14 000 kW 大型巡航救助船電站管理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

陳偉勇

（中國船級社實(shí)業(yè)公司， 廣州 510250）

1 前言

14 000 kW 大型巡航救助船，主要任務(wù)是履行對海上遇險人員、船舶和航空器的搜尋救助，參與全球海上搜救和國際救援行動，配合維護(hù)國家海洋權(quán)益的職責(zé)。同時，具備一定的深遠(yuǎn)海遇險船舶拖曳救助、對外消防滅火、應(yīng)急搶險救助、深水掃測、援潛救生、水下救助打撈的能力。作為救助船隊的指揮中樞、配合維護(hù)國家海洋權(quán)益的深遠(yuǎn)海重要裝備,對船舶的動力裝置的操縱性和船舶電站的可靠性提出了較高的要求。

2 柴電混合動力推進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)成

本船為柴電混合動力推進(jìn)船，主推進(jìn)裝置由兩臺主柴油機(jī)和電動機(jī)經(jīng)減速齒輪箱共同驅(qū)動的帶導(dǎo)流罩調(diào)距螺旋槳組成。

本船設(shè)2 臺主機(jī)，采用四沖程、直列、不可逆轉(zhuǎn)、中速船用柴油機(jī)。每臺主機(jī)最大持續(xù)功率（MCR）為7 200 kW、額定轉(zhuǎn)速600 r/min；自由端驅(qū)動一臺軸帶發(fā)電機(jī)，額定功率4 500 kW；飛輪端通過高彈性聯(lián)軸節(jié)經(jīng)過一段高速軸同主推進(jìn)齒輪箱連接；2 臺主推進(jìn)齒輪箱，采用雙進(jìn)單出形式，輸入軸與主推輸出軸水平偏心的設(shè)計方案。除主機(jī)輸入外，另設(shè)2 臺通過離合器與主推進(jìn)齒輪箱連接、變頻驅(qū)動、額定功率為3 800 kW、轉(zhuǎn)速0-750 /1 200 r/min 的電動機(jī)輸入端；在主推進(jìn)齒輪箱的兩個輸入端均設(shè)有離合器,可以使主推進(jìn)裝置實(shí)現(xiàn)僅由主機(jī)驅(qū)動的純機(jī)械推進(jìn)模式，又可以由主機(jī)和電動機(jī)聯(lián)合驅(qū)動的混合推進(jìn)模式，以及僅由電動機(jī)驅(qū)動的純電力推進(jìn)模式。三種主推進(jìn)裝置模式可任意切換,確保主推進(jìn)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。

本船首部設(shè)有2 臺1 500 kW 首側(cè)推、1 臺2 000 kW 伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器 、尾部設(shè)有兩臺2 000 kW 尾側(cè)推。側(cè)推和伸縮推均由變頻器驅(qū)動。

本船設(shè)有4 臺四沖程、直列、不可逆轉(zhuǎn)、中速船用柴油機(jī)，經(jīng)過高彈性聯(lián)軸節(jié)。驅(qū)動雙軸承、無刷、自激勵、同步交流發(fā)電機(jī)的輔柴油發(fā)電機(jī)組。其中，2 臺柴油發(fā)電機(jī)組額定功率為3 000 kW、轉(zhuǎn)速1 000 r/min。自由端通過高彈和增速齒輪箱，分別驅(qū)動1 臺對外消防泵，增速齒輪箱內(nèi)設(shè)置離合器；另外2 臺額定功率為2 000 kW、轉(zhuǎn)速1 000 r/min；設(shè)有3 臺額定功率為760 kW、轉(zhuǎn)速1 000 r/min的停泊柴油發(fā)電機(jī)組；另外，還設(shè)有1 臺額定功率為450 kW、轉(zhuǎn)速1 500 r/min 的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組。

