耙吸挖泥船疏浚電網的動態功率限制

潘永軍，賀海濤

(中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208)

0 引 言

隨著現代航運業的發展，各種船舶都向自動化、智能化、高效化的方向發展，這對船舶用電設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備，其用電設備的功率管理通常體現在主發電機發生過載故障時對非重要負載進行脫扣處理[1-2]。耙吸挖泥船作為一種特種工程船舶，有較多大型用電設備，如艙內泥泵、水下泥泵、高壓沖水泵等。在某些工況下，疏浚設備的使用功率占裝機功率的60%～80%。在挖泥、拋泥、吹填工況下，各設備的使用功率也有較大變化。當上述大型用電設備運行時，若主發電機發生過載故障，脫扣非重要負載起到的作用比較有限，脫扣大用電負載會影響施工，甚至造成施工事故。因此，在耙吸挖泥船上對大型負載進行功率分配與限制十分必要。

1 疏浚電網功率限制技術現狀

耙吸挖泥船通常采用“一拖二”或“一拖三”的驅動方式。本文以“一拖二”驅動方式為模型對功率的分配和管理進行闡述。

在“一拖二”驅動方式下，主機功率流向如圖1所示。

圖1 主機功率流向圖

主機功率為

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：PME為主機功率；PCPP為可調螺距螺旋槳功率；ηCPP為主推進齒輪箱效率；PMG為軸帶發電機功率；ηMG為軸帶發電機效率(含齒輪箱)；PMT為主變壓器功率；PDP為艙內泥泵功率；ηDP為艙內泥泵變頻器效率(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為艏側推功率。在不考慮傳動損耗的情況下，式(1)和式(2)可化簡為

PME=PCPP+PMG

(3)

PMG=PMT+PDP+PUWP+PJP+PBT

(4)

在不同工況下占用主機大量功率且可調節使用功率的設備為可調螺距螺旋槳、艙內泥泵、水下泥泵和高壓沖水泵。艏側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。傳統耙吸挖泥船功率分配與限制策略為疏浚控制系統決定當主機超過限定負荷時降低功率的順序，先滿足不同工況下最重要設備的功率需求，再對其他負載進行一定程度的限制[3]：

(1) 在航行時，大功率疏浚設備未投入使用，主機全部功率用于可調螺距螺旋槳推進船舶航行。若此時主機功率超過限定值，則直接降低推進功率，以達到降低主機功率、保護主機的作用。

(2) 在挖泥工況下：船舶航速低，主推進功率較低；水下泥泵進行挖泥作業，使用功率較高；根據疏浚區域土質結構的不同，高壓沖水泵使用功率不定。此時優先保證水下泥泵的使用功率，當主機功率超過限定值時對可調螺距螺旋槳和高壓沖水泵進行限制。

(3) 在拋泥工況下只有可調螺距螺旋槳和高壓沖水泵在運行，當主機功率超過限定值時對可調螺距螺旋槳和高壓沖水泵進行限制。

(4) 在吹填工況下，船舶處于非航行狀態：艙內泥泵進行吹填作業，使用功率較高；高壓沖水泵起到疏松泥土和沖艙的作用，根據土質不同其使用功率不定。此時優先保證艙內泥泵的使用功率，當主機功率超過限定值時對高壓沖水泵進行限制。

綜上所述，當主機功率超過限定值時，限制功率的優先級為可調螺距螺旋槳>高壓沖水泵>水下泥泵或艙內泥泵(水下泥泵和艙內泥泵不會同時使用)。除了優先級外，在限制功率的過程中還設置了釋放等級，如圖2所示。

圖2 分級-循環限制功率示例

當主機功率超過限定值時發出超負荷報警，延時5 s后進入第一階段降低可調螺距螺旋槳10%的額定功率。若主機超負荷報警仍未消失，進入第二階段降低高壓沖水泵10%的額定功率。若報警仍未消失，進入第三階段降低艙內泥泵(水下泥泵)10%的額定功率。在第四階段繼續降低可調螺距螺旋槳20%的額定功率，以此類推。這樣就形成了分級-循環的功率限制策略。圖2數據只為舉例說明，不與實際數據一一對應。

