耙吸挖泥船疏浚電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)功率限制

潘永軍，賀海濤

(中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 201208)

0 引 言

隨著現(xiàn)代航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，各種船舶都向自動(dòng)化、智能化、高效化的方向發(fā)展，這對(duì)船舶用電設(shè)備功率的分配與管理提出了更具體、更智能的要求。普通航行船舶如散貨船、油船、集裝箱船通常沒有特大型用電設(shè)備，其用電設(shè)備的功率管理通常體現(xiàn)在主發(fā)電機(jī)發(fā)生過(guò)載故障時(shí)對(duì)非重要負(fù)載進(jìn)行脫扣處理[1-2]。耙吸挖泥船作為一種特種工程船舶，有較多大型用電設(shè)備，如艙內(nèi)泥泵、水下泥泵、高壓沖水泵等。在某些工況下，疏浚設(shè)備的使用功率占裝機(jī)功率的60%～80%。在挖泥、拋泥、吹填工況下，各設(shè)備的使用功率也有較大變化。當(dāng)上述大型用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，若主發(fā)電機(jī)發(fā)生過(guò)載故障，脫扣非重要負(fù)載起到的作用比較有限，脫扣大用電負(fù)載會(huì)影響施工，甚至造成施工事故。因此，在耙吸挖泥船上對(duì)大型負(fù)載進(jìn)行功率分配與限制十分必要。

1 疏浚電網(wǎng)功率限制技術(shù)現(xiàn)狀

耙吸挖泥船通常采用“一拖二”或“一拖三”的驅(qū)動(dòng)方式。本文以“一拖二”驅(qū)動(dòng)方式為模型對(duì)功率的分配和管理進(jìn)行闡述。

在“一拖二”驅(qū)動(dòng)方式下，主機(jī)功率流向如圖1所示。

圖1 主機(jī)功率流向圖

主機(jī)功率為

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：PME為主機(jī)功率；PCPP為可調(diào)螺距螺旋槳功率；ηCPP為主推進(jìn)齒輪箱效率；PMG為軸帶發(fā)電機(jī)功率；ηMG為軸帶發(fā)電機(jī)效率(含齒輪箱)；PMT為主變壓器功率；PDP為艙內(nèi)泥泵功率；ηDP為艙內(nèi)泥泵變頻器效率(含齒輪箱)；PUWP為水下泥泵功率；ηUWP為水下泥泵變頻器效率(含齒輪箱)；PJP為高壓沖水泵功率；ηJP為高壓沖水泵變頻器效率(含齒輪箱)；PBT為艏側(cè)推功率。在不考慮傳動(dòng)損耗的情況下，式(1)和式(2)可化簡(jiǎn)為

PME=PCPP+PMG

(3)

PMG=PMT+PDP+PUWP+PJP+PBT

(4)

在不同工況下占用主機(jī)大量功率且可調(diào)節(jié)使用功率的設(shè)備為可調(diào)螺距螺旋槳、艙內(nèi)泥泵、水下泥泵和高壓沖水泵。艏側(cè)推器因功率占比較小，主變壓器主要供給生活用電，不作討論。傳統(tǒng)耙吸挖泥船功率分配與限制策略為疏?？刂葡到y(tǒng)決定當(dāng)主機(jī)超過(guò)限定負(fù)荷時(shí)降低功率的順序，先滿足不同工況下最重要設(shè)備的功率需求，再對(duì)其他負(fù)載進(jìn)行一定程度的限制[3]：

(1) 在航行時(shí)，大功率疏浚設(shè)備未投入使用，主機(jī)全部功率用于可調(diào)螺距螺旋槳推進(jìn)船舶航行。若此時(shí)主機(jī)功率超過(guò)限定值，則直接降低推進(jìn)功率，以達(dá)到降低主機(jī)功率、保護(hù)主機(jī)的作用。

(2) 在挖泥工況下：船舶航速低，主推進(jìn)功率較低；水下泥泵進(jìn)行挖泥作業(yè)，使用功率較高；根據(jù)疏浚區(qū)域土質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同，高壓沖水泵使用功率不定。此時(shí)優(yōu)先保證水下泥泵的使用功率，當(dāng)主機(jī)功率超過(guò)限定值時(shí)對(duì)可調(diào)螺距螺旋槳和高壓沖水泵進(jìn)行限制。