全船共設(shè)有3個機(jī)艙，即前機(jī)艙、左機(jī)艙和右機(jī)艙。機(jī)艙與機(jī)艙之間設(shè)有水密和A60 防火分隔，形成3 個冗余分組：前機(jī)艙冗余分組，包括2 臺3 000 kW 輔柴油發(fā)電機(jī)組和3 臺760 kW 停泊發(fā)電機(jī)組，并聯(lián)運(yùn)行形成前機(jī)艙電站，供電給伸縮推進(jìn)器等； 左機(jī)艙冗余分組，包括1 臺4 500 kW 軸帶發(fā)電機(jī)和1 臺2 000 kW 輔柴油發(fā)電機(jī)組，并聯(lián)運(yùn)行形成左機(jī)艙電站，供電給前首側(cè)推、前尾側(cè)推和左可調(diào)槳驅(qū)動電動機(jī)等； 右機(jī)艙冗余分組，包括1 臺4 500 kW 軸帶發(fā)電機(jī)和1 臺2 000 kW 輔柴油發(fā)電機(jī)組，并聯(lián)運(yùn)行形成右機(jī)艙電站，供電給后首側(cè)推、后尾側(cè)推和右可調(diào)槳驅(qū)動電動機(jī)等；在DP-3 工況下，三個冗余分組完全物理隔離，形成3 個相互獨(dú)立的冗余系統(tǒng)，任何一個冗余分組完全失去，均能保證本船所需的動力定位能力。

3 電站功率管理系統(tǒng)（PMS）的設(shè)備組成

本船采用西門子公司提供的完全熱冗余的電站功率管理系統(tǒng)（PMS），滿足 CCS 船級社和船東對本船在DP-3 工況閉合 AC6 600 V 主配電板母聯(lián)開關(guān)運(yùn)行的要求。 PMS 能獨(dú)立地在電網(wǎng)中控制和管理發(fā)電設(shè)備，保障所有操作狀態(tài)中不中斷供電，為用電設(shè)備提供足夠的電能；同時，還能根據(jù)需要進(jìn)一步優(yōu)化利用能源，確保主發(fā)電機(jī)運(yùn)行長時間處在經(jīng)濟(jì)工況，提高船舶的運(yùn)營經(jīng)濟(jì)效益。

電站功率管理系統(tǒng)（PMS）主要由控制單元、顯示單元、操作單元組成，見圖 1 所示。

圖1 船舶電站功率管理系統(tǒng)（PMS）圖

3.1 PMS 的控制單元

PMS 的控制單元，主要由中央控制站和分站控制站組成：

（1）中央控制站

采用一對西門子 SIMATIC S7 410H (CPU_A/B) 可編程控制器系統(tǒng)。在兩個冗余的中央控制站(CPU_A/B)之間對電站的運(yùn)行參數(shù)執(zhí)行同步運(yùn)行,每個CPU 模塊配備兩個冗余的通訊接口，采用兩根冗余的光纖數(shù)據(jù)線在兩個冗余的CPU 之間實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸。一旦主用可編程邏輯控制器出現(xiàn)故障，備用可編程邏輯控制器將自動切換成主用控制器，控制器的切換時間小于100毫秒。在控制器切換期間，PMS 將維持安全運(yùn)行,不會對正在執(zhí)行的功能做任何改變。

數(shù)據(jù)傳輸采用兩根冗余的以太網(wǎng)光纖電纜，把PMS 的冗余中央控制器連接到西門子自動化系統(tǒng)(VMS)的服務(wù)器上，船舶操作人員可以在VMS 的工作站對電站系統(tǒng)實(shí)施遙控操作。

（2）分站控制站

采用A、B 兩個型號的分站。A 型號分站為發(fā)電機(jī)母聯(lián)聯(lián)絡(luò)分站(即用發(fā)電機(jī)與母聯(lián)之間的聯(lián)絡(luò)，也稱為 bus-coupling 站)；B 型號分站為母聯(lián)連接分站(即用于兩個配電板之間的母聯(lián)聯(lián)絡(luò)，也稱為bus-tie 站)。每個分站和一對冗余中央控制站之間的通訊是通過兩根冗余光纖來實(shí)現(xiàn)的，且相互熱備用。

3.2 PMS 的顯示單元

一般情況下，PMS 顯示單元只在每臺發(fā)電機(jī)上設(shè)有獨(dú)立的顯示單元，安裝在配電板上，顯示發(fā)電機(jī)的參數(shù)（包括：有用功率、無用功率、三相電壓、電流、頻率以及單相電壓、電流等）。

本船PMS 設(shè)計為三層可視化界面，即三層人機(jī)界面：第一層為多功能電子式保護(hù)繼電器可視化界面，由安裝在中壓配電板發(fā)電機(jī)屏、母聯(lián)屏上的多功能電子式保護(hù)繼電器實(shí)現(xiàn)，在繼電器SIPROTEC 單元上的液晶顯示窗口顯示所有的發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，并且在繼電器 SIPROTEC 面板上的功能鍵也有控制功能；第二層為AC6 600 V 主配電板室控制站可視化界面，安裝在中壓配電板室控制站的控制臺上。操作面板通過網(wǎng)絡(luò)線直接連接到可編程控制器上，顯示PMS 的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，可以執(zhí)行系統(tǒng)的遙控功能，也可以修改電站的設(shè)定參數(shù)；第三層為全集成自動化系統(tǒng)工作站可視化界面，可視化通過全集成的自動化系統(tǒng)工作站來實(shí)現(xiàn)。在每臺工作站上，均可以顯示整個PMS 的運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)，可以執(zhí)行系統(tǒng)的遙控功能，也可以修改電站的設(shè)定參數(shù)。

