淺析深水鋪管船功率管理系統

(江蘇熔盛重工有限公司，江蘇 南通 226532)

“海洋石油201”是深水鋪管起重船，即DPV，采用DP3動力定位系統，全船采用電力推進。該船入ABS和CCS雙重船級，在起重作業狀態滿足DP3(ABS：DPS-3，CCS：DP-3)要求，在鋪管作業狀態滿足DP2(ABS：DPS-2，CCS：DP-2)要求。ABS規范(2005)和CCS規范(2006)都要求具有DP2和DP3附加船級符號的船，必須設置功率管理系統(PMS)。具有動力定位附加船級DP2和DP3的船舶對PMS的要求比一般船舶高得多[1]。

對動力定位船舶而言，保持其船位和艏向是其正常作業的基本要求。目前，大部分動力定位船舶采用全電力推進。也有一部分動力定位船舶的主推進裝置采用柴油機推進，但其方位推進器仍采用電力推進。無論如何，保持動力定位船舶的船位和艏向的前提是電站可靠地連續供電。“海洋石油201”項目采用全電力推進，PMS應與此適應。

1 船級社對PMS的相關要求

1.1 CCS的要求

1)對于具有DP-2 和DP-3 附加標志的船舶，應設置一個自動的功率管理系統，此系統應使發電機隨負荷的變動而啟動和停止。當沒有足夠的功率啟動大功率的負載時，應阻止大功率設備的啟動，并按要求啟動備用發電機，然后再啟動所需要的負載。

2)當總的電力負載超過運轉中發動機總容量的預定百分比時應發出報警，該報警的設定值應在運轉容量的50%至100%之間可調，并應按運行發電機的數量和任一臺發電機失靈的影響加以確定。

3)對于電力驅動的推力器系統，應采取措施，在負載達到②規定的報警值之前，使未運行的發電機自動啟動、同步和負載分配。

4)因一臺或幾臺發電機的停止而引起的突然超負荷不應造成電源的全部中斷，在啟動一臺新的發電機并使其開始發電的過程中應減小螺距或/和降低轉速以減小推力器的負載。如動力定位系統的計算機系統能完成這一功能，則應與功率管理系統相協調。

5)功率管理系統的故障應不引起在網發電機的替換，且應在動力定位控制站報警。

6)斷開功率管理系統后，配電板應能手動操作。

7)應對功率管理系統進行FMEA分析。

1.2 ABS的要求

1)對具有DPS-2和DPS-3附加船級符號的船舶，必須設有功率管理系統(PMS)，以確保基本運行可獲得足夠的功率，并阻止發電機容量不足時起動負載。應至少設有2個功率管理系統，以使系統在任一個功率管理系統失效時繼續工作。應考慮采用諸如卸去非基本負荷或使控制系統臨時減少推力，以確保功率的有效性。

2)每一功率管理系統應由UPS供電，且做到一個功率管理系統失電不會導致另一個功率管理系統失電。

3)對DPS-3船級符號，功率管理系統的布置和設置要做到任何一個單個故障，包括一艙失火或進水，都不會造成功率管理系統不能運行。

CCS和ABS的要求在表述上有所不同，但基本精神是一致的。兩者對冗余性都有要求，在功能上的共同要求是確保供電的連續性和可靠性。這一要求看上去和普通船舶相同，但由于動力定位對供電連續性和可靠性的要求更高，并由于動力定位船舶電站的復雜性，要實現這一要求也復雜得多。

電站的可靠性再高，失電(blackout)的可能性總是存在的。兩個船級社的規范都未提失電后自動啟動備用發電機，那是因為在規范的電氣部分和自動化部分已有明確要求，動力定位船舶也應滿足這些要求。由于本船有6 600 V和400 V兩級電網，因此失電處理要更復雜些。

2 PMS的功能

本船的PMS裝置集成入VMS系統，成為其一部分。它除具有一般船舶的PMS裝置具有的功能，如自動同步、自動負荷分配、發電機解列管理、備用機組選擇等外，還具有確保供電的連續性和可靠性的功能。

