基于模式控制的PMS在工程船舶中的應(yīng)用研究

凌良勇

（長(zhǎng)江航道局 武漢 430010）

引 言

隨著工程船舶的功能日益增強(qiáng)，其各類負(fù)載總和越來(lái)越大，遠(yuǎn)大于主機(jī)和發(fā)電機(jī)的所能提供的船舶裝機(jī)功率，二者之間形成了較大矛盾，如果不進(jìn)行管理和控制，主機(jī)、發(fā)電機(jī)很容易產(chǎn)生超負(fù)荷甚至過(guò)載、斷電、船舶失控等嚴(yán)重后果，給設(shè)備和船舶的安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。［1-2］因此，為了降低能耗成本，提高能耗使用效率，需要提高主機(jī)和發(fā)電機(jī)在船舶各工況下功率使用效率和均衡性。由于工程船舶工況和動(dòng)力負(fù)載的多樣性，驅(qū)動(dòng)形式復(fù)雜（復(fù)合驅(qū)動(dòng)），［3］原有的傳統(tǒng)模式已無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效的控制與管理，必須擁有一套獨(dú)立的系統(tǒng)，對(duì)其動(dòng)力、供配電系統(tǒng)以及特種機(jī)械進(jìn)行統(tǒng)一的管理與功率分配，因此產(chǎn)生了功率管理系統(tǒng)PMS（Power Management System，簡(jiǎn)稱 PMS）。［4-5］

1 船舶PMS原理分析

傳統(tǒng)的船舶PMS是狹義的PMS，即普通航行船舶的自動(dòng)電站管理系統(tǒng)，僅具有自動(dòng)電力管理的功能，相對(duì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)規(guī)模小的功率管理系統(tǒng)，而廣義的PMS不僅是針對(duì)電力系統(tǒng)，同時(shí)還對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)、特種機(jī)械各種不同工況下的功率分配與協(xié)調(diào)。廣義的功率管理，包括全船動(dòng)力機(jī)電站配置、配電板選擇性（保護(hù)）分析、全船供電模式與供電模式轉(zhuǎn)換及功率管理策略。［6-8］

通常，自航船舶動(dòng)力布置大多數(shù)采用柴油機(jī)為主推進(jìn)動(dòng)力、柴油發(fā)電機(jī)組為電站。然而，工程船舶有一個(gè)共同特點(diǎn)，即在施工作業(yè)時(shí)主推進(jìn)所需要的功率遠(yuǎn)低于柴油機(jī)的額定功率，因此產(chǎn)生了復(fù)合驅(qū)動(dòng)的概念。復(fù)合驅(qū)動(dòng)指柴油機(jī)輸出軸不只限于帶一種負(fù)載，而是帶二、三種甚至三種以上的負(fù)載。例如柴油機(jī)的飛輪端驅(qū)動(dòng)螺旋槳，自由端驅(qū)動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)；或者柴油機(jī)的飛輪端通過(guò)齒輪箱驅(qū)動(dòng)螺旋槳+軸帶發(fā)電機(jī)，自由端通過(guò)齒輪箱帶動(dòng)大功率泵浦、中壓發(fā)電機(jī)及其他裝備等。

基于模式控制的船舶PMS根據(jù)船舶的使用工況并結(jié)合主機(jī)的復(fù)合驅(qū)動(dòng)形式，將工程船舶復(fù)雜的工況模式化并劃分為常用的工況模式；然后按照船舶工況模式及主機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式確定主機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力配置模式，將船舶工況模式和主機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力配置模式有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成船舶功率管理系統(tǒng)的運(yùn)行模式（或控制模式）；進(jìn)而再對(duì)相關(guān)動(dòng)力裝置和負(fù)載（機(jī)電設(shè)備）進(jìn)行功率管理。其控制方式見(jiàn)圖1所示，對(duì)應(yīng)的控制機(jī)理如式（1）所示，具體實(shí)施流程參見(jiàn)圖2。

圖1 基于模式控制的船舶PMS示意圖

圖2 基于模式控制的船舶PMS實(shí)施流程圖

因此，基于模式控制的船舶PMS 設(shè)計(jì)應(yīng)包括以下步驟:

（1）船舶運(yùn)行工況及模式分析與劃分；

（2）動(dòng)力配置模式分析；

（3）確定各種不同工況模式下的功率需求；

（4）配電板選擇性（保護(hù)）分析；

（5）動(dòng)力模式的切換；

（6）功率分配和管理策略的確定；

（7）PMS的硬件設(shè)計(jì)包括配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；

（8）碼頭系泊實(shí)驗(yàn)、航行實(shí)驗(yàn)、效率實(shí)驗(yàn)等。

2 PMS在挖泥船中的應(yīng)用

本文以長(zhǎng)江航道局某8000 m3/h 自航耙吸挖泥船為例，剖析PMS在挖泥船中的應(yīng)用。［9］

2.1 運(yùn)行工況分析

該船的作業(yè)工況如表1所示。

2.2 動(dòng)力配置模式分析

該船的動(dòng)力配置如圖3所示。

表1 8000 m3/h 自航耙吸挖泥船的作業(yè)工況

圖3 8000 m3 自航耙吸挖泥船的動(dòng)力配置示意圖

主機(jī)采用“一拖三”的驅(qū)動(dòng)方式，結(jié)合船舶工況和工作負(fù)載確定主推進(jìn)系統(tǒng)采用以下三種動(dòng)力配置模式:

