器自動(dòng)起動(dòng)判決條件有如下四種情況：

1）設(shè)定的最小運(yùn)行機(jī)組數(shù)大于在網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組數(shù)，電站控制器按差數(shù)起動(dòng)發(fā)電機(jī)組并自動(dòng)投網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行；

2）在網(wǎng)運(yùn)行的機(jī)組出現(xiàn)故障停機(jī)，自動(dòng)起動(dòng)備用機(jī)組并自動(dòng)投入電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行；

3）在網(wǎng)負(fù)荷超過(guò)機(jī)組平均功率N%（一般取85%），電站控制器會(huì)起動(dòng)備用機(jī)組并自動(dòng)投入電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行；

4）電網(wǎng)失電時(shí)，按照優(yōu)先級(jí)起動(dòng)備用機(jī)組并恢復(fù)電網(wǎng)供電。

4.2 失電自動(dòng)起動(dòng)控制程序

設(shè)置發(fā)電機(jī)組控制方式為自動(dòng)時(shí)，電站控制器會(huì)自動(dòng)判斷以上四種自動(dòng)起動(dòng)判決條件，當(dāng)出現(xiàn)以上情況時(shí)，電站控制器會(huì)向發(fā)電機(jī)組機(jī)旁控制箱發(fā)出起動(dòng)備用機(jī)組的信號(hào)。開(kāi)始電站控制器會(huì)判斷電網(wǎng)是否有電，如果電網(wǎng)失電，電站控制器會(huì)發(fā)出1#發(fā)電機(jī)組起動(dòng)信號(hào)（假設(shè)發(fā)電機(jī)組優(yōu)先級(jí)為1#、2#、3#、4#），當(dāng)1#發(fā)電機(jī)組機(jī)旁控制箱接收到電站控制器的啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，1#發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)成功后對(duì)應(yīng)主開(kāi)關(guān)合閘，并恢復(fù)主電網(wǎng)供電。在此過(guò)程中電站控制器會(huì)發(fā)送三次啟動(dòng)信號(hào)，如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)1#機(jī)組未能起動(dòng)時(shí)，電站控制器發(fā)出1#機(jī)組起動(dòng)失敗報(bào)警，同時(shí)電站控制器發(fā)起起動(dòng)2#發(fā)電機(jī)組信號(hào)。依次起動(dòng)備用機(jī)組，最先起動(dòng)成功者自動(dòng)投入電網(wǎng)。發(fā)電機(jī)組失電自動(dòng)動(dòng)的流程圖如圖2。

圖2 發(fā)電機(jī)組失電自動(dòng)起動(dòng)的流程圖

4.3 失電自動(dòng)功能優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述“主電網(wǎng)失電時(shí)，無(wú)法自動(dòng)起動(dòng)主電站備用機(jī)組”的原因主要為主配電板失電時(shí)，主發(fā)電機(jī)組滑油預(yù)供油泵失電，此時(shí)機(jī)組自動(dòng)起動(dòng)與滑油預(yù)供油壓聯(lián)鎖因此無(wú)法自動(dòng)起動(dòng)。本文提出了兩個(gè)解決方案。

（1）方案1、增加蓄電池組、交流不間斷電源UPS供電

該艦艇應(yīng)急直流供電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)未考慮發(fā)電機(jī)組滑油預(yù)供油泵應(yīng)急供電需求，在不改變艦艇應(yīng)急直流供電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的情況下。因此在蓄電池室增加一套蓄電池組和充放電裝置以滿足柴油發(fā)電機(jī)組滑油預(yù)供油泵應(yīng)急直流供電。在輔機(jī)艙配置一臺(tái)380 V 交流不間斷UPS電源供電。主柴油發(fā)電機(jī)組滑油預(yù)供油泵額定功率為1.5 kW 、額定電壓為380 V。綜合上述實(shí)船情況，優(yōu)化改進(jìn)后的系統(tǒng)應(yīng)滿足：當(dāng)主發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)主配電板通過(guò)各級(jí)配電系統(tǒng)給滑油預(yù)供油泵供電，此時(shí)主電站如果需要增減機(jī)，滑油預(yù)供油泵均滿足啟停機(jī)組滑油壓力聯(lián)鎖需求。當(dāng)主發(fā)電機(jī)組全部停機(jī)、主電網(wǎng)失電時(shí)，主電網(wǎng)無(wú)法給滑油預(yù)供油泵供電，交流不間斷電源UPS切換到蓄電池經(jīng)過(guò)充放電裝置，經(jīng)過(guò)DC/DC變換和DC/AC變化后輸出交流380 V電源供滑油預(yù)供油泵供電，當(dāng)電站控制器檢測(cè)到主電網(wǎng)失電時(shí)，主電站滑油預(yù)供油泵一直能夠有電源不間斷供電，滿足滑油預(yù)供壓力聯(lián)鎖要求，發(fā)電機(jī)組能夠起動(dòng)備用機(jī)組，恢復(fù)主電網(wǎng)供電。按上述分析，滑油預(yù)供油泵增加不間斷供電原理圖如下圖3。