1)在所有時候都確保足夠的維持船位用推進器所需的功率。

2)監測每一臺柴油發電機組，并響應系統監測到的參數報警情況，起動或停止特定的發電機組。

3)控制并聯運行的發電機組的負荷分配。

4)監測電網的負荷情況，按使電驅動設備能獲得足夠的電功率的要求啟動和停止柴油發電機組。要實現這一點，也要求不允許大量不必要的負荷同時接入電網。

5)過載時快速降低推進器速度。

6)整個系統失電時發電系統重啟動。

7)人機交互界面。

PMS運行時，所需參數的采樣周期為100 ms。

2.1 電力系統的配置

“海洋石油201”電力系統配置6臺主發電機，電網總容量達34 560 kW，確保在各種工況下均能至少有1臺備用發電機；發電機組額定功率之和均大于各種工況下實際運行負載的功率之和，見圖1。

PMS能根據匯流排故障和設備故障等不同的情況，采取切除故障的匯流排或者保證與故障設備連接的匯流排供電的連續的措施，從而為船舶提供可靠的電源。

在1、2、3號高壓配電板；1、2、3號低壓輔配電板；應急配電板、1、2號鋪管配電板分別集成了一個信號采集箱，監測配電板各斷路器狀態、遙控、電流、頻率等，并且能控制部分斷路器，監控報警點多達2 500多個。這些信號采集箱通過冗余雙路網絡即時通訊。信號采集箱構成了PMS與整個船舶電站的聯系接口，在駕駛室還設置有操作臺，用來顯示以及遙控PMS。

2.2 按負載功率需求啟動和停止發電機組

正常情況下，確保足夠的維持船位用推進器所需的功率容易實現。當電網儲備功率不足時啟動備用發電機組投入運行。為保證船舶經濟性，當儲備功率過剩時解列多余機組。

與一般船舶的PMS相比，表1中的設定值有如下特點。

表1 PMS對啟動/停止發電機組的設定值(此設定值可調)

1)啟動設定值較低，停止設定值更是低得多。這是因為動力定位船舶對供電可靠性要求更高，而經濟性的考慮比一般船舶更顯得次要。

2)運行發電機數量不同，啟動和停止設定值也有變化，而且啟動值有兩級。因為本船的主要電負荷是電力推進，要求電站有較多的功率儲備，按運行發電機的數量確定啟動和停止設定值是合理的，且兼顧了經濟性。

為防止負載頻繁變化時發電機頻繁啟動停止，可為這樣的負載設定功率儲備。

如運行時匯流排或匯流排分段之間的斷路器斷開，則PMS可將電站作為幾個獨立電站處理。

2.3 重載問詢

根據發電機容量，本船需要重載問詢的負載有MSB1A上的1號主推進器；MSB1B上的主起重機電源1、6號推進器、7號推進器；MSB2A上的2號主推進器、主起重機電源2；MSB2B上的5號推進器；MSB3A上的7號推進器、3號推進器；MSB3B上的4號推進器。當這類大功率負載需要啟動時，先向PMS提出所需的功率請求，PMS將檢測可用功率是否足夠啟動。如果不夠，負載不會啟動，PMS將給出一個啟動備用發電機組的命令。當啟動備用發電機組后的電網容量足夠和其它啟動條件均具備的情況下，負載啟動被允許。如在規定的時間內仍未達到足夠的啟動功率，負載啟動命令失效。

圖1 “海洋石油201”項目的電力系統

表2 PMS重載問詢設定

重載問詢除負載啟動閉鎖限定功率外，還需確定可用功率。一般船舶將電站看成一個整體，各發電機的可用功率統一考慮。對動力定位(DP2/DP3)的電力推進船舶來說，這樣的處理方式就不夠理想。供電主母線由多段匯流排連接組成，負載也分別接至各匯流排分段,各重要負載均是根據動力定位要求進行合理的配電。如某一匯流排分段因故跳閘，而這一分段又正好處于向其它分段大負荷供電狀態，那就容易造成其它匯流排分段過載，甚至導致事故擴大化。為盡量避免這種情況發生，PMS設置了一種算法，分別計算各匯流排分段的可用功率。其作用之一就是盡量減少匯流排之間的相互供電。

