27 500 m3 LNG 船電站管理系統(tǒng)

王丹丹

(南通太平洋海洋工程有限公司， 上海200052)

27 500 m3LNG 船電站管理系統(tǒng)

王丹丹

(南通太平洋海洋工程有限公司， 上海200052)

介紹船舶電站管理系統(tǒng)的發(fā)展、組成和功能，結(jié)合采用雙燃料主機(jī)的綠色環(huán)保型27 500 m3LNG液化氣船，提出一種獨(dú)創(chuàng)性的電站管理系統(tǒng)解決方案。采用7種工況細(xì)分法對(duì)電力負(fù)荷進(jìn)行最優(yōu)分配, 滿足船舶所有運(yùn)行工況的電力需求，使得全船設(shè)備工作在安全、穩(wěn)定、高能效的工作環(huán)境，從而提高全船供電的可靠性。從對(duì)電站管理系統(tǒng)功能的闡述可知，該電站管理系統(tǒng)具有更加綜合化和網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)。

LNG雙燃料主機(jī)； 船舶電站； 電站管理系統(tǒng)

0 引 言

從20世紀(jì)60年代始，船舶電站管理系統(tǒng)(Power Management System, PMS)經(jīng)歷了繼電器控制技術(shù)、晶體管分立元件控制技術(shù)、小規(guī)模集成電路控制技術(shù)、中大規(guī)模集成數(shù)字和模擬電路控制技術(shù)、微處理控制技術(shù)、可編程控制器控制技術(shù)等發(fā)展歷程，至今PMS已經(jīng)越發(fā)完善。文中所用PMS解決方案是針對(duì)27 500 m3LNG船的。這是一艘擁有世界最大的獨(dú)立C型雙體罐，罐體材質(zhì)采用9鎳鋼，可以裝載所有LNG，LEG和LPG，既兼具LEG船功率需求大的特點(diǎn)，又可以運(yùn)輸溫度在-163℃的液化天然氣新型液化氣船，是一艘采用雙燃料主機(jī)、發(fā)電機(jī)的綠色環(huán)保型船，是一艘運(yùn)行工況及其復(fù)雜的具有雙主機(jī)雙軸發(fā)特殊配置的船，解決方案具有獨(dú)創(chuàng)性。采用7種工況細(xì)分法對(duì)電力負(fù)荷進(jìn)行分配,從分配結(jié)果可知此方案經(jīng)濟(jì)、合理。該P(yáng)MS功能具有比以往PMS更加直觀、更加綜合化、更加網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)。

1 PMS發(fā)展現(xiàn)狀

PMS采用的控制技術(shù)從20世紀(jì)60年代的繼電器控制技術(shù)、晶體管分立元件控制技術(shù)[1]到20世紀(jì)70年代的集成數(shù)字電路和模擬電路控制技術(shù)，再到20世紀(jì)80年代的微機(jī)控制技術(shù)，最后發(fā)展到20世紀(jì)90年代的可編程控制器(PLC)，已經(jīng)具有較完善的PLC控制技術(shù)產(chǎn)品[2]。與之相應(yīng)的國(guó)內(nèi)PMS產(chǎn)品占有率低，但上海船舶運(yùn)輸研究所的CY88OZC產(chǎn)品已經(jīng)得到普遍應(yīng)用[3-4]。相較國(guó)內(nèi)，國(guó)外研究的產(chǎn)品比較受同行的青睞。比如，德國(guó)SIEMENS公司的PMA 300，丹麥DIEF公司的MULTI-LIN2系列產(chǎn)品，以及美國(guó)ABB公司的AC 800等產(chǎn)品。

PMS針對(duì)不同項(xiàng)目、不同廠家的解決方案也不盡相同，但是大致可以分為兩種形式：一種是基于主配電板為平臺(tái)；一種是整合到機(jī)艙檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)中。27 500 m3雙燃料主機(jī)LNG船PMS就屬于后者。27 500 m3雙燃料主機(jī)LNG PMS是Kongsberg公司的產(chǎn)品。其PMS將輸入、輸出模塊安裝在配電板里，與K-Chief 700全船自動(dòng)化系統(tǒng)(Integrated Automation System, IAS) 整合到一起，具有高度集成化和模塊化的特點(diǎn)。通常， 配電板廠家提供的PMS不提供模擬圖(Mimic圖)，而此船的PMS與IAS其他系統(tǒng)一樣配有Mimic圖，會(huì)給人們帶來更加直觀、立體的人機(jī)交互體驗(yàn)。

2 船舶電站自動(dòng)化簡(jiǎn)介

2.1 PMS的組成

PMS主要由5部分組成：發(fā)電系統(tǒng)管理模塊，配電系統(tǒng)管理模塊，用電設(shè)備管理模塊，系統(tǒng)檢測(cè)報(bào)警管理模塊，以及電力優(yōu)化分配和管理模塊。其組成框圖如圖1所示。