圖3 滑油預(yù)供油泵不間斷供電原理圖

（2）方案2、增加兩路電源供電裝置

該艦艇應(yīng)急電源由應(yīng)急發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，當(dāng)主電站失電時(shí)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組此時(shí)自動(dòng)起動(dòng)，并應(yīng)急配電板主開(kāi)關(guān)自動(dòng)合閘供船上應(yīng)急照明和應(yīng)急供電裝備供電用。當(dāng)主電網(wǎng)恢復(fù)向應(yīng)急配電板供電后，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組主開(kāi)關(guān)自動(dòng)分閘，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組自動(dòng)延時(shí)停機(jī)。

該方案在機(jī)艙區(qū)域加上4臺(tái)兩路電源轉(zhuǎn)換裝置，當(dāng)主電站供主電網(wǎng)正常供電時(shí)，主電網(wǎng)通過(guò)各級(jí)配電系統(tǒng)向主柴油發(fā)電機(jī)組預(yù)供油泵供電，實(shí)現(xiàn)主電站自動(dòng)增減機(jī)的需求。當(dāng)主電網(wǎng)失電時(shí)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組通過(guò)應(yīng)急配電板再經(jīng)兩路電源轉(zhuǎn)換裝置向滑油預(yù)供油泵供電，滑油預(yù)供油泵能夠建立機(jī)組起動(dòng)的滑油預(yù)供油壓需求，滿足主電站起動(dòng)機(jī)組前提條件，電站控制器向機(jī)旁控制箱發(fā)起起動(dòng)信號(hào)，起動(dòng)主電站發(fā)電機(jī)組，恢復(fù)主電站供電，但此方案當(dāng)主電網(wǎng)失電，需要應(yīng)急電站自動(dòng)起動(dòng)和經(jīng)過(guò)應(yīng)急配電板供兩路電源轉(zhuǎn)換裝置開(kāi)關(guān)合閘及兩路電源轉(zhuǎn)換裝置切換電源的時(shí)間，不能完成滑油預(yù)供油泵不間斷供電。其恢復(fù)主電站供電可靠性、時(shí)效性較差。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)國(guó)內(nèi)船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展和趨勢(shì)進(jìn)行研究，闡明了不同時(shí)期電站監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)。然后對(duì)某艦艇自動(dòng)電站功能進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)分析，針對(duì)本船自動(dòng)電站無(wú)法實(shí)現(xiàn)“主電網(wǎng)失電后，主電站無(wú)法自動(dòng)起動(dòng)備用機(jī)組”進(jìn)行原因分析，根據(jù)其具體原因提出了兩種優(yōu)化改進(jìn)方案。兩種優(yōu)化改進(jìn)方案能夠有效保證電站失電自啟動(dòng)功能的完整性，為艦艇航行安全提供有力保障。通過(guò)本次對(duì)該艦艇的自動(dòng)電站系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)分析，目前國(guó)內(nèi)外不同艦艇其電站監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)，不同時(shí)期電站監(jiān)控系統(tǒng)有所差異。有些電站監(jiān)控系統(tǒng)僅手動(dòng)功能，有些電站存在手動(dòng)、半自動(dòng)功能，還有些電站控制功能比較完善，存在手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)功能。同時(shí)也存在不同時(shí)期電站監(jiān)控系統(tǒng)的其功能的獨(dú)特性。需要我們科研、保障人員進(jìn)行分析。對(duì)不同時(shí)期的艦艇電站監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以提高船舶電站系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化程度。同時(shí)保證艦艇在航行過(guò)程中的安全性。

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Optimal design of automatic power station for a surface ship

Wang Chengyi, Luo Bokun, Shen Jie

（Marine Design and Research Institute of China ，Shanghai 200011, China）

U665

A

1003-4862（2023）10-0041-04

2023-02-09

汪成義(1990-)，男，工程師。研究方向：船舶電氣、通導(dǎo)設(shè)備及自動(dòng)控制。E-mail:1192495416@qq.com