2.4 自動負載脫扣

PMS在下列情況下自動卸載，自動將非重要負載卸載，以確保被連接的發電機不發生持續過載。

1臺發電機突然故障導致在線的其它發電機組過載；

1個機艙發生故障導致另一機艙發電機組過載；

1臺高壓配電板發生故障導致其余高壓配電板和與其相聯的發電機組過載；

1臺低壓配電板發生故障導致其余低壓配電板和與其相聯的發電機組過載；

系統低頻；

船舶管理系統所要求的操作模式需求；

DP系統所要求的操作模式需求；

起重機系統所要求的操作模式需求；

鋪管系統所要求的操作模式需求。

在鋪管(尖峰)或起重安全操作模式下，DP控制系統優先級高于其它系統，如：船舶輔機、起重機系統和鋪管系統，其目的是需確保在這兩種操作模式下能保持船位。

動力定位系統從PMS即時獲取當前發電機組負荷及電網可用功率，設定一個DP系統允許負荷值；如果DP系統的負載超過了當前電網可用功率，PMS將產生一個報警；DP系統根據允許負荷值限制推進器的轉速；PMS重新調整可用功率值。因變頻器響應減負荷命令僅需幾個周波，因此可大大降低失電的可能性。

2.5 發電機組故障停機處理

船舶管理系統監控主發電機組的狀態，并與PMS實時通訊，PMS可隨時了解柴油發電機組的運行狀況，提高了電站的供電可靠性。

然而，主發電機組故障停機還是可能發生的。導致主發電機組故障停機的原因很多，如滑油低壓、主軸承高溫、發電機繞組高溫等。與一般船舶不同，本船的柴油發電機組設置了故障停機延時功能。當發生故障停機工況時，柴油機就地控制箱通過硬接線直接向PMS發出故障停機信號，300 ms后停機。PMS收到此信號后，立刻減低DP系統允許負荷值，并啟動備用發電機組。因PMS采樣周期為100 ms，就至少有200 ms的處理時間，而變頻器響應減負荷命令僅需幾個周波(本船電站一個周波為20 ms)，因此即使發生像發電機組故障停機那樣的重大故障，仍可將失電的可能性降至最低，也即供電連續性可得到最大程度的保障。

2.6 失電之后的供電恢復

當某一主配電板(6 600 V)失電時，此主配電板上所有至推進器、鋪管變壓器、輔配變壓器等的斷路器均失壓跳閘，匯流排之間的連接開關也斷開。此時，PMS將立即啟動備用發電機，并要求連接至匯流排，并在故障原因分析(主要指是否短路或接地故障、發生在何處)的基礎上，重新按序合閘應合閘且可合閘的高壓斷路器。然后，PMS將按程序順序啟動各負載，從而避免各負載同時啟動而導致發電機的再次過載。船舶輔機啟動順序大致如下。

1)1、2號電力變壓器(分別連接至1、2號輔配電板)。1號和/或2號電力變壓器高壓側合閘后，在故障原因分析(主要指是否短路故障、發生在何處)的基礎上，重新按序合閘應合閘且可合閘的低壓斷路器。

2)3、4、5、6、7號變壓器(3、4、5號變壓器分別對應1、2、3號輔配電板的220 V負載；6、7號變壓器對應應急配電板220 V負載。)；1、2號推進器轉向泵及滑油泵；1、2、3、4、5、6號主機燃油循環泵。

3)淡水系統冷卻水泵。

4)海水系統冷卻水泵。

5)啟動空壓機、機艙風機。

以上輔機的啟動在20 s左右均能完成。

當主配電板(6 600 V)有電而輔配電板(400 V)失電時，PMS在故障原因分析(主要指是否短路故障、發生在何處)的基礎上，重新合閘相應的高壓斷路器(如已跳閘，且可重新合閘)，并按序合閘應合閘且可合閘的低壓斷路器。其余步驟與主配電板(6 600 V)失電后的處理程序相同。

主配電板和輔配電板供電和輔機工作都正常后，電力推進系統將自動按要求重新運行。

3 結束語

本船的PMS系統設計周密、功能齊全、充分考慮了動力定位電力推進船舶的特殊要求，最大程度保證了電力系統供電的連續性和可靠性，為

本船動力定位作業提供了可靠的電源。

[1] 中國船級社.鋼質海船入級規范2009[S].北京：人民交通出版社，2009.