圖1 PMS組成框圖

2.2 PMS的功能

PMS 5個(gè)組成部分的功能如下[5]。

(1) 發(fā)電系統(tǒng)管理模塊：對(duì)船舶柴油發(fā)電機(jī)、機(jī)組控制屏等的控制和管理。

(2) 配電系統(tǒng)管理模塊：監(jiān)測(cè)電網(wǎng)失電、恢復(fù)，配電系統(tǒng)的短路、絕緣和過載，監(jiān)控配電開關(guān)及其連鎖功能。

(3) 用電設(shè)備管理模塊：重載問詢、根據(jù)電站負(fù)載情況自動(dòng)分級(jí)卸載或投入次要負(fù)載，大負(fù)載設(shè)備功率限制功能，平衡供電。

(4) 系統(tǒng)檢測(cè)報(bào)警管理模塊：整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)與報(bào)警，以及參數(shù)的顯示與打印。

(5) 電力優(yōu)化分配和管理模塊：電力管理、船舶操縱和電能供給的優(yōu)化和管理。

3 27 500 m3 LNG船PMS

3.1 27 500 m3LNG概況

27 500 m3LNG船總長(zhǎng)178 m，垂線間長(zhǎng)168.4 m，型寬26.6 m，型深17.8 m。該船由2臺(tái)W?rtsil? W6L50DF雙燃料主機(jī)經(jīng)減速齒輪箱帶動(dòng)1個(gè)可調(diào)螺距槳。每臺(tái)主機(jī)通過增速齒輪箱帶動(dòng)1臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)，在大部分工況下為船舶電網(wǎng)提供電源。主機(jī)單機(jī)最大功率為5 850 kW；軸帶發(fā)電機(jī)單機(jī)功率為1 800 kW。除了2臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)，該船還配備了2臺(tái)W6L20DF雙燃料發(fā)電機(jī)，在港口模式下使用或作為軸帶發(fā)電機(jī)故障時(shí)的補(bǔ)充。整船的自動(dòng)化系統(tǒng)采用Kongsberg公司的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)K-Chief 700。K-Chief 700的 PMS 單元在27 500 m3LNG船上除承擔(dān)發(fā)電機(jī)保護(hù)和自動(dòng)并車功能之外，還對(duì)雙燃料發(fā)電機(jī)組的控制、船舶電網(wǎng)的監(jiān)視和發(fā)電機(jī)的保護(hù)以及電網(wǎng)功率進(jìn)行管理。

3.2 各種工況下的用電需求

27 500 m3LNG船主要運(yùn)輸-163℃的液態(tài)甲烷等烷烴，還可以運(yùn)輸乙烯、氨水等工業(yè)原材料。在運(yùn)輸過程中，通過維持液罐內(nèi)壓力和制冷操作來保持貨物呈液體狀態(tài)，因此操作工況比較復(fù)雜。可以分成3大類7種工況模式:海上航行模式、進(jìn)出港模式、港口模式。海上航行模式又分為保壓模式、制冷模式；進(jìn)出港模式又分為保壓模式、制冷模式；港口模式又分裝卸貨帶制冷與不帶制冷兩種模式，以及正常的停泊模式。其中用于制冷工況下的電力需求最大。詳細(xì)的電力負(fù)荷分配如表1所示。

表1 各工況電力負(fù)荷分配

3.3 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

27 500 m3LNG船整合全船自動(dòng)化系統(tǒng)的配電系統(tǒng)單線圖如圖2所示。

該船的發(fā)電系統(tǒng)包括以2臺(tái)W?rtsil? 1 009 kW雙燃料發(fā)電機(jī)組(簡(jiǎn)稱1G和2G)，2臺(tái)雙燃料主機(jī)驅(qū)動(dòng)的1 800 kW軸帶發(fā)電機(jī)(簡(jiǎn)稱1SG和2SG)。

用電設(shè)備包含船舶常規(guī)系統(tǒng)所需的機(jī)艙泵、風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、系泊設(shè)備、通導(dǎo)設(shè)備以及容量達(dá)3 000 A的液貨系統(tǒng)。其中液貨系統(tǒng)大功率設(shè)備主要有2臺(tái)450 kW制冷壓縮機(jī)、2臺(tái)500 kW液貨壓縮機(jī)、6臺(tái)180 kW深井泵、2臺(tái)190 kW增壓泵和195 kW、158 kW制氮系統(tǒng)壓縮機(jī)啟動(dòng)器等。

圖2 27 500 m3 LNG船配電系統(tǒng)單線圖

配電系統(tǒng)主要由交流440 V主配電板及交流220 V主配電板提供，其中440 V主配電板被空氣斷路器ACB 5分成A和B兩段。正常情況下ACB 5合閘，失火狀態(tài)下ACB 5分閘，配電板可以分段供電。220 V主配電板通過主變壓器1MT和2MT由交流440 V主配電板變壓供電，主要用于照明、綜合廣播、無線電等。系統(tǒng)配備1臺(tái)專用的應(yīng)急發(fā)電機(jī)，用于癱船時(shí)的電力恢復(fù)。這臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)通過ET1和ET2變壓器變壓，給440 V應(yīng)急配電板和220 V應(yīng)急配電板供電。