(3) 在拋泥工況下只有可調(diào)螺距螺旋槳和高壓沖水泵在運(yùn)行，當(dāng)主機(jī)功率超過(guò)限定值時(shí)對(duì)可調(diào)螺距螺旋槳和高壓沖水泵進(jìn)行限制。

(4) 在吹填工況下，船舶處于非航行狀態(tài)：艙內(nèi)泥泵進(jìn)行吹填作業(yè)，使用功率較高；高壓沖水泵起到疏松泥土和沖艙的作用，根據(jù)土質(zhì)不同其使用功率不定。此時(shí)優(yōu)先保證艙內(nèi)泥泵的使用功率，當(dāng)主機(jī)功率超過(guò)限定值時(shí)對(duì)高壓沖水泵進(jìn)行限制。

綜上所述，當(dāng)主機(jī)功率超過(guò)限定值時(shí)，限制功率的優(yōu)先級(jí)為可調(diào)螺距螺旋槳>高壓沖水泵>水下泥泵或艙內(nèi)泥泵(水下泥泵和艙內(nèi)泥泵不會(huì)同時(shí)使用)。除了優(yōu)先級(jí)外，在限制功率的過(guò)程中還設(shè)置了釋放等級(jí)，如圖2所示。

圖2 分級(jí)-循環(huán)限制功率示例

當(dāng)主機(jī)功率超過(guò)限定值時(shí)發(fā)出超負(fù)荷報(bào)警，延時(shí)5 s后進(jìn)入第一階段降低可調(diào)螺距螺旋槳10%的額定功率。若主機(jī)超負(fù)荷報(bào)警仍未消失，進(jìn)入第二階段降低高壓沖水泵10%的額定功率。若報(bào)警仍未消失，進(jìn)入第三階段降低艙內(nèi)泥泵(水下泥泵)10%的額定功率。在第四階段繼續(xù)降低可調(diào)螺距螺旋槳20%的額定功率，以此類推。這樣就形成了分級(jí)-循環(huán)的功率限制策略。圖2數(shù)據(jù)只為舉例說(shuō)明，不與實(shí)際數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)。

2 動(dòng)態(tài)功率限制方案

第1節(jié)描述的傳統(tǒng)分級(jí)-循環(huán)功率限制策略可滿足正常工況下的疏浚作業(yè)。但是，在實(shí)際應(yīng)用中還存在以下問(wèn)題：

(1) 在4種工況下都優(yōu)先限制可調(diào)螺距螺旋槳的功率，這雖保證了疏浚作業(yè)的效率，但存在安全隱患。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，耙吸挖泥船應(yīng)具有頂流2.5 kn、保持2 kn航速施工的能力。在該條件下，主機(jī)往往運(yùn)行在限定負(fù)荷的臨界點(diǎn)，若此時(shí)水流速度加大或泥泵功率加大，則會(huì)引起主機(jī)超負(fù)荷，按照傳統(tǒng)分級(jí)-循環(huán)功率限制策略降低可調(diào)螺距螺旋槳的功率，會(huì)進(jìn)一步降低船速、減弱舵效甚至使其失效，這在避讓其他船舶時(shí)存在嚴(yán)重的安全隱患。

(2) 分級(jí)限制功率每一步都按照預(yù)先設(shè)定的比例降低用電負(fù)載的功率。這雖保證了主機(jī)負(fù)荷不超載，但往往會(huì)過(guò)多地釋放功率，使疏浚作業(yè)不能在最佳效率點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)。在分級(jí)限制負(fù)載功率后，當(dāng)主機(jī)有足夠的可用功率時(shí)會(huì)延時(shí)復(fù)位，這種限制和恢復(fù)是呈階梯狀的，對(duì)電網(wǎng)會(huì)有較大沖擊。