3.3 PMS 的操作單元

PMS 設(shè)有手動、半自動和全自動三種工作模式：

（1）手動工作模式

發(fā)電機(jī)組的起動和停止可以在原動機(jī)的本地控制箱或主配電板上操作。本地控制模式不通過PMS 執(zhí)行，由獨(dú)立的控制部件實(shí)現(xiàn)。

（2）半自動模式

需在PMS 的操作面板上對主發(fā)電機(jī)起動或停止進(jìn)行操作。發(fā)電機(jī)起動后處于空載運(yùn)行狀態(tài)，不會自動執(zhí)行與母排同步的操作，只有在操作人員給出合閘指令后，空載運(yùn)行的發(fā)電機(jī)才會投入與母排進(jìn)行自動同步且合閘運(yùn)行；同樣，只有在操作人員給出分閘指令后，運(yùn)行在母排上的發(fā)電機(jī)才會投入自動卸載且分閘運(yùn)行。如果只有一臺發(fā)電機(jī)在母排上運(yùn)行，該發(fā)電機(jī)的斷路器不能從PMS 控制站直接分閘，以免造成母排失電，分閘必須到本地轉(zhuǎn)為手動模式。半自動模式下，PMS 的自動化功能將全部被封鎖。但是，在所有的操作模式下，發(fā)電機(jī)的保護(hù)功能均起作用。例如警報起動、延時停機(jī)和自動停機(jī)功能始終發(fā)揮作用。

（3）全自動工作模式

發(fā)電機(jī)將自動起動或停止：發(fā)電機(jī)起動后，將自動投入同步和合閘運(yùn)行；在發(fā)出停止指令后，發(fā)電機(jī)將自動執(zhí)行卸載、分閘和停機(jī)運(yùn)行程序；船舶電站的所有自動化功能，都由PMS 來實(shí)現(xiàn)。

4 PMS 的控制功能及對故障的處理

PMS 的基本功能，是實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)組和配電系統(tǒng)的電壓、頻率和有功功率分配以及卸載等進(jìn)行控制。船舶自動化系統(tǒng)(VMS)通過雙冗余網(wǎng)絡(luò)與 PMS 系統(tǒng)互聯(lián)，PMS 系統(tǒng)的所有功能都可以在VMS 人機(jī)界面上實(shí)現(xiàn)，相關(guān)信息也可在DP 系統(tǒng)人機(jī)界面顯示。

在正常操作模式下，分段匯流母線排HSB1、HSB2、HSB3 互聯(lián)形成一個單母線系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)最高效率運(yùn)行；在DP-3 操作工況下，HSB1、HSB2、HSB3 則分開單獨(dú)運(yùn)行，相互熱備用。所有發(fā)電機(jī)組均可以并聯(lián)運(yùn)行。

（1）PMS 可以監(jiān)測所有斷路器的位置狀態(tài)，以決定哪些發(fā)電機(jī)并網(wǎng)；也可以決定 HSB1、HSB2、HSB3是并聯(lián)運(yùn)行還是分別獨(dú)立運(yùn)行；

（2）PMS 所有控制功能均能自動適應(yīng)各斷路器狀態(tài)相對應(yīng)的操作模式，能檢測HSB1、HSB2、HSB3 和ASB1、ASB2、ASB3 上有關(guān)斷路器的狀態(tài)；

（3）當(dāng)PMS 發(fā)生故障時，不會向系統(tǒng)外發(fā)出錯誤的指令信號；

（4）在AC6 600 V 匯流母線排HSB 上設(shè)有手動/自動選擇開關(guān)：手動位置時，在HSB 上控制發(fā)電機(jī)組；自動控制位置時，由PMS 控制發(fā)電機(jī)速度和負(fù)荷； 控制位置轉(zhuǎn)換時，在PMS 和VMS 人機(jī)界面上有聲光報警指示信號；

（5）PMS在任何時刻只在一個控制位置進(jìn)行操作，即當(dāng)對某一設(shè)備進(jìn)行操縱時，自動將其它工作站上的相應(yīng)設(shè)備的操作功能進(jìn)行聯(lián)鎖；