（1）組合模式

主機(jī)功率用于驅(qū)動(dòng)CPP，軸帶發(fā)電機(jī)跟轉(zhuǎn)，但不輸出功率，啟動(dòng)離合器脫排，泥泵不工作。

（2）軸發(fā)模式

主機(jī)100%額定轉(zhuǎn)速，主機(jī)功率用于驅(qū)動(dòng)CPP和軸帶發(fā)電機(jī)，氣動(dòng)離合器脫排，泥泵不工作。

（3）挖泥模式

主機(jī)功率用于驅(qū)動(dòng)CPP和軸帶發(fā)電機(jī)，氣動(dòng)離合器合排，泥泵工作。

2.3 控制模式

通過(guò)分析該船的運(yùn)行工況和動(dòng)力配置模式，從而確定控制模式，見(jiàn)圖4。

圖4 8000 m3/h 自航耙吸挖泥船的控制模式示意圖

2.4 基于模式控制的PMS

根據(jù)上述三種模式運(yùn)行的需要，通過(guò)對(duì)主機(jī)、軸發(fā)、主發(fā)、推進(jìn)齒輪箱離合器、可調(diào)螺距螺旋槳、泥泵及齒輪箱離合器、高壓沖水泵以及艏側(cè)推進(jìn)行管理，建立8000 m3/h自航耙吸挖泥船的PMS，對(duì)船上用電設(shè)備進(jìn)行合理分配，保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行。該P(yáng)MS結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 8000 m3/h 自航耙吸挖泥船的PMS結(jié)構(gòu)示意圖

該功率管理系統(tǒng)由三部分組成:

（1）功率管理模塊

作為基于模式的PMS控制中樞（包括PMS的硬件、軟件及接口），通過(guò)與駕駛臺(tái)和主配電板的通信，進(jìn)行工作模式的辨識(shí)和基于模式的功率管理。

（2）駕控臺(tái)PMS控制模塊

作為船舶作業(yè)模式的指揮系統(tǒng)，包括主推進(jìn)/PMS開(kāi)關(guān)、工作模式按鈕和工作狀態(tài)指示燈，實(shí)現(xiàn)工作模式的切換和管理。

（3）負(fù)載管理模塊

作為船舶負(fù)載的控制中心，通過(guò)對(duì)主配電板、應(yīng)急配電板和其他負(fù)載進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的分配、調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)移和過(guò)載保護(hù)。

通過(guò)建立基于模式控制的PMS，實(shí)現(xiàn)不同配電模式之間的轉(zhuǎn)換、主配電板上主發(fā)供電故障時(shí)，任一軸帶發(fā)電機(jī)自動(dòng)供電（由選擇開(kāi)關(guān)確定軸帶發(fā)電機(jī)）、管理艏側(cè)推的問(wèn)訊和分配給艏側(cè)推運(yùn)行所需功率、管理高壓沖水泵的問(wèn)訊和分配給高壓沖水泵所需功率、泥泵離合器問(wèn)訊管理、預(yù)防主機(jī)過(guò)載、預(yù)防軸帶發(fā)電機(jī)過(guò)載、預(yù)防主發(fā)電機(jī)過(guò)載、實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)自動(dòng)并車和負(fù)載自動(dòng)分配、任一軸發(fā)和主發(fā)之間的自動(dòng)并車和自動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)移、發(fā)電機(jī)（軸發(fā)、主發(fā)）主要運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)（過(guò)載、過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、過(guò)頻、欠頻、軸發(fā)和主發(fā)逆功保護(hù)）等。

3 控制模式實(shí)例分析

現(xiàn)以2臺(tái)主機(jī)都正常運(yùn)行為例，簡(jiǎn)述PMS在挖泥裝艙模式的配電模式控制過(guò)程及要求，其配電模式見(jiàn)圖6。

圖6 挖泥裝艙模式的配電示意圖

PMS的功率計(jì)算采用下列公式:

式中:PME為主機(jī)功率（由主推進(jìn)系統(tǒng)提供4～20 mA功率信號(hào)）；

PCPP為主推進(jìn)螺旋槳軸功率（由主推進(jìn)系統(tǒng)提供4～20 mA軸功率信號(hào)）；

PDP為泥泵功率（由PMS系統(tǒng)計(jì)算）；

PMG為軸帶發(fā)電機(jī)功率（由PMS系統(tǒng)測(cè)量）；

PHY為液壓泵站功率（由PMS系統(tǒng)測(cè)量）；

PJP為高壓沖水泵功率（由PMS系統(tǒng)測(cè)量）；

PBT為艏側(cè)推功率（由PMS系統(tǒng)測(cè)量）；

ηGBDP為泥泵驅(qū)動(dòng)齒輪箱效率；

ηGBPD為螺旋槳齒輪箱效率；

ηMG為軸帶發(fā)電機(jī)（包括齒輪箱）的效率。

3.1 控制過(guò)程及要求

在模式切換前必須滿足如下要求:主控制屏上“PMS 控制”開(kāi)關(guān)在開(kāi)位置，2臺(tái)主發(fā)和其開(kāi)關(guān)狀態(tài)正常。