3.4 運(yùn)行模式

27 500 m3LNG船的運(yùn)行工況可以分為7種。其中，海上航行模式(保壓與制冷)、進(jìn)出港模式(保壓與制冷)及港口裝貨時(shí)帶制冷這5種模式采用2臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)1SG和2SG向匯流排供電， 2臺(tái)雙燃料發(fā)電機(jī)1DG和2DG備用。通過斷路器的配合，每臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)都可以實(shí)現(xiàn)供電給船舶系統(tǒng)或者液貨系統(tǒng)。為了化繁為簡(jiǎn)，此項(xiàng)目定義1SG用于船舶設(shè)備、2SG用于液貨部分。配電系統(tǒng)單線如圖2所示。在這5種模式下，首先PMS遙控關(guān)閉空氣斷路器ACB 5。此時(shí)，主機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，主機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增加到514 r/min即固定速度模式時(shí)，軸帶發(fā)電機(jī)啟動(dòng)。PMS同步并閉合空氣斷路器ACB 4與ACB 10。1SG為匯流排A和B供電，2SG為液貨配電板(MCC1和MCC2)供電。這種分段供電功能的實(shí)現(xiàn)是通過配單板上的空氣斷路器ACB 3和ACB 4以及ACB 9和ACB 10互鎖實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)ACB 3合閘時(shí)，ACB 4為分閘狀態(tài)，1SG僅給船舶部分供電。此時(shí)， ACB 10合閘，ACB 9分閘，只有2SG給液貨部分供電。這5種運(yùn)行工況下，軸帶發(fā)電機(jī)分別給主配電板和液貨配電板供電時(shí)，2臺(tái)雙燃料發(fā)電機(jī)作為備用。如果軸帶發(fā)電機(jī)失電，備用的雙燃料發(fā)電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)連接。在港口(裝卸貨)模式下采用2臺(tái)發(fā)電機(jī)并車供電，停泊模式時(shí)1臺(tái)發(fā)電機(jī)供電。各不同模式之間的切換是通過PMS遙控操作斷路器實(shí)現(xiàn)的。

3.5 27 500 m3LNG船PMS功能

PMS能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視電力數(shù)據(jù)、斷路器狀態(tài)和主機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，也能遙控控制雙燃料發(fā)電機(jī)、匯流排上的空氣斷路器和其他配電系統(tǒng)的斷路器，還能合理處理不同斷路器級(jí)間配合。通過判斷電網(wǎng)的電力消耗情況，PMS可以通過起、停功能自動(dòng)控制發(fā)電機(jī)在線的臺(tái)數(shù)。當(dāng)選擇負(fù)荷分配模式時(shí)，PMS可以通過負(fù)載分配功能控制發(fā)電機(jī)的電力負(fù)荷和頻率。當(dāng)電網(wǎng)全部或部分?jǐn)嚯姇r(shí)，PMS會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)副機(jī)，連接主發(fā)電機(jī)，并再次接通帶低壓脫扣器的空氣斷路器。此項(xiàng)目PMS的主要功能如圖3所示。

圖3 PMS的主要功能

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其中，PMS的重載問詢功能會(huì)防止發(fā)電機(jī)過載。一旦電網(wǎng)的電力不夠，進(jìn)行重載問詢?cè)O(shè)備的啟動(dòng)被阻止，備用發(fā)電機(jī)啟動(dòng)。通常商船的重載問詢包括請(qǐng)求、允許、反饋信號(hào)，采用硬線連接，如 7×1.5 mm2電纜。27 500 m3LNG船的PMS重載問詢功能則是集成到廠商提供的配電板模塊里的，無需船廠硬線接入，節(jié)省人工和材料。

4 結(jié) 論

普通商船的PMS無論是配電板廠家集成還是自動(dòng)化廠家集成，都是非常成熟、配置標(biāo)準(zhǔn)劃一的，但本項(xiàng)目的PMS是設(shè)計(jì)者根據(jù)各種使用工況、各種功率需求逐一定制的，最終由Kongsberg公司實(shí)現(xiàn)。在船舶行業(yè)日益發(fā)達(dá)的今天，高科技、高附加值一直是業(yè)界追求的目標(biāo)。本文所述的功能多元化、綠色環(huán)保型LNG船將成為今后的主流。希望Kongsberg解決復(fù)雜工況下各種電力需求的PMS不僅僅是個(gè)案，而是朝著更普遍、通用性更強(qiáng)的方向發(fā)展。

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Power Management System of Dual Fuel Engine LNG Ship

WANG Dandan

(Sinopacific Offshore & Engineering, Shanghai 200052, China )

Base on the development, constitution and function of ship Power Management System(PMS), a kind of special power management system of 27 500 m3LNG carrier was researched. The carrier is equipped with duel fuel engine that is a green environmental protection ship. According to seven different operational modes, the electrical load was reasonably allotted to meet all the condition of power demand of the ship. The equipments of the ship work in the safe, steady and high-efficiency environment that improved reliable power supply of the whole ship. This PMS is more integrated and networked from the PMS function description.

LNG; ship power； power management system

王丹丹(1983-)，女，工程師，主要研究方向?yàn)榇半姎庠敿?xì)設(shè)計(jì)

1000-3878(2017)04-0046-04

U665

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