（6）PMS 具有對電力系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測、報警、動態(tài)短路分析和控制（頻率、防斷電）及發(fā)電機(jī)有功功率分配的能力；具有根據(jù)負(fù)載功率自動起動或停止主發(fā)電機(jī)，或根據(jù)出現(xiàn)的系統(tǒng)故障起動或停止發(fā)電機(jī)的能力；具有主發(fā)電機(jī)的自動同步、母聯(lián)開關(guān)的自動同步、重載起動、自動功率儲備等能力；具有發(fā)電機(jī)在特定操作模式下根據(jù)所需功率進(jìn)行自動或手動停止的能力；具有電網(wǎng)失電恢復(fù)供電后，重要負(fù)載自動順序啟動等對船舶電站功率管理的能力和對電站故障處理的能力。例如：當(dāng)一臺發(fā)電機(jī)突然故障導(dǎo)致在線的其它發(fā)電機(jī)組過載、一個機(jī)艙發(fā)生故障導(dǎo)致另一個機(jī)艙發(fā)電機(jī)組過載、一個高壓配電板發(fā)生故障導(dǎo)致其它高壓配電板和與其相聯(lián)的發(fā)電機(jī)組過載、一個低壓配電板發(fā)生故障導(dǎo)致其它高壓配電板和與其相聯(lián)的發(fā)電機(jī)組過載、系統(tǒng)低頻的情況下，PMS 與發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)（GPA）相互配合，對發(fā)電機(jī)、配電系統(tǒng)進(jìn)行多方面的保護(hù)，具備防斷電功能；在DP 系統(tǒng)、起重機(jī)系統(tǒng)、拖纜機(jī)系統(tǒng)所要求的三種操作模式需求下，DP 控制系統(tǒng)優(yōu)先級高于其它系統(tǒng)，通過卸載優(yōu)先級，設(shè)定卸載次序；如果由于斷開高壓發(fā)電機(jī)或發(fā)電機(jī)組故障導(dǎo)致在線發(fā)電機(jī)容量下降，PMS 將重新計算電網(wǎng)容量，自動卸除在特定操作模式下一些非重要的設(shè)備，起動在備用狀態(tài)的主發(fā)電機(jī)組；如果沒有備用發(fā)電機(jī)組，會按預(yù)先設(shè)定的優(yōu)先級自主卸除一些非重要負(fù)荷，也可以通過發(fā)電機(jī)GPA 對推進(jìn)器功率進(jìn)行限制，從而提高船舶電站的防斷電能力和故障處理能力；

（7）在正常情況（即恒頻模式）下，由于負(fù)載的有功功率自動分配由柴油機(jī)的電子調(diào)速器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)PMS 系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生主控制器失電或通訊中斷等故障時，不會發(fā)生發(fā)電機(jī)跳閘停機(jī)故障，只是PMS 系統(tǒng)暫時損失部分功能；同時還具有當(dāng)柴油機(jī)的電子調(diào)速器出現(xiàn)故障時，恒頻模式將自動切換到發(fā)電機(jī)的下垂模式能力，進(jìn)而從多方面增加了船舶電站的供電可靠性；

（8）PMS 還具有電氣安全聯(lián)鎖、連續(xù)對系統(tǒng)的故障進(jìn)行自診斷、與船舶自動化系統(tǒng)、DP 系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)相互數(shù)據(jù)傳輸，在自動化控制系統(tǒng)（VMS）上進(jìn)行控制操作能力。

5 結(jié)論

綜上所述，本船采用西門子新一代一對SIMATIC S7 410H (CPU_A/B) 可編程控制器系統(tǒng)，作為核心主控制單元和多個分站控制單元相互結(jié)合組成的PMS，通過對電站各種運(yùn)行工況的實(shí)時在線監(jiān)測、全面綜合分析、邏輯預(yù)判斷，實(shí)現(xiàn)船舶電站從發(fā)電機(jī)發(fā)電、負(fù)載用電、配電板配電到電力優(yōu)化的全過程進(jìn)行綜合自動化管理。為了確保船舶電站PMS 運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，還采用了熱冗余技術(shù)，并結(jié)合在DP3 工況閉合AC6 600 V 主配電板母聯(lián)開關(guān)運(yùn)行的要求下,進(jìn)行了完全熱冗余PMS 設(shè)計，對進(jìn)一步提高船舶電站的防斷電能力和故障處理的能力提供了有力的技術(shù)保障。