在切換過(guò)程中，如發(fā)生以下任一情況，將發(fā)出“配電模式切換失敗”報(bào)警:

（1）在向主推進(jìn)系統(tǒng)請(qǐng)求模式轉(zhuǎn)換時(shí)，未轉(zhuǎn)換成功。

（2）在轉(zhuǎn)換過(guò)程中發(fā)生聯(lián)絡(luò)或發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)合/分閘失敗。

（3）泥泵處于高速檔運(yùn)行。

（4）如左軸發(fā)處于圖7所示的供電狀態(tài)，左主推進(jìn)系統(tǒng)處于挖泥模式且挖泥作業(yè)未結(jié)束。

圖7 左軸發(fā)供電狀態(tài)（挖泥）

（5）如右軸發(fā)處于圖8所示的供電狀態(tài)，右主推進(jìn)系統(tǒng)處于挖泥模式且挖泥作業(yè)未結(jié)束。

圖8 右軸發(fā)供電狀態(tài)（挖泥）

（6）如左軸發(fā)處于圖9所示的供電狀態(tài)，左主推進(jìn)系統(tǒng)處于軸發(fā)模式且右側(cè)推或右高壓沖水泵在運(yùn)行。

圖9 左軸發(fā)供電狀態(tài)（沖水）

（7）如右軸發(fā)處于圖10所示的供電狀態(tài)，右主推進(jìn)系統(tǒng)處于軸發(fā)模式且左側(cè)推或左高壓沖水泵在運(yùn)行。

圖10 右軸發(fā)供電狀態(tài)（沖水）

3.2 故障處理

（1）當(dāng)故障導(dǎo)致左軸發(fā)開(kāi)關(guān)跳閘，左軸發(fā)匯流排失電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)合軸發(fā)匯流排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，配電模式如下頁(yè)圖11所示。

（2）當(dāng)故障導(dǎo)致右軸發(fā)開(kāi)關(guān)跳閘，右軸發(fā)匯流排失電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)合軸發(fā)匯流排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，其配電模式與模式（1）相反。

圖11 左軸發(fā)開(kāi)關(guān)跳閘、左軸發(fā)匯流排失電配電模式

（3）當(dāng)故障導(dǎo)致2臺(tái)主發(fā)開(kāi)關(guān)跳閘，柴油發(fā)電機(jī)匯流排失電時(shí)，在下列情況下，將申請(qǐng)左主推進(jìn)轉(zhuǎn)為軸發(fā)模式，合左聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，使左軸發(fā)對(duì)主發(fā)匯流供電。

① 推進(jìn)系統(tǒng)挖泥作業(yè)已結(jié)束（左泥泵離合器脫開(kāi)、左高壓沖水泵停止運(yùn)行、左側(cè)推停止運(yùn)行、收到左主推進(jìn)系統(tǒng)挖泥結(jié)束信號(hào)），右主推進(jìn)挖泥狀態(tài)未結(jié)束。

② 主推進(jìn)系統(tǒng)挖泥作業(yè)均結(jié)束（左右泥泵離合器脫開(kāi)、左右高壓沖水泵停止運(yùn)行、左右側(cè)推停止運(yùn)行、收到左右主推進(jìn)系統(tǒng)挖泥結(jié)束信號(hào)），主配電板上軸發(fā)選擇開(kāi)關(guān)在左軸發(fā)位置。

③ 主推進(jìn)系統(tǒng)挖泥作業(yè)均未結(jié)束且主配電板上軸發(fā)選擇開(kāi)關(guān)在左軸發(fā)位置，向疏浚系統(tǒng)請(qǐng)求左主推進(jìn)系統(tǒng)退出挖泥系統(tǒng)。

④ 當(dāng)故障導(dǎo)致兩臺(tái)主發(fā)開(kāi)關(guān)跳閘，柴油發(fā)電機(jī)發(fā)匯流排失電時(shí)，其配電模式與模式（3）相反。

4 結(jié) 論

基于模式控制的PMS在負(fù)荷需求總量遠(yuǎn)大于動(dòng)力配置的裝機(jī)功率情況下，通過(guò)合理劃分功率管理模式，對(duì)復(fù)雜工況和關(guān)鍵設(shè)備的功率管理更加明晰，對(duì)船舶推進(jìn)動(dòng)力、船舶負(fù)荷進(jìn)行合理分配和有效管理，始終將有限的動(dòng)力用在最急需之處，并根據(jù)需求的變化不斷調(diào)整動(dòng)力供給，保證主機(jī)、發(fā)電機(jī)以及船舶的安全，最大程度地滿足動(dòng)力和設(shè)備的負(fù)荷需求，進(jìn)一步提高船舶動(dòng)力裝置在各工況下的負(fù)荷均衡性、使用效率和經(jīng)濟(jì)性。

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