為解決上述問(wèn)題，有針對(duì)性地提出動(dòng)態(tài)功率限制策略。首先，將對(duì)可調(diào)螺距螺旋槳的限制轉(zhuǎn)嫁至對(duì)高壓沖水泵和泥泵的功率限制上：當(dāng)出現(xiàn)頂流施工的情況時(shí)，優(yōu)先保證船舶的機(jī)動(dòng)性；當(dāng)主機(jī)負(fù)荷超出限定值時(shí)，降低高壓沖水泵和水下泥泵的使用功率，釋放主機(jī)負(fù)荷供可調(diào)螺距螺旋槳使用。其次，取消限制功率的等級(jí)，簡(jiǎn)化控制優(yōu)先級(jí)：當(dāng)主機(jī)實(shí)際功率超過(guò)限定功率時(shí)，延遲3 s進(jìn)入限功率報(bào)警，先進(jìn)入高壓沖水泵功率限制階段，通過(guò)降低高壓沖水泵功率將主機(jī)的功率降至限定目標(biāo)值；當(dāng)高壓沖水泵沒有運(yùn)行或功率低于額定功率的10%時(shí)，進(jìn)入泥泵降功率階段，通過(guò)降低艙內(nèi)泥泵或水下泥泵的功率將主機(jī)的功率降至限定目標(biāo)值；當(dāng)主機(jī)功率小于限定目標(biāo)值時(shí)，延遲120 s自動(dòng)復(fù)位限功率報(bào)警，可實(shí)現(xiàn)在主機(jī)負(fù)荷超限報(bào)警時(shí)只釋放超出限定的部分功率[4]。

設(shè)置功率限制報(bào)警點(diǎn)PL=95%PME，功率限制目標(biāo)值PT=90%PME，高壓沖水泵功率限制下限PJP-LOW=10%PJP，艙內(nèi)泥泵功率限制下限PDP-LOW=80%PDP，水下泥泵功率限制下限PUWP-LOW=10%PUWP。程序流程如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)功率限制程序流程圖

(1) 當(dāng)主機(jī)實(shí)際功率>PL時(shí)，發(fā)出限功率報(bào)警。報(bào)警由監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集 (Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA)系統(tǒng)界面彈出，并伴有蜂鳴器提示。當(dāng)主機(jī)實(shí)際功率

(2) 當(dāng)限功率報(bào)警存在，且主機(jī)實(shí)際功率>PT時(shí)，進(jìn)入限功率執(zhí)行階段。

(3) 在限功率執(zhí)行階段，當(dāng)高壓沖水泵功率>PJP-LOW時(shí)，對(duì)高壓沖水泵進(jìn)行限功率操作，直至主機(jī)功率PT時(shí)，再次對(duì)高壓沖水泵進(jìn)行限功率操作。主機(jī)功率會(huì)在PT上下以16 kW(高壓沖水泵額定功率的2%)的幅度振動(dòng)。

(4) 在限功率執(zhí)行階段，當(dāng)高壓沖水泵沒有運(yùn)行或高壓沖水泵功率PDP-LOW時(shí)，對(duì)艙內(nèi)泥泵進(jìn)行限功率操作，直至主機(jī)功率PT時(shí)，再次對(duì)艙內(nèi)泥泵進(jìn)行限功率操作。主機(jī)功率會(huì)在PT上下以28 kW(艙內(nèi)泥泵額定功率的1%)的幅度振動(dòng)。

(5) 在限功率執(zhí)行階段，當(dāng)高壓沖水泵沒有運(yùn)行或高壓沖水泵功率PUWP-LOW時(shí)，對(duì)水下泥泵進(jìn)行限功率操作，直至主機(jī)功率PT時(shí)，再次對(duì)水下泥泵進(jìn)行限功率操作。主機(jī)功率會(huì)在PT上下以13.5 kW(水下泥泵額定功率的1%)的幅度振動(dòng)。

(6) 當(dāng)高壓沖水泵功率PT時(shí)，發(fā)出主機(jī)功率超出限制范圍的報(bào)警。

3 實(shí)船應(yīng)用及結(jié)論

動(dòng)態(tài)功率限制方案在江蘇海新船廠“HX021”號(hào)船進(jìn)行實(shí)船應(yīng)用。各設(shè)備功率參數(shù)：PME=4 500 kW，PMG=4 300 kW，PJP=800 kW，PDP=2 800 kW，PUWP=1 350 kW。

“HX021”號(hào)船的功率限制與報(bào)警界面如圖4所示：在保航時(shí)對(duì)動(dòng)態(tài)功率限制程序進(jìn)行試驗(yàn)，達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)；在航行時(shí)可隨時(shí)釋放主機(jī)負(fù)荷供主推進(jìn)螺旋槳使用，保證航行和作業(yè)的安全；動(dòng)態(tài)功率限制減少了船舶電網(wǎng)的波動(dòng)，可使主機(jī)在高效區(qū)間運(yùn)行，提高施工效率。經(jīng)過(guò)半年的運(yùn)營(yíng)，此程序運(yùn)行正常。

圖4 “HX021”號(hào)船的功率限制與報(bào)警界面