2 動態功率限制方案

第1節描述的傳統分級-循環功率限制策略可滿足正常工況下的疏浚作業。但是，在實際應用中還存在以下問題：

(1) 在4種工況下都優先限制可調螺距螺旋槳的功率，這雖保證了疏浚作業的效率，但存在安全隱患。根據設計要求，耙吸挖泥船應具有頂流2.5 kn、保持2 kn航速施工的能力。在該條件下，主機往往運行在限定負荷的臨界點，若此時水流速度加大或泥泵功率加大，則會引起主機超負荷，按照傳統分級-循環功率限制策略降低可調螺距螺旋槳的功率，會進一步降低船速、減弱舵效甚至使其失效，這在避讓其他船舶時存在嚴重的安全隱患。

(2) 分級限制功率每一步都按照預先設定的比例降低用電負載的功率。這雖保證了主機負荷不超載，但往往會過多地釋放功率，使疏浚作業不能在最佳效率點運轉。在分級限制負載功率后，當主機有足夠的可用功率時會延時復位，這種限制和恢復是呈階梯狀的，對電網會有較大沖擊。

為解決上述問題，有針對性地提出動態功率限制策略。首先，將對可調螺距螺旋槳的限制轉嫁至對高壓沖水泵和泥泵的功率限制上：當出現頂流施工的情況時，優先保證船舶的機動性；當主機負荷超出限定值時，降低高壓沖水泵和水下泥泵的使用功率，釋放主機負荷供可調螺距螺旋槳使用。其次，取消限制功率的等級，簡化控制優先級：當主機實際功率超過限定功率時，延遲3 s進入限功率報警，先進入高壓沖水泵功率限制階段，通過降低高壓沖水泵功率將主機的功率降至限定目標值；當高壓沖水泵沒有運行或功率低于額定功率的10%時，進入泥泵降功率階段，通過降低艙內泥泵或水下泥泵的功率將主機的功率降至限定目標值；當主機功率小于限定目標值時，延遲120 s自動復位限功率報警，可實現在主機負荷超限報警時只釋放超出限定的部分功率[4]。

設置功率限制報警點PL=95%PME，功率限制目標值PT=90%PME，高壓沖水泵功率限制下限PJP-LOW=10%PJP，艙內泥泵功率限制下限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 動態功率限制程序流程圖

(1) 當主機實際功率>PL時，發出限功率報警。報警由監控與數據采集 (Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA)系統界面彈出，并伴有蜂鳴器提示。當主機實際功率

(2) 當限功率報警存在，且主機實際功率>PT時，進入限功率執行階段。

(3) 在限功率執行階段，當高壓沖水泵功率>PJP-LOW時，對高壓沖水泵進行限功率操作，直至主機功率PT時，再次對高壓沖水泵進行限功率操作。主機功率會在PT上下以16 kW(高壓沖水泵額定功率的2%)的幅度振動。

(4) 在限功率執行階段，當高壓沖水泵沒有運行或高壓沖水泵功率PDP-LOW時，對艙內泥泵進行限功率操作，直至主機功率PT時，再次對艙內泥泵進行限功率操作。主機功率會在PT上下以28 kW(艙內泥泵額定功率的1%)的幅度振動。

(5) 在限功率執行階段，當高壓沖水泵沒有運行或高壓沖水泵功率PUWP-LOW時，對水下泥泵進行限功率操作，直至主機功率PT時，再次對水下泥泵進行限功率操作。主機功率會在PT上下以13.5 kW(水下泥泵額定功率的1%)的幅度振動。

(6) 當高壓沖水泵功率PT時，發出主機功率超出限制范圍的報警。

3 實船應用及結論

動態功率限制方案在江蘇海新船廠“HX021”號船進行實船應用。各設備功率參數：PME=4 500 kW，PMG=4 300 kW，PJP=800 kW，PDP=2 800 kW，PUWP=1 350 kW。

“HX021”號船的功率限制與報警界面如圖4所示：在保航時對動態功率限制程序進行試驗，達到了最初的設計目標；在航行時可隨時釋放主機負荷供主推進螺旋槳使用，保證航行和作業的安全；動態功率限制減少了船舶電網的波動，可使主機在高效區間運行，提高施工效率。經過半年的運營，此程序運行正常。

圖4 “HX021”號船的功率限制與報警界面